Физики на обсерватории LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) впервые гравитационные волны - возмущения пространства-времени, предсказанные сто лет назад создателем общей теории относительности Альбертом Эйнштейном. Об открытии в ходе прямой трансляции, организованной «Лентой.ру» и Московским государственным университетом (МГУ) имени М.В. Ломоносова, ученые физического факультета, участники международной коллаборации LIGO. «Лента.ру» побеседовала с одним из них, российским физиком Сергеем Вятчаниным.

Что такое гравитационные волны?

По закону всемирного тяготения Ньютона два тела притягиваются друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Эта теория описывает, например, вращение Земли и Луны в плоском пространстве и универсальном времени. Эйнштейн, разработав специальную теорию относительности, понял, что время и пространство - это одна субстанция, и предложил общую теорию относительности - теорию гравитации, основанную на том, что тяготение проявляется как кривизна пространства-времени, которую создает материя.

Доктор физико-математических наук Сергей Вятчанин с 2012 года возглавляет кафедру физики колебаний физического факультета МГУ. Научные интересы сосредоточены на изучении квантово-невозмущающих измерений, лазерных гравитационно-волновых антеннах, механизмах диссипации, фундаментальных шумах и нелинейных оптических эффектах. Ученый сотрудничал с Калифорнийским технологическим институтом в США и Обществом Макса Планка в Германии.

Можно представить упругий круг. Если бросить в него легкий шарик, он покатится по прямой. Если же в центр круга положить тяжелое яблоко, то траектория искривится. Из уравнений общей теории относительности Эйнштейн сразу получил, что возможны гравитационные волны. Но в то время считали (в начале ХХ века) эффект чрезвычайно слабым. Можно сказать, что гравитационные волны - это рябь пространства-времени. Плохо то, что это чрезвычайно слабое взаимодействие.

Если брать аналогичные (электромагнитные) волны, то там был опыт Герца, разместившего излучатель в одном углу комнаты, а приемник в другом. С гравитационными волнами так не получается. Слишком слабое взаимодействие. Остается полагаться только на астрофизические катастрофы.

Как работает гравитационная антенна?

Есть интерферометр Фабри-Перо, две массы, разнесенные на четыре километра. Расстояние между массами контролируется. Если волна падает сверху, то расстояние немного изменяется.

Гравитационное возмущение - это, по сути, искажение метрики?

Можно и так сказать. Математика это описывает как небольшое искривление пространства. Использовать лазер для обнаружения гравитационных волн в 1962 году предложили Герценштейн и Пустовойт. Это была такая советская статья, фантазия... Здорово, но все же полет фантазии. Американцы подумали и решили в 1990-х годах (Кип Торн, Роналд Древер и Рэйнер Вайс) сделать лазерную гравитационную антенну. Причем требуются две антенны, поскольку, если будут события, необходимо использовать схему совпадений. И тогда все началось. Это долгая история. Мы сотрудничаем с Калтехом с 1992 года, а на официальную договорную основу перешли в 1998 году.

Не кажется ли вам, что реальность гравитационных волн не вызывала сомнений?

В общем-то, научное сообщество было уверено в том, что они существуют, и обнаружить их - дело времени. Халсу и Тейлору присудили Нобелевскую премию за фактическое открытие гравитационных волн. Что они сделали? Есть двойные звезды - пульсары. Раз они крутятся, то излучают гравитационные волны. Наблюдать мы их не можем. Но если они излучают гравитационные волны, то отдают энергию. Значит, их вращение замедляется, как будто от трения. Звезды приближаются друг к другу, и можно увидеть изменение частоты. Они посмотрели - и увидели (в 1974 году - прим. «Ленты.ру» ). Это косвенное свидетельство существования гравитационных волн.

Сейчас - прямое?

Сейчас - прямое. Пришел сигнал, который зарегистрировали на двух детекторах.

Достоверность высокая?

Ее достаточно для открытия.

Каков вклад российских ученых в этот эксперимент?

Ключевой. В initial LIGO (раннем варианте антенны - прим. «Ленты.ру» ) использовались десятикилограммовые массы, и висели они на стальных нитях. Наш ученый Брагинский уже тогда высказал идею применения кварцевых нитей. Вышла работа, доказывавшая, что кварцевые нити «шумят» значительно меньше. И вот сейчас массы (в advanced LIGO, современной установке - прим. «Ленты.ру» ) висят на кварцевых нитях.

Второй вклад - экспериментальный и связан с зарядами. Массы, разнесенные на четыре километра, нужно как-то юстировать при помощи электростатических активаторов. Эта система лучше магнитной, которая использовалась ранее, но она чувствует заряд. В частности, каждую секунду через ладонь человека проходит огромное количество частиц - мюонов, которые могут оставить заряд. Сейчас с этой проблемой борются. Наша группа (Валерий Митрофанов и Леонид Прохоров) в этом экспериментально участвует и значительно поднаторела.

В начале 2000-х годов была идея использовать на advanced LIGO сапфировые нити, так как формально у сапфира добротность выше. Почему она важна? Чем выше добротность, тем меньше шум. Это общее правило. Наша группа посчитала так называемые термоупругие шумы и показала, что все же лучше использовать кварц, а не сапфир.

И еще. Чувствительность гравитационной антенны близка к квантовому пределу. Есть так называемый стандартный квантовый предел: если вы измеряете координату, то по принципу неопределенности Гейзенберга вы тут же ее и возмущаете. Если вы непрерывно измеряете координату, то вы все время ее возмущаете. Очень точно измерять координату нехорошо: будет большое обратное флуктуационное влияние. Это показал в 1968 году Брагинский. Подсчитали для LIGO. Оказалось, что для initial LIGO чувствительность выше стандартного квантового предела примерно в десять раз.

Сейчас есть надежда на то, что advanced LIGO дойдет до стандартного квантового предела. Может быть, опустится. Это вообще мечта. Можете себе это представить? У вас будет квантовый макроскопический прибор: две тяжелые массы на расстоянии четырех километров.

Гравитационные волны зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 05:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах-близнецах лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, расположенных в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон) в США. Детекторы LIGO обнаружили относительные колебания величиною в десять в минус 19 степени метров (это примерно равно отношению диаметра атома к диаметру яблока) пар разнесенных на четыре километра пробных масс. Возмущения порождены парой черных дыр (в 29 и 36 раз тяжелее Солнца) в последние доли секунды перед их слиянием в более массивный вращающийся гравитационный объект (в 62 раза тяжелее Солнца). За доли секунды три солнечных массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной. Слияние черных дыр произошло 1,3 миллиарда лет назад (столько времени гравитационное возмущение распространялось до Земли). Анализируя моменты прихода сигналов (детектор в Ливингстоне записал событие на семь миллисекунд раньше детектора в Хэнфорде), ученые предположили, что источник сигнала расположен в южном полушарии. Результаты ученые направили для публикации в журнал Physical Review Letters.

