Лаборатория космических исследований

Ульяновская секция Поволжского отделения Российской Академии Космонавтики им. К. Э. Циолковского

Ульяновский Государственный Университет
Детектирование гравитационных волн

Детектирование гравитационных волн - огромное достижение международной науки и техники. Для гравитационных волн Вселенная прозрачна: они не поглощаются и не отражаются ни материей, ни полями. Стохастические гравитационные волны несут информацию о состоянии Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва, о которых пока еще ничего неизвестно.

Открывается новая эпоха в развитии физики.

Открытие гравитационных волн должно рассматриваться, как одно из важных подтверждений Общей Теории Относительности А.Эйнштейна. Однако можно ли с уверенностью сказать, что волны были обнаружены?

Общей тенденцией второй половины XX века и начала XXI стало какое-то пренебрежение основными постулатами научного метода. Основной постулат научного метода  состоит в том, что каждый  экспериментальный факт должен проходить независимую проверку на экпериментальных установках других независимых исследователей. Что же мы наблюдаем в реальности? Уже есть целая серия экспериментов, которые не могут быть подтверждены кем-то еще. К ним, например, относится открытие бозона Хиггса. Понятно, что в мире нет другой установки, способной проделать те же эксперименты. В основном это связано с гигантскими расходами на строительство таких сооружений, как адронный коллайдер.

Тоже самое относится и к  экспериментальной установке LIGO. Хотя в течение больше десяти лет существует несколько оптических интерферометров (сейчас 5), но последний результат был получен только на одном, самом дорогом и самом чувствительном. С других интерферометров подтверждения не поступало. В силу этого говорить, что надежно установлен факт регистрации, пока нельзя. Подобная история была в 60-х годах XX века, когда в США Вебером было заявлено об обнаружении гравитационных волн. Тогда результат был дезавуирован по причине недостаточной чувствительности антенны Вебера.

Теперь несколько слов по существу открытия. Вызывает некоторое недоумение связь волн с неким объектом, находящимся на расстоянии 1 миллиарда световых лет от Земли. Утверждается, что волны излучаются двумя очень массивными  черными дырами. Возникает вопрос, почему не наблюдаются волны от менее экстремальных объектов, но расположенных гораздо ближе к нам. Например, в нашей галактике Млечный путь. Расстояние до таких объектов в десять-сто тысяч раз меньше. Значит, энергия от таких источников на восемь-десять порядков должна быть больше. Если можно регистрировать волны только от таких объектов, как сливающиеся массивные черные дыры на расстояниях в миллиарды световых лет, то данный результат становится практически бесполезным. И пока ни о какой гравитационной астрономии говорить просто не приходится.

Похожая ситуация с бозоном Хиггса. Что собственно было открыто? Было установлено, что в определенном диапазоне энергий существует трудно наблюдаемый бозон с характеристиками,  похожими на требуемые теорией Хиггса. Однако обнаружение этого  бозона никак не подтверждает самого мехназма Хиггса наделения массой частиц с помощью нужного бозона. Тем не менее, Нобелевскую премию дали Хиггсу именно за предложенный им гипотетической механизм.

К этим чисто физическим  экспериментам можно добавить и целый ряд замечательных достижений XX века, которые никак не были подтверждены независимыми исследователями. Например, высадка американцев на Луну, в независимости от того была она или нет, так и не было подтверждено кем-то еще, кроме самих американцев. Это идет вразрез с  опять же научным методом. СССР высаживал аппараты на Венеру, но никто не смог повторить этот результат. Можно назвать множество таких фактов. Получается, что в последнее время мы живем в неподтвержденной Вселенной. Чем тогда хуже всевозможные сообщения об НЛО или других чудесах.  Видимо, поэтому так много скептиков различного толка сейчас существует в Интернете. 

Рекомендую замечательную статью по истории, способах регистрации и собственно подтверждению гравитационных волн. Очень все хорошо и понятно расписано.

Большое спасибо  genI3 за ссылку на содержательную статью и Полине за дополнение к моему короткому сообщению.

Астрофизик и популяризатор науки Сергей Попов объяснил, что такое гравитационные волны и как они распространяются в пространстве-времени.

— Что такое гравитационные волны?

В современных теориях гравитации пространство можно представить, как плоский ковёр, разлинованный в клеточку.  Ковёр можно по-всякому изгибать массивными телами — любое тяжелое тело искажает пространство вокруг себя. Если это тяжелое тело будет двигаться, или, к примеру, два тяжелых тела будут крутиться вокруг общего центра звезды, то они будут периодически возмущать пространство, и по пространству побежит рябь. Вот это и есть гравитационные волны.

Представьте себе, что кто-то плывет по воде, и от него по поверхности идут волны. Вот примерно так же и гравитационные волны бегут по пространству-времени.

Возмущают совсем слабо, потому что гравитация по сравнению с другими силами очень слабая. Измерить это трудно, но можно. И люди на протяжении последних 50 лет пытались это сделать. И вот, наконец, это получилось.

— То, что зафиксировать волны удалось именно сейчас, связано с появлением подходящей аппаратуры?

Да, в первую очередь это аппаратура. Детектор LIGO— это 25 лет труда, огромные суммы денег, потраченные, в первую очередь, на исследования, на создание новых технологий, на доведение этих технологий до ума и на изготовление этих потрясающе точных приборов.

— Черные дыры с этой историей связаны только потому, что это и есть массивные тела, искажающие пространство?

Для того, чтобы получить сильный сигнал, нужно не просто массивное тело, а одновременно массивное и компактное. По сути, то, что происходит — это одна черная дыра падает на другую. В этот момент тяжелые тела взаимодействуют друг с другом и двигаются почти со скоростью света, поэтому много энергии испускается сразу, за очень короткий интервал времени.

— Сколько пришлось наблюдать за черными дырами, чтобы обнаружить сливающуюся пару?

В данном случае LIGO просто повезло. Практически как только они включились, они увидели сигнал — слияние двух очень массивных черных дыр. Сигнал очень сильно зависит от массы. В этом случае удалось увидеть сигнал с очень большого расстояния.

— По мере того, как сигнал проходит через пространство-время, он ослабевает? Если явление произошло в миллиарде световых лет от Земли, то до нас он должен добраться в едва уловимом виде?

 Естественно, и поэтому тоже важно, что удалось обнаружить две очень тяжелые черные дыры.

Обычно на ссылки в тексте не все обращают внимание. Поэтому из сообщения RMR_astra видеоролик, как наиболее доходчивый вид информации, представлен отдельно.

Источником гравитационных волн стали две черные дыры массой около 30 масс Солнца каждая, которые, двигаясь на околосветовых скоростях, столкнулись, образовав одну дыру большего размера. По расчетам ученых, столкновение произошло 1,3 млрд лет (!) назад. Гравитационные волны предсказал еще Альберт Эйнштейн, но все экспериментальные попытки их обнаружить заканчивались провалом. Дело в том, что даже сильные гравитационные волны вызывают лишь крохотные изменения.

Чёрные дыры, околосветовые скорости массивных тел, 1,3 миллиарда лет ... каждый факт из мира высшей фантастики. В прошлом году физики уже сообщали о наблюдении  гравитационных волн в реликтовом космическом излучении, но тогда их результаты признали ошибкой. Несколько лет назад научный мир взбодрило сообщение о зафиксированной скорости больше скорости света в Большом адронном коллайдере, которое также оказалось результатом ошибок показаний датчиков.

Но, несмотря ни на что! Пусть были, есть и будут ошибки и заблуждения в исследовательском поиске. Для учёного так важна целеустремлённость к высокой мечте, "окрылённость" научного процесса:

Если гравитационные волны не будут опровергнуты, это откроет путь к давней мечте физиков — созданию теории великого объединения, описывающей ВСЕ виды физического взаимодействия в единых терминах и уравнениях (теория ВСЕГО бессмертна)

Мы надеемся, что это вдохновит наших студентов и молодых учёных: в физике сейчас есть много интересных и нерешенных проблем.