Астрофизик Сергей Попов о гравитационных волнах

Автор: Алла Аршинова

Опубликовано 02 декабря 2010 года

Общая теория относительности – одна из самых проверенных и надежных теорий в современной физике. Почти все предсказания в рамках этой теории были подтверждены экспериментально. Но, как известно, в ней остаётся один не проясненный до конца вопрос: существование гравитационных волн. В том, что они есть, никто из научного мира всерьез не сомневается, потому что наука располагает очень внушительными косвенными свидетельствами.

Обнаружение гравитационных волн может произойти в трех случаях. Во-первых, если ученым повезет, и в нашей галактике произойдет, например, взрыв сверхновой. Тогда уже существующие земные детекторы, вероятно, смогут зафиксировать гравитационную волну, рожденную этим событием. Во-вторых, волны могут быть обнаружены от слияния нейтронных звезд или черных дыр, если будет повышена чувствительность существующих установок. И третий вариант – это успешная работа космических детекторов гравитационных волн, которые пока находятся на этапе проектирования и в космос отправятся еще не скоро.

О том, как работают детекторы гравитационных волн, и когда можно ждать от них результатов, рассказывает кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга Московского государственного университета Сергей Попов.

– Что такое гравитационные волны?

– Начнем с аналогии. Представьте себе электрический заряд. Вокруг есть электрическое поле, но никакой волны нет. Если мы начнем ускорять заряд, поле будет "отрываться" – пойдет электро-магнитная волна. Она уже живет сама по себе. Примерно то же самое происходит с гравитационным полем. Вокруг массивного тела есть поле. Если мы начнем его двигать (например, если тело вращается вокруг другого объекта, как Земля вокруг Солнца), то опять-таки гравитационное поле будет "отрываться" – побежит гравитационная волна.

Всё вокруг заполнено гравитационными волнами, поскольку их испускают почти все движущиеся объекты. Например, вы, помахав рукой, испустили их. Не испускает гравитационных волн только вращающаяся идеальная сфера или вращающийся симметрично сплюснутый шар. Но волны очень слабые, а потому зарегистрировать их сложно. Сколь-нибудь заметный эффект можно ожидать, лишь наблюдая процессы астрономического масштаба. Например, взрыв сверхновой приводит к всплеску гравитационных волн. Двойные системы испускают гравитационные вволны, когда звезды кружат вокруг общего центра масс. Наиболее мощные сигналы ожидают от слияния нейтронных звезд или черных дыр. В последнем случае основная доля энергии уносится именно гравволнами.

– В ОТО гравитация связана с искривлением пространства. Гравитационные волны – это колебания пространства?

– Поскольку Общая теория относительности – это геометрическая теория гравитации, то, в самом деле, можно говорить о гравволнах как о "волнах пространства-времени". По пространству-времени бежит возмущение. С точки зрения наблюдателя проходящая гравитационная волна выглядит как возмущение приливных сил.

– Почти никто не сомневается, что гравитационные волны есть, но доказательства их существования, между тем, существуют только косвенные. Может ли то, что принято считать проявлением гравитационных волн, на самом деле оказаться совсем другим физическим явлением?

– Самое яркое проявление "работы" гравволн – изменение параметров орбит двойных звезд. Наиболее очевиден эффект в случае двойных радиопульсаров, особенно, если это пара из двух нейтронных звезд. На мой взгляд (равно как и на взгляд подавляющего большинства физиков и астрономов), объяснить данные по таким радиопульсарам чем-то, кроме гравволн, нельзя. С другой стороны, пока прямой регистрации нет.

– Почему так важно обнаружить гравитационные волны?

– Во-первых, просто для того, чтобы подтвердить их существование. Это один из важных моментов в нашем понимании того, что такое гравитация и как она работает. Во-вторых, регистрируя сигнал от источников, мы можем получать уникальную информацию о них. Скажем, если мы регистрируем слияние двух нейтронных звезд, то мы можем получать уникальную информацию о строении этих объектов. А это уже не просто академически-астрономический интерес, а выход на квантовую хромодинамику, то есть на ядерную физику. Если же мы регистрируем слияния черных дыр, то мы получаем один из лучших способов показать, что черные дыры реально существуют. Очень большой прорыв станет возможен, когда будут обнаружены так называемые космологические или реликтовые гравитационные волны. Они должны быть связаны с самыми первыми мгновениями жизни Вселенной – со стадией инфляции. Это будет самая непосредственная информация о Большом взрыве.

– Считается, что есть два основных подхода к созданию гравитационных детекторов (резонансные твердотельные детекторы и лазерный интерферометр). На каком принципе работают оба вида? Какой из них эффективнее?

– В случае твердотельного детектора проходящая волна сжимает и растягивает "болванку". Растяжения совсем небольшие, поэтому заметить их сложно, особенно учитывая, что болванка и так испытывает колебания, просто потому что имеет ненулевую температуру. Чтобы "шум" не мешал работе приборов, в установке используется криогенная техника. Пока чувствительность таких установок недостаточно высока. Правда, есть интересные проекты, реализация которых может изменить ситуацию.

Если же у нас есть интерферометр, то измеряется расстояние между зеркалами. В таких устройствах на нескольких сотнях метров или даже нескольких километрах друг от друга в трубе с низким давлением подвешены зеркала. Между ними бегает лазерный луч. У интерферометра два "плеча", образующие прямой угол. Гравволна, проходя, смещает зеркала друг относительно друга. Наблюдая интерференционную картинку, мы можем заметь ничтожные изменения расстояния между зеркалами.

