Гравитационные волны: история изучения и открытие LIGO

Обнаружение гравитационных волн, их главные астрофизические источники и регистрация с помощью детекторов aLIGO

Компьютерная симуляция гравитационных волн, источником которых послужило слияние двух черных дыр (NASA // C. Henze)

Гравитационные волны — это распространяющиеся в пространстве-времени колебания геометрической структуры (метрики) пространства-времени, которые движутся со скоростью света. Их существование было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна сто лет тому назад.

В течение последних 20 лет были приложены колоссальные усилия для их экспериментального обнаружения. Начиная с осени прошлого года, когда пошли непрерывные наблюдения на детекторе aLIGO (Advanced Laser-Interferometer Gravitatioal Wave Obsevatory) в США, стало ясно, что гравитационные волны от астрофизических объектов зарегистрированы, осталось лишь дождаться официального объявления об этом открытии. 11 февраля 2016 года в ходе пресс-конференции научной коллаборации LIGO в Вашингтоне было объявлено об экспериментальном открытии гравитационных волн.

Источники гравитационных волн

Главные астрофизические источники гравитационных волн — это сливающиеся двойные нейтронные звезды или черные дыры, то есть два массивных объекта, которые вращаются по орбите вокруг общего центра масс.

Излучение гравитационных волн очень слабое для обычных двойных систем — например, для системы Земля — Солнце оно не играет никакой роли. А когда объекты очень массивные, например две нейтронных звезды с массами 1,5 массы Солнца, и когда они находятся на очень тесной орбите (с периодами несколько часов и менее), эффекты сближения объектов становятся заметными. Гравитационные волны уносят энергию и момент импульса. Этот эффект был виден уже давно, в пульсарном тайминге от двойных пульсаров (это две нейтронных звезды с массами около 1,5 массы Солнца каждая, одна из звезд видна как радиопульсар) его обнаружили еще в начале 1990-х годов, за это была дана Нобелевская премия по физике Р. Халсу и Дж. Тейлору в 1993 году. Из-за излучения гравитационных волн такие двойные пульсары рано или поздно должны слиться, то есть они по спирали постепенно приближаются ближе, ближе, ближе и наконец сливаются.

Источниками могут также быть двойные черные дыры. Они могут образоваться из очень массивных звезд, когда в результате гравитационного коллапса ядра звезды в конце ее эволюции образуется не нейтронная звезда, а уже черная дыра. Такие двойные черные дыры тоже могут оказаться на тесной орбите, за счет излучения гравитационных волн приближаться друг к другу и в конце концов слиться. Детекторы LIGO открыли именно черные дыры с массой порядка 30 масс Солнца каждая. В этом большой интерес. Почему? С одной стороны, гравитационно-волновой сигнал пропорционален произведению масс объектов. То есть чем более массивны объекты, тем больше амплитуда сигнала, то есть тем больше амплитуда флуктуаций пространства-времени, которые ловит гравитационно-волновая антенна на Земле. Поэтому при заданном уровне чувствительности антенна «просматривает» просто больший объем пространства. Поэтому вероятность того, что вы увидите сливающиеся черные дыры, конечно, больше. Иными словами, горизонт видимости при данной чувствительности этой антенны для черных дыр гораздо больше, чем для нейтронных звезд, потому что масса сливающегося объекта в десятки раз больше.

Регистрация гравитационных волн

Регистрация гравитационных волн происходит довольно простым (идеологически) способом. Гравитационная волна, взаимодействующая со свободно движущимися пробными массами, заставляет эти массы с периодом гравитационной волны слегка двигаться относительно друг друга. Но эти движения ничтожны, поскольку амплитуда гравитационных волн очень мала. Она выражается в безразмерном отношении растяжений и сжатий пробных масс относительно друг друга и ожидается порядка 10-22–10-21. Но с помощью лазерных многокилометровых интерферометров типа aLIGO такие смещения можно измерить. Это было понято еще в 1960-х годах (работы Герценштейна и Пустовойта в СССР), и уже тогда начались интенсивные сначала теоретические, потом экспериментальные исследования (Р. Вайсс в MIT, группа В.Б. Брагинского на физфаке МГУ и др.), и, наконец, в начале 1990-х годов были выделены деньги на строительство лазерных гравитационно-волновых интерферометров. Они были построены США (Ханфорд, штат Вашингтон; Ливингстон, штат Луизиана) в Италии под Пизой (VIGRO — французско-итальянский интерферометр). Последний пока находится на стадии модернизации, должен вскоре заработать.

