Что такое гравитационные волны?

Сегодня – День астрономии, и мы хотим рассказать о громком открытии этого года – гравитационных волнах. Вернее, рассказывать будет ученый-физик, академик РАН, научный руководитель НТЦ УП РАН Владислав Иванович Пустовойт. На семинаре института общей физики им. Прохорова РАН он выступил с докладом «К вопросу об обнаружении гравитационных волн». Что такое гравитационные волны, почему так важно их зафиксировать и приблизились ли мы к раскрытию тайны создания Вселенной? Материал подготовлен при поддержке председателя Миссионерской комиссии при Епархиальном совете г. Москвы иеромонаха Димитрия (Першина).


Прежде всего, я хотел бы поблагодарить за возможность рассказать о том, что делается в этой области. Хотя я в последние годы этим мало занимаюсь, но в прошлом, когда еще существовал Физический институт Академии наук (ФИАН), мой руководитель Виталий Иванович Гинзбург поставил мне аспирантскую задачу заниматься всем, что касается излучений и приема гравитационных волн, и я активно работал над этим.

Главное событие в этой сфере из тех, которые произошли недавно, состоит в том, что экспериментально удалось непосредственно обнаружить излучение гравитационных волн от слияния двух черных дыр. Путь к тому, чтобы это обнаружить экспериментально, очень долгий и сложный, я об этом вкратце постараюсь рассказать и как-то оттенить роль, которую мы сыграли. Хотя у той статьи, которая появилась в Physical Review Letters, около тысячи авторов. Можете себе представить, какая была коллаборация, чтобы включить такое количество авторов в результаты этих работ.

Лазерные интерферометры для обнаружения гравитационных волн

Во-первых, нужно сказать о том, что сделано в этой области у нас в России и в бывшем СССР, о людях, которые внесли значительный вклад в понимание, что такое гравволны.

image001

Конечно, это Лев Давидович Ландау и в особенности Евгений Михайлович Лившиц, это Владимир Александрович Фок, Яков Борисович Зельдович и Игорь Дмитриевич Новиков, которые рассматривали различные астрофизические объекты.

Это школа Виталия Ивановича Гинзбурга, которая до сих пор продолжает работать в этой области. Много сделали в этом направлении Владимир Борисович Брагинский в Московском университете и его школа. А также Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга (ГАИШ), в котором профессора Валентин Николаевич Руденко и Анатолий Михайлович Черепащук создали некую резонаторную систему по приему гравитационных волн. В МГТУ имени Баумана небольшая группа, в составе которой профессор Андрей Николаевич Морозов, сейчас работает над созданием некоего прототипа будущих лазерных гравитационных антенн.

Не могу не отметить ФИАНовскую школу – это Анатолий Ильич Никишов и Владимир Иванович Ритус, член-корреспондент, которые продолжают работать и сегодня и публикуют замечательные интересные статьи в этой области.

Конечно, и многие ученые из мирового сообщества внесли вклад в это понимание.

image003

Прежде всего, это Джозеф Вебер, который начиная с конца 50-х – начала 60-х годов поставил ряд опытов по обнаружению гравитационных волн. Суть тех опытов была такова: просто брали болванку достаточно большого размера, 2,5 тонны весом, алюминиевую, охлаждаемую до сколько возможно низкой температуры, и пытались принимать гравитационные волны. Было сообщение, что вроде бы уже приняли, но, как потом оказалось, это было ложное срабатывание. Главная роль Вебера состояла в том, что он привлек внимание мировой общественности и научных работников к тому, что проблема существует и надо над ней работать.

Свой вклад в понимание вопроса внес и американец Райнер Вейс. А Кип Торн был первым, кто продвигал проект по созданию лазерных интерферометров – это большие деньги, большие системы.

Большие группы ученых США, России, Италии, Франции, Великобритании, Японии принимали активное участие в создании огромных лазерных систем или, как теперь говорят, лазерных интерферометров, или обсерваторий, или телескопов (применяют разные названия), которые сегодня построены в США, Италии, Франции, Германии, Японии, строятся в Индии и так далее. По всему миру сегодня строится сеть, правда, работают на данный момент только две установки в Соединенных Штатах.

Что такое гравитационные волны?

Что такое гравитационная волна? Во-первых, начнем с того, что в 1916 году Альбертом Эйнштейном были сформулированы уравнения, которые многие знают.

image005

Главная идея этих уравнений состоит в том, что он пытался описать, как устроен мир. И пришел к выводу – я не буду подробно говорить, это другая тема – что нужно написать некие уравнения, где R – это тензор кривизны пространства и времени, четырехмерное пространство. Метрика пространства определяется материей или, точнее, тензорами энергии импульсов в правой части этих уравнений. Некая G – это константа, C – скорость света. Вот основные уравнения общей теории относительности.

