Тысячи лет астрономы полагались в своих исследованиях только на видимый свет. В XX веке их зрение охватило весь электромагнитный спектр — от радиоволн до гамма-лучей. Космические аппараты, добравшись до других небесных тел, наделили астрономов осязанием. Наконец, наблюдения заряженных частиц и нейтрино, испускаемых далекими космическими объектами, дали астрономам аналог обоняния. Но до сих пор у них нет слуха. Звук не проходит через космический вакуум. Зато он не является препятствием для волн иного рода — гравитационных, которые тоже приводят к колебанию предметов. Вот только зарегистрировать эти призрачные волны пока не удалось. Но астрономы уверены, что обретут «слух» в ближайшее десятилетие.
Взмахните рукой — и по всей Вселенной побегут гравитационные волны. Они расходятся почти от любого движущегося предмета — прыгающего по лужайке кролика, вылетевшей из ствола пули, стартующей ракеты. Но эти колебания настолько ничтожны, что зарегистрировать их не представляется возможным ни сегодня, ни в будущем. Все дело в слабости гравитационного взаимодействия — оно на 40 порядков (!) уступает электрическому. Чтобы создать достаточно сильную для регистрации гравитационную волну, нужно заставить двигаться с околосветовыми скоростями очень большие массы, сравнимые с массой звезд — вот такой «звук» смогут уловить специальные «уши»-детекторы.
Звезды, дыры, инфляция
Гравитационные волны при слиянии черных дыр. Трехмерная модель, рассчитанная на компьютере NASA «Колумбия» (10 тыcяч процессоров)
Звезды могут испускать гравитационные волны двумя способами: при несимметричных пульсациях и при обращении двух звезд вокруг общего центра под действием взаимного тяготения. Но обычные звезды, вроде нашего Солнца , слишком большие и «рыхлые» для эффективного испускания гравитационных волн. Иное дело — нейтронные звезды . Их вещество плотнее атомного ядра, и при массе больше солнечной они имеют радиус около 10 километров. Очень тесная двойная система нейтронных звезд делает сотни оборотов в секунду, а скорость движения при этом достигает трети скорости света! Еще более мощными источниками этих волн будут двойные черные дыры — они еще компактнее, а массы у них больше, чем у нейтронных звезд. Источником гравитационных волн могут быть и быстровращающиеся одиночные нейтронные звезды. Оказывается, если нейтронную звезду раскрутить до 1 000 оборотов в секунду, она теряет осевую симметрию, а вращающееся несимметричное тело излучает гравитационные волны. Короткие, но сильные всплески гравиитационных волн, вероятно, возникают при взрывах сверхновых, которые тоже происходят несимметрично.
Но самым интересным источником гравитационного излучения должны быть космологические процессы. Сразу после «рождения» Вселенной плотность и температура вещества были фантастически велики, а двигалось оно с околосветовыми скоростями, интенсивно испуская гравитационные волны. Причем в этом процессе участвовало все вещество Вселенной. Если зарегистрировать реликтовые гравитационные волны, мы увидим, как рождалась наша Вселенная, узнаем, пережила ли она стадию инфляции (ускоренного расширения) и как она протекала.
Гравитационные волны
В общей теории относительности Эйнштейна (ОТО) пространство «чувствует» присутствие массивных тел и искривляется в их окрестностях. Движение самих тел напоминает хождение по батуту: упругая поверхность прогибается сильнее всего в том месте, куда мы ставим ногу, когда же мы двигаемся дальше — поверхность распрямляется. Быстрые перемещения массивных тел порождают волны пространства, которые, преодолев тысячи, миллионы, миллиарды световых лет, вызывают едва уловимые колебания предметов на Земле. Возьмем покоящееся массивное тело, быстро переместим на некоторое расстояние в сторону. Пока тело покоилось, все объекты во Вселенной ощущали направленную к нему силу притяжения. При сдвиге направления сил меняются, но другие тела «почувствуют» это не сразу: любое возмущение распространяется не быстрее света в вакууме. Чем дальше находятся эти тела, тем больше нужно времени. Вернем массивное тело в исходное положение — вдогонку первому возмущению побежит второе, возвращающее все на свои места.
Получается, что далекие тела еще не почувствовали изменений, для близких все уже вернулось в первоначальное состояние, и только в узкой области поле тяготения отличается от исходного. Эта область представляет собой сферический слой, удаляющийся от нашего источника тяготения со скоростью света. Причем возмущения в этом слое — свободные. Что бы мы ни делали с телом-источником, невозможно повлиять на ушедшее от него возмущение гравитационного поля. По сути, это и есть гравитационная волна.
