Як зареєструвати гравітаційні хвилі?

Ейнштейн вважав, що гравітаційні хвилі існують, але припускав, що виміряти їх ніколи не вдасться. Дослідники, які працюють над проєктом GEO600, мають намір довести перше твердження й спростувати друге.

В околицях Зарштедта, що поблизу Ганновера (ФРН), розташоване дещо, що ви ніколи не назвали б гравітаційним телескопом. Гравітаційні хвилі тут намагаються виявити за зміною відстані між двома пробними масами за допомогою лазерного інтерферометра Майкельсона. У двох перпендикулярних одна до одної вакуумних камерах завдовжки 600 м (див. число в назві проєкту) встановлено дзеркала. Лазерний промінь інтерферометра розділяється, проходить обома камерами, відбивається від дзеркал, повертається назад і знову з’єднується. У «спокійному» стані довжини підібрані так, що ці два промені після возз’єднання в напівпрозорому дзеркалі гасять один одного, і на фотодетектор «на виході» з інтерферометра світло не потрапляє. Однак якщо будь-яке з дзеркал інтерферометра зміститься на мікроскопічну відстань, взаємне гасіння двох лазерних променів стане неповним і фотодетектор «побачить світло». Причому для цього достатньо, щоб зміщення досягло амплітуди, на порядки меншої за довжину світлової хвилі; ідеться про зсув буквально на тисячні частки розміру атомного ядра. Звісно, морські хвилі за сотню кілометрів від GEO600 та інші коливання створюють фон, але він ритмічний, а тому його можна відокремити від очікуваних гравітаційних хвиль.

А виглядає все це просто як два приземкуваті ангарчики з неіржавної сталі, що простяглися на 600 м уздовж асфальтованої дороги, якою чомусь ніхто не їздить. І правильно: захист від сторонніх коливань у цьому гравітаційному телескопі — одна з найсерйозніших проблем.

Найпотужніші гравітаційні хвилі мають породжуватися подвійними системами нейтронних зір, які зближуються одна з одною. GEO600 може нарешті дати змогу безпосередньо реєструвати такі події. (Іл. Pete Guest.)

Конструкція гравітаційного телескопа ґрунтується на тому, що гравітаційна хвиля спотворює метрику простору-часу, крізь який проходить. Ці «брижі» простору-часу буквально здатні змінити відстань між об’єктами або сповільнити плин часу в ділянці свого проходження. На щастя для нас, зазвичай вони дуже слабкі, а ось астрономів і фізиків це не тішить.

Хоча проєкт працює не перший рік, а гравітаційні хвилі поки що «спіймати» не вдалося, учені не втрачають надії. Нещодавно вони провели нове калібрування лазера в інтерферометрі, вважаючи, що тепер уже точно досягнуть свого. У чому причина такої наполегливості, наскільки обґрунтований оптимізм дослідників?

Безпосередня реєстрація гравітаційних хвиль, імовірно, не менш значуща, ніж перша реєстрація нейтрино. Гравітаційні телескопи можуть відкрити принципово нове вікно у Всесвіт, а також вікно в його історію. Найпотужніші гравітаційні хвилі виникають під час руху значної кількості матерії з прискоренням. Для виникнення хвилі значної амплітуди потрібні надзвичайно велика маса тіла, що випромінює, та (або) величезні прискорення, при цьому амплітуда гравітаційної хвилі прямо пропорційна прискоренню й масі рухомого тіла. Тому, згідно з теорією, найпотужніші гравітаційні хвилі мають випромінювати дві чорні діри під час зіткнення й злиття, дві нейтронні зорі, що зближуються й стикаються, а також галактики, які енергійно стикаються. Зрозуміло, що астрономи надзвичайно зацікавлені в реєстрації таких екзотичних явищ, які до того ж часто майже неможливо виявити жодними іншими засобами.

За сьогоднішніми оцінками, найістотнішими й досить частими джерелами гравітаційних хвиль є катастрофи, пов’язані з колапсом подвійних систем у найближчих галактиках. Спостереження гравітаційних хвиль від таких подвійних систем дасть змогу визначити абсолютні відстані до них із раніше недоступною точністю. Це означає, що радикально точнішими стануть і наші оцінки сталої Габбла; можливість її коригування за допомогою гравітаційних телескопів могла б відіграти величезну роль у нашому розумінні сьогоднішнього Всесвіту. Досить сказати, що зі сталої Габбла — швидкості розширення Всесвіту — безпосередньо виводиться, наприклад, час, що минув від моменту Великого вибуху.

Нові фотоприймачі й дзеркала істотно підвищують чутливість інтерферометра GEO600. Але чи вистачить цього для реєстрації гравітаційної хвилі? (Фото GEO600.)

Нещодавня заміна частини обладнання інтерферометра повністю усунула «тепловий шум». Іншим важливим нововведенням стало підсилення чирпованих імпульсів. «Ми довели до межі досконалості кожну з підсистем, і це має істотно змінити загальну чутливість GEO600. Ми маємо зареєструвати гравітаційні хвилі [тут] або на американській установці, оснащеній нашими новими пристроями, приблизно до 2015 року», — вважає професор Джим Гаф, який очолює британську частину проєкту. Утім, заява ґрунтується не стільки на впевненості вченого, скільки на статистиці: вважається, що гравітаційні хвилі великої сили проходять крізь нашу планету раз на десятиліття. Тож достроковий вибух наднової або зіткнення нейтронних зір можуть значно прискорити процес.

Підготовлено за матеріалами The Guardian.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.