I ryba, i udochka5.05.2016 21:08 | S. B. Popov/GAISh, Moskva
Otkrytiya byvayut raznye. Byvayut sovsem sluchainye, v astronomii oni chasto vstrechayutsya. Byvayut sluchainye, da ne sovsem, t.k. sdelany v rezul'tate tshatel'nogo prochesyvaniya mestnosti, kak, naprimer, otkrytie Urana Vil'yamom Gershelem. Vstrechayutsya t.n. serendipicheskie otkrytiya, kogda iskali odno, a nashli drugoe. Hoteli naiti zapadnyi put' v Indiyu i Kitai, a nashli Ameriku. Ili, kto-to poehal v ekzoticheskie strany iskat' klad, a nashel novuyu bolezn' i dosele neizvestnoe plemya lyudoedov. I t.d.
Sredi vsego etogo mnogoobraziya osoboe mesto zanimayut zaplanirovannye otkrytiya. Oni osnovany na chetkom teoreticheskom predskazanii, sdelannom na osnove vazhnoi modeli. Poetomu predskazannoe ishut v pervuyu ochered' dlya togo, chtoby podtverdit' teoriyu. Syuda mozhno otnesti i otkrytie Neptuna (ego ne zrya nazyvali triumfom n'yutonovskoi mehaniki), i tochnoe izmerenie izmeneniya polozheniya zvezd vo vremya solnechnogo zatmeniya (vazhneishii moment v dokazatel'stve Obshei Teorii Otnositel'nosti), i koe-chto eshe.
Iz nedavnih otkrytii v etu kategoriyu bezuslovno popadaet registraciya bozona Higgsa. Eta chastica byla poslednim ne obnaruzhennym elementom Standartnoi modeli. Imenno dlya poiskov bozona proektirovali i stroili Bol'shoi Adronnyi Kollaider v CERNe. T.e., parametry ustanovki vo mnogom opredelyalis' model'nymi predskazaniyami o svoistvah chasticy, v pervuyu ochered' ee massy.
Pochemu dlya issledovaniya chastic nuzhno stroit' dorogie slozhnye uskoriteli? Ved' iz kosmosa k nam postoyanno priletayut chasticy ochen' vysokih energii. Seichas v potokah kosmicheskih luchei zaregistrirovany chasticy s energiyami v desyatki, i dazhe sotni, millionov raz bol'she, chem na BAKe. Delo v tom, chto etih chastic malo, i vse proishodit v nekontroliruemyh usloviyah. Pervoe vremya, primerno do serediny 20 veka, kosmicheskie luchi deistvitel'no byli vazhneishim ob'ektom issledovanii dlya fiziki chastic. No zatem fiziki nauchilis' delat' dostatochno moshnye uskoriteli, chtoby poluchat' srazu mnogo sobytii v kontroliruemyh laboratornyh usloviyah, gde my mozhem udobno razmestit' detektory, povtoryat' opyt i var'irovat' raznye parametry eksperimenta. Kosmicheskie luchi po-prezhnemu soderzhali v sebe bolee energichnye chasticy, no ih malo, poetomu poluchit' nadezhnyi rezul'tat po nim slozhno.
Dlya nachala stroitel'stva novoi dorogoi ustanovki chasto nuzhen garantirovannyi rezul'tat. (tochnee, pochti garantirovannyi, t.k. nauka eto vse-taki poisk novogo, i neozhidannosti vsegda vozmozhny. No togda uzh nado dobivat'sya togo, chtoby ne-otkrytie bylo nichut' ne menee interesnym, a mozhet byt' dazhe bolee sensacionnym rezul'tatom, chem otkrytie.) Tak chto vse parametry BAK byli rasschitany tak, chtoby ili otkryt' bozon v zaranee ustanovlennye sroki (esli net avarii), ili zhe, ne obnaruzhiv ego, poluchit' preinteresnuyu zagadku. Pohozhaya situaciya byla i s otkrytiem gravitacionnyh voln.
Esli v sluchae bozona Higgsa vazhno bylo dostich' na uskoritele bol'shoi energii chastic i bol'shoi svetimosti (t.e., bol'shogo chisla chastic), chtoby za god-dva nablyudenii tochno mozhno bylo by nabrat' dostatochno bol'shuyu statistiku. To v sluchae detektorov gravitacionnyh voln vazhno bylo dostich' dostatochnoi chuvstvitel'nosti, chtoby kakie-to iz potencial'nyh istochnikov gravitacionno-volnovyh vspleskov za god-dva nablyudeniya tochno dali dostatochnoe chislo sobytii dlya nadezhnogo zayavleniya o registracii signala.
Novoe pokolenie detektorov
Gravitacionnye volny tradicionno nazyvayut predskazaniem Obshei Teorii Otnositel'nosti. Eto i v samom dele tak. Hotya seichas takie volny est' vo vseh modelyah, al'ternativnyh OTO ili zhe dopolnyayushih ee. Konechnost' skorosti rasprostraneniya gravitacionnogo vzaimodeistviya privodit k poyavleniyu voln. Takie volny eto vozmusheniya prostranstva-vremeni, rasprostranyayushiesya ot istochnika. Skorost' ih v OTO v tochnosti ravna skorosti sveta, no v drugih modelyah mozhet nemnogo otlichat'sya v tu ili druguyu storonu.