Вселенная совершенно прозрачна для волн гравитации. Они могли бы стать идеальным средством ее исследования, поскольку совершенно не взаимодействуют с веществом по дороге. Но по этой же причине они практически неуловимы. И все же за 40 лет безрезультатной пока охоты ученые придумали методы, которые позволяют надеяться на успех в течение ближайшего десятилетия.
Для наблюдателя гравитационная волна представляет возмущение приливных сил. Проходя между двумя телами, она заставляет их еле уловимо сближаться и удаляться с определенной частотой. Соединим пружиной два грузика. Такая система имеет некоторую собственную частоту колебаний. Если она совпадет с частотой волны, возникнет резонанс, усиливающий колебания, и его, возможно, удастся зафиксировать. В реальных экспериментах используют не грузы на пружинке, а алюминиевые цилиндры длиной несколько метров и толщиной около метра, у которых имеется не одна, а целый спектр частот. В других детекторах устанавливаются массивные зеркала, расстояние между которыми измеряется лазером.
Охота без трофеев
Джозеф Вебер налаживает один из первых детекторов гравитационных волн
Несмотря на грандиозный масштаб этих явлений, зарегистрировать гравитационные волны пока никому не удалось. Теоретически ожидаемая интенсивность сигналов находится ниже порога чувствительности существующих детекторов. Хороший шанс открыть эпоху гравитационно-волновой астрономии был в феврале 1987 года при вспышке сверхновой в Большом Магеллановом Облаке — она случилась относительно близко от Земли (по астрономическим меркам, конечно). Возможно, ее сигнал и сумели бы зарегистрировать лучшие гравитационные инструменты того времени. Но, увы, звезда взорвалась в ночь на понедельник, когда работало лишь несколько не самых чувствительных приемников. Анализ их данных не обнаружил никакого достоверного гравитационного сигнала.
Создание первых резонансных детекторов связано с именем Джозефа Вебера, неутомимого энтузиаста охоты на гравитационные волны. Проект детально проработанной конструкции детектора с цилиндрическим алюминиевым резонатором он опубликовал в 1960 году, и вскоре установки были созданы «в металле». С тех пор в конструировании резонансных детекторов был достигнут существенный прогресс. Теперь все они охлаждаются до очень низких температур, чтобы избежать тепловых шумов, а новые технологии значительно повысили чувствительность датчиков, но успеха пока достичь не удалось. Впрочем, сам Вебер до самой смерти в 2000 году был уверен, что все же зарегистрировал всплески гравитационных волн.
Более эффективными должны стать сферические детекторы. Теоретически это обосновал астрофизик (известный также как писатель-фантаст) Роберт Форвард (Robert Forward) в 1975 году, всего через несколько лет после начала работы первых установок Вебера. Сферические детекторы не только чувствительнее цилиндрических, но еще и одинаково хорошо принимают сигналы с любого направления, а также позволяют определить это направление. Это как раз то, что нужно, если мы стремимся зарегистрировать хоть какой-нибудь сигнал, откуда бы он ни исходил. Подобные детекторы не строились из-за высокой технологической сложности, но сейчас уже создаются первые их прототипы.
Детекторы гравитационных волн
AURIGA
Леньяро близ Падуи, Италия
Резонансный
M = 2,23 т, Т = 0,2 К
EXPLORER
ЦЕРН, Женева, Швейцария
Резонансный
M = 2,27 т, Т = 2,6 К
NAUTILUS
Фраскати близ Рима, Италия
Резонансный
M = 2,26 т, Т = 0,13 К
ALLEGRO
Батон Руж, шт. Луизиана, США
Резонансный
M = 2,30 т, T = 4,2 K
TAMA
Токио, Япония
Лазерный
L = 300 м
GEO 600
Ганновер, Германия
Лазерный
L = 600 м
VIRGO
Пиза, Италия
Лазерный
L = 3 км
LIGO
Хенфорд, шт. Вашингтон, США
Лазерные
L = 2 км и 4 км
Ливингстон, шт. Луизиана, США
Лазерный
L = 4 км
miniGRAIL
Лейден, Голландия
Сферический
D = 65 см, М = 1,15 т
Включить лазеры!
