Как гравитационные волны свяжут Землю с другими планетами
Астрофизики США объявили о крупнейшем научном открытии XXI века. Американским ученым с помощью детекторов гравитационно-волновой обсерватории LIGO удалось зафиксировать гравитационные волны, предсказанные 100 лет назад в Общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Подробности открытия будут опубликованы в журнале Physical Review Letters.
По сути, гравитационные волны - это рябь, сродни той, которая возникает на поверхности пруда. Она порождается гравитацией массивных объектов в космосе, например, черных дыр, возникает при рождении сверхновых, а также от быстро вращающихся нейтронных звезд. Теоретически, любое движущееся с ускорением тяжелое космическое тело должно генерировать гравитационные волны, которые затем постоянно и беспрепятственно путешествуют по космосу. Гравитация передается в виде направленных квантованных волн - гравитационного излучения. До открытия LIGO лишь косвенные наблюдения свидетельствовали о существовании такого явления. Считалось, что зафиксировать гравитационные волны невозможно: колебания слишком слабы и земные приборы уловить их не способны.
Впервые об обнаружении гравитационных волн сообщили в 2014 году: их якобы зафиксировали ученые, работающие на станции Амундсена-Скотта рамках проекта BICEP2. Тогда данные оказались ошибочными: пойманный сигнал был на самом деле вызван не гравитационными волнами, а межзвездной пылью. Но недавно в научных кругах о гравитационных волнах заговорили снова, хотя в LIGO слухи не подтверждали.
Вчера, 11 февраля, состоялась пресс-конференция Национального научного фонда США в Вашингтоне. На ней собрались ученые из Калифорнийского технологического института (Caltech), Массачусетского технологического института (MIT) и международного научного сообщества LIGO. Целью пресс-конференции стало официальное подтверждение обнаружения гравитационных волн.
Обсерватория LIGO, в которую входят более 1000 ученых из университетов в Соединенных Штатах и 15 других странах мира, является одним из важнейших мест на планете, где ведется изучение гравитации и поиск гравитационных волн. Обсерватория финансируется Национальным научным фондом (NSF) США. Ее построили и теперь используют для текущих экспериментов Калифорнийский и Массачусетский технологические институты. Прошлой осенью LIGO оборудовали точнейшими лазерными детекторами нового поколения, которые сразу же и "поймали" гравитационные волны. Так, 14 сентября в 5:51 утра по времени восточного побережья США они были зарегистрированы одновременно на двух детекторах-близнецах LIGO - в штатах Луизиана и Вашингтон.
Дело в том, что обсерватория состоит из двух отдаленных друг от друга объектов, расположенных в разных частях США, однако набор приборов у них одинаковый. Лаборатории построили далеко друг от друга для получения достоверной информации: если одна станция обнаруживает какой-либо сигнал, а вторая нет, это могут быть обычные колебания, вызванные сейсмической активностью или движущимся транспортом. А вот если сигнал поступил на обе станции, есть вероятность, что обнаружена именно гравитационная волна. Обе обсерватории LIGO зафиксировали волну, которая прокатилась от одного детектора до другого со скоростью света. Статистическая значимость сигнала равна 5,1 сигма, что позволяет говорить об открытии, то есть такие данные не могут быть результатом случайности. Исходя из времени поступления сигналов - детектор в Ливигстоне записал событие на 7 миллисекунд ранее детектора в Хэнфорде, физики предположили, что источник волн находился в южном полушарии.
Важно, что зафиксированная гравитационная волна сохранила информацию о феномене, который ее породил. Так удалось установить, что она образовалась в результате столкновения двух черных дыр, масса которых в 29 и 36 раз больше массы Солнца. За доли секунды две черные дыры слились в одну, более массивную вращающуюся дыру. При этом образовались гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной.
Столкновение черных дыр предсказано общей теорией относительности, но раньше такого явления зафиксировано не было. Теперь подтверждено, что две дыры, вращающиеся вокруг друг друга, теряют энергию на излучение гравитационных волн. За счет этого они постепенно сближаются, сталкиваясь в последний момент со скоростью почти в половину скорости света, образуя одну гигантскую черную дыру. При этом часть массы слившихся черных дыр превращается в энергию, поступающую в атмосферу в виде сильного всплеска гравитационных волн. Именно такую волну и удалось зафиксировать специалистам LIGO.
Подтверждение обнаружения гравитационных волн поможет соединить теоретическую физику с практикой. Ученые говорят, что это открытие положит начало новой эре исследования космоса и станет основой нового направления - гравитационно-волновой астрономии. При наличии достаточного количества детекторов гравитационных волн, ученые смогут видеть объекты и явления, скрытые от электромагнитного спектра. В частности, можно будет наконец понять природу черных дыр. При сиянии они могут не производить сильного электромагнитного излучения, но зато дадут огромный гравитационно-волновой сигнал, который можно будет проанализировать. Собрав достаточное количество такой информации, ученые составят гравитационную карту Вселенной и лучше поймут происходящие в ней процессы: перемещения объектов, формирование черных дыр, "червоточин", природу темной энергии и темной материи.
На основе новых знаний можно будет создать принципиально новые способы перемещения в пространстве и времени, достичь сверхсветовых скоростей. В частности, можно будет проверить, действительно ли являются "червоточины" туннелями, позволяющими путешествовать во времени.
Еще одно практическое применение гравитационных волн - создание на основе наблюдений за ними искусственных гравитационных полей, на базе которых возникнут революционные технологии из разряда научной фантастики. Так, в новом номере журнала Physical Review вышла статья, в которой профессор из бельгийского университета Намюра Андре Фузфа описал созданное им теоретическое устройство, своего рода генератор искусственного гравитационного поля. Используя такой генератор, можно построить, к примеру, гравитационные двигатели и коммуникации на основе гравитационных волн. Такие коммуникационные технологии обеспечат прямую связь между двумя точками в разных уголках земного шара или даже на разных планетах, невзирая на расстояния и наличие препятствий между ними.
Владение технологиями создания и управления гравитационными полями позволит также использовать на практике такие фундаментальные силы, как силы сильных и слабых ядерных взаимодействий, что откроет человечеству дорогу в новую индустриальную эру.