Такое на первый взгляд не очень совместимо.

Вот это и парадоксально. То есть получается фантастика. Вроде бы отдает шарлатанством, а на самом деле - нет, все честно. Но пока это мечты. Стандартный квантовый предел не достигнут. Там еще нужно работать и работать. Но уже видно, что это близко.

Есть надежда, что это случится?

Да. Нужно преодолевать стандартный квантовый предел, и наша группа участвовала в разработке методов того, как это сделать. Это так называемые квантовые невозмущающие измерения, какая конкретно схема измерений нужна - такая или иная... Ведь когда вы теоретически исследуете, расчеты ничего не стоят, а эксперимент - дорог. В LIGO достигнута точность десять в минус 19 степени метров.

Вспомним детский пример. Если мы уменьшим Землю до размеров апельсина, а затем его уменьшим во столько же раз, то получим размер атома. Так вот, если мы атом уменьшим во столько же раз, то мы получим десять в минус 19 степени метров. Это сумасшедшая вещь. Это достижение цивилизации.

Это очень важно, да. Так что означает для науки открытие гравитационных волн? Есть мнение, что это может изменить наблюдательные методы астрономии.

Что у нас есть? Астрономия в обычном диапазоне. Радиотелескопы, инфракрасные телескопы, рентгеновские обсерватории.

Все в электромагнитных диапазонах?

Да. Кроме того, есть нейтринные обсерватории. Есть регистрация космических частиц. Это еще один канал информации. Если гравитационная антенна будет выдавать астрофизическую информацию, то исследователи получат в свое распоряжение сразу несколько каналов наблюдения, по которым можно проверять теорию. Предложено множество космологических теорий, конкурирующих между собой. Можно будет что-то отсеять. Например, когда на Большом адронном коллайдере открыли бозон Хиггса, сразу отпало несколько теорий.

То есть это будет способствовать отбору работающих космологических моделей. Еще вопрос. Можно ли использовать гравитационную антенну для прецизионного измерения ускоренного расширения Вселенной?

Пока чувствительность очень мала.

А в перспективе?

В перспективе можно использовать и для измерения реликтового гравитационного фона. Но любой экспериментатор вам скажет: «Ай-я-яй!» То есть пока до этого далеко. Дай бог, чтобы мы зарегистрировали астрофизическую катастрофу.

Столкновение черных дыр...

Да. Ведь это же катастрофа. Не дай бог рядом там оказаться. Нас бы не было. А здесь - фончик такой... Пока... «надежды юношей питают, отраду старцам подают».

Может ли служить открытие гравитационных волн еще одним подтверждением существования черных дыр? Ведь встречаются еще те, кто не верит, что они есть.

Да. Как работают в LIGO? Идет запись сигнала, для объяснения которого ученые разрабатывают шаблоны и сравнивают их с данными наблюдений. Столкновение нейтронных звезд, нейтронная звезда падает на черную дыру, взрыв сверхновой, черная дыра сливается с черной дырой... Будем менять параметры, например соотношение масс, начальный момент... Что мы должны увидеть? Идет запись, и в момент сигнала оценивается работоспособность шаблонов. Если шаблон, разработанный для столкновения двух черных дыр, подошел к сигналу, то это - доказательство. Но не абсолютное.

Лучшего объяснения нет? Открытие гравитационных волн проще всего объясняется столкновением черных дыр?

На данный момент - да. Сейчас научное сообщество считает, что это было слияние черных дыр. Но коллективное сообщество - это мнение многих, консенсус. Конечно, если возникнут какие-то новые факторы, от него можно отказаться.

Когда удастся зарегистрировать гравитационные волны не от столь массивных объектов? Не означает ли это, что нужно строить новые и более чувствительные обсерватории?

Есть программа следующего поколения LIGO. Это - второе. Будет третье. Там очень много вариантов. Можно увеличивать расстояние, увеличивать мощность, подвес. Сейчас все это обсуждается. На уровне мозгового штурма. Если будет подтверждаться наблюдение гравитационного сигнала, то будет легче получить деньги на усовершенствование обсерватории.

Ожидается бум строительства гравитационных обсерваторий?

Не знаю. Это дорогое удовольствие (LIGO обошлось примерно в 370 миллионов долларов - прим. «Ленты.ру» ). Ведь американцы предложили Австралии построить в Южном полушарии антенну и согласились для этого предоставить все оборудование. Австралия отказалась. Слишком дорогая игрушка. Содержание обсерватории заняло бы весь научный бюджет страны.

Россия принимает финансовое участие в LIGO?

Мы сотрудничаем с американцами. Что дальше будет - непонятно. Пока у нас отношения с учеными хорошие, но политики же всем правят... Поэтому нужно смотреть. Они нас ценят. Мы выдаем результаты действительно на уровне. Но не они же решают, дружить с Россией или нет.

К сожалению, да.

Это жизнь, подождем.

Обсерватория LIGO финансируется Национальным научным фондом США. Исследования в LIGO проводятся в рамках одноименной коллаборации более чем тысячей ученых из США и 14 других стран, включая Россию, представленную двумя группами из МГУ и Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород).

В России не планируется строительство гравитационной обсерватории?

Пока не планируется. В 1980-х годах в Государственном астрономическом институте имени Штернберга МГУ хотели построить в Баксанском ущелье такую же гравитационную антенну, только в меньшем масштабе. Но пришла перестройка, и все надолго накрылось медным тазом. Сейчас ГАИШ МГУ пытается что-то сделать, но пока антенна не заработала...

Что еще можно попробовать проверить при помощи гравитационной антенны?

Справедливость теории гравитации. Ведь большинство существующих теорий основаны на теории Эйнштейна.

Ее никто до сих пор не может опровергнуть.

Она занимает лидирующее положение. Альтернативные теории устроены так, что в основном приводят к тем же экспериментальным следствиям, что и она. И это естественно. Поэтому нужны новые факты, которые бы отметали неверные теории.

Кратко как бы вы сформулировали значение открытия?

Фактически началась гравитационная астрономия. И впервые волны кривизны пространства попались на крючок. Не косвенно, а прямо. Человек восторгается собой: ай да я, ай да сукин сын!

1,3 миллиарда лет назад, далеко-далеко от Земли, Солнечной системы и даже нашей Галактики предельно сблизились две черные дыры, одна массой в 29 Солнц, а другая — в 36. 20 миллисекунд — неуловимо мало для человека — и они сливаются в одну большую черную дыру, а избыток выделившейся при столкновении энергии заставляет пространство-время пойти рябью от места космической катастрофы. 14 сентября 2015 года, в 13:51 по московскому времени эта волна дошла до Земли и заставила колебаться разнесенные на четыре километра друг от друга зеркала гравитационных телескопов возле американских городов Ливингстона и Хэнфорда.

