Эксперимент за $300 млн дал отрицательный полезный результат

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.