В прошлом астрономы могли видеть небо только в видимом свете, используя свои глаза в качестве рецепторов. Но что, если бы у вас были гравитационные глаза? Эйнштейн предсказал, что самые экстремальные объекты и события во Вселенной должны генерировать гравитационные волны и искажать пространство вокруг них. Новый эксперимент под названием «Лазерный интерферометр» - гравитационная волновая обсерватория (или LIGO) может сделать первое обнаружение этих гравитационных волн.
Послушайте интервью: Видеть глазами Гравитации (7,9 МБ)
Или подписаться на подкаст: universetoday.com/audio.xml
Фрейзер Каин: Хорошо, а что такое гравитационная волна?
Доктор Сэм Уолдман: Итак, гравитационная волна может быть объяснена, если вы помните, что масса искажает пространство-время. Так что, если вы помните аналогию листа, натянутого с шаром для боулинга, брошенным в середину листа, сгибая лист; где шар для боулинга представляет собой массу, а лист представляет собой пространство-время. Если вы очень быстро перемещаете этот шар для боулинга вперед и назад, вы будете создавать рябь на листе. То же самое верно для масс в нашей Вселенной. Если вы будете перемещать звезду взад-вперед очень быстро, вы получите пульсации в пространстве-времени. И эта рябь в пространстве-времени заметна. Мы называем их гравитационными волнами.
Фрейзер: Теперь, если я иду по комнате, это вызовет гравитационные волны?
Доктор Вальдман: Хорошо, так и будет. Насколько нам известно, гравитация работает на всех масштабах и для всех масс, но пространство-время очень жесткое. Так что что-то вроде моего 200-фунтового я, движущегося через мой офис, не вызовет гравитационных волн. Требуются чрезвычайно массивные объекты, движущиеся очень быстро. Поэтому, когда мы смотрим на обнаружение гравитационных волн, мы ищем объекты масштаба солнечной массы. В частности, мы ищем нейтронные звезды, которые находятся между 1,5 и 3 солнечными массами. Мы ищем черные дыры, до нескольких сотен солнечных масс. И мы ищем, чтобы эти объекты двигались очень быстро. Поэтому, когда мы говорим о нейтронной звезде, мы говорим о нейтронной звезде, движущейся почти со скоростью света. Фактически, он должен вибрировать со скоростью света, он не может просто двигаться, он должен очень быстро качаться взад-вперед. Итак, это очень уникальные, очень массивные катаклизмы, которые мы ищем.
Фрейзер: гравитационные волны чисто теоретические, верно? Они были предсказаны Эйнштейном, но их еще не видели?
Д-р Уолдман: Они не были замечены, они были выведены. Существует пульсарная система, частота которой вращается вниз со скоростью, соответствующей излучению гравитационных волн. Это PSR 1913 + 16. И что орбита этой звезды меняется. Это вывод, но, конечно, это не наблюдение непосредственно за гравитационными волнами. Однако довольно ясно, что они должны существовать. Если существуют законы Эйнштейна, если работает Общая теория относительности, и она работает очень хорошо на очень многих масштабах длины, то существуют и гравитационные волны. Их просто очень сложно увидеть.
Фрейзер: Что нужно, чтобы их обнаружить? Похоже, они очень катастрофические события. Огромные черные дыры и нейтронные звезды движутся вокруг, почему их так трудно найти?
Доктор Вальдман: В этом есть два компонента. Одна вещь состоит в том, что черные дыры не сталкиваются все время, и нейтронные звезды не трясутся в любом старом месте. Таким образом, число событий, которые могут вызвать наблюдаемые гравитационные волны, на самом деле очень мало. Сейчас мы говорим, например, о галактике Млечный Путь с одним событием, происходящим каждые 30-50 лет.
Но другая часть этого уравнения заключается в том, что сами гравитационные волны очень малы. Таким образом, они вводят то, что мы называем напряжением; это изменение длины на единицу длины. Например, если у меня есть метра длиной один метр, и гравитационная волна сожмет этот критерий, когда он пройдет. Но уровень, которым он будет давить, чрезвычайно мал. Если у меня есть 1-метровый критерий, он вызовет изменение только на 10e-21 метр. Так что это очень и очень небольшое изменение. Конечно, при наблюдении 10e-21 метров большая проблема заключается в наблюдении гравитационной волны.