Правда, колебаться совсем чуть-чуть, почти незаметно: с амплитудой в 10 -19 м (это во столько раз меньше размера атома, во сколько апельсин меньше всей нашей планеты). Хитрая оптическая схема для регистрации таких возмущений, измерения на грани квантового предела точности, десятки лет теоретических работ и несколько месяцев аккуратных проверок результатов. 11 февраля на пресс-конференциях в Вашингтоне, Москве, Лондоне, Париже и других городах физики из международной коллаборации LIGO сообщили: человечество впервые зарегистрировало гравитационные волны и это не может быть ошибкой. Впереди нас ждут гравитационные телескопы, новая физика и, кто знает, может быть, даже новая реальность.

Что это такое?

Представим себе натянутую ткань и несколько камней разного веса, которые мы будем на нее класть. Чем тяжелее камень, тем больше он продавливает ткань — точно так же массивные гравитационные объекты, согласно теории относительности Эйнштейна, продавливают ткань пространства-времени, окутывающую наш мир (точнее, эта ткань и есть наш мир, но сейчас не об этом).

Проще всего объяснить воздействие массивных объектов на пространство-время на примере черных дыр — они настолько компактные и тяжелые, что продавливают пространство-время на колоссальные глубины миллиардов миллионов Марианских впадин.

Даже время в их окрестностях начинает течь медленнее, а все объекты, попавшие в гигантскую воронку, уже не могут выйти наружу. Звезды, пыль, кванты света — все остается в ловушке навечно.

Но что будет, если мы не просто положим камни, но еще начнем их вращать? По ткани пойдет рябь складок. Так и массивные гравитационные объекты, двигающиеся с переменным ускорением, порождают вокруг себя распространяющуюся рябь пространства-времени — те самые гравитационные волны, предсказанные Альбертом Эйнштейном еще сто лет назад.

Что излучает гравитационные волны?

Гравитационные волны излучает любой объект, который обладает массой и движется с переменным ускорением — от вращающейся черной дыры до тормозящей машины и читателя этого текста (вряд ли же вы смотрите на экран не моргая — и вот оно, ускорение). Просто гравитационные волны от последних двух объектов вызывают такие скромные колебания пространства, что с точки зрения современной квантовой физики их просто невозможно зарегистрировать.

Поэтому физики надеялись найти гравитационные волны только от массивных объектов, двигающихся с очень большими перепадами ускорений. А точнее, от пары таких объектов — просто по второму закону Ньютона, если одно тяжелое тело движется с большим переменным ускорением, значит, должна быть большая сила, «задающая» это движение. Проще всего этой силе появиться от воздействия какого-нибудь массивного объекта неподалеку. Идеальные кандидаты в такие пары тяжеловесов — сталкивающиеся галактики и двойные системы из «живущих» вместе черных дыр или нейтронных звезд.

Неужели гравитационные волны не пытались найти до этого?

Пытались, и не один раз. Одни из первых экспериментов по обнаружению гравитационных волн ставили еще в 70-е годы на физическом факультете МГУ в группе под руководством профессора Владимира Брагинского. Тогда прибор, установленный в подвале здания, вроде бы зарегистрировал сигнал, сильный и стабильно повторяющийся каждый вечер. Назревала сенсация. Праздник испортил сам Брагинский, который понял, что прибор регистрировал сейсмический шум от дружного захода нескольких трамваев в расположенное неподалеку депо.

Исследователи из международной коллаборации BICEP были куда менее аккуратны, чем советские физики. В прошлом году они заявили о неопровержимых следах гравитационных волн в реликтовом излучении, сохранившемся с первых мгновений после Большого взрыва. Но сенсационная древность оказалась ошибкой: при обработке данных ученые не учли влияние космической пыли.

Неоднократные попытки обнаружить гравитационные волны делались и на других гравитационных телескопах, в том числе на детекторах коллаборации LIGO.

Что такое вообще LIGO и гравитационные телескопы?

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — это название обсерватории и одновременно международной коллаборации ученых 14 стран. Россию в LIGO представляют два научных коллектива: группа Александра Сергеева из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) и группа под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова. Последнюю, кстати, до недавнего времени возглавлял тот же Владимир Брагинский.

В составе LIGO как обсерватории есть детектор и два интерферометра: один установлен в Ливингстоне (штат Луизиана, США), а другой — в Хэнфорде (штат Вашингтон, США). Гравитационные волны распространяются со скоростью света, и поэтому сигнал пришел на них лишь с небольшой задержкой в 10 миллисекунд.

Сами интерферометры представляют собой большие Г-образные антенны с плечами по четыре км. Внутри у них собраны оптические схемы высокой добротности (то есть с низким уровнем посторонних шумов), в которые запускаются лазерные пучки. Под действием гравитационной волны одно плечо должно сжаться, а другое, наоборот, растянуться. В результате лазерные пучки проходят по плечам немного разное расстояние и к выходу добираются с небольшим зазором между собой. Выйдя, они снова собираются вместе и формируют интерференционную картину, по характеристикам которой можно восстановить, как менялись плечи антенны и какова была та гравитационная волна, которая все это вызвала.

Обсерватория LIGO начала свою работу еще в 2002 году, но тогда ее точности было недостаточно для регистрации гравитационных волн. В 2010 году LIGO закрылась для модернизации и вновь заработала только в 2014 году (Advanced LIGO). Каждый элемент конструкции был в буквальном смысле отточен до предела: например, зеркала, между которыми бегают лазерные пучки (они установлены на концах каждого плеча), изготавливались на специальном заводе. Похожий телескоп параллельно с LIGO построила и европейская коллаборация VIRGO, но в сентябре прошлого года он не функционировал.

Какой сигнал зарегистрировали ученые?

Вот что рассказывает Валерий Митрофанов. «Сначала был постоянный фоновый шум, и вдруг в какой-то момент с определенной частотой стали раскачиваться пробные массы детектора, те самые зеркала. Потом — раз, и обрыв. Причем сигнал был сразу на двух детекторах: сначала гравитационная волна подошла к одному, а потом с небольшой задержкой к другому».

Частота сигнала составила 150 Гц (именно с такой частотой и амплитудой 10 -19 м колебались зеркала, которые становились то ближе, то дальше друг от друга) , а после обработки была найдена его причина: слияние двух черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Масса одной из них равнялась 29 солнечным, а другой — 36. Масса получившийся черной дыры оказалась чуть меньше: недостача энергии в три солнечные массы как раз излучилась во время столкновения в виде гравитационных волн.

Светимость (то есть полная излученная энергия) этой вспышки в 50 раз превысила светимость всей видимой Вселенной. Будь это свет, а не гравитация, в обозримом космосе стало бы ослепительно светло.

Светимость? Частота? Я окончательно запутался

Еще раз: ученые увидели гравитационные волны. Это не свет (то есть электромагнитные волны, или распространяющиеся в пространстве сцепленные колебания магнитного и электрического полей), и не звук (механические колебания в твердой, жидкой или газообразной среде, то есть распространяющиеся волны повышенного/пониженного давления). Просто все эти явления (свет, звук и гравитация) можно описать одними и теми же уравнениями и терминами волновой физики.

