​Тайна глубокого космоса

Астрофизики посчитали это началом новой эры в истории современной космологии, так как открытие таких волн предоставляет не только новые возможности для изучения далекого космоса, но и приближает к разгадке возникновения Вселенной.

Открытие, предсказанное сто лет назад

Еще сто лет назад гениальный физик Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в рамках созданной им общей теории относительности, однако до недавнего времени все попытки обнаружить и зафиксировать эти волны приборами оставались безрезультатными. И вот теперь их удалось поймать.

Это открытие было сделано членами научной коллаборации (то есть научного сообщества) LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory), которая объединяет более тысячи ученых из 15 стран мира. Приятно сообщить, что к этому величайшему открытию оказался причастен и наш соотечественник, выпускник КазНТУ Дархан Туенбаев, который вот уже пять лет в качестве докторанта PhD занимается наукой в США, в University of Texas Rio Grande Valley. В проекте научной коллаборации LIGO Дархан с 2014 года, его работа там заключается в калибровке инструмента – детектора, который обнаруживает гравитационные волны.

Надо сказать, что это открытие было сделано еще в сентябре прошлого года одновременно двумя профильными обсерваториями – в штатах Луизиана и Вашингтон, но сообщить о нем ученые посчитали нужным только в этом году, потому что шла обработка полученного материала.

Как пояснил начальник отдела перспективных астрофизических исследований Астрофизического института им. В. Фесенкова, член-корреспондент НАН РК, доктор физико-математических наук, профессор Леонид Чечин, чтобы обнаружить гравитационные волны, был создан специальный прибор, который называется интерферометром LIGO. Он представляет собой гигантские Г-образные антенны с длиной плеч по четыре километра. Внутри них в условиях высокого вакуума распространяются лазерные лучи, которые отражаются от подвешенных в противоположных концах антенн зеркал. Поскольку гравитационная волна периодически растягивала и сжимала плечи телескопа, лучи, шедшие по разным оптическим путям, фиксировались на выходе с небольшими задержками, что и свидетельствовало о прохождении гравитационной волны.

Но прежде чем поймать такую волну, надо было найти космический объект или источник гравитационных волн, который мог порождать сильную рябь пространства-времени. В качестве такого объекта была использована двойная система черных дыр, массы которых больше массы Солнца более чем в миллион раз.

Проще суть эксперимента можно было бы описать так. Примерно 1,3 миллиарда лет назад, далеко-далеко не только от Земли, но и от нашей Солнечной системы и даже Галактики, сблизились две черные дыры – одна массой в 29 солнц, а другая – в 36. В течение одной двадцатой миллисекунды – неуловимо мало для человека – они слились в одну большую черную дыру, а избыток выделившейся при столкновении энергии заставил пространство-время пойти рябью от места космической катастрофы.

14 сентября 2015 года эта волна дошла до Земли и заставила колебаться разнесенные на четыре километра друг от друга зеркала детекторов – лазерных интерферометров возле американских городов Ливингстон и Хэнфорд. Правда, колебались они почти незаметно – с амплитудой 10 в минус 19 степени метров. Для сравнения: эта величина во столько раз меньше размера атома, во сколько апельсин меньше всей нашей планеты! Зафиксированные излучения оказались в области звуковых частот, и ученые впервые в истории человечества не только смогли уловить эти колебания, но и воспроизвести звук. По сути, это звук того, как сливаются две черные дыры!

Фантастика, ставшая реальностью

По словам американского физика-теоретика Эдварда Виттена, открытие гравитационных волн позволило впервые наблюдать в действии некоторые положения теории Эйнштейна. «Теоретические идеи о «черных дырах», некогда приравнивавшиеся к научной фантастике, теперь стали реальностью», – заявил он. Действительно, еще совсем недавно многие приверженцы эйнштейновской теории считали, что хотя существование черных дыр и допускается общей теорией относительности, но в реальности подобные объекты просто не могут образовываться.

Так что же такое – черная дыра? Понимание это феномена дает специальная теория относительности Эйнштейна. Как известно, мы живём в трехмерном пространстве, которое имеет три измерения – длину, ширину и высоту. И, соответственно, положение любой точки в пространстве задается этими тремя координатами. Но если нам необходимо проанализировать событие, происходящее в этом пространстве, мы должны учесть еще и четвертую координату – момент времени, когда это событие происходило.

Эта идея о четырехмерном пространстве-времени и легла в основу эйнштейновской теории относительности, согласно которой время признавалось равноправной пространству координатой. Более того, ученый выдвинул предположение, что в этом четырехмерном мире в качестве гравитационного носителя выступает само четырехмерное пространство-время, причем оно является не просто фоном для событий, но и обладает определенными физическими параметрами. Пространство-время оказывает воздействие на любую материю, задавая направление движения, а материя, воздействуя на пространство-время, искривляет его. То есть время и материя взаимодействуют непрерывно.

Эйнштейн считал, что чем сильнее поле тяготения и чем ближе время к массе, тем медленней оно течет. И наоборот: чем дальше время от массы, тем оно быстрее. Возникает вопрос – почему же тогда мы не замечаем этого в повседневной жизни? Да потому что в масштабах Вселенной наша планета очень легкая, и ее масса не оказывает заметного влияния на время. Но если сравнить, например, скорость течения времени у поверхности Земли и у поверхности Солнца, то окажется, что ближе к Солнцу часы идут медленнее. Хотя разница составляет всего около десятитысячной доли секунды.

Так вот, черные дыры – это и есть следствие четырехмерного пространства-времени. Сила гравитации в них настолько сильна, что все попадающее в них, обратно не возвращается. Это касается даже света, вот почему черные дыры и получили свое название: тело, поглощающее весь свет, падающий на него, и не испускающее собственного, кажется абсолютно черным. (Хотя относительно недавно был предсказан эффект испарения черных дыр – эффект Хокинга.)

