11 февраля 2016 года навсегда войдёт в историю. В этот день состоялось одно из величайших научных открытий последнего времени — открытие гравитационных волн, предсказанных почти сто лет назад общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Рябь в ткани пространства-времени, которая искажает пространство и время вокруг себя, дошла до Земли и впервые была напрямую зарегистрирована.
«Мы открываем новую эру — эру гравитационно-волновой астрономии. Это можно сравнить с появлением телескопа или радиоастрономии. У нас появился новый инструмент для исследования Вселенной», — считает один из участников проекта LIGO, руководитель группы «Когерентная микрооптика и радиофотоника» Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Городецкий.
Международный проект LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, был запущен в 1992 году, сейчас в нём участвуют учёные из 15 стран. С самого начала в экспериментах участвовали российские физики, в том числе научные группы под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова.
Сегодня Валерий Митрофанов и другие видные российские физики приняли участие в пресс-конференции, на которой подробно рассказали об открытии. Ниже — видеозапись пресс-конференции. Профессор Митрофанов выступает первым, сначала он комментирует в прямом эфире трансляцию из Вашингтона. Там официально объявили сенсационную новость, слухи о которой ходили уже несколько недель.
Затем Валерий Митрофанов сам объяснил вкратце техническую сторону, как проходил эксперимент:
«Сигнал ловили от двух чёрных дыр, которые расположены от нас на расстоянии примерно в 1,3 миллиарда световых лет. Дыры вращались вокруг друг друга и в конце концов слились в одну. Об этом гравитационные волны просигнализировали всплеском, который и зафиксировали детекторы. Важно подчеркнуть, что это прямая регистрация волн, а не косвенная. За косвенную в 1993 году была присуждена Нобелевская премия. Детекторы поймали сигнал в 10 минус 19 степени метра. Это сегодня предельная точность измерения, которую до сих пор удалось достичь на Земле.
Что касается вклада российских учёных, то это, прежде всего, создание систем, которые позволяют выделить такой слабый сигнал на фоне шума. Задача, прямо скажем, сложнейшая».
Чёрные дыры имели массу примерно по 30 масс Солнца каждая и вращались друг вокруг друга с частотой 150 Гц. Масса после слияния оказалась на три солнечные массы меньше, чем сумма масс до слияния: оставшаяся энергия была испущена в форме гравитационных волн.
Дойдя до Земли, гравитационные волны начали искажать наше пространство-время. Соответственно, начало периодически изменяться расстояние между элементами антенн обсерватории LIGO, что зарегистрировали детекторы лазерных лучей.
Гравитационные волны были зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 13:51 по московскому времени.
«Это предельное достижение человеческой цивилизации, — заявил профессор МГУ Сергей Вятчанин. — LIGO почти достиг квантового предела измерений. Удалось зарегистрировать смещение двух макроскопических объектов массой в несколько килограммов и разнесенных на несколько километров с точностью, предрекаемой квантовой неопределённостью Гейзенберга».
«Сейчас у нас всего два детектора, но даже с ними мы сможем определить массы объектов, а по времени задержки — оценить их примерное положение на небе, — сказал один из авторов открытия, научный директор Российского квантового центра, профессор МГУ Михаил Городецкий. — Для двух антенн локализация получается не очень хорошая — некоторая дуга на небе, но, когда полностью заработает третья Европейская гравитационная антенна, методом триангуляции мы сможем определять положение источников достаточно точно».
Г-образная антенна и обсерватория LIGO в штате Луизиана
Кстати, именно российские физики предложили подвешивать зеркала на кварцевых нитях вместо стальных (лазерные лучи отражались от зеркал в каждом четырёхкилометровом плече Г-образного интерферометра), что снизило посторонние шумы в системе. Без этого открытие вряд ли бы состоялось.