Так, у каждой волны есть частота колебаний, измеряемая в герцах (Гц). Человеческий слух способен воспринимать звуки на частоте 20 герц — 20 килогерц. Частота пришедшей гравитационной волны составили 150 Гц, но это не значит, что ее можно услышать, если очень хорошенько прислушаться. На пресс-конференции в Вашингтоне ученые даже включили тревожный звук от этого столкновения где-то в невообразимом далёко, но это была просто красивая интерпретация, что было бы, зарегистрируй исследователи не гравитационную волну, а точно такую же по всем параметрам (частота, амплитуда, форма) волну звуковую.

Точно так же и со светимостью. Это просто термин для определения интенсивности потока излучения, примененный в непривычном, но корректном контексте. Например, в случае лампочек: чем интенсивнее они излучают, тем ярче светятся, и тем больше их светимость. Для сталкивающихся черных дыр: чем больше была их масса и чем резче ускорения, тем более мощные гравитационные волны они запустят в пространство. Почему же тогда это событие в 50 светимостей Вселенной не сжало в гармошку всю планету Земля, а только каким-то потусторонним ветерком поколебало сложно устроенные зеркала? А потому, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее электромагнитного (поэтому-то его так сложно обнаружить) — настолько, что мы замечаем только наше притяжение к Земле, но например, никак не к вековому дубу, как бы близко мы к нему не подходили.

А это не может быть ошибкой?

Ученые на 100% уверены в своих выводах. При этом раньше у них уже были ложные срабатывания, но посторонние об этом никогда не узнавали, так что с точки зрения аккуратности им точно можно доверять.

«Во-первых, это прямой метод регистрации гравитационных волн, — говорит Валерий Митрофанов. — А во-вторых, результаты совпали с предсказаниями теоретиков. У нас был шаблон сигнала гравитационной волны от слияния двух черных дыр, рассчитанный с помощью квантовой физики. Сигнал регистрировался, только если он попадал в этот шаблон — так и случилось 14 сентября, и именно благодаря этому шаблону мы можем восстановить массы дыр».

Кстати, утечка информации о скором объявлении результатов появилась еще в середине сентября. Тогда многие обсуждали, что среди прочего сигнал мог быть просто подмешан в данные контролирующими проект учеными для проверки его готовности. Сейчас все участники коллаборации однозначно отрицают такую возможность: событие пришлось не на рабочий пуск системы, а на тестово-инженерный, в котором ложные «впрыски» по инструкции не предполагаются.

А Росссия участвовала?

Да. Как уже сказано, от России в коллаборации LIGO принимают участие две лаборатории из Москвы и Нижнего Новгорода. Они разрабатывали конструкцию телескопа (например, именно российские физики предложили подвешивать зеркала на кварцевых нитях вместо стальных, что снизило посторонние шумы в системе) и боролись с квантовыми эффектами, искажающими сигналы сверхчувствительных антенн.

«Мы получили квантовый прибор макроскопических размеров, — рассказывает профессор МГУ Сергей Вятчанин. — Это предельное достижение цивилизации на данный момент: LIGO почти достиг квантового предела измерений. Нам удалось зарегистрировать смещение двух макроскопических объектов массой в несколько килограммов и разнесенных на несколько километров, с точностью, предрекаемой квантовой неопределенностью Гейзенберга».

Особо отмечает вклад наших физиков в исследования и один из инициаторов проекта, почетный профессор Калифорнийского технического института Кип Торн. По его словам, именно Владимир Брагинский, признанный мировой специалист в области квантовой гравитации, первым предложил искать гравитационные волны от черных дыр и первым обратил внимание на необходимость учитывать в измерениях квантовые эффекты.

Пойдем по восходящей. Сначала ученые надеются обзавестись третьим гравитационным телескопом для своей системы, который будет расположен уже не на Земле, а в космосе. Тогда по характерным задержкам сигналов гравитационных волн исследователи смогут восстанавливать точное положение источников — так же, как сейчас можно узнать свое точное положение на Земле, обменявшись сигналами с тремя спутниками GPS.

«Это начало новой, гравитационно-волновой астрономии, — говорит Валерий Митрофанов. — Древние люди наблюдали Вселенную только в видимом свете. Потом появились рентгеновские телескопы, радиотелескопы, гамма-телескопы, нейтринные наблюдения, а теперь мы увидим небо в гравитационных волнах, которые, кстати, ничем не экранируются».

«Эти волны не может остановить никакая материя, и с ними мы сможем понять о Вселенной гораздо больше, чем теперь. А загадок много — например, загадка темной материи».

Кроме того, гравитационный телескоп может сканировать сразу все небо: его не нужно настраивать в какую-то определенную точку пространства или на одну частоту. Поэтому в перспективе многие уникальные астрофизические события первыми будут фиксироваться именно на гравитационном телескопе — он сможет определить точное местоположение объектов, и дальше по этим данным будут настраивать уже другие средства наблюдения.

Не без этого. Теперь ученые надеются увидеть реликтовые гравитационные волны — те самые, которые стали распространяться по Вселенной почти сразу после Большого взрыва.
«Это позволит заглянуть в самое начало времен, — говорит профессор МГУ Фарит Халили. — Гравитационное взаимодействие раньше всех перестало взаимодействовать с веществом, и поэтому наблюдение реликтового излучения, возможно, позволит поженить гравитационные взаимодействия и электромагнитные».

Профессор говорит о давней мечте физиков — разработке стройной теории квантовой гравитации, в рамках которой едиными терминами и уравнениями описываются как электромагнитные взаимодействия, так и гравитационные. Задача-максимум на этом пути и вовсе «теория всего» или, как ее еще называют, теория великого объединения. В ней воедино сливаются уже все четыре известных физических взаимодействия (кроме гравитационного и электромагнитного есть еще слабые и сильные взаимодействия, объясняющие существование элементарных частиц).

Частью такой теории должна стать и теория относительности Эйнштейна. «Мы сможем заглянуть в ту область, где заканчивается общая теория относительности, поскольку в черной дыре она предсказывает сингулярность, — рассказывает профессор МГУ Игорь Биленко. — Возможно, мы увидим новую физику, которая включает общую теорию относительности как одну из своих составляющих, один из частных случаев».

Наконец, кое-что с этого пира может перепасть и нам, простым людям, не мечтающим о теории великого объединения. «Когда Герц открыл электромагнитные волны, он и не знал, что это приведет к линиям электропередач, мобильным телефонам и интернету, — говорит доцент МГУ Сергей Стрыгин. — Возможно, человечество когда-нибудь научится не просто детектировать гравитационные волны, но и использовать их в своих целях».

Что это будет? Передача информации сквозь время, как в фильме «Интерстеллар», научным консультантом которого был как раз Кип Торн? Путешествия во времени? Что-то невообразимо сумасшедшее? Пока мы не можем ничего предсказывать — только ждать и смотреть.

