16
Новости гравитационно-волновой астрономии

В огромной пещере в горе Икэно на западе Японии рабочие строят второй по величине в мире лазерный интерферометр. Исходная версия детектора гравитационных волн в Камиока (Kamioka Gravitational Wave Detector, KAGRA) была создана и протестирована в марте и апреле 2016 г., после чего началась установка нового оборудования базовой версии: дополнительные зеркала, многоуровневые системы подвеса, новые лазеры, криогенные холодильные агрегаты. Участники масштабных работ надеются завершить их к концу 2018 г., если удастся избежать очередных простоев. Построить подземный интерферометр с плечом 3 км – непростая задача.

Примерно в 200 км к востоку, в пригороде Токио, Рафаэль Фламинио поделился со мной оптимизмом. Проблемы существуют, особенно с отводом воды, просачивающейся в подземные камеры и туннели, но они решаемы. И они будут решены. Фламинио убежден, что KAGRA начнет действовать в связке с LIGO и Virgo в 2019 г., если не раньше.

Фламинио, итальянский физик, возглавляет отдел по реализации проекта изучения гравитационных волн Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ). Сразу понятно, что директор – итальянец: в кампусе NAOJ в Митака подают прекрасный кофе. Группа Фламинио работает в современном здании, уродующем живописное историческое окружение. За кирпичными воротами по улице Осава, наискось от маленького буддийского храма, разместились несколько старых зданий обсерватории в окружении очаровательного садика с цветущей сакурой и прочими элементами традиционного стиля. По выходным местные жители устраивают здесь пикники, не подозревая, что 20 лет назад в этом месте находился крупнейший в мире детектор волн Эйнштейна.

300-метровый интерферометр TAMA, построенный в 1997 г., задолго до LIGO, Virgo и GEO600, был не только самым большим в истории детектором-прототипом, но и первым инструментом для изучения гравитационных волн, чувствительность которого превосходила антенные детекторы Джо Вебера и других первопроходцев 1960–1970-х гг.

Фламинио участвовал в проекте Virgo с 1990 г., еще до официального одобрения этой французско-итальянской инициативы. Он контролировал строительство и ввод в эксплуатацию интерферометра под Пизой, а с 2004 по 2007 г. являлся вице-директором консорциума Европейской гравитационной обсерватории (EGO). После нескольких посещений TAMA300 он влюбился в Страну восходящего солнца и в сентябре 2013 г. переехал в Японию.

Проект Большого криогенного гравитационно-волнового телескопа был представлен японскому правительству в самом начале нового тысячелетия. LIGO готовилась к первому научному пуску в Хэнфорде и Ливингстоне, Virgo строилась. Все понимали, что гравитационно-волновую астрономию ждет блестящее будущее. Японские ученые хотели застолбить себе место в новом научном поле. Возникла мысль построить детектор под землей, в шахте Камиока, чтобы избавиться от большей части низкочастотного сейсмического шума. Охлаждение зеркал до сверхнизких температур (отсюда слово «криогенный» в названии) снизило бы тепловые помехи. При низких температурах аморфный кварц не лучший выбор, и зеркала решено было изготовить из сверхчистых искусственно выращенных сапфировых кристаллов.

После нескольких неудач проект был одобрен в июне 2010 г., вскоре после того, как Наото Кан (руководитель Демократической партии Японии) занял пост премьер-министра. Не успело начаться строительство, разразилась катастрофа 11 марта 2011 г. – землетрясение Тохоку и вызванное им мощное цунами стали препятствием для финансирования работ. Только в 2012 г. корпорация Кадзима, одна из крупнейших строительных компаний Японии, начала рыть 3-километровые туннели будущей KAGRA. Работы были выполнены всего за два года – по словам Фламинио, это самый быстрый проект в Японии, связанный с проходкой туннелей.

Тем временем в близлежащей пещере создавалась Криогенная лазерно-интерферометрическая обсерватория – 100-метровый прототип для тестирования системы с глубоким охлаждением зеркал. Вакуумная система KAGRA была завершена в 2015 г. В том же году установили большую часть оборудования интерферометра. Первый научный запуск Initial KAGRA (iKAGRA) состоялся через несколько недель после сообщения LIGO об открытии GW150914, правда, без криогенного охлаждения и дополнительных зеркал, которые должны будут образовать резонатор Фабри – Перо, увеличивающий длину пути и мощность лазерного импульса.