Это довольно интересная и очень сложная техника. Лазерный луч идет в глубоком вакууме, там установлена определенная система зеркал, специальные дополнительные устройства, для того чтобы подольше задержать свет 4-километровых плечах интерферометра. Строительство таких многокилометровых лазерных интерферометров и сама техника регистрации сверхслабых сигналов с помощью лазерной интерферометрии представляет собой колоссальный технический и технологический успех.

Детектор аLIGO

Один детектор LIGO находится в штате Вашингтон на западном побережье, а другой — в Луизиане в Ливингстоне. Это два лазерных интерферометра с плечами примерно по 4,5 км. Это интерферометры типа интерферометра Майкельсона. Мощный лазер посылает луч, который разделяется в двух взаимно перпендикулярных направлениях (плечах интерферометра). В конце плеч подвешены зеркала, специальным образом изолированные от различных шумов. Эти зеркала играют роль пробных масс. Когда проходит гравитационная волна, эти зеркала чуть-чуть начинают колебаться в определенной фазе. Свет отражается от этих зеркал, потом опять собирается на разделителе и интерферирует на детекторе. Когда зеркала висят свободно (то есть на них не действует гравитационная волна), свет приходит на детектор в определенной фазе, а когда зеркала начинают двигаться, интерференционная картина нарушается, начинает изменяться. По изменениям этой интерференционной картины можно судить о движении зеркал — пробных масс. В этом состоит основная идея этого детектора.

Для этого нужны специальные очень стабильные лазеры, так как должна быть очень стабильная частота света. Трубы, в которых распространяется свет, глубоко вакуумированы, чтобы не было рассеяния на молекулах воздуха и пылинках. Сами массы представляют собой 30-килограммовые сапфировые зеркала со специальным покрытием, обеспечивающим очень высокий коэффициент отражения. Они подвешены на специальных кварцевых нитях. Осуществляется очень сложная система регистрации разных малых флуктуаций. Вокруг этого образовалась огромная увлекательная экспериментальная наука, как это все можно измерить. Эффект очень слаб, и, чтобы его найти, вам нужно учесть огромное количество шумов, которые мешают регистрации таких малых флуктуаций. Потому что даже на расстоянии 4 км при амплитуде волны 10-21 у вас относительное изменение расстояний между зеркалами всего лишь 10-21. 10-21 умножаем на 4 км — получаем 4*10-16 см, что в тысячу раз меньше, чем размер протона!

Детектор LIGO, Ливингстон, штат Луизиана (Caltech/MIT/LIGO Lab)

Детектор LIGO, Ливингстон, штат Луизиана (Caltech/MIT/LIGO Lab)

Представляете, надо измерить изменение расстояния с относительной точностью в абсолютных единицах меньше в 1000 раз, чем сам протон. Это же невероятно маленький размер. Невозможно себе представить, как такое можно сделать. Оказывается, с помощью лазерной интерферометрии, с помощью изменения интерференционной картины это возможно. Как только это было понято, экспериментаторы стали строить эти детекторы. Сначала были построены 100–300-метровые прототипы в Caltech (США), в Японии. В Германии под Ганновером работает 600-метровая антенна GEO-600. Чем больше плечи интерферометра, тем чувствительнее этот прибор. Но слишком большие интерферометры тоже нельзя сделать, потому что начинают мешать другие эффекты. Тем не менее это фантастический успех экспериментальной техники.

