Учені шукають «брижі простору»
Європейські вчені об’єднали зусилля для пошуку однієї із загадок Всесвіту — гравітаційних хвиль. Унікальне дослідження ведеться за допомогою двох наземних детекторів GEO600 і Virgo, але поки безрезультатно.
Після створення Загальної теорії відносності (ЗТВ) стало зрозуміло, що будь-яка космічна взаємодія має поширюватися з кінцевою швидкістю, що не перевищує швидкість світла. Гравітація — теж взаємодія. Виникла гіпотеза про особливий переносник тяжіння — гравітаційне поле й про гравітаційні хвилі — збурення цього поля, «брижі» на тканині простору-часу. Залишалося знайти ці хвилі експериментально й навчитися їх використовувати. Бачилися блискучі перспективи генерації тяжіння й подорожі з його допомогою в інші світи, дистанційне керування кривизною простору-часу та інші цікавинки, придумані письменниками-фантастами.
Але досі гравітаційні хвилі вислизають від учених. Причина в тому, що вони мають бути дуже слабкими. Підраховано, що загальний потік гравітаційного випромінювання 20 млн подвійних зірок нашої галактики поблизу поверхні Землі не перевищує 10-10 Вт/м2. Як уявити собі таку величину? Це 1 ват потужності, розсіяний на площадці зі стороною 100 км. Інший приклад: у системі Сонце-Юпітер потужність гравітаційного поля становить лише кілька сотень ватів. Такі дрібні «брижі простору» навряд чи вдасться використовувати для земних потреб.
Лазером — по гравітації
Проте полювання за цим полем триває вже майже століття. Згідно із ЗТВ, гігантські космічні катаклізми, такі як вибух наднових, зіткнення нейтронних зірок і чорних дір, а також об’єкти на зразок обертових нейтронних зірок (пульсарів) мають породжувати коливання тканини простору-часу — ті самі гравітаційні хвилі. Ці явища, як очікується, генерують сильне гравітаційне випромінювання й тому являють собою ідеальні об’єкти для пошуку.
Хвилі гравітації можна спробувати виявити, використовуючи інтерферометри Майкельсона — прилади, які реєструють найменші відхилення променів від заданого напрямку. Їхня конструкція така: у двох довгих (у кілька сотень метрів або навіть кілометрів) перпендикулярних одна одній вакуумних камерах-трубах підвішуються дзеркала. Промінь генерується лазером і спрямовується на напівпрозоре дзеркало, розміщене в точці перетинання камер. Тут він розщеплюється, іде по обох камерах, відбивається від дзеркал, повертається назад і знову з’єднується. Довжини камер підібрані так, що в «спокійному» стані ці два промені після возз’єднання в напівпрозорому дзеркалі гасять один одний, і освітленість фотодетектора стає нульовою. Але як тільки якесь із дзеркал зміститься на мікроскопічну відстань (причому йдеться про тисячні частки розміру атомного ядра!), компенсація двох променів стане неповною, і фотодетектор уловить світло. Якщо в просторі прокотилася гравітаційна хвиля, то вона вплине на промінь, і він хоч незначно, але має відхилитися.
Цього року вчені різних країн Європи створили об’єднану систему із двох потужних лазерних інтерферометрів GEO600 і Virgо, розташованих у різних точках на поверхні Землі. Таким чином з’явилася можливість усунути будь-який сторонній шум, що схожий на гравітаційні хвилі, але має цілком земне походження. Водночас сигнали гравітаційних хвиль мають залишатися незмінними. Крім того, просторове віддалення детекторів GEO600 і Virgо дозволить установити зразковий напрямок на джерело гравітаційної хвилі.
Обидва європейських інтерферометри мають схожу чутливість на високих частотах, що дозволяє ефективно шукати гравітаційні хвилі, пов’язані з надновими й гамма-спалахами, які спостерігаються звичайними телескопами.
Виявлення гравітаційних хвиль означатиме новий етап у дослідженні космосу й багато в чому може уточнити наші знання про Всесвіт. Такі хвилі не тільки дозволять досліджувати найцікавіші космічні об’єкти й процеси, а й знайти реліктові гравітаційні хвилі, які утворилися після Великого вибуху. За допомогою реліктових хвиль з’явиться можливість вивчити в новому ракурсі виникнення нашого Всесвіту та його розвиток.
«Телескоп Ейнштейна»
Утім, поки цей експеримент не дав однозначного позитивного результату. Тому європейські вчені планують запустити підземний телескоп для пошуку гравітаційних хвиль. За амбіційністю новий науковий проект порівнянний із Великим адронним колайдером, який працює у Швейцарії.
Установка, названа «телескопом Ейнштейна», коштуватиме Європі дешевше, ніж колайдер, але теж ускочить у копієчку: за приблизними підрахунками, на її будівництво потрібно від півмільярда до мільярда євро. Це два 10-кілометрових, перпендикулярних один одному горизонтальних тунелі, розташованих під землею на глибині 800 м. У них буде створений глибокий вакуум за температури нижче -160°C. Крізь тунелі прецизійні лазери, розташовані посередині, посилатимуть фотони до дзеркальних мішеней, підвішених на довгих маятниках, і точно вимірюватимуть відстань між ними.
Передбачається, що «телескоп Ейнштейна» може дати нам такі відомості про наш Всесвіт, які іншими методами одержати неможливо — ні оптичною, ні радіо-, ні рентгенівською астрономією. Місце для його будівництва ще не обрано. Проект розробляє Європейська гравітаційна обсерваторія, і її вченим, щоб вибрати його, доведеться розглянути 14 пропозицій, серед яких — залишені шахти в Польщі, Угорщині, Румунії, Франції, Італії та Німеччині. Якщо жодна з них не підійде, доведеться рити тунелі заново в сейсмічно найспокійнішому місці.