Роскошный скоростной поезд синкансэн за два часа домчит вас от токийской станции Уэно до Тоямы на западном побережье. Там я ранним утром сажусь на автобус и еду в горы. Ошеломительные 75 минут подъема по крутому, поросшему лесом склону среди клочьев тумана, и я выхожу у почтового отделения крохотной шахтерской деревушки Модзуми сразу за границей префектуры Гифу. Горный промысел в этих местах начался еще в VIII в. Шахта Камиока, где добывались цинк и свинец, названная как и городок километрах в десяти вниз по дороге, была закрыта в 2001 г., но здесь до сих пор живет несколько шахтерских семей.

Штаб-квартира KAGRA размещается в новом здании, возвышающемся над деревней. Из уважения к японским традициям я переобуваюсь в шлепанцы, приготовленные для посетителей у входа. К сожалению, они малы для моих голландских ног. Сотрудник подразделения по изучению гравитационных волн NAOJ Ёити Асо сопровождает меня в маленькое помещение управления, где два десятка человек собрались на утреннее десятиминутное совещание. Затем он обряжает меня в каску и светоотражающий защитный жилет, и мы едем около 5 км до входа в шахту, спускаясь на тысячу метров ниже подножия горы Икэно – Икэнояма.

За последние десятилетия шахта Камиока превратилась в многофункциональную физическую лабораторию. В 1991 г. здесь начали рыть огромную пещеру, в которой теперь размещается «Супер-Камиоканде», один из крупнейших в мире детекторов нейтрино (о чем свидетельствуют три последние буквы названия). По сути, это гигантский резервуар из нержавеющей стали высотой 41,4 м и диаметром 39,3 м, заполненный 50 000 т сверхчистой воды. Внутренняя поверхность цилиндра выложена 11 000 фотоэлектронных умножителей – изготовленных методом ручного дутья трубок около 50 см диаметром каждая. Они регистрируют слабые вспышки света, вызванные редкими взаимодействиями высокоэнергетических нейтрино с молекулами воды. В подземной обсерватории Камиока работают и другие инструменты: детектор антинейтрино на жидком сцинтилляторе Камиока и Ксеноновый детектор слабо взаимодействующих массивных частиц, занимающийся поиском темной материи.

Другим горизонтальным туннелем Асо доставляет меня в центральную зону интерферометра KAGRA, где в полном разгаре идет апгрейд оборудования. Впечатляющее зрелище: в огромной полости теснятся блестящие вакуумные резервуары, портальные краны, строительные леса, вилочные погрузчики, путепроводы для лазерного излучения с массивными фланцами на болтах и стойки с электроникой. Резкий контраст грубо обработанной скалы и высокотехнологичного оборудования создает сюрреалистическое впечатление секретной подземной лаборатории безумного ученого из фантастического фильма.

Недостатки размещения гравитационно-волновой обсерватории под землей также очевидны. Вырубленные в скале стены были обработаны противопылевым покрытием, но в пещере, разумеется, не может быть так же чисто, как в центральных зданиях LIGO или Virgo. Самые чувствительные части оборудования спрятаны в «скафандры» – большие пластиковые палатки, куда под давлением нагнетается очищенный воздух.

Намного более серьезной проблемой является вода. Как знает любой спелеолог, в пещерах очень сыро. Относительная влажность в гроте KAGRA 75–100 %. Гора «работает» как губка, объясняет Асо, – поглощает дождевую воду, которая сочится через стены пещер и двух 3-километровых туннелей. Из-за давления грунтовых вод подмокают даже полы туннелей. Воды очень много: в среднем около 500 т в час – 1 % объема детектора Камиоканде.

Асо ведет меня в ближайший конец одного из сырых тускло освещенных туннелей. Стальным трубам из нержавеющей стали влага не страшна, но вода стоит на полу туннеля, и я постоянно слышу звук падающих капель. Часть потолка покрыта огромными листами пластика. Для улучшения дренажа туннели проложены не строго горизонтально, а с уклоном около 2°. Из-за этого зеркало KAGRA также должно быть слегка наклонено – очередная технологическая сложность.