Обсерватории LIGO и VIRGO работали на более низком уровне чувствительности в течение нескольких лет с начала 2000-х годов. Потом они были остановлены на модернизацию, чувствительность была улучшена в несколько раз. Планируется и дальнейшее улучшение чувствительности. Так что на полную проектную мощность эти детекторы выйдут где-то к 2018–2019 годам.

Обработка данных с детекторов

Это очень сложная процедура. Почему? Потому что различные шумы (тепловые движения зеркал и других элементов интерферометра, дробовой шум фотонов в лазерном луче и так далее) оказываются очень большими, и нужно найти сигнал, который в тысячи раз меньше, чем шум. Есть специальные методики, которые пришли из радиофизики, из техники обнаружения объектов радарами на фоне помех.

Дело в том, что гравитационно-волновой сигнал обладает очень характерными особенностями. На научном языке у него характерный спектр Фурье, то есть специфический частотный состав. Если спектр сигнала заранее известен, его можно легче обнаружить на фоне шума. Сама техника обработки сигнала заключается в том, что все время осуществляется поиск сигнала в шуме, то есть пробуется, какой из возможных сигналов лучше или хуже подходит к тому, что наблюдается. Зеркала интерферометра все время как-то подрагивают, вы видите, что интерференционная картина на детекторе постоянно меняется. Но из-за чего она меняется, вы не знаете. Чтобы доказать, что она меняется из-за гравитационно-волнового сигнала, нужно подобрать такую форму реалистического сигнала, чтобы она описала наблюдаемые флуктуации наилучшим образом. Как только окажется, что такой сигнал подошел, можно говорить, что он виден интерферометром. Таким образом, все время происходит коррелирование реального отклика детектора с модельным сигналом. Это нужно делать независимо обязательно с двух, а еще лучше с трех детекторов, потому что всегда есть вероятность того, что в одном детекторе шум случайно подстроился под сигнал по своим спектральным характеристикам. А когда в совершенно независимых местах и разнесенных на тысячи километров детекторах наблюдается одинаковая форма сигнала (template), это придает уверенности в том, что сигнал не случаен, а вызван действием гравитационной волны.

Важно отметить, что эти детекторы почти всенаправленные, то есть они не могут точно определить, из какого направления сигнал пришел. Если есть два почти всенаправленных детектора, просто по времени задержки между одним и вторым детектором можно определить кольцо на небесной сфере, откуда пришел сигнал. Когда будет третий детектор, еще одно кольцо выделит два пятна на небе. Сейчас пока что это большое кольцо, поскольку работают всего два детектора aLIGO. Когда в сентябре 2015 года был зарегистрирован первый сигнал, коллаборация LIGO попросила все наземные и космические обсерватории (в этом деле участвовало огромное количество астрономов, в том числе астрономы из ГАИШ МГУ) поискать, не было ли чего-нибудь в определенные даты, каких-нибудь электромагнитных сигналов. Потому что думается, что, когда происходят такие мощные природные феномены, как слияние нейтронных звезд или черных дыр, в ряде моделей может выделяться еще значительная электромагнитная энергия (радио, оптика, рентген и др.).

Итак, известно время, когда сработал ваш детектор, и выделено какое-то большое кольцо на небе, откуда мог прийти сигнал. И нужно в этом стоге сена найти иголку — не было ли в этот момент какой-то необычной электромагнитной вспышки. От нейтронных звезд совершенно точно должен быть электромагнитный сигнал. И это целая наука, какой он может быть. А от двойных черных дыр — вопрос открытый.

Первичные гравитационные волны

В прошлом году специалисты коллаборации BICEP объявляли об открытии первичных гравитационных волн, однако потом эти слухи были опровергнуты. Но первичные гравитационные волны — это совсем другое. Первичные гравитационные волны пришли к нам от эпохи, когда Вселенная расширялась ускоренно, и это след тех квантовых флуктуаций, которые отразились в первичных гравитационных волнах. Источники таких волн — это не какие-то материальные тела, а именно сама стадия ускоренного расширения Вселенной приводит к появлению определенного спектра первичных флуктуаций метрики пространства-времени от частоты. Эти флуктуации отпечатываются в особенностях поляризации реликтового излучения. Одной из задач экспериментов по измерению реликтового излучения было, в частности, попытаться обнаружить и первичные гравитационные волны.

