Лауреатами Нобелевской премии по физике-2017 стали Райнер Вайсс, Барри Бариш и Кип Торн (среди прочего — научный консультант фильма «Интерстеллар»). Ученые открыли гравитационные волны. Еще в 2016 году находку ученых для «Афиши» прокомментировал доцент кафедры общей физики МФТИ Михаил Савров.

Сигнал был обнаружен 14 сентября 2015 года. Исходил он от двух сталкивающихся черных дыр. Сигнал имеет очень характерную форму, которая соответствует тому, что предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Результаты также были многократно проверены, так что сомневаться в них не приходится.

Две черные дыры диаметром около 150 км и массами в 29 и в 36 раз больше массы Солнца вращались вокруг друг друга со скоростью всего в два раза меньше скорости света. В конце концов объекты образовали единую массивную черную дыру. Это событие произошло 1,3 миллиарда лет назад, и в момент слияния за доли секунды примерно три солнечных массы превратились в гравитационные волны. Максимальная мощность излучения волн была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной.

Достигнув нашей планеты, гравитационные волны начали сжимать и расширять ее, но этот эффект настолько мал, что только сверхчувствительные детекторы LIGO могли распознать воздействие.

LIGO состоит из двух гравитационно-волновых обсерваторий, одна находится в Ливингстоне, штат Луизиана, а другая — в Хэнфорде, штат Вашингтон. При регистрации гравитационной волны, распространяющейся, согласно теории, со скоростью света, расстояние дает задержку сигнала в 10 миллисекунд. Он и позволил определить направление источника волны.

Подробности по теме
Как осуществить межзвездный перелет: отрывок из книги нобелевского лауреата Кипа Торна
Как осуществить межзвездный перелет: отрывок из книги нобелевского лауреата Кипа Торна

По словам ученых, это открытие положило начало новой гравитационно-волновой астрономии. Если древние люди видели Вселенную только в видимом свете, а в XX веке появились радиотеолескопы и детекторы космических лучей, теперь исследователи получили новый канал, который позволит узнать о вселенной гораздо больше. А загадок на сегодня достаточно: ученые имеют представление только о барионной материи, которая составляет только 5% от массы всей Вселенной. И нам только предстоит узнать, из чего состоят остальные 95%. Кроме того умение детектировать гравитационные волны позволит увидеть реликтовое гравитационное излучение, которое исходит от большого взрыва, — а это может внести решающий вклад в изучение квантовой гравитации — святой Грааль современной физики. Это направление ставит своей целью увязать гравитацию с остальными тремя фундаментальными взаимодействиями, то есть построить «теорию всего».

Что такое гравитационные волны?

«Гравитационные волны — это локальные возмущения гравитационного поля, распространяющиеся со скоростью света. Если человек окажется в поле гравитационной волны достаточной силы, то он почувствует, как его немного сжимает и одновременно растягивает в перпендикулярном направлении, причем сжатие и растяжение будут чередоваться с частотой волны. Величина эффекта чрезвычайно мала. Например, мощность гравитационных волн, излучаемых Солнечной системой, — всего около киловатта. Заметно их излучает только двойная система из очень близких черных дыр или нейтронных звезд».

Как работает LIGO?

«LIGO — это большой интерферометр с длиной плеча около 4 км. Работает он следующим образом: лазерный луч расщепляется на два луча, идущих в перпендикулярном направлении, потом эти лучи сводят вместе и наблюдают интерференционную картину. Когда через интерферометр проходит гравитационная волна, одно плечо укорачивается, а другое удлиняется (см. выше). Это приводит к появлению разности фаз лучей и к сдвигу интерференционной картины. Достигнутая при этом точность поразительна: расстояние до ближайшей звезды можно было бы измерить с точностью до толщины человеческого волоса. Для этого понадобилось четыре десятилетия упорного труда».

Могут ли ученые ошибиться?

«Я думаю, нет. Два интерферометра зарегистрировали одновременно одинаковый сигнал, который потом был воспроизведен численным моделированием (решением уравнений Эйнштейна). Данные позволили установить, что такой сигнал дает слияние двух черных дыр с массой в 30 Солнц каждая. Выделяющаяся при этом мощность в 50 раз превышает мощность излучения всех (!) звезд видимой части Вселенной».

Что это дает человечеству?

«Открыта новая страница в астрономии: теперь мы наблюдаем гравитационные волны. Анализируя форму сигнала, можно много узнать об их источниках, черных дырах и нейтронных звездах например. Насчет квантовой гравитации — не знаю; на первый взгляд, гравитационная волна — это классическое явление, но будущее покажет. Безусловно, огромный толчок получит астрофизика. Технология тоже получит много, поскольку мы научились измерять сигнал с 20 нулями после запятой».