Ученые впервые услышали арию гравитации.
Связанный контент
- Пять вещей, которые нужно знать о гравитационных волнах
- Семь простых способов, которыми мы знаем, что Эйнштейн был прав (на данный момент)
По мере того как две черные дыры вращались навстречу друг другу и сливались друг с другом, они создавали рябь в ткани космоса в той форме, которую физики предсказывали в течение столетия: гравитационные волны. Обнародованный сегодня во время ряда международных пресс-конференций, сигнал прокладывает путь к совершенно новому пониманию вселенной.
«Впервые Вселенная заговорила с нами через гравитационные волны. До сих пор мы были глухими», - заявил сегодня на пресс-конференции в Вашингтоне директор лаборатории LIGO Дэвид Рейтц из Университета Флориды.
В основе гравитационных волн лежит теория гравитации Альберта Эйнштейна, которая говорит, что все, что связано с массой, искажает саму ткань пространства-времени. Когда массивные объекты движутся, они создают искажения в космической ткани, генерируя гравитационные волны. Эти волны струятся по вселенной, как звуковые волны, пульсирующие в воздухе.
Теория Эйнштейна предсказывает, что вселенная кишит гравитационными волнами, но до сих пор мы не могли их обнаружить, отчасти потому, что волны исключительно слабые. Но еще до того, как его модернизированные приборы были официально введены в эксплуатацию в прошлом году, Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) получила четкий сигнал от мощного столкновения двух черных дыр на расстоянии 1, 3 миллиарда световых лет.
«Обнаружение гравитационно-волнового сигнала, в то время как LIGO все еще не достигает проектной чувствительности в первом научном эксперименте, поразительно, оно потрясающе, в хорошем смысле», - говорит Джоан Центрелла, возглавляющая Лабораторию гравитационной астрофизики в космическом полете имени Годдарда в НАСА. Центр, прежде чем стать заместителем директора Отдела астрофизики науки в Годдарде.
Это волнение прозвучало в Ливингстоне, Луизиане, обсерватории LIGO и во всем мире, когда команда сделала свое объявление. Почти все, что астрономы узнали о космосе, было получено из разных форм света, таких как видимые, радиоволны и рентгеновские лучи. Но так же, как сейсмические волны могут обнаруживать скрытые структуры глубоко внутри Земли, гравитационные волны несут с собой информацию о скрытых свойствах вселенной, которые даже свет не может раскрыть.
«Мы начали с работы с высокой степенью риска и очень высокой потенциальной отдачей», - заявил во время пресс-конференции Кип Торн, соучредитель LIGO и физик гравитации Калифорнийского технологического института. «И мы сегодня здесь с великим триумфом - совершенно новым способом наблюдения за вселенной».
Ранние подсказки
Охота за гравитационными волнами началась столетие назад с публикации общей теории относительности Эйнштейна. В середине 1970-х годов физики Рассел А. Халс и Джозеф Х. Тейлор-младший получили чрезвычайно убедительные доказательства существования этой ряби. Они измерили время, которое потребовалось двум плотным нейтронным звездам - раздробленным ядрам некогда массивных звезд - чтобы они вращались вокруг друг друга.
Основываясь на работах Эйнштейна, они знали, что эти звезды должны излучать гравитационную энергию при вращении, и что потерянная энергия должна заставлять их вращаться навстречу друг другу. Изучив две звезды в течение следующих нескольких лет, они увидели, что орбита уменьшилась точно на величину, предсказанную общей теорией относительности.
Хотя это открытие принесло дуэту Нобелевскую премию по физике 1993 года, большинство физиков не назвали бы это прямым обнаружением гравитационных волн.
В 2001 году LIGO начал работать в двух местах на расстоянии 1875 миль - одно в Ливингстоне, Луизиана, а другое в Хэнфорде, штат Вашингтон. Спустя несколько лет европейский гравитационно-волновой телескоп «Дева» также появился в сети. Оба работали до 2010 и 2011 года, соответственно, прежде чем перейти в автономный режим для обновления.
Хотя ученые надеялись, что эти первоначальные обсерватории будут захватывать гравитационные волны, они знали, что это длинный путь. Эти волны - очень слабые сигналы, и инструменты не были достаточно чувствительны, чтобы слышать их шепот. Но первые прогоны служат тестами технологии для приборов следующего поколения.
Дева все еще обновляется, но команда LIGO завершила свою работу над обоими детекторами в 2015 году. Сейчас она называется Advanced LIGO, а обсерватории Луизианы и Вашингтона прослушивали гравитационные волны во время первого прогона научных наблюдений с 18 сентября 2015 года по 12 января. 2016. Сигнал, объявленный сегодня, был получен непосредственно перед первым официальным запуском, так как команда проводила эксплуатационные испытания детекторов.
