Более миллиарда лет назад, в далекой-далекой галактике, две черные дыры совершили последние шаги в быстроногом па-де-де, закончившись заключительным объятием, настолько сильным, что выпустило больше энергии, чем суммарный выход каждой звезды в каждая галактика в наблюдаемой вселенной. И все же, в отличие от звездного света, энергия была темной, и ее переносила невидимая сила гравитации. 14 сентября 2015 года, в 5:51 по восточному летнему времени, фрагмент этой энергии в форме «гравитационной волны» достиг Земли, сократившись благодаря ее обширному переходу через пространство и время до простого шепота грома. начало.
Связанные чтения
Элегантная Вселенная
купитьНасколько нам известно, Земля купалась в этом типе гравитационного возмущения раньше. Часто. Разница на этот раз заключается в том, что два невероятно точных детектора, один в Ливингстоне, штат Луизиана, а другой в Хэнфорде, штат Вашингтон, стояли наготове. Когда проходила гравитационная волна, она щекотала детекторы, обеспечивая безошибочную подпись сталкивающихся черных дыр на другой стороне вселенной и отмечая начало новой главы в исследовании человечества космоса.
Когда в январе начали распространяться слухи об открытии, я закатил глаза на то, что было явно ложной тревогой или уловкой, чтобы вызвать небольшой гул. Как исследовательская программа на протяжении пятого десятилетия, охота на гравитационные волны давно стала главным открытием, которое всегда зависало на горизонте. Физики смирились с ожиданием своего гравитационного Годо.
Но человеческая изобретательность и упорство победили. Это одна из тех побед, которая дает даже тем из нас, кто радует от боковых покалываний.
Вот история, в двух словах.
В прошлом ноябре мир отметил столетие величайшего открытия Эйнштейна, общей теории относительности, которая открыла новую парадигму для понимания гравитации. Подход Исаака Ньютона правильно предсказывает гравитационное притяжение между любыми двумя объектами, но не дает представления о том, как что-то здесь может протянуть через пустое пространство и натянуть что-то там. Эйнштейн потратил десятилетие, пытаясь определить, как сообщается гравитация, и, наконец, пришел к выводу, что пространство и время образуют невидимую руку, которая выполняет приказ гравитации.
Подпишитесь на журнал Smithsonian сейчас всего за $ 12
Эта история - выбор из апрельского номера журнала Smithsonian.
купитьМетафора выбора, чрезмерно используемая, но вызывающая воспоминания, должна думать о космосе как о батуте. Поместите шар для боулинга в середину батута, заставляя его изгибаться, и мрамор будет перемещаться по кривой траектории. Точно так же Эйнштейн заявил, что вблизи астрономического тела, такого как Солнце, окружающая среда-время изгибается, что объясняет, почему Земля, так же как и мрамор, следует изогнутой траектории. К 1919 году астрономические наблюдения подтвердили это замечательное видение и сделали Эйнштейна Эйнштейном.
Эйнштейн продвинул свое важное открытие дальше. К этому моменту он сосредоточился на статических ситуациях: определении фиксированной формы области пространства-времени, возникающей из данного количества вещества. Но затем Эйнштейн обратился к динамическим ситуациям: что произойдет с тканью пространства-времени, если материя начнет двигаться и дрожать? Он понял, что дети, прыгающие на батуте, генерируют волны на поверхности, которые пульсируют наружу, материю, которая движется таким образом, и которая будет генерировать волны в ткани пространства-времени, которые также пульсируют наружу. А поскольку, согласно общей теории относительности, искривленное пространство-время является гравитацией, волна искривленного пространства-времени является волной гравитации.
Гравитационные волны представляют собой наиболее существенный отход общей теории относительности от ньютоновской гравитации. Гибкое пространство-время, безусловно, является глубоким преобразованием гравитации, но в привычных условиях, таких как гравитационное притяжение Солнца или Земли, предсказания Эйнштейна практически не отличаются от предсказаний Ньютона. Однако, поскольку ньютоновская гравитация молчит относительно того, как передается гравитация, понятию бегущих гравитационных возмущений нет места в теории Ньютона.
У самого Эйнштейна были опасения по поводу его предрасположенности к гравитационным волнам. Когда вы впервые сталкиваетесь с тонкими уравнениями общей теории относительности, трудно отделить абстрактную математику от измеримой физики. Эйнштейн был первым, кто участвовал в этой схватке, и были черты, которые даже он, убежденность относительности, не смог полностью понять. Но к 1960-м годам ученые, использующие более изощренные математические методы, без сомнения установили, что гравитационные волны были отличительной чертой общей теории относительности.
