Гравитационные волны обнаружены через 100 лет после предсказания Эйнштейна

Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна стоит особняком от всех прочих теорий, поскольку в ее основе лежит не сила, а геометрия пространства-времени. С тех пор как ОТО была сформулирована, она подвергалась множеству проверок, которые всякий раз ее подтверждали (о некоторых из них вы могли прочитать в наших блогах). Для ее полного признания не хватало лишь одного – экспериментального обнаружения гравитационных волн.

И вот, наконец, ученые впервые наблюдали рябь в ткани пространства-времени, называемую гравитационными волнами, прибывшими на Землю вследствие катастрофического события в далекой Вселенной. Это подтверждает важное предсказание теории Альберта Эйнштейна и открывает беспрецедентно новое понимание космоса.

Гравитационные волны несут информацию о своем драматическом происхождении и о природе гравитации, которая не может быть получена иначе. Физики пришли к выводу, что обнаруженные гравитационные волны были образованы во время последней доли секунды процесса слияния двух черных дыр, что привело к созданию одной более массивной вращающейся черной дыры. Такое столкновение двух черных дыр было предсказано, но никогда не наблюдалось.

Гравитационные волны были обнаружены 14 сентября 2015 г. в 5:51 утра по восточному поясному времени (9:51 UTC) обеими частями сдвоенных детекторов Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), расположенными в городе Ливингстон, штат Луизиана, и Ханфорде, штат Вашингтон, США. Обсерватории LIGO финансируются Национальным научным фондом (NSF), и были задуманы, построены и эксплуатируются Caltech и MIT. Открытие было сделано Научным сотрудничеством LIGO (которое включает Сотрудничество GEO и Австралийский консорциум по интерферометрической гравитационной астрономии) и Virgo Collaboration на основе данных из двух детекторов LIGO.

На основании наблюдаемых сигналов, ученые LIGO оценили, что массы черных дыр в этом событии составляли около 29 и 36 масс Солнца, а катастрофа произошла 1,3 миллиарда лет назад. Примерно три массы Солнца были преобразованы в гравитационные волны в доли секунды - с пиковой мощностью в 50 раз превышающей массу всей видимой Вселенной. Глядя на момент прихода сигналов – детектор в Ливингстон записал событие на 7 миллисекунд раньше, чем детектор в Ханфорде – ученые могут сказать, что источник был расположен в южной полусфере.

Согласно общей теории относительности, пара черных дыр, вращающихся друг вокруг друга, теряют энергию на излучение гравитационных волн, что заставляет их постепенно приближаются друг к другу на протяжении миллиардов лет, а затем гораздо быстрее на последних минутах. Во время финальной доли секунды, две черные дыры сталкиваются друг с другом со скоростью, составляющей почти половину скорости света, и образуют единую более массивную черную дыру, преобразуя часть массы объединившихся черных дыр в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc². Эта энергия излучается в виде финального сильного всплеска гравитационных волн. Именно эти гравитационные волны и наблюдались в LIGO.

Существование гравитационных волн было впервые продемонстрировано в 1970-х и 80-х Джозефом Тейлором-младшим (Joseph Taylor) и его коллегами. Тейлор и Рассел Халс (Russell Hulse) обнаружили в 1974 г. бинарную систему, состоящую из пульсара на орбите вокруг нейтронной звезды. Тейлор и Джоэл М. Вайсберг (Joel M. Weisberg) в 1982 г. нашли, что орбита пульсара медленно сокращается с течением времени из-за высвобождения энергии в виде гравитационных волн. За обнаружение пульсара и демонстрацию, что это может сделать возможным измерение гравитационных волн, Халс и Тейлор получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году.

Новое открытие LIGO является первым наблюдением непосредственно гравитационных волн, сделанное с помощью измерения едва заметных возмущений, которые волны вызывают в пространстве и времени, когда они проходят сквозь Землю.

«Наше наблюдение гравитационных волн – финал амбициозной цели, поставленной 50 лет назад, непосредственно обнаружить это неуловимое явление, лучше понять Вселенную и пополнить наследство Эйнштейна к 100-летию его общей теории относительности», - сказал Дэвид Х. Райце (David H. Reitze), исполнительный директор лаборатории LIGO в Калифорнийском технологическом институте.

Открытие стало возможным благодаря серьезной модернизации Advanced LIGO, которая увеличила чувствительность приборов по сравнению с детекторами LIGO первого поколения, что позволило значительно увеличить объем зондирования Вселенной и открыть гравитационные волны во время его первого запуска.
«Это открытие является началом новой эры: область астрономии гравитационных волн теперь реальность», - отметила Габриэла Гонсалес (Gabriela González), профессор физики и астрономии в Университете штата Луизиана.

Проект LIGO был первоначально предложен в качестве средства обнаружения гравитационных волн в 1980 г. проф. Райнером Вайссом (Rainer Weiss), проф. Кипом Торном (Kip Thorne) из Калтеха и проф. Рональдом Древером (Ronald Drever), также из Калифорнийского технологического института.

   

В каждой обсерватории Г-образный интерферометр LIGO длиной 4 км использует лазерный световой луч, расщепленный на два пучка, которые путешествуют туда и обратно по плечам интерферометра (трубок диаметром четыре фута с почти абсолютным вакуумом внутри). Пучки используются для контроля расстояния между зеркалами, точно расположенными на концах плеч. Согласно теории Эйнштейна, расстояние между зеркалами изменится на крайне малую величину, когда гравитационная волна будет проходить через детектор. Детектор обнаруживает изменение длин плеч меньше, чем 10-19 м. 

 
 
Независимые и далеко размещенные друг от друга обсерватории необходимы для определения направления на источник, вызвавший гравитационные волны, а также для проверки, что сигналы приходят из космоса и не от какого-то другого местного феномена.

Графики показывают сигналы гравитационных волн, обнаруженных двумя близнецами-обсерваториями LIGO. Сигналы пришли от двух сливающихся черных дыр, находящихся на расстоянии 1,3 млрд. световых лет от Земли. Два верхних графика показывают данные, полученные на каждом детекторе, наряду с сигналами, предсказанными ОТО. Ось Х – время, ось Y – деформация. Данные LIGO очень близко соответствуют предсказаниям. Нижний график сравнивает данные из обоих объектов, подтверждающие обнаружение