"Наше растущее понимание Вселенной связано с масштабными исследованиями, и сейчас мы на пороге открытия чего-то, что ускользало от нас на протяжении многих лет". - Дэвид Блэр, Университет Западной Австралии
Поиски гравитационных волн — это столетняя эпопея. Они предсказываются общей теорией относительности Эйнштейна, но в течение многих лет физики спорили об их теоретическом существовании.
К 1957 году физики доказали, что они должны переносить энергию и вызывать колебания. Но было очевидно, что волны, несущие в миллион раз больше энергии, чем солнечный свет, должны вызывать колебания на уровне атомного ядра.
Создание детекторов казалось сложной задачей, но в 1960-х годах физик-новатор Джозеф Вебер из Мэрилендского университета начал разрабатывать первые детекторы. К 1969 году он заявил об успехе!
Это вызвало ажиотаж и замешательство. Как такое огромное количество энергии может сочетаться с нашими представлениями о звездах и галактиках? Началась научная золотая лихорадка.
За два года в крупнейших лабораториях по всему миру было построено десять новых детекторов. Но ничего обнаружено не было.
Этапы исследования
Нужен детектор получше
Некоторые физики опустили руки, но в течение следующих 40 лет все больше ученых пытались создать гораздо более совершенные детекторы.
К 1980-м годам в рамках международного сотрудничества было создано пять детекторов, называемых криогенными резонансными стержнями. Один из них, NIOBE, находится в Университете Западной Австралии.
Это были огромные металлические стержни, охлажденные почти до абсолютного нуля. В них использовались сверхпроводящие датчики, которые могли улавливать вибрацию в миллион раз меньшей силы, чем датчики Вебера.
Они работали на протяжении большей части 1990-х годов. Если бы в нашей галактике столкнулись две черные дыры или образовалась новая черная дыра, это можно было бы услышать по тихому звону холодных бокалов... но все оставалось без изменений.
Криогенные детекторы позволили понять, как квантовая физика влияет на измерения даже объектов размером с тонну. Детекторы заставили нас освоить новый подход к измерениям. Сегодня это направление превратилось в обширную область исследований под названием «макроскопическая квантовая механика».
Но нулевые результаты не означали, что мы зашли в тупик. Это означало, что нам нужно заглянуть дальше во Вселенную. Столкновение черных дыр может быть редким явлением в одной галактике, но оно может происходить довольно часто, если наблюдать за миллионами галактик.
Лазерные лучи помогут
Для значительного повышения чувствительности требовалась новая технология, и к 2000 году она появилась — метод, называемый лазерной интерферометрией.
Идея заключалась в том, чтобы с помощью лазерных лучей измерить малейшие колебания расстояния между зеркалами, расположенными на большом расстоянии друг от друга. Чем больше расстояние, тем сильнее вибрация! А Г-образная форма могла удвоить сигнал и подавить шум от лазера.
Несколько групп физиков, в том числе из Австралийского национального университета, много лет изучали эту технологию. Измерения с помощью лазерного луча позволили увеличить расстояние между детекторами, поэтому в США, Европе и Японии были спроектированы и построены новые детекторы размером до 4 км.
Австралийский консорциум по гравитационной астрономии построил исследовательский центр на огромной территории в Гинджине, к северу от Перта, в Западной Австралии, которая была зарезервирована для будущего детектора гравитационных волн в Южном полушарии.
Это было бы необходимо для того, чтобы с помощью триангуляции можно было определять местоположение сигналов.
Новейшие детекторы
Новые детекторы разрабатывались в два этапа. Поскольку их создание было сопряжено с серьезными технологическими трудностями, первая задача состояла в том, чтобы доказать, что лазерную технологию можно использовать на расстоянии 4 км, но при этом применять лазерное излучение относительно низкой интенсивности, что означало бы лишь несколько процентов вероятности обнаружения каких-либо сигналов.
Детекторы были помещены в самую большую в мире вакуумную систему, зеркала должны были быть в 100 раз более совершенными, чем зеркала телескопов, необходимо было свести к минимуму сейсмические колебания, а лазерный луч должен был быть самым чистым из всех существующих.
На втором этапе телескоп будет полностью перестроен: зеркала увеличатся, мощность лазера значительно возрастет, а контроль вибраций станет еще лучше. На втором этапе телескоп сможет обнаруживать слияние пар нейтронных звезд, в результате которого образуются черные дыры, примерно 20–40 раз в год.
Австралия принимала активное участие в обоих этапах американского проекта. CSIRO было поручено отполировать чрезвычайно точные зеркала, которые были основой детекторов первого этапа.
Объединение умов
В начале этого года Австралийский консорциум собрался в Гинджине, чтобы обсудить новый национальный проект.
Студенты за работой в лабораториях Gingin. Университет Западной Австралии
Часть этого проекта посвящена лазерному исследовательскому комплексу длиной 80 метров — своего рода мини-детектору гравитационных волн, который консорциум разработал на этой площадке. В ходе экспериментов изучаются физические свойства новых детекторов и, в частности, силы, возникающие при воздействии лазерного излучения.
Команда исследователей обнаружила несколько новых явлений, в том числе одно, при котором лазерные фотоны отражаются от частиц звука, называемых фононами. Это явление оказалось очень полезным, поскольку оно позволяет использовать новые диагностические инструменты для предотвращения нестабильности в работе новых детекторов.
Световые силы также можно использовать для создания «оптических стержней» — вспомните световой меч из «Звёздных войн»! Эти устройства могут улавливать больше энергии гравитационных волн, что открывает целый ряд возможностей в будущем — от полезных гаджетов до новых детекторов гравитационных волн.
Заключительные этапы открытия
Детекторы первого этапа достигли целевой чувствительности в 2006 году и, как и ожидалось, не зафиксировали никаких сигналов. Если бы они их зафиксировали, вы бы об этом знали!
Ожидается, что детекторы второго этапа начнут работать в следующем году. Австралийская команда готовится к этому событию, ведь новые детекторы изменят правила игры.
Впервые у нас есть точные прогнозы: мы знаем и силу, и количество сигналов. Нам больше не нужно надеяться на редкие и непредсказуемые события.
Мы будем наблюдать за значительной частью Вселенной и впервые сможем с уверенностью «услышать» слияние двойных нейтронных звезд и образование черных дыр.
Как только эти детекторы выйдут на полную чувствительность, мы сможем получать сигналы почти каждую неделю. Никто не знает, когда именно это произойдет. Нам предстоит научиться управлять огромными и сложными машинами.
Если вы хотите сделать ставку на дату первого обнаружения гравитационных волн, то некоторые физики поставили бы на 2016 год, а большинство — на 2017-й. Некоторые пессимисты скажут, что мы столкнемся с неожиданными проблемами, на решение которых может уйти несколько лет.
Дэвид Блэр получает финансирование от Австралийского исследовательского совета, является членом Австралийского консорциума по гравитационной астрономии и участником научного сотрудничества LIGO.