Обращенные к звездам. Прошлое, настоящее и будущее астрономии

Гравитационные волны относятся к той удивительной области физики, где явления существуют просто потому, что на их существовании настаивает математика Вселенной. Знаменитая общая теория относительности Эйнштейна, устанавливающая взаимосвязь между гравитацией, пространством и временем, описывается серией из десяти математических уравнений. В 1916 году Эйнштейн обнаружил, что одним из следствий этих уравнений является существование гравитационных волн. Задача состояла в том, чтобы доказать это (и следовательно, доказать право на существование обширной области физики), поскольку математика хотя и говорит, что гравитационные волны возможны, но при этом утверждает, что они будут мизерными, и Эйнштейн в своем исследовании придерживался именно этой позиции. Катастрофическое столкновение двух черных дыр с общей массой, в шестьдесят раз превышающей массу нашего Солнца, приведет к такому сжатию пространства-времени, которое будет примерно в тысячу раз меньше протона. Сам Эйнштейн считал, что эти волны окажутся слишком малы, чтобы их можно было обнаружить.

В конечном счете решением стал интерферометр — прибор, объединяющий излучение от нескольких источников. Мы уже упоминали его, когда говорили о радиоастрономии — в ней интерферометры используются для объединения данных, полученных с нескольких телескопов, расположенных на четко определенном расстоянии друг от друга. Гравитационно-волновые интерферометры используют тот же принцип — объединение света, прошедшего определенный путь, — чтобы измерить сам этот путь.

Устроен такой интерферометр следующим образом: детектор гравитационных волн состоит из двух длинных прямых рукавов, расположенных под прямым углом друг к другу и подключенных к центральному зданию, в котором находится мощный лазер. К концу каждого рукава прикреплены идеальные зеркала, так называемые «контрольные грузы», которые отражают лучи лазера; вся система контролирует длину каждого рукава с поразительной точностью. Обычно лазерные лучи проходят абсолютно одинаковое расстояние по обоим рукавам, возвращаются в здание в один и тот же момент и нейтрализуют друг друга, так что сигнал не генерируется. Однако гравитационная волна, проходя через нашу планету, на мгновение повлияет на длину обоих рукавов — один сожмется, а другой растянется. При этом между длинами рукавов на короткое время появится незначительное различие, контрольные грузы также изменят положение, отраженные лазерные лучи зафиксируют это изменение, и будет сформирован сигнал. Событие, подобное столкновению двух черных дыр, вызывает всплеск гравитационных волн и характерный сигнал в этих детекторах («чириканье»). Если перевести частоту гравитационной волны в звук, он будет похож на ноту, звучащую меньше секунды с резким повышением тона.

Концепция удивительно проста, но исполнение дьявольски сложное. Проблема заключается в том, что детектор, достаточно чувствительный, чтобы обнаруживать крошечные возмущения, создаваемые гравитационными волнами, будет воспринимать и множество других сигналов. Хороший детектор, несомненно, уловит колебания в пространстве-времени от столкновения черных дыр на расстоянии миллиардов световых лет, — но еще и вибрацию от землетрясений, проезжающих мимо грузовиков и сотен других событий, которые могут влиять на рукава детектора или контрольные грузы. Таким образом, настоящая проблема заключается в том, чтобы заставить систему не реагировать на посторонние сигналы («шум»), которые могут заглушить слабенькое «чириканье», возвещающее о правоте Эйнштейна.

В течение десятилетий три детектора гравитационных волн усердно работали и стали самым точным и чувствительным экспериментом в области астрофизики, который опирается на веру в физику: в то, что гравитационные волны реальны и могут быть обнаружены, нужно лишь усовершенствовать приборы. Два детектора, расположенные в тихих уголках США, вместе составляют Лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию (LIGO); один находится в городке Хэнфорд на востоке штата Вашингтон, другой — в Ливингстоне на юго-востоке Луизианы. Третий детектор, интерферометр Virgo, был построен в Санто-Стефано-а-Мачерата, небольшом селении в Италии к юго-востоку от Пизы, в рамках европейского сотрудничества. Все три детектора начали работу в начале 2000-х годов и благодаря тысячам ученых, инженеров и вспомогательного персонала, постоянно работающих над совершенствованием каждой мельчайшей детали оборудования, стали первыми в мире астрономическими обсерваториями, которые измеряют не световые, а гравитационные волны.