Шлях до мрії зав­довж­ки 40 ро­ків

У чо­му зна­чу­щість від­кри­т­тя гра­ві­та­цій­них хвиль

Ukrainskiy Tyzhden - - News - Олег Фея

Де­які те­о­ре­ти­чні пе­ре­дба­че­н­ня че­ка­ють на екс­пе­ри­мен­таль­ну пе­ре­вір­ку ро­ка­ми, ін­ко­ли сто­лі­т­тя­ми. Аль­берт Айн­штайн пе­ред­ба­чив гра­ві­та­цій­ні хви­лі в 1916-му, ко­ли ви­во­див рів­ня­н­ня за­галь­ної те­о­рії від­но­сно­сті. То­го са­мо­го ро­ку Карл Швар­цшильд отри­мав розв’яз­ки цих рів­нянь, які да­ва­ли під­ста­ви го­во­ри­ти про існу­ва­н­ня у Все­сві­ті об’єктів над­зви­чай­но ве­ли­кої ма­си, скон­цен­тро­ва­ної в ма­ло­му об’ємі так, що на­віть сві­тло з них не мо­гло ви­сков­за­ти на­зов­ні. Йде­ться про чор­ні ді­ри. 14 ве­ре­сня 2015-го де­те­ктор LIGO за­фі­ксу­вав ко­ли­ва­н­ня про­сто­ру че­рез про­хо­дже­н­ня крізь ньо­го гра­ві­та­цій­них хвиль, що ви­ни­кли 1,3 млрд ро­ків то­му від зли­т­тя двох ма­сив­них чор­них дір. Так про­ект, ре­а­лі­за­ція яко­го в го­лов­них ен­ту­зі­а­стів зайня­ла більш ніж 40 ро­ків, до­вів існу­ва­н­ня і гра­ві­та­цій­них хвиль, і чор­них дір. Ци­ми ен­ту­зі­а­ста­ми є Кіп Торн та Рай­нер Вайсс — но­бе­лів­ські ла­у­ре­а­ти з фі­зи­ки за 2017-й.

Пер­шим опи­сав гра­ві­та­цію за до­по­мо­гою фор­му­ли Іса­ак Нью­тон у 1687 ро­ці. Що ма­сив­ні­ші ті­ла, які вза­є­мо­ді­ють, то біль­ша си­ла тя­жі­н­ня. Са­ме то­му, до­кла­да­ю­чи тих са­мих зу­силь, лю­ди­на під­стри­бне на Мі­ся­ці зна­чно ви­ще, ніж на Зем­лі, адже він у 81 раз лег­ший за на­шу пла­не­ту. Та­кож си­ла тя­жі­н­ня за­ле­жить від від­ста­ні. У ра­зі збіль­ше­н­ня від­ста­ні між об’єкта­ми вдві­чі си­ла змен­шу­є­ться вче­тве­ро. Те­о­рія Нью­то­на да­ла змо­гу опи­са­ти ру­хи пла­нет у Со­ня­чній си­сте­мі, а та­кож від­кри­ти Не­птун су­то за до­по­мо­гою ма­те­ма­ти­чних роз­ра­хун­ків. Але 1859-го ця те­о­рія да­ла збій. Фран­цузь­кий астро­ном Ур­бен Ле­вер’є від­крив, що Мер­ку­рій ру­ха­є­ться тро­хи не так, як пе­ред­ба­ча­ло­ся. Він по­віль­но обер­тав­ся нав­ко­ло Сон­ця. Ко­ли на­у­ко­ва те­о­рія на­тра­пляє на факт, який їй су­пе­ре­чить, по­трі­бно ре­тель­но пе­ре­ві­ри­ти йо­го, а по­тім спро­бу­ва­ти по­ясни­ти в ме­жах на­яв­ної мо­де­лі. Якщо ж це не ви­хо­дить, тре­ба вне­сти змі­ни до са­мої те­о­рії. Ле­вер’є вва­жав, що існує ще одна пла­не­та, яка сво­єю ма­сою впли­ває на Мер­ку­рій, та не зміг «до­да­ти» її так, аби не змі­ни­ти ру­ху всіх ін­ших тіл Со­ня­чної си­сте­ми. Про­бле­му ви­рі­шив у 1915 ро­ці Аль­берт Айн­штайн.