Какие выводы отсюда следуют? Это сложные нелинейные уравнения. Их удалось решить для некоторых частных случаев. Эти частные случаи были проверены сразу же на эксперименте. Прежде всего, это загибание луча в поле тяжести, в поле Солнца, смещение перигелия Меркурия и красное смещение – то, что сегодня на лазерах можно делать даже в поле Земли, это хорошо можно сделать, имея источники высокой стабильной частоты. Эти первые три опыта, которые были поставлены много лет тому назад, сразу доказали, что эти уравнения работают и что они действительно описывают, как устроен мир.

А дальше оказалось, что если к этим уравнениям применить метрический тензор, который имеет плоское пространство – это метрика Минковского или Галилеева метрика, то к ней имеется маленькая добавка, и она удовлетворяет волновому уравнению. Вот это волновое уравнение было названо гравитационными волнами. Подобно тому, как есть электромагнитные волны, должны существовать и гравитационные волны, удовлетворять тому же уравнению. Оказалось, что амплитуда эта, hik – это тензорная величина, амплитуда гравитационных волн, удовлетворяющая этому уравнению, и четыре компонента ответственны за гравитационные волны. Это соответствует двум взаимно ортогональным поляризациям гравитационных волн.

Итак, если есть какая-то совокупность тел, которые имеют квадрупольный момент, меняющийся во времени, тогда такая система должна излучать гравитационные волны. Это очень маленькая величина, энергия очень небольшая. Например, Юпитер излучает в секунду всего лишь 400 ватт – вот такая потеря энергии за счет вращения вокруг Солнца, то есть это небольшая величина. Но существуют объекты, на которые впервые обратил внимание Владимир Александрович Фок, если читали его книжку, там это есть. Это всякие космологические катастрофы, то есть слияния черных дыр, вращение одной нейтронной звезды вокруг другой или вообще черные дыры и нейтронные звезды – такие космологические объекты, где большие массы и большие скорости могут приводить к значительному излучению гравитационных волн.

По существу, то, что было сделано в сентябре прошлого года и опубликовано недавно, это как раз наблюдение за таким космологическим событием – резким слиянием двух черных дыр и излучением гравволн. Вот такая идеология этой гравитационной волны.

Как излучаются гравитационные волны?

image007

Откройте теорию поля Ландау и Лившица, там всё это подробно написано. Написано, что потери энергии двойной звездой или системой, которая имеет квадрупольный момент, на излучение гравитационных волн, есть третья производная по времени от этого тензора, который есть не что иное, как квадрупольный момент системы. Если квадрупольный момент системы меняется во времени, это может быть вращение двух масс, трех масс, вообще какие-то колебания, то квадрупольный момент зависит от времени, и тогда происходит излучение гравитационных волн.

G – это гравитационная постоянная, это та самая константа 6,667 х 10-8 – такая маленькая величина. Заметьте, что здесь c4, скорость света в 4-й степени, какая маленькая величина.

– Там написано в 5-й.

– Нет, это в тензоре, а в излучении, конечно, в 5-й. Я имею в виду, в компоненте тензора.

Что сделали некие астрономы в Соединенных Штатах? Они наблюдали за пульсаром, – интересный объект, – где две звезды вращались одна вокруг другой. И они в течение 15 лет наблюдали за этой звездой и смотрели, как меняется период вращения, в зависимости от времени в течение 15 лет. Тяжелая работа – нужно было смотреть и измерять период вращения такой двойной звезды. Это Рассел Халс и Джозеф Тейлор – они получили в 1993 году Нобелевскую премию за косвенное обнаружение гравитационных волн, потому что они сопоставили эту формулу, которая здесь написана, для потери энергии, с периодом вращения, и увидели, что с точностью до 1% совпадает. Это было, конечно, то, что нужно, то, что касается излучения гравволн.

Поляризация гравитационных волн

image009

Теперь несколько слов о поляризации. Если взять одну компоненту, такой кружочек, массы вот так расположить и посмотреть, как они будут меняться под действием гравитационной волны, если у нас с такой поляризацией некая комбинация компонентов, то это будет вот так меняться, этот кружочек. А если другая компонента, будет меняться вот так. Это две взаимно ортогональные поляризации гравитационных волн, которые могут быть.

Теперь, какие же источники могли бы быть, и какова их роль?

  1. Во-первых, коллапс двойных черных дыр – это наиболее сильный источник, который позволяет их обнаружить на Земле, пусть на очень большом расстоянии.
  2. Слияние черных звезд или черной дыры и нейтронной звезды.

Это наиболее яркие и сильные источники. Есть и другие. Кстати, обращаю внимание на недавний обзор, который сделали Владимир Иванович Ритус и Анатолий Ильич Никишов. Там, где различные комбинации излучения гравитационных волн – одна частица пролетает с большой скоростью мимо массы, и как она теряет энергию. Очень хороший и полезный обзор по этому поводу.

Чем принимать это излучение? Первый резонансный приемник Джон Вебер начал использовать в 1959-м и продолжал опыты примерно до 1963-1964 годов. Это вызвало такой интерес, что многие лаборатории мира пошли по такому пути и стали строить большое количество приемников. Сегодня этих резонансных больших систем, охлаждающих до сверхнизкой температуры, очень много по всему миру разбросано, и они пытаются обнаружить гравволны. Но здесь есть некие проблемы, о которых чуть ниже.