Но дело в том, что этот эффект на несколько порядков меньше, чем флуктуации температуры микроволнового фона, которые сами составляют 10-5, а эффект поляризации реликтового фона от первичных гравитационных волн еще меньше на несколько порядков. Оказывается, там есть очень много разных мешающих факторов, в частности, поляризация излучения на космической пыли может создавать очень похожие на гравитационные волны эффекты. И то, что было объявлено в 2014 году, оказалось эффектом, связанным с пылью, которая находится внутри нашей Галактики. Когда эту пыль аккуратно учли, оказалось, что все, что намерено в поляризации, можно объяснить пылью. Поэтому сейчас нет никакого основания утверждать, что обнаружены первичные гравитационные волны.

Экспериментальное открытие гравитационных волн

11 февраля 2016 года в ходе пресс-конференции научной коллаборации LIGO в Вашингтоне было объявлено об экспериментальном открытии гравитационных волн. О существовании гравитационных волн давно известно, но экспериментальное обнаружение — это экспериментальное обнаружение. Всегда оставалась какая-то вероятность того, что, допустим, у вас что-то не сработает, это был технический вызов. То, что они открыты, не меняет никаких фундаментальных теорий. Источниками этих волн оказались черные дыры очень больших масс (не очень больших, а масс порядка нескольких десятков солнечных). Это очень интересно, потому что мы плохо знаем, как образуются черные дыры, и можем только косвенно, по каким-то астрофизическим наблюдениям об этом судить. Это важно с точки зрения звездной эволюции и вообще открывает совершенно новый канал информации об астрофизических источниках. Если раньше это все изучали с помощью электромагнитного излучения или нейтрино, то теперь еще и подключаются гравитационные волны, которые нигде не поглощаются, ни с чем не взаимодействуют. Они свободно распространяются и несут эту информацию о сверхсильных гравитационных полях.

Сама физика генерации гравитационных волн очень сложная и несет информацию о структуре пространства-времени, которую никакое другое излучение (электромагнитное, нейтринное и др.) не несет. И в этом смысле это, конечно же, совершенно уникальное орудие, уникальный способ для зондирования сверхсильной гравитации, которая определяет свойства черных дыр и очень компактных массивных объектов типа нейтронных звезд. Внутренняя структура черных дыр может быть очень нетривиальна. Это совершенно новый фронт науки, до сих пор он был сугубо теоретическим. Поэтому нет сомнения, что это чрезвычайно важное и перспективное направление развития вообще всех астрофизических исследований и фундаментальной физики в том числе. За экспериментальное открытие гравитационных волн, безусловно, должны дать Нобелевскую премию.

Источник: Link

Автор записи: Сергей Матюшин

Если вы заметили орфографическую ошибку, пожалуйста, выделите ее мышью и нажмите Ctrl+Enter.
Похожие записи:
6 комментариев на “Гравитационные волны: история изучения и открытие LIGO”
  1. # 1 Дмитрий_Волгоград

    Из этой статьи:

    «Оказывается, там есть очень много разных мешающих факторов, в частности, поляризация излучения на космической пыли может создавать очень похожие на гравитационные волны эффекты. И то, что было объявлено в 2014 году, оказалось эффектом, связанным с пылью, которая находится внутри нашей Галактики. Когда эту пыль аккуратно учли, оказалось, что все, что намерено в поляризации, можно объяснить пылью.»

    12.02.2016 | 18:23
  2. # 2 Дмитрий_Волгоград

    Если то, что было объявлено в 2014 году оказалось пургой, то где гарантия того, что ситуация не повторится опять?

