Ученым удалось обнаружить колебания в пространстве-времени, вызываемые слиянием черных дыр. Это произошло через сто лет после того, как Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности предсказал эти «гравитационные волны», и через сто лет после того, как физики занялись их поисками.
Об этом знаковом открытии сообщили сегодня исследователи из Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO. Они подтвердили слухи, которые уже несколько месяцев окружали анализ первого набора собранных ими данных. Астрофизики говорят, что открытие гравитационных волн позволяет по-новому взглянуть на вселенную и дает возможность распознавать далекие события, которые невозможно увидеть в оптические телескопы, но можно почувствовать и даже услышать их слабое дрожание, доносящееся до нас через космос.
«Мы обнаружили гравитационные волны. Мы сделали это!» — объявил исполнительный директор научного коллектива из одной тысячи человек Дэвид Рейце (David Reitze), выступая сегодня на пресс-конференции в Вашингтоне в Национальном научном фонде.
Гравитационные волны — это, пожалуй, самое трудноуловимое явление из прогнозов Эйнштейна, на эту тему ученый дискутировал с современниками на протяжении десятилетий. Согласно его теории, пространство и время формируют растягивающуюся материю, которая искривляется под воздействием тяжелых объектов. Почувствовать гравитацию значит попасть в изгибы этой материи. Но может ли это пространство-время дрожать подобно шкуре барабана? Эйнштейн был в замешательстве, он не знал, что означают его уравнения. И неоднократно менял свою точку зрения. Но даже самые стойкие сторонники его теории полагали, что гравитационные волны в любом случае слишком слабы и не поддаются наблюдению. Они расходятся каскадом наружу после определенных катаклизмов, и по мере движения попеременно растягивают и сжимают пространство-время. Но к тому времени, как эти волны достигают Земли, они растягивают и сжимают каждый километр пространства на ничтожную долю диаметра атомного ядра.
Чтобы засечь эти волны, понадобилось терпение и осторожность. Обсерватория LIGO запускала лазерные лучи туда и обратно вдоль расположенных под прямым углом четырехкилометровых колен двух детекторов, — один в Ханфорде, штат Вашингтон, а другой в Ливингстоне, штат Луизиана. Делалось это в поисках совпадающих расширений и сокращений этих систем при прохождении гравитационных волн. Используя самые современные стабилизаторы, вакуумные приборы и тысячи датчиков, ученые измеряли изменения в длине этих систем, составляющие всего одну тысячную от размера протона. Такая чувствительность приборов была немыслима сто лет тому назад. Невероятной она казалась и в 1968 году, когда Райнер Вайс (Rainer Weiss) из Массачусетского технологического института задумал эксперимент, получивший название LIGO.
«Это великое чудо, что в конечном итоге им все удалось. Они сумели засечь эти крохотные вибрации!» — сказал теоретический физик из Арканзасского университета Дэниел Кеннефик (Daniel Kennefick), написавший в 2007 году книгу Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves (Путешествуя со скоростью мысли. Эйнштейн и поиски гравитационных волн).
Это открытие положило начало новой эре астрономии гравитационных волн. Есть надежда, что у нас появятся более точные представления о формировании, составе и галактической роли черных дыр — этих сверхплотных шаров массы, которые искажают пространство-время настолько резко, что оттуда не может выйти даже свет. Когда черные дыры сближаются друг с другом и сливаются, они порождают импульсный сигнал — пространственно-временные колебания, которые нарастают по амплитуде и тону, а затем резко заканчиваются. Те сигналы, которые может фиксировать обсерватория, находятся в звуковом диапазоне — правда, они слишком слабые, и невооруженным ухом их не услышать. Можно воссоздать этот звук, пробежав пальцами по клавишам фортепьяно. «Начинайте с самой низкой ноты и доходите до третьей октавы, — сказал Вайс. — Это то, что мы слышим».
Физики уже удивляются тому количеству и силе сигналов, которые зафиксированы на данный момент. Это значит, что в мире больше черных дыр, чем предполагалось ранее. «Нам повезло, но я всегда рассчитывал на такое везение, — сказал астрофизик Кип Торн (Kip Thorne), работающий в Калифорнийском технологическом институте и создавший LIGO совместно с Вайсом и Рональдом Дривером (Ronald Drever), которые тоже из Калтеха. — Обычно такое случается тогда, когда во вселенной открывается совершенно новое окно».