На этом фоне в 1962 году, когда я еще был аспирантом у Виталия Ивановича Гинзбурга, была высказана идея использовать интерференционные системы. Интерферометр Майкельсона, возможно, и другие интерферометры, которые позволяли бы измерить малое перемещение – вот эти кружочки очень мало меняются под действием гравитационной волны, и надо посмотреть вот эти маленькие изменения под действием гравволн, для того чтобы обнаружить их.

  1. Резонансные детекторы гравитационных волн

Теперь небольшое ревю, какие же были источники, какие были приемники в то время, когда начиналась эта приемная деятельность.

image011

Перед вами фотография – первый резонансный приемник. Видите, огромная болванка – это алюминий, отожженный, чтобы там не было микротрещин, которые постепенно со временем выходят на поверхность и производят некий акустический сигнал, который нужно было мерить. Вот то, что было сделано в 1959-60 годах.

image013

Их чувствительность по амплитуде примерно 10-17 см/√Hz – в этой полосе можно наблюдать такие смещения. У нас в МГУ в группе Брагинского тоже были такие детекторы построены и тоже наблюдали. Мы с Леонидом Вениаминовичем Келдышем были оппонентами одного из учеников лет десять тому назад, наверное, если не больше, Владимир Иванович Панов тогда работал по этому наблюдению. Тоже сделали такого типа, по идеологии Вебера, детектор и обнаружили 4 х 10-17 см изменение амплитуды с помощью емкостных систем датчиков и так далее. Но это был тогда успех.

Сейчас таких болванок, резонансных детекторов, очень много, но чувствительность их, конечно, стала лучше. Приемники и перемещение уже меняются по-разному – в одних случаях исполнено с помощью сквидов, магнитное поле меняется, и поэтому сквид позволяет измерить малое перемещение. Вся современная лазерная техника, которую делают сегодня в ГАИШ и так далее, привела к тому, что создали такие системы.

Еще несколько примеров таких систем, которые строятся сегодня. Во многих лабораториях мира они продолжают создаваться.

image015

Это то, что есть у нас, в России:

image017

В чем недостаток этих систем? В том, что они все резонансные. Естественно, что болванка резонирует на определенной частоте, связанной с ее геометрией, поэтому эти системы узкополосные. Хотя сегодня, например в ГАИШ, пытаются расширить резонанс, не 1 Гц, а 10 Гц сделать, используя не одну массу, а две массы, резонанс двух масс. Японцы так делают, там некие сложные системы конфигурации этих масс резонанса, которые позволяют расширить резонанс. Никто же не знает, на какой частоте нужно искать эти гравитационные волны, поэтому нужно расширить резонансы, и для этого изобретают всякие устройства.

Современный детектор, который собран был в ГАИШ, сейчас перевезен в «Аксан», об этом, наверное, будет говорить Руденко на собрании физиков. Смысл такой. Тоже имеется большая болванка, алюминий отожженный и так далее. А затем некий интерферометр – оптическая система, которая измеряет перемещение этой границы. Это современный метод, лазерный интерферометр, который позволяет это, но, тем не менее, мы так и не ушли от резонансной системы.

Это CERN, сегодняшняя система.

image019

Посмотрите, какие это сложные системы, гелиевые температуры, даже не просто гелий, а милликельвин и так далее. Это все резонансные системы, они продолжают строиться. Их построили, выбрасывать нет смысла, их эксплуатируют, надеясь, что попадут в резонанс какие-нибудь события.

Вот еще, например, это в Нидерландах.

image021

Надо не просто резонанс подстроить, надо еще сделать так, чтобы эта антенна была всенаправленная. А то настроите резонанс в какую-нибудь точку, а там ничего нет, событий нет никаких. Поэтому нужно сделать такой, что направлено будет во все стороны. Придумали такую штуку – шар, который резонирует во все стороны.

  1. Лазерные интерферометры для непосредственного обнаружения гравитационных волн

Это то, что начиналось в 60-х годах, и на этом фоне появилась наша с Герценштейном работа, в которой впервые было предложен другой путь – путь лазерных интерферометров. Она называется «К вопросу об обнаружении гравитационных волны малых частот».

image023

В чем идея этой работы? Там просто написано: взять интерферометр типа «Майкельсон». Я хочу заметить, что эта работа была фактически написана в 1961 году и отправлена в марте 1962 года. Тогда слово лазер только-только на слуху было. Мейман в 1960-м изобрел лазер. Здесь очень скромно написаны простые уравнения. Когда мы создавали эту работу, мне лично помогло то, что я читал внимательно Ландау и Лившица. У них есть одна задачка, не помню, параграф 95 или 100, и в этой задачке сказано: написать уравнение Максвелла для среды, в которой есть гравитационное поле. Это уравнение там написано, и потом одна такая фраза, что отсюда видно: уравнение эквивалентно среде с некоей диэлектрической проницаемостью. Посмотрите, проверьте, так оно? Это теория поля.