Dlya togo, chtoby voznikli gravvolny, neobhodimo, chtoby istochnik opredelennym obrazom pul'siroval ili uskorenno dvigalsya (naprimer, ne podhodyat dvizheniya s ideal'noi sfericheskoi ili cilindricheskoi simmetriei). Takih istochnikov massa. No chasto u nih malen'kaya massa. Nedostatochnaya dlya togo, chtoby porodit' moshnyi signal. Ved' gravitaciya samoe slaboe iz chetyreh fundamental'nyh vzaimodeistvii, poetomu zaregistrirovat' gravitacionnyi signal ochen' trudno.
Krome togo, dlya registracii nado, chtoby signal dostatochno bystro menyalsya vo vremeni, t.e. imel dostatochno vysokuyu chastotu. Inache nam ne udastsya ego zaregistrirovat', t.k. izmeneniya budut slishkom medlennymi. Znachit, ob'ekty dolzhny byt' eshe i kompaktnymi.
Itak, nam nuzhny massivnye kompaktnye ob'ekty, sovershayushie bystrye dvizheniya. Okinuv vzorom dostupnuyu chast' vselennoi, my nemedlenno prihodim k vyvodu, chto takimi istochnikami mogut byt' neitronnye zvezdy ili chernye dyry. My mozhem uvidet' ili process ih obrazovaniya, ili process vzaimodeistviya drug s drugom. Poslednie stadii kollapsa zvezdnyh yader, privodyashie k obrazovaniyu kompaktnyh ob'ektov, a takzhe poslednie stadii sliyaniya neitronnyh zvezd i chernyh dyr imeyut dlitel'nost' poryadka neskol'kih millisekund (chto sootvetstvuet chastote v sotni Gerc) - eto to, chto nado. Pri etom vydelyaetsya mnogo energii, v tom chisle (a inogda i v osnovnom!) i v vide gravvoln, t.k. massivnye kompaktnye tela sovershayut te ili inye bystrye dvizheniya. Vot oni - nashi ideal'nye istochniki!
Opredelivshis' s istochnikami, nachnem proektirovat' detektor. Dlya etogo nado ponyat', chto zhe delaet gravitacionnaya volna. Ne vdavayas' v detali, mozhno skazat', chto prohozhdenie gravitacionnoi volny vyzyvaet prilivnuyu silu. Konechno, obychnye lunnye ili solnechnye prilivy - eto otdel'noe yavlenie, i gravvolny tut ni pri chem. No esli my posmotrim na ob'ekt, podvergayushiisya deistviyu gravvoln, to v nem voznikayut imenno prilivnye sily.
My mozhem vzyat', naprimer, metallicheskii cilindr, oblepit' ego datchikami, i izuchat' ego kolebaniya. Eto neslozhno, poetomu takie ustanovki nachali delat' eshe polveka nazad (est' oni i v Rossii, seichas v Baksanskoi podzemnoi laboratorii montiruetsya usovershenstvovannyi detektor, razrabotannyi komandoi Valentina Rudenko iz GAISh MGU). Problema v tom, chto i bezo vsyakoi gravvolny takoi pribor budet videt' signal. Est' massa shumov, s kotorymi trudno borot'sya. Vy mozhete (i eto bylo sdelano!) ustanovit' vash detektor pod zemlei, popytat'sya izolirovat' ego, ohladit' do nizkih temperatur. No vse ravno, vam nuzhen ochen' moshnyi gravitacionno-volnovoi signal. A moshnye signaly prihodyat redko.
Pervonachal'no bol'shoi entuziazm vyzyvali vspyshki sverhnovyh. Oni proishodyat v galaktike vrode nashei ne tak uzhe redko - raz v neskol'ko desyatkov let. Znachit, esli vam udastsya dostich' chuvstvitel'nosti, pozvolyayushei videt' signal s rasstoyaniya v neskol'ko millionov svetovyh let, to vy mozhete rasschityvat' na paru signalov v god. Ne tak uzh malo. No okazalos', chto pervonachal'nye ocenki moshnosti vydeleniya energii v vide gravitacionnyh voln vo vremya sverhnovoi byli slishkom optimistichnymi. Esli by sverhnovaya vspyhnula v nashei Galaktike - to mozhno bylo by nadeyat'sya, no ....
Smotrite, my okazyvaemsya v neprostoi situacii. V principe, mozhno sdelat' nedorogoi detektor i prosto dolgo zhdat' signala. Pribor mozhet srabotat' zavtra, a mozhet cherez 50 let. Zato on ne dorogoi. Ili vy mozhete nachat' dumat' nad drugim - bolee slozhnym i dorogim,- ustroistvom, kotoroe budet garantirovanno videt' kak minimum neskol'ko vspleskov v god. Vse pryamo kak u Zhvaneckogo. V itoge reshili idti vtorym putem.
Esli sverhnovye vspyhivayut v Galaktike raz v neskol'ko desyatkov let, to sliyaniya neitronnyh zvezd proishodyat raz v paru desyatkov tysyach let. A chernye dyry slivayutsya drug s drugom eshe rezhe. Zato, vo-pervyh, zdes' signal gorazdo-gorazdo moshnee. A vo-vtoryh, my mozhem ego dostatochno tochno rasschitat'. T.e., neopredelennost' teoreticheskogo predskazaniya stanovitsya ochen' maloi. No teper' nam nado nauchit'sya videt' signal s rasstoyaniya v neskol'ko soten millionov svetovyh let. Tol'ko tak my naberem desyatki tysyach galaktik, sledya za kotorymi, my mozhem nadeyat'sya obnaruzhit' neskol'ko signalov za god.