Сборка резонансного детектора AURIGA. Видны торцы трех медных защитных труб, окруженных емкостью для жидкого гелия
Хотя гравитационные волны еще не зарегистрированы, наблюдения уже идут полным ходом. Основные надежды ученых «услышать Вселенную» возлагаются сейчас на лазерные детекторы, чей принцип действия основан на явлении интерференции. Полупрозрачное диагональное зеркало расщепляет лазерный луч на два: один, например, вдоль ожидаемого пути волны, другой — в перпендикулярном направлении. Эти лучи проходят по длинным туннелям, сотни раз отражаясь от поставленных друг напротив друга зеркал, а затем вновь объединяются с помощью полупрозрачного зеркала. При сложении электромагнитные волны могут усилить, ослабить или даже полностью погасить друг друга в зависимости от разности фаз, а эта разность зависит от длины пути, пройденного каждым лучом.
Под действием гравитационной волны сначала одно плечо нашего прибора станет чуть короче, а другое — длиннее, потом ситуация поменяется на противоположную. Наблюдения за интерференцией лучей позволяют заметить сдвиги зеркал на ничтожные доли длины волны лазерного излучения. Обнаружение этих сдвигов и будет доказательством существования гравитационных волн. Чувствительность детектора увеличивается с ростом длины плеч и числа отражений. В отличие от резонансных детекторов у лазерных нет выделенной собственной частоты колебаний. Если твердотельные детекторы в основном «слышат» колебания с частотой около 1 килогерца, то интерферометры могут регистрировать волны в широком диапазоне с частотами примерно от 10 Гц до 10 кГц.
Итальянский детектор гравитационных волн VIRGO с плечами длиной 3 км сооружался с 1996-го и введен в строй в 2003 году
Самый маленький лазерный детектор — 300-метровый TAMA в Японии — является прототипом будущего 3-километрового интерферометра. На англо-германской установке GEO 600 отрабатываются новые инженерные решения для других проектов. Благодаря оригинальным идеям этот детектор при скромных размерах обладает высокой чувствительностью. В конструкцию итальянского детектора VIRGO с плечами длиной 3 километра заложены очень сложные инженерные решения, в первую очередь для изоляции прибора от сейсмического шума. Наладка установки затянулась, однако интересных научных данных можно ожидать в самое ближайшее время. Крупнейший среди действующих лазерных интерферометров, американский LIGO, включает сразу три детектора: двухкилометровый и два четырехкилометровых. Правда, один из них в Ливингстоне (Луизиана) работает лишь в треть силы — ему очень мешают вибрации от падения стволов сосен на лесозаготовках по соседству. Эту и многие другие проблемы должны решить в ходе существенной модернизации (проект Advanced LIGО, или LIGOII), запланированной к 2010 году. При этом будут установлены более мощные лазеры и реализован ряд важных технических решений, опробованных в проекте GEO 600.
Рывок в космос
Детекторы LIGO и VIRGO относятся к числу наиболее сложных и дорогих физических приборов на Земле. Но ученые не собираются останавливаться на достигнутом. Чтобы не «зарывать деньги в землю», можно запускать их в космос. Как остроумно заметил астрофизик Богдан Пачинский из Принстонского университета, «там доллары весят меньше».
Самый претенциозный астрокосмический эксперимент ближайшего будущего связан именно с регистрацией гравитационных волн. Речь идет о проекте LISA, который будет включать созвездие из трех спутников, разнесенных на расстояние около 5 миллионов километров друг от друга. Образуя равносторонний треугольник, они будут двигаться вокруг Солнца вслед за Землей, отставая от нее примерно на 20 градусов (около 50 миллионов километров). На каждом спутнике будет по два лазера и по два 30-сантиметровых телескопа для слежения за партнерами.
LISA сможет регистрировать недоступные для наземных установок низкочастотные гравитационные волны: от 1 Гц до стотысячной доли герца — это меньше одного колебания в сутки. На таких частотах излучают, например, сливающиеся сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик. LISA будет «слышать», как такие черные дыры «заглатывают» нейтронные звезды, белые карлики и «обычные» черные дыры (звездного происхождения). Также могут быть получены важнейшие данные по космологическим гравитационным волнам. И наконец, данные LISA станут дополнительной проверкой общей теории относительности (ОТО): они могут наложить дополнительные ограничения на альтернативные теории гравитации или, кто знает, показать, что ОТО нуждается в уточнении.