Дальше один шаг. Если гравитационная волна – это изменение, значит, другой показатель преломления, тогда бери интерферометр, и всё. По существу, так это и было написано под теми идеями, которые там были.

image025

Здесь использовано уравнение канала для луча, очень простые уравнения, известные. Подставили вместо метрики метрику плюс эта маленькая добавка, которая здесь написана для разных поляризаций (n – это некий вектор единичный), и так далее. И получили, что под действием этой гравитационной волны длины должны меняться. Или по-другому можно сказать, показатель преломления меняется. Первое утверждение, которое было сделано в этой работе – оно здесь номер один, это то, что интерференцию надо использовать.

Второй момент. Здесь написано, что надо брать лазеры, там сигнал будет больше. Но, обратите внимание, «лазеры» взято в кавычки, почему? В 1960 году слово лазер еще никто не знал. На самом деле это слово было аббревиатурой английских слов light amplification by stimulated emission of radiation. Слово было взято в кавычки, потому что еще не устоялся термин. Но если принять, что лазер, как написано здесь – это усилитель монохроматического направленного светового излучения, если это монохроматический источник и достаточно мощный, то, конечно, там всё проще будет и измерение на таких системах было лучше.

И третье утверждение, которое оказалось важным, – что нужно брать не один такой интерферометр, а два или более, для того чтобы осуществлять корреляционную обработку.

Сегодня в статье, которая опубликована в Physical Review Letters, ссылаются на эту работу. Но одновременно говорят, что в 1971 году, спустя десять лет, независимо к этому пришли другие люди из Мэриленда.

Я вам скажу так, что это некое лукавство, и вот почему. Дело в том, что в нашей с Герценштейном работе была легкая критика работ Вебера. Мол, у него всё правильно, но резонансную структуру не поймаешь далеко от резонанса, поэтому амплитуда не может быть большой. Нужно брать широкополосные приемники, тогда есть надежда что-то поймать. Гинзбург в 1963 году, делая доклад в Польше, опубликовал работу, где сослался и процитировал нас. И Вебер в 1964 году пишет, ссылаясь на работы Гинзбурга, ответ на критику Герценштейна, Гинзбурга и Пустовойта. И ссылается на эту работу. Поэтому есть доказательства, что они знали о ней.

Еще одно замечание. В начале 90-х годов, когда все осознали, что действительно нужно идти по другому пути в части обнаружения, стали просить деньги у National Science Foundation в Соединенных Штатах. Одним из этих деятелей был Кип Торн, о котором я говорил. Он – астрофизик, понимающий ситуацию, стал писать бумаги в этот фонд. Причем сразу просил «небольшие деньги», 100 миллионов долларов. Что дальше? Мне это очень понравилось, для нашего фонда это был бы хороший пример. Что делают американцы?

Получив такую заявку, они дают поручение юристам, которые проштудировали всю литературу и посмотрели, кто что сделал по этому направлению. Среди всех на первом месте Эйнштейн – предложил волны. Джозеф Вебер, который сделал резонатор. А на третьем месте наша работа, они нашли ее и говорят, что это направление по интерферометру было. Это есть в интернете, можно проверить и посмотреть. Денег, правда, сразу не дали, дали потом, и так началась эта эпопея по строительству. Сначала построили 40 метров базу. А сейчас это 4 километра.

Последнее утверждение, которое оказалось важным, – что нужно строить не один, а два или более и корреляцию смотреть. Понятно, сигнал-то слабенький. Тут, конечно, Виталию Ивановичу благодарность, я был аспирантом у него тогда.

Вот выводы этой работы.

image027

  1. Использование оптической интерферометрии как метода для обнаружения низкочастотных гравитационных волн. Преимущества – широкополосность, высокая чувствительность при достаточной базе.
  2. Использование интенсивных когерентных источников излучения – «лазеров», что сегодня делается реально.
  3. Корреляционная обработка, без этого нельзя. Тем более когда мы хотим определить направления, по которым всё развивается, нужно два или более.

Теперь, что было сделано? Это интерферометр, самая простая вещь.

image029

Кстати, в нашей статье написано «типа Майкельсона». И все строят почему-то именно такой до сих пор. Я удивлен, потому что на самом деле анализ показывает, что не только Майкельсон может быть, а может быть Маха-Цендера, могут быть другие интерферометры, другие оптические схемы, и в каких-то ситуациях они лучше, в каких-то хуже, но почему-то все строят только интерферометры Майкельсона.

Это простая схема интерферометра Майкельсона. В этот интерферометр внес существенное дополнение, как мне кажется, Рейн Вейс из Мэриленда. Что он предложил? Создавая интерферометр, все делают так, чтобы расстояние между этим плечом было как можно больше: 4 километра, в Европе – 3, в других странах поменьше, но этого тоже мало, хотелось бы больше. Предлагается поставить здесь еще одно полузеркало, полупрозрачное, тогда здесь будет резонатор Фабри-Перо, это как бы удлиняет путь.

