Все, что вы хотели знать о гравитационных волнах, но боялись спросить

Напомним, на днях ученые LIGO объявили о крупном прорыве в области физики, астрофизики и нашего изучения Вселенной: открытие гравитационных волн, предсказанных еще Альбертом Эйнштейном 100 лет назад. Ресурсу Gizmodo удалось найти доктора Эмбер Ставер из обсерватории Ливингстона в Луизиане, коллаборации LIGO, и подробно расспросить о том, что это значит для физики. Понимаем, что за несколько статей к глобальному пониманию нового способа постигать наш мир прийти будет сложновато, но будем стараться.

Была проведена огромная работа по обнаружению одной-единственной гравитационной волны к настоящему времени, и это стало крупным прорывом. Похоже, открывается масса новых возможностей для астрономии — но является ли это первое обнаружение «простым» доказательством того, что обнаружение возможно само по себе, или вы уже можете извлекать из него дальнейшие научные достижения? Что вы надеетесь получить от этого в будущем? Появятся ли методы обнаружения этих волн попроще в будущем?

Это действительно первое обнаружение, прорыв, но целью всегда было использовать гравитационные волны, чтобы делать новую астрономию. Вместо того чтобы искать во Вселенной видимый свет, теперь мы можем чувствовать едва заметные изменения в гравитации, которые вызываются крупнейшими, сильнейшими и (на мой взгляд) наиболее интересными вещами во Вселенной — включая и те, информацию о которых мы никогда не смогли бы получить с помощью света.

Мы смогли применить этот новый тип астрономии к волнам первого обнаружения. Используя то, что мы уже знаем об ОТО (общей теории относительности), мы смогли предсказать, на что похожи гравитационные волны объектов вроде черных дыр или нейтронных звезд. Сигнал, который мы обнаружили, соответствует предсказанному для пары черных дыр, одна из которых в 36, а другая в 29 раз массивнее Солнца, закручивающихся по мере приближения друг к другу. Наконец, они сливаются в одну черную дыру. Так что это не только первое обнаружение гравитационных волн, но и первое прямое наблюдение черных дыр, ведь их нельзя наблюдать с помощью света (только по веществу, которое вращается вокруг них).

Почему вы уверены, что посторонние эффекты (вроде вибрации) не влияют на результаты?

В LIGO мы записываем гораздо больше данных, связанных с нашей окружающей средой и оборудованием, чем данных, которые могут содержать гравитационно-волновой сигнал. Причина этого в том, что мы хотим быть максимально уверены в том, что нас не водят за нос посторонние эффекты и не вводят в заблуждение относительно обнаружения гравитационной волны. Если в момент обнаружения сигнала гравитационной волны мы почувствуем ненормальную почву, скорее всего, мы откажемся от этого кандидата.

Другая мера, которую мы предпринимаем, чтобы не увидеть что-то случайное, заключается в том, что оба детектора LIGO должны увидеть один и тот же сигнал с промежутком времени, которое необходимо для перемещения гравитационной волны между двумя объектами. Максимальное время для такого путешествия — примерно 10 миллисекунд. Чтобы убедиться в возможном обнаружении, мы должны увидеть сигналы одной формы, почти в одно время, и данные, которые мы собираем о нашей окружающей среде, должны быть лишены аномалий.

Есть много других тестов, которые проходит кандидат, но это основные.

Существует ли практический способ генерировать гравитационные волны, которые могут быть обнаружены с помощью подобных устройств? Сможем ли мы построить гравитационное радио или лазер?

Вы предлагаете то же, что Генрих Герц сделал в конце 1880-х для обнаружения электромагнитных волн в форме радиоволн. Но гравитация — самая слабая из фундаментальных сил, которые удерживают Вселенную вместе. По этой причине, движение масс в лаборатории или на другом объекте с целью создания гравитационных волн будет слишком слабым, чтобы его мог уловить даже такой детектор, как LIGO. Чтобы создать достаточно сильные волны, нам придется раскрутить гантель с такой скоростью, что она разорвет любой известный материал. Но во Вселенной много крупных объемов массы, которая движется чрезвычайно быстро, поэтому мы строим детекторы, которые будут заниматься их поиском.