Подслушав гравитационные волны, мы можем сформировать совсем другие представления о космосе, а возможно, откроем невообразимые космические явления.
«Я могу сравнить это с моментом, когда мы впервые направили в небо телескоп, — сказала теоретический астрофизик Жанна Левин (Janna Levin) из Барнард-колледжа Колумбийского университета. — Люди поняли, что там что-то есть, и это можно увидеть, но они не могли предугадать тот невероятный набор возможностей, которые существуют во вселенной». Аналогичным образом, заметила Левин, открытие гравитационных волн может показать, что во вселенной «полно темной материи, которую мы не в состоянии просто так определить при помощи телескопа».
История открытия первой гравитационной волны началась в понедельник утром в сентябре, и началась она с хлопка. Сигнал был такой четкий и громкий, что Вайс подумал: «Нет, это ерунда, ничего из этого не выйдет».
Накал страстей
Эта первая гравитационная волна прокатилась по детекторам модернизированной LIGO — сначала в Ливингстоне, а спустя семь миллисекунд в Ханфорде — во время имитационного прогона рано утром 14 сентября, за два дня до официального начала сбора данных.
Детекторы проходили «обкатку» после модернизации, длившейся пять лет и стоившей 200 миллионов долларов. Их оснастили новыми зеркальными подвесками для шумоподавления и системой активной обратной связи для подавления посторонних колебаний в режиме реального времени. Модернизация дала усовершенствованной обсерватории более высокий уровень чувствительности по сравнению со старой LIGO, которая в период с 2002 по 2010 годы обнаружила «абсолютный и чистый ноль», как выразился Вайс.
Когда в сентябре пришел мощный сигнал, ученые в Европе, где в тот момент было утро, начали спешно засыпать своих американских коллег сообщениями по электронной почте. Когда проснулась остальная группа, новость распространилась очень быстро. По словам Вайса, практически все отнеслись к этому скептически, особенно когда увидели сигнал. Это была настоящая классика, как из учебника, и поэтому кое-кто подумал, что это подделка.
Ошибочные утверждения в процессе поиска гравитационных волн звучали многократно, начиная с конца 1960-х годов, когда Джозеф Вебер (Joseph Weber) из Мэрилендского университета посчитал, что он обнаружил резонансные колебания в алюминиевом цилиндре с датчиками в ответ на волны. В 2014 году состоялся эксперимент под названием BICEP2, по результатам которого было объявлено об обнаружении изначальных гравитационных волн — пространственно-временных колебаний от Большого взрыва, которые к настоящему времени растянулись и на постоянной основе застыли в геометрии вселенной. Ученые из группы BICEP2 объявили о своем открытии с большой помпой, но потом их результаты были подвергнуты независимой проверке, в ходе которой выяснилось, что они неправы, и что этот сигнал пришел от космической пыли.
Когда космолог из Университета штата Аризона Лоуренс Краусс (Lawrence Krauss) услышал об открытии команды LIGO, он сначала подумал, что это «слепой вброс». Во время работы старой обсерватории смоделированные сигналы тайком вставляли в потоки данных для проверки реакции, и большая часть коллектива об этом не знала. Когда Краусс от знающего источника узнал, что на сей раз это не «слепой вброс», он с трудом смог сдержать радостное возбуждение.
25 сентября он сообщил своим 200 тысячам подписчикам в Твиттере: «Слухи об обнаружении гравитационной волны на детекторе LIGO. Поразительно, если правда. Сообщу детали, если это не липа». Затем следует запись от 11 января: «Прежние слухи о LIGO подтверждены независимыми источниками. Следите за новостями. Возможно, открыты гравитационные волны!»
Официальная позиция ученых была такова: не распространяться о полученном сигнале, пока не будет стопроцентной уверенности. Торн, по рукам и ногам связанный этим обязательством хранить тайну, даже жене ничего не сказал. «Я отпраздновал в одиночку», — заявил он. Для начала ученые решили вернуться в самое начало и проанализировать все до мельчайших деталей, чтобы узнать, как распространялся сигнал через тысячи каналов измерения различных детекторов, и понять, не было ли чего-то странного в момент обнаружения сигнала. Они не нашли ничего необычного. Они также исключили хакеров, которые лучше всех должны были знать о тысячах потоков данных в ходе эксперимента. «Даже тогда, когда команда осуществляет слепые вбросы, они недостаточно совершенны, и оставляют после себя множество следов, — сказал Торн. — А здесь никаких следов не было».
