Открыт новый сезон охоты за гравитационными волнами

Рис. 1. Одно из зеркал детектора Virgo. Специальное покрытие зеркала отражает излучение лазера, который работает в ближнем ИК-диапазоне, но прозрачно в видимом свете. Ученый, находящийся с обратной стороны зеркала, снимает предохранительные упоры, которые использовались во время установки. Фото с сайта virgo-gw.eu

В сентябре 2015 года для астрономов началась новая эпоха: после того, как детектор LIGO поймал сигнал от слияния пары черных дыр, находившейся на расстоянии больше одного миллиарда световых лет от нас, можно говорить о том, что гравитационно-волновая астрономия стала полноправным разделом физики. Всего за прошедшее с этого момента время удалось зафиксировать сигналы от 10 слияний черных дыр и одного слияния нейтронных звезд. Предыдущий этап наблюдений закончился 25 августа 2017 года и вот, после полуторагодичной паузы, за время которой характеристики основных детекторов, LIGO и Virgo, были значительно улучшены, стартует новый сеанс. Планируется, что он продлится год, но первые результаты не заставили себя ждать: буквально вчера был зафиксирован кандидат на гравитационный след от слияния пары черных дыр.

1 апреля после 19-месячного перерыва начался третий цикл экспериментов по регистрации гравитационных волн на двух американских детекторах комплекса LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) в Ричленде (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (Луизиана) и на расположенной в Италии неподалеку от Пизы установке Virgo, принадлежащей Европейской гравитационной обсерватории (EGO). Сообщение об этом появилось 2 апреля в журнале Nature; несколькими днями ранее информацию о приближении этого события опубликовали как американские, так и итальянские участники проекта. Финальную техническую подготовку к рабочему запуску детекторов (так называемый инженерный прогон, engineering run) начали 4 марта и успешно завершили к концу месяца.

Рассчитанный на 12 месяцев новый раунд гравитационно-волновых наблюдений будет более длительным, нежели предшествующие циклы. В этой программе, как и раньше, задействован также меньший по размеру англо-германский детектор гравитационных волн GEO600, расположенный в окрестностях Ганновера. В конце этого года должен вступить в строй японский инструмент KAGRA — четвертый крупный детектор.

Первые два раунда наблюдений на LIGO и Virgo дали уникальные результаты, положившие начало гравитационно-волновой астрономии (см. Гравитационные волны — открыты!, «Элементы», 11.02.2016). Они позволили зарегистрировать десять слияний черных дыр и столкновение нейтронных звезд в 130 миллионах световых лет от Земли, обнаруженное 17 августа 2017 года (см. Зафиксировано слияние нейтронных звезд!).

Рис. 2. Каталог пойманных в 2015–2017 годах слияний в двойных системах черных дыр и нейтронных звезд (внизу справа). Для каждого события показана зависимость частоты гравитационно-волнового сигнала от времени (верхняя часть на каждом графике) и реконструкция самой гравитационной волны. Изображение с сайта ligo.org

Ожидается, что третий раунд даст еще более впечатляющие результаты. В ходе модернизации установок LIGO и Virgo их чувствительность увеличили без малого вдвое. Комплекс LIGO теперь сможет регистрировать слияние нейтронных звезд на дистанциях до 170 мегапарсек (550 миллионов световых лет) против 110 мегапарсек во втором раунде; горизонт детектора Virgo для таких событий составит 50 мегапарсек (160 миллионов световых лет). Верхний предел расстояний, на которых станет возможным наблюдать слияние черных дыр, составит миллиарды световых лет.

Ожидается, что в ходе третьего раунда наблюдений детекторы будут отлавливать гравитационные волны куда чаще, чем до сих пор. Если раньше коллаборация LIGO и Virgo получала гравитационно-волновые сигналы в среднем раз в месяц, то теперь, согласно теоретическим прикидкам, темп их регистрации возрастет до раза в неделю. Этого удалось добиться за счет целого ряда технических усовершенствований — и, прежде всего, благодаря улучшению лазерной аппаратуры.

Здесь следует кое-что напомнить. Обе обсерватории используют сильно увеличенные и чрезвычайно усложненные версии прибора (см. Интерферометр Майкельсона), с помощью которого в конце XIX века знаменитый американский физик Альберт Майкельсон установил, что скорость света строго одинакова по всем направлениям. В его установке параллельный пучок света падал на полупрозрачную пластинку и разделялся на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражались от зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластинки. Затем световые пучки опять сливались и попадали на экран, где возникала интерференционная картина (светлые и темные полосы и линии). Если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картинка должна измениться, если нет — остаться такой же, что и раньше. Майкельсон и его ассистент Эдвард Морли не обнаружили изменений и тем доказали, что скорость светового луча не зависит от его направления.

Интерференционный детектор гравитационных волн работает сходным образом. Проходящая волна деформирует метрику пространства и тем изменяет оптическую длину (путь, по которому свет идет от делителя до зеркала) перпендикулярных друг другу плеч интерферометра, растягивая одно и сжимая другое (рис. 3). В результате интерференционная картинка изменяется, и это изменение необходимо зарегистрировать.