Действительно, луч должен пройти сюда, вернуться и тут ходить примерно 100 раз, и в 100 раз удлиняется, уже не 3 км, а в 100 раз больше – 300 км. Это хорошо, набег фазы будет достаточно большой. По этому пути и пошло сегодня большинство. Объясню, чтобы было понятно, к чему это приводит. Лазер на выходе имеет монохроматического одномодового излучения 20 ватт на 1,06 микрон. А в 4-километровом резонаторе Фабри-Перо мощность порядка 100 киловатт, но это не предел. Следующий апгрейд, думаю, будет еще больше на порядок, например, 830 киловатт. По оценкам, так должно быть в будущем. Это серьезное улучшение такой техники.

Теперь картинка того интерферометра, который есть в Хэнфорде, штат Луизиана, США.

image031

Вот это 4-километровое дно, плечо. Вот 4-километровое второе плечо. Представляете себе, какое сооружение.

Второй такой же интерферометр – в штате Вашингтон на севере под Сиэтлом, расстояние между ними 3002 км, чтобы была база, откуда можно смотреть и зафиксировать. Это второй интерферометр, который был построен в Соединенных Штатах. Они начали строительство в 1992-м, и последний апгрейд, уже третьего поколения, был сделан в прошлом году.

Теперь более подробно сама оптическая схема.

image033

Резонатор Фабри-Перо – в вакуумной трубе. Потом некий клининг, то есть вырезание одной моды – это такой треугольник, где так интерференция устроена, что вырезается только одна мода, одномодовый лазер. Затем некий резонатор, где повышается мощность, еще повышается, по пути распространения стоят резонаторы Фабри-Перо, поскольку частоты, которые надеются обнаружить, слишком низкие, и можно подождать, пока энергия дорастет до нужной частоты. Это в проекте. А здесь уже, в самих резонаторах порядка 830 киловатт – это то, что они пытаются достигнуть на сегодня. Пока еще не достигли, но это будет сделано.

Дальше идет настройка. Какие здесь проблемы? Первая – распространение этого луча в вакуумной трубе. Вакуумная труба 4 км. На 3 км там стоит 16 станций откачки, давление воздуха 10-6Па, потому что колебание воздуха при изменении температуры приводит к флуктуациям показателя преломления, и, естественно, будет дрожать вся картинка. Это проблема, которую решили.

Теперь следующая проблема – подвеска этих зеркал. Кстати, в нашей работе было сказано, что массы должны быть свободными. Понятно, иначе ничего не получишь. Их нужно подвесить на какой нити, чтобы они были свободны и могли перемещаться под действием гравволн. Но, если подвесить на нити, будет колебаться маятник, и любой подвес из-за всяких событий, которые происходят на Земле, будет колебаться.

Что было сделано? Я был в Италии, смотрел внимательно. Десять маятников: один на каком-то подвесе, под ним второй – и так десять ступеней. И последнее зеркало висит так, чтобы эти вибрации туда не доходили. Всё равно что-то доходит, но очень мало. Вес этого зеркала планируют довести до 40 кг, диаметр 31 см, в одних системах оно сапфировое, на самом деле плавленый кварц.

Брагинский и его группа провели эксперимент: подвешивали на стальных нитях. А стальные нити имеют тангенс дельта или коэффициент затухания этого металла хуже, чем у плавленого кварца. Он предложил использовать плавленый кварц. И теперь зеркала подвешиваются на нити из плавленого кварца.

Кстати, интересно вот что. Приходится иногда общаться с этими людьми, которые строили, делали, чего-то достигли. Я всегда задавал один и тот же вопрос, особенно в Army Research Laboratory, такая лаборатория под Вашингтоном. Там очень много специалистов, работающих в этой области. Все спрашивают: «Деньги откуда?» Они говорят: «Ну как, нам государство дает». – «А еще?» – «И военные дают». Я говорю: «Они же понимают, что ничего оттуда не получат. Зачем они деньги вкладывают?» Они вкладывают, потому что это настолько амбициозный проект, что ученые выкладываются, хотят достигнуть результата. А коль скоро они выкладываются, они сделают новые технологии. Кстати, зеркала, в которых после запятой пять, а иногда шесть девяток коэффициент отражения, это заслуга не американцев, а французов. Как это достигается? 44 слоя нужной толщины и так далее, которые имеют такой коэффициент отражения.

Теперь еще одна проблема. Посмотрите, здесь не 800, а 100 киловатт, и на 44 слоя это сколько? На 1 микрон – это 44 микрона. При очень слабом коэффициенте поглощения в этих пленках всё-таки энергия будет очень большая выделяться, значит, зеркало будет сильно нагреваться, значит, надо отводить тепло. И это проблема – как обдувать эти зеркала, не мешая их свободным перемещениям, это целая наука. И это они делают, это быстро подхватывается промышленностью и внедряется – зеркала, подвесы и так далее. Нашим бы объяснить, что надо так тоже делать, чтобы вкладывать деньги в такую фундаментальную науку, которая приводит к прорыву в технологической базе. Это то, что касается сегодняшнего устройства этого интерферометра.