Згі­дно із за­галь­ною те­о­рі­єю від­но­сно­сті ма­сив­ні об’єкти ви­крив­ля­ють про­стір, ство­рю­ю­чи за­гли­би­ни нав­ко­ло се­бе. Це лег­ко ві­зу­а­лі­зу­ва­ти, якщо на­тя­гну­ти гну­чку плів­ку й по­кла­сти на неї кіль­ка ку­льок. Що важ­ча куль­ка, то біль­шу за­гли­би­ну во­на утво­рить. Рух тіл ци­ми за­гли­би­на­ми про­сто­ру і є гра­ві­та­ція. Сон­це ду­же ви­крив­ляє про­стір, про­те й Мер­ку­рій йо­го теж ви­крив­ляє, са­ме то­му він що­ра­зу тро­хи змі­щу­є­ться від по­ча­тко­вої ор­бі­ти. Айн­штайн по­ка­зав, що на­віть сві­тло змі­ню­ва­ти­ме рух бі­ля ма­сив­них об’єктів. У 1919 ро­ці бри­тан­ський астро­ном Ар­тур Ед­ді­нґтон під час со­ня­чно­го за­тем­не­н­ня на остро­ві Прин­сі­пі бі­ля за­хі­дно­го узбе­реж­жя Афри­ки спо­сте­рі­гав зо­рі, які роз­та­шо­ву­ва­ли­ся про­сто за Сон­цем і не мо­гли бу­ти ви­ди­ми­ми згі­дно з те­о­рі­єю Нью­то­на. Але оскіль­ки сві­тло змі­ню­ва­ло рух, по­тра­пив­ши в по­ле тя­жі­н­ня Сон­ця, астро­ном зу­мів їх сфо­то­гра­фу­ва­ти. Ек­спе­ди­ція Ед­ді­нґто­на вмить зро­би­ла Айн­штай­на все­сві­тньо ві­до­мим, до­вів­ши пра­виль­ність йо­го те­о­рії на­віть ске­пти­кам. Пі­сля то­го за­галь­на те­о­рія від­но­сно­сті без­ліч ра­зів по­ка­зу­ва­ла свою прав­ди­вість в ін­ших спо­сте­ре­же­н­нях.

А те­пер по­ко­ті­мо куль­ку на­шою плів­кою. Ру­ха­ю­чись, во­на ство­рить на плів­ці хви­лі. На­яв­ність гра­ві­та­цій­них хвиль, які тро­хи стря­са­ють про­стір, сти­ска­ю­чи й роз­тя­гу­ю­чи йо­го, ста­ло ще одним ви­снов­ком із те­о­рії Айн­штай­на. Са­мі Айн­штайн та Ед­ді­нґтон ске­пти­чно ста­ви­ли­ся до мо­жли­во­сті де­те­кту­ва­ти ці хви­лі, вва­жа­ю­чи, що во­ни так і за­ли­ша­ться «на па­пе­рі». Справ­ді, зна­до­би­ло­ся сто­лі­т­тя, аби екс­пе­ри­мен­том під­твер­ди­ти цю «па­пе­ро­ву» здо­гад­ку ве­ли­ко­го на­у­ков­ця. Не під час ко­жно­го ру­ху ма­сив­но­го об’єкта ви­ни­ка­ють та­кі хви­лі, по­трі­бно, щоб він ру­хав­ся з при­швид­ше­н­ням нав­ко­ло цен­тру мас, спіль­но­го з ін­шим об’єктом. Це мо­жуть бу­ти па­ри зі­рок, чор­них дір, ви­бух на­дно­вих зі­рок (ціл­ком мо­жли­во, що їхнє ядро стає аси­ме­три­чним), не­си­ме­три­чні ней­трон­ні зір­ки, які швид­ко обер­та­ю­ться.

Пер­шим опо­се­ред­ко­ва­ним свід­че­н­ням на­яв­но­сті гра­ві­та­цій­них хвиль ста­ло спо­сте­ре­же­н­ня пуль­са­ра PSR 1913+16. Пуль­са­ри — це ней­трон­ні зір­ки, ду­же ма­лень­кі (ра­ді­ус ти­по­вої ней­трон­ної зір­ки не пе­ре­вер­шує 10–20 км, во­на мо­гла б умі­сти­ти­ся на пло­щі Ки­є­ва), але ма­сив­ні­ші за Сон­це. Вка­за­ний пуль­сар, який від­кри­ли 1974-го Рас­сел Галс та Джо­зеф Тей­лор (Но­бе­лів­ська пре­мія з фі­зи­ки за 1993 рік), ці­ка­вий тим, що це по­двій­на зір­ка. Дві ней-

