Що таке гравітаційні хвилі

11 лютого 2016 року відбулася знакова подія в науковому світі: офіційно було оголошено про виявлення гравітаційних хвиль. Але якщо одних людей це привело в захват, то інші залишилися в подиві – а що ж таке ці хвилі і чому так важливо це відкриття? Насправді все не так вже й складно.

Що таке гравітаційні хвилі?
Отже, відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна, гравітація – це наслідок викривлення простору-часу тілами, що мають масу. Умовно можна уявити собі Всесвіт як гумову пружну поверхню, яку масивні тіла деформують своєю вагою. Якщо на плоскому просторі-часі почати рухати предмети, то по поверхні побіжить брижі, це і є гравітаційні хвилі – немов хвилі на воді. Правда, відчуваються вони зовсім інакше. Якщо хвилі на воді – це коливання молекул, то гравітаційні хвилі – це стиснення і розтягнення самого простору-часу. Якщо за вами проходить плоска гравітаційна хвиля, то, коли ви опиняєтеся на її гребені, вас розтягує по вертикалі і стискає по горизонталі, а коли опиняєтеся на западині – навпаки.

Варто зазначити, що ми не вклеєні в простір-час намертво: ми будемо чинити опір деформації за рахунок сил пружності, і нас буде жолобити, плющить і розтягувати. Але гравітація – дуже слабка сила, вона слабкіше електромагнітних сил в 1040 разів, так що навряд чи ми коли-небудь відчуємо всі ці ефекти.
Утворюються гравітаційні хвилі при русі будь-яких масивних тіл зі змінним прискоренням. І навіть якщо ви облишите, від неї побіжить така хвиля. Але вона буде незначна, все одно що аперкот від мурашки. Тому і засікти такі хвилі дуже складно. Єдине, що може виявити сучасна техніка, це хвилі від зливаються нейтронних зірок або чорних дір (адже у них величезна маса). А раз вони зливаються, обертаються, то і з прискоренням все в порядку. Звичайно, такі об’єкти знаходяться далеко в космосі, і хвиля, дійшовши до нас, сильно слабшає (в 1020 разів).

Але поки це найсильніші обурення, доступні для спостережень.
Теорія гравітації передбачила дуже багато явищ. Наприклад, викривлення світлових променів біля масивних об’єктів, уповільнення часу у відносно сильному гравітаційному полі. Загалом, все найважливіші передбачення, що випливають прямо з формул, були підтверджені точнейшими експериментами, крім одного – існування гравітаційних хвиль. Але нарешті і їх вдалося виявити!

Як були виявлені гравітаційні хвилі?
Вперше ученим вдалося поспостерігати за цими збуреннями 14 вересня 2015 року. Це були гравітаційні хвилі від злиття двох чорних дір на відстані 1,3 млрд світлових років в області в південній півкулі. Дві чорних діри масами в 29 і 36 сонячних мас злилися в одну. Її маса дорівнює 62 сонячним. Але якщо до 29 додати 36, то вийде 65. Куди поділися три сонячних маси? Вони перетворилися в енергію, але не світлову або якусь іншу, а в енергію гравітаційних хвиль.

Спіймана випромінювання виявилося в області звукових частот. Його, звичайно ж, перевели в звук, так що ми можемо почути, як зливаються чорні діри, або навіть використовувати цей звук як сигнал для вхідних повідомлень на телефоні.
Зафіксували це явище за допомогою інтерферометра Майкельсона. Це цілком буденний інструмент, студенти використовують його в своїх лабораторних роботах. Але цей интерферометр неймовірно величезний і точний. На його створення було потрібно 25 років роботи і 650 млн доларів.
Інтерферометр Майкельсона є дві перпендикулярні труби з вакуумом довжиною 4 кілометри. На кінцях цих труб підвішуються дзеркала. Промінь лазера розщеплюється на два пучки, які направляються на дзеркала по трубах, відображаються і, знову з’єднуючись один з одним, потрапляють на детектор. Довжини підібрані так, що в «спокійному» стані промені лазерів при возз’єднанні гасять один одного. Але коли проходить гравітаційна хвиля, одна труба стискається, інша розтягується, промені проходять інше відстань, компенсація стає неповною, і це вловлює детектор. Причому мова йде про зовсім незначних змінах довжини – в тисячі разів менше атомного ядра! Це те ж саме, як помітити, що Сонце стиснулося на кілька сотих часток нанометра.

Гравітаційні хвилі приходять з усіх напрямків, адже гравітація нічим не екранується, вона спокійно проходить крізь Землю. Сигнал зловили дві лабораторії на відстані 3000 км один від одного, і ймовірність того, що це випадкова подія, практично нульова. Для того щоб детектори чисто випадково видали подібний результат, довелося б чекати 200 тисяч років. Так що додаткових перевірок не потрібно.

Чим так важливі для науки гравітаційні хвилі?
Відкриття гравітаційних хвиль підтверджує загальну теорію відносності, адже сумнівів на цей рахунок було чимало. Існування гравітаційних хвиль прямо випливало з формул, але їх дуже довго не могли знайти.

З їх допомогою можна більш детально досліджувати чорні діри. Гравітаційні хвилі народжуються практично біля поверхні чорної діри, поблизу горизонту подій. Раніше ми судили про чорні діри тільки по речовині, яке їх оточує. А за допомогою гравітаційних хвиль ми немов заглянули під одяг чорній дірі.

Та й в цілому у астрономів з’явився ще один дивовижний спосіб вивчення Всесвіту. Адже основні інструменти – це оптичні телескопи, радіо, рентгенівські обсерваторії, за допомогою яких спостерігають електромагнітні хвилі. Зараз до них додалося принципово нове явище – гравітаційні хвилі. Хтось сказав про це: «Якщо раніше у астрономів були тільки очі, то тепер з’явилися вуха». Навіть важко уявити, скільки нової інформації про Всесвіт ми дізнаємося завдяки цьому відкриттю.

У найближчі десятиліття чутливість апаратури підвищиться в десятки разів. Ми зможемо більше дізнатися про Всесвіт і її виникненні. Очевидно, ми на порозі великих відкриттів. Можна знайти аналогію в історії науки: електромагнітні хвилі виявили тільки через 23 роки після теоретичного передбачення. А зараз ми і не уявляємо наше життя без них! І хто знає, як обернеться історія з хвилями гравітаційними …

Посилання на основну публікацію