Запуск LISA состоится не ранее 2013 года. Но еще до того некоторые технологии пройдут обкатку на спутнике LISA Pathfinder. Кроме того, разрабатывается проект BBO (Big Bang Observer), который будет включать в себя четыре созвездия спутников, разбросанных вдоль земной орбиты вокруг Солнца. Каждое созвездие будет напоминать LISA, но с расстоянием между аппаратами около 50 000 километров. Главная цель BBO — зарегистрировать космологические гравитационные волны, а попутно он сможет обнаружить гравитационное излучение всех двойных нейтронных звезд во Вселенной. Запуск BBO возможен в 2018–2025 годах.
Будущее — на Земле
Голландский сферический детектор гравитационных волн miniGRAIL
Впрочем, надежды гравитационно-волновой астрономии не связаны исключительно с космосом. В Голландии строится сферический детектор miniGRAIL — металлическая сфера диаметром 65 сантиметров, охлаждаемая до температуры в тысячные доли градуса Кельвина. Такая же установка появится в Сан-Паулу (Бразилия ). Если все пойдет хорошо, то будет построен большой GRAIL с 3-метровой медной сферой массой 110 тонн. Еще один крупный сферический детектор проектируется в Италии. На высоких частотах (2–3 кГц) такие детекторы могут превзойти по чувствительности самые совершенные лазерные установки LIGO-II и VIRGO.
В Японии разрабатывается проект криогенного лазерного детектора LCGT (Large Cryogenic Gravitational wave Telescope). Он войдет в строй еще не скоро, но прежде должен появиться его стометровый прототип CLIO (Cryogenic Laser Interferometer Observatory). В Европе также обсуждается проект криогенного интерферометра EURO с массивными сапфировыми зеркалами, расположенными для изоляции от шумов глубоко под землей. Специальная система настройки обеспечит ему повышенную чувствительность при поиске сигналов с заранее известной частотой излучения.
Гравитационный детектор для бедных
Вселенная порой предоставляет ученым инструменты, недоступные им в лабораториях. Иногда на Землю прилетают частицы с фантастическими энергиями — на десять порядков выше, чем достигается на лучших синхрофазотронах. Вселенная — это «ускоритель для бедных». Гравитационные линзы фокусируют свет самых далеких галактик, позволяя нам их увидеть. Вселенная — это «телескоп для бедных». А нет ли у Вселенной детектора гравитационных волн «для бедных»? Оказывается, есть! В наших галактических окрестностях летает около тысячи прекрасных, очень точных часов. Речь идет о нейтронных звездах — радиопульсарах. Эти компактные маховики звездной массы, делают кто один, а кто несколько сотен оборотов в секунду. Стабильность скорости их вращения очень высока и сравнима с точностью хода современных атомных часов. Если радиопульсар и Земля подвергаются воздействию гравитационной волны, расстояние между ними попеременно увеличивается и уменьшается с характерным для нее периодом. Приход импульсов от источника на Землю становится неравномерным, это можно зафиксировать и тем самым «поймать» гравитационную волну. Правда, такой детектор будет предельно низкочастотным, он сможет регистрировать волны с периодами от доли года до тысяч лет.
Самым мощным источником гравитационных волн с такими периодами являются двойные системы, состоящие из сверхмассивных черных дыр, подобных той, что находится в центре нашей Галактики. При столкновении и слиянии галактик их центральные черные дыры быстро оказываются в ядре слившейся системы, образуют пару и начинают постепенно сближаться, расходуя энергию на гравитационное излучение. Если сейчас во Вселенной есть хотя бы одна-две такие «парочки», этого будет достаточно для регистрации гравволн по пульсарам. Правда, наблюдать для этого придется достаточно долго. Если же нам повезет и одна из таких систем окажется близкой к слиянию черных дыр, ее сигнал будет мощнее, а период — короче, и для регистрации излучения потребуется всего несколько лет наблюдений. Другой тип излучения, которое может обнаружить такой детектор «для бедных», — это космологический фон реликтовых гравитационных волн. Чувствительность метода можно заметно повысить, если следить сразу за несколькими пульсарами и отмечать, как варьируются их частоты друг относительно друга. В Австралии уже начаты систематические наблюдения за 40 особо стабильными пульсарами с целью обнаружения гравитационных волн. Так что у рукотворных антенн появляется серьезный конкурент, и неизвестно, кто сумеет первым обнаружить гравитационные волны.
Перекрестный контроль
Охотясь на гравитационные волны, мы ищем очень слабый сигнал на фоне шумов, вызванных тепловыми движениями, звуковыми и сейсмическими колебаниями. Поэтому в дело идет любая дополнительная информация, которая помогает выявить искомый сигнал.
