Коллаборация LIGO, в которую входят более 1000 человек (из 16 стран, в том числе из России), впервые наблюдала колебания пространства-времени — гравитационные волны, дошедшие до Земли от катастрофы, произошедшей далеко во Вселенной. Это открытие, сделанное 14 сентября 2015 года, подтверждает важное предсказание Общей теории относительности Альберта Эйнштейна 1916 года и открывает беспрецедентно новое видение космоса.
"Научное значение этого открытия огромно. Как и в случае электромагнитных волн, мы осознаём его в полной мере через некоторое время, — говорит профессор физического факультета МГУ Валерий Митрофанов, руководитель московской группы коллаборации LIGO. — Проект LIGO начался в 1992 году, в сложное для нашей страны время, но Россия подключилась к проекту благодаря Владимиру Борисовичу Брагинскому, одному из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире.
Я бы хотел отметить его заслугу в том, что он создал школу на физическом факультете МГУ, воспитанники которой смогли активно участвовать в проекте LIGO, получить результаты, важные для проекта, и вместе с огромным коллективом исследователей подойти к сегодняшнему открытию. Мы надеемся, что это вдохновит студентов, которые учатся на физическом факультете МГУ, потому что в физике сейчас просматривается много интересных и нерешённых проблем".
"Впервые в мире зарегистрированы летящие волны кривизны-пространства, это открытие новой эры гравитационно-волновой астрономии", — комментирует происходящее профессор физического факультета МГУ Сергей Вятчанин.
"Это выдающееся достижение, которое открывает новое направление — гравитационно-волновую астрономию — потребовало реализации крупного проекта широкой международной коллаборацией учёных, — говорит Игорь Биленко, профессор кафедры физики колебаний МГУ. — Очень важно и примечательно, что фундаментальные открытия, сделанные замечательным российским учёным Владимиром Борисовичем Брагинским и его коллегами — квантовые пределы, способы квантовых измерений и квантовые флуктуации — оказались нужны и востребованы в этом проекте".
"Ряд наших исследований оказал влияние на выбор тех или иных решений в LIGO. Московская группа сделала многое для борьбы с шумами и для поиска различных эффектов, которые в обычной жизни почти не встречаются. Их очень сложно зафиксировать, но они оказывают влияние на очень чувствительные детекторы LIGO", — говорит ассистент Леонид Прохоров.
Гравитационные волны несут информацию о природе породившей их гравитации и не могут объясняться иным явлением. Физики пришли к выводу, что обнаруженные гравитационные волны были порождены двумя чёрными дырами с массами порядка 30 солнечных в последние доли секунды их слияния с образованием одной, более массивной вращающейся чёрной дыры. Возможность столкновения двух чёрных дыр предсказывалась, но такое событие никогда ранее не наблюдалось.
Гравитационные волны были зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 5:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах-близнецах Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), расположенных в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон, США.
Обсерватория LIGO финансируется Национальным научным фондом (NSF) США и была задумана, построена и эксплуатируется Калифорнийским и Массачусетским технологическими институтами (Caltech и MIT). Открытие, сообщение о котором принято к публикации в журнале Physical Review Letters, было сделано на основе показаний двух детекторов совместной научной коллаборацией LIGO (которая включает в себя также коллаборацию GEO и Австралийский консорциум интерферометрической гравитационной астрономии) и коллаборацией VIRGO.
На основании наблюдавшихся сигналов учёные LIGO оценили, что чёрные дыры, участвовавшие в этом событии, имели массы в 29 и 36 раз больше массы Солнца, а само событие произошло 1,3 миллиарда лет назад. За доли секунды примерно три солнечных массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной.
Анализируя моменты прихода сигналов — детектор в Ливигстоне записал событие на 7 миллисекунд ранее детектора в Хэнфорде — физики могут сказать, что источник был расположен в южном полушарии.
Согласно общей теории относительности, пара чёрных дыр, вращающихся вокруг друг друга, теряют энергию на излучение гравитационных волн, что заставляет их постепенно сближаться на протяжении миллиардов лет, и гораздо быстрее – на последних минутах.
Во время последней доли секунды две чёрные дыры сталкиваются со скоростью почти в половину световой с образованием одной, более массивной чёрной дыры. При этом часть массы слившихся чёрных дыр превращается в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc^2. Эта энергия излучается в виде сильного всплеска гравитационных волн, которые и наблюдались LIGO.
