Как зарегистрировать гравитационные волны?

Альберт Эйнштейн считал, что гравитационные волны существуют, но полагал, что их никогда не удастся зарегистрировать. Англо-германская группа, работающая по проекту GEO600, намерена доказать первое утверждение и опровергнуть второе.

В окрестностях Зарштедта, что близ Ганновера (ФРГ), расположено нечто, что вы никогда не назвали бы гравитационным телескопом. Гравитационные волны поверяются здесь изменением расстояния между двумя пробными массами с помощью лазерного интерферометра Майкельсона. В двух перпендикулярных друг другу вакуумных камерах длиной в 600 м (см. числительное в названии проекта) устанавливаются зеркала. Лазерный луч интерферометра разделяется, идёт по обеим камерам, отражается от зеркал, возвращается обратно и вновь соединяется. В «спокойном» состоянии длины подобраны так, что эти два луча после воссоединения в полупрозрачном зеркале гасят друг друга и на фотодетектор «на выходе» из интерферометра свет не попадает. Однако если любое из зеркал интерферометра сместится на микроскопическое расстояние, взаимное гашение двух лазерных лучей станет неполным и фотодетектор «увидит свет». Причём для этого достаточно, чтобы смешение достигло амплитуды, на порядки меньшей длины световой волны; речь идёт о сдвиге буквально в тысячные доли размера атомного ядра. Естественно, морские волны в сотне километров от GEO600 и прочие колебания создают фон, но он ритмичен, а потому его можно отделить от ожидаемых гравитационных волн.

Ну а выглядит всё это просто как два приземистых ангарчика из нержавеющей стали, вытянувшиеся на 600 м вдоль асфальтированной дороги, по которой почему-то никто не ездит. И правильно: экранирование сторонних колебаний в этом гравитационном телескопе — одна из самых серьёзных проблем.

Самые мощные гравитационные волны должны вызываться системами двойных нейтронных звёзд, сближающимися друг с другом. GEO600 может позволить наконец-то напрямую регистрировать такие события. (Илл. Pete Guest.)

Конструкция гравитационного телескопа основана на том, что гравитационная волна искажает метрику в пространстве-времени, через которое проходит. Эта «рябь» пространства-времени в прямом смысле способна изменить расстояние между объектами или замедлить течение времени в районе своего прохождения. К счастью для нас, обычно она очень слаба, а вот астрономов и физиков это не радует.

Хотя проект работает не первый год, а гравитационные волны пока «поймать» не удалось, учёные не унывают. Недавно они провели новую калибровку лазера в интерферометре, полагая, что теперь-то точно добьются своего. В чём причина такого упорства, насколько основателен оптимизм исследователей?

Прямая регистрации гравитационных волн, вероятно, не менее значима, чем первая регистрация нейтрино. Гравитационные телескопы могут открыть принципиально новое окно во Вселенную, а также окно в её историю. Самые мощные гравитационные волны возникают при движении значительного количества материи с ускорением. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучающего тела и (или) огромные ускорения, при этом амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна ускорению и массе движущегося тела. Поэтому, согласно теории, самые-самые гравитационные волны должны излучать две чёрные дыры при столкновении и слиянии, две сближающиеся и сталкивающиеся нейтронные звезды, а также энергично сталкивающиеся галактики. Ясно, что астрономы чрезвычайно заинтересованы в регистрации таких экзотических явлений, которые к тому же часто почти невозможно обнаружить никакими другими средствами.

По сегодняшним оценкам, самыми существенными и довольно частыми источниками гравитационных волн являются катастрофы, связанные с коллапсом двойных систем в ближайших галактиках.

Наблюдение гравитационных волн от таких двойных систем позволит определить абсолютные расстояния до них с ранее недоступной точностью. Это значит, что радикально точнее станут и наши оценки постоянной Хаббла; возможность её корректировки посредством гравитационных телескопов могла бы сыграть огромную роль в нашем понимании сегодняшней Вселенной. Достаточно сказать, что из постоянной Хаббла — скорости расширения Вселенной — напрямую выводится, к примеру, время, прошедшее с момента Большого взрыва.

Новые фотоуловители и зеркала существенно повышают чувствительность интерферометра GEO600. Но хватит ли этого для регистрации гравитационной волны? (Фото GEO600.)

Недавняя замена части оборудования интерферометра полностью удалила «тепловой шум». Другим важным нововведением стало усиление чирпированных импульсов. «Мы довели до передела совершенства каждую из подсистем, и это должно существенно изменить общую чувствительность GEO600. Мы должны зарегистрировать гравитационные волны [здесь] или на американской установке, снабжённой нашими новыми устройствами, примерно к 2015 году», — полагает профессор Джим Хаф, возглавляющий британскую часть проекта. Впрочем, заявление основано не столько на уверенности учёного, сколько на статистике: считается, что гравитационные волны большой силы проходят через нашу планету раз в десятилетие. Так что досрочный взрыв сверхновой или столкновение нейтронных звёзд могут значительно ускорить процесс.

Подготовлено по материалам The Guardian.