Читать книгу "Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Брайан Грин"

Проект LIGO сейчас приближается к зениту. В 1990-х годах мои коллеги-экспериментаторы под руководством Барри Бариша (из Калтеха) сконструировали оборудование для размещения наших детекторов гравитационных волн, а с 2000 по 2005 год они установили детекторы первого поколения и тщательно калибровали их, пока не достигли нужной чувствительности. С 2005 по 2010 год мы проводили первоначальный поиск космических гравитационных волн не только от сталкивающихся черных дыр, но и от других источников. Мы ничего не нашли, но это было ожидаемо.

Когда мы с коллегами представляли проект LIGO, мы предупреждали, что детекторы первого поколения могут быть недостаточно хороши, чтобы засечь волны. Тем не менее, их необходимо было сконструировать, получить опыт работы с ними для создания детекторов второго поколения (Advanced LIGO), которые намного сложнее технически и будут обладать куда большей чувствительностью – достаточной, чтобы увидеть богатое разнообразие гравитационных волн. Наша группа экспериментаторов начала установку Advanced LIGO в октябре 2010 года, и дело идет очень неплохо. К 2017 году, а возможно, и раньше, эти детекторы должны зарегистрировать много волн. Вкупе с аналогичными детекторами в Европе (проект Virgo французов, итальянцев и голландцев, проект Geo Project немцев и британцев) и другими астрономическими инструментами LIGO знаменует вступление в новую эру мультиканальной астрономии.

LIGO и другие подобные обсерватории смогут наблюдать черные дыры – при условии, что эти дыры легче тысячи солнц. Боле тяжелые черные дыры – сверхмассивные дыры в центрах галактик – создают гравитационные волны с куда большей диной волны (порядка расстояния между Землей и Луной или Землей и Солнцем) и гораздо более низкой частотой (один цикл за минуты, или часы, или большие промежутки времени). Такие волны мы планируем обнаруживать и наблюдать с помощью LIGO-подобного детектора в космосе: три независимых космических аппарата, оснащенных лазерными лучами. Европейское космическое агентство (ЕКА) планирует космическую миссию такого рода – она называется LISA (лазерная интерферометрическая космическая антенна) – первый пробный полет планируется в 2014 году. Американское космическое агентство NASA раньше было партнером ЕКА в LISA, но было вынуждено отказаться от участия в этой и в ряде других миссий из-за огромных перерасходов в проекте космического телескопа имени Джеймса Уэбба.

Для еще более тяжелых черных дыр, которые весят миллиарды, а не миллионы Солнц, необходим детектор третьего типа. Их волны имеют длину, намного превышающую по размерам Солнечную систему, и долгий цикл – от месяцев до лет. Такие огромные гравитационные волны можно искать с помощью LIGO-подобных детекторов, в которых одно из «зеркал» (на самом деле, просто движущаяся масса) – это наша Земля, а второе – нейтронная звезда – пульсар в далеком межзвездном пространстве. Радиотелескопы на Земле измеряют радиоимпульсы от десятков таких пульсаров, ища крошечные нарушения во времени прихода импульсов, вызванные гравитационными волнами. Эта международная коллаборация по исследованию радиопульсаров (International Pulsar Timing Array), вероятно, зарегистрирует первые гравитационные волны в течение следующих десяти лет, или пяти, если нам повезет[10].

Черные дыры состоят из искривленного пространства и времени – и это искривление демонстрирует множество интересных качеств и эффектов. Я рассказал вам лишь про один из них: вихри скручивающегося пространства, сталкивающиеся и генерирующие кольца или спирали гравитационных волн, летящих наружу из черных дыр. Из черных дыр также исходят так называемые тендекс-линии. Они интереснейшим образом растягивают и сжимают пространство и также участвуют в генерации гравитационных волн.

Численное моделирование – мощный инструмент для теоретических исследований этих вихрей и тендексов. Наблюдения гравитационных волн позволят сделать выводы об их природе и покажут нам все их богатое разнообразие и их влияние на вселенную. Эти инструменты – численное моделирование и детекторы гравитационных волн – открывают золотую эру в исследованиях черных дыр.

Кип Торн

Исследуя искривленную сторону вселенной при помощи гравитационных волн

В программу третьего фестиваля Starmus был включен мультимедийный концерт, иллюстрирующий «искривленную сторону вселенной» и ее исследование с помощью гравитационных волн. Этот концерт стал результатом сотрудничества между астрофизиками – специалистами по компьютерному моделированию, которые на основе своих симуляций создали захватывающие видеоклипы, с Полом Франклином, Оливером Джеймсом и их командой специалистов по видеоэффектам. Специалисты из лондонской студии Double Negative соединили эти клипы с другими клипами собственной разработки, смонтировали их, наложив музыку Ганса Циммера и его группы (с участием гитариста Брайана Мэя, который играл под видеоряд, проигрывавшийся на огромном экране). Кип Торн был научным консультантом этого концерта и рассказал аудитории о научной подоплеке показанных видеоклипов. Текст ниже – это отредактированные выдержки из рассказа Кипа.

У нашей вселенной есть искривленная сторона. То есть объекты, полностью или частично состоящие из искривленного пространства-времени. Примерами служат черные дыры, сталкивающиеся черные дыры, сталкивающиеся нейтронные звезды, черная дыра, разрывающая нейтронную звезду, а также (в молодой вселенной) – сеть космических струн и сеть так называемых доменных стен.

Идеальным инструментом для наблюдения искривленной стороны вселенной является тот тип излучения, который сам состоит из искривленного пространства и времени: гравитационные волны; волны, которые растягивают и сжимают пространство и все, что находится в нем. То есть, все на свете.

Итак, 1,3 миллиарда лет назад многоклеточная жизнь на Земле еще только формировалась. Однако в далекой, далекой галактике две черные дыры уже излучали гравитационные волны, вращаясь по спирали друг вокруг друга, а затем столкнулись.

Из галактики, где они появились, волны вышли наружу, в межгалактическое пространство. Они летели миллиарды лет через космос и между галактиками, пока не достигли внешнего края Млечного Пути – 50 000 лет назад, когда наши предки делили Землю с неандертальцами. Затем, 14 сентября 2015 года эти волны достигли Земли. Они вошли в Землю около Антарктического полуострова, прошли наверх сквозь Землю, не потеряв своей силы, и появились на детекторе гравитационных волн LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана, а семь миллисекунд спустя – на детекторе LIGO в Ханфорде, штат Вашингтон.

Они растянули и сжали плечи LIGO в повышающемся ритме, который передался лазерным лучам и был записан в компьютер как детальный отпечаток столкновения черных дыр, произошедшего 1,3 миллиарда лет назад. 11 февраля 2016 года, после пяти месяцев изучения и пережевывания данных, наша команда LIGO сообщила миру о первой встрече людей с гравитационной волной.