МОСКВА, 18 фев — РИА Новости. Экспериментальное подтверждение существования гравитационных волн - "ряби" пространства-времени — стало грандиозным успехом мировой астрофизики и своеобразным подарком Альберту Эйнштейну к 100-летию его общей теории относительности, считают участники Московской группы коллаборации LIGO.

Индия построит лабораторию для изучения гравитационных волн В рамках проекта, который будет реализован в сотрудничестве с обсерваторией LIGO в США, специалисты, в частности, построят восьмикилометровую лучевую трубку в сверхвысоком вакууме.

Гравитационные волны были впервые в истории зафиксированы 14 сентября 2015 года детекторами гравитационной обсерватории LIGO в американских штатах Луизиана и Вашингтон. Ученым из Массачусетского и Калифорнийского технологических институтов удалось зафиксировать "рябь" пространства-времени от катастрофического столкновения двух черных дыр в дальнем космосе.

Масса этих черных дыр в 29 и 36 раз превышала массы Солнца, а само слияние произошло 1,3 миллиарда лет назад, но двигающаяся со скоростью света гравитационная волна дошла до Земли лишь сейчас.

Новый прорыв

Одно из главных достижений проекта по обнаружению гравитационных волн - это то, что теоретические данные полностью совпали с реальным экспериментом. Ученые сумели показать, что излучение гравитационных волн произошло именно в результате слияния двух черных дыр, заявил РИА Новости заведующий кафедрой физики колебаний физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова доктор физико-математических наук Сергей Вятчанин.

"Поймали, во-первых, на двух антеннах (двух детекторах, которые разделяет 3 тысячи километров), а во-вторых сформулировали сценарий, и он "лег", так сказать. Вот это огромное достижение… Это черные дыры, 30 солнечных масс, слились, … и последняя агония этого слияния и дала этот огромный всплеск", — сказал ученый.

Профессор физического факультета МГУ, руководитель Московской группы коллаборации LIGO Валерий Митрофанов отметил, что существование гравитационных волн уже давно не ставилось научным сообществом под сомнение.

Многие ученые, которые занимаются другими темами, уже думали над тем, как данное явление может быть использовано в их исследованиях, хотя экспериментальное подтверждение существования волн гравитации состоялось только в сентябре 2015 года, отметил профессор.

Еще полгода ушли на тщательнейшую проверку полученных данных, и когда стало ясно, что ошибка практически исключена (на 100% она исключена не может быть, в принципе), было объявлено об открытии - без сомнений, одном из крупнейших в истории астрофизики.

Технологии появятся нескоро

Регистрация гравитационных волн открывает новые возможности для развития науки, однако практические технологии на основе данного явления появятся нескоро, считают физики.

"Очень трудно рассчитывать на то, что открытие гравитационных волн будет способствовать повышению комфорта жизни", — иронизирует Вятчанин.

С другой стороны, он привел в пример открытие электромагнитных волн в XIX веке - когда оно было сделано, мало кто мог представить, что чуть ли не все технические новации XX века будут базироваться на этом явлении.

Ученые могут открыть новые источники гравитационных волн в этом году Открытие гравитационных волн позволит ученым регистрировать сигналы "черных дыр", заявил один из соавторов открытия Сергей Клименко. По его словам, чувствительность детекторов гравитационной обсерватории LIGO вырастет еще примерно в три раза.

По словам Митрофанова, тема создания прикладных технологий, основанных на гравитационных волнах, очень интересная, и "может неожиданно сыграть" в будущем. Но в настоящее время трудно представить, когда и в какой форме эти технологии будут реализованы.

История Вселенной

Задача обнаружения реликтовых гравитационных волн, которые стали следствием событий, произошедших сразу после зарождения Вселенной, на порядок сложнее, чем детекция сигнала от такого большого и катастрофического события, как слияние черных дыр. Однако, по мнению российских ученых, в конце концов, эта задача будет решена, что позволит совершить значительный шаг в изучении истории Вселенной.

"Гравитационные волны не поглощаются материей, мы можем заглянуть в самые-самые начальные моменты после Большого взрыва, так скажем, когда, собственно, началась Вселенная и начала развиваться", — пояснил Митрофанов.

Вятчанин отметил, что обнаружение реликтового гравитационного фона - "значительно более сумасшедшая" задача, чем та, которая была решена коллаборацией LIGO. Однако в отдаленной перспективе человечество сможет создать достаточно чувствительные приборы, которые смогут "поймать" реликтовые гравитационные волны, что позволит "просеять" космологические теории и отделить те, которые не соответствуют полученным данным, указал профессор.

Гравителескоп LISA Pathfinder перешел в "научный" режим работы Прототип гравителескопа LISA Pathfinder сделал первый шаг к началу научной части миссии, успешно сняв фиксаторы с двух золотых кубов, за движениями которых под действием гравитационных волн зонд начнет 23 февраля этого года.

Темная материя

Одна из тайн Вселенных, в разгадке которой может помочь открытие, касается темной материи - загадочного вещества, которое, по расчетам, должно вместе с темной энергией составлять большую часть состава Вселенной, но при текущем уровне развития технологий не может быть обнаружено.

По словам Митрофанова, темная материя, возможно, способна испускать гравитационные волны и взаимодействовать с ними, но пока никаких указаний на это нет. Тем не менее, исследования на стыке изучения гравитационных волн и темной материи способны дать интересные результаты. Однако значимым открытиям будет предшествовать период накопления данных и обработки полученной информации, указал исследователь.

Сергей Вятчанин также придерживается мнения, что гравитационные волны можно использовать для изучения темной материи. Но ученый отметил, что к настоящему моменту не разработаны сценарии, которые бы описывали излучение гравитационных волн темной материей.

Проект LIGO — система из двух одинаковых детекторов, тщательно настроенных для детектирования невероятно малых смещений метрики пространства-времени от прохождения гравитационных волн. Детекторы расположены в 3 тысячах километров друг от друга.

Исследования осуществляются в рамках научной коллаборации LIGO (LSC — LIGO Scientific Collaboration) коллективом из более чем тысячи ученых из университетов США и 14 других стран, включая РФ. Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского университета и группой академического Института прикладной физики (Нижний Новгород).

Рябь пространства-времени, образовавшаяся в результате звездного катаклизма в далекой галактике, помогает объяснить космическое происхождение золота и проложить курс для новой эпохи в астрономии, занимающейся наблюдениями электромагнитного спектра и гравитационных волн.

Началом новой эпохи в астрономии и физики стало прозвучавшее в понедельник заявление ученых о том, что они впервые обнаружили рябь пространства-времени, известную как гравитационные волны, которые образовались в результате столкновения двух нейтронных звезд. 17 августа эти волны из космоса достигли Земли в районе Индийского океана и были зарегистрированы двумя детекторными станциями американской Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) и европейским детектором Virgo, расположенным в Италии.

