Пустили хвилю: як вчені розкриють гравітаційне "вікно" у Всесвіт

Тільки перший крок

11 лютого світ дізнався про відкриття гравітаційних хвиль. Саме детектування відбулося 14 вересня 2015 року в обсерваторії LIGO. Зареєстрований сигнал був породжений космічною катастрофою жахливих масштабів — злиття двох чорних дір в одну масивну чорну діру, яка сталася 1,3 мільярда років тому.

Гравітаційний сигнал, який поширюється зі швидкістю світла, досяг Землі тільки у вересні 2015 року. Вчені не планують зупинятися на досягнутому. Це грандіозне відкриття стало лише першим кроком на шляху розвитку нової гравітаційної астрономії. Експериментальне виявлення гравітаційних хвиль — це не просто блискуче підтвердження загальної теорії відносності Ейнштейна. Гравітаційні обсерваторії являють собою важливий інструмент, за допомогою якого астрономи зможуть досліджувати космос. Поєднавши його з традиційними методами дослідження електромагнітного випромінювання, вчені отримають повну картину процесів, що відбуваються у Всесвіті. Проект LIGO розпочав свою роботу ще в 2002 році, але «зловити» гравітаційну хвилю вдалося тільки після модернізації, здійсненої в 2010-2015 роках. Тепер LIGO повинен повністю реалізувати свій потенціал. Вже в серпні цього року вчені планують збільшити чутливість детекторів в три рази. У перспективі це дозволить перейти до нового етапу досліджень: пошуку гравітаційних хвиль від обертових нейтронних зірок — пульсарів. Саме поведінка пульсарів ще в 1974 році стало непрямим підтвердженням існування гравітаційних хвиль. Американські вчені Джо Тейлор і Рассел Халс виявили уповільнення обертання системи подвійного пульсару, викликане втратою енергії на гравітаційне випромінювання, за що згодом отримали Нобелівську премію.

Обплутати всю планету

Крім детекторів LIGO, розташованих в Лівінгстоні (штат Луїзіана) і Хэнфорде (штат Вашингтон) у США, у світі існують ще дві працюючі обсерваторії з пошуку гравітаційних хвиль — VIRGO в Італії і GEO 600 в Німеччині. Перша з них проходить модернізацію, яка, як очікується, завершиться до кінця 2016 року.

Друга проходила технічне обслуговування у момент реєстрації гравітаційної хвилі американськими детекторами — її детектори поки недостатньо чутливі, щоб зареєструвати сигнал такого типу.

Після відкриття гравітаційних хвиль вчені з Індії висловили бажання приєднатися до проекту LIGO. Планується будівництво обсерваторії LIGO-India, аналогічно американської, за підтримки американських фізиків і фінансування Міністерства атомної енергетики і Міністерства науки і технологій Індії.

Крім того, в Японії будується детектор нового покоління KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector), чутливість якого дозволить реєструвати гравітаційні хвилі, що виникають при злитті нейтронних зірок.

У березні 2014 року була завершена прокладка трехкилометровых тунелів, і очікується, що інтерферометр запрацює в 2018 році. KAGRA буде використовувати криогенну систему охолодження дзеркал для кращого шумозаглушення. Створення мережі детекторів по всій планеті дозволить астрономам визначати точне місцезнаходження джерела гравітаційного сигналу (для цього потрібно як мінімум три детектора).

Зараз вчені можуть тільки приблизно сказати, що злиття чорних дір відбулося в досить широкій «смузі» площею у 600 квадратних градусів на небі південної півкулі Землі. Знаючи координати космічних подій, астрономи зможуть направити телескопи в потрібну їм точку і всебічно вивчити ці події у радіо-, інфрачервоному та рентгенівському діапазонах.

У довгостроковій перспективі планується створення «телескопа Ейнштейна» — детектора гравітаційних хвиль третього покоління. Поки що проект знаходиться на стадії обговорення, вартість його оцінюється в два мільярди доларів. Передбачається, що це буде обсерваторія у вигляді трикутника з вакуумних тунелів зі сторонами 10 кілометрів, розташованих під землею. Така конфігурація дасть можливість визначати координати джерела сигналу.

Збільшення довжини плечей інтерферометра порівняно з існуючими детекторами (інтерферометри LIGO мають довжину плеча, рівну чотирьом кілометрів) дозволить значно підвищити точність вимірювань. Дзеркала інтерферометрів з діаметром більше 0,5 метра будуть охолоджуватися до кріогенних температур

Вихід у космос

Як і електромагнітне випромінювання, гравітаційні хвилі покривають неймовірно широкий спектр довжин хвиль, для детектування яких недостатньо однієї установки.

Для того щоб побудувати повну карту гравітаційного випромінювання у Всесвіті, необхідний цілий спектр гравітаційних інтерферометрів з різними довжинами плечей. На думку одного з членів проекту по створенню «телескопа Ейнштейна» — Харальда Люка з Університету Макса Планка, на Землі навряд чи вдасться створити інтерферометр з довжиною плеча більше 50 кілометрів. Цьому заважають сейсмічний шум, кривизна поверхні Землі і величезні витрати на будівництво підземних тунелів.

Рано чи пізно людству доведеться створювати гравітаційні лабораторії в космосі.

NASA і Європейське космічне агентство (ЄКА) працювали над створенням космічних гравітаційних телескопів — LISA (Laser Interferometer Space Antenna) ще з 2000-х років.

Проект передбачає запуск в космос групи з трьох супутників, які утворюють гігантський трикутний інтерферометр з довжиною плеча п'ять мільйонів кілометрів.

Така система буде досить чутлива, щоб детектувати слабкі низькочастотні гравітаційні хвилі, що відповідають подіям, що відбувалися на ранніх етапах формування Всесвіту.

Однак в 2011 році NASA відмовилося від участі в проекті через скорочення фінансування. ЄКА переглянуло проект, тепер він називається eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna).

До 2034 року планується запустити три супутники і створити за їхньою допомогою інтерферометр з довжиною плеча один мільйон кілометрів. ЄКА вже приступило до реалізації проекту. У грудні минулого року в космос відправилася тестова місія LISA Pathfinder.

Її мета — продемонструвати принципову можливість вимірювання з високою точністю відстані між двома вільно плаваючими в космосі пробними масами. Ракета доставила апарат на відстань 1,5 мільйонів кілометрів від Землі, в так звану точку Лагранжа системи Сонце — Земля, де він зможе досить довго залишатися нерухомим.

Планується, що в березні цього року LISA Pathfinder почне проведення вимірювань. Нещодавно стало відомо, що Китай теж має намір вивчати гравітаційні хвилі в космосі. Академія наук Піднебесної підготувала проект з вивчення гравітаційних хвиль, що отримав назву «Тайцзи».

Він передбачає співпрацю з ЄКА в проекті eLISA й запуск власної групи китайських супутників