 |
Лауреаты
Нобелевской премии по физике 2017 года
(слева-направо)
Райнер
Вайсс, Барри Бариш
и Кип Торн
Penn
State/Flickr/Reuters
|
Последнее окно
во Вселенную:
за что вручили
Нобелевскую премию по физике 2017 года, какое
отношение к ней имеют фильм «Интерстеллар» и ждать ли
новых премий за гравитационные волны
Нобелевская премия по физике 2017 года стала самой предсказуемой из пяти
«Нобелевок» этого года. Точно так же, как в 2013 году все знали, что
премию дадут Питеру Хиггсу «и кому-то еще» после открытия бозона Хиггса,
обнаруженного в 2011 году (а нобелевский цикл может занять до полутора
лет от награждения до номинации). В этом году все однозначно ждали
премии «Кипу Торну и кому-то еще» за обнаружение гравитационных волн.
Нобелевский комитет не подкачал: премия по физике вручена «за решающий
вклад в создание детектора LIGO* и наблюдение гравитационных волн**».
______________________
* LIGO — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, основной задачей которой является экспериментальное обнаружение гравитационных волн космического происхождения.
Международное научное сообщество LIGO представляет собой растущую с
каждым годом группу исследователей: около 40 научно-исследовательских
институтов и 600 отдельных ученых работают над анализом данных,
поступающих с LIGO и других обсерваторий.
В августе 2002 года обсерватория LIGO начала наблюдение
гравитационных волн, обнаружить которые удалось 14 сентября 2015 года.
Зафиксированный сигнал исходил от слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечных на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли, при этом три солнечных массы ушли на излучение.
** Гравитационные волны — это колебания пространства-времени, которые
удаляются от массивных объектов, движущихся с ускорением. Чем выше
ускорение и масса объекта, тем больше колебания.
Впервые о гравитационных волнах заговорил выдающихся физик Альберт
Эйнштейн, который столетие назад предсказал их существование в рамках
общей теории относительности (ОТО). Таким образом, если ОТО верна и
гравитационные волны действительно существуют, то наиболее сильными и
достаточно частыми их источниками являются катастрофы, связанные с
коллапсами массивных двойных систем в ближайших галактиках, например
столкновения черных дыр или нейтронных звезд. При вращении вокруг общего
центра масс такая система теряет энергию за счет излучения
гравитационных волн. В результате объекты сближаются, а период их
обращения уменьшается. Однако на заключительном этапе происходит
столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс
длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение — рябь
пространства-времени — уходит энергия, составляющая, по некоторым
оценкам, более 50% от массы системы.
Требовалось экспериментальное подтверждение присутствия
гравитационных волн, что в течение долгого времени представляло сложную
задачу для науки. Колебания не удавалось зарегистрировать, так как их
величина слишком мала из-за слабости гравитационных сил по сравнению с
другими фундаментальными взаимодействиями. Для фиксации волн в 1992 году
в США была создана лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая
обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory),
которая начала активные наблюдения спустя 10 лет. В 2016 году из
обсерватории поступили официальные сведения о том, что гравитационные
волны зарегистрированы, то есть их существование доказано.
______________________________
Однако премия будет разделена не поровну: половину ее (4,5 миллиона
шведских крон) получит Райнер Вайсс, а оставшуюся половину разделят (по
2,25 млн) Барри Бариш и знаменитый не только теоретическими работами, но
и своей популяризаторской деятельностью (фильм «Интерстеллар»
смотрели?) Кип Торн.
Райнер Вайсс родился в 1932 году в Берлине. В 1962 году он получил
степень Массачусетского технологического института, где он и работает до
сих пор. Барри Бариш родился в американском городе Омаха в 1936-м. В
1962 году он защитил диссертацию в Калифорнийском университете в Беркли,
сейчас работает в Калифорнийском технологическом институте (Калтех).
