Нобелевская гравитация

Борис Штерн
«Троицкий вариант» №20(239), 10 октября 2017 года

Кому должна достаться нынешняя Нобелевская премия по физике, было очевидно заранее: регистрация гравитационных волн настолько превосходит по значению остальные номинированные достижения, что большинство прогнозов сходилось на этом. Но, конечно, всегда существует неопределенность, кому же именно вручат данную премию, поскольку причастных обычно много. Я думаю, судачить по поводу того, кому стоило бы дать вместо того-то, — занятие популярное, но неплодотворное. Так или иначе, премию получили три человека:

Райнер Вайс

• Райнер Вайс — главный человек по лазерному интерферометру, составляющему основу эксперимента LIGO (половина премии).

Вторую половину поделили два члена коллаборации:

• Барри Бариш — директор LIGO;

• Кип Торн — «придворный теоретик» LIGO (полушутливый термин «придворный теоретик» часто используется экспериментаторами). Торн, кроме всего прочего, сыграл огромную роль в пропаганде эксперимента, а также имеет достижения, не связанные с гравитационными волнами.

Барри Бариш

В чем заключается основное значение эксперимента?

1. Он сильно добавил надежности фундаменту физики. Большинство ученых и так было уверено в справедливости общей теории относительности. Но она была выведена из явлений, связанных со слабой гравитацией. Теперь мы увидели результат работы очень сильной гравитации, искажающей пространство до неузнаваемости. В существовании черных дыр тоже мало кто сомневался, но тут мы их фактически видим — картина гравитационных волн соответствует расчетам слияния черных дыр в рамках ОТО и ничему более. Это, конечно, триумф, причем из тех триумфов, которые укрепляют позиции науки перед обществом.
   

   Кип Торн
2. Эксперимент открыл новую ветвь астрономии и уже дал важную информацию, касающуюся образования черных дыр и их тесных пар. Пока эта информация весьма предварительна, но кое-что уже просматривается: среди слившихся пар преобладают очень массивные черные дыры. Такие, которые, скорее всего, могли образоваться только из гигантских звезд самого первого поколения. Такие, которые образовались поодиночке в шаровых скоплениях, «утонули» в центр скопления как самые массивные тела, за счет динамики множественных взаимодействий объединились в пары и слились.

Нобелевская премия — хороший информационный повод для краткого обзора состояния дел. Мы уже писали про регистрацию гравитационных волн, но повторить всегда не лишне, тем более что незадолго до присуждения Нобелевской премии было зарегистрировано четвертое событие слияния черных дыр, причем уже не двумя, а тремя детекторами — третий, VIRGO, находится в Италии. Вот сводная таблица официально объявленных событий:

Здесь m₁, m₂ — массы черных дыр в единицах массы Солнца, m_f — масса образовавшейся черной дыры (она меньше суммы масс, поскольку часть массы ушла на излучение гравитационных волн), R — расстояние до события в мегапарсеках, вычисленное по амплитуде зарегистрированных гравитационных волн и расчетной «мощности» события. Есть еще пятое событие, но его статистическая значимость невелика. Значимость первых трех событий — 4,5–5 σ, значимость последнего не обнародована, но она огромна, так как событие зарегистрировано не двумя, а уже тремя детекторами.

Еще пару слов по поводу образования пар черных дыр. Для последних двух событий в статьях приводится еще один важный параметр — грубо говоря, сумма проекций спинов двух черных дыр на направление орбитального момента. Если бы эти слившиеся пары образовались из двойной системы тяжелых звезд (этот сценарий рассматривался как основной), то эта сумма была бы большой. Вращательные моменты звезд в тесной системе, из которой потом получается пара черных дыр, коррелируют друг с другом и с орбитальным моментом.

Обсерватория LIGO в Ливингстоне (штат Луизиана). LIGO/Aurore Simonnet/Sonoma State University

Какова роль российских ученых в этом эксперименте? Вполне заметна. Во-первых, сама методика регистрации гравитационных волн лазерным интерферометром предложена нашими соотечественниками еще в 1962 году (Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн). Во-вторых, прямое участие в эксперименте принимают две российские группы — из ИПФ, возглавляемого свежеизбранным президентом РАН Александром Сергеевым и группа, созданная скончавшимся в прошлом году Владимиром Брагинским с физфака МГУ, занимающаяся проблемой подавления фазового шума.

Каково практическое значение эксперимента? Вообще говоря, микроскопом можно заколачивать гвозди. В этом, безусловно, одно из его практических значений. Детектор LIGO можно использовать как великолепный сейсмограф. Кроме того, в процессе его создания наверняка изобрели много полезного. Но вообще сама постановка вопроса подразумевает, что практическая польза — это мера вещей. Надо понемногу отучать журналистов от этого вопроса.

См. также:
Игорь Иванов. Нобелевская премия по физике — 2017, «Элементы», 13.10.2017.