Сможем ли мы когда-нибудь… напрямую обнаружить гравитационные волны?

Согласно Эйнштейну, мы должны ожидать, что гравитационные волны будут повсюду в космосе. Так почему же они остаются одной из самых труднодоступных целей для астрономов?

Гравитация влияет на форму пространства и времени, искривляя пути света и массивные объекты. Когда нечто нарушает пространство-время с достаточной энергией, например, при взрыве суперновой или когда две черные дыры вращаются друг вокруг друга, искажение распространяется волнами. Эти волны, называемые гравитационными, очень слабы, но наличие ускоряющегося объекта с огромной массой дает надежду на их обнаружение.

Предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна в 1916 году, гравитационные волны стали целью астрономов на протяжении десятилетий. Несмотря на отсутствие прямых измерений, мы располагаем множеством косвенных свидетельств их существования, например, открытием Рассела Халса и Джозефа Тейлора в 1974 году, когда они показали, что пара уставших звезд, сближающихся друг с другом, излучает гравитационные волны в соответствии с предсказаниями Эйнштейна. Это открытие принесло им Нобелевскую премию через двадцать лет.

Положение дел в обнаружении гравитационных волн

Любой объект, вращающийся вокруг другого, излучает гравитационные волны, хотя зачастую они незначительны. Например, гравитационные волны, возникающие от вращения Земли вокруг Солнца, столь малы, что их не удается уловить. Однако более плотные объекты, такие как черные дыры или пульсары, способны на гораздо более сильные гравитационные взаимодействия, что может приводить к значительной утечке энергии.

Удивительно, но даже небольшие ассиметричные объекты могут генерировать гравитационные волны.

«Гравитационные волны, как мы их понимаем, должны быть повсюду, но их обнаружение — это совсем другая история»

, — как описывает сложность ситуации один из исследователей. Вращающаяся гладкая сфера не генерирует гравитационных волн, однако несимметричные объекты способны это делать. Например, если пульсар имеет небольшую «горку», это может привести к заметному гравитационному излучению. Взрывы суперновых также могут считаться источниками гравитационных волн.

Поймать волну

Основная трудность заключается в слабости гравитации: даже мощная гравитационная волна лишь слегка смещает атом. Длина волны гравитационного излучения часто сопоставима с размерами объектов, которые её создают. Сравните: радиоволны от пульсаров имеют длины в сантиметрах, в то время как гравитационные волны могут достигать километров.

Визитом в Лазерный интерферометр гравитационных волн (ЛИГО), самый чувствительный детектор в мире, я убедилась в том, насколько сложно уловить эти волны. ЛИГО состоит из двух детекторов, каждый из которых представляет собой букву L длиной 4 километра. Мощные лазеры направляют свет по каждой из ветвей, и, когда гравитационная волна проходит, она изменяет длину рук на величину, меньше ширины атомного ядра. Исследователи Эмбер Стувер и Габи Гонсалес пояснили, что детектор был достаточно чувствительным, чтобы измерить именно такое изменение.

Однако внешний шум, например, от землетрясений или движущихся грузовиков, может сбивать с толку детекторы. Для минимизации ложных сигналов были разработаны стратегии, включая размещение детекторов на расстоянии 3000 километров друг от друга и координацию работы с аналогичными детекторами в других странах. За шесть лет работы ЛИГО не было зафиксировано ни одной гравитационной волны, хотя астрономы утверждают, что такие события происходят только раз в 10-50 лет.

Проблема с сигналами

Исследователи гравитационных волн сталкиваются с серьезными трудностями, особенно с проектом ЛИЗА (Лазерный интерферометр космической антенны). Это совместное усилие NASA и ESA столкнулось с задержками, и обновленная версия, известная как Следующая обсерватория гравитационных волн (NGO), все еще ждет своего запуска.

NGO, основанная на тех же принципах, что и ЛИГО, планирует использовать три космических аппарата в фиксированном V-образном формировании, отделенных друг от друга на 2 миллиона километров. Данная конфигурация позволит значительно увеличить чувствительность и снизить шумы.

«Если NGO будет завершен и запущен, это станет нашим самым лучшим шансом доказать правоту Эйнштейна»

, — говорит один из ученых, надеясь на будущее открытие.

Сейчас на Земле детекторы не гарантируют, что мы когда-либо сможем наблюдать гравитационные волны, хотя я настроена оптимистично. Даже после улучшения технологии может оказаться недостаточно. Однако нельзя недооценивать находчивость человека в создании новых методов. Если мы коллективно поддержим развитие космических обсерваторий, это может дать возможность улавливать новые сигналы, и вопрос «Сможем ли мы когда-нибудь обнаружить гравитационные волны?» изменится на «Когда мы обнаружим гравитационные волны?»

Если у вас есть мысли или идеи по этой теме, не стесняйтесь делиться ими на нашей странице в Facebook или отправить нам сообщение в Twitter.

Если вам понравилась эта статья, подпишитесь, чтобы не пропустить еще много полезных статей!

Вы также можете найти наши материалы в: