В феврале 2016 года ученые, работающие в лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), вошли в историю, объявив о первом в истории обнаружении гравитационных волн. С того времени было проведено множество обнаружений, и научное сотрудничество между обсерваториями, такими как Advanced LIGO и Advanced Virgo, обеспечивает беспрецедентный уровень чувствительности и обмена данными.
Первое обнаружение гравитационных волн не только стало историческим достижением, но и открыло новую эру астрофизики. Неудивительно поэтому, что три исследователя, которые были центральными для первого обнаружения, были удостоены Нобелевской премии по физике 2017 года. Эта премия была присуждена заслуженному профессору Калифорнийского технологического института Кипу С. Баришу вместе с заслуженным профессором Массачусетского технологического института Райнером Вайсом
Проще говоря, гравитационные волны - это пульсации в пространстве-времени, которые формируются крупными астрономическими событиями, такими как слияние двойной пары чёрных дыр. Впервые они были предсказаны более чем столетней назад теорией общей теории относительности Эйнштейна, которая указала, что массивные возмущения изменят структуру пространства-времени. Однако, только в последние годы, свидетельство этих волн наблюдалось впервые.
Первый сигнал был обнаружен двумя обсерваториями LIGO - в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана, соответственно, - и прослежен до слияния черных кротов на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. На сегодняшний день было проведено четыре обнаружения, все из которых были связаны со слиянием пар чёрных дыр. Это произошло 26 декабря 2015 года, 4 января 2017 года и 14 августа 2017 года, причем последнее было обнаружено LIGO и детектором гравитационно-волновой волны Европейской Девы.
За роль, которую они сыграли в этом достижении, половина премии была присуждена совместно Барри С. Барышу из Калифорнийского технологического института - профессору физики Рональда и Максин Линде, почетному профессору - и Кипу Торну, профессору теоретической физики Ричарду П. Фейнману Почетный. Другая половина была вручена Райнеру Вейссу, профессору физики, заслуженному в Массачусетском технологическом институте (MIT).
Как сказал президент Caltech Томас Ф. Розенбаум - президентский председатель Соня и Уильям Давидов и профессор физики - в недавнем заявлении Caltech для прессы:
«Для меня большая честь поздравить Кипа и Барри, а также Рай Вайса из Массачусетского технологического института с наградой сегодня утром Нобелевской премии по физике 2017 года. Первое прямое наблюдение гравитационных волн с помощью LIGO является необычайной демонстрацией научного видения и настойчивости. За четыре десятилетия разработки изысканно чувствительных приборов, расширяющих возможности нашего воображения, мы теперь можем увидеть космические процессы, которые ранее были не обнаружимы. Это действительно начало новой эры в астрофизике ».
Это достижение было тем более впечатляющим, учитывая, что Альберт Эйнштейн, который первым предсказал их существование, полагал, что гравитационные волны будут слишком слабыми для изучения. Однако к 1960-м годам достижения в области лазерных технологий и новое понимание возможных астрофизических источников заставили ученых прийти к выводу, что эти волны действительно могут быть обнаружены.
Первые детекторы гравитационных волн были созданы Джозефом Вебером, астрофизиком из Университета Мэриленда. Его детекторы, которые были построены в 1960-х годах, состояли из больших алюминиевых цилиндров, которые должны были вибрировать, пропуская гравитационные волны. Последовали другие попытки, но все они оказались безуспешными; побуждение к переходу на детектор нового типа, включающий интерферометрию.
Один из таких приборов был разработан Вайсом в Массачусетском технологическом институте, который опирался на технику, известную как лазерная интерферометрия. В приборе такого типа гравитационные волны измеряются с помощью широко разнесенных и разнесенных зеркал, которые отражают лазеры на большие расстояния. Когда гравитационные волны приводят к тому, что пространство растягивается и сжимается до бесконечно малых величин, оно вызывает незначительное смещение отраженного света внутри детектора.
