Долгие годы и огромные деньги, потраченные на поиск гравитационных волн, дали первый полезный результат. Волны по-прежнему не найдены, однако громкость вселенской какофонии, оставшейся от Большого взрыва, впервые удалось оценить напрямую. Услышать настоящие мелодии космоса ученые надеются после 2014 года.

Общая теория относительности сходу объяснила медленный поворот орбиты Меркурия и сделала предсказание об отклонении световых лучей Солнцем, на проверку которого потребовалось три года. Следующего классического опыта – измерения замедления времени в поле тяжести – пришлось ждать почти полвека, однако и этот экзамен эйнштейновская гравитация сдала. Сейчас теорией пользуются не только при астрономических расчетах, но и в быту – например, точное определение координат с помощью систем GPS или ГЛОНАСС невозможно без учета релятивистских эффектов в движении спутников.

Гравитационные волны

Есть, однако, одно предсказание, которое пока так и не сбылось. Теория относительности утверждает, что массивные тела способны испускать гравитационные волны – малюсенькие, едва заметные возмущения геометрии пространства-времени, которые распространяются со скоростью света. Точно так же движущиеся заряды испускают электромагнитные волны – например, свет или радиосигналы.

Косвенно гравитационные волны удалось найти 25 лет назад – по наблюдениям медленного усыхания орбиты двойного пульсара из-за потерь энергии на излучение этих самых волн. За эту работу Рассел Халз и Джозеф Тейлор получили Нобелевскую премию по физике 1993 года. Однако прямого подтверждения нет, и экспериментаторы ищут гравитационные волны уже почти полвека.

Для физиков это дело чести – прямое обнаружение последнего неподтвержденного предсказания эйнштейновской теории вполне потянет и на второго «Нобеля». Для астрономов гравитационные волны – новое окно в окружающий мир, которое позволит изучать процессы, совершенно недоступные другим наблюдательным методикам. Последние в абсолютном большинстве, основаны на детектировании электромагнитных волн, будь то свет, радио или рентгеновские лучи.

Однажды возникшие гравитационные волны практически невозможно погасить – они так и летят со скоростью света, не поглощаясь и не отклоняясь. Более того, гравитационные волны могли и даже должны были появиться в самом начале существования нашей Вселенной, в первые мгновения после Большого взрыва. Свет тогда излучать было просто нечему, да он до нас и не дошел бы – начало жизни Вселенной надежно скрыто от нас горячей плазмой, рассеявшейся лишь через 300-400 тысяч лет после Большого взрыва.

Ничтожный эффект

Несмотря на радужные перспективы, поиск гравитационных волн до сих пор был длительной историей разочарований. Дело в том, что зафиксировать их невероятно сложно. Подобно радиоволне, гоняющей в антенне свободные электроны взад-вперед, гравитационная волна смещает свободные массы в детекторе (точнее, изменяет расстояние между ними) – но лишь на крохотную величину. Теоретики полагают, что типичная амплитуда гравитационной волны – порядка 10^-24, или одна триллионная доля от триллионной доли. Именно с такой точностью предлагается измерять расстояния.

Как бы ни было удивительным, но желающие провести такие измерения находятся. Более того, в конце XX века профессор Кип Торн из Калифорнийского технологического института и его коллеги смогли убедить американский Национальный научный фонд финансировать предприятие по поиску неуловимых колыханий пространства-времени. Не без приключений и задержек строительство Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO (англ. Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) началось, и к настоящему времени на этот проект потрачено уже почти $400 млн.

Предмет насмешек

Долгие годы эксперименты по поиску гравитационных волн оставались предметом незлобивых насмешек со стороны ученых из других областей науки. Все уже даже свыклись с мыслью, что гравитационные волны никак не обнаружат. Ходит, к примеру, анекдот, что последний слайд докладов коллаборации LIGO – «Гравитационные волны будут гарантированно обнаружены через восемь лет» – не меняется уже полтора десятилетия.

Однако даже необнаружение волн – важный результат, так как некоторые теории ранней Вселенной предсказывают четкий сигнал на определенном уровне. Если на предсказанном уровне сигнала нет – значит, данную теорию можно списывать в утиль. Проблема в том, что прямые ограничения, которые до сих пор давала LIGO, не могли соперничать с косвенными, которые накладывали другие методики – более привычные и значительно более дешевые, чем детектор гравитационных волн.

Многозначительное отсутствие

Неудивительно, что результатам, опубликованным в последнем номере Nature, коллаборация LIGO и присоединившиеся к ним европейские коллеги из подобной коллаборации Virgo придают такое большое значение. Возможно, вечером в среду они даже устроили вечеринку и наполнили бокалы шампанским. И это несмотря на то что гравитационные волны по-прежнему не найдены.

Гравитационно-волновая индустрия достигла очень важной черты – точность прямых измерений LIGO впервые превзошла точность всех косвенных ограничений, имевшихся прежде. После почти двух лет совместной работы двух интерферометров LIGO в американском штате Вашингтон и одного интерферометра в штате Луизиана ученые на 25% снизили планку допустимой мощности фона гравитационных волн, сохранившихся во Вселенной с первых минут после Большого взрыва.

Эти волны самых разных амплитуд, частот и направлений в сумме дают своего рода шум в яркости лазерных лучей, который детектируют интерферометры LIGO. Эта вселенская какофония гораздо тише внутреннего шума в детекторе, и чтобы выделить ее, ученые сравнивали данные интерферометров в Вашингтоне и Луизиане: внутренний шум у каждого интерферометра свой, а вселенский сигнал – один на всех.

Никакого сигнала в окрестности частоты 100 Гц, где система наиболее чувствительна (это определяется расстоянием между интерферометрами), обнаружено не было. Выражаясь технически, плотность энергии гравитационных волн в этой области частот не превышает 0,0007% от средней плотности Вселенной. Но ученые теперь могут уверенно сказать «Шшш!..» всякому теоретику, который осмелится утверждать, что громкость гравитационной какофонии должна быть выше. А заодно и скептикам, утверждавшим, что миллионы долларов потрачены напрасно.

Волны впереди

Полтора месяца назад начался очередной, шестой, этап записи научных данных. По его итогам чувствительность к реликтовому шуму должна улучшиться еще в несколько раз. Кто знает, может, через пару лет мы сможем услышать в этом шуме вибрации космических струн или поймем, из-за чего Вселенная так быстро расширялась в первые мгновения своей жизни. Впрочем, более или менее принятые (хотя и экспериментально не проверенные) теории раннего прошлого нашего мира оставляют мало шансов на такой результат.

Ученые тем временем уже готовятся запустить Advanced LIGO – значительно усовершенствованную версию той же системы, в которой важную роль будут играть и установки за пределами Соединенных Штатов. Ее чувствительность будет на 3-4 порядка лучше, чем у LIGO, и помимо какофонии она должна будет найти и мелодический сигнал – партии отдельных черных дыр и нейтронных звезд в окрестностях Солнца. Их отсутствие будет означать серьезные проблемы для самой теории относительности.

Эксперимент должен начаться в 2014 году. Дадим коллаборации LIGO/Virgo пару лет на запись данных и год на обработку результатов – получим 2017 год. Иными словами, «Гравитационные волны будут гарантированно обнаружены через восемь лет». Последний слайд не меняется.