Это уже пятый случай за последние два года, когда ученые фиксируют такие волны. Первым данное явление предсказал Эйнштейн, сделав это более 100 лет назад. А в этом году за открытия в области гравитационных волн Нобелевскую премию по физике получили три руководителя LIGO.

Однако все замеченные ранее гравитационные волны возникали от слияния черных дыр. Эти черные дыры имеют такую огромную плотность, что не выпускают свет. Поэтому такое слияние черных дыр по сути дела невозможно обнаружить обычными телескопами, несмотря на невероятно мощные гравитационные волны, которые они порождают в последние моменты своей неистовой спирали смерти. Без более обширной сети гравитационно-волновых обсерваторий астрономы не в состоянии определить точное местонахождение соединяющихся черных дыр, и уж тем более глубоко их изучить и проанализировать

Однако слияние нейтронных звезд начинается с объектов, которые по сравнению с черными дырами могут быть очень легкими. Нейтронная звезда — это сильно сжатое ядро закончившей свой век массивной звезды, и формируется она после взрыва сверхновой. Ее гравитационное поле обладает достаточной силой для того, чтобы сдавить и разрушить материю массой с целое Солнце, превратив ее в сферу из нейтронов размером с крупный город. Таким образом, это не звезда в обычном понимании, а в большей степени ядро атома размером с Манхэттен. Однако сила притяжения нейтронной звезды все равно слишком мала, чтобы удерживать свет, а поэтому вспышка от столкновения двух таких звезд может проникнуть в космос, создав не только гравитационные волны, но и один из самых ярких фейерверков во Вселенной, который может увидеть любой желающий.

В данном случае, когда первоначальный импульс гравитационных волн подал сигнал о начале слияния, фейерверк состоял из вспышки гамма-излучения длиной в две секунды и послесвечения разной длины волн, которое длилось несколько недель. В числе «любых желающих» оказались почти все астрономы и физики на нашей планете, которые знали об этом событии. Исследователь проекта Жюли Макинери (Julie McEnery), работающая с космическим гамма-телескопом Ферми, который зафиксировал вспышку гамма-лучей, назвала 17 августа «самым замечательным утром за все девять лет работы телескопа».

С астрономов, работающих вместе с физиками на телескопе LIGO и Virgo, взяли клятву о соблюдении секретности. Однако огромное количество наблюдений по всему миру неизбежно привело к распространению слухов, которые теперь нашли свое подтверждение. Речь идет об общемировой кампании наблюдения за столкновением и его последствиями. Всплеск новых наблюдений и возникновение новых теорий после столкновения является самым ярким образцом гравитационно-волновой астрономии. Это новая отрасль науки, которая собирает данные и изучает свет, гравитационные волны и субатомные частицы, образующиеся в результате астрофизических катаклизмов.

Одновременно в нескольких научных журналах было опубликовано огромное множество статей, авторы которых связали последние события с самыми разнообразными явлениями и предложили новые идеи по самым разным направлениям, начиная с фундаментальной ядерной физики и кончая эволюцией Вселенной. Среди прочего, это слияние дало наблюдателям возможность проследить за зарождением черной дыры, которая могла образоваться при столкновении нейтронных звезд. Но одно открытие является в буквальном смысле блестящим. Это убедительное доказательство того, что слияние нейтронных звезд является космическим плавильным котлом, в котором появляются тяжелые элементы нашей Вселенной, включая уран, платину и золото.

Контекст

Чему нас учат гравитационные волны

The New York Times 04.10.2017

Гравитационные волны наконец-то открыты

Quanta Magazine 17.02.2016
Таким образом, многое говорит о том, что радиоактивный материал в ядерном реакторе, каталитический нейтрализатор выхлопных газов в вашем автомобиле и драгоценный металл в вашем обручальном кольце являются результатом столкновения самых маленьких, самых плотных и самых экзотических звезд в нашей Вселенной, или по крайней мере, той их части, которая может ускользнуть из черных дыр, образующихся в результате слияния. Данное открытие поможет разрешить непрекращающиеся дебаты по вопросу космического происхождения тяжелых элементов, которыми теоретики занимаются более полувека. Основная часть водорода и гелия в нашей Вселенной появилась в первые моменты после большого взрыва. А большинство легких элементов, таких как кислород, углерод, азот и так далее, сформировались в результате ядерного синтеза в звездах. Но на вопрос о происхождении самых тяжелых элементов до настоящего времени не было ответа.

«Мы наткнулись на золотую жилу! — говорит Лаура Кадонати (Laura Cadonati), работающая астрофизиком в Технологическом институте штата Джорджия и являющаяся заместителем пресс-секретаря LIGO. — На самом деле, мы впервые обнаружили гравитационно-волновое и электромагнитное явление как единое астрофизическое событие. Гравитационные волны рассказывают нам историю о том, что произошло до катаклизма. Электромагнитное излучение повествует о том, что случилось после». Пока это не окончательные выводы, говорит Кадонати, однако анализ гравитационных волн этого явления со временем поможет раскрыть подробности того, как внутри нейтронных звезд при слиянии «разбрызгивается» материя, и ученые получат новые возможности для изучения этих странных объектов, а также выяснят, каких размеров они могут достигать до схлопывания и превращения в черную дыру. Кадонати также отмечает, что была какая-то таинственная задержка в пару секунд между окончанием всплеска гравитационной волны и началом гамма-излучения. Возможно, это тот промежуток времени, когда структурная целостность сливающихся нейтронных звезд непродолжительное время сопротивлялась неизбежному коллапсу.

Многие исследователи уже давно ожидают этого прорывного открытия. «Мои мечты осуществились, — говорит астрофизик Сабольч Марка (Szabolcs Marka), работающий в Колумбийском университете и входящий в научный коллектив LIGO. Этот человек еще в конце девяностых годов стал приверженцем гравитационно-волновой астрономии, дополненной наблюдениями электромагнитного спектра. В те годы, вспоминает Марка, его считали безумцем, который пытается подготовиться к будущим наблюдениям за гравитационными волнами, хотя до непосредственного открытия этого явления оставалось еще несколько десятков лет. «Теперь я и мои коллеги чувствуем себя отмщенными, — говорит он. — Мы изучили эту систему сталкивающихся нейтронных звезд в очень разнообразном наборе сигналов. Мы увидели это в гравитационных волнах, в гамма-излучении, в ультрафиолете, в видимом и инфракрасном свете, а также в рентгеновских лучах и радиоволнах. Это революция и эволюция в астрономии, на которую я возлагал надежды еще 20 лет назад».

Директор Национального научного фонда (это федеральное ведомство, обеспечивающее основную часть финансирования LIGO) Франс Кордова (France Córdova) заявил, что последнее достижение является «историческим моментом в науке», и что оно стало возможным благодаря устойчивой и многолетней поддержке правительства, оказываемой многим астрофизическим обсерваториям. «Обнаружение гравитационных волн, начиная с первого короткого вибросейсмического сигнала, который услышали во всем мире, и кончая последним, более длительным сигналом, не только оправдывает рискованные, но дающие большое вознаграждение инвестиции, выделяемые Национальным научным фондом, но также подталкивает нас к тому, чтобы сделать больше в этом направлении, — говорит Кордова. — Я надеюсь, что ННФ будет и дальше оказывать поддержку новаторам и инновациям, которые преобразуют наши знания и вдохновляют грядущие поколения».