В последующие недели они услышали еще один, более слабый сигнал.
Ученые анализировали первые два сигнала, а к ним поступали все новые. В январе они представили материалы своего исследования в журнале Physical Review Letters. Этот номер выходит в интернет-версии сегодня. По их оценкам, статистическая значимость первого, наиболее мощного сигнала превышает «5-sigma», а это значит, что исследователи на 99,9999% уверены в его подлинности.
Слушая гравитацию
Уравнения общей относительности Эйнштейна настолько сложны, что у большинства физиков ушло 40 лет на то, чтобы согласиться: да, гравитационные волны существуют, и их можно засечь — даже теоретически.
Сначала Эйнштейн думал, что объекты не могут выделять энергию в виде гравитационного излучения, но потом поменял свою точку зрения. В своей исторической работе, написанной в 1918 году, он показал, какие объекты могут это делать: гантелевидные системы, которые одновременно вращаются вокруг двух осей, например, двойные и сверхновые звезды, взрывающиеся подобно хлопушкам. Они-то и могут порождать волны в пространстве-времени.
Но Эйнштейн и его коллеги продолжали колебаться. Некоторые физики утверждали, что даже если волны существуют, мир будет колебаться вместе с ними, и ощутить их будет невозможно. И лишь в 1957 году Ричард Фейнман (Richard Feynman) закрыл этот вопрос, продемонстрировав в ходе мысленного эксперимента, что если гравитационные волны существуют, теоретически их можно обнаружить. Но никто не знал, насколько распространены эти гантелевидные системы в космическом пространстве, и насколько сильны или слабы возникающие в результате волны. «В конечном итоге, вопрос звучал так: сможем ли мы когда-нибудь их обнаружить?» — сказал Кеннефик.
В 1968 году Райнер Вайс был молодым преподавателем Массачусетского технологического института, и ему поручили вести курс общей теории относительности. Будучи экспериментатором, он мало что знал о ней, но вдруг появились новости об открытии Вебером гравитационных волн. Вебер построил из алюминия три резонансных детектора размером с письменный стол и разместил их в разных американских штатах. Теперь он сообщил, что во всех трех детекторах зафиксировано «звучание гравитационных волн».
Ученики Вайса попросили объяснить природу гравитационных волн и высказать свое мнение о прозвучавшем сообщении. Изучая детали, он был поражен сложностью математических расчетов. «Я не мог понять, какого черта делает Вебер, как датчики взаимодействуют с гравитационной волной. Я подолгу сидел и спрашивал себя: „Какую я могу придумать самую примитивную вещь, чтобы она обнаруживала гравитационные волны?“ И тут мне в голову пришла идея, которую я называю концептуальной основой LIGO».
Представьте себе три предмета в пространстве-времени, скажем, зеркала в углах треугольника. «Посылайте световой сигнал от одного к другому, — рассказывал Вебер. — Смотрите, сколько времени уходит на переход от одной массы к другой, и проверяйте, изменилось ли время». Оказывается, отметил ученый, это можно сделать быстро. «Я поручил это своим студентам в качестве научного задания. Буквально вся группа смогла сделать эти расчеты».
В последующие годы, когда другие исследователи пытались повторить результаты эксперимента Вебера с резонансным детектором, но постоянно терпели неудачу (непонятно, что наблюдал он, но это были не гравитационные волны), Вайс начал готовить гораздо более точный и амбициозный эксперимент: гравитационно-волновой интерферометр. Лазерный луч отражается от трех зеркал, установленных в форме буквы «Г» и формирует два луча. Интервал пиков и провалов световых волн точно указывает длину колен буквы «Г», которые создают оси Х и Y пространства-времени. Когда шкала неподвижна, две световые волны отражаются от углов и гасят друг друга. Сигнал в детекторе получается нулевой. Но если через Землю проходит гравитационная волна, она растягивает длину одного плеча буквы «Г» и сжимает длину другого (и наоборот поочередно). Несовпадение двух световых лучей создает сигнал в детекторе, показывая легкие колебания пространства-времени.