Фрейзер: если бы вы измеряли длину критерия с помощью другого критерия, длина этого другого критерия изменилась бы. Я вижу, что это трудно сделать.
Доктор Уолдман: Точно, так что у вас есть проблема. То, как мы решаем проблему критерия, состоит в том, что у нас фактически есть 2 критерия, и мы формируем их в L. И способ, которым мы измеряем их, состоит в том, чтобы использовать лазер. И способ, которым мы расположили наш критерий, на самом деле в «L» длиной 4 км. Есть 2 руки, каждая длиной 4 км. И в конце каждой руки есть 4-килограммовая испытательная масса из кварца, от которой мы отскакиваем от лазеров. И когда гравитационная волна проходит через этот детектор в форме буквы «L», она растягивает одну ногу, а другую - сокращает. И это происходит, скажем, на 100 герц, в пределах звуковых частот. Поэтому, если вы слушаете движение этих масс, вы слышите жужжание при 100 Гц. Итак, что мы измеряем с помощью наших лазеров, это дифференциальная длина плеча этого большого, L-образного интерферометра. Вот почему это ЛИГО. Это лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория.
Фрейзер: Посмотрим, правильно ли я понимаю. Миллиарды лет назад черная дыра сталкивается с другой и генерирует кучу гравитационных волн. Эти гравитационные волны пересекают Вселенную и омывают Землю. Пройдя мимо Земли, они удлиняют одно из этих плеч, а они сжимают другое, и вы можете обнаружить это изменение с помощью этого лазера, отскакивающего назад и вперед.
Доктор Вальдман: Это верно. Проблема, конечно, заключается в том, что это изменение длины чрезвычайно мало. В случае наших 4-километровых интерферометров изменение длины, которое мы измеряем прямо сейчас, составляет 10e-19 метров. И, если судить по шкале, диаметр атомного ядра составляет всего 10-15 метров. Так что наша чувствительность субатомная.
Фрейзер: Итак, какие события вы должны обнаружить на этом этапе?
Д-р Уолдман: Так что это действительно захватывающая область. Аналогия, которую мы хотели бы использовать, похожа на то, как если бы мы смотрели на Вселенную с помощью радиоволн, - это когда мы смотрели на Вселенную с помощью телескопов. Вещи, которые вы видите, совершенно разные. Вы чувствительны к совершенно другому режиму Вселенной. В частности, LIGO чувствителен к этим катастрофическим событиям. Мы классифицируем наши мероприятия в 4 широких категории. Первый из них мы называем всплесками, и это похоже на формирование черной дыры. Таким образом, происходит взрыв сверхновой, и так много материи движется так быстро, что образует черные дыры, но вы не знаете, как выглядят гравитационные волны. Все, что вы знаете, это то, что есть гравитационные волны. Так что это вещи, которые происходят чрезвычайно быстро. Они длятся не более 100 миллисекунд и возникают в результате образования черных дыр.
Другое событие, на которое мы смотрим, - это когда два объекта находятся на орбите друг с другом, скажем, две нейтронные звезды, вращающиеся вокруг друг друга. В конце концов диаметр этой орбиты уменьшается. Нейтронные звезды объединятся, они упадут друг в друга и сформируют черную дыру. И на самых последних нескольких орбитах эти нейтронные звезды (имейте в виду, что это объекты, которые весят от 1,5 до 3 солнечных масс), движутся с большими долями скорости света; скажем 10%, 20% скорости света. И это движение - очень эффективный генератор гравитационных волн. Вот что мы используем в качестве нашей стандартной свечи. Это то, что, как мы думаем, мы знаем, существует; мы знаем, что они там, но мы не уверены, сколько из них уходит одновременно. Мы не уверены, как нейтронная звезда в спирали выглядит в радиоволнах или рентгеновских лучах в оптическом излучении. Поэтому немного сложно точно рассчитать, как часто вы будете видеть спираль или сверхновую.
Фрейзер: Теперь ты сможешь определить их направление?