Стены центрального грота также по большей части затянуты пластиком. Вода и здесь главный враг. Проблема встала особенно остро весной 2015 г., когда уровень воды в некоторых местах пещеры достигал 10 см и полы туннеля были совершенно мокрыми. Со сводов капало на скафандры с оборудованием. Монтаж вакуумной системы пришлось отложить на два месяца. Зима того года выдалась снежной, и талые воды оказались очень обильными. Возможно, сказалась и недавняя прокладка туннелей с помощью динамита, повысившая давление грунтовых вод. В год моего визита (я приехал в KAGRA в начале июля 2016 г.) ситуация улучшилась. То ли Икэнояма восстановила состояние равновесия, то ли помог Эль-ниньо 2015 г. – это климатическое событие сопровождается значительным уменьшением количества снега. «Посмотрим, что будет дальше», – замечает Асо.

Расположившийся в Митака Рафаэль Фламинио прекрасно знает, что проблема пока не решена, но вспоминает, что подземная физическая лаборатория по изучению элементарных частиц Гран-Сассо в Итальянских Альпах сталкивалась с такими же трудностями. «Сразу по окончании строительства вода была повсюду. Теперь все улажено. Мы тоже найдем решение».

Baseline KAGRA (bKAGRA) закончат к концу 2018 г. или в начале 2019 г., и он будет представлять собой четыре больших лазерных интерферометра, работающих сообща. Официально KAGRA не входит в коллаборацию LIGO – Virgo, но в будущем американская, европейская и японская группы будут обмениваться результатами наблюдений для совместного анализа. Согласованное использование четырех детекторов дополнительно снизит уровень ложноположительных результатов. Более того, если волны Эйнштейна от слияния нейтронных звезд или ЧД регистрируются четырьмя независимыми инструментами, можно с довольно высокой точностью локализовать событие в небе. Дополняющие наблюдения в форме автоматизированного поиска электромагнитных проявлений, описанные в главе 14, станут намного более эффективными.

Всего через несколько лет появится пятый интерферометр – в Индии. LIGO India станет аванпостом LIGO в Азии. Главная его задача – бóльшая надежность регистраций благодаря независимому подтверждению и лучшая локализация. Создание всемирной сети детекторов давно является целью Международного комитета по изучению гравитационных волн, организованного в 1997 г. для углубления сотрудничества разных стран в этой области. В начале октября 2016 г. в качестве места для индийского инструмента была выбрана площадка возле города Хинголи, в 500 км к востоку от Мумбаи.

Планы строительства в Индии гравитационно-волнового детектора появились в 2009 г., когда физики организовали консорциум Индийская инициатива по наблюдению гравитационных волн (Indian Initiative in Gravitational-Wave Observations, IndIGO). С 2011 г. с руководством LIGO обсуждается вопрос переноса американского оборудования в Индию. Вы, наверное, помните, что обсерватория LIGO в Хэнфорде первоначально имела два отдельных интерферометра – с плечами 4 км и 2 км. По той же схеме предполагалось строить Advanced LIGO. Очевидно, лучше разместить второй детектор в другом месте в качестве третьей обсерватории, но это намного дороже. В свою очередь, департаменты атомной энергии и развития науки и технологии Индии – главные источники финансирования задуманного индийского детектора – не потянули бы полномасштабный проект. Почему бы не объединиться с целью создания LIGO-India? Индийское правительство оплатило бы инфраструктуру, а Национальный фонд содействия развитию науки – оборудование.

Предполагалось аналогичное сотрудничество LIGO и группы физиков из разных университетов Австралии. Однако австралийское правительство отдало приоритет проекту международной радиообсерватории SKA (см. главу 13), и планы «LIGO на другом краю света» так и не осуществились. Летом 2012 г. Национальный совет по делам науки одобрил совместную деятельность с Индией. В январе 2015 г., когда я был в Хэнфорде, в зоне размещения лазерного и вакуумного оборудования находилось, помимо только что смонтированной аппаратуры Advanced LIGO, множество больших упаковочных ящиков, готовых отправиться в Индию, как только NSF даст зеленый свет.

