Волнующие волны. Распахнуто еще одно окно во Вселенную.

Гравитационные волны (ГВ) — это колебания геометрии пространства-времени, которые разбегаются от массивных объектов, движущихся с переменным ускорением. Распространяются они со скоростью света. Для их непосредственного обнаружения была создана LIGO — международная коллаборация ученых из 14 стран. Проект стартовал в США в 1992 году, обсерватория LIGO начала свою работу в 2002 году, но тогда ее точности было недостаточно для регистрации гравитационных волн. В 2010 году началась модернизация обсерватории, работу она возобновила в 2014 году (Advanced LIGO). В поиске гравитационных волн с самого начала приняли активное участие российские физики.

Существование гравитационных волн было предсказано еще в начале прошлого столетия Альбертом Эйнштейном. Впрочем, великий физик сомневался в своем предположении. Активный поиск гравитационных волн начался в середине ХХ века. Первые опыты по обнаружению ГВ провел физик Джозеф Вебер. А советские ученые Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт опубликовали в 1962 году в “Журнале экспериментальной и теоретической физики” работу “К вопросу об обнаружении гравитационных волн малых частот”, в которой было определено несколько базовых принципов проведения поиска ГВ.

Главной идеей было использование лазеров и оптической интерферометрии (под действием гравитационной волны происходит смещение интерференционных полос) как метода обнаружения низкочастотных ГВ. Ученые предлагали использовать корреляционную обработку измерений от двух и более измерительных систем — сейчас их называют лазерными интерференционными гравитационными обсерваториями или антеннами — и именно эта идеология была заложена в современных лазерных интерферометрах, в том числе и LIGO. Были обозначены еще несколько основополагающих принципов, например необходимость откачки воздуха вдоль оптических путей. 

Об этом и шел разговор на очередном заседании Президиума Российской академии наук. Директор Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН академик Владислав Пустовойт рассказал об истории поиска гравитационных волн и современных интерферометрах, выступив с докладом “Лазерные интерферометры для обнаружения гравитационных волн”.

— Участие российской стороны во всех теоретических и практических работах по исследованию гравитационных волн было весьма значительным, — рассказывает академик Владислав Пустовойт. — Хочу напомнить имена советских и российских ученых, которые внесли вклад в развитие и понимание физики гравитационного излучения, или, как говорят сегодня, гравитационных волн. Это и академики Л.Ландау, Е.Лифшиц, В.Фок, Я.Зельдович, и В.Гинзбург и его школа в ФИАН, и член-корреспондент И.Новиков. Многие ученые продолжают работать над проблемой непосредственного обнаружения гравитационных волн: член-корреспондент В.Брагинский и его школа в МГУ, академик А.Черепащук и профессор В.Руденко (оба — из ГАИШ), профессор А.Морозов (МГТУ им. Н.Э.Баумана), академик С.Багаев (СО РАН), профессор А.Никишов и член-корреспондент В.Ритус (ФИАН).

Одним из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире стал российский физик Владимир Брагинский. Он создал на базе физического факультета МГУ школу, воспитанники которой также смогли присоединиться к проекту. В экспериментах LIGO активно участвовали научные группы под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова и члена-корреспондента РАН Александра Сергеева (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород).

Источниками излучения гравитационных волн, объяснил Владислав Иванович, являются космологические катастрофы: коллапс двойных черных дыр либо слияние нейтронных звезд или черной дыры и нейтронной звезды. Подробные исследования в этой области сегодня проводят академик Анатолий Черепащук, член-корреспондент РАН Игорь Новиков и иностранный член РАН Кип Торн (США). Регистрировать гравитационные волны способны также и резонансные приемники (в них под действием ГВ возникают собственные акустические колебания — таков, например, российский детектор АГРАН), однако, в отличие от лазерных интерферометров, они обладают весьма узкой полосой частот, и поэтому пока не удалось зарегистрировать излучение ГВ. 

В LIGO для этого использовали наземные гравитационные телескопы — гигантские антенны (по сути, специальные тоннели) с физической длиной плеч по четыре километра. Под действием гравитационной волны одно плечо должно сжаться, а другое, наоборот, растянуться. Внутри тоннелей в условиях высокого вакуума распространялись лазерные лучи, которые отражались от установленных в противоположных концах антенн специальных зеркал. Лазерные пучки, проходя по тоннелям разное расстояние, формируют интерференционную картину (то есть регулярность чередования областей повышенной и пониженной интенсивности света, получающаяся в результате наложения когерентных световых пучков), по характеристикам которой можно понять, как менялись длины плеч антенны и какова была гравитационная волна, которая вызвала эти изменения. Чем длиннее плечо — тем больше отражений и точнее данные на выходе.

— Было зафиксировано, что регистрация всплеска ГВ соответствует слиянию двух черных дыр. Удалось сопоставить результаты модельного численного эксперимента с результатами наблюдений и затем сделать вывод: гравитационные волны существуют, — сообщил В.Пустовойт.

Гравитационные волны “пойманы”, что дальше? Как часто возможно наблюдать подобные события? “Думаю, что практически ежемесячно”, — сказал академик. Нужно улучшать чувствительность лазерных интерференционных антенн, ведь зеркала сильно нагреваются лазером и от этого деформируются. Владислав Пустовойт считает, что проблему нагрева зеркал интерферометра (гравитационной антенны) лазерным излучением можно решить путем использования протяженных структур с синусоидальным распределением показателя преломления. А его коллеги из Нижнего Новгорода предложили (и это было использовано на практике) нагревать зеркала по периметру для нейтрализации искажений.

Новые открытия позволят фундаментальной науке проверить постулаты Общей теории относительности и распахнуть еще одно “окно во Вселенную”, то есть получать информацию о событиях, происходящих в ней, с помощью ГВ. В Европе для этого сейчас строится подземный “Эйнштейновский телескоп”. А НАСА и Европейское космическое агентство готовят проект космического интерферометра LISA, состоящего из трех спутников на орбите Земли. Планируется, что комплекс сможет осуществлять измерения уже с 2025 года.

— Применение лазерных интерференционных антенн может очень пригодиться и в геологии, и для составления динамической картины изменения гравитационного поля Земли, — отметил Владислав Иванович.

В обсуждении доклада приняли участие академики Геннадий Месяц, Дмитрий Климов, Сергей Алдошин, Михаил Маров, Анатолий Черепащук, Александр Андреев, Валерий Козлов, Александр Глико, Владимир Фортов, Юрий Гуляев, Иван Щербаков, Лев Зеленый, доктора физико-математических наук Анри Рухадзе и Вячеслав Вдовин. Выступавшие подчеркивали, что регистрация ГВ стала событием “нобелевского масштаба”. Интересно, что стоимость проекта составила чуть более 600 млн долларов и многие годы на LIGO выделяли деньги без всякой уверенности, что эти вложения когда-либо окупятся. Тем не менее финансирование продлевали из года в год.

— Это открытие дает нам новые возможности и хороший урок, — считает академик Лев Зеленый. — Возможности состоят в том, что мы сможем сравнить строение двух типов волн: электромагнитных и корреляционных (с искривлением пространства-времени). А урок заключается в том, что, хотя неудачи преследовали проект с начала 2000-х, результатом стало уникальное открытие “на пределе чувствительности приборов”. Это — хороший урок и для наших руководителей. Как часто бывает в фундаментальной науке, благодаря “бесполезным” вложениям в конечном итоге был получен результат, который сможет изменить и дополнить наше представление о Вселенной.