Сейчас чувствительность лазерных детекторов намного выше, чем у твердотельных детекторов, и с большой вероятностью в ближайшие лет пять можно рассчитывать на успех.

– Крупнейший и один из самых интересных из готовящихся к запуску детекторов – LISA. Как он устроен?

– LISA – космический проект. Немного упрощая, можно сказать, что гравитационный интерференционный детектор, как и многие другие, работают на длине волны порядка своего размера. Представим, что мы хотим "почувствовать" волну от слияния двух нейтронных звезд. Основной сигнал излучается, когда объекты почти касаются друг друга. Это соответствует масштабу километров в 20. Значит и детекторы должны быть километровыми, что мы и видим на примере LIGO, VIRGO, GEO600. А если мы хотим детектировать сигнал от сливающихся сверхмассивных черных дыр? Они имеют размер порядка астрономической единицы. Поэтому и детектор должен быть таким. На Земле ему места нет. Значит – в космос.

Болванку длиной в десятки миллионов километров не сделать. Значит, делаем лазерный интерферометр. Три спутника образуют треугольник и между ними бегают лазерные лучи. Проходящая волна смещает спутники друг относительно друга, что сказывается на интерференционном сигнале.

– Как вы считаете, действительно ли этот эксперимент увенчается успехом? Ведь замысел настолько сложный, что его осуществление кажется неправдоподобным.

– Да, технологии там не то что сложные, но иногда просто еще не существующие. Собственно поэтому этот (и многие другие) научные эксперименты такие дорогие. Кстати, и "попутная выгода" от реализации многих научных программ связана именно с созданием новых технологий.

Над проектом работают и американское (NASA), и европейское (ESA) космические агентства. Вероятность аварии или какого-то серьезного сбоя в космической технике всегда существует, тем более, когда речь идет не о сороковом запуске хорошо отлаженного агрегата, а о принципиально новом проекте. Но я думаю, что все будет хорошо. Вопрос может стоять только о выходе на плановую чувствительность.

– Наземные детекторы работают уже давно. В чем их специфика? От какого из них можно ждать результатов в первую очередь? Вообще, не утопично ли надеяться "зафиксировать" гравитационные волны на Земле?

– Было бы утопично – люди бы не вкладывали такие средства. LIGO и VIRGO разрабатывались так, чтобы после выхода на окончательную чувствительность зарегистрировать сигнал в течение года с высокой вероятностью. Но тут надо заметить, что прошедшие годы работы были на довольно низкой (хотя и плановой для соответствующего этапа) чувствительности. Если бы слияние нейтронных звезд произошло в относительно близкой галактике, то и LIGO, и VIRGO, и GEO600 зарегистрировали бы всплеск. Если бы в нашей Галактике взорвалась сверхновая, то, может быть, даже твердотельные детекторы дали бы результат (если взрыв сильно асимметричен). Но не повезло. А вот чувствительность advanced LIGO такова, что сигнал должен быть в течение года уже независимо от везения.

–От чего зависит чувствительность этого детектора?

– Чувствительность определяется тем, насколько маленькие изменения расстояний между парами зеркал мы можем заметить, а также способностью выделить "нужное" нам изменение на фоне случайных колебаний, то есть выделить сигнал на фоне шума, а сам шум подавить.

– Как гравитационные детекторы могут использоваться? Можно ли сделать "гравитационный телескоп"?

– Несколько детекторов вместе – и есть гравитационный телескоп. Собственно, уже две установки LIGO смогут определять направление на источник с достаточно хорошей точностью. Совсем недавно появилась новость, что LIGO-подобный детектор будет построен в Австралии. Что же касается "практической пользы", то их от гравитационных детекторов может быть несколько. Во-первых, это создание новых технологий. Конструкция установок потребовала разработать много новых технологий и материалов. Они связаны, например, с лазерными технологиями, с технологиями стабилизации зеркал и избавления от различных видов шумов (тепловой, сейсмический и т.д.)

Во-вторых, как обычно, крупные научные проекты – это еще и школа по подготовке очень высококвалифицированных кадров: и исследователей, и инженеров. Наконец, хотя детекторы пока и не поймали гравволновой сигнал, они много что "слышат". В частности, сейсмический шум. Так что некоторые детекторы (например, твердотельные, которые вряд ли дадут астрофизический сигнал, если только не повезет очень сильно) дают полезную информацию о нашей планете.

– Вы прогнозировали, что в 2015 году Нобелевскую вручат той группе ученых, которая зарегистрирует гравитационные волны. Сейчас конец 2010. Не изменился ли Ваш прогноз?

– Все такие прогнозы – дело неблагодарное, и не надо к ним очень серьезно относиться. Advanced LIGO теперь по планам заработает в 2014 году. Так что прогноз немножко сдвигается J Поэтому сейчас я бы говорил о 2017-18 годах.

– Гравитационные волны практически неуловимы. Допускаете ли вы, что они так и не будут обнаружены?

– Если на чувствительности advanced LIGO сигнала не будет, то это будет большей сенсацией, чем регистрация сигнала. Поверить в такую возможность мне довольно трудно. С точки зрения астрофизики, мы достаточно много знаем о жизни компактных объектов, чтобы надежно говорить о темпе слияния нейтронных звезд и черных дыр. С точки зрения физики картина тоже довольно ясная. То есть ситуация гораздо более определенная чем, скажем, с бозонами Хиггса. Поэтому отсутствие сигнала будет большим сюрпризом, который должен привести к существенному пересмотру наших взглядов на устройство мира. Но вряд ли это произойдет.