Журнал «Вокруг Света» №02 за 2007 год

Журнал Вокруг Света

Рывок в космос

Детекторы LIGO и VIRGO относятся к числу наиболее сложных и дорогих физических приборов на Земле. Но ученые не собираются останавливаться на достигнутом. Чтобы не «зарывать деньги в землю», можно запускать их в космос. Как остроумно заметил астрофизик Богдан Пачинский из Принстонского университета, «там доллары весят меньше».

Самый претенциозный астрокосмический эксперимент ближайшего будущего связан именно с регистрацией гравитационных волн. Речь идет о проекте LISA, который будет включать созвездие из трех спутников, разнесенных на расстояние около 5 миллионов километров друг от друга. Образуя равносторонний треугольник, они будут двигаться вокруг Солнца вслед за Землей, отставая от нее примерно на 20 градусов (около 50 миллионов километров). На каждом спутнике будет по два лазера и по два 30-сантиметровых телескопа для слежения за партнерами.

LISA

сможет регистрировать недоступные для наземных установок низкочастотные гравитационные волны: от 1 Гц до стотысячной доли герца — это меньше одного колебания в сутки. На таких частотах излучают, например, сливающиеся сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик. LISA будет «слышать», как такие черные дыры «заглатывают» нейтронные звезды, белые карлики и «обычные» черные дыры (звездного происхождения). Также могут быть получены важнейшие данные по космологическим гравитационным волнам. И наконец, данные LISA станут дополнительной проверкой общей теории относительности (ОТО): они могут наложить дополнительные ограничения на альтернативные теории гравитации или, кто знает, показать, что ОТО нуждается в уточнении.

Запуск LISA состоится не ранее 2013 года. Но еще до того некоторые технологии пройдут обкатку на спутнике LISA Pathfinder. Кроме того, разрабатывается проект BBO (Big Bang Observer), который будет включать в себя четыре созвездия спутников, разбросанных вдоль земной орбиты вокруг Солнца. Каждое созвездие будет напоминать LISA, но с расстоянием между аппаратами около 50 000 километров. Главная цель BBO — зарегистрировать космологические гравитационные волны, а попутно он сможет обнаружить гравитационное излучение всех двойных нейтронных звезд во Вселенной. Запуск BBO возможен в 20182025 годах.

Голландский сферический детектор гравитационных волн miniGRAIL

Будущее — на Земле

Впрочем, надежды гравитационно-волновой астрономии не связаны исключительно с космосом. В Голландии строится сферический детектор miniGRAIL — металлическая сфера диаметром 65 сантиметров, охлаждаемая до температуры в тысячные доли градуса Кельвина. Такая же установка появится в Сан-Паулу ( Бразилия ). Если все пойдет хорошо, то будет построен большой GRAIL с 3-метровой медной сферой массой 110 тонн. Еще один крупный сферический детектор проектируется в Италии. На высоких частотах (23 кГц) такие детекторы могут превзойти по чувствительности самые совершенные лазерные установки LIGO-II и VIRGO.

В Японии разрабатывается проект криогенного лазерного детектора LCGT (Large Cryogenic Gravitational wave Telescope). Он войдет в строй еще не скоро, но прежде должен появиться его стометровый прототип CLIO (Cryogenic Laser Interferometer Observatory). В Европе также обсуждается проект криогенного интерферометра EURO с массивными сапфировыми зеркалами, расположенными для изоляции от шумов глубоко под землей. Специальная система настройки обеспечит ему повышенную чувствительность при поиске сигналов с заранее известной частотой излучения.

Гравитационный детектор для бедных

Вселенная порой предоставляет ученым инструменты, недоступные им в лабораториях. Иногда на Землю прилетают частицы с фантастическими энергиями — на десять порядков выше, чем достигается на лучших синхрофазотронах. Вселенная — это «ускоритель для бедных». Гравитационные линзы фокусируют свет самых далеких галактик, позволяя нам их увидеть. Вселенная — это «телескоп для бедных». А нет ли у Вселенной детектора гравитационных волн «для бедных»? Оказывается, есть! В наших галактических окрестностях летает около тысячи прекрасных, очень точных часов. Речь идет о нейтронных звездах — радиопульсарах. Эти компактные маховики звездной массы, делают кто один, а кто несколько сотен оборотов в секунду. Стабильность скорости их вращения очень высока и сравнима с точностью хода современных атомных часов. Если радиопульсар и Земля подвергаются воздействию гравитационной волны, расстояние между ними попеременно увеличивается и уменьшается с характерным для нее периодом. Приход импульсов от источника на Землю становится неравномерным, это можно зафиксировать и тем самым «поймать» гравитационную волну. Правда, такой детектор будет предельно низкочастотным, он сможет регистрировать волны с периодами от доли года до тысяч лет. Самым мощным источником гравитационных волн с такими периодами являются двойные системы, состоящие

из сверхмассивных черных дыр, подобных той, что находится в центре нашей Галактики. При столкновении и слиянии галактик их центральные черные дыры быстро оказываются в ядре слившейся системы, образуют пару и начинают постепенно сближаться, расходуя энергию на гравитационное излучение. Если сейчас во Вселенной есть хотя бы одна-две такие «парочки», этого будет достаточно для регистрации гравволн по пульсарам. Правда, наблюдать для этого придется достаточно долго. Если же нам повезет и одна из таких систем окажется близкой к слиянию черных дыр, ее сигнал будет мощнее, а период — короче, и для регистрации излучения потребуется всего несколько лет наблюдений. Другой тип излучения, которое может обнаружить такой детектор «для бедных», — это космологический фон реликтовых гравитационных волн. Чувствительность метода можно заметно повысить, если следить сразу за несколькими пульсарами и отмечать, как варьируются их частоты друг относительно друга. В Австралии уже начаты систематические наблюдения за 40 особо стабильными пульсарами с целью обнаружения гравитационных волн. Так что у рукотворных антенн появляется серьезный конкурент, и неизвестно, кто сумеет первым обнаружить гравитационные волны.

Перекрестный контроль

Охотясь на гравитационные волны, мы ищем очень слабый сигнал на фоне шумов, вызванных тепловыми движениями, звуковыми и сейсмическими колебаниями. Поэтому в дело идет любая дополнительная информация, которая помогает выявить искомый сигнал.

Наша уверенность в детектировании существенно возрастет, если сигнал одновременно будет замечен несколькими независимыми детекторами. Кроме того, это позволит определить положение его источника на небе. Уже был проведен совместный анализ работы LIGO и GEO 600, а также LIGO, TAMA и ALLEGRO. Группы, работающие с резонансными приборами, подписали специальное соглашение об обмене информацией и ее стандартизации для проверки достоверности сигнала. Данные гравитационных детекторов сверяют также с наблюдениями нейтринных и гамма-телескопов, поскольку импульсы гравитационных волн могут быть связаны с космическими гамма-всплесками и вспышками близких сверхновых.

Для некоторых процессов, таких как слияние черных дыр, теория позволяет определить форму импульсов гравитационного излучения. Выделить известный сигнал на фоне шумов гораздо легче, подобно тому, как в шумном месте по телефону проще разобрать знакомое имя, чем фразу на иностранном языке. Предсказать вид ожидаемого сигнала ученые пытаются методом численного моделирования на суперкомпьютерах. Расчет гравитационных волн, испускаемых при слиянии нейтронных звезд и черных дыр, оказался чрезвычайно трудоемкой вычислительной задачей, но с учетом огромной стоимости самих детекторов затраты на такое моделирование становятся оправданными.

Происхождение гравитационных волн

Космологические гравитационные волны испускаются в эпоху ранней Вселенной хаотически движущимися неоднородностями вещества. Это единственный вид излучения, способный донести до нас информацию о первых секундах существования Вселенной.

«Нобелевка» 2015 года

Гравитационные сигналы из космоса, как было сказано выше, пока не зарегистрированы. Но это не значит, что наблюдения ведутся безрезультатно. Полученные данные позволяют установить верхние пределы на характеристики возможных источников гравитационных волн. Существующие детекторы уже вплотную подошли к интересной для астрофизиков области параметров. Даже без увеличения чувствительности, просто набирая данные на действующих установках, можно будет скоро получать важные ограничения на параметры пульсаров. А с вводом в строй LIGO-II, возможно, придет время и для прямой регистрации гравитационного излучения.

Каков же все-таки смысл в поиске гравитационных волн, для чего их можно «использовать»? Приведет ли их открытие к каким-то значимым социальным изменениям, к чему-то сравнимому с атомной энергией или полупроводниками, которые перевернули наш мир? Предсказывать технологии и приложения намного труднее, чем развитие фундаментального научного знания. Возьмем ту же квантовую механику — какая от нее польза? Нобелевский лауреат по физике Дэвид Гросс как-то заметил в беседе с корреспондентом «Вокруг света», что «если бы кто-то спросил у Гейзенберга, какая польза от квантовой механики, я сомневаюсь, что он сказал бы вам о транзисторе или лазере. Но они появились. Очень трудно предсказать приложения фундаментальной физики».