Пустили волну Как ученые распахнут гравитационное «окно» во Вселенную

Экспериментальное обнаружение гравитационных волн стало не просто блестящим подтверждением теории Эйнштейна, но и открыло новую эру в астрономии. «Лента.ру» рассказывает о том, как ученые собираются распахнуть гравитационное «окно» во Вселенную.

Только первый шаг

11 февраля мир узнал об открытии гравитационных волн. Само детектирование произошло 14 сентября 2015 года в 05:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому) в обсерватории LIGO. Зарегистрированный сигнал был порожден космической катастрофой чудовищных масштабов — слиянием двух черных дыр в одну массивную черную дыру, — произошедшей 1,3 миллиарда лет назад. Распространяющийся со скоростью света гравитационный сигнал достиг Земли только в сентябре 2015 года.

Ученые не планируют останавливаться на достигнутом. Это грандиозное открытие стало лишь первым шагом на пути развития новой гравитационной астрономии. Экспериментальное обнаружение гравитационных волн — это не просто блестящее подтверждение общей теории относительности Эйнштейна. Гравитационные обсерватории представляют собой важный инструмент, с помощью которого астрономы смогут исследовать космос. Совместив его с традиционными методами исследования электромагнитного излучения, ученые получат полную картину процессов, происходящих во Вселенной.

Проект LIGO начал свою работу еще в 2002 году, но «поймать» гравитационную волну удалось только после модернизации, осуществленной в 2010-2015 годах. Теперь LIGO предстоит полностью реализовать свой потенциал. Уже в августе этого года ученые планируют увеличить чувствительность детекторов в три раза. В перспективе это позволит перейти к новому этапу исследований: поиску гравитационных волн от вращающихся нейтронных звезд — пульсаров.

Именно поведение пульсаров еще в 1974 году стало косвенным подтверждением существования гравитационных волн. Американские ученые Джо Тейлор и Рассел Халс обнаружили замедление вращения системы двойного пульсара, вызванное потерей энергии на гравитационное излучение, за что впоследствии получили Нобелевскую премию.

Опутать всю планету

Помимо детекторов LIGO, расположенных в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон) в США, в мире существуют еще две работающие обсерватории по поиску гравитационных волн — VIRGO в Италии и GEO 600 в Германии. Первая из них проходит модернизацию, которая, как ожидается, завершится к концу 2016 года. Вторая проходила техническое обслуживание в момент регистрации гравитационной волны американскими детекторами — ее детекторы пока недостаточно чувствительны, чтобы зарегистрировать сигнал такого типа.

После открытия гравитационных волн ученые из Индии выразили желание присоединиться к проекту LIGO. Планируется строительство обсерватории LIGO-India, аналогичной американской, при поддержке американских физиков и финансировании Министерства атомной энергетики и Министерства науки и технологий Индии.

Кроме того, в Японии строится детектор нового поколения KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector), чувствительность которого позволит регистрировать гравитационные волны, возникающие при слиянии нейтронных звезд. В марте 2014 года была завершена прокладка трехкилометровых туннелей, и ожидается, что интерферометр заработает в 2018 году. KAGRA будет использовать криогенную систему охлаждения зеркал для лучшего шумоподавления.

Создание сети гравитационных детекторов по всей планете позволит астрономам определять точное местонахождение источника гравитационного сигнала (для этого требуется как минимум три детектора). Сейчас ученые могут только примерно сказать, что слияние черных дыр произошло в достаточно широкой «полосе» площадью в 600 квадратных градусов на небе южного полушария Земли. Зная координаты космических событий, астрономы смогут направить телескопы в интересующую их точку и всесторонне изучить эти события в радио-, инфракрасном и рентгеновском диапазонах.

В долгосрочной перспективе планируется создание «телескопа Эйнштейна» — детектора гравитационных волн третьего поколения. Пока проект находится на стадии обсуждения, стоимость его оценивается в два миллиарда долларов. Предполагается, что это будет обсерватория в виде треугольника из вакуумных тоннелей со сторонами 10 километров, расположенных под землей. Такая конфигурация даст возможность определять координаты источника сигнала. Увеличение длины плеч интерферометра по сравнению с существующими детекторами (интерферометры LIGO имеют длину плеча, равную четырем километрам) позволит значительно повысить точность измерений. Зеркала интерферометров с диаметром больше 0,5 метра будут охлаждаться до криогенных температур.

Выход в космос

Как и электромагнитное излучение, гравитационные волны покрывают невероятно широкий спектр длин волн, для детектирования которых недостаточно одной установки. Для того чтобы построить полную карту гравитационного излучения во Вселенной, необходим целый спектр гравитационных интерферометров с различными длинами плеч. По мнению одного из членов проекта по созданию «телескопа Эйнштейна» — Харальда Люка из Университета Макса Планка, на Земле вряд ли удастся создать интерферометр с длиной плеча более 50 километров. Этому мешают сейсмический шум, кривизна поверхности Земли и огромные затраты на постройку подземных тоннелей. Рано или поздно человечеству придется создавать гравитационные лаборатории в космосе.

НАСА и Европейское космическое агентство (ЕКА) работали над созданием космических гравитационных телескопов — LISA (Laser Interferometer Space Antenna) еще с 2000-х годов. Проект предполагает запуск в космос группы из трех спутников, которые образуют гигантский треугольный интерферометр с длиной плеча пять миллионов километров. Такая система будет достаточно чувствительна, чтобы детектировать слабые низкочастотные гравитационные волны, соответствующие событиям, происходившим на ранних этапах формирования Вселенной.

Однако в 2011 году НАСА отказалось от участия в проекте из-за сокращения финансирования. ЕКА пересмотрело проект, теперь он называется eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna). К 2034 году планируется запустить три спутника и создать с их помощью интерферометр с длиной плеча один миллион километров.

ЕКА уже приступило к реализации проекта. В декабре прошлого года в космос отправилась тестовая миссия LISA Pathfinder. Ее цель — продемонстрировать принципиальную возможность измерения с высочайшей точностью расстояния между двумя свободно плавающими в космосе пробными массами. Ракета доставила аппарат на расстояние 1,5 миллионов километров от Земли, в так называемую точку Лагранжа системы Солнце — Земля, где он сможет довольно долго оставаться неподвижным. Планируется, что в марте этого года LISA Pathfinder начнет проведение измерений.

Недавно стало известно, что Китай тоже намерен изучать гравитационные волны в космосе. Академия наук Поднебесной подготовила проект по изучению гравитационных волн, получивший название «Тайцзи». Он предполагает сотрудничество с ЕКА в проекте eLISA и запуск собственной группы китайских спутников.