В то же время Торн - вместе со своими учениками и докторами в Калифорнийском технологическом институте - начал работать над улучшением теории гравитационных волн. Это включало новые оценки силы и частоты волн, создаваемых такими объектами, как черные дыры, нейтронные звезды и сверхновые. Кульминацией этого стала статья 1972 года, которую Трон опубликовал совместно со своим учеником Биллом Прессом, в которой обобщено их видение того, как можно изучать гравитационные волны.
В том же году Вайс также опубликовал подробный анализ интерферометров и их потенциала для астрофизических исследований. В этой статье он заявил, что крупномасштабные операции - размером в несколько километров или более - могут иметь целью обнаружение гравитационных волн. Он также определил основные проблемы для обнаружения (такие как вибрации от Земли) и предложил возможные решения для противодействия им.
В 1975 году Вайс пригласил Торна выступить на заседании комитета НАСА в Вашингтоне, округ Колумбия, и они провели всю ночь, обсуждая гравитационные эксперименты. В результате их разговора Торн вернулся в Калте и предложил создать экспериментальную гравитационную группу, которая будет работать над интерферометрами параллельно с исследователями из Массачусетского технологического института, Университета Глазго и Университета Гархинг (где проводились аналогичные эксперименты).
Разработка первого интерферометра началась вскоре после этого в Калтехе, что привело к созданию 40-метрового (130-футового) прототипа для проверки теорий Вейса о гравитационных волнах. В 1984 году вся работа, проводимая этими соответствующими учреждениями, объединилась. Caltech и MIT при поддержке Национального научного фонда (NSF) сформировали сотрудничество LIGO и начали работу над двумя его интерферометрами в Хэнфорде и Ливингстоне.
Строительство LIGO было серьезной проблемой, как с технической, так и с технической точки зрения. Тем не менее, вещи очень помогли, когда в 1994 году Барри Бэриш (тогда физик элементарных частиц из Калифорнийского технологического института) стал главным исследователем (PI) LIGO. После десятилетия зашедших в тупик попыток он также стал директором LIGO и возобновил строительство. , Он также расширил исследовательскую группу и разработал подробный план работы для NSF.
Как указал Бариш, работа, которую он сделал с LIGO, была воплощением мечты:
«Я всегда хотел быть физиком-экспериментатором, и меня привлекла идея использовать постоянные достижения в технологиях для проведения фундаментальных научных экспериментов, которые иначе не могли быть сделаны. ЛИГО является ярким примером того, чего нельзя было сделать раньше. Хотя это был очень масштабный проект, проблемы сильно отличались от того, как мы строим мост или выполняем другие крупные инженерные проекты. Задача LIGO заключалась и заключается в том, как разрабатывать и проектировать передовые измерительные приборы в больших масштабах, даже когда проект развивается ».
К 1999 году строительство на обсерваториях LIGO было завершено, а к 2002 году LIGO начал получать данные. В 2008 году началась работа по усовершенствованию оригинальных детекторов, известных как Advanced LIGO Project. Процесс преобразования 40-метрового прототипа в существующие 4-километровые (2,5 мили) интерферометры LIGO был масштабным мероприятием, и поэтому его необходимо разбить на этапы.
Первый шаг был сделан между 2002 и 2010 годами, когда команда создала и проверила первоначальные интерферометры. Хотя это не привело к каким-либо обнаружениям, оно продемонстрировало основные концепции обсерватории и позволило устранить многие технические препятствия. Следующая фаза - Advanced LIGO, которая проходила в период между 2010 и 2015 годами, позволила детекторам достичь новых уровней чувствительности.
Эти обновления, которые также происходили под руководством Бариша, позволили разработать несколько ключевых технологий, которые в конечном итоге сделали возможным первое обнаружение. Как объяснил Бариш:
«На начальном этапе LIGO, чтобы изолировать детекторы от движения Земли, мы использовали систему подвески, состоящую из зеркал испытательной массы, подвешенных на проволоке для фортепиано, и использовали многоступенчатый набор пассивных амортизаторов, аналогичных в твоей машине. Мы знали, что это, вероятно, будет недостаточно для обнаружения гравитационных волн, поэтому мы в Лаборатории LIGO разработали амбициозную программу для Advanced LIGO, которая включала в себя новую систему подвески для стабилизации зеркал и систему активной сейсмоизоляции для определения и исправления. наземные движения. »
Учитывая, насколько Торн, Вайс и Бариш занимались изучением гравитационных волн, все трое были по праву признаны лауреатами Нобелевской премии по физике в этом году. И Торн, и Бэриш были уведомлены о том, что они выиграли в ранние утренние часы 3 октября 2017 года. В ответ на эту новость оба ученых наверняка отметят текущие усилия ЛИГО, научных команд, которые внесли свой вклад, и усилия Caltech и MIT по созданию и поддержанию обсерваторий.