Изменит ли это подтверждение наше будущее? Сможем ли мы использовать силу этих волн для исследования космического пространства? Будет ли возможность общаться с помощью этих волн?

Из-за количества массы, которая должна двигаться с чрезвычайной скоростью, чтобы производить гравитационные волны, которые способны обнаружить детекторы вроде LIGO, единственным известным механизмом этого являются пары нейтронных звезд или черных дыр, вращающихся перед слиянием (могут быть и другие источники). Шансы того, что это некая продвинутая цивилизация манипулирует веществом, чрезвычайно малы. Лично я не думаю, что будет прекрасно обнаружить цивилизацию, способную использовать гравитационные волны как средство общения, поскольку она сможет играючи прикончить нас.

Когерентны ли гравитационные волны? Можно ли сделать их когерентными? Можно ли сфокусировать их? Что будет с массивным объектом, на который воздействует сфокусированный пучок гравитации? Можно ли использовать этот эффект для улучшения ускорителей частиц?

Некоторые виды гравитационных волн могут быть когерентны. Представим нейтронную звезду, которая почти идеально сферическая. Если она вращается быстро, небольшие деформации менее дюйма будут производить гравитационные волны определенной частоты, что будет делать их когерентными. Но сфокусировать гравитационные волны весьма трудно, поскольку Вселенная прозрачна для них; гравитационные волны проходят через материю и выходят неизменными. Вам нужно изменить путь по меньшей мере части гравитационных волн, чтобы их сфокусировать. Возможно, экзотическая форма гравитационного линзирования сможет хотя бы частично сфокусировать гравитационные волны, но будет сложно, если вообще возможно, их использовать. Если их можно будет сфокусировать, они по-прежнему будут настолько слабыми, что я не представляю никакого практического применения оных. Но также говорили и о лазерах, которые по сути просто сфокусированный когерентный свет, так что кто его знает.

Какова скорость гравитационной волны? Есть ли у нее масса? Если нет, может ли она двигаться быстрее скорости света?

Гравитационные волны, как полагают, движутся со скоростью света. Это скорость, ограниченная общей теорией относительности. Но эксперименты вроде LIGO должны это проверить. Возможно, они движутся чуть медленнее скорости света. Если так, то теоретическая частица, которую ассоциируют с гравитацией, гравитон, будет обладать массой. Поскольку гравитация сама по себе действует между массами, это добавит теории сложности. Но не невозможности. Мы используем бритву Оккама: простейшее объяснение, как правило, является самым верным.

Как далеко нужно быть от слияния черных дыр, чтобы суметь о них рассказать?

В случае с нашими бинарными черными дырами, которые мы обнаружили по гравитационным волнам, они произвели максимальное изменение длины наших 4-километровых рукавов на 1х10^-18 метра (это 1/1000 диаметра протона). Мы также считаем, что эти черные дыры в 1,3 миллиарда световых лет от Земли.

Теперь предположим, что наш рост два метра и мы плаваем на расстоянии Земли до Солнца от черной дыры. Думаю, вы испытали бы попеременное сплющивание и растяжение примерно на 165 нанометров (ваш рост изменяется на большее значение в течение суток). Это можно пережить.

Если использовать новый способ услышать космос, что больше всего интересует ученых?

Потенциал до конца неизвестен, в том смысле, что может быть куда больше мест, чем мы думали. Чем больше мы узнаем о Вселенной, тем лучше мы сможем отвечать на ее вопросы при помощи гравитационных волн. К примеру, на эти:

• Что является причиной гамма-всплесков?
• Как вещество ведет себя в экстремальных условиях коллапсирующей звезды?
• Какими были первые мгновения после Большого Взрыва?
• Как ведет себя вещество в нейтронных звездах?