Иллюстрация гравитационных волн (Джон Херси) Как же тогда можно было проверить это знаковое предсказание? В 1974 году с помощью радиотелескопа Аресибо Джозеф Тейлор и Рассел Хулс обнаружили двойной пульсар: две орбитальные нейтронные звезды, орбитальный период которых можно было бы отслеживать с большой точностью. Согласно общей теории относительности, орбитальные звезды генерируют устойчивый марш гравитационных волн, которые истощают энергию, заставляя звезды падать ближе друг к другу и быстрее вращаться по орбите. Наблюдения подтвердили это предсказание T, предоставив доказательства, хотя и косвенные, что гравитационные волны реальны. Халс и Тейлор получили Нобелевскую премию 1993 года.
Это достижение сделало прямое обнаружение гравитационных волн еще более привлекательным. Но задача была сложной. Расчеты показывают, что когда гравитационная волна проникает в пространство, все на ее пути будет альтернативно растягиваться и сжиматься вдоль осей, перпендикулярных направлению движения волны. Гравитационная волна, направленная прямо в Соединенные Штаты, будет попеременно растягивать и сжимать пространство между Нью-Йорком и Калифорнией, а также между Техасом и Северной Дакотой. Точно отслеживая такие расстояния, мы должны быть в состоянии точно определить прохождение волны.
Проблема заключается в том, что, когда пульсация в пруду угасает, когда он распространяется, гравитационная пульсация ослабевает, когда он движется от своего источника. Поскольку крупные космические столкновения обычно происходят очень далеко от нас (к счастью), к тому времени, когда порождаемые гравитационные волны достигают Земли, величина растяжения и сжатия, которые они вызывают, крошечная - меньше атомного диаметра. Обнаружение таких изменений наравне с измерением расстояния от Земли до ближайшей звезды за пределами Солнечной системы с точностью, превосходящей толщину листа бумаги.
В первой попытке, впервые предложенной Джозефом Вебером из Университета Мэриленда в 1960-х годах, использовались многотонные алюминиевые цилиндры в надежде, что они будут мягко резонировать как гигантские камертоны в ответ на проходящую гравитационную волну. К началу 1970-х годов Вебер завоевал успех. Он сообщил, что гравитационные волны звонили его детектору почти ежедневно. Это важное достижение вдохновило других подтвердить заявления Вебера, но после многих лет попыток никто не смог поймать ни одной волны.
Стойкая вера Вебера в его результаты, задолго до того, как накопленные доказательства предположили иное, способствовала формированию перспективы, которая окрашивала поле в течение десятилетий. На протяжении многих лет многие ученые, как и Эйнштейн, полагали, что даже если бы гравитационные волны были реальными, они просто были бы слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить. Те, кто намеревался их найти, были по глупому поручению, а те, кто считал, что заявления об обнаружении были обмануты.
К 1970-м годам те немногие, у кого все еще была ошибка с гравитационными волнами, обратились к более многообещающей схеме обнаружения, в которой лазеры будут использоваться для сравнения длин двух одинаковых туннелей, ориентированных под углом 90 градусов друг к другу. Проходящая гравитационная волна растягивала один туннель, сжимая другой, слегка изменяя расстояния, пройденные лазерными лучами, проходящими вдоль каждого. Когда два лазерных луча впоследствии рекомбинируются, результирующий рисунок, который формирует свет, чувствителен к незначительным различиям в том, как далеко прошел каждый луч. Если пролетит гравитационная волна, даже незначительное возмущение, которое она создает, оставит после себя измененный лазерный рисунок.
Это прекрасная идея. Но соседние отбойные молотки, грохочущие грузовики, порывы ветра или падающие деревья могут помешать такому эксперименту. При поиске различий в длине менее одной миллиардной доли миллиметра метра, способность защитить устройство от любого возможного воздействия окружающей среды, даже незначительного, становится первостепенной. С этим, казалось бы, непреодолимым требованием, скептикам было предоставлено еще больше боеприпасов. Если поймать гравитационную волну, то Хортон услышит «Кто», даже за шумным шумом нью-йоркского метро, просто детская игра.
Тем не менее, американские физики Кип Торн и Райнер Вайс, к которым позже присоединился шотландский физик Рональд Древер, мечтали создать лазерный детектор гравитационных волн, и они привели в движение колеса, чтобы воплотить эту мечту в реальность.
