Детекторы гравитационных волн

До сих пор все, что известно об астрономии, приходило к нам в фор-
мe электромагнитного излучения, будь это звездный свет, радио- или
микроволновые сигналы из глубин космоса. Сегодня ученые вводят
первое новое средство для научных открытий, а именно гравитацию.
«Каждый раз, как мы смотрели на небо по-новому, мы видели новую
вселенную», — говорит Гари Сандерс из Калифорнийского техно-
логического института, заместитель директора проекта гравитаци-
онных волн.

Впервые о гравитационных волнах заговорил Эйнштейн в
1916 году. Представьте, что случилось бы, если бы Солнце исчезло,
Припоминаете аналогию шара для игры в боулинг, утопающего в ма-
трасе? Или еще лучше — в батуте? Если этот шар внезапно убрать, то
батут немедленно возвратится в свое первоначальное состояние, что
создаст волны, бегущие вовне по батуту. Если шар для боулинга заме-
нить Солнцем, то мы увидим, что гравитационные волны движутся с
определенной скоростью, а именно со скоростью света.

Хотя позднее Эйнштейн нашел точное решение для своих
уравнений, допускавших существование гравитационных волн,
он отчаялся увидеть при жизни подтверждение своего прогноза,
Гравитационные волны чрезвычайно слабы. Даже ударные взрывные
волны, образующиеся при столкновениях звезд, недостаточно силь-
ны, чтобы их можно было измерить в ходе проводимых в настоящее
время экспериментов.

Пока что существование волн гравитации подтверждено лишь
косвенно. Два физика, Рассел Хале и Джозеф Тейлор мл., выдвинули
следующую гипотезу: если изучить двойные звездные системы, в ко-
торых вращающиеся звезды движутся одна за другой в космическом

пространстве, то окажется, что каждая звезда испускает поток гра-
витационных волн, похожих на волны, образующиеся при размеши-
вании патоки. При этом орбита обеих звезд постепенно становится
все меньше и меньше. Эти ученые изучили смертельную спираль
двух нейтронных звезд, постепенно приближающихся друг к другу.
Объектом их исследования стала двойная система нейтронных звезд
PSR 1913+16, которая находится на расстоянии около 16000 све-
товых лет от Земли. Звезды этой системы совершают полный виток
одна вокруг другой за 7 часов 45 минут, и в этом процессе в космиче-
ское пространство испускаются волны гравитации.

Применив теорию Эйнштейна, эти ученые обнаружили, что
две рассматриваемые звезды должны сближаться друг с другом на
один миллиметр за каждый полный виток. Хотя такое расстояние
фантастически мало, в год оно увеличивается почти до метра, в то
время как орбита в 700 000 км медленно уменьшается в размерах.
Эта новаторская работа показала, что уменьшение орбиты в точ-
ности соответствует предсказаниям теории Эйнштейна на основе
гравитационных волн. (В сущности, уравнения Эйнштейна предска-
зывают, что звезды в конце концов столкнутся через 240 миллионов
лет вследствие потери энергии, испускаемой в космос в виде грави-
тационных волн.) За свою работу Рассел Хале и Джозеф Тейлор мл.
получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году.

Мы можем также пойти в обратном направлении и использовать
этот точный эксперимент, чтобы измерить, насколько точна сама об-
щая теория относительности. При проведении вычислений в обрат-
ном порядке выясняется, что общая теория относительности верна
как минимум на 99,7 %.

LIGO — лазерная обсерватория-
интерферометр гравитационных волн

Чтобы получить полезную информацию о ранней вселенной, не-
обходимы прямые наблюдения гравитационных волн. В 2003 году
первый действующий детектор гравитационных волн LIGO (Laser
Interferometer Gravitational-Wave Observatory, или лазерная обсервато-
рия-интерферометр гравитационных волн) наконец был запущен,
реализовав тем самым давнюю мечту прощупать тайны вселенной

посредством гравитационных волн. Целью детектора LIGO яв-
ляется регистрация космических событий, которые происходят
слишком далеко или имеют слишком маленькие масштабы, чтобы
их можно было наблюдать при помощи наземных телескопов. Это,
скажем, такие события, как столкновения черных дыр или нейтрон-
ных звезд.

Обсерватория LIGO состоит из двух гигантских лазерных уста-
новок, одна из которых расположена в Хэнфорде (штат Вашингтон),
а другая в Ливингстоне (штат Луизиана). Каждая из установок
снабжена двумя трубами по 4 км длиной каждая, которые образуют
гигантскую букву L. Внутри каждой трубы включается лазер. В углу
буквы L оба лазерных луча сталкиваются, и происходит интерферен-
ция их волн. Обычно в отсутствие каких-либо возмущений две волны
синхронизируются и взаимоуничтожаются. Но если в устройство
попадает даже малейшая гравиволна, образовавшаяся при столкно-
вении черных дыр или нейтронных звезд, то одно плечо уменьшается
или увеличивается иным образом, нежели второе. Такого возмуще-
ния достаточно, чтобы разрушить хрупкий баланс двух лазерных
лучей — они не взаимоуничтожаются, а создают характерную кар-
тину интерференции волн, которую можно подвергнуть детальному
компьютерному анализу. Чем больше гравитационная волна, тем
больше несовпадение между двумя лазерными лучами и тем больше
интерференция.

Обсерватория LIGO являет собой чудо техники. Поскольку мо-
лекулы воздуха могут поглощать свет лазеров, трубку, по которой
проходит свет, вакуумируют до давления в одну триллионную часть
атмосферы. Каждый детектор занимает около 8,4 м³ пространства,
что означает, что в обсерватории LIGO находится самый большой
объем искусственного вакуума в мире. Особая чувствительность
LIGO объясняется, в частности, конструкцией зеркал, управляемых
крошечными магнитами размером с муравья, которых всего шесть.
Зеркала так отполированы, что точность их составляет до одной
тридцатимиллиардной доли дюйма. «Представьте, что Земля была
бы настолько гладкой. Тогда средняя гора возвышалась бы не более,
чем на дюйм (ок. 2,5 см)», — говорит Гарилинн Биллингсли, в обя-
занности которой входит контроль зеркал. Конструкция этих зеркал
настолько тонка, что их можно сдвигать менее чем на микрон, что

делает их, вероятно, самыми чувствительными зеркалами в мире.
«У большинства инженеров, занимающихся системами контроля и
управления, просто отвисает челюсть, когда они слышат о том, что
мы пытаемся сделать», — говорит Майкл Цукер, ученый, принимаю-
щий участие в проекте LIGO.

Поскольку детектор LIGO столь тонко сбалансирован, иногда
его работе мешают крошечные вибрации, идущие от самых нежела-
тельных источников. К примеру, установку LIGO в Луизиане нельзя
запускать днем из-за лесорубов, которые валят деревья в полукило-
метре от детектора. (Детектор LIGO настолько чувствителен, что
его нельзя было бы запускать в течение дня даже в том случае, если
рубка леса проходила бы на расстоянии полутора километров.) Даже
ночью вибрации, источником которых являются товарные составы,
проходящие в полночь и в шесть часов утра, ограничивают продол-
жительность непрерывной работы детектора LIGO.

Даже столь слабое явление, как волны, бьющие о берег на рас-
стоянии нескольких километров от установки, может повлиять на
результаты. Волны океана бьют о берег Северной Америки в среднем
каждые шесть секунд, создавая низкий гул, который может быть за-
фиксирован лазерами. Частота этого шума настолько низка, что он,
в сущности, может распространяться прямо сквозь землю. «Это
похоже на рокот, — так комментирует этот шум Цукер. — В сезон
ураганов в Луизиане это становится просто кошмаром». Кроме
того, на детектор LIGO оказывают влияние приливы, создаваемые
гравитацией Луны и Земли, что создает возмущение в несколько мил-
лионных долей дюйма.

Для того чтобы исключить эти невероятно малые возмущения,
инженеры детектора LIGO предприняли чрезвычайные меры для
обеспечения изоляции установки. Каждая лазерная система покоит-
ся на вершине четырех огромных платформ из нержавеющей стали,
расположенных одна поверх другой; каждый уровень разделен рес-
сорами для погашения всех вибраций. Каждый оптический инстру-
мент снабжен своей собственной системой сейсмической изоляции;
цементный пол в 75 сантиметров толщиной не соединен со стенами.

Детектор LIGO представляет собой часть интернационального
консорциума, в который также входят французско-итальянский
детектор под названием VIRGO в Пизе (Италия), японский детек-

тоp ТАМА, расположенный за пределами Токио, а также британ-
ско-немецкий детектор GEO600 в Ганновере (Германия). В целом,
общая стоимость постройки детектора LIGO обойдется в 292 млн
долларов (плюс 80 млн долларов на пуско-наладочные работы и мо-
дернизацию), что делает его самым дорогим проектом из когда-либо
финансировавшихся Национальным научным фондом.

Однако, даже несмотря на такую чувствительность детектора,
многие ученые признают, что LIGO, возможно, не обладает достаточ-
ной чувствительностью для улавливания действительно интересных
событий за время своей работы. Следующая модернизация установ-
ки, LIGO II, намечается на 2007 год (при условии получения финан-
сирования). Если детектор LIGO не уловит гравитационных волн,
то смело можно ставить на то, что это получится у LIGO II. Ученый,
принимающий участие в проекте LIGO, Кеннет Либбрехт, заявляет,
что LIGO II увеличит чувствительность оборудования в тысячу раз:
«Вы переходите от [улавливания] одного события раз в 10 лет, что ло-
вольно мучительно, к одному событию в три дня, что уже приятно».

Чтобы детектор LIGO уловил сигнал от столкновения двух чер-
ных дыр (на расстоянии до 300 млн световых лет), ученым пришлось
бы ждать от года до тысячи лет. Многие астрономы, возможно, со-
мневаются в целесообразности изучения подобных событий при
помощи детектора LIGO, если это означает, что свидетелями этого
события станут их пра-пра-пра... правнуки. Но как выразился один из
участников проекта LIGO Питер Солсон: «Людям нравится решать
эти технически сложные задачи подобно тому, как строители средне-
вековых соборов продолжали свою работу, зная, что они, возможно,
не увидят оконченной церкви. Но если бы не существовало такой
большой вероятности увидеть гравитационные волны в течение моей
жиизни, то я бы не работал в этой области. Это не просто Нобелевская
лихорадка... Характерным отличием нашей работы является степень
точности, к которой мы стремимся; если вы работаете таким обра-
зом, то вы двигаетесь в правильном направлении». Вероятность об-
наружения поистине интересного события в течение нашей жизни
будет намного выше при использовании детектора LIGO II. LIGO II,
возможно, обнаружит сталкивающиеся черные дыры на расстояниях
до 6 миллиардов световых лет с частотой от десяти в день до десяти
в год.

Однако даже детектор LIGO II не будет обладать достаточной
чувствительностью для обнаружения гравитационных волн, ис-
пускаемых в момент его создания. Для этого нам придется подождать
еще 15-20 лет до запуска космической лазерной антенны-интерфе-
рометра LISA.