Общая теория относительности // Гравитационная волна пришла от неожиданного источника

В 1915-1916 годах Альберт Эйнштейн опубликовал в журнале Annalen der Physik серию статей, в которых была сформулирована его знаменитая общая теория относительности (ОТО) — Die Feldgleichungen der Gravitation; Eine neue formale Deutung der Maxwellschen Feldgleichungen der Elektrodynamik; Naeherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation; Hamiltonsches Prinzip und allgemeine Relativitaetstheorie. Среди прочих чудес ОТО там было предсказано существование гравитационных волн. Последняя из этих статей вышла ровно 100 лет назад — 2 ноября 1916 года. Так что физики всего мира, приурочившие к столетию экспериментальное открытие гравитационных волн в феврале нынешнего года, слегка поторопились.

11 февраля нынешнего года миру было объявлено о регистрации 15 сентября 2015 года сигнала, образованного гравитационными волнами — на установке ЛИГО (LIGO, Laser Interferometric Gravitational-wave Observatory) в США. По фантастической случайности открытие сделано ровно через 100 лет после предсказания гравитационных волн. Альберт Эйнштейн сделал его на основе созданной им общей теории относительности.

Гравитационные волны (ГВ) испускаются двойными звездами из-за их вращения друг относительно друга, либо сжимающимися (коллапсирующими) несферическими телами. Сигнал от гравитационных волн очень трудно регистрировать из-за чрезвычайной слабости гравитационного взаимодействия. Мы чувствуем гравитацию на Земле потому, что она создается огромными массами вещества и ничем не экранируется. Если гипотетически представить Землю без отрицательно зараженных электронов, из одних только положительных протонов, то электрическая сила окажется на 36 порядков больше гравитационной. В реальности из-за присутствия электронов Земля квазинейтральна, и соответствующая электрическая сила не превышает гравитационную.

При регистрации гравитационно-волнового сигнала в детекторе измерялось ничтожно малое смещение. Оно соответствует изменению длины метрового тела на величину, на десять порядков меньшую размера атома водорода. Возмущения от окружающих тел или сейсмические возмущения Земли создают в детекторе смещения, которые могут значительно превышать сигнал от ГВ. Для минимизации влияния локальных фоновых возмущений при регистрации ГВ используется несколько, как минимум два детектора, разделенных большим расстоянием. Установка LIGO состоит из двух лазерных установок — в штатах Луизиана и Вашингтон — на расстоянии 3000 км друг от друга. Выделение сигнала над фоном достигается исследованием корреляции сигналов, наблюдаемых на двух установках. Гравитационный сигнал на обеих установках должен быть идентичным, так как он распространяется от источника до Земли практически без искажений. Поскольку скорость распространения гравитационных волн конечна (она должна равняться скорости света), возникает разность времен прихода на двух установках. Наблюдательное измерение этой разницы, составившей около 10 миллисекунд, позволило очертить на небе круговую полосу, откуда мог прийти ГВ-сигнал. Площадь полосы — 600 квадратных градусов — велика, что сильно усложняет отождествление источника ГВ с каким-либо видимым на небе объектом.

Волну излучили две черные дыры

Сравнение формы сигнала, зарегистрированного на обеих установках, с теоретическими расчетами позволило оценить массы компактных сливающихся объектов, испускающих ГВ-сигнал. Ими оказались две черных дыры с большими массами в 36 и 29 солнечных. Теория позволяет определить мощность гравитационного сигнала при слиянии таких черных дыр, а из сравнения с регистрируемым сигналом найти расстояние до источника. Оно равно примерно 410 мегапарсек. Энергия, унесенная ГВ, составляет огромную величину, эквивалентную энергии покоя тела с массой в три солнечных. ГВ была обнаружена модернизированным экспериментом LIGO, способным регистрировать сигнал с относительным смещением 10^-23. Сигнал оказался в 100 раз больше этого порога и вполне мог быть зарегистрирован на той же установке еще до ее модернизации, а также некоторыми другими приборами. По случайности ни один из них (в Италии, Японии и Германии) в момент регистрации не функционировал.

Система из двух массивных черных дыр до сих пор никогда не наблюдалась и не ожидалась в качестве источника гравитационных волн. Единственным надежным источником сигнала считались системы из двух нейтронных звезд с орбитальным периодом в несколько часов. Такие системы наблюдаются в нашей галактике в виде радиопульсаров. Оценка их времени жизни, а также статистика их существования в других галактиках давала оценки частоты подходящих для регистрации ГВ событий — около десятка за год из окружающего объема вселенной в 200 мегапарсек. Речь идет о сигнале, превышающем порог регистрации.

Зарегистрированный же в эксперименте LIGO сигнал превышал порог в 24 раза, хотя пришел с большего расстояния — 410 мегапарсек. То есть мощность сигнала оказалась примерно в тысячу раз выше, чем та, которая ожидается от слияния в системах двух нейтронных звезд.

Волны-предшественницы

Сигнал, зарегистрированный на LIGO, может быть признан первой прямой регистрацией ГВ в лаборатории на Земле. Однако косвенная регистрация ГВ — из анализа радионаблюдений открытого в 1974 году двойного пульсара Халса--Тейлора — была сделана еще в 1980-х годах, а затем подтверждена наблюдениями открытой в 2004 году двойной системы из двух радиопульсаров. Уменьшение периода двойной системы из-за излучения гравитационных волн с точностью 0,01% совпадает с предсказаниями эйнштейновской теории.

Интересно, что первое объявление о регистрации гравитационно-волнового сигнала было сделано американским физиком Джозефом Вебером еще в 1969 году. Он построил две установки на расстоянии 1000 км одну от другой. Каждая регистрировала колебания твердотельного цилиндра, и Вебер искал на них коррелированный сигнал. Относительная величина измеренного смещения составляла, по утверждению Вебера, 10^-16. Это в 100 тыс. раз больше смещения, зарегистрированного LIGO. Столь сильный гравитационно-волновой сигнал противоречил всем существующим теориям и фактам. Он был экспериментально опровергнут через несколько лет, но вызвал к жизни целую волну гравитационных экспериментов, на гребне которой и было сделано недавнее открытие.

Гравитационная волна против бозона Хиггса

Сравнимая популярность, а также стоимость установки, исчисляемая в миллиардах долларов, сопровождала другое выдающееся открытие последних лет — бозона Хиггса на суперколлайдере в ЦЕРНе. Оба открытия после их окончательного подтверждения стали бы эпохальными, но на этом сходство кончается и начинаются существенные различия.

Открытие бозона Хиггса должно подтвердить существующие принципы построения квантовой теории поля (или, наоборот, выявить в них противоречия) и имеет фундаментальное значение для всей физики высоких энергий.

Открытие же гравитационных волн является в основном решением сложнейшей технической и технологической задачи. Значимость этого открытия с точки зрения фундаментальной науки не столь велика. Ведь справедливость общей теории относительности, из которой следует существование ГВ, и косвенная их регистрация в двойных системах с радиопульсарами установлены со всей точностью, допускаемой радиоастрономическим экспериментом.

Эксперименты по наблюдениям бозона Хиггса продолжаются, и в результате улучшения статистики со временем достоверность этого открытия должна расти.

А зарегистрированный при слиянии двух конкретных черных дыр гравитационно-волновой сигнал уже никогда не повторится. Чтобы окончательно поверить в его достоверность, нужно ждать другого счастливого момента. Не исключено, что ожидание окажется очень долгим.

Геннадий Бисноватый-Коган, доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики НИЯУ МИФИ, главный научный сотрудник ИКИ РАН