Рис. 3. Принцип интерферометрического детектирования гравитационных волн. Гравитационная волна искажает длину двух плечей в противофазе, из-за чего точная компенсация света нарушается и фотодетектор регистрирует периодический сигнал. Изображение из статьи D. Castelvecchi, A. Witze, 2016. Einstein's gravitational waves found at last

Легко себе представить, что практическое воплощение этой идеи сопряжено с гигантскими техническими трудностями. Доходящие до Земли гравитационно-волновые следы космических катаклизмов настолько слабы, что изменяют длину светового хода в обоих интерферометрах на величину порядка 10⁻¹⁶–10⁻¹⁷ см. Поэтому для их регистрации требуется сверхпрецизионная аппаратура, без которой LIGO и Virgo попросту не могли бы работать. В качестве источника света в них используют лазеры, совмещающие высокую мощность и чрезвычайную стабильность частоты излучения. Зеркала должны быть безупречно плоскими и идеально отражающими, вакуум в трубах, по которым распространяется свет, — максимально глубоким, механическая устойчивость всей системы — близкой к совершенству. К тому же длина плеч интерферометра должна составлять не метры, как у Майкельсона и Морли, а километры (4 километра у детекторов LIGO, и 3 километра у Virgo). Установки содержат зеркальные накопители света, многократно увеличивающие эффективную длину интерферометра и тем самым повышающие его чувствительность. В общем, интерферометр Майкельсона по сравнению с современными детекторами выглядит избушкой на фоне небоскреба.

В ходе подготовки к третьему циклу наблюдений установки LIGO и Virgo оснастили новыми лазерными излучателями повышенной мощности. Кроме того, в этом раунде впервые будет использован особым образом модулированный «сжатый» свет (squeezed light), который меньше рассеивается на квантовых флуктуациях физического вакуума и поэтому лучше сохраняет интерференционную картину. Техника генерации такого света, основанная на принципах нелинейной оптики, была предложена для интерферометрических детекторов гравитационных волн еще в 1980-е годы (D. F. Walls, 1983. Squeezed states of light). С 2010 года она отрабатывалась на установке GEO600 и вполне доказала свою эффективность (R. Schnabel, 2017. Squeezed states of light and their applications in laser interferometers).

Проведенная модернизация детекторов LIGO и Virgo не только позволит с большей частотой регистрировать космические катаклизмы, но и расширит возможности гравитационной астрономии в других отношениях. Так, не исключено, что теперь можно будет отслеживать движение черных дыр и нейтронных звезд «на подходе» к слиянию и получать информацию о динамике этих процессов. Исследователи также рассчитывают обнаружить поглощение черной дырой нейтронной звезды, вполне возможное в теории, но пока еще не наблюдавшееся на практике. В более отдаленной перспективе ученые предполагают зарегистрировать гравитационное излучение быстро вращающихся нейтронных звезд, лишенных осевой симметрии. Согласно общей теории относительности, они должны генерировать гравитационные волны, хотя и более слабые, нежели сопутствующие слиянию нейтронных звезд и черных дыр. Кстати, это же верно и в отношении обычных звезд, но детектирование их гравитационного излучения пока лежит за рамками возможностей даже самых перспективных детекторов.

Полноты ради нельзя не упомянуть еще одно направление гравитационной астрономии, которое пока не привлекало внимания широкой публики. В 1986 году профессор физики и астрономии Кардиффского университета (сейчас один из руководителей коллаборации GEO600 и, кстати, автор изданной в русском переводе превосходной книги «Геометрические методы математической физики») Бернард Шутц (Bernard F. Schutz) рассмотрел теоретическую возможность использования детекторов гравитационных волн для измерения постоянной Хаббла, определяющей скорость расширения Вселенной (B. F. Schutz, 1986. Determining the Hubble constant from gravitational wave observations). Позднее предложенная им техника была названа методом стандартных сирен (standard sirens, см. D. E. Holz, S. A. Hughes, 2005. Using Gravitational-Wave Standard Sirens) — по очевидной аналогии с методом стандартных свечей (standard candles), в качестве которых в астрономии используют звезды из семейства цефеид и сверхновые типа Ia. После получения (напомню, 17 августа 2017 года) гравитационного сигнала от слияния пары нейтронных звезд эта методика впервые была применена на практике (The LIGO Scientific Collaboration, The Virgo Collaboration et al., 2017. A gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant). Она позволила оценить постоянную Хаббла с весьма посредственной точностью порядка 15%, еще раз подтвердив старую истину о первом блине. Тем не менее, теоретики полагают, что повышение чувствительности и улучшение калибровки гравитационных детекторов позволит через пять лет сократить эту погрешность до двух процентов, а через десять лет — до одного (H. Chen et al., 2018. A two per cent Hubble constant measurement from standard sirens within five years). Эта ветвь гравитационной астрономии (фактически и гравитационной космологии) чрезвычайно перспективна. Однако тут читателю придется поверить мне на слово, поскольку описание метода стандартных сирен лежит далеко за рамками настоящей статьи.

В заключение отмечу, что сотрудники коллаборации Virgo разработали программные ресурсы, позволяющие выкладывать в интернет сообщения о новообнаруженных гравитационных сигналах лишь с пятиминутной задержкой (подробности на сайте gw-openscience.org). Это даст возможность и профессиональным астрономам, и любителям сразу же приступать к оптическим (а также нейтринным!) наблюдениям за предполагаемыми источниками этих сигналов. Ждать долго не пришлось: уже вчера был зарегистрирован кандидат на гравитационный след от слияния пары черных дыр.

См. также:
1) Гравитационные волны — открыты!, «Элементы», 11.02.2016.
2) LIGO поймала новые всплески гравитационных волн, «Элементы», 20.06.2016.
3) Нобелевская премия по физике — 2017, «Элементы», 13.10.2017.

Алексей Левин