Видеозапись пресс-конференции
Научные коллаборации LIGO и Virgo объявили о четырех новых регистрациях гравитационных волн. Обсерватории также выпустили первый каталог событий, в которых были зарегистрированы гравитационные волны
1 декабря 2018 года участники проходившей в США конференции по гравитационно-волновой физике и астрономии представили новые результаты по регистрации гравитационных волн от столкновения и слияния космических объектов. К настоящему времени два детектора коллаборации LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) и европейский детектор гравитационных волн Virgo достоверно обнаружили гравитационные волны от 10 событий, вызванных слиянием черных дыр и от одного, вызванного слиянием нейтронных звезд. О шести событиях, вызванных слияниями двойных черных дыр, сообщалось ранее, а о четырех новых регистрациях гравитационных волн от таких источников объявлено впервые. В проекте участвуют более 1200 ученых из 100 институтов различных стран, объединившись в Научную коллаборацию LIGO (LIGO Scientific Collaboration). Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова и группой Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород). Результаты новых исследований опубликованы 3 декабря в двух научных публикациях в arXiv (https://arxiv.org/abs/1811.12940 и https://arxiv.org/abs/1811.12907), а каталог всех зарегистрированных гравитационно-волновых событий доступен на сайте LIGO DCC.
Во время первого цикла наблюдений, длившегося с 12 сентября 2015 года по 19 января 2016 года, непосредственно после модернизации детекторов, ученые LIGO обнаружили гравитационные волны от трех слияний двойных черных дыр. Во втором наблюдательном цикле, с 30 ноября 2016 года по 25 августа 2017 года, было обнаружено одно слияние двойных нейтронных звезд и еще семь слияний двойных черных дыр, включая четыре новые регистрации гравитационных волн, обозначенные как GW170729, GW170809, GW170818 и GW170823 на основе дат, когда они были обнаружены.
Все зарегистрированные события собраны в единый каталог, о котором также было сообщено на конференции. При этом прозвучали новые рекордные значения параметров сливающихся объектов. Так, например, новое событие GW170729, обнаруженное во втором наблюдательном цикле, было вызвано гравитационными волнами от самого массивного и отдаленного источника из когда-либо наблюдавшихся. В этом слиянии, которое произошло примерно 5 миллиардов лет тому назад, энергия, эквивалентная почти пяти солнечным массам, была преобразована в гравитационное излучение.
Событие GW170814 было первым слиянием двух черных дыр, зарегистрированным сетью из трех детекторов. Оно позволило провести первые исследования поляризации гравитационных волн (аналогичные поляризации света). Три дня спустя было обнаружено событие GW170817, в котором впервые наблюдались гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд. Более того, это столкновение наблюдалось как в гравитационных волнах, так и в оптическом диапазоне, что ознаменовало собой новую главу в многоканальной астрономии, в которой космические объекты наблюдаются одновременно в разных формах излучения.
Положение источника одного из новых событий GW170818, зарегистрированного детекторами LIGO и Virgo, было определено на небе с наивысшей точностью. Положение двух слившихся черных дыр, расположенных на расстоянии 2,5 миллиарда световых лет от Земли, было идентифицировано на небе с точностью 39 квадратных градусов. Это делает его вторым по точности локализации источником гравитационных волн, следующим за GW170817, когда были зарегистрированы волны от слияния нейтронных звезд.
«За 14 месяцев наблюдений детекторы LIGO и Virgo 11 раз зарегистрировали гравитационные волны от космических источников. Гравитационно-волновая астрономия стала реальностью. Сейчас исследования ученых Московского университета, участвующих в коллаборации LIGO, сфокусированы на повышении чувствительности детекторов для того, чтобы значительно увеличить частоту регистрации гравитационных волн», — отметил профессор физического факультета МГУ Валерий Митрофанов.
«В начале следующего года начнется очередной, третий, цикл научных наблюдений детекторов LIGO и Virgo. Предполагается, что в этом цикле в них для повышения чувствительности будет использован квантовый «сжатый свет”. Это будет первое использование в гравитационно-волновых детекторах квантовых технологий, разработкой которых, в частности, занимается группа Московского университета», — прокомментировал профессор физического факультета МГУ Фарит Халили.
