Одиннадцатого февраля 2016 года в ходе пресс-конференции научной коллаборации LIGO в Вашингтоне было объявлено об экспериментальном открытии гравитационных волн. Мы попросили экспертов ПостНауки рассказать о значении этого открытия для развития их дисциплин.

«Астрофизика становится похожа на физику частиц»

Традиционно в астрономических наблюдениях при открытии нового излучения говорят о новом окне во Вселенную. Люди тысячи лет наблюдали небо визуально, потом начали строить оптические телескопы, но это все тот же диапазон, доступный глазу. Затем научились использовать в астрономии рентгеновское, инфракрасное и радиоизлучение, космические лучи. Предпоследним новым потоком информации стали нейтрино, нейтринная астрономия получает частицы из центра Солнца. Это, безусловно, новые окна. И теперь есть гравитационные волны. Например, когда сливаются две черные дыры, все, что происходит, — это гравитационно-волновой всплеск. Гравитационные волны — единственный способ изучать такие события.

В 2016 году мы наверняка услышим о слиянии двух нейтронных звезд, это тоже очень интересно. Такое слияние еще не было гравитационно зафиксировано. Сейчас мы более-менее уверены, что короткие гамма-всплески — это слияния нейтронных звезд (так говорит стандартно устоявшаяся модель). Но нам фантастически важно одновременно увидеть короткий гамма-всплеск и гравитационно-волновой сигнал от того же самого события. Когда у LIGO начали появляться кандидаты в гравитационно-волновые всплески, они специально анализировали результаты рентгеновских и гамма-наблюдений: не видно ли и так всплесков. Команда LIGO выдает запросы наблюдателям, чтобы они проанализировали свои данные в других диапазонах. В этот раз ничего не обнаружили, что и неудивительно, ведь сливались черные дыры, а не нейтронные звезды.

Рекомендуем по этой теме:
КУРС
Нейтронные звезды и черные дыры
13 материалов

Астрофизика становится похожа на физику частиц. Физики сталкивают протоны и смотрят, что получается в итоге. А мы теперь имеем возможность наблюдать столкновения нейтронных звезд, для того чтобы узнать, как они устроены внутри. Но это спустя какое-то время, а сейчас полученные результаты по всплеску 14 сентября будут одним из лучших доказательств существования черных дыр. У теоретиков есть множество моделей для их описания, я думаю, какие-то альтернативные модели будут отброшены. Пока все говорит о том, что черные дыры очень похожи на наши базовые представления о них. Для астрономии и астрофизики это существенный результат.

popov

Сергей Попов

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ

«Данное открытие объясняет проблему дальнодействия»

На данный момент научное сообщество эффективно умеет использовать обычную астрономию в видимом диапазоне электромагнитных волн, рентгеновскую астрономию и, наконец, радиоастрономию. Также ученые наблюдают и изучают

потоки других элементарных частиц, которые приходят на Землю из космоса. Все это суть способы, которые позволяют нам наблюдать, описывать и предсказывать различные явления в космосе. С экспериментальным подтверждением существования гравитационных волн появится гравитационная астрономия, то есть еще один способ наблюдений и понимания процессов, происходящих в космосе. Одиннадцатого февраля ведь было объявлено не просто об обнаружении гравитационных волн, а о том, что те волны, которые были зарегистрированы, родились в результате давнего слияния черных дыр с колоссальным выделением энергии. К тому же в процессе исследования ученые уже разработали новые приборы и решили существенную часть необходимых для этого технических вопросов. С улучшением приборов и технических возможностей будут обнаружены и другие источники гравитационных волн, будет уточнено их положение в небе и другие характеристики: массы, размеры, скорости, ускорения и так далее. Все это предмет такой наблюдательной науки, как астрономия, которая дает нам способ независимой проверки и отработки теорий, придуманных на кончике пера.

Другое следствие данного открытия объясняет проблему, о которой знал еще Ньютон. Как известно, закон Ньютона гласит, что величина силы гравитационного притяжения падает с расстоянием как обратный квадрат, то есть фактически зависит только от расстояния. Проще говоря, сила устроена так, что если что-то тряхнет одно из тел, то второе мгновенно это почувствует, так как расстояние между телами поменяется. И это произойдет вне зависимости от того, на каком расстоянии они находились исходно. Это называется дальнодействием. Проблему с дальнодействием знал еще Ньютон. Та же проблема возникает в законе Кулона. В этом случае она решается за счет того, что имеется электромагнитное поле: вы тряхнете заряд, он родит электромагнитную волну, она дойдет до второго заряда, и второй заряд только тогда почувствует тряску первого. После открытия общей теории относительности решение данной проблемы в гравитации мы тоже знаем: воздействие на одну массу создает гравитационную волну, которая доходит до второго тела, и только после этого второе тело чувствует изменение в положении первого. В теории все понятно, но было необходимо независимое экспериментальное подтверждение. Соответственно, сейчас концептуально проблема решена: такие волны существуют, и они передают гравитационное взаимодействие.

