Окончательным рождением нового направления астрономии — гравитационно-волновой — ознаменовалось оглашение второго в истории факта детектирования гравитационных волн, которое состоялось накануне вечером. Как и в случае с первым зарегистрированным всплеском, новость об этом по правилам коллаборации LIGO не разглашалась. Cообщалось лишь, что информация будет оглашена в определенное время — в 20.15 мск.
Если в феврале российская часть коллаборации представляла открытие в офисе Rambler&Co, то в этот раз оглашение состоялось в конференц-зале Государственного астрономического института имени Штернберга (ГАИШ) МГУ.
«Фактически это открытие эры гравитационной астрономии, и в ГАИШе это понимают лучше других. Ведь во времена Галилея астрономия была лишь оптическая, глазиком смотрели, сейчас же у нас есть много каналов информации — инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские, нейтринные детекторы и другие,
и сейчас рождается еще один. Фактически мальчик родился»,
— пояснил важность открытия член коллаборации LIGO профессор физического факультета МГУ Сергей Вятчанин.
Что же открыто на этот раз? Речь идет о том, что 26 декабря 2015 года ученые во второй раз обнаружили гравитационные волны — возмущения метрики пространства-времени. Волны были зарегистрированы сразу двумя детекторами Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO — Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory), расположенными в Ливингстоне, штат Луизиана, и в Хэнфорде, штат Вашингтон, США.
В отличие от сигнала, зарегистрированного при первом детектировании гравитационных волн, который был ясно виден на фоне шума, второй сигнал был слабее и не просматривался явно. Однако ученым удалось его «отфильтровать» с помощью специальной методики. Детектор в Ливингстоне записал событие на 1,1 миллисекунды раньше детектора в Хэнфорде, что позволяет дать грубую оценку расположения источника на небесной сфере — источник находился в Южном полушарии.
Проанализировав характер мельчайших колебаний пробных масс детекторов, ученые сделали вывод,
что обнаруженные гравитационные волны опять были порождены двумя черными дырами, на этот раз более легкими — массами в 14 и 8 масс Солнца.
Волны были вызваны 27 оборотами черных дыр, после чего родилась более массивная вращающаяся дыра массой в 21 массу Солнца. Как и в первом случае, масса получившейся дыры не стала равна сумме масс исходных, и примерно 1 масса Солнца превратилась в энергию, как и предполагает ОТО (общая теория относительности). Однако в этой сливающейся системе были и отличия. Если в первом случае черные дыры перед слиянием имели околонулевые собственные спины, то в этот раз удалось установить,
что одна из дыр имела собственный момент вращения, более 20% от максимально допустимого теорией.
«Второе детектирование гравитационных волн от сливающихся черных дыр детекторами LIGO очень важно. Фундамент для создания гравитационно-волновой астрономии становится крепче и надежнее», — заявил профессор физического факультета МГУ Валерий Митрофанов.
Первое обнаружение гравитационных волн, объявленное 11 февраля 2016 года, явилось важной вехой в развитии физики. Оно подтвердило предсказание общей теории относительности Альберта Эйнштейна, сделанное в 1915 году. Регистрация двух сигналов в течение четырех месяцев первого цикла наблюдений детекторов Advanced LIGO позволит предсказывать, насколько часто будут обнаруживаться сигналы гравитационных волн в будущем.
Кстати, два события определенной амплитуды — это уже небольшая статистика, которая в будущем обязательно наложит ограничение на частоту слияния черных дыр звездных масс во Вселенной.
Именно сотрудниками ГАИШа в 1997 году были опубликованы три основополагающие статьи, которые дают теоретические оценки таким слияниям и которые теперь можно проверить наблюдениями.
Выбор места оглашения действительно оказался символичен, ведь в этих стенах когда-то бывали и выступали крупнейшие физики — теоретики мира. «Вся эта наука (гравитационно-волновая. — «Газета.Ru») зарождалась в этом зале, если только не упоминать Эйнштейна, который предсказал гравитационные волны 100 лет назад. В этом зале неоднократно выступал Кип Торн, возможно будущий лауреат Нобелевской премии, здесь он нашел свою идею… В этом зале проходили семинары Якова Борисовича Зельдовича,
а свою идею об испарении черных дыр Стивен Хокинг придумал тут же, когда сидел примерно вот на том месте», — напомнил профессор Владимир Липунов, указав на кресло рядом с окном, на котором известный теоретик сидел во время своего визита в Москву в 1981 году.
Сегодня оба открытия стали возможными благодаря более совершенным детекторам Advanced LIGO, которые более чувствительны, чем детекторы первого поколения LIGO, и позволяют значительно увеличить объем зондируемой Вселенной. Следующий цикл наблюдений намечен на осень нынешнего года. Ожидается, что к тому времени дальнейшее улучшение чувствительности детекторов позволит LIGO увеличить объем зондируемой Вселенной в 1,5–2 раза. Также ожидается, что во второй половине этого цикла наблюдений вступит в строй детектор Virgo.
Отвечая на вопрос корреспондента «Газеты.Ru», профессор Митрофанов заявил, что уникальные технологические решения и прорывы, достигнутые в ходе создания сверхчувствительных детекторов LIGO, обязательно будут иметь отклик не только в фундаментальной науке, но и в прикладных областях.
В качестве примера может служить разработанная технология напыления зеркал и достигнутая рекордная точность в определении расстояний.
«К примеру, сейчас нам нужны очень большие кристаллы высокочистого кремния, так мы подняли старые технологии, которые позволяют в присутствии магнитного поля получать кристаллы размерами в 200–300 мм», — пояснил профессор.
Исследования в LIGO осуществляются в рамках научной коллаборации LSC (LIGO Scientific Collaboration) коллективом из более 1 тыс. ученых из университетов Соединенных Штатов и 14 других стран, включая Россию.
Между тем на сотрудничество в рамках коллаборации не могли не повлиять принятые в 2014 году в отношении России санкции. По информации «Газеты.Ru», введенные ограничения усложнили отправку важных компонент. К примеру, кристаллы, которые необходимо проверять в Москве,
теперь приходится отправлять не из США напрямую, а через другие страны, где бывают «наши люди».
Московскую группу физиков создал и вплоть до последнего времени возглавлял член-корреспондент РАН Владимир Борисович Брагинский — всемирно известный ученый, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире. Группа участвует в проекте с 1992 года. С самого начала основные усилия были направлены на повышение чувствительности гравитационно-волновых детекторов, определение фундаментальных квантовых и термодинамических ограничений чувствительности, на разработку новых методов измерений. Теоретические и экспериментальные исследования российских ученых нашли воплощение при создании детекторов, позволивших непосредственно наблюдать гравитационные волны от слияния двух черных дыр.
В настоящее время коллектив научной группы Московского университета активно участвует в разработке гравитационно-волновых детекторов следующего поколения, которые придут на смену нынешним детекторам и обеспечат значительное увеличение их чувствительности, что позволит практически ежедневно обнаруживать гравитационно-волновые сигналы. Одним из таких проектов является LIGO-Voyager, в котором предполагается использовать 150-килограммовые пробные массы, изготовленные из монокристаллического кремния, охлаждаемые до температур около 120 К, а также значительно увеличить оптическую мощность в плечах интерферометра, использовать сжатый свет.