Сначала коллеги-физики проявляли скептицизм, но вскоре эксперимент обрел поддержку в лице Торна, чья группа теоретиков из Калтеха исследовала черные дыры и прочие потенциальные источники гравитационных волн, а также порождаемые ими сигналы. Торна вдохновил эксперимент Вебера и аналогичные усилия российских ученых. Поговорив в 1975 году на конференции с Вайсом, «я начал верить, что обнаружение гравитационных волн пройдет успешно», сказал Торн. «И я хотел, чтобы Калтех в этом тоже участвовал». Он договорился с институтом, чтобы тот взял на работу шотландского экспериментатора Рональда Дривера, который также заявлял, что построит гравитационно-волновой интерферометр. Со временем Торн, Дривер и Вайс начали работать как одна команда, и каждый из них решал свою долю бесчисленных задач в рамках подготовки практического эксперимента. Это трио в 1984 году создало LIGO, а когда были построены опытные образцы и началось сотрудничество в рамках постоянно увеличивавшегося коллектива, они в начале 1990-х получили от Национального научного фонда финансирование в размере 100 миллионов долларов. Были составлены чертежи для строительства пары гигантских детекторов Г-образной формы. Спустя десятилетие детекторы заработали.
В Ханфорде и Ливингстоне в центре каждого из четырехкилометровых колен детекторов находится вакуум, благодаря которому лазер, его пучок и зеркала максимально изолированы от постоянных колебаний планеты. Чтобы еще больше застраховаться, ученые LIGO следят за своими детекторами во время их работы при помощи тысяч приборов, измеряя все что можно: сейсмическую активность, атмосферное давление, молнии, появление космических лучей, вибрацию оборудования, звуки в районе лазерного луча и так далее. Затем они отфильтровывают свои данные от этих посторонних фоновых шумов. Пожалуй, главное в том, что у них два детектора, а это позволяет сличать полученные данные, проверяя их на наличие совпадающих сигналов.
Внутри создаваемого вакуума, даже в условиях полной изоляции и стабилизации лазеров и зеркал «все время происходят странные вещи», говорит заместитель пресс-секретаря проекта LIGO Марко Кавалья (Marco Cavaglià). Ученые должны отслеживать этих «золотых рыбок», «призраков», «непонятных морских монстров» и прочие посторонние вибрационные явления, выясняя их источник, чтобы устранить его. Один трудный случай произошел на проверочном этапе, рассказала научный исследователь из коллектива LIGO Джессика Макайвер (Jessica McIver), исследующая такие посторонние сигналы и помехи. Среди данных часто появлялась череда периодических одночастотных шумов. Когда она вместе с коллегами преобразовала вибрации зеркал в аудиофайлы, «стал отчетливо слышен звонок телефона», сказала Макайвер. «Оказалось, что это рекламщики связи звонили по телефону внутри лазерного помещения».
В предстоящие два года ученые продолжат совершенствовать чувствительность детекторов модернизированной Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO. А в Италии начнет работать третий интерферометр под названием Advanced Virgo. Один из ответов, который помогут дать полученные данные, это как формируются черные дыры. Являются ли они продуктом схлопывания самых ранних массивных звезд, или они появляются в результате столкновений внутри плотных звездных кластеров? «Это только два предположения, я полагаю, их будет больше, когда все успокоятся», — говорит Вайс. Когда в ходе предстоящей работы LIGO начнет накапливать новые статистические данные, ученые начнут слушать истории о происхождении черных дыр, которые им будет нашептывать космос.
Судя по форме и размеру, первый, самый громкий импульсный сигнал возник в 1,3 миллиарда световых лет от того места, где после длившегося вечность медленного танца под влиянием взаимного гравитационного притяжения наконец слились две черные дыры, каждая примерно в 30 раз больше солнечной массы. Черные дыры кружили все быстрее и быстрее, подобно водовороту, постепенно сближаясь. Потом произошло слияние, и они в мгновение ока выпустили гравитационные волны с энергией, сопоставимой энергии трех Солнц. Это слияние стало самым мощным энергетическим явлением из когда-либо зафиксированных.
«Как будто мы никогда не видели океан во время шторма», — сказал Торн. Он ждал этого шторма в пространстве-времени с 1960-х годов. То чувство, которое Торн испытал в момент, когда накатили эти волны, нельзя назвать волнением, говорит он. Это было нечто иное: чувство глубочайшего удовлетворения.