Рекомендуем по этой теме:
Журнал
Главы: Общая теория относительности и «счастливейшая мысль моей жизни»

Разумеется, факт наличия гравитационных волн не ставился под сомнение никем из людей, понимающих суть явления. Крайне интересно было бы, если бы их вдруг не нашли. Это означало бы, что-либо теория относительности неверна, либо мы абсолютно неправильно понимаем природу явления, а именно, что дальнодействие возможно. На мой взгляд, последнее противоречило бы здравому смыслу, но ничего нельзя исключить. Ученые стремятся проверить любое свое утверждение всеми возможными и независимыми способами. Это и отличает ученых от шарлатанов, предлагающих теории, которые объясняют все и сразу.

akhmedov

Эмиль Ахмедов

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Алиханова, профессор кафедры теоретической физики МФТИ

«С этим открытием начинается гравитационно-волновая астрономия»

Открытие гравитационных волн — фундаментальное открытие. Гравитационные волны никто никогда прямо не наблюдал, хотя были явные свидетельства того, что они существуют в природе. Еще около 25 лет назад было обнаружено, что есть два пульсара, которые вращаются друг вокруг друга и излучают гравитационные волны. В результате они приближаются, период их вращения друг вокруг друга уменьшается. Но это были лишь косвенные свидетельства существования гравитационных волн. Теперь они напрямую обнаружены. В свое время Генрих Герц обнаружил электромагнитные волны, теперь у человечества есть гравитационные.

Это важно с точки зрения астрономии, потому что эти волны — это еще один носитель информации о том, что происходит во Вселенной. С этим открытием начинается гравитационно-волновая астрономия, а это потенциально очень интересная область. Она дает информацию нового типа по сравнению с астрономией в электромагнитном излучении или астрономией в нейтринном излучении. То, что мы знаем на данный момент, — это уже очень нетривиальная информация. Гравитационные волны, которые были обнаружены, образуются при слиянии двух черных дыр очень большой массы — 30 масс Солнца. Это неожиданность для астрофизиков и астрономов. Вопрос их происхождения очень интересен с точки зрения изучения того, что происходит во Вселенной.

Прогнозировать, во что выльется открытие гравитационных волн в практическом плане, трудно. Когда Генрих Герц обнаружил электромагнитные волны, он был уверен, что это никому никогда не понадобится. Сейчас мы имеем телевидение, телефон — основой всего этого являются электромагнитные волны. Как можно использовать гравитационные волны, сейчас очень трудно представить, но любое фундаментальное открытие для человечества как минимум обогащает наше представление о природе.

rubakov

Валерий Рубаков

доктор физико-математических наук, академик РАН, заместитель директора Института ядерных исследований РАН

«Это очень большой шаг вперед, в неизвестное»

Открытие гравитационных волн — эпохальное событие в науке. Конечно, стопроцентная уверенность в открытии появится только тогда, когда гравитационно-волновые детекторы зарегистрируют по крайней мере еще одно событие такого типа. Но по тем данным, которые представлены общественности, все выглядит правдоподобно и внушает доверие к результату.

Уже несколько десятилетий предпринимаются попытки обнаружить волны гравитационной природы, которые были предсказаны сто лет тому назад в рамках теории гравитации Эйнштейна. То, что их не удавалось обнаружить все эти годы, прежде всего говорит о чрезвычайной сложности детектирования исчезающе малого эффекта, о том, что экспериментальная техника еще не достигала требуемой чувствительности. Ведь речь идет об измерении быстрых и кратковременных колебаний расстояния между, как это ни странно звучит, неподвижными объектами детектора, которые вызваны искажениями самой ткани пространства и имеют меньшую амплитуду, чем размер атомного ядра. И вот, кажется, свершилось. Обнаружение гравитационных волн хорошо иллюстрирует эффективность совместной работы международной команды серьезных теоретиков и опытных экспериментаторов. Выяснить, какие объекты могут быть источником гравитационных волн, сколь часто можно ожидать регистрацию их всплесков, как выделить слабый сигнал из большого количества шумов и отделить от артефактов, — это очень сложная задача, и поиском ее решения занимаются уже немало лет.

