Наука та технології України
Вчені вперше спостерігали коливання простору-часу - гравітаційні хвилі, що прийшли на Землю від катастрофи, що відбулася далеко у Всесвіті. Це підтверджує важливе передбачення загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна 1915 і відкриває безпрецедентне нове бачення космосу. Про це сьогодні повідомили дослідники з колаборації LIGO на прес-конференціях у Вашингтоні, Лондоні та Москві.
Ефект гравітаційних хвиль на Землі полягає в тому, що вони викликають надзвичайно малу зміну розмірів тіл (в LIGO тіло, що безпосередньо вимірюються, називають пробними масами).
Детектори LIGO виявили відносні коливання пар пробних мас, рознесених на 4 км, величиною в 10 -19 м (це в стільки ж разів менше розміру атома, скільки атом менше яблука), тим самим довівши прихід хвиль на Землю.
«Наукове значення цього відкриття величезне. Як і у випадку електромагнітних хвиль, ми усвідомлюємо його повністю через деякий час, - каже професор фізичного факультету МДУ Валерій Митрофанов, керівник московської групи колаборації LIGO.
За його словами, з моменту відкриття на LIGO зафіксовано ще кілька сплесків гравітаційних хвиль від катастрофічних подій у космосі, але вони значно слабші за найперше і зараз триває обробка отриманих даних для підтвердження, що сплески справді були. Митрофанов звернув увагу, що навіть найпотужніший сплеск обробляли майже півроку. При цьому Михайло Городецький із тієї ж групи зауважив, що насправді перший сплеск був зафіксований ще до офіційного запуску LIGO - під час тестових запусків.
За словами професора фізичного МДУ СергіяВятчанина, LIGO проведено саме пряму реєстрацію гравітаційних хвиль, за непрямими ознаками їх виявили ще у 70-ті роки, за що згодом було присуджено Нобелівську премію з фізики.
«Дуже важливо і примітно, що фундаментальні відкриття, зроблені чудовим українським ученим Володимиром Борисовичем Брагінським та його колегами – квантові межі, способи квантових вимірів та квантові флуктуації – виявилися потрібними та затребуваними в цьому проекті», – розповідає про роль групи в проекті Ігор Біленко, професор кафедри фізики коливань МДУ.
Він також уточнив, що дане дослідження закриває питання про те, чи реальні чорні дірки - за його словами, отримані сигнали могли прийти лише від цих космічних об'єктів, що інтригують.
«Ряд наших досліджень вплинув на вибір тих чи інших рішень у LIGO. Московська група багато зробила для боротьби з шумами і для пошуку різних ефектів, які у звичайному житті майже не зустрічаються. Їх дуже складно зафіксувати, але вони впливають на дуже чутливі детектори LIGO», уточнює асистент Леонід Прохоров.
У процесі роботи московської групи над проектом LIGO отримано результати, що мають значення не тільки для проекту пошуку гравітаційних хвиль, але й для фізики загалом:
¦ Створено унікальний підвіс пробних мас, виконаний з плавленого кварцу. Виміряний час загасання маятникових коливань пробної маси становило близько 5 років. Експериментально продемонстровано, що у кварцових підвісах відсутні надмірні механічні шуми, виявлені у сталевих нитках.
Детально досліджено шуми, пов'язані з електричними зарядами, що знаходяться на кварцових дзеркалах детекторів.
¦ Виявлено новий клас фундаментальних термодинамічних шумів у дзеркалахдетектор. Їх аналіз призвів до істотної зміни у поточній оптичній конфігурації LIGO.
¦ Вказано на небезпеку ефекту параметричної нестійкості інтерферометра, який згодом був виявлений у детекторах LIGO, запропоновано способи його запобігання.
¦ Запропоновано та проаналізовано якісно нові топології оптичної системи гравітаційно-хвильових детекторів, засновані на принципах квантової теорії вимірювань. Розроблені методи мають покращити чутливість наступних поколінь детекторів та сприяти розвитку гравітаційно-хвильової астрономії.
Гравітаційні хвилі несуть інформацію про своє драматичне походження та про природу гравітації, яка не може бути отримана іншим способом. Фізики дійшли висновку, що виявлені гравітаційні хвилі були породжені двома чорними дірками в останні частки секунди їх злиття з утворенням однієї, більш масивної чорної діри, що обертається. Можливість зіткнення двох чорних дірок передбачалася, але така подія ніколи раніше не спостерігалася.