Прекрасная возможность

Когда были обнаружены начальные гравитационные волны от слияния и последующее гамма-излучение (его немедленно зафиксировали ученые при помощи телескопа Ферми и космических телескопов обсерватории INTEGRAL), началась гонка в попытке выяснить, каков источник столкновения в космосе, а также его послесвечения. Очень быстро многочисленные коллективы ученых нацелили имеющиеся телескопы на тот участок неба, где по расчетам исследователей с LIGO и Virgo должен был находиться источник. Это был участок неба, охватывающий 31 квадратный градус, в котором расположены сотни галактик. (По словам Кадонати, если бы использовалась только обсерватория LIGO, эти наблюдения были бы похожи на поиски золотого кольца, лежащего на дне Тихого океана. Но получив третью точку данных от Virgo, говорит она, исследователи сумели вычислить местоположение источника, и в результате наблюдения стали больше похожи «на поиски золотого кольца в Средиземном море».)

Мультимедиа

НАСА воспроизводит «Гравитацию»

ИноСМИ 06.03.2014
Основную часть наблюдений ученые проводили в чилийских обсерваториях. Свою работу они начали сразу после захода солнца, когда из-за горизонта вышел нужный участок неба. Разные коллективы ученых применяли самые разнообразные стратегии поиска. Кто-то просто осуществлял сплошное наблюдение за участком неба, методично перемещаясь от одной стороны к другой; кто-то нацелился на галактики, в которых с наибольшей долей вероятности могло произойти слияние нейтронных звезд. В конечном итоге вторая стратегия оказалась выигрышной.

Первым оптическое послесвечение увидел докторант и исследователь из Калифорнийского университета в Санта Крузе Чарльз Килпатрик (Charles Kilpatrick). Он сидел за столом в своем кабинете и просматривал изображения некоторых галактик, получив задание от одного из своих коллег астронома Райана Фоли (Ryan Foley), который участвовал в организации этого проекта. Девятым снимком, который он начал изучать, была фотография, поспешно снятая и переданная коллегами, находившимися на другом конце света и работавшими на огромном телескопе Swope в чилийской обсерватории Лас-Кампанас. Именно на нем он увидел то, что искали все: ярко-голубую точку в центре гигантской эллиптической галактики, представляющей собой скопление старых красных звезд в возрасте 10 миллиардов лет, которые находились на расстоянии 120 миллионов световых лет. Все они были безымянными, если не считать обозначений в каталогах. Считается, что именно в таких галактиках чаще всего происходят слияния нейтронных звезд, поскольку они старые, у их звезд большая плотность, а молодых звезд в таких галактиках довольно мало. Сравнив этот снимок с более ранними изображениями той же самой галактики, Килпатрик не увидел на них такой точки. Это было нечто новое, появившееся совсем недавно. «Очень медленно до меня дошло, какой это исторический момент, — вспоминает Килпатрик. — Но в то время я был сосредоточен на своей задаче, стараясь работать как можно быстрее».

Килпатрик сообщил об увиденном другим членам своей команды, в том числе, астроному из обсерваторий Карнеги Джошу Саймону (Josh Simon), который быстро получил подтверждающее изображение при помощи одного из самых крупных телескопов Magellan в Чили диаметром шесть с половиной метров. На этих изображениях голубая точка тоже присутствовала. В течение часа Саймон занимался измерениями спектра этой точки, то есть, различных цветов испускаемого ею света. Делал он это парными снимками с выдержкой в пять минут. Саймон посчитал, что такие спектральные снимки окажутся полезными для дальнейших исследований. А если нет, то в любом случае они смогут доказать, что это не просто какая-то заурядная суперновая или другой космический самозванец. Тем временем, и другие коллективы ученых тоже заметили эту точку и занялись ее исследованиями. Но команда Фоли быстрее других нашла подтверждение и провела спектральный анализ, обеспечив себе первенство в этом открытии. «Мы первыми получили изображение, и мы первыми идентифицировали источник этого изображения, — говорит Саймон. — А поскольку и первое, и второе мы получили очень быстро, нам удалось сделать первый спектральный анализ этого слияния, чего в ту ночь не сумел сделать никто в Чили. После этого мы объявили о своем открытии всему научному сообществу».

Эти первые спектральные наблюдения оказались чрезвычайно важными для последующего анализа и разрешения некоторых загадок. Они показали, что остатки от слияния быстро охлаждаются и теряют свой ярко-голубой свет, который превращается в темно-рубиновый. Эти данные в последующие недели удалось проверить и подтвердить в ходе наблюдений, пока видимая точка бледнела и угасала, а ее послесвечение смещалось, и яркий свет переходил в инфракрасную зону спектра с большей длиной волны. Общие закономерности цветов, процесса охлаждения и расширения были очень похожи на то, что ранее предсказывали многие теоретики, работавшие независимо друг от друга. Прежде всего, это Брайан Мецгер (Brian Metzger) из Колумбийского университета и Дэн Кейсен (Dan Kasen) из Калифорнийского университета в Беркли.

Короче говоря, объясняет Мецгер, то, что увидели астрономы после этого слияния, можно назвать «килоновой». Это интенсивная вспышка света, образовавшегося за счет выделения и последующего радиоактивного распада раскаленного до белизны и богатого нейтронами материала из нейтронной звезды. По мере того, как этот материал расширяется и охлаждается, большая часть его нейтронов захватывается ядрами железа и других тяжелых элементов, оставшихся в виде пепла после взрыва сверхновой и образования нейтронной звезды. «Это приводит к созданию еще более тяжелых элементов в течение примерно одной секунды, когда выбрасываемые частицы захватывают эти нейтроны и расширяются в пространстве. Одно из этих слияний формирует нижнюю половину периодической таблицы, а именно, золото, платину, уран и так далее», — говорит Мецгер. На завершающем этапе свет от килоновой резко смещается в инфракрасную зону, когда нейтроны, каскадом вылетающие из выброса, формируют самые тяжелые элементы, которые весьма эффективно поглощают видимый свет.

Измерение спектральных изменений тела килоновой, в свою очередь, позволяет астрономам определить количество различных элементов, образовавшихся в процессе слияния. Эдо Бергер (Edo Berger), изучающий килоновые в Смитсоновском центре астрофизики и руководивший многочисленными и самыми амбициозными наблюдениями за этим слиянием, говорит, что в результате данного события образовались тяжелые элементы, по своей массе равные 16 тысяч масс Земли. «Там есть все: золото, платина, уран, а также другие, самые странные элементы, которые нам известны в виде букв в периодической таблице, хотя мы не знаем их названия, — говорит он. — А что касается распада, то точный ответ на этот вопрос нам пока неизвестен».

