Гравитационные волны от сталкивающихся черных дыр, фото с сайта BBC

Наглядная гравитация

В Германии начали искать гравитационные волны

119 лет назад американские физики Майкельсон и Морли поставили эксперимент, от которого принято отсчитывать историю теории относительности. Эксперимент закончился неудачей - авторы констатировали, что движение "мирового эфира", где распространяется свет, заметить нельзя. То, что эфира не существует вообще, доказал Эйнштейн. Позже он опубликовал статью про "искривленное" пространство-время, сделавшую возможными разговоры о квазарах, пульсарах и черных дырах - и, строго говоря, всю современную астрофизику в целом. Проект, ставящий целью перепроверить выводы Эйнштейна, стартовал в Германии в июне 2006 года. Так получилось, что выбранный для этого прибор - 600-метровый интерферометр Майкельсона GEO600 - повторяет схему устройства, позволившего усомниться в эфире.

Гравитационные волны, которые начал искать ганноверский интерферометр, остаются одним из самых необычных (и неподтвержденных до сих пор) следствий эйнштейновской теории. Их описывают как "складки" в пространстве-времени, которые - как и волны электромагнитного поля - можно заметить сколь угодно далеко от источника. Аналогию стоит продолжить: электромагнитное излучение порождают заряды, движущиеся неравномерно, гравитационное - ускоренные массивные тела. Разница - в масштабах явления. Чтобы на фотопленке осталась различимая темная точка, достаточно одного фотона. А чтобы земные приборы зарегистрировали гравитационную волну, необходимо событие космических масштабов - такое, например, как столкновение пары черных дыр. Но и в этом случае эффект намного слабее: речь идет о растяжениях и сжатиях пространства порядка одной секстиллионной - цифры с двадцатью нулями после запятой. Будучи помноженным на длину GEO600, такой коэффициент дает величину, в тысячи раз меньшую размеров атомного ядра.

GEO600, фото с сайта geo600.uni-hannover.de

Чувствительность интерферометра, как заявляют его создатели, в несколько раз выше. Миллиардные доли нанометра измеряют лазерным лучом. Полупрозрачное зеркало расщепляет его надвое и направляет пару лучей вдоль туннелей, перпендикулярных друг другу, а зеркала в конце туннелей заставляют лучи снова сойтись в одной точке. Разницу в расстояниях, пройденных светом, можно узнать по интерференционной картине - особой последовательности темных и светлых полос. У ученых будут основания считать, что прибор зарегистрировал гравитационную волну, если эта разница внезапно изменится - но только особым образом.

Путь луча охраняют со всеми предосторожностями. Детали оптической системы подвешены на "нерастяжимых" нитях из плавленой двуокиси кремния. Во избежание тряски нити связаны с системой противовесов. Чтобы лучи не встретили помех на пути, в обоих туннелях поддерживают давление в одну стомиллионную атмосферы (благодаря чему, кстати, прибор оказался на втором месте в списках самых больших вакуумных камер мира). Тем не менее, на записи накладывается неизбежный шум - например, из-за подземных толчков и даже теплового движения атомов.

Именно поэтому данные требуют расшифровки - громоздкой вычислительной процедуры. Ее, как и во многих других случаях, поручили добровольцам, согласным потратить "невостребованное" компьютерное время на решение чужих физических, биологических или астрономических задач. Распределенный расчет, запущенный в 2005 году, назвали Einstein@Home - по аналогии с самым популярным проектом такого рода, SETI@Home, цель которого - обнаружить сигналы инопланетных цивилизаций в многогигабайтных архивах 305-метрового радиотелескопа. Что любопытно, инопланетян и гравитационные волны ищут с помощью одной и той же программы.

Стоит отметить, что несмотря на заманчивость перспективы помочь Эйнштейну, шансов поймать свою волну у вычислителей-добровольцев до сих пор не было. Хотя GEO600 впервые запустили еще в 2002 году, все это время точность оставляла желать лучшего, а единственным содержанием отчетов был тезис, что в непосредственной близости от Земли подходящие источники возмущения найти нельзя.

Космический интерферометр LISA, рисунок с сайта NASA

Под "источниками" астрономы подразумевают довольно скромный список объектов-кандидатов. Во-первых, это пары черных дыр или нейтронных звезд, которые обращаются вокруг общего центра тяжести. Теряя при этом энергию в виде волн, объекты должны постепенно сближаться и в конце слиться - такое развитие событий предсказывают численные модели. Систему, которая ведет себя подобным образом - пульсар PSR 1913+16 с невидимым спутником, открыли в 1974 году Хульс и Тейлор, будущие лауреаты Нобелевской премии. Ученым удалось доказать, что расстояние до центра масс уменьшается со временем. Коллеги-астрофизики (а позже и нобелевский комитет) сочли это первым, хотя и косвенным, доказательством эйнштейновской правоты.

Кроме двойных систем, надежды возлагают и на одиночные пульсары - нейтронные звезды, делающие сотни оборотов вокруг собственной оси в секунду и излучающие радиоволны. Для скорости вращения пульсаров существует два предела - с учетом гравитационных волн и без. На втором - три-четыре тысячи оборотов в секунду (или, в привычных единицах, Герц) - звезду разрывает на части. Первый - около 760 Герц - существует потому, что излучаемые пульсаром волны уносят энергию и заставляют его замедляться. Самый быстрый из известных пульсаров совершает за секунду 716 оборотов - и нет причин полагать, что эта величина будет вскоре превышена. А значит, волны все-таки существуют. Что, впрочем, не делает более ясным, когда их удастся найти.

Интерферометр заведомо не придется сдавать в утиль, как только открытие будет сделано. Напротив, ученые рассчитывают, что с этого момента ему будут уделять не меньше внимания, чем космическим обсерваториям. Революцию в астрофизике связывают с появлением радиотелескопов, а вслед за ними - инфракрасных и рентгеновских инструментов в середине двадцатого века. "Гравископы", в которые автоматически превратятся интерферометры, чувствительные к гравитации, окажутся способны видеть большую часть Вселенной, в принципе недоступную телескопам. Речь идет о "темной материи", которая не излучает ни в одном спектральном диапазоне и проявляет себя единственным образом - притягивая другие тела. Ни о ее структуре, ни даже о распределении в пространстве практически ничего не известно.

GEO600 - не единственный прибор, который окажется в распоряжении сторонников "гравитационной астрономии". В Японии действует 300-метровый интерферометр TAMA-300, в США - 4-километровый LIGO (данные которого одновременно с данными GEO600 расшифровываются на пользовательских компьютерах). Несмотря на размеры, все эти приборы пока уступают GEO-600 в точности. А самый точный прибор - интерферометр LISA - намерены использовать вне Земли. После того, как его выведут на орбиту, он станет самым большим из всех искусственных приборов вообще: зеркала интерферометра будут разделены расстоянием в 5 миллионов километров. Запуск, однако, намечен только на 2015 год.

Но для начала волны все-таки стоит зарегистрировать. Ставки на то, что это случится до 2010 года, несколько лет назад стала принимать крупная букмекерская контора Landbrokes. С коэффициентом пятьсот к одному - примерно такова вероятность девять раз подбросить игральную кость и девять раз увидеть четную грань.

Впрочем, как говорил сам Эйнштейн, бог не играет в кости.