    Любые открытия должны сначала проверяться независимыми лабораториями. Если нет повторяемости в других лабораториях — это не открытие. И потом, такие сверхмалые колебания зеркал — да мало ли от чего они могут колебаться, трамвай проехал за 100 км, они и заколебались на 0 целых, хрен десятых. Или самолет пролетел за 500 км. Почему именно от гравитационных волн ?

    Скорее всего потому что ученые хотят кушать каждый день, а не раз в 50-100 лет, когда совершаются действительные серьезные открытия. И не только кушать, других потребностей тоже много.

    12.02.2016 | 19:29
  3. # 3 Сергей Матюшин

    1. Гарантии никто нигде не даёт.
    2. Я допустим не очень понял как отсекаются геомагнитные шумы. они на несколько порядков мощнее описанного явления

    12.02.2016 | 19:37
  4. # 4 Дмитрий_Волгоград

    У меня было несколько механических ручных часов, через какое то время намагничивались и переставали ходить. Даже швейцарские встали через месяц. Отнес в гарантийную мастерскую — те долго не могли понять, все на месте, настоящие, вроде должны работать, но нифига не идут. В итоге новый механизм вставили по гарантии — и я часы эти положил на полку. Зачем зря портить. Купил кварцевые, они не намагничиваются. Швейцарские друг подарил на круглую дату — не знал, что у меня со всеми механическими часами так.

    На физфаке учился — иногда лабораторную делал, а результаты не сходятся с табличными. Причем простые эксперименты — типа ускорение свободного падения. А сдавать то надо. Подсчитаешь до половины с этими данными, а вторую половину считаешь от табличных значений назад. Середину не пишешь, мол много писать. Препод тоже помню чесал макушку — как так? А как так? Я сам может своими полями как влиял, я откуда знаю ? Но делал много раз — результаты нифига не сходится с табличными.

    А тут сверхмалые величины, что то задрожало. От чего там могло задрожать? Да от чего угодно, может кот ученый (тот, который у ученых живет) яйца лизал, и это сказалось на эксперименте. И сразу затрубили на весь мир — сенсация.

    12.02.2016 | 20:55
  5. # 5 Дмитрий_Волгоград

    Вот с юмором о физике. Рекомендую посмотреть. Доступно и понятно и с юмором об всякой пурге, типа теория относительности и прочей хрени….

    Скорость света во Вселенной. Все ответы. Катющик.

    https://www.youtube.com/watch?v=-RB69bYp37k

    Личная информация про автора:
    Катющик Виктор Григорьевич родился 22 июня 1967 в городе Красноярске. Образование, высшее. Род занятий : наука, физика — с 1994 исследования в рамках частного научного проекта . Направления исследований: свойства материи, гравитация, база логического обеспечения искусственного интеллекта. Работы опубликованы : 1. Катющик В.Г. Комментарии о функциях- характеристиках материи. – Абакан: Вестник Хакасского технического института филиала КГТУ, №11. 2001. 2. Катющик В.Г. Объемная задача по определению составляющих сил гравитации. – Абакан: Вестник Хакасского технического института филиала КГТУ, №12. 2002. 3. Катющик В.Г. Общая форма закона всемирного тяготения. — Приложение к «Вестнику Крас ГАУ». Сборник научных трудов. Выпуск №4.Красноярск 2009 4. Катющик В.Г. Гравитационное взаимодействие, основы космологии. — Издано по решению учебно-методического совета ХФ ФГОУ ВПО КрасГАУ. Протокол №3 от 25.03.2009 г. УДК 378. БКК 74.58. К29. Абакан: Хакасское книжное издательство, 2009.-104с.

    12.02.2016 | 21:52
  6. # 6 Дмитрий_Волгоград

    Вот еще:

    Большой взрыв (лучшее объяснение). Big Bang. Катющик.
    Научный трибунал. «Катющик ТВ».

    http://www.youtube.com/watch?v=2d2E5pCujS8

    13.02.2016 | 00:49
Оставить комментарий


Подписаться, не комментируя

Система Orphus