трон­ні зір­ки ко­жна ма­сою при­бли­зно 1,4 ма­си Сон­ця обер­та­ю­ться нав­ко­ло спіль­но­го цен­тру мас. Пе­рі­од їх обер­та­н­ня змен­шу­є­ться на 76 мкс що­ро­ку, і че­рез 300 млн ро­ків во­ни ма­ють зі­штов­хну­ти­ся. Це від­бу­ва­є­ться че­рез утра­ту си­сте­мою енер­гії, що йде на ко­ли­ва­н­ня про­сто­ру, на ство­ре­н­ня тих са­мих гра­ві­та­цій­них хвиль.

Пря­ме де­те­кту­ва­н­ня гра­ві­та­цій­них хвиль — ду­же важ­ке зав­да­н­ня. Йо­го мо­жна по­рів­ня­ти з роз­ра­хун­ком від­ста­ні до зір­ки, від­да­ле­ної на де­ся­тки сві­тло­вих ро­ків, із то­чні­стю до ді­а­ме­тра во­ло­син­ки. По­трі­бно знайти ма­сив­ний, але ком­па­ктний ру­хо­мий об’єкт, що ство­рить більш-менш силь­ні хви­лі. На­при­клад, си­сте­му з двох чор­них дір ма­сою 29 та 36 мас Сон­ця, які зли­ва­ю­ться в одну. Ці ді­ри міль­йо­ни ро­ків збли­жа­ли­ся, при­швид­шу­ю­чись і ви­про­мі­ню­ю­чи хви­лі де­да­лі біль­шої ам­плі­ту­ди, що до­ся­гли ма­кси­му­му під час зли­т­тя дір в одну. Ма­са но­во­утво­ре­ної ді­ри до­рів­нює 62 со­ня­чним за­мість 65. Рі­зни­ця — енер­гія в три со­ня­чні ма­си — і пі­шла на ство­ре­н­ня хвиль. На Зем­лі про­стір ко­ли­вав­ся з ам­плі­ту­дою 10– 21, що вза­га­лі-то мен­ше за роз­мі­ри ато­мів. То як за­де­те­кту­ва­ти та­ку не­зна­чну від­стань?

Впер­ше ідею за­де­те­кту­ва­ти гра­ві­та­цій­ні хви­лі за до­по­мо­гою над­чу­тли­во­го ін­тер­фе­ро­ме­тра ви­сло­ви­ли в 1962 ро­ці ра­дян­ські фі­зи­ки ле­нін­гра­дець Мі­ха­іл Ґєр­цен­штейн та уро­дже­нець Бер­дян­ська Вла­ди­слав Пу­сто­войт. Кіль­ка спроб ство­ри­ти та­кий при­стрій у США за­зна­ли нев­да­чі. Ось тут і з’яв­ля­ю­ться цьо­го­рі­чні но­бе­лів­ські ла­у­ре­а­ти Рай­нер Вайсс та Кіп Торн. Ці­ка­во, що ра­ні­ше Кіп Торн був на­у­ко­вим кон­суль­тан­том та ви­ко­нав­чим про­дю­се­ром філь­му «Ін­тер­стел­лар», який отри­мав «Оска­ра» за най­кра­щі ві­зу­аль­ні ефе­кти й у яко­му дія від­бу­ва­є­ться в по­двій­ній си­сте­мі чор­ної ді­ри та ней­трон­ної зір­ки.

У 1970-ті ро­ки, не­зва­жа­ю­чи на за­галь­ну зне­ві­ру на­у­ков­ців у мо­жли­вість де­те­кту­ва­ти гра­ві­та­цій­ні хви­лі, Вайсс і Торн спро­бу­ва­ли ство­ри­ти свій ла­зер­ний ін­тер­фе­ро­метр. В одній із ле­кцій Кіп Торн ка­зав, що спо­сте­рі­га­ти хви­лі бу­ло йо­го мрі­єю з юно­сті. І, до­ла­ю­чи чи­слен­ні тру­дно­щі, він зміг її ре­а­лі­зу­ва­ти. Ра­зом із Вайс­сом та шо­тланд­ським фі­зи­ком Ро­наль­дом Дре­ве­ром во­ни здій­сни­ли роз­ра­хун­ки, ство­ри­ли про­то­тип май­бу­тньо­го де­те­кто­ра. Спер­шу ви­рі­ши­ли за­фі­ксу­ва­ти всі мо­жли­ві шу­мо­ві пе­ре­шко­ди, як-от сей­смі­чна актив­ність, пе­ре­па­ди гра­ві­та­цій­но­го по­ля, шу­ми че­рез пе­ре­па­ди тем­пе­ра­тур у при­стро­ях, ча­сто­тні не­ста­біль­но­сті в ла­зер­но­му про­ме­ні то­що.

