Нобелевская премия по физике 2017 года присуждена за открытие, которого ждали 100 лет. Предсказанные Альбертом Эйнштейном в 1916 году гравитационные волны были обнаружены в 2015-м.
Через 2 месяца, 10 декабря, состоится церемония награждения Нобелевских лауреатов. Почему в их число попали именно Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш и как рождаются гравитационные волны, рассказал профессор кафедры теории относительности и гравитации КФУ, руководитель проекта «Аксион» научно-исследовательской лаборатории «Космология» САЕ «Астровызов» Александр Балакин.
— Непосредственными участниками регистрации гравитационных волн стали ученые 133 научных организаций из разных стран мира. Всего же список авторов статьи, в которой опубликованы материалы об открытии, содержит более 1000 фамилий. Попали в этот список и 8 представителей двух научных организаций России: Московского государственного университета и Нижегородского Института прикладной физики РАН. Среди них – директор ИПФ РАН Александр Сергеев, избранный недавно президентом Академии наук Российской Федерации. Еще 12 наших соотечественников представляют в этом списке 7 научных учреждений США и Европы.
Стоит сказать, что лазерно – интерферометрические гравитационно — волновые детекторы LIGO (Laser Interferometer Gravitational — Wave Observatory), расположенные в США, в штатах Луизиана и Вашингтон, создавались всем миром. А сам проект, который ныне финансируется американским Национальным научным фондом, был предложен в современной версии в 1992 году американцами Кипом Торном, Рональдом Древером и Райнером Вайссом.
— Никто не сомневался, что за открытие гравитационных волн дадут Нобелевскую премию, но кому именно? Ведь согласно правилам Нобелевского комитета стать лауреатами могут не более трех ныне здравствующих ученых. Считалось, что Райнер Вайсс – главный претендент, это великолепный организатор, «локомотив» всей этой истории. Он положил более 30 лет своей жизни на то, чтобы создать систему LIGO и организовать наблюдения гравитационных волн. Кип Торн – потрясающий теоретик, один из авторов книги «Гравитация», которая является самым известным учебником для гравитационистов всего мира. Было очевидно, что они должны получить премию. А вот кто станет третьим лауреатом, никто ответить не мог. Наиболее вероятными кандидатами считались Рональд Древер и Берри Бэриш; в финале дискуссий именно второго из них Нобелевский комитет назвал лауреатом.
Почему целое столетие понадобилось для того, чтобы ученые смогли открыть гравитационные волны, вполне понятно. Во времена Эйнштейна, да и много позднее, не было необходимых технических возможностей для их обнаружения. Возможности появились в конце 20 века, но реализованы они были только в 21 веке
-В 1916 году в своей ставшей знаменитой статье А. Эйнштейн показал, что поперечно — бесследовые тензорные волны, названные им гравитационными, должны распространяться с той же скоростью, что и электромагнитные волны в пустоте. Именно на этом предсказании в 1962 году нашими соотечественниками М.Е. Герценштейном и В.И. Пустовойтом была сформулирована идея электромагнитного метода детектирования гравитационных волн. Впоследствии после создания экспериментальных проектов LIGO, VIRGO, GEO-600, TAMA, эта идея обрела статус лазерно – интерферометрической стратегии поиска гравитационного излучения. О советских корнях данной стратегии сейчас мало кто вспоминает…
100 лет потребовалось, чтобы существование гравитационных волн было подтверждено экспериментально: это произошло 14 сентября 2015 года в 9 часов 50 минут 45 секунд. Через 5 месяцев после этого события, 11 февраля 2016 года, представители LIGO официально заявили об открытии гравитационных волн.
— Гравитационные волны, которые впервые удалось зафиксировать, возникли в результате слияния двух черных дыр с массами 36 и 29 масс Солнца. Финальная стадия этого вращательного процесса соответствовала частоте излучения 250 герц. Помимо подтверждения самого факта существования гравитационных волн было доказано существование черных дыр, которые были предсказаны Карлом Шварцшильдом в 1916 году. Фактически было доказано, что черные дыры с массами порядка десятков масс Солнца существуют, что такие черные дыры могут образовывать релятивистские двойные системы, что катастрофическим финалом эволюции таких систем является их слияние. Раньше считалось, что столкновение черных дыр – событие крайне редкое, из ряда вон выходящее. Но благодаря гравитационно-волновым экспериментам выяснилось, что это не совсем так. Только за осень 2015 года LIGO зафиксировало три таких события, но самое первое из них, датированное 14 сентября, было самым ярким. Недавно, 14 августа 2017 года, уже не только американская система LIGO, но и франко-итальянская система VIRGO синхронно обнаружили сигнал, свидетельствующий еще об одном слиянии черных дыр.
В результате слияния черных дыр происходит чудовищный выброс энергии. Энергетика космической катастрофы, зафиксированной 14.09.2015, такова, что в течение нескольких секунд энергия покоя трех Солнц превратилась в излучение, сообщил ученый. Вращающиеся черные дыры — не единственные источники гравитационных волн.
— Источниками гравитационного излучения могут быть любые объекты с переменным квадрупольным моментом. Например, две нейтронные звезды, вращающиеся друг относительно друга. Но от черных дыр с их чудовищной массой исходит столько энергии, что небольшая часть ее достигает Земли даже тогда, когда событие происходит на расстоянии 400 мегапарсек от нашей планеты. А гравитационные волны, которые генерируются в результате вращения двойной звездной системы, можно попытаться зафиксировать только в том случае, если объект расположен очень близко, скажем, в нашей галактике. Совсем недавно было обнаружено, что в центрах практически всех галактик находятся сверхмассивные черные дыры, проглотившие миллионы Солнц. Например, в нашей галактике, в Млечном пути, сверхмассивная черная дыра расположена в созвездии Стрельца и имеет массу порядка 4 миллионов масс Солнца. Конечно, это богатейший источник гравитационно-волновой информации, если научиться извлекать эту информацию из астрономических наблюдений.
Необходимо отметить, что в июне этого года Госпремия Российской Федерации в области науки и технологий была вручена «за создание теории дисковой аккреции вещества на черные дыры». Получили ее Почетный профессор Казанского университета, главный научный сотрудник Института космических исследований РАН и директор Института астрофизики общества имени Макса Планка (Германия) Рашид Сюняев и профессор МГУ Николай Шакура.
И еще один факт, который хотелось бы упомянуть в связи с открытием гравитационных волн. Ученые кафедры теории относительности и гравитации Казанского университета уже более 50 лет занимаются теоретическими проблемами генерации, распространения гравитационных волн и их взаимодействия с различными физическими системами. Однако не всем известно, что в сотрудничестве с Научным центром гравитационно – волновых исследований «Дулкын» Академии наук Республики Татарстан (НЦ ГВИ «Дулкын» АН РТ) и Государственным институтом прикладной оптики (ГИПО) с начала девяностых годов прошлого века ученые этой уникальной кафедры (единственной в России) работали над идеей детектирования гравитационных волн с помощью компактного пентагонального лазерного интерферометра. В те годы, переполненные гравитационно-волновым оптимизмом, Александр Балакин был сначала научным руководителем республиканского проекта «Дулкын», а с 1994 по 2003 год — заместителем директора по научной работе НЦ ГВИ «Дулкын» АН РТ. Пентагональный детектор гравитационного излучения был построен, была проведена серия тестовых экспериментов, но, к сожалению, работа над проектом была остановлена по финансовым соображениям. Сейчас мой собеседник с горечью вспоминает об упущенных возможностях…