«Приз по праву принадлежит сотням ученых и инженеров LIGO, которые создали и усовершенствовали наши сложные гравитационно-волновые интерферометры, и сотням ученых LIGO и Virgo, которые нашли сигналы гравитационных волн в шумных данных LIGO и извлекли информацию о волнах, - сказал Торн. «К сожалению, из-за устава Нобелевского фонда приз должен быть вручен не более чем трем людям, когда наше чудесное открытие - работа более тысячи человек».
«Для меня большая честь получить эту награду, - сказал Бариш. «Обнаружение гравитационных волн - это действительно триумф современной крупномасштабной экспериментальной физики. В течение нескольких десятилетий наши команды в Caltech и MIT превратили LIGO в невероятно чувствительное устройство, которое сделало открытие. Когда сигнал достиг LIGO от столкновения двух звездных черных дыр, которое произошло 1,3 миллиарда лет назад, научное сотрудничество LIGO с 1000 учеными смогло в течение нескольких минут идентифицировать событие-кандидата и провести детальный анализ, который убедительно продемонстрировал, что гравитационные волны существовать."
Забегая вперед, также становится ясно, что Advanved LIGO, Advanced Virgo и другие обсерватории гравитационных волн по всему миру только начинают работать. В дополнение к обнаружению четырех отдельных событий недавние исследования показали, что обнаружение гравитационных волн может также открыть новые границы для астрономических и космологических исследований.
Например, недавнее исследование, проведенное группой исследователей из Центра астрофизики Монаш, предложило теоретическую концепцию, известную как «память сирот». Согласно их исследованиям, гравитационные волны не только вызывают волны в пространстве-времени, но и оставляют постоянную рябь в своей структуре. Изучая «сирот» прошлых событий, гравитационные волны можно изучать как по мере того, как они достигают Земли, так и после их прохождения.
Кроме того, в августе было опубликовано исследование группы астрономов из Центра космологии Калифорнийского университета в Ирвине, которое показало, что слияния черных дыр встречаются гораздо чаще, чем мы думали. После проведения исследования космоса, предназначенного для расчета и классификации черных дыр, команда UCI определила, что в галактике может быть до 100 миллионов черных дыр.
Другое недавнее исследование показало, что сеть детекторов гравитационных волн Advanced LIGO, GEO 600 и Virgo также может быть использована для обнаружения гравитационных волн, создаваемых сверхновыми. Обнаружив волны, создаваемые звездами, которые взрываются в конце их продолжительности жизни, астрономы могут впервые увидеть внутри сердца коллапсирующих звезд и исследовать механизм образования черной дыры.
Нобелевская премия по физике является одной из самых высоких наград, которые могут быть вручены ученому. Но даже больше, чем это знание о том, что великие вещи были результатом собственной работы. Спустя десятилетия после Торна, Вейсса и Бариша начали предлагать исследования гравитационных волн и, работая над созданием детекторов, ученые со всего мира делают глубокие открытия, которые революционизируют наш взгляд на Вселенную.
И, как эти ученые наверняка подтвердят, то, что мы видели до сих пор, является лишь верхушкой айсберга. Можно представить, что где-то Эйнштейн тоже сияет от гордости. Как и другие исследования, относящиеся к его теории общей теории относительности, исследование гравитационных волн демонстрирует, что даже спустя столетие его предсказания все еще не оправдались!
И обязательно посмотрите это видео с пресс-конференции Caltech, где Бариш и Торн были удостоены чести за свои достижения:
