Начнем издалека. Представьте себе, что вам нужно найти подводную лодку противника в нейтральных водах. Делается это следующим образом: располагаются микрофоны по определенной области, они очень чувствительны. Понятное дело, что вы хотите зарегистрировать подводную лодку как можно дальше от микрофонов. Вы же не можете все море покрыть микрофонами, вы можете покрыть только какую-то область. Эти микрофоны слышат корабли, и дельфинов, и китов — все, что издает звуки, причем эти звуки нередко бывают сильнее, чем прошедшая далеко подводная лодка. Как же тогда увидеть ее?

Оказывается, что военные из «икспериментальных данных» знают, как звучит двигатель той или иной подводной лодки, то есть характерный звук, который она оставляет. Соответственно, они знают характерную кривую, которую выдаст подводная лодка на микрофоне. Микрофоны располагаются на каком-то расстоянии. Сигнал, который увидели микрофоны, кривую, они должны увидеть с какой-то точностью на всех или на определенном количестве микрофонов. Также сигналы, пришедшие в микрофоны, должны быть разделены каким-то промежутком времени, не больше чем расстояние между микрофонами, деленное на скорость звука. То есть если один микрофон услышал какой-то звук, а другой такую же кривую увидел, а расстояние по времени между этими двумя сигналами превышает, то это какая-то случайность, а не реальная ситуация.

Если подводная лодка проходит далеко, этот звук на двух микрофонах выглядит как рябь на большой звуковой волне, которая идет со всех сторон. Сигналы микрофонов подаются на компьютер, и он их анализирует. Если несколько микрофонов увидели кривую, кривые с какой-то точностью совпадают, далее специальные программы распознают согласие между этими кривыми. И разность времени между ними находится в рамках, которые я обрисовал. Если у вас распределена сетка микрофонов определенным образом, то вы можете даже определить, на каком расстоянии, в каком направлении и где прошла подводная лодка.

Рекомендуем по этой теме:
2828
Гравитационные волны на ПостНауке

Гравитационные волны детектируют таким же образом. Нужны как минимум два микрофона, но желательно больше. На данный момент функционируют два, которые расположены в США на разных концах страны, на расстоянии 3500–4000 километров друг от друга. Один в районе Флориды, а другой в районе штата Вашингтон на северо-западе. Эти микрофоны должны услышать сигнал. Причем сигнал тот же самый, то есть между кривыми должно быть согласие. И разделены они должны быть промежутком времени не больше чем расстояние между этими двумя детекторами, деленное на скорость света. Наибольшее время получается, если волна пришла к одному детектору и шла прямо по линии между этими двумя детекторами. Но волна может прийти и одновременно к ним, если идет сверху.

Гравитационная волна — это очень слабое явление. Как она устроена? У вас есть два огромных детектора. Например, интерферометр Майкельсона — Морли, имеющий размер каждого плеча 4 километра, которые пересекаются перевернутой буквой Г. Если гравитационная волна прямо падает на этот детектор вертикально, то плечи этого детектора начинают ходить ходуном, то есть одно плечо удлиняется, второе сужается. Потом наоборот: одно удлиняется, второе сжимается и так далее.

Как увидеть то, что плечи ходят? Детектор Майкельсона — Морли устроен так, он наблюдает интерференцию. У вас по двум плечам идут электромагнитные волны, а потом в детекторе собирается сигнал от двух этих плеч. Важно добиться практически полного сокращения волн от обоих плеч. То есть вы устанавливаете ситуацию, когда у вас на детекторе сигнал практически ноль. У вас в каждом плече стоит целое число полуволн, когда на детектор ничего не действует, и они полностью друг друга гасят на детекторе. Теперь, если у вас плечи стали ходить, волны стали не гаситься полностью, а начали смещаться, и у вас появляется сигнал в детекторе. У вас должен быть возвратный механизм, подстраивающий зеркала, которые отражают свет, так чтобы сигнал был ноль. Фактически надо измерить ток в этом механизме, который подстраивает, а ток измеряется с огромной точностью.