О принципиальном одобрении индийский премьер-министр Нарендра Моди объявил 17 февраля 2016 г., всего через шесть дней после пресс-конференции, посвященной GW150914. Спустя шесть недель, 31 марта, директор NSF Франс Кордова подписала протокол о намерениях с индийскими коллегами, и работы по LIGO-India могли стартовать. Со временем эта обсерватория станет почти точной копией сегодняшних детекторов Advanced LIGO с длиной плеч 4 км. Ученые надеются, что LIGO-India будет введена в эксплуатацию в 2024 г.

Очень сложно давать прогнозы, особенно на будущее, сказал голландский ученый Нильс Бор, современник Альберта Эйнштейна. В 1920-х гг. два великих физика спорили о природе реальности при личных встречах и в продолжительной переписке. Бор был пионером квантовой физики, а Эйнштейн серьезно сомневался в выводах из этой теории. Оба не могли предвидеть, что всего через 100 лет астрономы с помощью всемирной сети детекторов гравитационных волн будут изучать катастрофические события во Вселенной, а исследование волн Эйнштейна, порожденных столкновениями ЧД, станет шансом объяснить наконец фундаментальную несовместимость ОТО с квантовой теорией поля.

Даже сейчас сложно спрогнозировать состояние гравитационно-волновой астрономии в середине 2020-х гг. К тому времени пять гигантских детекторов будут караулить ничтожные возмущения пространственно-временного континуума, возможно составляющие лишь одну секстиллионную процента (1/10²³) и длящиеся от доли секунды до минуты. Столкновения и слияния нейтронных звезд и ЧД на расстояниях в несколько миллиардов световых лет, как ожидается, будут регистрироваться в среднем раз в неделю. Малые различия времени прибытия сигнала к пяти самостоятельным детекторам позволят точно вычислить направление на источник. Экстренные дополняющие наблюдения в рамках программ поиска электромагнитных проявлений дадут дополнительную информацию о столкновении и галактике, в которой оно произошло. Параллельное изучение временной динамики пульсаров силами SKA и других радиообсерваторий обнаружит фоновые волны Эйнштейна очень низкой частоты, излучаемые орбитальными движениями сверхмассивных ЧД повсюду во Вселенной. Отследив многие из этих наногерцовых волн, мы найдем гигантские двойные системы в относительно близких галактиках. Измерения поляризации реликтового излучения откроют для нас «отпечатки» первичных гравитационных волн, излученных в самую первую долю секунды после Большого взрыва.

Все это «ожидаемые результаты» гравитационно-волновой астрономии. Однако практически каждый ученый, опрошенный мною в ходе работы над этой книгой, подчеркивал, что самыми революционными и потрясающими могут оказаться неожиданные результаты. В этом прелесть научно-исследовательской деятельности – никогда не знаешь заранее, что обнаружишь. Опыт свидетельствует, что появление новой области исследований всегда оборачивается большими сюрпризами. Нет оснований полагать, что гравитационно-волновая астрономия станет первым исключением из правила.

Астрономию иногда называют древнейшей наукой. Наши отдаленные предки смотрели на звезды и следили за перемещениями Солнца, Луны и планет. Но мне иногда кажется, что астрономия только что родилась. Долгие тысячелетия наши знания о Вселенной всецело зависели от того, что удавалось разглядеть невооруженным глазом. Только последние четыре столетия, после того как Ганс Липперхей изобрел телескоп, астрономия переживает расцвет. На протяжении этих 400 лет изучение звезд представляло собой непрерывно ускоряющуюся последовательность эпохальных озарений, обусловленных открытиями и технологическими прорывами. Кульминацией стали эра космических полетов и цифровая революция.

Основной сквозной темой являлось обнаружение новых неизученных частей электромагнитного спектра – от открытия инфракрасного света Вильямом Гершелем в 1800 г. до вывода в космос телескопов, регистрирующих гамма-излучение самых высоких энергий. Нас уже не ограничивают возможности человеческого зрения или эффект поглощения в атмосфере Земли. Впервые в истории мы увидели космос во всем его великолепии и многообразии.

Мне нравится следующий образ: традиционная, до изобретения телескопов, астрономия была заперта в здании с толстыми кирпичными стенами, окруженном прекраснейшим пейзажем. Единственный, крайне ограниченный вид открывался через одну маленькую узкую бойницу в восточной стене. Единственное, что мы могли наблюдать, – фрагмент травянистой равнины на переднем плане, холм с несколькими деревьями вдали и белое облако в голубом небе: можно составить приблизительное представление о мире вокруг, но, разумеется, очень неполное. Вот что такое астрономия оптического диапазона.

Открытие других частей электромагнитного спектра можно сравнить с пробиванием дополнительных проемов в стенах. Это уже не узкие щели, а широкие окна. Мы вдруг узнали о великолепном водопаде на юге и цепи действующих вулканов на западе, увидели реки, снеговые вершины гор и грозовые тучи. Ограниченный «вид через бойницу» остался неотъемлемой частью этого впечатляющего ландшафта, но только теперь мы знаем, как эта частность вписывается в целое, и начинаем постигать внутренние геологические закономерности. Наконец во всем появляется смысл.

Инфракрасная астрономия позволяет всмотреться вглубь облаков газа и пыли и узнать, как рождаются звезды и планеты. Ультрафиолетовая астрономия обнаруживает чрезвычайно разреженный газ в «пустом» пространстве между скоплениями галактик и позволяет понять физические процессы в недрах самых горячих звезд Млечного Пути. Астрономия миллиметрового диапазона поведала нам о слабом послесвечении Большого взрыва и дала подсказки относительно происхождения галактик и образования планет. Благодаря радиоастрономии составляются карты распределения нейтральных атомов водорода – самого распространенного элемента во Вселенной. Более того, радиоастрономия познакомила нас с такими удивительными небесными телами, как пульсары и квазары. Наконец, астрономические наблюдения в рентгеновском и гамма-диапазоне «открыли вид» на Вселенную экстремальных температур и энергий, где взрываются звезды, сталкиваются галактики, распространяются ударные волны и существуют черные дыры.

Появление новой области исследования всякий раз оборачивалось неожиданными открытиями и революционными догадками. В случае гравитационно-волновой астрономии у нас еще больше причин рассчитывать на сюрпризы, поскольку она не просто расширяет наше видение космоса, но и добавляет совершенно новый канал восприятия к средствам изучения Вселенной.

В своих вдохновляющих лекциях, адресованных коллегам-ученым и широкой аудитории, включая школьников, специалист по гравитационно-волновой физике Бернард Шутц (в 1995–2014 гг. директор Института Альберта Эйнштейна в Потсдаме, в настоящее время возглавляет Кардиффский университет в Уэльсе) сравнивает современную астрономию с прогулкой глухого по тропическому лесу. Он видит вокруг деревья, папоротники, лианы, насекомых, птиц, змей и обезьян. Со временем, будучи внимательным наблюдателем, он многое узнает об окружающем мире. У него даже может возникнуть иллюзия полного знания.

Но случается чудо, к нему возвращается слух. На него вдруг обрушивается поток новой информации. Это не детали, которые прежде не удавалось разглядеть, а совершенно новая информация. Звуки джунглей – пение птиц, шелест листвы, хруст веток – дают много дополнительных данных о вещах, которые он уже мог видеть. Кроме того, возможность слышать позволяет узнать о том, что скрыто от глаз, будь то громоподобный треск падающего в километре дерева или отдаленный рык хищников.

Шутц говорит: «Наша Вселенная – это джунгли, полные диких животных. Благодаря гравитационным волнам мы впервые начали слышать их». Гравитационно-волновую астрономию часто называют способом «услышать» Вселенную. Хотя волны Эйнштейна никак не связаны со звуком, это выразительное сравнение. Главное обещание новой области исследования – открытие объектов и событий, принципиально не наблюдаемых путем изучения электромагнитного излучения. Гравитационные волны – это новые послания из космоса, которые расскажут нам много неожиданного.