«Да здравствует гравитационно-волновая астрономия! Она родилась всего-то 3 года назад при сенсационной регистрации первых экзотических событий, вполне встала на ноги и «поставляет” все новые и новые интереснейшие данные, без которых уже невозможно представить развитие астрономии и космологии», — добавил заведующий кафедрой физики колебаний физического факультета МГУ Сергей Вятчанин.
Детекторы LIGO построены и эксплуатируются Калифорнийским и Массачусетским технологическими институтами. Партнером LIGO является коллаборация Virgo, в которой работают более 300 европейских ученых и инженеров из 28 исследовательских групп. Исследования российских ученых поддерживаются Российским фондом фундаментальных исследований и Российским научным фондом.
Учёные МГУ в коллаборации LIGO и Virgo впервые зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд. Это первое космическое событие, наблюдаемое как в гравитационных, так и в электромагнитных волнах. Результаты регистрации гравитационных волн детекторами LIGO-Virgo опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Спустя 2 недели после присуждения Нобелевской премий по физике за открытие гравитационных волн троим исследователям из США, коллаборации LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, США) и Virgo (аналогичная обсерватория в Италии) объявляют о новом открытии. Учёные впервые зафиксировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд, причём это явление наблюдали не только на лазерных интерферометрах, регистрирующих гравитационные волны, но и с помощью космических обсерваторий (Интеграл, Fermi) и наземных телескопов, регистрирующих электромагнитное излучение. В сумме это явление наблюдали около 70 наземных и космических обсерваторий по всему миру, в числе которых и сеть роботов-телескопов МАСТЕР (МГУ имени М.В.Ломоносова).
Группу из МГУ имени М.В.Ломоносова возглавляет профессор физического факультета МГУ, доктор физико-математических наук Валерий Митрофанов, под руководством которого ведут работу профессора Сергей Вятчанин и Фарит Халили, доцент Сергей Стрыгин и другие учёные.
«Первая прямая регистрация гравитационных волн от сталкивающихся черных дыр обсерваторией LIGO состоялась около двух лет тому назад. Было открыто новое окно во Вселенную. Уже сегодня мы видим, какие беспрецедентные возможности создает для исследователей этот новый канал получения информации в сочетании с традиционной астрономией» — отметил Валерий Митрофанов.
17 августа 2017 года оба детектора LIGO зарегистрировали гравитационный сигнал, названный GW170817. Информация, предоставленная третьим детектором Virgo, позволила значительно улучшить локализацию космического события. Почти в то же время (примерно через две секунды после гравитационных волн) Космический гамма-телескоп НАСА «Ферми» и Международная орбитальная обсерватория гамма-лучей (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory/INTEGRAL) обнаружили всплески гамма-лучей. В последующие дни было зарегистрировано электромагнитное излучение и в других диапазонах, включая рентгеновские, ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные и радиоволны.
Каждая обсерватория состоит из двух туннелей: длиной 4 км (LIGO) и 3 км (Virgo), расположенных в виде буквы Г. В них находятся трубы, внутри которых поддерживается высокий вакуум. Излучение лазера накачки разделяется светоделителем на два взаимно перпендикулярных луча, которые распространяются в трубах, отражаются от зеркал интерферометра, возвращаются, снова отражаются, и так много раз. При прохождении гравитационной волны изменяется расстояние между зеркалами, что приводит к изменению выходного сигнала интерферометра.
В целом детектор — чрезвычайно сложное устройство, в котором использованы уникальные компоненты, созданные специально для него в различных лабораториях мира. Настройку положения зеркал и других оптических элементов обеспечивают более 5000 следящих систем, а для обработки поступающей информации (порядка 1 терабайта в сутки) задействованы многопроцессорные кластеры.
Сигналы детекторов LIGO показали, что зарегистрированные гравитационные волны излучались двумя астрофизическими объектами, вращающимися друг относительно друга и расположенными на относительно близком расстоянии — около 130 миллионов световых лет от Земли. Оказалось, что объекты были менее массивными, чем ранее обнаруженные LIGO и Virgo двойные черные дыры. Согласно вычислениям, их массы находились в диапазоне от 1,1 до 1,6 массы Солнца, что попадает в область масс нейтронных звёзд, самых маленьких и самых плотных среди звёзд. Их типичный радиус составляет всего 10-20 километров.