Detektory tipa bolvanki s datchikami tut ne pomogut. I byla pridumala drugaya shema. Vpervye v prilozhenii k registracii gravitacionnyh voln ee obsudili Pustovoit i Gercenshtein v svoei stat'e 1962 goda. Eto lazernyi interferometr. Luch lazera begaet mezhdu zerkalami v dvuh plechah interferometra, a zatem luchi iz raznyh plech skladyvayutsya. Analiziruya rezul'tat interferencii luchei iz dvuh plech, mozhno izmerit' otnositel'noe izmenenie dlin plech (t.e. rasstoyaniya mezhdu zerkalami v raznyh plechah). Eto ochen' tochnye izmereniya, poetomu, esli pobedit' shumy, to mozhno dostich' fantasticheskoi chuvstvitel'nosti.
V nachale 90-h gg. bylo prinyato reshenie o stroitel'stve neskol'kih detektorov po takoi sheme. Pervymi v stroi dolzhny byli voiti otnositel'no nebol'shie ustanovki - eto GEO600 v Evrope i TAMA300 - v Yaponii. Chisla sootvetstvuyut dline plech v metrah. Na etih ustanovkah dolzhny byli obkatat' tehnologii. Nu i, konechno zhe, im moglo povezti i togda oni sovershili by vazhneishee otkrytie. No osnovnymi igrokami dolzhny byli stat' ustanovki LIGO v SShA i VIRGO v Evrope. Zdes' razmer pribora uzhe izmeryaetsya kilometrami, a okonchatel'naya planovaya chuvstvitel'nost' dolzhna byla by pozvolit' videt' desyatki, esli ne sotni sobytii v god.
Pochemu nado neskol'ko priborov? V pervuyu ochered', chtoby proveryat' drug druga. Vspomnim, chto, hotya BAK odin, no tam rabotaet neskol'ko eksperimentov. I dlya registracii Higgsa bylo kraine vazhno, chto chasticu videli v dvuh eksperimentah. V sluchae gravvoln eto eshe vazhnee, t.k. est' mnogo lokal'nyh shumov (naprimer, svyazannyh s seismikoi). I odnovremennaya registraciya na severo-zapade SShA i v Italii byla by prekrasnym svidetel'stvom togo, chto eto kakoi-to vneshnii signal.
No est' i vtoraya prichina. Delo v tom, chto gravitacionno-volnovye detektory ochen' ploho opredelyayut napravlenie na istochnik. Primerno, kak my ploho opredelyaem napravlenie istochnika zvuka: Gde-to tam, sleva. I vse. A vot esli oprosit' dvuh-treh svidetelei, slyshavshih zvuk vystrela, nahodyas' na znachitel'nom rasstoyanii drug ot druga, to mozhno budet dovol'no tochno opredelit' napravlenie.
Ustanovki dolgo proektirovali i stroili. Dolgo uchilis' borot'sya s shumami i analizirovat' dannye. Eto vse ochen' slozhnye zadachi, poetomu i LIGO, i VIRGO - eto bol'shie mezhdunarodnye kollaboracii s sotnyami uchastnikov, a otdel'nye chasti oborudovaniya izgotovlyalis' v raznyh stranah (v tom chisle i v Rossii). Krome togo, nado bylo tochnee rasschitat' i ozhidaemoe kolichestvo sobytii, i formu signala. Chem tochnee my znaem formu - tem proshe nam raspoznat' vsplesk. Eto znaet kazhdyi, kto noch'yu smotrit televizor na malen'koi gromkosti, chtoby ne razbudit' drugih. Poka geroi govoryat izvestnye vam slova vse horosho. No kak tol'ko oni proiznosyat, naprimer, ch'e-to neznakomoe vam imya ili nazvanie kakogo-nibud' ekzoticheskogo mesta, o kotorom vy nikogda ne slyshali vse propalo. Vy uzhe ne mozhete razobrat', chto zhe tochno oni proiznesli.
Ustanovki nachinayut rabotu
V svoem pervonachal'nom vide detektory LIGO byli postroeny v 2002 g., a VIRGO - v 2003. Po planu eto byl lish' pervyi etap. Vse ustanovki porabotali po neskol'ko let, a v 2010-2011 oni byli ostanovleny dlya apgreida, chtoby zatem vyiti na planovuyu vysokuyu chuvstvitel'nost'.
Pervymi zarabotali detektory LIGO v sentyabre 2015 g. VIRGO dolzhen prisoedinit'sya vo vtoroi polovine 2016 g. Nachinaya s etogo etapa chuvstvitel'nost' pozvolyaet nadeyat'sya na registraciyu kak minimum neskol'kih sobytii v god. Vazhno ogovorit'sya, chto zdes' rech' idet o chistom rabochem vremeni, k tomu zhe, kogda odnovremenno rabotaet hotya by dve ustanovki. Kak by to ni bylo, nachinaya s oseni 2015 g. stavki stali ochen' vysoki, i nemedlenno popolzli sluhi, chto signal est'.
Zdes' stoit otvlech'sya, chtoby eshe raz podcherknut' odnu vazhnuyu vesh': naskol'ko tshatel'no v LIGO otnosyatsya k rezul'tatam i ih analizu. My uzhe skazali, chto v techenie dolgogo vremeni bol'shaya gruppa uchenyh rabotala nad raznymi tehnologiyami, borolas' s shumami i pytalas' luchshe ih ponyat'. Tshatel'no proschityvalas' ozhidaemaya forma signala. Razrabatyvalis' raznye algoritmy dlya vyyavleniya v dannyh gravitacionno-volnovyh vspleskov ot sliyanii kompaktnyh ob'ektov. Voobshe, analiz dannyh s etih ustanovok ochen' slozhen. Ispol'zuetsya neskol'ko raznyh podhodov, kotorye v konce dolzhny davat' shozhie rezul'taty, esli obnaruzhen real'nyi vsplesk. I eto bylo provereno!