На підставі сигналів, що спостерігалися, вчені LIGO оцінили, що чорні дірки, що відчували в цій події, мали маси в 29 і 36 разів більше маси Сонця, а сама подія сталася 1,3 мільярда років тому. За частки секунди приблизно три сонячні маси перетворилися на гравітаційні хвилі, максимальна потужність випромінювання яких була приблизно в 50 разів більша, ніж від усього видимого Всесвіту. Аналізуючи моменти приходу сигналів - детектор у Лівігстоні записав подію на 7 мілісекунд раніше детектора в Хенфорді. Вчені можуть сказати, що джерело було розташоване в південній півкулі.
Відповідно до загальної теорії відносності, пара чорних дірок, що обертаються навколо один одного, втрачають енергію на випромінювання гравітаційних хвиль, що змушує їхпоступово зближуватися протягом мільярдів років, і набагато швидше на останніх хвилинах. Під час останньої частки секунди дві чорні діри зіштовхуються зі швидкістю майже половину світлової з утворенням однієї, більш масивної чорної діри. При цьому частина маси чорних дірок, що злилися, перетворюється на енергію відповідно до формули Ейнштейна E = mc 2 . Ця енергія випромінюється як сильного сплеску гравітаційних хвиль, які й спостерігалися LIGO.
Дослідження в LIGO здійснюються в рамках наукової колаборації LIGO (LSC, LIGO Scientific Collaboration), колективом з понад 1000 науковців з університетів у Сполучених Штатах та 14 інших країн, включаючи Україну. У розробці детекторів та аналізі даних беруть участь понад 90 університетів та науково-дослідних інститутів, суттєвий внесок також робить участь близько 250 студентів.
Мережа детекторів LSC включає інтерферометри LIGO та детектор GEO600. Команда GEO включає вчених з Інституту гравітаційної фізики товариства Макса Планка (Інститут Альберта Ейнштейна, AEI) та університету Лейбніца в Ганновері у партнерстві з університетами Великобританії: Глазго, Кардіффа, Бірмінгема та іншими, а також університету Балеарських островів в Іспанії.
Створення LIGO для виявлення гравітаційних хвиль було запропоновано в 1980 професором фізики MIT Райнером Вайссом, професором імені Річарда Фейнмана теоретичної фізики Калтеха Кіпом Торном і професором фізики того ж інституту Рональдом Дрівером. Нині всі є заслуженими професорами цих інститутів.
Колаборація VIRGO складається з більш ніж 250 фізиків та інженерів, що належать до 19 різних європейських дослідницьких груп: 6 із Національного центру наукових досліджень (CNRS) Франції; 8 із Національного інституту ядерної фізики(INFN) Італії; 2 із Нідерландів (Nikhef); (Wigner RCP) з Угорщини; групою POLGRAW з Польщі та Європейською гравітаційною обсерваторією (EGO), яка забезпечує роботу детектора VIRGO недалеко від Пізи в Італії.
Відкриття стало можливим завдяки новим можливостям обсерваторії другого покоління (Advanced LIGO), суттєво модифікованої порівняно з першим, що дозволило значно збільшити обсяг Всесвіту, що зондується, і відкрити гравітаційні хвилі вже під час першого циклу спостережень. Національний науковий фонд США лідирує у фінансовій підтримці Advanced LIGO. Фінансуючі організації в Німеччині (Товариство Макса Планка), у Великобританії (Рада з забезпечення науки і технології) та Австралії (Австралійська рада з досліджень) також зробили значний внесок у проект. Деякі з ключових технологій, що зробили Advanced LIGO набагато чутливішою, були розроблені та випробувані у Германо – Британському проекті GEO. Значні обчислювальні ресурси були надані кластером AEI Atlas у Ганновері, лабораторією LIGO Університету Сіракуз та Університету Вісконсіна-Мілуокі. Декілька університетів спроектували, створили та випробували ключові компоненти для Advanced LIGO: Австралійський національний університет, університет Аделаїди, Університет Флориди, Стенфордський університет, Колумбійський університет у Нью-Йорку, університет штату Луїзіана.
Україна представлена двома науковими колективами: групою фізичного факультету Московського державного університету імені М.В. Ломоносова та групою Інституту прикладної фізики РАН (Нижній Новгород).