Мы надеемся, что изучение слабых возмущений пространственно-временного континуума поможет раскрыть часть самых необъяснимых загадок нашей Вселенной. Например, астрономы обнаружили косвенные свидетельства существования огромного количества темной материи. Ее невозможно увидеть – предположительно, темная материя даже не состоит из обычных атомов и молекул, – но можно зарегистрировать ее гравитацию. Внешние области галактик вращаются значительно быстрее, чем следует ожидать, исходя из количества содержащейся в них видимой материи. То же самое можно сказать о скоростях галактик в скоплениях. Кроме того, степень гравитационного линзирования скоплений галактик (отклонения света фонового источника силой тяготения скопления) можно объяснить только присутствием большого количества темной материи. Проблема в том, что никто не имеет представления о природе темной материи, и, несмотря на героические усилия физиков-ядерщиков и космологов, пока не удалось найти ни одного непосредственного свидетельства ее существования.

Другая огромная загадка – темная энергия. Исследования расширения Вселенной показали, что пространство растет увеличивающимися темпами около 5 млрд лет. Здравый смысл говорит, что расширение должно замедляться вследствие взаимного притяжения галактик, однако оно ускоряется. Единственное объяснение, которое смогли предложить физики, – наличие в пустом пространстве загадочной «энергии отталкивания». Идея не нова. Она отчасти согласуется с квантовой теорией, и сам Альберт Эйнштейн ввел в свои уравнения подобие темной энергии – «космологическую константу» – еще до того, как Эдвин Хаббл открыл расширение Вселенной. Однако природа темной энергии также никому не известна.

Серьезность проблемы становится очевидной, когда понимаешь, что темная материя и темная энергия в совокупности составляют до 96 % общей плотности вещества и энергии во Вселенной. Иными словами, нам известны лишь жалкие 4 % ее содержимого, остальное – совершенная загадка. Судя по всему, разгадать ее будет нелегко. Детальные исследования реликтового излучения и крупномасштабных структур Вселенной заставляют сделать вывод: мы способны объяснить устройство Вселенной, только если ее эволюцией управляли таинственные силы – темная материя и темная энергия.

Дальнейшие достижения гравитационно-волновой астрономии, возможно, подарят новые поразительные данные, особенно связанные с темной энергией. Амплитуду гравитационных волн, возникающих при столкновении компактных астрономических объектов, точно предсказывает ОТО. Исходя из наблюдаемой формы волны (чирпа) довольно просто вычислить массы двух сливающихся тел. Затем ОТО подскажет амплитуду расходящихся волн Эйнштейна. Сравнивая расчетную величину с намного меньшей амплитудой, измеренной земными детекторами, легко узнать расстояние, на котором произошло слияние.

Если поиск электромагнитных проявлений обнаруживает галактику, где имело место слияние, можно установить красное смещение этой галактики с помощью оптических телескопов. Как вы узнали из главы 9, красное смещение галактики показывает, сколько времени потребовалось ее свету, чтобы дойти до Земли. Тогда мы сумеем объединить измерения красного смещения и независимые оценки расстояний до большого числа галактик разной степени удаленности и узнаем историю расширения Вселенной – любые замедления или ускорения приведут к отклонениям от точного линейного соответствия расстояния и красного смещения. Детальное знание о расширении космического пространства позволит больше узнать о темной энергии.

Первые указания на существование темной энергии были получены в 1998 г. похожим способом. Астрономы изучали взрывы сверхновых определенного типа (так называемого типа Ia), для которого известен реальный выход энергии. Такой объект называют «стандартная свеча». Измерение наблюдаемой светимости сверхновой дает информацию о расстоянии до нее, которую затем можно сравнить с красным смещением ее галактики. Потенциальной проблемой этого метода является то, что на наблюдаемую светимость взрыва далекой звезды могут влиять другие эффекты, например поглощение пылью. В случае гравитационных волн, однако, вы имеете именно то, что наблюдаете. Вселенная абсолютно прозрачна для возмущений пространственно-временного континуума, и из их наблюдаемой амплитуды легко вывести действительное расстояние до источника. Если сверхновые типа Iа – это стандартные свечи, то гравитационные волны можно назвать стандартными сиренами.

Роль, которую могли бы сыграть волны Эйнштейна в открытии тайны темной материи, менее очевидна. Будущие наблюдения гравитационных волн от слияния сверхмассивных ЧД или попадания в ЧД компактных объектов (EMRI) помогут составить карты скучивания галактик в разные эпохи эволюции Вселенной. В сочетании с лучшим пониманием процесса расширения Вселенной это даст детальную информацию о распределении темной материи в пространстве и, возможно, о природе этой таинственной субстанции.