Лазерная точность
Чтобы почувствовать волну, проходящую через Землю, потребовалось много умных разработок, компьютерных возможностей и более тысячи ученых, работающих по всему миру.
Внутри каждой L-образной обсерватории LIGO в месте встречи двух перпендикулярных трубок находится лазер. Лазер проходит через инструмент, который расщепляет свет, так что два луча проходят примерно 2, 5 мили по каждой трубе. Зеркала на концах труб отражают свет обратно к его источнику, где ждет детектор.
Обычно свет не попадает на детектор. Но когда проходит гравитационная волна, она должна растягиваться и сжиматься в пространстве-времени предсказуемым образом, эффективно изменяя длины трубок на крошечную величину - порядка одной тысячной диаметра протона. Затем некоторое количество света попадет на детектор.
Чтобы учесть невероятно небольшие изменения, зеркала прибора прикреплены к сложным системам, которые изолируют их от большинства вибраций. Ученые LIGO также имеют специальные компьютерные программы, которые могут фильтровать различные фоновые шумы, такие как случайные толчки, и определять, соответствует ли какой-либо входящий сигнал возможным астрономическим источникам, рассчитанным с использованием общей теории относительности.
Сайты Луизианы и Вашингтона работают вместе, чтобы проверить прицел. «Мы не верим, что увидим гравитационную волну, если оба детектора не увидят один и тот же сигнал в течение времени, которое потребуется гравитационной волне для перемещения между двумя объектами», - говорит член команды LIGO Эмбер Стювер из Университета штата Луизиана. В этом случае волна прошла сквозь Землю и ударила два детектора на расстоянии всего семи миллисекунд.
Как только места в Луизиане и Вашингтоне обнаружат возможную гравитационную мелодию, ученые приступают к анализу. LIGO уловил этот сигнал 14 сентября, но только сейчас может с высокой уверенностью сказать, что они видели гравитационные волны.
«Нам потребовались месяцы тщательной проверки, повторной проверки, анализа, работы с каждым фрагментом данных, чтобы убедиться в обнаружении», - сказал Рейтце во время мероприятия в Вашингтоне. «И мы убедились, что это так». Результаты появятся на этой неделе в Physical Review Letters .
Вид с воздуха детектора LIGO в Ливингстоне, Луизиана. (Лаборатория ЛИГО) Сигнал гравитационной волны, который астрономы извлекли из самых последних наблюдений, соответствовал тому, что они ожидали для двух черных дыр, спиральных навстречу друг другу. Танец посылает гравитационные волны с предсказуемой частотой и силой, в зависимости от того, насколько далеко находятся объекты и от их массы.
Когда они начинают танцевать ближе, длины волн гравитационных волн уменьшаются, и их песня достигает более высоких высот. Когда черные дыры приближаются к заключительному объятию, у сигнала гравитационной волны есть одна последняя высокая нота, или «чириканье», как ее называют астрономы.
Сентябрьский сигнал прекрасно согласуется с тем, что команда ожидает от двух черных дыр с массами, равными примерно 29 и 36 массам Солнца. Эти черные дыры сгорели вместе, создав новую черную дыру, в 62 раза превышающую массу Солнца - излучающую на 3 солнечные массы гравитационную энергию.
Ожидать неожидаемое
С этим начальным обнаружением астрономы надеются, что Advanced LIGO продолжит собирать гравитационные волны и начнет собирать данные для всех видов научных исследований, от выяснения того, как работают сверхновые, до изучения первых нескольких моментов Вселенной. Хотя ни один другой астрономический телескоп не видел каких-либо признаков столкновения с черной дырой, у некоторых других источников, которые ищет Advanced LIGO, должны быть аналоги, видимые телескопам, которые улавливают свет.
Это выглядит особенно многообещающе, учитывая, что Advanced LIGO еще не обладает полной чувствительностью. Это произойдет в ближайшие несколько лет, говорит Стювер.
Каждый из этих сигналов даст астрономам то, чего у них никогда не было: способ исследовать экстремальные случаи гравитации и движения невидимых объектов. Еще более захватывающие, астрономы знают, что с каждым технологическим прогрессом у вселенной есть способ удивлять нас.
«Каждый раз, когда мы выглядим по-новому и в другом свете, мы обнаруживаем что-то, чего не ожидали найти, - говорит Стювер. - И эта неожиданная вещь революционизирует наше понимание вселенной». Недолго после того, как астрономы развернули на небе радиоантенны, они обнаружили неожиданный тип нейтронной звезды, называемый пульсаром. И, возможно, поэтично, это был пульсар и нейтронная звезда, исполняющая орбитальный танец, который Хьюлс и Тейлор изучали в 1970-х годах.
Теперь, с рассветом гравитационно-волновой астрономии, у ученых появился новый инструмент для отбора проб космоса. И, судя по всему, нас ждет прекрасная музыка.
Примечание редактора: принадлежность Джоан Центреллы была исправлена.