Наша уверенность в детектировании существенно возрастет, если сигнал одновременно будет замечен несколькими независимыми детекторами. Кроме того, это позволит определить положение его источника на небе. Уже был проведен совместный анализ работы LIGO и GEO 600, а также LIGO, TAMA и ALLEGRO. Группы, работающие с резонансными приборами, подписали специальное соглашение об обмене информацией и ее стандартизации для проверки достоверности сигнала. Данные гравитационных детекторов сверяют также с наблюдениями нейтринных и гамма-телескопов, поскольку импульсы гравитационных волн могут быть связаны с космическими гамма-всплесками и вспышками близких сверхновых.
Для некоторых процессов, таких как слияние черных дыр, теория позволяет определить форму импульсов гравитационного излучения. Выделить известный сигнал на фоне шумов гораздо легче, подобно тому, как в шумном месте по телефону проще разобрать знакомое имя, чем фразу на иностранном языке. Предсказать вид ожидаемого сигнала ученые пытаются методом численного моделирования на суперкомпьютерах. Расчет гравитационных волн, испускаемых при слиянии нейтронных звезд и черных дыр, оказался чрезвычайно трудоемкой вычислительной задачей, но с учетом огромной стоимости самих детекторов затраты на такое моделирование становятся оправданными.
Происхождение гравитационных волн
Космологические гравитационные волны испускаются в эпоху ранней Вселенной хаотически движущимися неоднородностями вещества. Это единственный вид излучения, способный донести до нас информацию о первых секундах существования Вселенной.
«Нобелевка» 2015 года
Гравитационные сигналы из космоса, как было сказано выше, пока не зарегистрированы. Но это не значит, что наблюдения ведутся безрезультатно. Полученные данные позволяют установить верхние пределы на характеристики возможных источников гравитационных волн. Существующие детекторы уже вплотную подошли к интересной для астрофизиков области параметров. Даже без увеличения чувствительности, просто набирая данные на действующих установках, можно будет скоро получать важные ограничения на параметры пульсаров. А с вводом в строй LIGO-II, возможно, придет время и для прямой регистрации гравитационного излучения.
Каков же все-таки смысл в поиске гравитационных волн, для чего их можно «использовать»? Приведет ли их открытие к каким-то значимым социальным изменениям, к чему-то сравнимому с атомной энергией или полупроводниками, которые перевернули наш мир? Предсказывать технологии и приложения намного труднее, чем развитие фундаментального научного знания. Возьмем ту же квантовую механику — какая от нее польза? Нобелевский лауреат по физике как-то заметил в беседе с корреспондентом «Вокруг света», что «если бы кто-то спросил у Гейзенберга, какая польза от квантовой механики, я сомневаюсь, что он сказал бы вам о транзисторе или лазере. Но они появились. Очень трудно предсказать приложения фундаментальной физики».
И все-таки — существуют ли гравитационные волны? Не гоняемся ли мы за фантазиями физиков? Прямых доказательств их существования, то есть экспериментальной регистрации, до сих пор нет. Если бы взрыв близкой сверхновой в 1987 году не пришелся на выходной, возможно, сегодня мы могли бы ответить на этот вопрос твердым «да». Но случилось иначе, и нам придется подождать.
Если в итоге гравитационные волны не обнаружат, это будет тяжелый удар для всей современной физики. Неверной окажется не только общепринятая на сегодня ОТО, не спасут и «альтернативные» теории тяготения. Они тоже предсказывают возникновение гравитационных волн при конечной скорости распространения гравитации.
Уверенность в их существовании подкрепляется очень весомыми косвенными аргументами. Например, более 30 лет непрерывных наблюдений двойного радиопульсара J1913+16 позволили проверить предсказания ОТО с точностью до 0,1%. Среди наблюдаемых эффектов есть и постоянное уменьшение орбиты системы в точном соответствии с тем, сколько энергии уносят излучаемые ею гравитационные волны. Мы уже видим, как гравволны работают там, остается «поймать» их здесь.
Судя по темпам работ, ждать рождения гравитационно-волновой астрономии осталось не более десяти лет. Наше предсказание таково: в 2015 году, в столетний юбилей общей теории относительности, Нобелевская премия будет вручена группе, которая первой сумеет зарегистрировать гравитационные волны.
Сергей Попов, кандидат физико-математических наук, Михаил Прохоров, доктор физико-математических наук