Вот некоторые элементы этих интерферометров.

VIRGO – это под Пизой в Италии. Это интерферометр, центральный зал. Здесь 3-километровый. Это Соединенные Штаты, а это Германия.

image035

Сейчас построено много таких интерферометров. Работа идет круглые сутки. Когда я был в Италии, меня повели в эту трубу, я был просто поражен. Представьте, диаметр этой трубы 1,2 метра, сделана она из нержавейки толщиной 4 мм. Длина ее 3 км. Но что меня потрясло – температура-то меняется, труба может деформироваться – рельс свари на 3 км, он же погнется. Так вот здесь эти места – это гофры, которые демпфируют коэффициент расширения.

Теперь откачка. 10-6 Па. 16 станций, которые откачивают оттуда. А как быть с параметрами воды? У них очень большая проблема – убрать пары воды, потому что они имеют преломления флуктуирующие, которые мешают прохождению, другое n флуктуирующее – конечно, плохо. Поэтому они нагрели всё это до 4000, испарили воду, потом охладили и так несколько циклов, потом осушили воздух, потом откачали. Это всё мелочи, но эти мелочи, в общем-то, чего-то стоят.

Два или три года тому назад приезжала группа сюда, в Бауманке проводили конференцию по теории относительности. Приезжала группа из этого LIGO, и они очень просили нас, чтобы мы что-то подобное построили у себя в России, чтобы можно было сопоставить, и они готовы были предоставить некую технологию по строительству. Я пришел к Фурсенко, он говорит: «Нет, мы деньги даем в Академию наук, вы там и разбирайтесь». Но это уже политика, не хочу в это вникать.

Вот то, что делается сегодня. Кстати, американцы сделали следующее. Поскольку строится последнее, третье поколение LIGO, то предыдущие поколения они отдают Индии. Индия сказала, что готова вложиться и будет строить. То есть вы забирайте всё, что у нас осталось от второго поколения, бесплатно и стройте у себя. То же самое нам предлагали итальянцы, но не получилось. Здесь идет некая международная кооперация.

Сегодня строит очень интересный проект Япония.

image037

Чем он интересен? Там охлаждаемые зеркала до гелиевых температур, кругом вакуум, но малое расстояние между зеркалами, всего лишь 300 метров, при этом они собираются под землей строить на 5 км потоки. Понимаете, это 5-километровый резонатор будет под землей.

Это схема VIRGO, которая есть сегодня в Италии, они тоже сейчас делают апгрейд, то есть настраивают на большую чувствительность.

image039

Она почти ничем не отличается от того, что сделано в Америке, такая же точно схема, хотя небольшое отличие есть. Но горды они тем, что, во-первых, сделали очень хороший подвес зеркал. И американцы тоже пошли по этому пути, мне рассказывали специалисты. Во-вторых, технология этих покрытий у них разработана даже лучше, чем в Соединенных Штатах. Такая кооперация идет, это важно.

Теперь японцы. Вот их оптическая схема, это тоже интерферометр Майкельсона.

image041

Тут важно, что система полностью вакуумированная. Там только трубы, а тут полностью вакуумированная 300-метровая система. И лазер, конечно, не один, с YAG. А дальше всё похожее.

Еще японцы, в силу своей специфики, навешали большое количество датчиков, которые следят за всеми возможными изменениями этой системы. Кругом датчики у них.

Итак, что мы сегодня имеем в мире? В Соединенных Штатах две системы LIGO – один под Сиэтлом, штат Вашингтон, затем Луизиана, на юге, это 3 тысячи километров.

GEO – это в Германии недалеко от Мюнхена.

VIRGO – это Италия в районе Пизы.

TAMA – это в Японии. Будет еще в Индии.

В Австралии американцы предлагали и хотели, чтобы там был пункт приема, но правительство Австралии, к сожалению, отказалось, потому что дорого. Индусы согласились, сейчас идет там строительство.

image043

Первое прямое наблюдение излучения гравитационных волн

Попытаюсь провести некий анализ того, что было сделано в сентябре и опубликовано в последнем Physical Review Letters, в статье «Наблюдение гравитационных волн от слияния двойной черной дыры», 12 февраля вышел этот журнал.

image045

Какой сигнал был зафиксирован? Это сигнал, который пишется всё время, он записан здесь. Длительность сигнала меньше, чем 0,2 секунды. Вот такой сигнал, он обрабатывался – начинается он с 35 Hz и заканчивается 250 Hz. То есть две черные дыры примерно одинаковой массы – это потом было понято.