Наконец, физики рассчитывают на возможность подвергнуть ОТО Эйнштейна новым проверкам. Изучение гравитационных волн рассказывает о поведении материи и пространства в экстремальных условиях – под воздействием невероятно мощных полей тяготения в непосредственной близости от ЧД. Особенно много ценной информации ожидается о так называемых сильных полях. Как я уже отмечал, ОТО несовместима с квантовой теорией поля, и по крайней мере одна из этих двух теорий в какой-то момент должна «оступиться». Обе они не могут быть совершенно правильными. Большой вопрос: когда и где одна из них «пойдет трещинами» и как физики их «залатают»? Возможно, путь укажут дальнейшие наблюдения гравитационных волн, потеснив ОТО.

Согласно некоторым теориям, все вышеописанные проблемы так или иначе связаны. Сторонники теории модифицированной ньютоновской динамики (MOND) считают темную материю иллюзорной концепцией, возникшей вследствие ложного понимания гравитации. По мнению других, истинная теория квантовой гравитации автоматически снимет вопросы темной материи и ускорения экспансии Вселенной. Практически все сходятся на том, что давно желанное объединение ОТО и квантовой теории дадут нам понимание таких удивительных вещей, как черные дыры, Большой взрыв и множественная Вселенная. Изучение волн Эйнштейна на всех возможных частотах и во всех уголках космоса – «вслушивание в звуки тропического леса» – это важный следующий шаг на пути к постижению фундаментальных свойств Вселенной. Первая прямая регистрация гравитационных волн 14 сентября 2015 г. открыла принципиально новую главу в истории астрономии.

Появление в космосе гигантского лазерного интерферометра, описанного в главе 15, станет очень важным этапом развития гравитационно-волновой астрономии. Но прорывы будут совершаться не только за пределами земной атмосферы. Лазерно-интерферометрическая космическая антенна в силу своего колоссального размера с длиной плеча порядка нескольких миллионов километров будет способна воспринимать лишь колебания определенного диапазона, относительно низкочастотные. Для дальнейшего обнаружения высокочастотных волн, образующихся на заключительных стадиях слияния нейтронной звезды и ЧД, необходимы менее крупные инструменты. Через 15–20 лет на смену LIGO и Virgo, а также, возможно, KAGRA должны прийти наземные детекторы нового поколения.

Еще до начала перехода к Advanced Virgo европейские ученые стали предлагать идеи интерферометра третьего поколения – так называемого телескопа Эйнштейна, или ET. Как и в KAGRA, зеркала телескопа Эйнштейна будут охлаждаться до сверхнизких температур. Инструмент будет иметь тот же треугольный план, что и LISA, но длину плеча 10 км и включать в общей сложности шесть интерферометров с лазерами, светоделителями, зеркалами и фотодетекторами в каждой вершине. Три из шести интерферометров (по одному в каждой вершине) будут чувствительны к гравитационным волнам частотой от 2 до 40 Гц, другие три станут регистрировать высокочастотные волны.

Из-за высокой плотности населения в Европе трудно найти удачное место для такого большого детектора, поэтому его планируется расположить в подземных пещерах и туннелях. Дополнительным преимуществом является пониженная восприимчивость подземного детектора к низкочастотному сейсмическому шуму. Благодаря более длинным плечам, снижению уровня шума и криогенному охлаждению зеркал ЕТ должен быть в десятки раз чувствительнее Advanced Virgo. Он сможет регистрировать слияния нейтронных звезд с ЧД во всей наблюдаемой Вселенной, на расстояниях более 13 млрд св. лет.

В 2010 и 2011 гг. была проведена предварительная разработка этого масштабного проекта при финансовой поддержке 7-й рамочной программы Европейской комиссии. ЕТ уже объявлен одним из «великолепной семерки» европейских проектов, рекомендованных сетью ASPERA для будущего развития астрофизики элементарных частиц в Европе. Он может стартовать в начале 2030-х гг., примерно в одно время с выводом в космос LISA.

