Потребовались десятилетия работы, чтобы доказать реальность существования гравитационных волн. Ниже представлен рассказ об истории их открытия и о замечательном оборудовании LIGO, которое помогло это сделать.

В 1969 году Райнер Вайсс (род. 1932) был молодым профессором Массачусетского технологического института. В то время гравитационные волны были всего лишь теоретическим курьезом: самому Эйнштейну потребовались годы, чтобы поверить в предсказание своей собственной теории о том, что от движущихся космических тел распространяется рябь по пространству-времени. Затем физик Джозеф Вебер (1919–2000) объявил, что он зарегистрировал гравитационную волну с помощью инструмента, напоминающего ксилофон. Вебер назвал этот инструмент резонансным детектором.

«Студенты на моем курсе были увлечены идеей возможности существования гравитационных волн, – рассказывает Вайс. – До этого я плохо разбирался в этих самых волнах и, хоть убей, не мог понять, каким путем они могут заставить звучать цилиндр.

Я продолжал думать и пришел к выводу: есть только один путь объяснения того, как гравитационные волны взаимодействуют с материей. Представьте, что вы посылаете световой импульс между двумя массами. Затем вы делаете то же самое, но в присутствии гравитационной волны. И вдруг – о чудо! – вы видите, что время, которое требуется свету, чтобы пройти от одной массы до другой, изменяется из-за этой волны. Если волна становится больше, она заставляет время немного вырасти. Если волна съеживается, то время уменьшается тоже. И вы сможете увидеть это колебание времени на часах.

Целых три месяца я думал над тем, что мне со всем этим делать. Во-первых, я посчитал, что трудно найти достаточно хорошие часы. Но мы проделали несколько экспериментов, и я понял, что с лазерами можно проводить невероятно точные измерения. Я записал полученные результаты, но не опубликовал их. Институтский народ хотел знать, как я провожу свое время, и этот пункт я вставил в ежеквартальный отчет о работе моей лаборатории. Я пришел к выводу, что, если сделать достаточно большой детектор, можно попробовать обнаружить гравитационные волны».

Для воплощения идеи Вайсса в жизнь Национальный научный фонд США (US National Science Foundation, NSF) начал финансировать проект, который превратился в 1979 году в лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию LIGO. Но дело продвигалось медленно, и когда в 1994 году физик Барри Бэриш (род. 1936) из Калифорнийского технологического института возглавил проект, фонд NSF практически потерял веру в него:

«Было большое сопротивление. Проект был весьма рискованным и требовал больших затрат. Поэтому мы полностью модернизировали его. Через шесть месяцев он выглядел как совершенно новый проект. И это было трудно сделать – если бы вы спросили меня тогда, можем ли мы построить то, что, как мы знаем теперь, нужно для обнаружения гравитационных волн, ответ был бы отрицательным.

Идея заключалась в том – и я об этом говорил – что с помощью первоначальной версии LIGO можно будет обнаружить гравитационные волны. И он постепенно где-нибудь превратится в детектор, который мы условно назвали “Усовершенствованная обсерватория LIGO”. Но, по правде говоря, кроме общих идей об этой усовершенствованной LIGO, у нас не было никакой конкретики. Самым удивительным для меня во всем этом деле является то, что все эти 22 года, пока мы не достигли успеха, мы ухитрялись получать финансирование».

В США детекторы LIGO располагаются в двух местах: в Ливингстоне (штат Луизиана) и в Хэнфорде (штат Вашингтон). С момента своего присоединения к проекту в 2000 году Майкл Ландри, ведущий специалист центра в Хэнфорде, убеждал всех, что их прибор имеет наивысшую возможную чувствительность для регистрации самых микроскопических сигналов:

«Космос – это жесткая среда, не желающая вибрировать. Детектор должен зарегистрировать изменения, которые составляют примерно тысячную долю размера протона. Это все равно, что зафиксировать изменение в расстоянии между Солнцем и ближайшей к нам звездой Проксима Кентавра, равное толщине человеческого волоса.

У нас идет непрерывная борьба за подавление шума в приборе. Есть шумы земного происхождения, такие как землетрясения. Не такой яркий пример шума – «звон» Земли: на низких частотах она звенит подобно колокольчику из-за того, что океанские волны разбиваются о континентальный шельф.

Если у побережья Аляски или в Мексиканском заливе штормит, колебания почвы возрастают. Нам нужно подавлять эти движения, регистрируя их сейсмометрами и включая их в системы сейсмического подавления. Подобно этому работают шумоподавляющие наушники, создавая образец шума внешней среды и затем воспроизводя его в противофазе, чтобы внешние шумы не досаждали вашим ушам.

Кроме того, существует много внутренних шумов, которые также надо подавить, типа электронного шума или квантового шума в лазере. Все это означает, что детекторы LIGO – самые тихие и самые чувствительные детекторы, созданные когда-либо руками человека».

