Свершилось: гравитационные волны зафиксированы экспериментально

Ученым удалось доказать, что подобное колебание имело место и вдоль этого пространства пробежала гравитационная волна. "Астрофизическим способом впервые было зафиксировано явление такой катастрофической эволюции двойной системы, когда сливаются два объекта в один, а это слияние приводит к очень интенсивному выделению гравитационной энергии, которая затем в виде гравитационных волн распространяется симметрично в пространстве", - пояснил ученый.

Эти гравитационные волны очень слабые и чтобы они поколебали пространство-время, необходимо взаимодействие очень больших и массивных тел, чтобы напряженность гравитационного поля была большая в месте генерирования. Но, несмотря на их слабость, наблюдатель через определенное время (равное расстоянию к взаимодействию разделенному на скорость прохождения сигнала) зарегистрирует эту гравитационную волну.

Приведем пример: если бы Земля упала на Солнце, то произошло бы гравитационное взаимодействие: выделилась бы гравитационная энергия, образовалась бы гравитационная сферически-симметричная волна и наблюдатель смог бы ее зарегистрировать. "Здесь же произошло аналогичное, но уникальное, с точки зрения астрофизики, явление: столкнулись два массивных тела - две черные дыры", - отметил Гнатык.

"То есть, черная дыра, простыми словами, это массивный объект, который настолько тяжелый, что замыкает вокруг себя пространство-время", - говорит Гнатык.

И мы, по его словам, можем посылать любые сигналы этому объекту, а он нам - нет. То есть, все сигналы и явления не могут выходить за пределы черной дыры.

Черная дыра имеет свою физику, имеет свои физические законы, но в результате сильной гравитации, ни одно материальное тело не способно выйти за пределы этой критически поверхности. Черные дыры образуются в ходе эволюции обычных звезд, когда происходит коллапс центрального ядра и часть вещества звезды, коллапсируя, превращается в черную дыру, а другая часть звезды отпадает в виде оболочки новой звезды, превращаясь в так называемую "вспышку" новой звезды.

Аналогичным образом распространяется и гравитационная волна в пространстве-времени: она сжимает и растягивает тела и объекты, которые встречаются на ее пути. Когда на пути волны встречается некий объект - он сжимается с одной и другой оси, а после ее прохождения - возвращается к прежней форме. Под действием гравитационной волны все тела деформируются, но эти деформации - очень незначительны.

Когда прошла волна, которую зафиксировали ученые, то относительный размер тел в пространстве изменился на величину 1 умножить на 10 в минус 21-ой степени. Например, если взять метровую линейку, то она сжалась на такую ​​величину, которая составляла ее размер, умноженный на 10 в минус 21-ой степени. Это очень мизерная величина. И проблема заключалась в том, что ученым нужно было научиться это расстояние померить. Обычные методы давали точность 1:1 млн, а здесь необходима гораздо более высокая точность. Для этого создали так называемые гравитационные антенны (детекторы гравитационных волн).

Антенна, которая зафиксировала гравитационные волны, построена таким образом: существует две трубы, примерно по 3-4 километра в длину, расположенные в форме буквы "Г", но с одинаковыми плечами и под прямым углом. Когда на систему падает гравитационная волна, она деформирует эти антенны, но в зависимости от ее ориентации, она деформирует одну антенну больше, а другую меньше. И тогда возникает разность хода - возникает суммарная положительная или отрицательная амплитуда.

"То есть, прохождение гравитационной волны аналогично волне на воде, проходящей между двумя поплавками: если бы мы мерили расстояние между ними во время и после прохождения волны, то мы бы увидели, что расстояние изменилось бы, а потом снова стало прежним", - рассказал Гнатык.

Здесь же измеряется относительное изменение расстояния двух антенн интерферометра, из которых каждая имеет по несколько километров в длину. И только очень точные технологии и системы позволяют измерить такое микроскопическое смещение антенн, вызванное гравитационной волной.

Чтобы было легче представить: ближайшая к нам галактика - Центавр А, которая находится от нашей на расстоянии четыре мегапарсека, в то же время Туманность Андромеды находится на расстоянии 0,7 мегапарсеков. "То есть расстояние, с которого пришел сигнал гравитационной волны настолько велико, что сигнал шел к Земле примерно 1,3 млрд лет. Это космологические расстояния, которые достигают горизонта нашей Вселенной", - рассказал ученый.

На таком расстоянии в какой-то далекой галактике произошло слияние двух черных дыр. Эти дыры были, с одной стороны, относительно малыми по размерам, а с другой стороны, большая сила амплитуды сигнала свидетельствует, что они были очень тяжелые. Установлено, что массы их были соответственно 36 и 39 масс Солнца. Масса Солнца, как известно, составляет 1,9885 умножить на 10 в 30 степени килограмм. После слияния эти два тела слились и теперь на их месте образовалась одна черная дыра, которая имеет массу, равную 62 массам Солнца. При этом, примерно три массы Солнца выплеснулось в виде энергии гравитационной волны.

Чувствительность этого прибора была в миллион раз хуже, чем нынешние детекторы. И, конечно, он тогда реально зафиксировать волну не мог, хотя и Вебер заявил, что он это сделал: пресса об этом написала и произошел большой шум - в мире сразу начали строить гравитационные антенны. Вебер стимулировал других ученых заняться гравитационными волнами и продолжать эксперименты над этим явлением, благодаря чему удалось в миллион раз поднять чувствительность детекторов.

Однако само явление гравитационных волн было зарегистрировано еще в прошлом веке, когда ученые обнаружили двойной пульсар. Это была косвенная регистрация факта, что гравитационные волны существуют, доказанная благодаря астрономическим наблюдениям. Пульсар был открыт Расселом Халсом и Джозефом Тейлором в 1974 году, во время проведения наблюдений на радиотелескопе обсерватории Аресибо. Ученые были удостоены Нобелевской премии в 1993 году "за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации".

И наконец, экспериментально существование гравитационных волн удалось подтвердить в 2015 году ученым из международного проекта LIGO. Это произошло 14 сентября. LIGO (Laser Interferometry Gravitation Observatory) - это международный проект, в котором принимают участие ряд государств, которые осуществили определенный финансовый и научный взнос, среди которых США, Италия, Япония, которые являются передовыми в области этих исследований.

Была зафиксирована следующая картина: произошло смещение плеч гравитационного детектора, в результате реального прохождения гравитационной волны через нашу планету и через эту установку. Об этом не сообщили тогда, потому что сигнал нужно было обработать, "почистить", найти его амплитуду и проверить. Это стандартная процедура: от реального открытия, до объявления об открытии - проходит несколько месяцев для того, чтобы выдать обоснованное заявление. Никто не хочет портить свою репутацию. Это все секретные данные, до обнародования которых - о них никто не знал, ходили только слухи.

Подобные эксперименты осуществляет Европа: в Италии аналогичный проект называется Virgo. Япония также намерена через год запустить аналогичный детектор, Индия также готовит такой эксперимент. Во многих точках мира существуют подобные детекторы, однако они еще не вышли на тот режим чувствительности, чтобы можно было говорить о фиксации гравитационных волн.

Что дальше и как новые знания помогут людям? Ученые расходятся во мнениях. Одни говорят, что это лишь очередная ступень в понимании механизмов Вселенной. Другие видят в этом первые шаги на пути к новым технологиям перемещения сквозь время и пространство. Так или иначе - это открытие в очередной раз доказало, как мало мы понимаем и как много еще предстоит узнать.