Открытие гравитационных волн было предсказано сто лет назад. О том, что такие волны должны существовать, впервые сказано в общей теории относительности. Но обнаружить волны тяготения в наблюдениях или эксперименте никому не удавалось. Физики были уверены, что когда-нибудь это получится. Однако шли годы, десятилетия…
Открытие, доказавшее правильность самой великой теории в физике, было сделано 21 сентября 2015 года, но сообщили о нем только 11 февраля 2016 года. Несколько месяцев ученые самым тщательным образом проверяли и перепроверяли наблюдения и, лишь полностью убедившись, что ошибок нет, опубликовали результаты.
Интернет полон многочисленными рассказами о том, что такое гравитационные волны, почему их открытие так важно для науки, как эти волны были открыты. Одна из наиболее полных публикаций – на сайте «Элементы» (http://elementy.ru/), где всегда можно найти популярное и интересное описание новейших научных достижений. Об открытии гравитационных волн рассказывает научный журналист Игорь Иванов:http://elementy.ru/novosti_nauki/432691/Gravitatsionnye_volny_otkryty.
«Теории гравитации можно придумывать разные. Все они будут одинаково хорошо описывать наш мир, пока мы ограничиваемся одним-единственным ее проявлением – ньютоновским законом всемирного тяготения. Но существуют и другие, более тонкие гравитационные эффекты, которые были экспериментально проверены на масштабах Солнечной системы, и они указывают на одну конкретную теорию – общую теорию относительности (ОТО). http://elementy.ru/novosti_nauki/432628/Stoletie_OTO_ili_Yubiley_Pervoy_noyabrskoy_revolyutsii
ОТО – это не просто набор формул, это принципиальный взгляд на суть гравитации. Если в обычной физике пространство служит лишь фоном, вместилищем для физических явлений, то в ОТО оно само становится явлением, динамической величиной, которая меняется в согласии с законами ОТО. Эти искажения пространства-времени относительно ровного фона – или, на языке геометрии, искажения метрики пространства-времени – и ощущаются как гравитация. Говоря кратко, ОТО вскрывает геометрическое происхождение сил тяготения.
У ОТО есть важнейшее предсказание: гравитационные волны. Это искажения пространства-времени, которые способны «оторваться от источника» и, самоподдерживаясь, улететь прочь. Это гравитация сама по себе, ничья, своя собственная. Альберт Эйнштейн окончательно сформулировал ОТО в 1915 году и почти сразу понял, что полученные им уравнения допускают существование таких волн.
Как и для всякой честной теории, такое четкое предсказание ОТО должно быть проверено экспериментально. Излучать гравитационные волны могут любые движущиеся тела: и планеты, и брошенный вверх камень, и взмах руки. Проблема, однако, в том, что гравитационное взаимодействие столь слабое, что никакие экспериментальные установки не способны заметить излучение гравитационных волн от обычных «излучателей».
Чтобы «погнать» мощную волну, нужно очень сильно исказить пространство-время. Идеальный вариант – две черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга в тесном танце, на расстоянии порядка их гравитационного радиуса. Искажения метрики будут столь сильными, что заметная часть энергии этой пары будет излучаться в гравитационные волны. Теряя энергию, пара будет сближаться, кружась всё быстрее, искажая метрику все сильнее и порождая еще более сильные гравитационные волны, пока наконец не произойдет кардинальная перестройка всего гравитационного поля этой пары и две черных дыры не сольются в одну.
Рис. 1. Тесная пара черных дыр за мгновение до слияния. Изображение с сайта ligo.org
http://www.ligo.org/science/GW-GW2.php
Такое слияние черных дыр – взрыв грандиозной мощности, но только уходит вся эта излученная энергия не в свет, не в частицы, а в колебания пространства. Излученная энергия составит заметную часть от исходной массы черных дыр, и выплеснется это излучение за доли секунды».
Как же обнаружить гравитационные волны? Самыми перспективными оказались детекторы, в которых отслеживается расстояние между двумя не связанными друг с другом, независимо подвешенными телами, например, двумя зеркалами. Из-за колебания пространства, вызванного гравитационной волной, расстояние между зеркалами будет то чуть больше, то чуть меньше. Чем больше длина плеча, тем большее абсолютное смещение вызовет гравитационная волна заданной амплитуды. Эти колебания сможет почувствовать лазерный луч, бегающий между зеркалами. Такая схема способна регистрировать колебания в широком диапазоне частот, от 10 герц до 10 килогерц, и это именно тот интервал, в котором будут излучать сливающиеся пары нейтронных звезд или черных дыр звездных масс».