Кип Торн родился в 1940 году в американском городе Логан. В 1965 получил
степень PhD Принстонского университета, сейчас также работает в
Калтехе.
 |
Слева
направо: Райнер Вайсс, Барри Бариш и Кип Торн
LIGO
Lab/Caltech
|
Что такое LIGO?
Итак, что же такое гравитационные волны и LIGO? Если говорить просто,
то гравитационные волны предсказываются Общей теорией относительности
Эйнштейна, в которой гравитация рассматривается как искривление
пространства-времени, а гравитационные волны — бегущая по этому
пространству со скоростью света «рябь». В этом контексте гравитационные
волны испускаются любой массой, движущейся с ускорением, но не любое
ускорение тут подойдет. Как говорят физики, для появления гравитационных
волн важно изменение так называемого квадрупольного момента системы
масс.
В принципе, любой идущий человек или едущий автомобиль с движущимися
внутри него деталями будет испускать гравитационные волны, но очень
слабые. Однако вращающиеся вокруг общего центра масс объекты испускают
уже более мощные волны. Сливающиеся и массивные черные дыры массой в
несколько солнечных – еще более мощные волны, поскольку перед самым
слиянием раскручиваются очень быстро, и заметная часть их массы напрямую
переходит в гравитационные волны.
 |
Гравитационные
волны, которые исходят от сталкивающихся черных дыр
Johan Jarnestad/The Royal Swedish
Academy of Sciences
|
Как же их
возможно «поймать»? Вот как раз с идеей устройства, которое может
зарегистрировать волны от слияния, и выступили Кип Торн и Райнер Вайсс в
середине 1970-х годов. Барри Барриш возглавил созданный интерферометр
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерная
интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) и привел
проект к важнейшему результату: в прошлом феврале было объявлено о
первых событиях, которые зафиксировала обсерватория, — слившихся черных
дырах.
LIGO состоит из двух «обсерваторий», в каждой из которой расположена
L-образная вакуумная лазерная система c длиной каждого плеча 4 км, в
которой расположены интерферометры (до пяти в каждой). Проходящая
гравитационная волна создает возмущения в интерферометрической картине в
вакуумной системе, однако самого по себе возмущения недостаточно. Между
Хэнфордом и Ливингстоном, двумя частями LIGO, 3002 километра, что дает
задержку в 10 миллисекунд при прохождении фронта гравитационной волны со
скоростью света. Во-первых, это позволяет понять, что прошла именно
гравитационная волна, а не случайный шум, который может быть вызван,
например, сейсмикой. Во-вторых, можно «прикинуть» направление и сектор
неба, откуда она пришла. Новый детектор, который заработал в этом году в
Италии, VIRGO, делает эту точность еще больше, поскольку теперь у
астрономов есть трехмерная сеть детекторов.
 |
Схема
работы одного из детекторов LIGO
Johan Jarnestad/The Royal Swedish
Academy of Sciences
|
Но почему это так важно?
Действительно очень здорово и все-таки отчасти удивительно, что LIGO так быстро дали премию, потому что люди, открывшие бозон Хиггса, до сих пор премию не получили, получили только теоретики. Было неочевидно, что комитет решит давать быстро и только LIGO, потому что через год можно было бы разделить ее с VIRGO. Поэтому можно сделать предсказание, что это не последняя премия за гравитационные волны, там еще много интересной физики. Детекторы LIGO уже работают, VIRGO на подходе, так что, наверное, премия будет еще.
Зачем это нужно?
Это открытие важно тем, что это такое последнее "окно во Вселенную",
которое надо было прорубить. Это последний вид излучения от
астрономических объектов, и он несет совершенно уникальную информацию.
