Через тернии к дырам: история открытия гравитационных волн

В последние пару лет термин “Гравитационные волны” все чаще появляется на страницах новостных изданий, и в ближайшее время их упоминание будет таким же обыденным, как новости об МКС или очередной автоматической станции, направленной к какой-нибудь планете. Но еще совсем недавно это была чистой воды теория, на экспериментальное подтверждение которой надежды было не больше, чем на открытие жизни на Марсе.

Итак, давайте разберемся, что же такое гравитационные волны и о чем они могут нам рассказать? Началось все с... нет, ни с Эйнштейна, как многие могли подумать, хотя в научной среде это понятие устоялось именно с публикации его Общей Теории Относительности (ОТО). Вообще, не лишним будет отметить, что гениальная идея неабсолютности времени в разных системах отсчета впервые пришла не в светлую голову самого известного физика всех времен и народов. Вот наш истинный герой:

Анри Пуанкаре

Впервые эти неосязаемые волны появились в самом начале XX века “на кончике пера” великого француза. За пол-века до этого оформилась теория электромагнитных волн: общее решение Уравнений Максвелла, устанавливающих связь между электрическим и магнитным полями описывали волну, распространяющуюся в пространстве.

Электромагнитная волна. CC BY-SA 3.0.

Для того, чтобы родилась идея поля, оторванного от источника и существующего само по себе, потребовалось совершить революцию в головах (прежде всего в своей). Вместе с тем, электромагнитное излучение изучалось сотни лет (видимый свет), теория и эксперимент всегда шли бок о бок.

С гравитационными волнами все еще сложнее. Относительная напряженность гравитационного поля примерно на 17 порядков меньше, чем электромагнитного, поэтому гравитационное излучение в земных условиях ничтожно мало, по сравнению с электромагнитным, поймать его в лаборатории не представлялось возможным вплоть до XXI века. Поэтому гравитационные волны, более 100 лет просуществовавшие на бумаге в виде формул, еще более смелый интеллектуальный шаг для физиков (скорее даже математиков) своего времени.

Современная гравитация это не совсем обычное поле. Согласно представлениям ОТО - это искажение пространства-времени массивными телами. Если электромагнитную волну мы можем представить в виде кванта - элементарной частицы, такой, как например, электрон, то гравитационная волна - это то самое бегущее искажение, рябь на теле Вселенной.

Как же уловить эту мельчайшую рябь? Прежде всего, нужен мощный источник гравитационных волн. Для примера, вся наша солнечная система излучает энергию, эквивалентную примерно сотни лампочек. Сотню лампочек на бескрайних просторах Вселенной не разглядеть никак. Положение спасают тесные двойные системы - вращающиеся с огромной скоростью вокруг общего центра масс нейтронные звезды или черные дыры. 

Тесная система из двух черных дыр. NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

В общем-то благодаря этим наблюдениям гравитационные волны были косвенно обнаружены еще в 1974 году. Дело в том, что чем больше масса и ускорение движущегося объекта, тем сильнее он излучает. Двойные нейтронные звезды, к примеру, при размерах немногим больше размера Земли и массой с наше Солнце кружатся со скоростью сотни километров в секунду в объеме размером с Солнце. Это как если бы 2 бильярдных шара весом сто миллиардов тонн каждый вращались на расстоянии 10 метров друг от друга. Пространство-время вокруг такой карусели разве что в узлы не завязывается.

Слияние двух черных дыр. NASA.

Гравитационные волны уносят часть энергии вращения двух звезд, и они постепенно сближаются. Это сближение и наблюдали Рассел Халс и Джозеф Тейлор на примере двойной системы PSR B1913+16, за что были удостоены нобелевской премии по физике в 1993 году. Сближение звезд полностью соответствовало предсказаниям ОТО, и все же этот факт нельзя было считать открытием волн, ибо механизм уноса энергии мог быть каким-либо другим.

Для того, чтобы уверенно заявить об открытии, необходимы прямые измерения искажений пространства-времени. Однако, эффекты эти в лабораторных условиях просто мизерные. Например, для наблюдения искажений длины металлического стержня потребовалось бы улавливать изменения в 10^-16 метра. Это в миллион раз меньше расстояния между атомами в большинстве металлов!

О том, как физики выкрутились, читайте завтра во второй части.