Но мне больше интересно, что из неожиданного можно обнаружить с помощью гравитационных волн. Каждый раз, когда люди наблюдали Вселенную по-новому, мы открывали много неожиданных вещей, которые переворачивали наше представление о Вселенной. Я хочу найти эти гравитационные волны и обнаружить что-то, о чем мы понятия не имели раньше.

Поможет ли это нам сделать настоящий варп-двигатель?

Поскольку гравитационные волны слабо взаимодействуют с веществом, их вряд ли можно использовать для движения этого вещества. Но даже если бы вы могли, гравитационная волна движется всего лишь со скоростью света. Для варп-двигателя они не подойдут. Хотя было бы круто.

Как насчет антигравитационных устройств?

Чтобы создать антигравитационное устройство, нам нужно превратить силу притяжения в силу отталкивания. И хотя гравитационная волна распространяет изменения гравитации, это изменение никогда не будет отталкивающим (или отрицательным).

Гравитация всегда притягивает, поскольку отрицательной массы, похоже, не существует. В конце концов, существует положительный и отрицательный заряд, северный и южный магнитный полюс, но только положительная масса. Почему? Если бы отрицательная масса существовала, шар вещества падал бы вверх, а не вниз. Он бы отталкивался от положительной массы Земли.

Что это означает для возможности путешествий во времени и телепортации? Можем ли мы найти практическое применение этому явлению, кроме изучения нашей Вселенной?

Сейчас лучший способ путешествия во времени (и только в будущее) — это путешествовать с околосветовой скоростью (вспомним парадокс близнецов в ОТО) либо отправиться в область с повышенной гравитацией (такого рода путешествие во времени было продемонстрировано в «Интерстелларе»). Поскольку гравитационная волна распространяет изменения в гравитации, будут рождаться и очень малые флуктуации в скорости времени, но поскольку гравитационные волны по сути слабые, слабые также и временные флуктуации. И хотя я не думаю, что можно применить это к путешествиям во времени (или телепортации), никогда не говори никогда (спорю, у вас перехватило дыхание).

Настанет ли день, когда мы перестанем подтверждать Эйнштейна и снова начнем поиски странных вещей?

Конечно! Поскольку гравитация самая слабая из сил, с ней также трудно экспериментировать. До сих пор каждый раз, когда ученые подвергали ОТО проверке, они получали точно спрогнозированные результаты. Даже обнаружение гравитационных волн в очередной раз подтвердило теорию Эйнштейна. Но я полагаю, когда мы начнем проверять мельчайшие детали теории (может, с гравитационными волнами, может, с другим), мы будем находить «забавные» вещи, вроде не совсем точного совпадения результата эксперимента с прогнозом. Это не будет означать ошибочность ОТО, лишь необходимость уточнения ее деталей.

Каждый раз, когда мы отвечаем на один вопрос о природе, появляются новые. В конце концов, у нас появятся вопросы, которые будет круче, чем ответы, которые может позволить ОТО.

Можете ли вы объяснить, как это открытие может быть связано или повлияет на теорию единого поля? Мы оказались ближе к ее подтверждению или же развенчанию?

Сейчас результаты сделанного нами открытия в основном посвящают проверке и подтверждению ОТО. Единая теория поля ищет способ создать теорию, которая объяснит физику очень малого (квантовая механика) и очень большого (общая теория относительности). Сейчас эти две теории можно обобщить, чтобы объяснить масштабы мира, в котором мы живем, но не более. Поскольку наше открытие сосредоточено на физике очень большого, само по себе оно мало продвинет нас в направлении единой теории. Но вопрос не в этом. Сейчас только-только родилась область гравитационно-волновой физики. Когда мы узнаем больше, мы обязательно расширим наши результаты и в области единой теории. Но перед пробежкой нужно пройтись.

Теперь, когда мы слушаем гравитационные волны, что должны услышать ученые, чтобы буквально выс*ать кирпич? 1) Неестественные паттерны/структуры? 2) Источники гравитационных волн из регионов, которые мы считали пустыми? 3) Rick Astley — Never gonna give you up?

Когда я прочитала ваш вопрос, я сразу вспомнила сцену из «Контакта», в которой радиотелескоп улавливает паттерны простых чисел. Вряд ли такое можно встретить в природе (насколько нам известно). Так что ваш вариант с неестественным паттерном или структурой был бы наиболее вероятен.

Не думаю, что мы когда-то будем уверены в пустоте в определенном регионе космоса. В конце концов, система черных дыр, которую мы обнаружили, была изолирована, и из этого региона не приходил никакой свет, но мы все равно обнаружили там гравитационные волны.

Что касается музыки… Я специализируюсь на отделении сигналов гравитационных волн от статического шума, который мы постоянно измеряем на фоне окружающей среды. Если бы я нашла в гравитационной волне музыку, особенно которую слышала раньше, это был бы розыгрыш. Но музыка, которую на Земле никогда не слышали… Это было бы как с простыми случаями из «Контакта».

Раз эксперимент регистрирует волны по изменению расстояния между двумя объектами, амплитуда одного направления больше, чем другого? В противном случае не означают ли считываемые данные, что Вселенная меняется в размерах? И если так, подтверждает ли это расширение или что-нибудь неожиданное?

Нам нужно увидеть множество гравитационных волн, приходящих из множества разных направлений во Вселенной, прежде чем мы сможем ответить на этот вопрос. В астрономии это создает модель популяции. Как много различных типов вещей существует? Это главный вопрос. Как только мы заимеем много наблюдений и начнем видеть неожиданные паттерны, к примеру, что гравитационные волны определенного типа приходят из определенной части Вселенной и больше ниоткуда, это будет крайне интересный результат. Некоторые паттерны могли бы подтвердить расширение (в котором мы весьма уверены), либо другие явления, о которых мы пока не знали. Но сначала нужно увидеть много больше гравитационных волн.

Мне совершенно непонятно, как ученые определили, что измеренные ими волны принадлежат двум сверхмассивным черным дырам. Как можно с такой точностью определить источник волн?

Методы анализа данных используют каталог предсказанных сигналов гравитационных волн для сравнения с нашими данными. Если имеется сильная корреляция с одним из таких прогнозов, или шаблонов, то мы не только знаем, что это гравитационная волна, но и знаем, какая система ее образовала.

Каждый отдельный способ создания гравитационной волны, будь то слияние черных дыр, вращение или смерть звезд, все волны имеют разные формы. Когда мы обнаруживаем гравитационную волну, мы используем эти формы, как предсказывала ОТО, чтобы определить их причину.

Откуда мы знаем, что эти волны произошли из столкновения двух черных дыр, а не какого-нибудь другого события? Возможно ли предсказать, где или когда произошло такое событие, с любой степенью точности?

Как только мы узнаем, какая система произвела гравитационную волну, мы можем предсказать, насколько сильной была гравитационная волна вблизи от места своего рождения. Измеряя ее силу по мере достижения Земли и сравнивая наши измерения с предсказанной силой источника, мы можем рассчитать, как далеко находится источник. Поскольку гравитационные волны движутся со скоростью света, мы также можем рассчитать, как долго гравитационные волны двигались к Земле.

В случае с обнаруженной нами системой черных дыр, мы измерили максимальное изменение длины рукавов LIGO на 1/1000 диаметра протона. Эта система расположена в 1,3 миллиарда световых лет. Гравитационная волна, обнаруженная в сентябре и анонсированная на днях, двигалась к нам 1,3 миллиарда лет. Это произошло до того, как на Земле образовалась животная жизнь, но уже после возникновения многоклеточных.

Во время объявления было заявлено, что другие детекторы будут искать волны с более длинным периодом — некоторые из них будут вовсе космическими. Что вы можете рассказать об этих крупных детекторах?

В разработке действительно находится космический детектор. Он называется LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Поскольку он будет в космосе, он будет достаточно чувствительным к низкочастотным гравитационным волнам, в отличие от земных детекторов, вследствие естественных вибраций Земли. Будет сложно, поскольку спутники придется разместить дальше от Земли, чем бывал человек. Если что-то пойдет не так, мы не сможем отправить астронавтов на ремонт, как с Хабблом в 1990-х. Чтобы проверить необходимые технологии, в декабре запустили миссию LISA Pathfinder. Пока что она справилась со всеми поставленными задачами, но миссия еще далека от завершения.

Можно ли преобразовать гравитационные волны в звуковые? И если да, на что они будут похожи?

Можно. Конечно, вы не услышите просто гравитационную волну. Но если взять сигнал и пропустить через динамики, то услышать можно.

Что нам делать с этой информацией? Излучают ли эти волны другие астрономические объекты с существенной массой? Можно ли использовать волны для поиска планет или простых черных дыр?

При поиске гравитационных значений имеет значение не только масса. Также ускорение, которое присуще объекту. Обнаруженные нами черные дыры вращались друг вокруг друга со скоростью в 60% световой, когда сливались. Поэтому мы смогли обнаружить их во время слияния. Но теперь от них больше не поступает гравитационных волн, поскольку они слились в одну малоподвижную массу.

Так что все, что обладает большой массой и движется очень быстро, создает гравитационные волны, которые можно уловить.

Экзопланеты вряд ли будут обладать достаточной массой или ускорением, чтобы создать обнаружимые гравитационные волны. (Я не говорю, что они их не создают вообще, только то, что они будут недостаточно сильными или с другой частотой). Даже если экзопланета будет достаточно массивной, чтобы производить нужные волны, ускорение разорвет ее на части. Не забывайте, что самые массивные планеты, как правило, представляют собой газовых гигантов.

Насколько верна аналогия волн в воде? Можем ли мы «оседлать» эти волны? Существуют ли гравитационные «пики», как уже известные «колодцы»?

Поскольку гравитационные волны могут двигаться через вещество, нет никакого способа оседлать их или использовать их для движения. Так что никакого гравитационно-волнового серфинга.

«Пики» и «колодцы» — это прекрасно. Гравитация всегда притягивает, поскольку не существует отрицательной массы. Мы не знаем почему, но ее никогда не наблюдали в лаборатории или во Вселенной. Поэтому гравитацию обычно представляют в виде «колодца». Масса, которая движется вдоль этого «колодца», будет сваливаться вглубь; так работает притяжение. Если у вас будет отрицательная масса, то вы получите отталкивание, а вместе с ним и «пик». Масса, которая движется на «пике», будет изгибаться от него. Так что «колодцы» существуют, а «пики» нет.

Аналогия с водой прекрасна, пока мы говорим о том, что сила волны уменьшается вместе с пройденным расстоянием от источника. Водяная волна будет становиться меньше и меньше, а гравитационная волна — слабее и слабее.

Как это открытие повлияет на наше описание инфляционного периода Большого Взрыва?

На данный момент это открытие пока практически никак не затрагивает инфляцию. Чтобы делать заявления вроде этого, необходимо наблюдать реликтовые гравитационные волны Большого Взрыва. Проект BICEP2 полагал, что косвенно наблюдал эти гравитационные волны, но оказалось, что виной всему космическая пыль. Если он получит нужные данные, вместе с ними подтвердится и существование короткого периода инфляции вскоре после Большого Взрыва.

LIGO сможет непосредственно увидеть эти гравитационные волны (это также будет самый слабый тип гравитационных волн, который мы надеемся обнаружить). Если мы их увидим, то сможем заглянуть глубоко в прошлое Вселенной, как не заглядывали раньше, и по полученным данным судить об инфляции.