Са­му об­сер­ва­то­рію LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory — Ла­зер­на ін­тер­фе­ро­ме­три­чна гра­ві­та­цій­но-хви­льо­ва об­сер­ва­то­рія) бу­ду­ва­ли й до­во­ди­ли до по­трі­бної то­чно­сті більш як 20 ро­ків. 1994-го до про­е­кту до­лу­чив­ся аме­ри­кан­ський фі­зик-екс­пе­ри­мен­та­тор Бар­рі Бе­ріш, ще один цьо­го­рі­чний но­бе­лів­ський ла­у­ре­ат. Він ство­рив ве­ли­ку на­у­ко­ву ко­ла­бо­ра­цію та отри­мав фі­нан­су­ва­н­ня від На­ціо­наль­но­го на­у­ко­во­го фон­ду США роз­мі­ром $395 млн. На­ра­зі це най­біль­ша ін­ве­сти­ція фон­ду, до то­го ж во­на бу­ла ду­же ри­зи­ко­ва­ною, зва­жа­ю­чи на скла­дно­щі по­став­ле­но­го зав­да­н­ня.

LIGO — ве­ле­тен­ська ко­ла­бо­ра­ція, у якій об’єд­на­ні зу­си­л­ля при­бли­зно 40 на­у­ко­во-до­слі­дних ін­сти­ту­тів та 600 окре­мих на­у­ков­ців, і най­то­чні­ший екс­пе­ри­мен­таль­ний при­стрій в істо­рії. Він скла­да­є­ться з двох одна­ко­вих ін­тер­фе­ро­ме­трів, які є в аме­ри­кан­ських мі­стах Ген­форд, штат Ва­шинг­тон (до ре­чі, тут мі­стив­ся Ген­форд­ський ком­плекс, у яко­му під час Дру­гої сві­то­вої ви­ро­бля­ли плу­то­ній для аме­ри­кан­ської ядер­ної зброї), та Лі­вінг­стон, штат Лу­ї­зі­а­на. Від­стань між ни­ми ста­но­вить 3 тис. км.

Ко­жен з ін­тер­фе­ро­ме­трів схо­жий на хрест із двох ту­не­лів із ви­со­ким ва­ку­у­мом зав­довж­ки 4 км, які на­зи­ва­ють «пле­ча­ми». У ко­ро­тких «пле­чах» роз­мі­ще­ні ла­зер — дже­ре­ло сві­тла — та де­те­ктор. У пе­ре­хре­сті — на­пів­про­зоре дзер­ка­ло, що роз­ще­плює ла­зер­ний про­мінь і зму­шує йо­го йти вздовж ве­ли­ких «пле­чей», у кін­ці ко­жно­го з яких є дзер­ка­ло. Про­ме­ні від­би­ва­ю­ться від дзер­кал, під­си­лю­ю­ться в кіль­ка со­тень ра­зів і схо­дя­ться на де­те­кто­рі. Від­стань, яку про­хо­дить ко­жен із про­ме­нів, під­би­ра­ють так, щоб во­ни вза­єм­но «га­си­ли­ся» й на де­те­кто­рі не бу­ло жодного зо­бра­же­н­ня. Ко­ли ж про­хо­дить гра­ві­та­цій­на хви­ля, дов­жи­ни ту­не­лів змі­ню­ю­ться й де­те­ктор фі­ксує зо­бра­же­н­ня. 14 ве­ре­сня 2015 ро­ку хви­ля спер­шу ді­йшла до Лі­вінг­сто­на, а че­рез 7 мс,

