Ликбез: гравитационные волны

Когда кто-то говорит что-то про гравитационные волны, многим остается только недоумевать и не понимать, что это вообще такое. Если вы этого не знали, расслабьтесь — даже ученые не могут дать на это развернутый ответ. Конечно, в целом они понимают, что это такое и откуда берется, но белые пятна в этой истории все равно еще остаются.
Даже то, что несколько лет назад их смогли зафиксировать, не дает развернутого ответа на вопрос, что же это такое. Все из-за того, что они появляются в далеком космосе и уже потом доходят до нас. Примечательно, что предсказал их существование еще Альберт Эйнштейн, а современные ученые только сейчас начинают подбираться к их разгадке. Понимание того, откуда они берутся и что из себя представляют, пусть и примерное, очень интересно. Попробуем рассказать об этом попроще и без лишних сложных формул.

Что такое гравитационные волны

Если говорить грубо, то гравитационные волны — это небольшие искажения пространства и времени. Что-то типа ряби. Причиной их появления становятся события, которые происходят далеко в космосе и имеют действительно эпические масштабы.
О существовании гравитационных волн знали довольно давно, так как еще в 1915 году о них рассказал Альберт Эйнштейн, но одно дело знать, а совсем другое — доказать, показать и объяснить. Этим ученые и занимались почти 100 лет.
Считается, что гравитационные волны, которые были зафиксированы лазерными интерферометрами гравитационно-волновой обсерватории (ЛИГО), образовались от столкновения двух черных дыр, которые превратились в одну большую черную дыру. Зафиксировали гравитационные волны 14 сентября 2015 года.
Лаборатория ЛИГО работает под управлением Калифорнийского технологического института и Массачусетского технологического института. Находится в городах Хэнфорд, штат Вашингтон, и Ливингстон, штат Луизиана, а финансируется за счет средств Национального научного фонда США.

Откуда берутся гравитационные волны

Интересно, что событие, которое привело к образованию зафиксированных гравитационных волн, произошло примерно 1,3 миллиарда лет назад, а размер черных дыр, которые тогда столкнулись, был всего в 29 и 36 раз больше нашего Солнца.

Столкновение двух черных дыр вызывает образование гравитационных волн.
Если верить общей теории относительности — а поводов не верить ей становиться все меньше — пара черных дыр, которые вращаются друг вокруг друг друга, уже сами по себе излучают гравитационные волны и тратят на это очень много энергии.
Сближение черных дыр для столкновения происходит в течение миллиардов лет, но в последние минуты перед столкновением их скорость очень сильно вырастает. В итоге они ускоряются настолько, что столкновение происходит на скорости равной примерно половине скорости света. Если вспомнить известную формулу, где E=mc2, становится понятно, почему высвобождается так много энергии, если в формуле фигурирует скорость и масса, да еще и в квадрате.

Изучение гравитационных волн

За изучение гравитационных волн даже присуждена нобелевская премия. Получили ее Джозеф Тейлор-младший и Рассел Халс. В 1976 году они обнаружили бинарную систему, в которой орбита пульсара постепенно снижалась со временем и при этом выделялось большое количество энергии. Они смогли доказать, что это и были гравитационные волны. Нобелевскую премию они получили в 1993 году за обнаружение пульсара и объяснение происходящего с ним.
Не надо путать объяснение факта существования гравитационных волн и их обнаружение. ЛИГО именно зафиксировала волны, то есть доказала, что все предыдущие открытия не были ошибкой.
Открытие было сделано далеко не с первой попытки и даже не первой версией ЛИГО. Пришлось сначала провести работы по модернизации до второй версии, которая была намного чувствительнее. Зато гравитационные волны после модернизации были открыты практически сразу, буквально при первом запуске.

Работы по модернизации проводились большим количеством исследовательских институтов и лабораторий со всего мира, включая США, Европу и даже Австралию. Изначально финансирование создания ЛИГО началось в 1992 году, хотя впервые подобный проект был предложен группой ученых еще в 1980 году. Многие признавали, что это был большой риск, но все равно верили, что они добьются результата.
На данный момент ЛИГО осуществляет исследования, используя огромное научное сотрудничество (LIGO Scientific Collaboration (LSC)). В группу исследователей входит более 1000 ученых из университетов 15 стран мира.
Многие из ученых, которые участвуют в исследованиях, считают открытие гравитационных волн началом новой эры, так как теперь область гравитационно-волновой астрономии стала реальна.
Открытие гравитационных волн позволяет человечеству приступить к исследованиям деформированных частей Вселенной. То есть тех объектов, которые сделаны из искривлений пространства-времени. Столкновение черных дыр и следы этого события являются только началом долгого пути. Главное, что теперь этот путь отрыт и можно идти по нему уверенной поступью.

Как работает LIGO

В основе каждой из двух лабораторий LIGO используется Г-образные интерферометры длиной 4 километра с лазерными лучами, расщепляющимися на два луча, которые движутся туда-сюда внутри трубы. Ее диаметр составляет примерно 1,2 метра и внутри создан почти идеальный вакуум.

Если бы Альберт Эйнштейн сейчас, спустя сто лет после своего открытия увидел бы результаты исследований LIGO, он был бы рад, что оказался прав
Пучки света нужны для того, чтобы можно было контролировать расстояние между зеркалами, которые расположены в разных концах интерферометра. Теория Эйнштейна гласит, что расстояние между зеркалами будет изменяться на бесконечно малую величину, когда между ними проходит гравитационная волна. Изменения расстояния не должны превышать одной десятитысячной протона. Их-то и надо зафиксировать.
Обсерватории должны быть именно разнесены на большое расстояние, чтобы определить направление событий, которые и являются причиной гравитационных волн. Заодно так можно убедиться, что волны пришли именно из космоса и не связаны с местными явлениями.
Первое наблюдение гравитационных волн позволило ускорить строительство глобальной сети, состоящей из огромного количества детекторов. Они позволяют не только закрепить результат, но находить еще больше источников гравитационных волн. В будущем это действительно откроет новые возможности, но пока надо подождать и не мешать ученым работать.