Если сигнал от сливающихся двойных черных дыр обычно находился в диапазоне чувствительности детекторов LIGO в течение долей секунды, то сигнал, зарегистрированный 17 августа, длился около 100 секунд. Спустя примерно две секунды после слияния звёзд произошла вспышка гамма-излучения, которая была зарегистрирована космическими гамма-телескопами. Быстрое обнаружение гравитационных волн командой LIGO-Virgo в сочетании с обнаружением гамма-излучения позволило запустить наблюдение оптическими и радиотелескопами по всему миру.
Получив координаты, обсерватории уже через несколько часов смогли начать поиск в области неба, где предположительно произошло событие. Новая светлая точка, напоминающая новую звезду, была обнаружена оптическими телескопами. В конечном итоге около 70 обсерваторий на Земле и в космосе наблюдали это событие в различных диапазонах длин волн. В последующие дни после столкновения было зарегистрировано электромагнитное излучение в рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом, инфракрасном и радиоволновом диапазонах.
«Сочетание одновременного детектирования гравитационных и электромагнитных волн при помощи гравитационно-волновых детекторов и традиционных телескопов позволяет в будущем исследовать удивительный и манящий мир нашей Вселенной», — прокомментировал Сергей Стрыгин.
«Впервые, в отличие от «одиноких» слияний черных дыр, зарегистрировано «компанейское» событие не только гравитационными детекторами, но еще и оптическими и нейтринными телескопами. Это первый такой хоровод наблюдений вокруг одного события», — рассказал Сергей Вятчанин.
Теоретики предсказывают, что при столкновении нейтронных звезд должны излучаться гравитационные волны и гамма-лучи, а также извергаться мощные струи вещества, сопровождающиеся излучением электромагнитных волн в широком частотном диапазоне.
Обнаруженный гамма-всплеск является так называемым коротким гамма-всплеском. Ранее учёные лишь предсказывали, что короткие гамма-всплески генерируются при слиянии нейтронных звезд, а теперь это подтверждено наблюдениями. Но несмотря на то, что источник обнаруженного короткого гамма-всплеска был одним из самых близких к Земле, видимых до сих пор, сам всплеск был неожиданно слаб для такого расстояния. Теперь ученым предстоит найти объяснение этому факту.
В момент столкновения основная часть двух нейтронных звезд слилась в один ультраплотный объект, испускающий гамма-лучи. Первые измерения гамма-излучения в сочетании с детектированием гравитационных волн подтверждают предсказание общей теории относительности Эйнштейна, а именно, что гравитационные волны распространяются со скоростью света.
«Во всех предыдущих случаях источником гравитационных волн были сливающиеся черные дыры. Как это ни парадоксально, черные дыры — это очень простые объекты, состоящие исключительно из искривленного пространства и поэтому полностью описывающиеся хорошо известными законами общей теории относительности. В то же время, структура нейтронных звезд и, в частности, уравнение состояния нейтронной материи до сих пор точно неизвестны. Поэтому изучение сигналов от сливающихся нейтронных звезд позволит получить огромное количество новой информации также и о свойствах сверхплотной материи в экстремальных условиях», — рассказал Фарит Халили.
Теоретики предсказали, что в результате слияния образуется «килоновая». Это явление, при котором оставшийся от столкновения нейтронных звезд материал ярко светится и выбрасывается из области столкновения далеко в космос. При этом возникают процессы, в результате которых создаются тяжелые элементы, такие как свинец и золото. Наблюдение после свечения слияния нейтронных звезд позволяют получать дополнительную информацию о различных стадиях этого слияния, о взаимодействии образовавшегося объекта с окружающей средой и о процессах, которые производят самые тяжелые элементы во Вселенной.
«В процессе слияния зафиксировано образование тяжелых элементов. Поэтому можно говорить даже о галактической фабрике по производству тяжелых элементов, в том числе золота — ведь именно этот металл больше всего интересует землян. Ученые начинают предлагать модели, которые объяснили бы наблюдаемые параметры этого слияния», — отметил Вятчанин.