Гравитационные волны на Земле вызывают чрезвычайно малое изменение размеров (своего рода сжатие земного шара). Но детекторы LIGO обнаружили относительные колебания пар пробных масс, разнесённых на четыре километра, величиною в 10^-19 метров (это во столько же раз меньше размера атома, во сколько атом меньше яблока).
Добавим, что исследования в LIGO осуществляются в рамках научной коллаборации LIGO Scientific Collaboration, коллективом из более 1000 учёных из университетов в Соединенных Штатах и 15 других странах, включая Россию. В разработке детекторов и анализе данных участвуют более 90 университетов и научно-исследовательских институтов, существенный вклад также вносит участие около 250 студентов.
Сеть детекторов LSC включает интерферометры LIGO и детектор GEO600. Команда GEO включает учёных из Института гравитационной физики общества Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна, AEI) и Университета Лейбница в Ганновере в партнёрстве с университетами Великобритании: Глазго, Кардиффа, Бирмингема и другими, а также университета Балеарских островов в Испании.
Создание LIGO для обнаружения гравитационных волн было предложено в 1980 году профессором физики MIT Райнером Вайссом, профессором теоретической физики Калтеха Кипом Торном и профессором физики того же института Рональдом Дривером. Ныне все они являются заслуженными профессорами этих институтов.
Коллаборация VIRGO состоит из более чем 250 физиков и инженеров, принадлежащих к 19 различным европейским исследовательским группам: шесть из Национального центра научных исследований Франции (CNRS); восемь из Национального института ядерной физики Италии (INFN); две из Нидерландов (Nikhef); одна из Венгрии (Wigner RCP); группой POLGRAW из Польши и Европейской гравитационной обсерваторией (EGO), которая обеспечивает работу детектора VIRGO недалеко от Пизы в Италии.
Открытие стало возможным благодаря новым возможностям обсерватории второго поколения (Advanced LIGO), существенно модифицированной по сравнению с первой, что позволило значительно увеличить объём изучаемой части Вселенной и открыть гравитационные волны уже во время первого цикла наблюдений. Национальный научный фонд США лидирует в финансовой поддержке Advanced LIGO. Финансирующие организации в Германии (Общество Макса Планка), в Великобритании (Совет по обеспечению науки и технологии) и Австралии (Австралийский совет по исследованиям) также внесли значительный вклад в проект.
Некоторые из ключевых технологий, сделавших Advanced LIGO гораздо более чувствительной, были разработаны и испытаны в германо-британском проекте GEO. Значительные вычислительные ресурсы были предоставлены кластером AEI Atlas в Ганновере, лабораторией LIGO университета Сиракуз и университета Висконсина-Милуоки. Несколько университетов спроектировали, создали и испытали ключевые компоненты для Advanced LIGO: Австралийский национальный университет, Университет Аделаиды, Университет Флориды, Стэнфордский университет, Колумбийский университет в Нью-Йорке, Университет Луизианы.
Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова и группой Института Прикладной физики РАН (Нижний Новгород).
Московскую группу создал и вплоть до последнего времени возглавлял член-корреспондент РАН Владимир Борисович Брагинский — всемирно известный учёный, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире. В состав научной группы, включенной в число соавторов научного открытия, входят профессора кафедры физики колебаний: Валерий Митрофанов (нынешний руководитель коллектива), Игорь Биленко, Сергей Вятчанин, Михаил Городецкий, Фарид Халили, Сергей Стрыгин и Леонид Прохоров. Неоценимый вклад в исследования внесли студенты, аспиранты и технический персонал кафедры.
Группа Московского университета участвует в проекте с 1992 года. С самого начала основные усилия были направлены на повышение чувствительности гравитационно-волновых детекторов, определение фундаментальных квантовых и термодинамических ограничений чувствительности, на разработку новых методов измерений. Теоретические и экспериментальные исследования российских учёных нашли своё воплощение при создании детекторов нового поколения, позволивших непосредственно наблюдать гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр.
В процессе работы группы над проектом LIGO получены результаты, имеющие принципиальное значение не только для проекта поиска гравитационных волн, но и для физики в целом.