Записали такой сигнал, причем на двух интерферометрах – один в Луизиане, а другой на севере под Вашингтоном. Записали со сдвижкой на 6 с хвостиком миллисекунд, как раз запаздывание, можно было определить направление, какую-то плоскость, откуда пришел сигнал. Здесь красным – это сигнал с одного интерферометра, а синим – с другого. Видите, они сильно коррелированы. Причем если посмотреть корреляцию, то она очень высокая. Вот это и есть сигнал – начинается 35 Hz частота вращения и заканчивается 250 Hz, а затем уже коллапс. Здесь художник нарисовал картинки – это две дыры на некоем расстоянии, затем они сливаются где-то в этом месте, а далее всё, одна черная дыра, как предполагается. Это было наблюдение. И все выводы были сделаны на основании этой картинки, которая здесь приведена.

Теперь, что же было написано в этой статье? Написано, что если очистить сигнал в Хэнфорде, на севере, и в Ливингстоне, на юге в Луизиане, от шума, то получается такой сигнал.

image047

Частота меняется со временем, но и дальше можно профильтровать его по частоте и посмотреть спектр этого сигнала. Что же было установлено в результате? Частота сигнала 25-250 Hz. Массы были вычислены на основе модели. У них есть некие математические модели, то есть база данных, в которых есть разные модели сценариев: слияние двух черных дыр, вращение одной нейтронной звезды относительно другой и так далее. На основе этих моделей машина автоматически выбирает какой-то вариант и находит то, что наиболее соответствует этому сигналу. Сигнал длится менее чем 0,2 секунды. Причем, когда посмотрели от возможных источников, что он должен доходить до Земли, – расстояние 1,3 миллиарда световых лет. Представляете, как далеко – это другая галактика.

Интервал там меньше, чем здесь.

– Чего?

– Любого события. Между двумя событиями временной интервал там меньше. Спрашивается, как могли такие огромные за одну тысячную миллисекунды провзаимодействовать? Ведь сначала они имеют какую-то дальнейшую плотность не выше, чем плотность ядерной материи.

– Это имеется в виду, что черные дыры?

– Да.

– Да, конечно. Плотность большая, но не столь велика.

– Там намного меньше миллисекунды, а это размер очень маленький.

– Анри, я тебе не могу ответить на этот вопрос. Я могу задать еще больше вопросов, потому что я не автор этого. Могу сказать лишь следующее. Когда я прочитал эту работу, я взял карандаш и стал считать, оценивать, об этом я сейчас расскажу. Ты прав, действительно, что касается гравитационного сигнала, то он тоже, как и электромагнитный, должен растягиваться и сжиматься, в зависимости от гравитационного поля, но вопрос этот пока открытый. Я не могу ничего утверждать по этому поводу, не знаю, потому что и то, и другое возможно. Другие уравнения, другая физика.

И что оказалось?

image049

Что масса этих черных дыр – 36 масс солнц. Δ M – это дефект массы. В процессе слияния масса превратилась в энергию, причем это бешеная энергия, 1056 эрг/сек – такой поток был огромный. Это огромная энергия, которую Солнце излучает за миллион лет, примерно так, оценки такие. Но Солнце излучает в электромагнитных волнах, а это в гравитационных волнах.

Радиус Шварцшильда для суммарной черной дыры 210 км. Они оценили вращение в 250 км. Длительность сигнала менее 0,2 секунды. И хорошая корреляция между разнесенными этими массами. О диапазоне частот я уже говорил. Важно, что эта величина – отношение максимальной скорости сближения по отношению к скорости света, то есть вот эта огромная масса приближается со скоростью примерно 0,4-0,5 скорости света. Это, конечно, трудно себе представить, что такая масса может двигаться с такой огромной скоростью. Откуда это следует? Я сейчас об этом буду говорить.

В статье приводится известная схема.

image051

Это кривая чувствительности. Они как будто джекпот сорвали, потому что 0,2 секунды сигнал, а он находится именно в этой точке, где максимум чувствительности. Сигнал удачно попал, нужно было зафиксировать его в этой области, где максимальная чувствительность интерферометра.

image053

Вот прямая, это я поставил ее, 0,17 секунды. Это две черные дыры на некоем расстоянии, потом они сближаются, частота увеличивается, потом они сливаются, и одна черная, она релаксирует, вот такой сигнал. Здесь скорости этих черных дыр в зависимости от времени. За эти 0,2 секунды у них скорость меняется от примерно 0,3 v/c до примерно 0,56 v/c. Представляете, как?

Откуда это всё взялось? На самом-то деле была только одна величина – эта кривая, очищенная от шумов, вот она, и всё. Выводы, о которых я говорю сейчас и которые приводят в статье, взяты из наблюдения этой колебательной, вот этого сигнала chirp, который был получен одновременно на этих двух интерферометрах с неким запасом, соответствующим скорости распространения гравитационной волны в равной скорости света.

Какие оценки в этой статье приводятся? Они исходят из некой модели, по существу это ньютоновская модель, поскольку на больших расстояниях другого ничего нет, а то, что есть, плохо поддается анализу, это постньютоновское приближение, но об этом чуть ниже.

image055

Тогда есть некое соотношение между изменением во времени частоты. Это частота, это гравитационная постоянная, скорость света, а это масса.