Сигнал от гравитационных волн — это рябь на фоне колебаний. Более того оказывается, что гравитационная волна, которую зарегистрировали первой, она имела амплитуду 10-21. Если помножить 10-21 на размер плеча, 4 километра, то получается, что плечи ходили на расстояние одна тысячная от размера протона. Что вызывает недоумение, потому что мы с такой точностью даже поверхность зеркала не можем определить. Поверхность зеркала нам кажется гладкой, а как только мы начинаем рассматривать ее на масштабах порядка размера протонов, это решетка из атомов, молекул и так далее.

Надо понимать, что если элементы кристаллической решетки зеркала сместились на такое расстояние все одновременно, то это уже физическое явление. Даже сколько малое оно бы ни было, они все вместе сместились. Понятное дело, что расстояние с такой точностью мы мерить не можем, мы даже его определить с такой точностью не можем. Но мы можем измерить ток и световой сигнал, то есть время прохождения светового сигнала. Утверждается, что при первом детектировании гравитационных волн увидели слияние двух черных дыр. Одна, если не ошибаюсь, 29 масс Солнца, другая — 35 масс Солнца. Это колоссальная энергия, и она ушла в гравитационное излучение.

Давайте сделаем оценки. Черная дыра с массой порядка 30 масс Солнца имеет радиус 90 километров — для оценки будем считать 100 километров. То есть две черные дыры в момент слияния имели размер порядка 200 километров, по 100 каждая. В этой области была сосредоточена энергия, которая ушла в гравитационное излучение. Эти 200 километров говорят нам приблизительно о размере длины гравитационной волны, то есть это тоже приблизительно 200 километров. В 200 километрах была сосредоточена энергия в 3 массы Солнца, которая вышла в виде гравитационных волн, и часть из нее дошла до нас. Это все находилось на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Значит, можно посчитать, что если эти исходные 3 массы Солнца были сосредоточены в 200 километрах, поделить на 1,3 миллиарда световых лет, то энергия была 1044, а амплитуда — 1022. Безусловно, это очень грубая отметка. Представьте себе, что такое амплитуда 10 раз. Это значит, что что-то было растянуто в 10 раз. До нас через 1,3 миллиарда световых лет дошли уже минимальные изменения.

Откуда знают сигнал, который надо увидеть? Нет же никаких «икспериментальных данных». Данные получают из компьютерных симуляций. На компьютере просимулировали несколько сотен сэмплов: разные слияния черных дыр разных размеров с разным углом вращения, с разных расстояний друг к другу, сливающихся нейтронных звезд, нейтронных звезд и черных дыр. Поэтому ученые приблизительно знали характерный вид кривой, какую должны увидеть.

В какой-то момент ученые увидели кривую, которая, во-первых, совпадает с характерным видом кривой, во-вторых, две кривые на двух детекторах похожи. После этого они с достоверностью сказали, что увидели гравитационную волну, а по характеру кривой определили, что было слияние именно черных дыр. Теперь она имеет действительно характерный вид. Она устроена так: там нарастает амплитуда и сокращается, уменьшается длина волны. Это говорит о том, что у вас был процесс, когда черные дыры медленно теряли энергию, вращаясь друг вокруг друга за счет излучения гравитационного. Гравитационное излучение было настолько слабое, что наши детекторы его не видели.

В какой-то момент они уже сблизились и ускорились при вращении настолько, что амплитуду гравитационных волн наш детектор стал чувствовать. Это был практически сам момент слияния, когда они уже были совсем близко друг к другу. Это происходило доли секунды. Черные дыры с огромными скоростями и огромными ускорениями друг вокруг друга вращались, теряли энергию. Соответственно, частота вращений увеличивалась, потому что они друг на друга падали, а амплитуда росла. После этого они слились, и мы видим затухание сигнала, которое связано с тем, что у вас сформировался один общий горизонт, который трясся, как мыльная пленка. Я, безусловно, не все технические детали рассказал. Я рассказал наиболее интересные для меня моменты, которые поразили и меня лично убедили в том, что все-таки гравитационные волны действительно увидели. Потому что исходно, когда это было заявлено, и у меня, и у многих моих коллег были вопросы к деталям.