Neskol'ko let nazad rukovoditelyami proekta v potok analiziruemyh dannyh byl podbroshen fal'shivyi vsplesk. Eto bylo sdelano, chtoby v real'nyh usloviyah proverit', kak srabotaet analiz. I vse proshlo velikolepno. Predstav'te, kakim stressom bylo potom uznat', chto obnaruzhennoe vami sobytie - eto lish' testovoe ispytanie vashei raboty, a ne nastoyashii rezul'tat!
Itak, v sentyabre dve ustanovki LIGO nachali rabotu, i ozhidaemyi temp vspleskov sostavlyal primerno odno sobytie v mesyac. Astrofiziki zaranee ocenili, chto pervymi ozhidaemymi sobytiyami dolzhny stat' sliyaniya chernyh dyr. Svyazano eto s tem, chto chernye dyry obychno raz v 10 tyazhelee neitronnyh zvezd. Tak chto signal poluchaetsya moshnee, i ego vidno s bol'shih rasstoyanii, chto s lihvoi kompensiruet men'shii temp sobytii v raschete na odnu galaktiku.
K schast'yu, dolgo zhdat' ne prishlos'. 14 sentyabrya 2015 g. obe ustanovki zaregistrirovali prakticheski identichnye signaly. Analiz pokazal, chto sliyanie dvuh dovol'no massivnyh chernyh dyr: odna imeet massu 25-30 mass Solnca, a drugaya - 35-40 solnechnyh mass. Bol'shaya massa slivshihsya tel pozvolila zaregistrirovat' sobytie, proizoshedshee v dovol'no dalekoi galaktike: signal shel k nam primerno odin milliard trista millionov let.
Zdes' vazhno podcherknut', chto massy chernyh dyr, moshnost' signala i rasstoyanie do istochnika srazu zhe poluchayutsya iz eshe dovol'no prostogo analiza signala. U chernyh dyr massa i razmer svyazany ochen' prostym i horosho izvestnym obrazom. Po chastote, na kotoroi nablyudalsya signal my srazu mozhem skazat', kakov razmer oblasti vydeleniya energii. V dannom sluchae razmer srazu ukazyval na to, chto obrazovalas' chernaya dyra s massoi bolee 60 solnechnyh. Znaya massy, my srazu poluchaem i polnuyu energiyu vspleska. A iz izvestnoi energii i velichiny izmerennogo signala poluchaetsya rasstoyanie.
Bolee detal'nyi analiz pozvolyaet utochnit' otnoshenie mass chernyh dyr i ponyat', kak oni vrashalis' vokrug svoei osi. A takzhe opredelit' i nekotorye drugie parametry dvoinoi. Krome togo, signal s dvuh ustanovok pozvolyaet primerno opredelit' mesto na nebe, gde proizoshel vsplesk. K sozhaleniyu, poka tut tochnost' ne ochen' velika, no s vvodom v stroi obnovlennoi VIRGO tochnost' vozrastet. A eshe cherez neskol'ko let nachnet prinimat' signaly yaponskii detektor KAGRA. Zatem odin iz detektorov LIGO (iznachal'no ih bylo tri, odna iz ustanovok byla sdvoennoi) budet sobran v Indii. Nachnetsya epoha razvitoi gravitacionno-volnovoi astronomii, kogda budut registrirovat'sya mnogie desyatki sobytii v god s dostatochno tochno opredelennymi koordinatami, chtoby tuda srazu mozhno bylo napravit' moshnye teleskopy.
Chto poimaem na rybalke
Vyshe my neodnokratno sravnivali registraciyu gravvoln s otkrytiem bozona Higgsa. No est' i bol'shaya raznica: vse bozony odinakovye, a vse slivayushiesya kompaktnye ob'ekty - raznye. Esli BAK, mozhno skazat', vypolnil svoyu osnovnuyu zadachu, obnaruzhiv bozon, to dlya LIGO i VIRGO vse tol'ko nachinaetsya. Gryadet era gravitacionno-volnovoi astronomii.
Konechno, na dannyi moment samoe vazhnoe eto podtverzhdenie sushestvovaniya gravitacionnyh voln. Krome togo, uzhe pervyi vsplesk pozvolil uluchshit' ogranicheniya na massu gravitona (v OTO on imeet nulevuyu massu), a takzhe sil'nee ogranichit' otlichie skorosti gravitacii ot skorosti sveta. No uzhe v 2016 godu uchenye nadeyutsya nachat' poluchat' s pomosh'yu LIGO i VIRGO mnogo novyh astrofizicheskih dannyh.
Vo-pervyh, konechno, u nas poyavilsya novyi kanal izucheniya chernyh dyr. Esli ranee my mogli tol'ko nablyudat' potoki veshestva v okrestnostyah chernyh dyr (chashe vsego na rasstoyaniyah, prevyshayushih neskol'ko shvarcshil'dovskih radiusov), to teper' my pryamo vidim kak dyra s dyroyu govorit. My vidim process sliyaniya, i vidim, kak uspokaivaetsya obrazovavshayasya chernaya dyra, kak kolebletsya ee gorizont, prinimaya svoyu okonchatel'nuyu formu (opredelyaemuyu vrasheniem). Navernoe, vplot' do obnaruzheniya hokingovskogo ispareniya chernyh dyr (a eto ostaetsya gipotezoi!) izuchenie sliyanii budet davat' luchshuyu neposredstvennuyu informaciyu ob etih ob'ektah.
Vo-vtoryh, nablyudeniya sliyanii neitronnyh zvezd dadut mnogo novoi, kraine nuzhnoi informacii ob etih ob'ektah. Vpervye my smozhem izuchat' neitronnye zvezdy tak, kak fiziki izuchayut chasticy: nablyudat' za ih stolknoveniyami, chtoby ponyat', kak oni ustroeny vnutri. Zagadka stroeniya nedr neitronnyh zvezd volnuet i astrofizikov, i fizikov. Nashe ponimanie yadernoi fiziki i povedeniya veshestva pri sverhvysokoi plotnosti nepolno bez razresheniya etogo voprosa. Vpolne veroyatno, chto imenno gravitacionno-volnovye nablyudeniya sygrayut zdes' klyuchevuyu rol'.
Schitaetsya, chto imenno sliyaniya neitronnyh zvezd otvetstvenny za korotkie kosmologicheskie gamma-vspleski. V redkih sluchayah udastsya odnovremenno nablyudat' sobytie srazu i v gamma-diapazone, i na gravitacionno-volnovyh detektorah (Redkost' svyazana s tem, chto, vo-pervyh, gamma-signal skoncentrirovan v ochen' uzkii luch, i on ne vsegda popadaet na nas, a vo-vtoryh, ot ochen' dalekih sobytii my ne zaregistriruem gravvolny.) Vidimo, ponadobitsya neskol'ko let nablyudenii, chtoby udalos' eto uvidet' (hotya, kak obychno, mozhet povezti, i eto proizoidet pryamo segodnya). Togda, krome vsego prochego, udastsya ochen' tochno sravnit' skorost' gravitacii so skorost'yu sveta.
T.o., lazernye interferometry vmeste budut rabotat' kak edinyi gravitacionno-volnovoi teleskop, prinosyashii novye znaniya i astrofizikam, i fizikam. Nu a za otkrytie pervyh vspleskov i ih analiz budet vruchena zasluzhennaya Nobelevskaya premiya.
Kak ustroen detektor LIGO
Detektory LIGO i VIRGO - eto lazernye interferometry. Luch lazera delitsya zerkalom i popadaet v dva perpendikulyarnyh drug drugu plecha interferometra. V kazhdom iz plech stoit opticheskii rezonator, zapirayushii svet, zastavlyaya ego neskol'ko sot raz probezhat' tuda i obratno. Krome togo, special'nye zerkala ne dayut svetu popast' obratno v lazernuyu ustanovku. V konce koncov luchi sveta iz kazhdogo plecha interferiruyut drug s drugom i popadayut na fotodetektor.
Pribor nastroen takim obrazom, chtoby v rezul'tate interferencii poluchit' nol' (tochnee, pochti nol', nam nam sovsem tonkie detali seichas ne vazhny). Eto sootvetstvuet tomu, chto maksimum volny iz odnogo plecha tochno sovpadaet s minimumom iz drugogo. Teper', esli dlina plech menyaetsya, to maksimumy i minimumy perestayut sovpadat' i poyavlyaetsya nenulevoi signal.
Tut nado sdelat' otstuplenie. Neredko zadaetsya takoi vopros: esli gravitacionnaya volna rastyagivaet (ili szhimaet) plechi interferometra, to ved' ona dolzhna takzhe postupat' i so svetovymi volnami v nih. Kak zhe togda udaetsya izmerit' udlinenie ili sokrashenie, esli lineiki takzhe menyayutsya? Na etot horoshii vopros sushestvuet strogii otvet. No on dovol'no slozhnyi. Zhelayushie mogut osvoit' sootvetstvuyushii kusok teorii i prosledit' za shagami detal'nogo rascheta (naprimer, eto mozhno sdelat' v Arhive e-printov arXiv.org v stat'e Kristiana Kordy (Christian Corda) s nomerom 1103.4783). No my poprobuem dat' bolee prostye otvety, pust' i ne polnost'yu vse opisyvayushie.
Korotkii otvet sostoit v tom, chto gravvolny po-raznomu vliyayut na svet i plechi interferometra, potomu chto svet - eto bezmassovye chasticy. Vse-taki svet vsegda dvizhetsya so skorost'yu sveta. A pribor rabotaet, na samom dele, ne kak lineika, a kak chasy. Esli u nas maksimumy i minimumy letyat so skorost'yu sveta, a dlina plech menyaetsya (odno szhimaetsya, a drugoe rastyagivaetsya), to yasno, chto odnovremennost' prihoda maksimumov i minimumov narushitsya poyavitsya signal.
Mozhno rassmotret' situaciyu chut' bolee detal'no, no slegka uprostiv shemu raboty pribora. Pust' prishla gravitacionnaya volna, rastyagivayushaya odno iz plech. Legko ponyat', chto za odin prolet sveta po etomu plechu ot zerkala i obratno dlina volny vozrastet sovsem na chut'-chut': nastol'ko, naskol'ko rasstoyanie mezhdu zerkalami vozroslo za eto vremya. T.e., effekt ne nakaplivaetsya (ob etom takzhe mozhno pochitat' v Arhive v stat'e Valerio Faraoni gr-qc/0702079). V sleduyushii moment v rezonator popadet novaya porciya sveta ot lazera (s eshe ne rastyanuvsheisya volnoi), i snova za odin (ili neskol'ko) proletov dlina svetovoi volny vozrastet neznachitel'no, poskol'ku vremya proleta namnogo-namnogo men'she vremeni prohozhdeniya gravitacionnoi volny, kotoraya vse vremya menyaet dlinu plech interferometra.