В 2002 году, после нескольких десятилетий исследований и разработок и более 250 миллионов долларов инвестиций Национального научного фонда, в Ливингстоне, штат Луизиана, были развернуты два научно-технических достижения, составляющих LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Хэнфорд, Вашингтон. В четырехкилометровых эвакуированных туннелях в форме гигантской буквы «L» находился лазерный луч, примерно в 50 000 раз более мощный, чем стандартная лазерная указка. Лазерный свет будет отражаться между самыми гладкими зеркалами в мире, расположенными на противоположных концах каждой руки, в поисках крошечного несоответствия во времени, которое требуется каждому для завершения пути.
Исследователи ждали. И ждал. Но через восемь лет ничего. Разочарование, конечно, но, как утверждали исследовательские группы, неудивительно. Расчеты показали, что LIGO едва достиг порога чувствительности, необходимого для обнаружения гравитационных волн. Таким образом, в 2010 году LIGO был закрыт для различных обновлений на сумму более 200 миллионов долларов, а осенью 2015 года был включен улучшенный LIGO, во много раз более чувствительный. Шокирующе, менее чем через два дня внезапная дрожь дребезжала в Луизиане, а через семь миллисекунд детектор в Вашингтоне дернулся почти точно так же. Характер тонких вибраций соответствовал тому, что компьютерное моделирование предсказывало для гравитационных волн, которые будут создаваться последними ударами орбитальных черных дыр, которые разрушаются вместе.
Мой друг изнутри, поклявшийся в секрете, но готовый дать не очень тонкий намек, сказал мне: «Только представьте, что наш самый смелый сон осуществился». Но это было именно то, как ударил джекпот гравитационно-волновой волны. это дало исследователям паузу. Это было почти слишком идеально.
Аппарат LIGO зависит от точно спроектированных и идеально чистых зеркал. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) После нескольких месяцев напряженных, усердных усилий по тщательному расследованию всех других объяснений, какими бы невероятными они ни были, оставался только один вывод. Сигнал был реальным. Спустя столетие после того, как Эйнштейн предсказал их существование, более 1000 ученых, работающих над экспериментом LIGO, отметили первое прямое обнаружение гравитационных волн. Они уловили мгновенный шум гравитационного цунами, развязанного более миллиарда лет назад, остатка темного слияния где-то в глубине южного неба.
Официальное сообщение для прессы 11 февраля в Вашингтоне, округ Колумбия, было электрическим. В моем собственном учреждении, Колумбийском университете, нам пришлось перенести прямую трансляцию слушаний в одно из крупнейших мест в кампусе, и подобные истории разыгрывались в университетах по всему миру. На короткое время гравитационные волны превзошли президентское прогнозирование.
Волнение было оправданным. История вспомнит об открытии как об одном из тех немногих переломных моментов, которые меняют ход науки. С тех пор, как первый человек посмотрел в небо, мы исследовали вселенную, используя волны света. Телескоп значительно усилил эту способность, и с ее помощью мы столкнулись с великолепием новых космических ландшафтов. В течение 20-го века мы расширили виды световых сигналов, которые мы обнаруживаем - инфракрасный, радио, ультрафиолетовый, гамма и рентгеновские лучи - все формы света, но с длинами волн вне диапазона, который мы можем видеть невооруженным глазом. И с этими новыми исследованиями космический ландшафт стал еще богаче.
Гравитационные волны - это совершенно другой вид космического зонда, который может привести к еще более драматическим последствиям. Свет может быть заблокирован. Непрозрачный материал, такой как оконная штора, может блокировать видимый свет. Металлическая клетка может блокировать радиоволны. Напротив, гравитация проходит через все, практически без изменений.
И так, с помощью гравитационных волн в качестве нашего зонда мы сможем исследовать сферы, которые недоступны свету, такие как хаотическая схватка пространства-времени, когда сталкиваются две черные дыры, или, возможно, дикий грохот самого большого взрыва, 13, 8 миллиарда лет назад. Уже наблюдение подтвердило идею о том, что черные дыры могут образовывать бинарные пары. Еще более мучительно, мы можем найти темный пейзаж, населенный вещами, которые мы еще даже не вообразили.
Поскольку сеть детекторов по всему миру - в Италии, Германии, вскоре в Японии и, вероятно, в Индии - объединяет свои данные, и мы надеемся, что в будущем к ним присоединится огромный детектор, работающий в космосе, наша способность исследовать космос сделает еще один гигантский скачок вперед. Что совершенно захватывающе. Нет ничего более вдохновляющего, чем наша способность, посреди нашей вездесущей земной борьбы, смотреть вверх, удивляться и обладать изобретательностью и самоотверженностью, чтобы видеть немного дальше.
**********