СПРАВКА:
Обсерватория LIGO финансируется Национальным научным фондом США. Она построена и эксплуатируется Калифорнийским и Массачусетским технологическими институтами. Финансовая поддержка проекта Advanced LIGO осуществляется Национальным научным фондом США вместе с Обществом Макса Планка Германии, Советом по науке и технологии Великобритании и Австралийским советом по исследованиям, которые вносят значительный вклад в проект.
Более 1200 ученых из 100 институтов различных стран участвуют в проекте, объединившись в Научную коллаборацию LIGO — LSC (LIGO Scientific Collaboration), которая включает в себя коллаборации GEO и OzGrav (http://ligo.org/partners.php). Партнером LIGO является коллаборация Virgo, в которой работают 280 европейских ученых и инженеров из 20 исследовательских групп, которых поддерживают Национальные центры научных исследований Франции, Италии, Нидерландов, а также ряд институтов из Венгрии, Польши, Испании, входящие в Virgo и Европейскую гравитационную обсерваторию. Детектор Virgo находится недалеко от Пизы (Италия).
В исследованиях LIGO Scientific Collaboration принимают участие два научных коллектива из России: группа физического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова и группа Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород). Исследования поддерживаются Российским фондом фундаментальных исследований и Российским научным фондом.
Ученые МГУ имени М.В.Ломоносова участвуют в проекте с 1992 года. Её создал и вплоть до последнего времени возглавлял член-корреспондент РАН Владимир Борисович Брагинский — всемирно известный ученый, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире. С самого начала основные усилия были направлены на повышение чувствительности гравитационно-волновых детекторов, определение фундаментальных квантовых и термодинамических ограничений чувствительности, на разработку новых методов измерений. Теоретические и экспериментальные исследования российских ученых нашли свое воплощение при создании детекторов, позволивших непосредственно регистрировать гравитационные волны от космических источников.
Орбитальная обсерватория гамма-лучей «Интеграл» — проект Европейского космического агентства с участием России и НАСА. «Интеграл» был выведен в космос ровно 15 лет назад (17 октября 2002 г.) с космодрома Байконур с помощью ракеты-носителя «Протон». В обмен на запуск российские ученые получили право на 25% наблюдательного времени обсерватории и с её помощью получили целый ряд важнейших научных открытий и результатов. Научный руководитель проекта «Интеграл» со стороны России — выпускник МГУ, главный научный сотрудник ИКИ РАН академик Рашид Сюняев.
В.Д. Захаров. Гравитационные волны в теории тяготения Эйнштейна. (djvu, 2.3 Mб) Книга представляет собой обзор исследований по проблеме гравитационных волн в общей теории относительности. Центральное место в ней занимает изложение математически строгих подходов к проблеме, прежде всего определений и критериев, выделяющих волновые поля тяготения из всех гравитационных полей, даваемых решениями уравнений Эйнштейна. Вводная глава 1 содержит обзор приближенных методов описания гравитационных волн. Необходимый для постановки вопроса о строгих (общековариантных) волновых критериях математический аппарат — проблема Коши для уравнений тяготения и классификация полей тяготения Петрова — излагается в главах 2 и 3. В главах 4—8 описываются известные общековариантные критерии гравитационных волн Пирани, Беля, Лихнеровича, Зельманова и др. По содержанию к ним примыкает глава 12, посвященная хронометрически инвариантному анализу гравитационно-инерциальных волн. В главе 9 рассмотрена теория распространения гравитационных волн и дается их классификация по характеру волнового фронта (плоские и сферические волны). В главе 10 рассматривается специальный случай пространств с плоскими гравитационными волнами, именно пространств, допускающих абсолютно параллельное векторное поле. В главе 11 излагаются исследования асимптотического поведения волновых гравитационных полей, порождаемых островными распределениями источников, а заключительная глава 13 представляет собой краткий обзор вопроса экспериментального детектирования гравитационных волн и основных результатов, достигнутых экспериментом в настоящее время.