Nakonec, mozhno predstavit' sebe druguyu uproshennuyu situaciyu, kogda volna imeet formu stupen'ki. Togda ona srazu menyaet svetovuyu volnu vnutri rezonatora, i v moment prihoda stupen'ki signala v samom dele net, no potom maksimumam v odnom (rastyanuvshemsya) pleche interferometra ponadobit'sya bol'she vremeni, chtoby so skorost'yu sveta dobezhat' do detektora, i minimumam v drugom (szhavshemsya) pleche - men'she. Tak chto raznica vo vremeni (!) prihoda vse ravno poyavitsya. Krome togo, budet postoyanno podbrasyvat'sya novyi svet iz lazera, kotoryi ne ispytal vliyanie volny (s etim variantom ob'yasneniya mozhno poznakomit'sya v stat'e Pitera Saulsona v American Journal of Physics).
Itak, poyavilsya signal. Chto zhe izmeryaet pribor? Izmeryaetsya tok na fotodetektore(opisanie vsei ustanovki mozhno naiti v 1411.4547). Ved' teper' na nem poyavlyaetsya izmenyayushiisya svetovoi signal, poskol'ku interferenciya bol'she ne mozhet privodit' k k kompensacii luchei iz dvuh plechei interferometra. V rezul'tate udaetsya ochen' tochno izmerit' parametry gravitacionnoi volny, kotoraya na protyazhenii desyatkov millisekund pytalas' sdvinut' zerkala. Sdvig nichtozhno malen'kii - gorazdo men'she razmera protona. No vazhno, chto izmeryaetsya ne pryamo eta kroshechnaya dlina, a horosho opredelyaemye parametry toka v fotodetektore.
Ustanovki pytayutsya izolirovat' ot vseh shumov, no oni ostayutsya. K schast'yu, shumy dostatochno izucheny. Eto i vneshnie vozdeistviya (naprimer, seismicheskie), i shum vnutri ustanovki (zerkala i ih podvesy imeyut konechnuyu temperaturu, signal lazera fluktuiruet iz-za kvantovoi prirody sveta i t.d.). V blizhaishem budushem chuvstvitel'nost' LIGO udastsya podnyat' eshe v neskol'ko raz, vo mnogom blagodarya tomu, chto udastsya luchshe borot'sya s vnutrennimi shumami.
Observatoriya LIGO schitaetsya v rabotayushem sostoyanii, tol'ko esli oba detektora prinimayut signaly. Eto pozvolyaet poborot' mnogie vneshnie shumy, t.k. vneshnee vliyaniya na dva detektora, raspolozhennyh v tysyachah kilometrov drug ot druga, razlichno. A dal'she nado iskat' signal v dannyh detektora. Eto bylo by kraine slozhno, esli by uchenye ne znali ego formu. Poetomu byli rasschitany sotni tysyach model'nyh signalov dlya sliyanii neitronnyh zvezd i chernyh dyr. I eti iskusstvennye signaly sravnivayut s tem, chto dayut detektory.
Dvoinye zvezdy i temp vspleskov
Neskol'ko desyatiletii nazad bylo okonchatel'no osoznano, chto sliyaniya dvoinyh kompaktnyh ob'ektov (neitronnyh zvezd i chernyh dyr) - eto luchshie istochniki gravitacionnyh voln s tochki zreniya perspektiv ih registracii. Poetomu nachalos' bolee aktivnoe izuchenie evolyucii tesnyh dvoinyh sistem.
Gravitacionnye volny igrayut bol'shuyu rol' v evolyucii dvoinyh. Dazhe esli my imeem delo s obychnymi zvezdami, to na nekotoroi stadii evolyucii ih vzaimodeistvie budet opredelyat'sya gravitacionnymi volnami. Effekt zdes' ochen' prostoi. Lyubaya para ob'ektov, vrashayushihsya vokrug obshego centra mass, yavlyaetsya istochnikom gravitacionnyh voln. Chem massivnee ob'ekty, i chem blizhe oni raspolozheny drug ot druga tem moshnee izluchenie. Izluchenie unosit energiyu i moment vrasheniya. V rezul'tate tela sblizhayutsya. Znachit, moshnost' izlucheniya tol'ko vozrastaet. Tak obrazuyutsya ochen' tesnye pary zvezd.
Effekt proshe nablyudat' dlya kompaktnyh ob'ektov, osobenno, esli my mozhem ochen' tochno izmeryat' parametry ih dvizheniya. Priroda sama pomogaet nam, sozdavaya radiopul'sary. Osoboe mesto zanimayut radiopul'sary v pare s drugimi neitronnymi zvezdami. Izmeryaya vremya prihoda impul'sov ot nih, my mozhem tochno izmerit' i umen'shenie orbital'nogo perioda, i drugie effekty, v tom chisle predskazyvaemye OTO.
Pervyi takoi pul'sar byl otkryt v 1974 godu Rasselom Halsom i Dzhozefom Teilorom. Eto otkrytie pozvolilo s fantasticheskoi tochnost'yu proverit' ryad predskazanie OTO i kosvenno podtverdilo sushestvovanie gravitacionnyh voln. A Hals i Teilor poluchili Nobelevskuyu premiyu po fizike.
Seichas izvestno neskol'ko sistem iz dvuh neitronnyh zvezd. Ih issledovanie pozvolyaet ocenit', kak chasto oni slivayutsya. T.e., ocenit' ozhidaemyi temp gravitacionno-volnovyh vspleskov. No est' tri no. Vo-pervyh, sistem prosto malo, a potomu analiz ne ochen' tochnyi. Vo-vtoryh, ne vse neitronnye zvezdy mogut prohodit' cherez stadiyu radiopul'sara, a potomu nado analizirovat' ves' ansambl' neitronnyh zvezd. Nakonec, u nas net nablyudatel'nyh dannyh po dvoinym sistemam iz dvuh chernyh dyr ili neitronnoi zvezdy i chernoi dyry. Poetomu neobhodimo teoreticheskoe modelirovanie.
V konce 80-h i v 90-e gg. neskol'ko grupp astrofizikov vo vsem mire aktivno zanyalis' modelirovaniem dvoinyh sistem s cel'yu opredelit' temp sliyaniya kompaktnyh ob'ektov. V nashei strane lidiruyushee mesto zanimali gruppa Aleksandra Tutukova i L'va Yungel'sona v INASAN, a takzhe gruppa Vladimira Lipunova, Konstantina Postnova i Mihaila Prohorova v GAISh MGU.
Raschety evolyucii dvoinyh sistem pokazali, chto temp sliyanii neitronnyh zvezd v raschete na odnu galaktiku tipa nashei sostavlyaet primerno raz v 20 000 let. Znachit, chtoby videt' odno sobytie v god - nado ohvatit' ob'em, soderzhashii 20 000 galaktik. Chernye dyry slivayutsya eshe rezhe, no zato ih vidno s bol'shego rasstoyaniya, t.k. oni tyazhelee. Kstati, raschety predskazyvali, chto v nachale veroyatnee uvidet' sliyanie imenno chernyh dyr, chto i proizoshlo.
Pervyi vsplesk
Posle obnovleniya ustanovki byli vklyucheny v sentyabre 2015 goda. V nastoyashee vremya predstavleny dannye za sentyabr'-oktyabr'. Togda nabralos' okolo 16 dnei chistogo vremeni, kogda v shtatnom rezhime rabotali oba detektora. Za eto vremya bylo zaregistrirovano dva signala. Odin iz nih bolee slabyi, a potomu menee nadezhnyi. Zato vtoroi dostatochno moshnyi. Tshatel'nyi analiz pokazal, chto dlya togo, chtoby takoi signal voznik v detektorah sluchaino, neobhodimo zhdat' bolee 200 000 let. Znachit, sobytie s bol'shoi veroyatnost'yu svyazano s real'nym gravitacionno-volnovym vspleskom. Ego naimenovanie GW150914, t.e. on byl zaregistrirovan 14 sentyabrya 2015 goda. Imenno eta data voshla v istoriyu.
Chastota signala i ee izmenenie srazu pozvolyayut ocenit' massy slivayushihsya ob'ektov. Eto, v svoyu ochered', pozvolyaet ocenit' moshnost' signala. A, znachit, my nemedlenno poluchaem i rasstoyanie do ob'ekta. Dalee detal'nyi analiz pozvolyaet vse utochnyat' i utochnyat' eti parametry, no kachestvenno situaciya takova. LIGO zaregistrirovala signal ot sliyaniya dvuh chernyh dyr s massami primerno 25-35 i 30-40 mass Solnca. Vsplesk proizoshel na rasstoyanii okolo 400 Mpk (chto sootvetstvuet krasnomu smesheniyu okolo 0.1, a izluchenie shlo v nam primerno odin milliard trista millionov let).
V gravitacionnoe izluchenie (po formule E=mc2) pereshlo pochti 3 massy Solnca. Eto sootvetstvuet svetimosti 1023 (edinica i 23 nulya) svetimostei Solnca. Primerno stol'ko zhe, skol'ko za eto vremya (ne zabyvaem, chto vsplesk korotkii sotye doli sekundy) izluchayut vse zvezdy v vidimoi chasti vselennoi.
K sozhaleniyu, poskol'ku detektorov vsego dva, i raspolozheny oni ne slishkom daleko drug ot druga, ne udaetsya dostatochno tochno opredelit', otkuda prishel signal (s vvodom v stroi VIRGO, a zatem i eshe odnoi ustanovki LIGO v Indii - tochnost' sil'no vozrastet). Tem ne menee, byli provedeny nablyudeniya vo vseh diapazonah, pokryvayushie tu oblast' na nebe, otkuda mog priiti signal. Krome togo, byli proanaliziovany dannye neitrinnyh teleskopov. Uvy, no nichego ne uvideli. Vprochem, v sluchae sliyaniya chernyh dyr imenno eto i ozhidalos'. Lish' komanda sputnika Fermi zayavila o tom, chto oni zametili ochen' slabyi gamma-vsplesk, primerno sovpadayushii po vremeni s GW150914, no eto mozhet byt' i sluchainym sovpadeniem.
Uzhe pervyi vsplesk dal interesnye rezul'taty. Slivshayasya para chernyh dyr eto samye massivnye ob'ekty takogo tipa sredi vseh izvestnyh. Astrofiziki teper' obsuzhdayut, kak poluchat' takie pary, i skol'ko ih mozhet byt' vo vselennoi.