ру­ха­ю­чись зі швид­кі­стю сві­тла, до­ся­гла Ген­фор­да. Два ін­тер­фе­ро­ме­три по­трі­бні для то­го, щоб на­дій­но від­ки­ну­ти будь-які ви­пад­ко­ві спра­цю­ва­н­ня одно­го з де­те­кто­рів. До то­го ж це дає змо­гу при­бли­зно з’ясу­ва­ти на­пря­мок на об’єкт, що по­ро­див хви­лі. 2017-го до цих двох ін­тер­фе­ро­ме­трів при­єд­нав­ся Virgo (на­зва­ний на честь ску­пче­н­ня га­ла­ктик у су­зір’ї Ді­ви), роз­мі­ще­ний не­по­да­лік іта­лій­ської Пі­зи. 27 ве­ре­сня цьо­го ро­ку три ін­тер­фе­ро­ме­три за­фі­ксу­ва­ли чер­го­ві гра­ві­та­цій­ні хви­лі (по­чи­на­ю­чи з 14 ве­ре­сня 2015-го че­твер­та подія) від зли­т­тя двох чор­них дір і зумі­ли з ви­со­кою то­чні­стю вка­за­ти на ді­лян­ку не­ба, звід­ки на­ді­йшов си­гнал.

Цьо­го­рі­чна но­бе­лів­ська пре­мія з фі­зи­ки не ста­ла сюр­при­зом, адже бу­ло зро­зумі­ло, що та­ке ва­жли­ве від­кри­т­тя не­за­ба­ром отри­має на­го­ро­ду. Бу­ла де­яка ін­три­га що­до то­го, ко­му са­ме вру­чать пре­мію, адже, за пра­ви­ла­ми, при­су­ди­ти її мо­жуть не більш як трьом осо­бам, а на LIGO пра­цю­ють со­тні на­у­ков­ців. Не ви­клю­че­но, що до па­ри Вайс­са та Тор­на до­лу­чив­ся б Ро­нальд Дре­вер, який по­чи­нав у да­ле­кі 1970-ті цей про­ект і був одним із мрій­ни­ків, що не зне­ві­ри­ли­ся в мо­жли­во­сті від­кри­т­тя. Та, на жаль, 7 бе­ре­зня 2017-го він по­мер.

Від­кри­т­тя гра­ві­та­цій­них хвиль — одне з най­ви­зна­чні­ших до­ся­гнень фі­зи­ки остан­ніх ро­ків. Во­но вко­тре до­ве­ло пра­виль­ність те­о­рії від­но­сно­сті, змі­цнив­ши фун­да­мент на­у­ко­вих знань про гра­ві­та­цію. Ста­ло пер­шим пря­мим під­твер­дже­н­ням на­яв­но­сті чор­них дір. У цьо­му ма­ло хто з фі­зи­ків сум­ні­вав­ся, але ре­шта ін­фор­ма­ції бу­ла опо­се­ред­ко­ва­ною. Від­кри­т­тя по­ка­за­ло, що чор­ні ді­ри мо­жуть зли­ва­ти­ся в біль­ші об’єкти. Во­но ста­ло трі­ум­фом екс­пе­ри­мен­таль­ної на­у­ки, по­ча­тком гра­ві­та­цій­но-хви­льо­вої астро­но­мії, що до­по­мо­же ді­зна­ти­ся біль­ше про чор­ні ді­ри, ней­трон­ні зір­ки. Це мо­же бу­ти на­шим «ві­кном» у най­пер­ші мо­мен­ти існу­ва­н­ня Все­сві­ту.

Ін­тер­фе­ро­метр LIGO скла­да­є­ться із двох L- по­ді­бних тру­бок зав­довж­ки 4 км із ви­со­ким ва­ку­у­мом все­ре­ди­ні, з’єд­на­них у фор­мі хре­ста

Но­бель-2017. Пре­мію з лі­те­ра­ту­ри отри­мав бри­тан­ський пи­сьмен­ник япон­сько­го по­хо­дже­н­ня Ка­дзуо Іші­ґу­ро, який у сво­їх ро­ма­нах із «ве­ли­кою емо­цій­ною си­лою по­ка­зує прір­ву, що хо­ва­є­ться під на­шим ілю­зор­ним від­чу­т­тям зв’яз­ку зі сві­том»

У те­о­рії від­но­сно­сті енер­гія та ма­са екві­ва­лен­тні. Енер­гія від зли­т­тя чор­них дір ма­сою 29 та 36 со­ня­чних у ве­ле­тен­ську ді­ру ма­сою 62 со­ня­чні пі­шла на утво­ре­н­ня гра­ві­та­цій­них хвиль. Під час зли­т­тя ви­ді­ли­ла­ся енер­гія, що до­рів­нює трьом ма­сам Сон­ця і ста­но­вить рі­зни­цю між су­мою мас дір до зли­т­тя й ма­сою утво­ре­ної ді­ри

Newspapers in Ukrainian

Newspapers from Ukraine

© PressReader. All rights reserved.