На мой взгляд, есть еще минимум одна, а может и две премии, связанных с
гравитационными волнами. Все мы в ожидании того, что в октябре объявят о
первой регистрации событий с участием нейтронных звезд. Первая
регистрация слияния нейтронных звезд позволит так точно, как раньше
невозможно было, измерить их параметры, что важно для понимания их
внутреннего строения, а это важно для ядерной физики. Поэтому
потенциально экспериментальное, астрофизическое решение вопроса об
уравнениях состояний вещества при сверхвысокой плотности — потенциально
нобелевский результат, конечно же. Потому это то, над чем
экспериментаторы и теоретики на ускорителях и с помощью астрономических
наблюдений бьются уже достаточно давно.
 |
Две
обсерватории LIGO
Johan
Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
|
С другой стороны, при улучшении точности — с детекторами следующего
поколения — можно будет узнавать много нового и интересного о черных
дырах, изучать эти объекты. Совсем недавно был большой содержательный
обзор, где люди обсуждали, как можно с помощью гравитационных сигналов
зондировать области вблизи горизонта, как гравитационные волны
отражаются от горизонта и гипотетических поверхностей обсуждаемых
альтернативных объектов, если это не черные дыры, а что-то похожее. Это
все станет возможно в относительно близком будущем, даже существующие
детекторы фактически сейчас начали на несуществовавшем уровне изучать
теорию гравитации, потому что, когда заработал VIRGO, и теперь три
детектора территориально разнесены друг от друга, они сильно по-разному
оказываются ориентированы, потому что Земля круглая, и можно изучать
поляризацию гравитационного излучения, и здесь разные теории гравитации
делают совсем разные предсказания.
И вот здесь произошло открытие*, которое показало, что общая
теория относительности прекрасно объясняет наблюдаемый сигнал, в том
числе и в смысле поляризации, то есть нужно всего две поляризации для
гравитационной войны. Это все можно и нужно изучать точнее, и все это
будет делаться. С одной стороны, это прекрасные установки для изучения
гравитации, с другой, астрономические телескопы для изучения в первую
очередь нейтронных звезд и черных дыр
____________________________
 |
Henze/NASA
|
Совместная работа пары американских гравитационно-волновых антенн LIGO и
европейской VIRGO позволила уловить сигнал от слияния двойной черной
дыры. Это событие, получившее название GW170814, стало четвертым
зарегистрированным событием подобного рода. Подробности об открытии
ученые сообщили в пресс-релизе. Научную статью можно скачать с сайта VIRGO.
Согласно
моделям, произошло слияние двух черных дыр с массами около 31 и 25
солнечных. Расстояние до системы составляет около 1,8 миллиарда световых
лет. В результате слияния получилась черная дыра с массой примерно 53
солнечных, что означает излучение в виде гравитационных волн энергии,
соответствующей трем массам Солнца. Благодаря совместной работе трех
антенн предполагаемая область на небе, откуда пришел сигнал, оказалась
гораздо меньше, чем для трех предыдущих регистраций.
Использование находящихся на большом расстоянии детекторов также
позволяет изучить дополнительные свойства гравитационных волн. В
частности, удалось оценить их поляризацию, которая оказалась в согласии с
предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна.
LIGO и VIRGO — это лазерно-интерферометрические
гравитационно-волновые обсерватории, основной задачей которых является
экспериментальное обнаружение гравитационных волн космического
происхождения. Первые официальные сообщения о регистрации возмущений
метрики пространства-времени были сделаны в феврале 2016 года. С тех пор
было заявлено о трех событиях, все из которых, согласно моделям,
являются слияниями пар черных дыр. Европейский инструмент VIRGO присоединился к активным поискам в этом году после модернизации.
Часть научного сообщества критически относится к сообщениям о регистрации гравитационных волн. В частности, группа физиков заявила
о скоррелированности шума на паре американских установок, что указывает
на неполное очищение сигнала от возможных помех. Коллаборация LIGO
должна выпустить статью с ответом на замечания в ближайшее время.
_____________________
В 2016 году за обнаружение гравитационных волн была присуждена очень престижная премия Грубера по космологии (ее размер составляет полмиллиона долларов). И тоже трем лауреатам, списочный состав которых совпадает с нобелевским на две трети: груберовский комитет отметил Кипа Торна, Райнера Вайсса и Рональда Древера — основателей LIGO. Возможно, нобелевский комитет остановил бы свой выбор именно на этой троице, однако 5 марта 2017 года Древера не стало.