14 сентября 2015 года два прибора в США дрогнули меньше, чем на тысячную долю диаметра протона. Дрожь длилась около двух десятых секунды. В ней была записана гибель двух чёрных дыр более чем за миллиард световых лет от нас.
2. Волна не в воздухе, а в пространстве
В общей теории относительности гравитация — это искривление пространства-времени массой и энергией. Когда массивные тела движутся с ускорением, изменения гравитационного поля распространяются со скоростью света.
Проходя через область, волна попеременно растягивает расстояние в одном направлении и сжимает в перпендикулярном. Затем направления меняются местами.
Эйнштейн предсказал такие волны в 1916 году, но эффект оказался невероятно слабым. Для прямого измерения понадобилось научиться замечать относительное изменение длины порядка 10 в минус 21-й степени.
3. Как устроено ухо LIGO
Каждый детектор LIGO имеет два перпендикулярных вакуумных рукава длиной четыре километра. Лазерный луч делится на две части, проходит между зеркалами и возвращается к месту соединения. Если длины рукавов меняются по-разному, рисунок интерференции света сдвигается.
Зеркала защищены от землетрясений, транспорта, ветра и тепловых колебаний. Сотни тысяч вспомогательных каналов следят за окружающей средой.
Два детектора расположены в Хэнфорде и Ливингстоне. Настоящая космическая волна должна пройти через оба с допустимой задержкой. Местный грузовик такого совпадения не устроит.
4. Что произошло 14 сентября
В 09:50:45 по всемирному времени оба детектора зарегистрировали GW150914. Частота быстро выросла примерно от 35 до 250 герц, а амплитуда усилилась перед резким окончанием.
Форма совпала с расчётом слияния чёрных дыр массой около 36 и 29 Солнц. После события осталась чёрная дыра примерно в 62 солнечные массы. Около трёх масс Солнца превратились в энергию гравитационных волн.
Волна сначала пришла в Ливингстон, а примерно через семь миллисекунд — в Хэнфорд. Независимые проверки не нашли земного источника, способного имитировать сигнал.
5. Почему говорят, что волну услышали
Частоты GW150914 попали в диапазон человеческого слуха. Учёные перевели измеренную форму колебания в звук, и получился короткий нарастающий «чирп».
Но в космосе ничего не звучало: там нет воздуха, переносящего акустические волны. Детектор измерял лазером деформацию пространства, а не давление воздуха.
6. Что говорит наука
Подтверждено: GW150914 стал первым прямым обнаружением гравитационных волн и первым прямым наблюдением слияния пары чёрных дыр. Случайный шум такой силы ожидался реже одного раза примерно за 203 тысячи лет наблюдений.
Сигнал согласовался с общей теорией относительности. Открытие объявили 11 февраля 2016 года. В 2017-м Нобелевскую премию получили Райнер Вайс, Барри Бэриш и Кип Торн.
После первого события сеть LIGO–Virgo–KAGRA зарегистрировала множество слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд. Открытой областью остаются более слабые источники, непрерывные волны и возможный космологический фон.
7. Итог
Итак, гравитационные волны — это рябь геометрии пространства-времени. В 2015 году их «услышали» потому, что лазерный интерферометр превратил ничтожное изменение длины в измеримый сигнал, а затем его перевели в звук.
Подпишитесь: впереди у новой астрономии ещё немало громких открытий.
