Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

Здесь ранним утром в понедельник, 14 сентября 2015 г., – если быть точным, в 04:50:45 по летнему времени центральных штатов (Ливингстон) или в 02:50:45 по тихоокеанскому летнему времени (Хэнфорд) – писалась история науки. Через столетие после того, как Альберт Эйнштейн завершил работу над общей теорией относительности, обсерватории-близнецы LIGO осуществили первую прямую регистрацию проходящей гравитационной волны. В течение примерно 1/5 секунды чувствительные детекторы измеряли слабые возмущения пространственно-временного континуума в 10 000 раз меньше диаметра протона – ядра атома водорода. Долгие десятилетия поисков наконец увенчались успехом.

_________

Мы еще вернемся к разговору о GW150914, а в главе 8 я подробнее расскажу о непростой судьбе LIGO. Но сначала познакомимся с техническим решением. Это потрясающе! Одна десятитысячная размера атомного ядра – как можно измерить настолько слабый эффект? И откуда уверенность, что регистрируются действительно волны Эйнштейна, а не что-нибудь более ординарное?

Давайте начнем с основ. Что именно мы пытаемся измерить? Колебания пространственно-временного континуума. Я рассказывал об этом понятии в главе 4 – не стесняйтесь перечитать соответствующие абзацы, если вам нужно освежить память. Напомню самую суть. Нарисуйте на земле большой квадрат. Гравитационная волна, приходящая перпендикулярно из точки прямо над вашей головой (зенита), слегка деформирует квадрат. Сначала он увеличивается в направлении север – юг и уменьшается в направлении восток – запад. Затем сжимается по оси север – юг и растягивается на восток и запад. Квадрат дрожит. Насколько быстро? Это зависит от частоты волны. Насколько сильны деформации? Это зависит от амплитуды волны.

Таким образом, от нас требуется точно фиксировать размеры квадрата, желательно одновременно в двух направлениях. Разумеется, незачем измерять все четыре стороны. Достаточно следить за двумя перпендикулярными сторонами, сходящимися в одном из четырех углов. Возникает L-образная структура. Этим и продиктована форма LIGO.

Что, если гравитационная волна приходит не строго сверху? Два плеча L-образной структуры и в этом случае будут растягиваться и сжиматься, но в меньшей степени, в зависимости от угла падения. Однако LIGO действительно гораздо чувствительнее к волнам Эйнштейна, идущим из зенита, точно сверху – или точно снизу (помните, Тони Тайсону пришлось напомнить Джо Веберу, что Земля прозрачна для гравитационных волн).

Если вы хотите измерить меняющиеся длины двух плеч L, никакая линейка вам не поможет. Дело в том, что растягивается и сжимается сам пространственно-временной континуум, следовательно, все, что находится в нем, будет растягиваться и сжиматься вместе с ним. Если деформируется одно плечо L, то приложенная к нему линейка деформируется точно так же. Поэтому ученые оценивают изменение длины по изменению интервала времени, необходимого свету для того, чтобы дойти от одного края плеча до другого.

Одно из основных предположений ОТО – постоянство скорости света. Не важно, что происходит с пространственно-временным континуумом, свет всегда движется с одной и той же скоростью – 300 000 км/с. Таким образом, если пространственно-временной континуум растягивается в определенном направлении – если между двумя точками становится чуть больше пространства, свету понадобится на ничтожную долю секунды больше времени, чтобы попасть из точки А в точку В. Значит, вместо линейки нужно использовать часы.

Физики и астрономы в совершенстве владеют точным измерением времени. Хороший пример приводился в главе 6. Время прихода импульсов двойного пульсара измерялось с точностью выше одной миллионной секунды. Этого достаточно, чтобы вычислить массы и орбитальные параметры звезд системы. Как мы видели, это позволяет даже зарегистрировать гравитационные волны, хотя и косвенно.

Однако, если посылать световые импульсы из одного конца плеча и измерять время их прихода в другой конец, мы получим недостаточно точные для наших целей результаты. Допустим, мы могли бы измерить время прихода импульса с точностью до одной миллионной секунды (0,1 мкс). Это позволило бы регистрировать изменения расстояния около 30 м (одна десятимиллионная от 300 000 км). Но волны Эйнштейна, приходящие к Земле, не могут иметь настолько большую амплитуду (наши тела не выдержали бы существенного растяжения и сжатия пространственно-временного континуума.) Поэтому световые импульсы нам не помогут.