Вісник НАН України. 2016. № 4. С. 3-11.
ЖДАНОВ Валерій Іванович –
доктор фізико-математичних наук,
завідувач відділу астрофізики Астрономічної обсерваторії
Київського національного університету імені Тараса Шевченка
ШТАНОВ Юрій Володимирович –
доктор фізико-математичних наук,
завідувач лабораторії астрофізики і космології
Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України
У ПОШУКАХ ГРАВІТАЦІЙНИХ ХВИЛЬ: ШЛЯХ ДО ВІДКРИТТЯ, ТРІУМФ, ПЕРСПЕКТИВИ
Інтерв’ю з В.І. Ждановим і Ю.В. Штановим
11 лютого 2016 р. сталася подія, на яку чекало не одне покоління фізиків. Учасники міжнародної наукової колаборації LIGO виступили із заявою про те, що їм вдалося зафіксувати гравітаційні хвилі – коливання кривини простору-часу, породжене злиттям двох чорних дір на відстані приблизно 1,3 млрд світлових років. Про історію пошуків гравітаційних хвиль, про дивовижні технологічні рішення і значущість цього відкриття для подальшого розвитку астрономії ми говорили з доктором фізико-математичних наук, професором Валерієм Івановичем Ждановим і доктором фізико-математичних наук Юрієм Володимировичем Штановим.
Гравітаційні хвилі – це коливання кривини простору-часу, які поширюються зі швидкістю світла. Їх існування було передбачене загальною теорією відносності (ЗТВ) Ейнштейна сто років тому. Упродовж останнього півстоліття фізики в усьому світі докладали колосальних зусиль для їх експериментального виявлення. Восени 2015 р. під час першого сеансу спостережень на детекторі aLIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) [1], побудованому в США, було зареєстровано гравітаційно-хвильовий сплеск. Після кількох місяців ретельної перевірки 11 лютого 2016 р. на прес-конференції наукової колаборації LIGO у Вашингтоні було оголошено про експериментальне відкриття гравітаційних хвиль. «Шановні пані та панове! Ми виявили гравітаційні хвилі! Ми зробили це!» – емоційно підбив підсумок виконавчий директор LIGO Девід Рейц (David Reitze).
Випромінювати гравітаційні хвилі можуть будь-які тіла, що рухаються з прискоренням, однак проблема полягає в тому, що гравітаційне випромінювання надто слабке, щоб його зафіксувати. Потрібна якась катастрофічна подія, вибух грандіозної потужності, наприклад злиття чорних дір, нейтронних зір, колапс ядра наднової. Гравітаційна хвиля при взаємодії з пробними масами змушує їх рухатися одна відносно одної, але ці рухи надзвичайно малі. Коли хвилі від злиття двох чорних дір масами 29 і 36 мас нашого Сонця, подолавши відстань приблизно 1,3 млрд світлових років, досягли Землі, вони мали амплітуду порядку 10–22–10–21, а детектори в LIGO зафіксували зсув фази лазерного променя, що відповідає зміщенню дзеркального відбивача на величину, яка в тисячу разів менша за діаметр протона.
Гравітаційно-хвильовий сигнал було зафіксовано двома інтерферометрами LIGO, розміщеними на відстані понад 3000 км один від одного, із затримкою в 7 мс, що повністю відповідає теоретичним розрахункам. Сигнал тривав близько 0,2 с, і його було виміряно зі статистичною достовірністю, вищою за 5,1σ. Проте, як запевняють учасники колаборації, він був настільки сильним, що його можна було «бачити» неозброєним оком на фоні завад. Крім того, за іронією долі, частота сигналу приблизно збігається з частотою людської мови, і вчені змоделювали його у звуковій формі (фізично ці явища різні, але частоти однакові – від десятків герців до кілогерців), – так званий chirp, або цвірінькання, що сприяло зацікавленості широкої громадськості. Тепер кожен мав змогу послухати гравітаційну хвилю від злиття двох чорних дір.
– Минулого року вся світова наукова спільнота відсвяткувала 100-річчя загальної теорії відносності. А на початку цього року ще один тріумф теорії Ейнштейна – пряме спостереження гравітаційних хвиль. Це просто якась магія круглих дат!
– Так, прийнято вважати, що 100-річчя ЗТВ було в минулому році. У листопаді 1915 р. Альберт Ейнштейн зробив доповідь, в якій навів рівняння релятивістської теорії тяжіння. Цьому передував довгий і непростий шлях, під час якого, працюючи з 1907 р. над узагальненням спеціальної теорії відносності, Ейнштейн розробив увесь понятійний апарат. Однак дехто має думку, що справжній відлік ЗТВ слід починати з березня 1916 р., коли в журналі Annalen der Physik Ейнштейн опублікував великий огляд «Основи загальної теорії відносності», в якому детально описав фізичні принципи релятивістської теорії гравітації, виклав основи теоретичного апарату і дав докладне обґрунтування рівнянь ЗТВ. Крім того, у червні з’явилася ще одна його стаття «Наближене інтегрування рівнянь поля тяжіння», де вперше було обговорено існування гравітаційних хвиль.
Безпосереднє спостереження гравітаційних хвиль відбулося 14 вересня 2015 р., а фінальна публікація з’явилася в журналі Physical Review Letters 11 лютого 2016 р. [2]. Як бачите, збіг за датами з різницею у століття ще повніший, але нічого магічного, сподіваємося, тут немає.
Взагалі, це тріумф скоріше не теорії Ейнштейна, а можливостей сучасних технологій. Теорій, альтернативних ЗТВ, було і є багато, але, якщо теорія релятивістська, для фахівців очевидно, що має бути певне хвильове рівняння, як ми це маємо, наприклад, в електродинаміці. Отже, питання скоріше не в тому, чи існують взагалі хвилі гравітації, а в тому, щоб параметри експериментально спостереженої хвилі збігалися з передбаченнями ЗТВ. Хоча після багаторічних тестувань цієї теорії, особливих сумнівів у цьому не було.
Ейнштейн показав, що в його теорії гравітації є випромінювання, яке може відірватися від джерела і поширюватися зі швидкістю світла. Ви вже зазначали, що воно дуже слабке і зареєструвати його надзвичайно складно, однак, як бачите, виявилося можливо. Повний текст