Hotya eti nablyudeniya i ne mogut schitat'sya okonchatel'nym dokazatel'stvom sushestvovaniya chernyh dyr, odnako sdelan bol'shoi shag v etom napravlenii. Sliyanie proizoshlo imenno tak, kak dolzhny byli by slivat'sya chernye dyry OTO. Novye gipotezy ne nuzhny. Ya by skazal, chto stoit prekratit' zadavat'sya voprosom sushestvuyut li chernye dyry?, a pereiti k voprosu kak chernye dyry ustroeny?. Vpolne veroyatno, chto v blizhaishie gody gravitacionno-volnovye nablyudeniya okonchatel'no otbrosyat sushestvuyushie al'ternativnye modeli opisaniya takih kompaktnyh ob'ektov.
Vazhno, chto pervoe nablyudeniya gravitacionnyh voln ne tol'ko podtverzhdaet predskazanie OTO, no i otkryvaet eru gravitacionno-volnovoi astronomii. I nas zhdet eshe mnogo interesnogo.
eLISA i drugie plany na budushee
My voshli v epohu gravitacionno-volnovoi astronomii. Seichas rabotayut dva detektora LIGO. Vo vtoroi polovine 2016 g. dolzhen zarabotat' posle obnovleniya detektor VIRGO (na okonchatel'nuyu chuvstvitel'nost' pribor vyidet v 2018 g.). Zatem v stroi voidet yaponskii podzemnyi detektor KAGRA. Ozhidaetsya, chto eto mozhet proizoiti uzhe v 2018 godu. V Indii budet sobran odin iz detektorov LIGO (v nachale ih bylo tri). Zdes' vopros o srokah upiraetsya v finansirovanie, mozhno nadeyat'sya, chto uspehi rabotayushih detektorov podstegnut indiiskoe pravitel'stvo, i v 2023 g. detektor zarabotaet. Nakonec, v bolee otdalennom budushem budet sozdana gravitacionno-volnovaya ustanovka tret'ego pokoleniya. Eyu stanet Teleskop Einshteina, kotoryi seichas razrabatyvayut evropeiskie uchenye.
Vse eti ustanovki prednaznacheny dlya registracii voln na chastote chelovecheskogo golosa, t.e. dlya poiska sliyanii neitronnyh zvezd i chernyh dyr v dvoinyh sistemah. No est' i drugoi horoshii istochnik gravvoln - sverhmassivnye chernye dyry.
Neitronnye zvezdy i chernye dyry zvezdnyh mass imeyut razmery desyatki kilometrov. V processe sliyaniya oni ispuskayut gravitacionnye volny s dlinoi poryadka soten kilometrov, chto sootvetstvuet chastote v sotni gerc. Sverhmassivnye chernye dyry s massami ot neskol'kih millionov do neskol'kih milliardov mass Solnca imeyu razmery, sopostavimye s razmerami orbit planet v Solnechnoi sisteme. Takie chernye dyry nahodyatsya v centrah galaktik. Pri sliyanii galaktik (a my vidim takie sobytiya!) chernye dyry mogut obrazovat' paru, kotoraya so vremenem sol'etsya. Eto privedet k izlucheniyu gravvoln s dlinnoi v milliony i milliardy kilometrov. Kak zhe ih lovit'?
Odna ideya srazu prihodit v golovu: postroit' analog LIGO, no s rasstoyaniem mezhdu zerkalami v desyatki millionov kilometrov. Stroit' pridetsya v kosmose. Takoi proekt est' - iznachal'no on nazyvalsya LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Proekt dorogoi i slozhnyi. Iznachal'no ego hoteli vmeste stroit' NASA i ESA. No potom nachalsya krizis, a u NASA vdobavok voznikli problemy s novym kosmicheskim teleskopom (JWST). V itoge Evropeiskoe agentstvo ostalos' v odinochestve. V nachale proekt reshili uprostit', potom voobshe ne odobrili. No nakonec odobrili uproshennuyu versiyu, i ee zapusk namechen na nachalo 30-h gg.
No poka est' drugaya vozmozhnost' obnaruzhit' gravvolny ot sverhmassivnyh chernyh dyr. Na nee vpervye ukazal v 70-e gg. Mihail Sazhin v GAISh MGU. Esli my nablyudaem kakoi-to radiopul'sar (luchshe millisekundnyi eto bolee tochnye chasy), to my mozhem inogda nablyudat' sboi pul'sara, svyazannye s tem, chto my kazalis' v gravvolne. Konechno, sboi mog byt' vyzvan i chem-to drugim. No, esli my budet nablyudat' za desyatkom pul'sarov v raznyh oblastyah neba, nahodyashimisya na raznyh rasstoyaniyah ot nas, to odnovremennyi sboi u vseh etih pul'sarov uzhe trudno budet ob'yasnit' chem-to krome gravvolny, proshedshei mimo nas.
Seichas rabotaet tri mezhdunarodnyh proekta po poisku takih sobytii. V 2016 godu oni takzhe nachali publikovat' sovmestnyi analiz dannyh. Est' ser'eznye osnovaniya polagat', chto blagodarya nablyudeniyam desyatkov millisekundnyh radiopul'sarov v blizhaishie neskol'ko let budut, pust' i slegka kosvennym obrazom, zaregistrirovany gravitacionnye volny ot sliyaniya sverhmassivnyh chernyh dyr.
Stat'ya predstavlyaet soboi avtorskii rasshirennyi variant materiala, opublikovannogo v zhurnale "Populyarnaya mehanika" N5 2016 g.
Vse izobrazheniya vzyaty s saita wikipedia.org.
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
gravitacionnye volny - chernye dyry - LIGO
Publikacii so slovami: gravitacionnye volny - chernye dyry - LIGO | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
