Сегодня годовщина запуска крупнейшего эксперимента по поиску гравитационных волн

BzdyKag7y8w1

Проект LIGO стоимостью 350 миллионов долларов проработал восемь лет и ничего не нашел.

На фото: Один из двух L-образных интерферометров проекта LIGO. Изображение: NSF/LIGO

23 августа 2002 года в Луизиане и Вашингтоне впервые начали работу два интерферометра проекта LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — масштабного эксперимента, построенного с целью обнаружения гравитационных волн. В совокупности эксперимент в первом своем воплощении проводился восемь лет — с 2002 по 2010 год, однако никаких целевых результатов в ходе работы получено не было. Стоимость LIGO составила 350 миллионов долларов, что является рекордом для американского Научного фонда.

Существование гравитационных волн было постулировано в 1916 году в рамках общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. С 60-х годов XX века велись активные теоретические разработки этой проблемы, тогда же были предложены методики экспериментального детектирования гравитационных волн.

В 1974 году Рассел Хулс и Джозеф Тейлор получили косвенные доказательства существования гравитационных волн. Они исследовали пульсар PSR B1913+16 и обнаружили в его сигнале затухание пульсации, которое подтверждало выводы Эйнштейна в рамках ОТО, сделанные в предположении о существовании гравитационных волн. За эту работу авторы получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году.

Направлению экспериментального поиска гравитационных волн, из которого со временем и родился проект LIGO, положил начало Джозеф Вебер. Он разработал первые предназначенные для регистрации гравитационных волн детекторы. Детекторы были выполнены в виде алюминиевых цилиндров диаметром около одного метра и должны были работать за счет того, что при прохождении через них гравитационной волны возникающие ничтожные колебания должны были регистрироваться пьезодатчиками. Сам Вебер неоднократно заявлял об обнаружении с помощью своих антенн гравитационных волн, но все аналогичные эксперименты, проведенные другими учеными, заканчивались неудачей. Было также обнаружено несколько ошибок в программах, которыми Вебер пользовался для обработки результатов, поэтому все, что он выдавал за сигнал от гравитационных волн, скорее всего, было шумом.

Идея регистрировать гравитационные волны при помощи интерферометров была предложена также в 1960-х годах. Принцип метода заключается в следующем: если расположить источник сигнала (лазер) на достаточно большом расстоянии от зеркала, которое бы отражало световой луч строго в обратном направлении, то, регулируя расстояние между источником и отражателем, можно добиться определенного соотношения фаз световой волны на источнике и на приемнике. Тогда, если расстояние до зеркала по какой-то причине изменится (самая ожидаемая причина это, разумеется, прохождение гравитационной волны), то произойдет сдвиг фазы луча, что и будет зафиксировано интерферометром.

dfk3eFrxF2E1

Туннель оптического пути одного из рукавов северного детектора LIGO. Изображение: NSF/LIGO

Оба интерферометра, построенных для проекта LIGO, имеют форму латинской буквы L. Источник излучения находится в углу, а сигнал его делится при помощи оптической системы на два, каждый из которых направлен вдоль соответствующих плеч. При прохождении через систему гравитационной волны, в зависимости от ее направления, луч какого-то из плеч будет периодически менять свою фазу. Создав достаточно большой оптический путь (а в LIGO он для каждого плеча составляет четыре километра), можно добиться таких величин относительного изменения длины пути, какие требуются для детектирования гравитационных волн: порядка 10-21. Такой чувствительности интерферометрам LIGO удалось достичь в 2005 году. Два интерферометра, удаленные друг от друга на три тысячи километров, нужны для того, чтобы определить направление распространения волны.

С 23 августа 2002 года — за восемь лет работы — оба интерферометра достоверно не засекли ни одной гравитационной волны. В феврале 2007 года была обнаружена сильная вспышка гамма-радиации, пришедшая из галактики Андромеды, а такие вспышки чаще всего являются результатами столкновений нейтронной звезды с другой нейтронной звездой или с черной дырой. Столкновение должно было сопровождаться излучением мощных гравитационных волн, однако их зарегистрировать не удалось.

В настоящее время на последней стадии (готовность на 80 процентов) находится преемник LIGO — проект Enhanced LIGO, который обладает рядом усовершенствований: в нем используется более мощный лазер, а его сигнал очищается тщательней. Ученые надеются, что в рамках нового проекта им, наконец, удастся обнаружить гравитационные волны экспериментально. Хотя в существовании этих волн — особенно после недавних результатов эксперимента BICEP — никто, собственно, не сомневается, их прямое обнаружение была бы существенным прорывом.