Доктор Вальдман: У нас есть два интерферометра. На самом деле у нас есть два сайта и три интерферометра. Один интерферометр находится в Ливингстоне, Луизиана, к северу от Нового Орлеана. А наш другой интерферометр находится в восточном штате Вашингтон. Поскольку у нас есть два интерферометра, мы можем провести триангуляцию в небе. Но остается некоторая неопределенность в том, где именно находится источник. В мире есть другие компании, с которыми мы тесно сотрудничаем в Германии, Италии и Японии, и у них также есть детекторы. Таким образом, если несколько детекторов в нескольких местах видят гравитационную волну, то мы можем очень хорошо выполнить локализацию. Надежда состоит в том, что мы видим гравитационную волну и знаем, откуда она взялась. Затем мы говорим нашим коллегам по радиоастрономам и нашим коллегам по рентгеновским астрономам, а также нашим коллегам по оптическим астрономам взглянуть на эту часть неба.
Фрейзер: на горизонте есть несколько новых больших телескопов; невероятно большой и гигантски большой, и Магеллан ... большие телескопы, спускающиеся по трубе с довольно большими бюджетами. Допустим, вы можете надежно находить гравитационные волны, это похоже на то, что это добавляет новый спектр для нашего обнаружения. Если бы в некоторые из этих детекторов гравитационных волн были вложены большие средства, как вы думаете, для чего они могли бы быть использованы?
Д-р Уолдман: Как я уже говорил, это похоже на революцию в астрономии, когда радиотелескопы впервые появились в сети. Мы смотрим на совершенно другой класс явлений. Я должен сказать, что лаборатория LIGO - довольно большая лаборатория. У нас работают более 150 ученых, так что это большое сотрудничество. И мы надеемся сотрудничать со всеми оптическими и радиоастрономами по мере нашего продвижения вперед. Но немного сложно предсказать, по какому пути пойдет наука. Я думаю, что если вы говорите со многими общими релятивистами, самая захватывающая особенность гравитационных волн в том, что мы делаем нечто, называемое общей относительностью сильного поля. Это все общая теория относительности, которую вы можете измерить, глядя на звезды и галактики, очень слабая. Здесь задействовано не так много массы, она движется не очень быстро. Это на очень больших расстояниях. Принимая во внимание, что, когда мы говорим о столкновении черной дыры и нейтронной звезды, последний момент, когда нейтронная звезда падает в черную дыру, является чрезвычайно жестоким и исследует область общей теории относительности, которая просто не очень доступны с обычными телескопами, с радио, с рентгеновским излучением. Так что надежда в том, что там есть какая-то принципиально новая и захватывающая физика. Я думаю, это то, что в первую очередь мотивирует нас, это можно назвать забавой с общей теорией относительности.
Фрейзер: А когда ты надеешься сделать первое обнаружение?
Д-р Уолдман: Итак, интерферометры LIGO - все три интерферометра - которые использует LIGO, работают с расчетной чувствительностью, и в настоящее время мы находимся в середине нашего цикла S5; наш пятый научный забег, который длится год. Все, что мы делаем в течение года, это пытаемся искать гравитационные волны. Как и во многих вещах в астрономии, большинство из них это ждать и видеть. Если сверхновая не взорвется, мы, конечно же, ее не увидим. И поэтому мы должны быть в сети как можно дольше. Считается, что вероятность наблюдения какого-либо события, такого как событие сверхновой, находится в районе - при нашей нынешней чувствительности - считается, что мы будем его видеть каждые 10-20 лет. Там большой ассортимент. В литературе есть люди, которые утверждают, что мы будем видеть несколько раз в год, а затем есть люди, которые утверждают, что мы никогда не увидим что-либо из-за нашей чувствительности. И консервативный средний уровень - один раз в 10 лет. С другой стороны, мы модернизируем наши детекторы, как только этот цикл закончится. И мы повышаем чувствительность в 2 раза, что увеличило бы нашу скорость обнаружения в 2 раза. Потому что чувствительность - это радиус, а мы исследуем объем в пространстве. Учитывая коэффициент обнаружения в 8-10 раз, мы должны видеть событие раз в год или около того. И затем, после этого, мы повышаем уровень до уровня Advanced LIGO, что в 10 раз повышает чувствительность. В этом случае мы почти наверняка увидим гравитационные волны один раз в день или около того; каждые 2-3 дня. Этот инструмент разработан, чтобы быть очень реальным инструментом. Мы хотим сделать гравитационную астрономию; видеть события каждые несколько дней. Это будет как запуск спутника Swift. Как только Свифт поднялся, мы все время стали видеть гамма-всплески, и Advanced LIGO будет похожим.
