Лауреатом Нобелевской премии по физике стало открытие гравитационных волн. Это чрезвычайно тонкие колебания в пространстве-времени, вызванные массовыми катастрофическими явлениями, такими как столкновение черных дыр. Эти волны были предсказаны Эйнштейном, который считал, что мы, возможно, никогда не сможем их обнаружить, потому что они будут невероятно малы.
Насколько малы? LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), устройство, используемое для обнаружения волн, может обнаруживать изменения на расстоянии от 10 до 22 метров. Гравитационные волны, обнаруженные до сих пор, имели амплитуду от 10 до 18 метров, что меньше радиуса протона.
Как такое возможно? Вот тут-то и возникает интерферометрия. В LIGO используется лазер, разделенный на два луча, которые проходят 8 км, а затем отражаются от зеркал и возвращаются к тому же детектору. Два луча прошли одинаковое расстояние, так что они находятся в фазе, или, по крайней мере, их можно откалибровать так, чтобы они точно совпадали по фазе, а это означает, что пики волн совпадают. Когда в пространстве-времени возникает пульсация, длина двух лучей (расположенных под углом 90 градусов друг к другу) слегка изменяется, в результате чего два луча оказываются не в фазе. Этот небольшой фазовый сдвиг может быть обнаружен и измерен.
Перед присуждением Нобелевской премии LIGO обнаружил четыре гравитационные волны, омывающие планету. Это было сочтено достаточным подтверждением достижений науки и техники, чтобы присудить премию.
Признаюсь, я был немного удивлен. Открытие, безусловно, достойное внимания, но обычно Нобелевский комитет очень консервативен и будет ждать, пока открытие выдержит испытание временем. В глубине души у меня было небольшое сомнение в том, что для обнаружения крошечных гравитационных волн они должны устранить все источники даже малейших помех. Животные, гуляющие по территории LIGO, могут вызвать дрожание в детекторе.
Хотя я не сомневался, что прибор работает так, как рекламируется, я, признаться, немного беспокоился о том, насколько они могут быть уверены в том, что устранены все источники помех. Соотношение сигнал/шум ничтожно мало, требуется устранить практически все помехи или учесть их, и это всегда вызывает у меня подозрения.
Что ж, я думаю, теперь мои сомнения рассеялись. LIGO обнаружил пятое гравитационно-волновое явление. Что еще более важно, это обнаружение было подтверждено (впервые) путем наблюдения самого события в различных частях электромагнитного спектра. Как сообщает Science:
17 августа в 12:41 по всемирному времени физики с помощью трех массивных приборов — сдвоенных 8-километровых детекторов гравитационно-волновой обсерватории лазерного интерферометра (LIGO) в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана, и 6-километрового детектора Virgo около Пизы, Италия, — обнаружили волны, непохожие на те, что были установлены в гравитационно—волновой обсерватории. все, что я видел раньше. Четыре предыдущих события длились не более нескольких секунд, при этом гравитационные волны распространялись с частотой в десятки циклов в секунду. Новая сирена звучала в течение 100 секунд с частотой, достигающей тысяч циклов в секунду. В то время как более ранний сигнал исходил от пар огромных черных дыр, быстро сближающихся по спирали, новый сигнал показал, что более легкие нейтронные звезды, в 1,1 и 1,6 раза массивнее Солнца, неумолимо вращаются вместе, объявили исследователи на параллельных пресс-конференциях в Вашингтоне, округ Колумбия, и Гархинге, Германия.
Подтверждение с помощью трех детекторов гравитационных волн — это хорошо, но это еще не все:
Поскольку сигнал был зафиксирован всеми тремя детекторами гравитационных волн, физики смогли провести триангуляцию и определить местоположение источника на участке неба площадью 30 квадратных градусов — примерно в 60 раз больше Луны и намного точнее, чем удалось определить Ферми. Астрономы направили большие и малые телескопы на точку в созвездии Гидры. Поиск начался медленно, поскольку для многих обсерваторий эта часть неба была освещена днем. Но уже через несколько часов пять групп ученых обнаружили новый источник света на периферии галактики NGC 4993, который, по их наблюдениям, за считанные дни сменился с ярко-синего на тускло-красный. Почти через 2 недели источник начал испускать рентгеновские лучи и радиоволны.
Отличие этого обнаружения в том, что оно касалось столкновения нейтронных звезд, а не черных дыр. Черные дыры черные, их невозможно увидеть напрямую. Но мы можем видеть нейтронные звезды. Они испускают гамма-лучи, рентгеновские лучи и радиоволны (то, что астрономы называют “оптическим аналогом”). Это не было артефактом – это было реальное небесное явление.
Я, похоже, не одинок в своих чувствах. Астроном Эндрю Хауэлл сказал:
“Иногда я задаюсь вопросом, а не валяем ли мы все дурака”, — говорит Хауэлл. “Именно такие моменты, как этот, убеждают меня в том, что наука работает”.
На этом мероприятии также было немного научной грязи. Столкнувшиеся нейтронные звезды образовали так называемую килоновую звезду – в тысячи раз более яркую, чем обычная новая.
Кроме того, наши модели предсказывают меньшее образование тяжелых элементов, таких как золото и платина, в сверхновых, чем мы наблюдаем на самом деле во Вселенной. Откуда берутся эти сверхтяжелые элементы? Была выдвинута гипотеза, что они возникли в результате столкновений нейтронов, подобных этому. Действительно, астрономы наблюдали облака тяжелых элементов вокруг килоновых планет, состоящих из золота и платины.
Я нахожу иронией тот факт, что окончательное подтверждение гравитационных волн было получено так скоро после того, как этой новой науке была присуждена Нобелевская премия. Но на самом деле это не такое уж большое совпадение. Как только детекторы были установлены и заработали, начали поступать гравитационные волны.
Это рождение совершенно новой области астрономии, нового способа изображения Вселенной. В очередной раз Эйнштейн оправдался, и на этот раз мы действительно превзошли его технологические ожидания. Иногда мы можем быть маленькими умными обезьянками.