В сентябре 2015 года, всего лишь через несколько дней после ввода в строй усовершенствованной LIGO, Майклу Ландри сообщили, что зафиксирован необъяснимый сигнал. Сначала он был уверен, что это так называемая инжекция – искусственный импульс, посылаемый время от времени для проверки аппаратуры:

«Утром 14 сентября я включил свой компьютер и увидел e-mail с сообщением о регистрации этого события, происшедшего буквально несколько минут назад. Я подумал, что это, вероятно, инжекция – был еще такой ранний этап наблюдений. Позже в лаборатории мы определили, что никакой инжекции не было. Мы провели еще много исследований, и нам понадобилось несколько месяцев, чтобы подтвердить достоверность этого сигнала. Но даже с самого начала было понятно, что если это не инжекция, то это самое лучшее, что мы когда-либо видели».

Гравитационная волна, по-видимому, пришла от столкновения двух черных дыр, находящихся на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от Солнца. Для Райнера Вайсса, ныне заслуженного профессора Массачусетского технологического института, это было долгожданным подтверждением его надежд:

«Это было выдающееся открытие. Больше всего на свете я хотел увидеть столкновение двух черных дыр. Если вы спросите, что в первую очередь подтолкнуло нас к построению столь сложного сооружения, я отвечу, что это было желание проверить, работает ли теория Эйнштейна в сильных гравитационных полях. В таких условиях общая теория относительности еще не проверялась. И вдруг в наших руках оказывается свидетельство того, что уравнение поля Эйнштейна, от начала до конца, совершенно справедливо».

Для Нергис Мавалвала, ученой-физика из Массачусетского технологического института, которая работает в LIGO уже 25 лет, детектирование этого сигнала стало только началом:

«Одним из пленительных моментов общей теории относительности является то, что вы решаете уравнения, пусть даже вы решаете их десятилетиями, и создаете образцы того, как должны выглядеть сигналы. Природа была к нам добра: самый первый сигнал, который мы увидели, оказался таким ясным. Многие полагали, что мы увидим только слабые сигналы, едва выступающие над уровнем шума, и последуют многочисленные дискуссии о том, можно ли вообще считать это сигналом или нет.

Это открытие побуждает нас к новым интенсивным исследованиям, ведь мы знаем, что на свете еще много неизведанного, ждущего своих наблюдателей. Некоторые могут вообразить, что про себя мы решили: «Окей, теперь, когда мы это увидели, мы можем собирать вещички и отправляться по домам». Но на самом деле все совсем наоборот. Мы увидели только первую гравитационную волну, но сколько еще открытий нам предстоит? Нам столько нужно узнать о черных дырах, а ведь есть еще и нейтронные звезды! Что касается лично меня, я надеюсь увидеть кое-что, над чем придется поломать голову. Может быть, мы откроем новые объекты, которые пока невозможно даже представить».

Теория относительности Эйнштейна предсказала гравитационные волны. После их открытия в 2016 году журнал New Scientist опубликовал гипотетическое интервью, которое могло бы состояться с самим великим ученым, составленное на основании высказываний, сделанных им при жизни.

Если вы спрашиваете меня, существуют ли гравитационные волны, должен сказать, что я не знаю. Но это очень интересная проблема.

Теория находит оправдание для их существования в том факте, что они согласуются с большим количеством отдельных наблюдений. Именно в этом заключается «правота» теории.

В научной жизни у меня была небольшая передышка. Я изучал гравитационные волны, а совсем недавно начал изучать квантовую теорию излучения и поглощения света и причины возникновения подъемной силы летательных аппаратов.

Важный вопрос о том, как распространяются гравитационные волны, был рассмотрен мной в научной статье полтора года назад. Однако я вынужден вернуться к этому предмету изучения, поскольку мое прежнее сообщение вызывает сомнения и, к сожалению, содержит прискорбную ошибку в вычислениях.

Даже наблюдения динамических гравитационных полей, создаваемых вращением Земли и Солнца, тех полей, которые можно было бы наблюдать с помощью таких чувствительных индикаторов, как Луна и внутренние планеты, невозможно провести из-за их малой точности.

Я вам пришлю статью о волнах. Она очень хороша.

Я сделаю это с большим удовольствием, потому что, к сожалению, существует некоторая опасность, что довольно сложная математическая форма теории угрожает затмить ее простое (и естественное) физическое содержание. Хорошо известно, что приближенный метод интегрирования гравитационных уравнений общей теории относительности приводит к существованию гравитационных волн.

Я посылаю вам рукопись с объяснением общей теории относительности, но не осмеливаюсь надеяться на то, что вы действительно ее прочтете.

По-видимому, более полная квантовая теория также должна будет привести к модификации теории гравитации.