Американская гравитационно-волновая обсерватория LIGO, которая зарегистрировала всплеск гравитационных волн, была введена в строй в 2002 году, но ожидания сигналов были безрезультативными, пока не удалось в несколько раз поднять ее чувствительность. В сентябре 2015 года две системы LIGO, расположенные на расстоянии трех тысяч километров друг от друга, одновременно зарегистрировали сигнал, который по всем характеристикам был именно тем, какой ожидали получить от слияния черных дыр где-то на умопомрачительно далеком расстоянии. С того времени и до февраля 2016 года шла проверка и обработка принятого сигнала, вычисление параметров тех черных дыр, слияние которых могло породить наблюдаемые колебания. Несколько неожиданной оказалась интерпретация: всплеск гравитационных волн возник на последних мгновениях при слиянии черных дыр, то есть «остатков» закончивших свою жизнь звезд, причем эти «остатки» обладали большими массами, которые должны очень редко встречаться в природе.

Рекомендуем по этой теме:
Видео
15222 10
Создание общей теории относительности

Никто сейчас не может сказать, насколько это важно для будущего. Но когда в XIX веке физики показали, что переменный ток рождает электромагнитные колебания, тоже никто не мог сказать, какие последствия будут у этого открытия. А позже из него возникла теория электромагнитных волн, появилось радио, а также та электроника, которой мы все пользуемся. Какое будущее ожидает гравитационно-волновую астрономию, я не знаю. В астрономии освоение каждого нового диапазона излучения приводило к открытию новых объектов и явлений, а здесь мы имеем даже не электромагнитное излучение, а нечто принципиально отличное от него. Очень может быть, что на этом пути мы получим новые возможности изучения Вселенной, узнаем много важного и неожиданного, о чем пока не имеем никакого представления. В любом случае была экспериментально подтверждена одна из нескольких фундаментальных физических теорий — теория гравитации, или общая теория относительности. Это само по себе очень важно, это очень большой шаг вперед, в неизвестное.

zasov

Анатолий Засов

доктор физико-математических наук, профессор кафедры астрофизики и звездной астрономии физического факультета МГУ, заведующий отделом Внегалактической астрономии ГАИШ МГУ

«Это открытие стало проверкой всех представлений, существующих в современной физике и астрономии»

К этому важнейшему открытию наука шла очень долго, первые попытки осуществлялись еще в мои институтские времена — в 1969 году. Но на тот момент у аппаратуры не хватало чувствительности, и только спустя почти пятьдесят лет появились сверхчувствительные детекторы, позволившие наконец добиться успеха. Самым главным результатом проведенного эксперимента стало прямое детектирование гравитационных волн, которые были предсказаны А. Эйнштейном еще столетие назад. Нужно сказать, что косвенное доказательство их существования было получено уже более 25 лет назад в ходе наблюдения вращения двойного радиопульсара, где две нейтронные звезды вращаются друг вокруг друга и излучают гравитационные волны. Но теперь эти волны зарегистрированы непосредственно.

Однако важность открытия этим отнюдь не исчерпывается. Замечательным оказалось и то, откуда взялся этот импульс гравитационных волн. Его величина оказалась неожиданно большой, а потому его источником могло быть только редчайшее событие — слияние двух черных дыр с массами порядка 30 масс Солнца каждая. Так что мы получили не только открытие гравитационных волн, но и доказательство существования двойных систем, состоящих из столь массивных черных дыр. Во Вселенной мы видим множество двойных звезд. С очень малой вероятностью каждая из них в конце своей эволюции может превратиться в черную дыру. Тогда образуется пара черных дыр, вращающихся друг вокруг друга, которые в конце концов сливаются в одну. И нам повезло увидеть такое очень редкое и крайне мощное событие!

Кстати, в этом открытии значительную роль сыграли не только аппаратурные достижения, но и очень сложные компьютерные расчеты процесса слияния черных дыр. Этим занималась значительная часть членов коллаборации LIGO (а их около 1000 человек), что и позволило не только открыть природу источника гравитационного сигнала, но и определить их массы и скорости вращения. Оказалось также, что значительная часть суммарной массы-энергии этих дыр — около 3 масс Солнца — была излучена в ходе слияния в виде гравитационных волн.

Одновременно это открытие стало блестящей проверкой всех представлений, существующих в современной физике и астрономии, — не только общей теории относительности, включая следующую из нее теорию черных дыр, но и представлений об эволюции и конечной стадии двойных звездных систем. Все теоретические предсказания, сделанные в течение последних ста лет, подтвердились. Поэтому в жизненном плане это открытие показывает, что наука идет правильным путем и что мы, строго следуя логике, эксперименту и наблюдениям, можем успешно познавать мир. Иными словами, природа устроена так, что ее можно понять. Это очень важно в наше время, когда в обществе вновь набирают силу мистические и невежественные представления о мире.

starobinsky

Алексей Старобинский

доктор физико-математических наук, академик РАН, главный научный сотрудник Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН