Гравитационные волны впервые зарегистрированы экспериментально


12 февраля 2016

11 февраля 2016 года в Вашингтоне прошла пресс-конференция Национального научного фонда США на которой ученые из Caltech, MIT и Научной Коллаборации LIGO сообщили о том, что ими были впервые экспериментально зарегистрированы гравитационные волны
 
 
Впервые существование гравитационных волн было теоретически предсказано Альбертом Эйнштейном в 1916 году, основываясь на его Общей Теории Относительности. Первым шагом на пути к их обнаружению стало открытие в 1974 году двойного пульсара американскими учеными Джо Тэйлором и Расселом Халсом. Их наблюдения позволили косвенно выявить существование гравитационных волн, а также определить время жизни пары взаимодействующих нейтронных звезд — 200 млн. лет. Вселенная существует гораздо дольше, а значит можно наблюдать слияние двух звезд, приводящее к импульсу гравитационного излучения. За свое открытие Тейлор и Халс в 1993 году получили Нобелевскую премию по физике.
 
Для поиска гравитационных волн был создан проект LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), в который входят два крупных лазерных интерферометра, расположенных в США, в штатах Луизиана и Вашингтон. Аппараты состоят из двух перпендикулярно расположенных равновеликих плечей, длина которых — четыре километра. Колебания пространства-времени вызывают последовательное увеличение и уменьшение пространства, изменение которого не возможно зарегистрировать традиционными эталонами длины, поскольку их длина тоже изменяется, а время, за которое свет преодолевает это расстояние изменяется, поскольку скорость света постоянная. На этом эффекте и построен LIGO.
 
Самые оптимистичные прогнозы давали шанс телескопу отслеживать три сигнала в год, пессимистичные — лишь одно событие в течение нескольких лет. Чувствительность обновленной версии телескопа (advanced LIGO) позволяла отслеживать большее количество сигналов, но это, конечно, не означало, что ученые смогли бы ловить сигналы ежегодно — ведь взаимодействие звезд и черных дыр носит весьма вероятностный характер.
 
В результате, 14 сентября 2015 года в 09:50:45 UTC два детектора LIGO (сначала в Луизиане, а через 7 мсек в Вашингтоне)  наблюдали гравитационно-волновой сигнал GW150914 с возрастающей частотой от 35 Гц до 250 Гц и амплитудой деформации метрики в 1x10-21 (метрика - это то, что описывает геометрические свойства пространства). Сигнал соответствовал предсказаниям Общей Теории Относительности для слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечных. Изначально две дыры находились чрезвычайно близко друг от друга – на расстоянии 350 км (при том что радиус Шварцшильда для них порядка 210 км). На протяжении 0.2 секунды две вращающиеся вокруг друг друга черные дыры сблизились из-за потери энергии вращения за счет гравитационного излучения и слились в одну черную дыру. Однако суммарная масса этой новой черной дыры оказалась на 3 солнечной массы меньше, чем сумма двух старых — энергия была излучена в гравитационных волнах. Расстояние (фотометрическое) до источника оценивается в 1,3 млрд. световых лет. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.
 
 
В составе коллаборации работают и две научные группы из России: группа Валерия Митрофанова с кафедры физики колебаний физического факультета МГУ, а также группа Александра Сергеева из Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде. В усовершенствование раннего варианта антенны (initial LIGO) непосредственный вклад внесла группа отечественных ученых, работающих под руководством Владимира Брагинского и предложивших, в частности, заменить нити, удерживающие массы, со стальных на кварцевые, какие впоследствии и были использованы в современной установке (advanced LIGO). Да и сама идея лазерного детектирования расстояния между детекторами также была выдвинута в 1962 году в МГУ.
 
Мы гордимся выпускниками физического факультета НГУ Сергеем Клименко и Юрием Миненковым, которые принимали непосредственное участие в работе коллаборации LIGO.