Через тернии к дырам: история открытия гравитационных волн, ч.2

В предыдущей серии: они где-то рядом, но как их нащупать?

Фото: LIGO Laboratory.

Впервые техническое решение для прямой регистрации гравитационных волн предложили наши соотечественники Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн, им принадлежит идея использования модифицированного интерферометра Майкельсона в качестве детектора гравитационных волн.

Как известно, две волны в одной точке пространства могут интерферировать либо гася, либо усиливая друг друга. Если, к примеру, два гребня  сошлись в одной точке - будет усиление (как во время цунами), а если гребень одной волны попал на “провал” другой - будет гасящая интерференция, волна как-бы исчезнет. 

Так вот, интерферометр - это устройство, которое регистрирует интерференционную картинку от двух  источников (когерентного) излучения, и по ней можно определить, насколько один источник смещен относительно второго. И даже, если такое смещение микроскопически мало, интерферометр достаточно большого размера (с достаточно большим плечом), может эти смещения уловить. 

Пример интерференции двух волн: если красная и зеленая волна находятся в фазе (максимумы совпадают), мы видим их усиление. Когда зеленая волна смещается относительно красной (например, если смещается её источник), синяя интерференционная картина так же изменяется. Автор:  Adjwilley 

В общем-то эти приборы давно используются для точного измерения расстояний. Представим теперь, что источники когерентного (лазерного) излучения находятся на фиксированном расстоянии друг от друга, интерференция на детекторе дает фиксированную картинку, и в определенный момент через эту установку проходит гравитационная волна. Расстояние между источниками немного поменяется из-за искажения пространства, в результате чего интерференционная картинка слегка изменится. Этот мысленный эксперимент и лег в основу идеи детектора.

Но идея идеей, а её материальное воплощение - совсем другое дело. Много раз предпринимались попытки строительства установки, основанной на лазерных интерферометрах, но достоверного сигнала зарегистрировать не получалось, в основном из-за недостаточного размера и стабильности установки. Только в 1992 году рабочей группе из сотрудников Массачусетского Технологического Института и их калифорнийским коллегам удалось защитить проект двух обсерваторий, стоимостью более трети миллиарда долларов. Так родился один из самых дорогих приборов современности - LIGO. 

Детектор LIGO в Луизиане. Фото:  Caltech/MIT/LIGO Lab.

Это два интерферометра, расположенных на расстоянии 3002 км друг от друга. Размер плеча каждого из них - 4 километра. В откачанных до глубокого вакуума трубах интерферометра расположены два полупрозрачных кварцевых зеркала. закрепленные на гасящих вибрации подвесах. Эти кварцевые зеркала и являются теми самыми массами, изменение расстояния между которыми регистрируется с непревзойденной точностью 10^-18м.

Кварцевое полупрозрачное зеркало весом 40кг. (тестовая масса). Именно смещение таких зеркал фиксируется интерферометром.  Фото: Caltech/MIT/LIGO Lab.

Две обсерватории необходимы для перекрестной проверки показаний, а также для определения положения источника гравитационных волн. В 2002 году обсерватории начали наблюдение, и только в конце 2015 года был зарегистрирован первый сигнал - от слияния двух черных дыр, находящихся на расстоянии примерно 1,3 миллиарда световых лет от  Земли. 

По оценкам, полученным из анализа сигнала, в результате грандиозной космической катастрофы в окружающее пространство были выброшены гравитационные возмущения с энергией, эквивалентной трем солнечным массам. Эти волны добежали до нас, проходя сквозь звезды, космическую пыль и галактики, практически никак с ними не взаимодействуя. 

Гравитационно-волновая астрономия открывает недосягаемые ранее возможности по изучению сильно экранированных или не излучающих (тёмных) объектов. В частности, это единственный сигнал, вырывающийся из черных дыр при их слиянии. Кстати, дата обнаружения гравитационных волн считается датой экспериментального подтверждения существования черных дыр.

На сегодняшний день объявлено уже о 4-х событиях, зарегистрированных на LIGO, последнее из которых произошло совсем недавно - в августе 2017. С учетом ближайших планов по улучшению чувствительности обсерваторий в 10 раз, нас ждет множество удивительных открытий.