Не только Европа задумывается об инструменте следующего поколения. В 2013 г. в ходе семинара по усовершенствованным детекторам гравитационных волн на итальянском острове Эльба маленькая группа американских ученых предложила план создания еще более крупного наземного инструмента – Длинной сверхмалошумной гравитационно-волновой обсерватории (Long Ultra-Low-Noise Gravitational-Wave Observatory, LUNGO). По словам Мэтта Эванса из MIT, замысел был выдвинут полушутя во время затянувшегося допоздна общения, участники которого наскоро подготовили презентацию в PowerPoint для заседаний следующего дня.

С тех пор предложение получило некоторое развитие. Теперь у него есть название – Cosmic Explorer. Подошло бы и Super-LIGO, поскольку предполагается L-образная схема предшественника, только с длиной плеч 40 км. С учетом глубокого охлаждения зеркал Cosmic Explorer будет еще более чувствительным, чем телескоп Эйнштейна. Благодаря тому что в США очень много свободной земли, незачем забираться под землю. Эванс считает прекрасным местом для будущего интерферометра соляные равнины к востоку от Карсон-Сити в Неваде (знаменитые автомобильными и мотоциклетными гонками), но есть немало других вариантов – в западных штатах много земли в собственности федерального правительства. «Во время другого ночного обсуждения в 2016 г. на семинаре по усовершенствованным детекторам мы даже рассмотрели возможность строительства Cosmic Explorer в море, – рассказывает Эванс. – Может быть, это не полное безумие».

Virgo и LIGO, увеличенные в три или даже в десять раз, – это и соответствующее увеличение стоимости проекта. Ориентировочная оценка совокупных затрат на Телескоп Эйнштейна и Cosmic Explorer составляет около $1 млрд, что сопоставимо с «ценником» других крупных научных инструментов, например действующей Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA), строящейся радиообсерватории SKA и будущего Европейского очень большого телескопа (European Extremely Large Telescope, E-ELT). Для достижения таких монументальных целей нужно масштабное международное сотрудничество – в идеале всемирная сеть инструментов третьего поколения, включающая большой детектор треугольной компоновки в Европе, огромный L-образный интерферометр в США и еще один крупный L-образный инструмент в Южном полушарии, например, в Западной Австралии. Австралийский международный центр исследования гравитации в Перте остается очень активным членом научной коллаборации LIGO, несмотря на отказ от создания меньшего австралийского LIGO в начале нынешнего столетия.

Место европейского телескопа Эйнштейна вряд ли будет выбрано в ближайшие два года, но некоторые участники проекта высказывают свои предпочтения. Физик Йо ван ден Бранд из Нидерландского национального института субатомной физики в Амстердаме родился на крайнем юго-востоке страны недалеко от пограничного стыка Нидерландов, Бельгии и Германии. Эту область, прославившуюся угледобычей в XX в., Ван ден Бранд считает идеальной для ЕТ. Сейсмические тесты уже доказали высокую стабильность скального основания, а вышележащий слой лессового грунта, состоящий из выветрелых пылеватых пород, является прекрасным гасителем поверхностных колебаний.

Рассматриваются также участки в Венгрии, Испании и на итальянском острове Сардиния, но Институт Альберта Эйнштейна в Ганновере высказывается за пограничный регион между Голландией и Германией. Мне как голландцу трудно не радоваться возможности, пусть самой отдаленной, размещения телескопа Эйнштейна на моей родине. Скоро мы все узнаем.

Человек вечно стремится понять Вселенную. В этом прелесть науки: каждый ответ ставит новые вопросы, и поиск все более полного и глубокого знания бесконечен. Охота на гравитационные волны – хрестоматийный пример научного исследования, длящегося полных 100 лет – от теоретических предсказаний до первой прямой регистрации. Это тернистый путь, пройденный уверенными в своих силах новаторами и настойчивыми учеными, – путь, где было все: мечты и кошмары, неудачи и достижения, технологические сложности, неукротимая решимость и страсть.

Альберт Эйнштейн сказал: «Загляните глубоко в природу, и вы все будете понимать лучше». Такой же результат дает нам гравитационно-волновая астрономия. Мы оседлали волны пространственно-временного континуума, но путь еще не пройден – все только начинается.