Ученые считают, что существует несколько разновидностей черных дыр. Одни из них образуются, когда умирает старая звезда. То есть пока в ее недрах происходят термоядерные реакции, они поддерживают высокую температуру и давление, препятствуя тем самым сжатию звезды под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься. Но если ее масса превышает примерно 30 масс солнц, то звезда взрывается в сверхновую, внешняя ее оболочка разлетается, а внутренние слои стремительно обрушиваются к центру, образуя черную дыру.

Интересно, что одиночную черную дыру выявить практически очень сложно. Однако если такая дыра входила в состав двойной системы (один из компонентов которой является горячей звездой), то черная дыра будет по-прежнему оказывать гравитационное воздействие на парную ей звезду.

– Общая теория относительности Эйнштейна по-новому освещает основные законы механики Ньютона, а также закон сохранения энергии. Согласно этой теории свойства пространства-времени совсем не похожи на привычные для нас их характеристики – оно искривляется, и кривизна может меняться со временем, – поясняет Леонид Чечин. – Искривление пространства-времени зависит от того, как движутся тела, куда движутся, с какой скоростью. Пример такого искривления можно представить на идеальной сфере. Она хотя и искривлена, но сама поверхность гладкая. Вообразим теперь участок реальной поверхности Земли. Она локально искривлена, хотя и незначительно. Но когда какое-то малое тело, например лыжник в слаломе, спускается с горы, он чувствует все искривления, поэтому время его спуска увеличивается в сравнении со временем движения вдоль гладкой поверхности. Так и в общей теории относительности приближенным решением уравнений Эйнштейна является такое пространство-время, которое представляет собой бегущую рябь на фоне гладкого пространства-времени. То есть все пространство-время как бы немного дышит. Эта рябь и называется гравитационными волнами, открытие которых явилось экспериментальным подтверждением теоретических разработок Альберта Эйнштейна.

Что порождает волну?

Как известно, каждое материальное тело обладает собственным гравитационным полем, или, как его еще называют, полем тяготения. И чем больше масса тела, тем сильнее его поле тяготения. Но дело в том, что не каждое материальное тело может испускать гравитационные волны. Для их появления необходимо, чтобы тела двигались с ускорением, вращаясь при этом вокруг общего центра тяжести, причем тела эти должны быть очень массивными. Такие, например, как нейтронные звезды или черные дыры, поэтому ученые и нацелили детекторы на дальний космос. И оказалось, что те самые впервые пойманные гравитационные волны породили столкновение двух черных дыр общей массой около 60 солнечных, которое произошло на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от нашей солнечной системы. А это значит, что до нас дошел отголосок событий, которые произошли еще до того, как на Земле первая протобактерия выбралась на берег первобытного океана.

Гравитационные волны в космическом пространстве распространяются со скоростью света. Как и электромагнитные, гравитационные волны являются поперечными, то есть распространяются в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой происходит колебание частиц. Но в отличие от световых волн, гравитационные волны не испытывают преломления при встрече с космическими объектами – звездами, планетами, газовыми облаками и тому подобное. Отклонить их с пути, уменьшить их скорость может лишь сверхплотное сверхтяжелое вещество черных дыр. Поэтому все пространство буквально пронизано гравитационными волнами, в том числе реликтового происхождения, которые появились в момент зарождения Вселенной.

Для чего это нужно?

По мнению профессора Чечина, открытие гравитационных волн для науки имеет огромное значение. Достаточно сказать, что тем самым получено еще одно, теперь уже экспериментальное подтверждение общей теории относительности Эйнштейна, что исключительно важно для теоретической физики и современной космологии.

Кроме того, открывается новый канал связи для изучения Вселенной. Известно, что гравитационные волны проходят везде и взаимодействуют с любой материей. Может быть, они смогут пройти и сквозь черные дыры, изменив при этом свое состояние. Зафиксировав такие изменения, можно понять, что же находится внутри черных дыр, которые искривляют вокруг себя пространство и время: время замедляется, а пространство растягивается. На основе этого некоторые романтически настроенные люди стали строить гипотезы о возможностях дальних космических путешествий и даже о… машине времени. Но, как считает Леонид Чечин, серьезно говорить об этом, конечно же, пока не имеет никакого смысла.

В то же время если удастся поставить «ловлю» гравитационных волн, так сказать, на постоянную основу и научиться выделять среди них реликтовые, то, может быть, мы сможем узнать, как зародилась наша Вселенная. И в частности – был ли вообще Большой взрыв?

И что еще очень важно, так это то, что ученым LIGO удалось измерить длину волны гравитона – кванта гравитационного поля – и даже определить его массу, которая до последнего времени считалась равной нулю.

Что же касается участия казахстанских ученых в проектах по изучению гравитационных волн, то, по словам Леонида Чечина, среди 133 научных организаций со всего мира, к сожалению, Казахстана пока нет (Дархан Туенбаев участвовал в исследованиях на правах частного лица). А вот россияне в этом проекте активно поработали, о чем было заявлено одним из основателей проекта LIGO Кипом Торном.

– Насколько я знаю, среди моих коллег нет тех, кто бы занимался экспериментальной частью проблемы гравитационных волн. Конечно, наша наука движется вперед, развивается поступательно. Перспективы у нее хорошие. Подтверждением тому – возросшие показатели по отечественным и зарубежным публикациям, по привлечению молодежи в науку и так далее, – пояснил Леонид Чечин.

Возвращаясь к гравитационным волнам, можно сказать, что их открытие для современной науки значит не меньше, чем открытие нового континента для человечества.