Нобелевскую премию по физике присудили за изучение гравитационных волн

Лауреатами Нобелевской премии по физике за 2017 год стали американцы Кип Торн, Райнер Вайсс и Барри Бэрриш — основатели лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, благодаря которой удалось экспериментально подтвердить существование гравитационных волн.

В проекте LIGO принимали участие более тысячи ученых из двух десятков стран. "Все вместе они реализовали пятидесятилетнюю мечту многих ученых", — говорится в сообщении Нобелевского комитета.

Существование таких волн предсказывал еще Альберт Эйнштейн в 1916 году, но обнаружить их удалось только столетие спустя — в сентябре 2015 года исследователи зафиксировали всплеск гравитационных волн, порожденных сливающимися черными дырами общей массой в 53 Солнца.

"Потребовалось 1,3 миллиарда лет, чтобы волны дошли до детектора LIGO в США", — отмечает Нобелевский комитет.

О своем открытии ученые объявили только в феврале 2016 года. А поскольку Нобелевский комитет принимает заявки на премию до 31 января, это не позволило Торну, Вайссу и Бэрришу получить "нобелевку" в прошлом году, хотя уже тогда они считались главными претендентами.

Полувековая мечта

Гравитационные волны можно представить себе на примере кругов на воде от брошенного камня — только "камнем" в таком случае будет черная дыра, а "водой" — пространство-время нашей Вселенной. То это рябь пространства, распространяющаяся во времени со скоростью света.

Почти любое событие, сопровождающееся ускоренным передвижением массы, порождает гравитационные волны. Однако гравитация — очень слабое взаимодействие, амплитуда ее волн чрезвычайно мала. Поэтому для изучения таких волн нужно поймать сигнал от массивных объектов — пульсаров, черных дыр, сверхновых. Но эти явления в нашей Галактике очень редки, а сигнал, проходящий огромные расстояния, значительно затухает.

В 2002 году по проектам Торна, Вайсса и Рональда Древера в обсерватории LIGO был построен детектор, представляющий собой четыре зеркала (каждое 34 сантиметра в диаметре), закрепленные на концах двух перпендикулярных труб. Чтобы избавить зеркала от вибраций, их поместили на несколько подвесов. Система находится в глубоком вакууме, чтобы свет не мог рассеяться на случайных частицах. При прохождении гравитационной волны зеркала начинают колебаться. Свет отражается от них, потом собирается на разделителе. Фаза света изменяется при воздействии гравитационной волны, что и регистрирует интерферометр.

Первоначально проекту LIGO не удалось обнаружить предсказанные Эйнштейном колебания пространства-времени, поэтому после восьми лет работу ученые отключили детектор и потратили четыре года на его обновление. И в 9:50:45 14 сентября 2015 года LIGO зарегистрировал гравитационную волну, вызванную слиянием двух черных дыр. Их масса была в 29 и 36 раз больше солнечной, а находился источник на расстоянии 1,36 миллиардов световых лет от Земли. При этом амплитуда колебаний, достигнув детекторов, составила лишь 10-21.

Позже LIGO удалось зафиксировать еще четыре подобных события, однако их международное научное сообщество пока не признало.

Услышать шепот Вселенной

Один из нынешний лауреатов, Райнер Вайс, чей вклад в открытие называют наиболее существенным, считает, что их исследования позволили глубже заглянуть во Вселенную.

По мнению Вайсса, дальнейшее изучение гравитационных волн дает человечеству шанс увидеть то, что происходило в первые мгновения после Большого Взрыва, когда никакие другие формы излучения еще не могли существовать. Поиск и открытие "гравитационного эха" рождения Вселенной станет главной задачей для астрономов в будущем, полагает ученый.

"Черные дыры не единственный, но самый мощный источник гравитационных волн. Есть еще и нейтронные звезды, и при изучении пар этих объектов наши коллеги получили первые косвенные намеки на существование этих колебаний, за что, кстати, они получили еще одну Нобелевскую премию два десятилетия назад. Мы надеемся, что на LIGO мы увидим и эти события и те колебания, которые возникают во время коллапса сверхновых в тех случаях, если гибнущая звезда не являются идеальной сферой", — заявил физик.

Новые представления о мире

Помимо самих руководителей проекта LIGO, в создании и работе детекторов участвовали тысячи ученых из самых разных уголков мира, в том числе и из России. Большую роль в этом открытии сыграли физики из МГУ имени М.В. Ломоносова и нижегородского Института прикладной физики РАН, чью группу в LIGO до последнего времени возглавлял ныне покойный профессор Владимир Борисович Брагинский.

Как рассказал физик из МГУ Михаил Городецкий, научный директор Российского квантового центра и один из участников научной команды LIGO, открытие гравитационных волн открывает новое, уникальное окно во Вселенную и дает начало для гравитационной астрономии.

"Большинство других методов не позволяет увидеть целый ряд событий, в том числе те же столкновения черных дыр и слияния нейтронных звезд, и гравитационная астрономия позволяет нам это сделать. В ближайшее время, как мне кажется, мы увидим первые следы того, как гравитационные волны будут сопровождаться вспышками излучения в других диапазонах", — считает физик.

Кроме того, по его мнению, в будущем чувствительность детекторов LIGO будет повышена, и будут построены новые гравитационные обсерватории, способные наблюдать за самыми далекими уголками Вселенной.

Главной целью подобных наблюдений будет составление надежной карты Вселенной. Эта карта, по мнению Городецкого, поможет понять, как Вселенная устроена и как она возникла. Все это заметно обогатит и дополнит картину наших представлений о мире.