Гравитационные волны: что означает это открытие для нас?

11 февраля весь мир узнал о научном прорыве — впервые были обнаружены гравитационные волны («рябь» в ткани пространства-времени), существование которых Альберт Эйнштейн предсказал еще в 1916 году.

Эти волны были зафиксированы в результате столкновения двух черных дыр при помощи модернизированного интерферометра лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) 14 сентября 2015 года. Почему же это открытие является столь важным? 

 

Прежде всего, столкновения двух черных дыр является захватывающим открытием само по себе — никто не знал наверняка, могут ли черные дыры действительно сливаться, чтобы создать еще более массивную черную дыру, но теперь есть доказательства. И, конечно, подтверждение предсказанного 100 лет назад феномена является волнующим событием в научном мире.

 

Но самое главное в этом открытии — возможность для человечества увидеть Вселенную совершенно по-новому. Возможность обнаружить гравитационные волны, которые генерируются в процессе разгона или торможения массивных объектов в космосе, сравнима с обретением глухим человеком способности слышать звук — совершенно новое поле информации. Профессор физики и астрономии Василики Калогера из Северо-Западного университета Иллинойса, состоящий в команде LIGO, сравнил открытие с моментом, когда Галилей впервые навел телескоп на небо. Исполнительный директор LIGO Дэвид Рейтц из Калифорнийского технологического института отметил, что до этого момента «мы были глухи к гравитационным волнам» и в дальнейшем можем «услышать» как ожидаемые, так и совершенно неожиданные вещи.

 

Что же надеются «услышать» ученые, исходя из нового взгляда на вселенную?

 

LIGO особенно чувствителен к гравитационным волнам, которые исходят от мощных космических событий, таких, как столкновения двух массивных объектов или взрыв звезды. У обсерватории есть потенциал, чтобы обнаружить эти объекты или события до световых телескопов, а в некоторых случаях гравитационно-волновые наблюдения могут быть единственным способом найти и изучить такие явления.

 

Например, исходя из анонса, LIGO обнаружила две черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга и сливающиеся в финальном столкновении. Как следует из названия, черные дыры не излучают света, что означает, что они невидимы для телескопов, которые воспринимают электромагнитное излучение. Некоторые черные дыры видимы для телескопов, но лишь благодаря излучению материи, находящейся в непосредственной близости от них. Однако подобных примеров в случае слияния черных дыр ученые не наблюдали. Кроме того, черные дыры, за которыми наблюдала LIGO, в 29 и 36 раз соответственно массивнее Солнца. Рейтц заметил, что чувствительность аппарата продолжает повышаться, прибор может быть чувствителен к черным дырам, которые в 100, 200 или даже 500 раз массивнее нашей звезды, сообщает Space.com.

 

Ученые уже знают, что изучение неба в разных диапазонах длин волн света может дать новые данные о космосе. В течение многих столетий астрономы могли работать только с оптическим светом, но сравнительно недавно были созданы инструменты, позволяющие изучать Вселенную, используя рентгеновские лучи, радиоволны, ультрафиолетовые волны и гамма-лучи.

 

Гравитационные волны дадут возможность проследить за динамикой того, что происходит внутри сверхновой, если она будет находиться в нашей или соседней галактике. В отличие от света, блокируемого пылью или газом, гравитационные волны исходят прямо от сверхновой без всяких препятствий и мы действительно можем узнать, что происходит внутри. Другие объекты, интересные для ученых, — это нейтронные звезды, плотность вещества которых очень высока: одна чайная ложка вещества нейтронной звезды будет весить около миллиарда тонн на Земле. Ученые не уверены в том, что происходит с материей в таких экстремальных условиях, но гравитационные волны могли бы дать интересные подсказки.

 

LIGO также имеет систему для предупреждения световых телескопов, когда детектор фиксирует гравитационные волны. Некоторые астрономические события, которые прибор будет изучать, например, столкновения нейтронных звезд, могут испускать свет на всех длинах волн. С этой системой оповещения станут возможными наблюдения некоторых астрономических событий или объектов в разных длинах волн, а гравитационные волны обеспечат наиболее полную картину.

 

Гравитационные волны и общая теория относительности Эйнштейна

 

Гравитационные волны были впервые предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна, которая была опубликована в 1916 году. Эта теория выдерживала все физические тесты, однако некоторые аспекты ученые еще не смогли изучить в реальном мире, поскольку они требуют крайне экстремальных условий. Экстремальное искривление пространства-времени является одним из таких аспектов. Кип Торн из Калифорнийского технологического института, один из основателей группы LIGO заявил, что ранее мы видели кривизну пространства-времени лишь в спокойном состоянии — это можно сравнить с гладью океана в очень тихий день, когда поверхность кажется остекленевшей. Наблюдать шторм, когда волны разбиваются о берег, еще не приходилось. Все поменялось 14 сентября — столкновение и слияние двух черных дыр вызвало бурю в ткани пространства-времени. Эти наблюдения являются прекрасным подтверждением общей теории и, конечно, подтверждают правоту и успех Эйнштейна.

 

Изучение общей теории относительности посредством гравитационных волн еще далеко не завершено. Остаются вопросы о природе гравитона — частицы, которая является переносчиком гравитационного взаимодействия без электрического заряда (например, фотон является частицей, которая переносит электромагнитное излучение). И у ученых есть много вопросов о внутреннем устройстве черных дыр, на которые гравитационные волны могут помочь дать ответы. Однако эта информация будет появляться постепенно, по мере того, как LIGO и связанные с ней инструменты будут собирать данные о различных событиях.

 

Будущее LIGO

 

По словам Рейтца, в течение ближайших трех лет усилия будут направлены на повышение чувствительности для достижения полного потенциала. Это сделает обсерваторию, состоящую из двух больших детекторов в Луизиане и в штате Вашингтон, более чувствительной к гравитационным волнам. Но ученые не знают, сколько событий обсерватория сможет наблюдать, поскольку неизвестно, сколько таких явлений происходит во Вселенной.

 

Обсерватория обнаружила слияние двойной системы черных дыр даже до того, как прибор начал первые официальные наблюдения после недавнего обновления, но вполне возможно, что это был счастливый случай. Чтобы получить больше информации с точки зрения гравитационных волн, обсерватории необходимо больше данных.

 

На вопрос, как может повлиять открытие и работа LIGO на повседневную жизнь, Рейтц ответил просто: «Кто знает?». Ведь теория относительности Эйнштейна уже вошла в нашу ежедневную жизнь с использованием мобильных телефонов — общая теория относительности дает понимание того, как гравитация влияет на течение времени, и эта информация необходима для технологии GPS, которая использует спутники, находящиеся дальше от гравитационного притяжения Земли, чем люди на поверхности.

 

Рейтц назвал LIGO самым чувствительным инструментом из когда-либо созданных, а технологические достижения могут быть использованы в технологиях, которые мы пока не можем предсказать. Кип Торн сравнил нашу эпоху с Возрождением — если важнейшими достижениями Ренессанса можно считать искусство, архитектуру и музыку, то для нашего времени ими, возможно, станут понимание фундаментальных законов Вселенной и изучение Вселенной. Обсерватория является частью этого и, по мнению Торна, это станет культурным подарком будущему поколению, значащим больше, чем технологические разработки любого рода.