В. Полингер

 

Гравитационные волны. Просто о сложном и важном.

 

 

Читающая публика, как можно полагaть, уже осведомлена об эпохальном событии происшедшем неделю назад в учёном мире, а точнее – в физике. Опытным путём обнаружено существование гравитационных волн. Сообщение об этом открытии опубликовано 11 февраля группой учёных (свыше 1000 авторов!) в научном журнале Phys. Rev. Letters. Тем самым подтверждено существование гравитационных волн, теоретически предсказанное великим Альбертом Эйнштейном в 1915 году. Мировоззренческое значение этого открытия трудно переоценить. Как следует ожидать, Нобелевская премия 2016 года достанется группе его авторов. Могу предположить, что сообщение об открытии по разным причинам оказалось не всем доступно. Поэтому здесь краткий рассказ о его сути. Попробую изложить всё предельно просто, «на пальцах», чтобы, как шутливо говорил Ландау, было понятно и красноармейцу.
    Любому школьнику знакомому с основами электричества известен простой факт. Ускоренное движение электрического заряда приводит к излучению электромагнитных волн. На этом принципе работают все излучатели радиоволн – от радио- или телестанций до мобильных телефонов (радиоволны – разновидность электромагнитных волн). Эйнштейн предположил, что массивные тела, подобно электрическим зарядам, могут излучать гравитационные волны. Для их обнаружения есть два важных условия. Первое – источник тяготения должен двигаться с заметным ускорением. Второе – поле тяготения должно быть достаточно сильным.
    Проверка гипотезы Эйнштейна велась двумя способами. Один – создание гравитационных волн в лаборатории. Для этого следовало заметно ускорить какой-нибудь массивный объект. Второй – обнаружить гравитационные волны, излучаемые откуда-нибудь из космоса, например, от ускоренно перемещающейся звeзды. Не стану обсуждать достоинства и недостатки этих двух подходов. Отмечу лишь невероятную слабость получаемых сигналов (если допустить их существование). В предпринятых до сих пор экспериментах они были за пределами возможностей каких-либо сверхточных измерительных приборов.  Невозможность наблюдения не отменяла гипотезу Эйнштейна. Просто-напросто, вопрос о существовании гравитационных волн оставался открытым. Попытки увеличить точность измерений продолжались без особого успеха на протяжении ста лет.
    Уникальное сверхчувствительное измерительное устройство, спроектированное и созданное в американских университетах Caltech и MIT -  вершина экспериментальной физики. Идея примерно та же, что и в сейсмографах – приборах, регистрирующих колебания земной коры из-за землетрясений происшедших порой на расстоянии в десятки тысяч километров. Разница в том, что прибор LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, что переводится как Обсерватория Гравитационных Волн на основе Лазерной Интерферометрии) измерил колебания, которые возникли на расстоянии в 410 мегапарсеков. Свету, чтобы покрыть такое чудовищное расстояние, потребуется 410 тысяч лет! Можно представить, насколько ослабевает за столь долгий путь даже очень сильный сигнал. Поэтому в США и был создан супер-сверх-чувствительный прибор. Его две части расположены на юге штата Вашингтон и в центральной Луизиане. Каждая размером в несколько километров.
    В невероятной чувствительности измерительного устройства заложен и его главный недостаток. Если, скажем, по соседней улице на трёхколёсном велосипеде прокатится 10-летний мальчуган, прибор LIGO отметит это как сильнейшее сотрясение. Среди источников шума и движение легковых автомобилей на удалённом шоссе, и топот бизонов в далёких прериях, и движение товарных поездов  по железным дорогам, и – наиболее сильный источник шума – удары океанских волн о побережье США. Поэтому дальнейшее увеличение чувствительности прибора лишено смысла. Прорыв в этом почти безнадёжном деле достигнут усилиями учёных двух американских университетв - в калифорнийском КАЛТЕХ и бостонском MIT. Как ни странно, успех пришёл вовсе не оттуда, куда были направлены многолетние усилия мирового сообщества физиков.
    Каждый из многочисленных шумов «загрязняющих» сигнал имеет свой «почерк». Многолетние исследования обнаружили специфические свойства различных шумов. Учёные научились их распознавать и «очищать» исходный сигнал от каждого из характерных шумов. Очищение от шума позволило выявить слабый сигнал, поступавший из определённого уголка космической бездны, где по сведениям астрономов происходило чрезвычайное событие. Две чёрные дыры быстро сближались и в предсказуемом будущем должны были слиться в одну чёрную дыру ещё большей массы. Напомню, что чёрная дыра – гигантская звезда, поглотившая множество других звёзд. Сила тяжести на ней столь чудовищно велика, что даже свет этой звезды не в состоянии её преодолеть. Наблюдателю со стороны она представляется чёрным пятном. Две чёрные дыры, обратившие на себя внимание астрономов из LIGO, сближались по спиральной траектории.  Масса одной в 36 раз больше массы нашего солнца, масса другой  превосходит массу солнца в 29 раз.
    Согласно уравнениям Эйнштейна, при спиральном сближении двух таких гигантов излучаются гравитационные воны определённого вида и частоты. Именно такие волны удалось выявить в очищенном от шума сигнале принятом LIGO. Частота зарегистрированных волн от 35 до 250 Герц, то есть от 35 до 250 колебаний в секунду. Одновременно получено убедительное подтверждение общей теории относительности Эйнштейна.
    Таким образом, замечательный результат удалось получить не дальнейшим увеличением чувствительности регистрирующего прибора. Напротив, стало ясно, что это направление работ себя исчерпало. Поразительный по красоте и значимости результат получен обработкой полученной информации (data processing) методами распознавания образов  (pattern recognition).


Вдогонку приведенному выше тексту.

 У его читателей возникли вопросы. Отвечая,  внёс кое-какие уточнения. Во-первых, в создании прибора LIGO принимали участие работники двух университетов. Наряду с калифорнийским КАЛТЕХом, в разработке участвовал бостонский MIT. Во-вторых, установка LIGO состоит из двух частей. По идее создателей, они должны быть максимально удалены одна от другой. Статистическая обработка проводится путём наложения двух сигналов, поступивших на две удалённые части прибора. Одна часть находится на северо-западе в штате Вашингтон, другая - на юго-востоке страны, в штате Луизиана. Размер каждой части - несколько километров. Для однозначных выводов о характере принимаемых сигналов не требуется слишком много времени. Достаточно нескольких минут, а на самом деле и того меньше. При частоте колебаний в 35 Герц за это время накапливается достаточно много данных. Другое дело - теоретическая обработка данных. Здесь вступают в силу требования статистической надёжности полученных результатов. Поэтому наблюдение повторяли много тысяч раз. Фактически первые сигналы были получены в сентябре 2015 года. В течение последующих четырёх месяцев наблюдение многократно повторили и провели очистку сигналов от различных шумов. Источник гравитационных волн находится чертовски далеко - 410 тысяч парсеков. Это рассояние можно выразить и в привычных нам километрах. Получится число с 14 нулями - нечто невообразимое. Почему именно от этих двух чёрных дыр пришли гравитационные волны. Дело в том, что именно там и именно тогда возникли условия для излучения довольно мощных гравитационных волн - слияние двух чёрных дыр в одну. События такого рода довольно редки в доступной наблюдению части космоса. Можно сказать, большая удача, что нашлось такое место, где возникли условия для появления мощных гравитационных волн. Когда и где повторятся подобные условия, никто не знает и не может предсказать

 В. Полингер ©, 20 февраля 2016 г.