Некоторые теоретики предполагают, что количество образовавшегося в результате слияния золота составляет лишь несколько десятых частей земной массы. Мецгер, со своей стороны, полагает, что это количество равно приблизительно 100 массам Земли. По его оценке, платины образовалось в три раза больше земной массы, а урана — в 10 раз меньше. В любом случае, если сопоставить новые статистические оценки частоты таких слияний, основываясь на последних измерениях, то у нас получается довольно большое количество таких событий. «Их достаточно, чтобы сформировать и накопить те элементы, которые образуют нашу собственную солнечную систему и то многообразие звезд, которое мы видим, — говорит Мецгер. — На основе того, что мы увидели, можно подробно объяснить эти слияния. Наверное, есть и другие способы образования тяжелых элементов, но похоже, что нам они не нужны». По его словам, каждые 10 тысяч лет в Млечном пути происходит только одно слияние нейтронных звезд.

Дальние рубежи

Более того, изучение процесса слияния и образования килоновой может дать нам очень важную информацию о том, как происходило столкновение. Например, свет от первоначального выброса после слияния был более голубым, чем ожидали ученые. Исходя из этого, Мецгер и другие ученые сделали вывод о том, что они смотрели на килоновую под углом, а не прямо. Если брать за основу такой сценарий, то первоначальный голубой выброс исходил из сферической оболочки или расположенной по экватору полосы материала с небольшим содержанием нейтронов, которые выдувались наружу из нейтронных звезд на скорости, равной оценочно 10% от скорости света. Более поздняя и более красная эмиссия могла исходить из материала с большим содержанием нейтронов, который был выброшен с полюсов нейтронных звезд при их столкновении со скоростью в два-три раза выше — подобно зубной пасте, выдавливаемой из тюбика.

Статьи по теме

Космос не знает границ

CBC 01.10.2017

Самые безумные космические идеи НАСА

Videnskab 09.09.2017
Если сопоставить такой сценарий с подробными данными наблюдений в рентгеновском и радиодиапазоне, то становится более понятным весьма любопытный характер выброса гамма-лучей, связанного с таким слиянием. Это была самая близкая вспышка гамма-излучения за всю историю наблюдений, но также одна из самых слабых. Считается, что кратковременные всплески гамма-излучения являются биполярными выбросами интенсивной радиации, которая ускоряется и выбрасывается почти со скоростью света магнитными полями внутри сталкивающихся нейтронных звезд, когда те сливаются и схлопываются в черную дыру. Если смотреть на эту вспышку гамма-излучения прямо (глаза в глаза, если можно так выразиться), то она будет очень яркая. Так бывает в большинстве случаев таких выбросов, которые наблюдают астрономы на удаленных участках Вселенной. Но если смотреть на эти всплески гамма-излучения под углом, то они кажутся довольно тусклыми, а обнаружить их можно лишь в том случае, если они находятся довольно близко, в пределах нескольких сотен миллионов световых лет.

Таким образом, используя многочисленные данные, накопленные гравитационно-волновой астрономией, ученые смогут со временем определить углы обзора многих килоновых во всей наблюдаемой части Вселенной, и это позволит им более точно измерять крупномасштабные космические структуры и изучать их эволюцию. Ученые получат возможность для разгадки тех тайн, которые намного глубже, чем происхождение тяжелых элементов, скажем, того вызывающего недоумение обстоятельства, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением под воздействием некоей масштабной антигравитационной силы, известной как темная энергия.

Исследователи из области космологии надеются на то, что им удастся лучше понять темную энергию, точно измерив ее воздействие на Вселенную, проследить объекты, находящиеся в удаленных регионах Вселенной, понять, насколько они удалены, и как быстро они движутся в ускоряющихся потоках темной энергии. Но для этого ученым нужны надежные «стандартные свечи», то есть, объекты известной яркости, которые можно было бы использовать для калибровки этого огромного, всеохватывающего поля пространства-времени. Астрофизик Дэниэл Хольц (Daniel Holz), работающий в Чикагском университете и сотрудничающий с коллективом LIGO, продемонстрировал, каким образом сливающиеся нейтронные звезды могут способствовать этим усилиям. В своей работе он показывает, что силу гравитационных волн, образовавшихся в ходе последнего слияния, а также выбросы килоновой можно использовать для вычисления темпов расширения ближайших участков Вселенной. Этот метод ограничен всего одним слиянием, и поэтому получаемые с его помощью значения отличаются существенной неопределенностью, хотя они подтверждают те данные по темпам расширения, которые получены при использовании других методов. Но в предстоящие годы гравитационно-волновые обсерватории, а также наземные и космические телескопы нового поколения и больших размеров будут работать совместно, открывая сотни и даже тысячи столкновений нейтронных звезд ежегодно. В этом случае точность оценок заметно повысится.

«Что все это означает? А то, что измерения гравитационных волн от этих слияний, проведенные LIGO и Virgo, будут дополнены моделями килоновых, и тогда ученые смогут понять, каковы их наклонения и углы обзора, исследуя их спектральную эволюцию с переходом из синего в красный цвет». Об этом говорит астрофизик Ричард О"Шонесси (Richard O"Shaughnessy), работающий в Рочестерском технологическом институте и входящий в состав коллектива LIGO. «Это очень мощное объединение усилий. Если мы будем знать наклонение, мы сможем вычислить расстояние, А это будет очень полезно для космологии. То, что сделано сейчас, является прототипом того, что мы будем регулярно делать в будущем».

«Если хорошенько задуматься, то Вселенная представляет собой своего рода коллайдер космических частиц, и частицами в этом коллайдере являются нейтронные звезды, — говорит О"Шонесси. — Он сталкивает эти частицы, и теперь у нас появилась возможность понять, что из этого получается. В предстоящие годы мы увидим большое количество таких событий. Не знаю точно, сколько их будет, но люди уже называют это космическим дождем. Это даст нам реальные данные, позволяющие соединить очень разные и обрывистые нити астрофизики, которые прежде существовали лишь в умах теоретиков или в виде отдельных кусочков информации в моделях суперкомпьютеров. Это даст нам возможность понять причины изобилия тяжелых элементов в космосе. Это даст нам возможности для изучения мягкой и легко сжимаемой ядерной материи в условиях огромной плотности. Мы получим возможность измерить темпы расширения Вселенной. Такие совместные усилия предоставят обширные возможности астрофизике высоких энергий и поставят перед ней множество задач на предстоящие десятилетия. И основой такого сотрудничества станут многолетние инвестиции. Сегодня мы пожинаем плоды в виде огромной горы золота, масса которой в десятки или даже сотни раз превышает массу Земли. Этот подарок нам преподнесла Вселенная».

Ли Биллингс — заместитель главного редактора Scientific American. Он пишет о космосе и физике.

Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.