Ученые ищут «рябь пространства»
Европейские ученые объединили усилия для поиска одной из загадок Вселенной — гравитационных волн. Уникальное исследование проводится с помощью двух наземных детекторов GEO600 и Virgo, но пока безрезультатно.
После создания Общей теории относительности (ОТО) стало ясно, что любое космическое взаимодействие должно распространяться с конечной скоростью, не превышающей скорость света. Гравитация — тоже взаимодействие. Возникла гипотеза об особом переносчике тяготения — гравитационном поле и о гравитационных волнах — возмущениях данного поля, «ряби» на ткани пространства-времени. Оставалось обнаружить эти волны экспериментально и научиться их использовать. Впереди маячили блестящие перспективы генерации тяготения и путешествия с его помощью в иные миры, дистанционного управления кривизной пространства-времени и другие «вкусности», придуманные писателями-фантастами.
Но до сих пор гравитационные волны ускользают от ученых. Причина в том, что они должны быть очень слабыми. Подсчитано, что общий поток гравитационного излучения 20 млн двойных звезд нашей галактики вблизи поверхности Земли не превышает 10–10 Вт/м2. Как представить себе такую величину? Это 1 ватт мощности, рассеянный по площадке со стороной 100 км. Другой пример: в системе Солнце—Юпитер мощность гравитационного поля составляет всего лишь несколько сотен ватт. Такую мелкую «рябь» пространства вряд ли удастся использовать для земных целей.
Лазером — по гравитации
Тем не менее охота за этим полем продолжается уже почти век. Согласно ОТО, гигантские космические катаклизмы, такие как взрыв сверхновых, столкновение нейтронных звезд и черных дыр, а также объекты вроде вращающихся нейтронных звезд (пульсаров) должны порождать колебания ткани пространства-времени — те самые гравитационные волны. Эти явления, как ожидается, генерируют сильное гравитационное излучение и поэтому представляют собой идеальные объекты для поиска.
Волны гравитации можно попытаться обнаружить, используя интерферометры Майкельсона — приборы, регистрирующие малейшие отклонения лучей от заданного направления. Их конструкция такова: в двух длинных (в несколько сот метров или даже километров) перпендикулярных друг другу вакуумных камерах-трубах подвешиваются зеркала. Луч генерируется лазером и направляется на полупрозрачное зеркало, размещенное в точке пересечения камер. Здесь он расщепляется, идет по обеим камерам, отражается от зеркал, возвращается обратно и вновь соединяется. Длины камер подобраны так, что в «спокойном» состоянии эти два луча после воссоединения в полупрозрачном зеркале гасят друг друга, и освещенность фотодетектора оказывается нулевой. Но стоит лишь какому-либо из зеркал сместиться на микроскопическое расстояние (причем речь идет о тысячных долях размера атомного ядра!), как компенсация двух лучей станет неполной, и фотодетектор поймает свет. Если в пространстве прокатилась гравитационная волна, то она окажет влияние на луч, и он хоть на незначительную величину, но должен отклониться.
В этом году ученые разных стран Европы создали объединенную систему из двух мощных лазерных интерферометров GEO600 и Virgо, расположенных в различных точках на поверхности Земли. Тем самым появилась возможность устранить любой посторонний шум, похожий на гравитационные волны, но имеющий вполне земное происхождение. В то же время сигналы гравитационных волн должны оставаться неизменными. Кроме того, пространственное разнесение детекторов GEO600 и Virgо позволит установить примерное направление на источник гравитационной волны.
Оба европейских интерферометра имеют схожую чувствительность на высоких частотах, что позволяет эффективно производить поиск гравитационных волн, связанных со сверхновыми и гамма-вспышками, которые наблюдаются обычными телескопами.
Обнаружение гравитационных волн будет означать новую веху в исследовании космоса и могло бы во многом уточнить наши знания о Вселенной. Такие волны позволят не только исследовать наиболее интересные космические объекты и процессы, но и найти реликтовые гравитационные волны, которые образовались после Большого взрыва. С помощью реликтовых волн появится возможность изучить в новом ракурсе возникновение нашей Вселенной и ее развитие.
«Телескоп Эйнштейна»
Впрочем, пока этот эксперимент не принес однозначного положительного результата. Поэтому европейские ученые планируют запустить подземный телескоп для поиска гравитационных волн. По амбициозности новый научный проект сравним с Большим адронным коллайдером, работающим в Швейцарии.
Строительство установки, названной «телескопом Эйнштейна», обойдется Европе дешевле, чем коллайдер, но тоже влетит в копеечку: по первоначальным прикидкам, он будет стоить от полумиллиарда до миллиарда евро. Это два 10-километровых, перпендикулярных друг к другу горизонтальных туннеля, расположенных под землей на глубине 800 м. В них будет создан глубокий вакуум при температуре ниже −160°C. Сквозь туннели прецизионные лазеры, расположенные посередине, будут посылать фотоны к зеркальным мишеням, подвешенным на длинных маятниках, и точно измерять расстояние между ними.
Предполагается, что «телескоп Эйнштейна» может дать нам такие сведения о нашей Вселенной, которые другими методами получить невозможно — ни оптической, ни радио-, ни рентгеновской астрономией. Место для его строительства еще не выбрано. Проект разрабатывает Европейская гравитационная обсерватория, и ее ученым, чтобы выбрать его, придется рассмотреть 14 предложений, среди которых — заброшенные шахты в Польше, Венгрии, Румынии, Франции, Италии и Германии. Если ни одна из них не подойдет, придется рыть тоннели заново в месте, наиболее спокойном в сейсмическом отношении.