В общем, вопрос ставится так: что мы знаем? Мы знаем значение частоты как функцию времени и знаем производную, которую можно вычленить из этого графика – вот их логика в этой статье, которая приведена в Physical Review Letters.

В чем состоит задача? В том, чтобы подобрать значение этих масс, эти m1 и m2, чтобы удовлетворить этому уравнению, потому что здесь скорость света известна, гравитационная постоянная известна, известна частота и ее производная. Решив это уравнение и подбирая эти массы, можно показать, что при этих массах это соотношение будет выполнено. Да, действительно, я проверял, это так. Но само это соотношение требует следующего. Это, по существу, ньютоновское приближение и не более чем, когда эффекты v/c малы. Я проверил это – да, действительно, это так.

Но потом я посмотрел на всё это по-другому и хотел заново посмотреть расчет. То, что я сделал, показываю.

image057

Во-первых, это ньютоновское приближение, поэтому гравитационный радиус должен быть по отношению к радиусу мал и так далее. Потеря энергии на излучение известна. Это у Ландау в теории поля всё есть, я ничего тут не придумал. Я взял задачку из теории поля и решил ее. Но сделал это я вот каким образом.

Видите ли, я пробовал сделать так. Что происходит?

image053

 

В этой области, когда происходит слияние, и видно из этого графика ниже, v/c велико, v/c уже 0,4, и здесь ньютоновское приближение не работает. Поэтому использовать значение в этой области опасно, можно ошибиться. В этой области, где v/c – 0,4, Ньютон вряд ли будет работать, тут уже релятивистский подход нужен. Вообще, задачу двух тел в теории относительности нелинейно не решишь.

Тогда я поступил так. Я могу знать это время от начала до конца, что в этот момент твердо известно, что частота была 35 Hz, а здесь это время – 0,17 секунды. Я просто взял, график проложил и посмотрел.

image060

Решая эту систему уравнений, – она довольно простая, – можно было найти значение этого интервала, этого Δ t, там эта стрелка, из этой ньютоновской задачи. Я решил ее, простая задача, и получил выражение для этого Δ t. Вот эта стрелочка, которая там была, выражается так:

image062

Она немножко по-другому выражается, чем то, что получено у них. В чем важность этого анализа? Он не требует знания частоты в этой области, где v/c велико. Это я беру, здесь есть значения частоты в левой части, где заведомо отношение v/c не велико. Тогда я взял те значения, которые подсказаны были, и подставил, и я получил удивительную вещь. Я сначала мучился, получался совсем плохой ответ, и я очень расстроился, но потом сообразил одну простую вещь.

Оказывается, что двойная звезда, эта двойная черная дыра, она должна иметь частоту не 35 Hz, а половинку. Потому что это частота гравволн, а частота вращения вокруг общего центра масс другая, она в два раза меньше. Правда ведь? Если у вас массивное тело одно, и это крутится, тогда это будет 35 Hz. А если это две одинаковые массы и крутятся вокруг общего центра масс, то частота будет в два раза меньше.

Когда я подставил именно вот эту, в два раза меньшую частоту, я получил удивительное согласие, даже было поразительно. Те массы, которые там были записаны, у меня получились 0,17 сек, а там было 0,175 и с хвостиком – то есть удивительное согласие. Это, конечно, приятно было увидеть, это означает, что, наверное, результат достаточно надежный. Таков вывод, который отсюда напрашивается. Важно то, что я не использовал значение 250 Hz, которое они использовали, там, где всё не так просто. Я брал только это время, но время – оно же независимо. Хотя замечание Анри справедливое, что там всё может быть по-другому.

– То есть надо переходить в ту систему?

– Не знаю, но время тоже нужно понимать, что в этой точке оно одно, а в другой точке оно совсем другое, потому что поле. Когда сближаются, поле меняется. И там замедление другое будет, но этого никто не может посчитать, это очень сложная задача. Об этом я сейчас скажу. Вообще в этой области очень много интересного.

Что же происходит? Оказывается, следующее. В февральской статье из Physical Review Letters есть ссылка на работу специалистов, которые посчитали излучение гравитационных волн от двух массивных тел, но они вращаются. Вот это вращение тел приводит к тому, что вклад в интегральную потерю энергии на излучение гравитационных волн – не только, к чему мы все привыкли, этот квадрупольный момент, но и еще важно вращение каждой черной дыры и любого тела вокруг собственных осей, то есть спин-орбитальное взаимодействие и спин-спиновое взаимодействие.

Вспомните эффект Лензе-Тирринга (1918 год), который тоже описан у Ландау, о том, как будут взаимодействовать между собой два тела, имеющие угловое вращение, как они будут процессировать. Это очень важно, потому что потом, уже в 60-х, когда осознали, что это еще один эффект общей теории относительности, американцы выпустили спутник и посмотрели, как будет процессировать – в полном соответствии с общей теорией относительности. Это важно очень. Это очень интересная задача, и Виталий Иванович Гинзбург поручил мне ее посмотреть поподробнее. И я эту задачу заново посчитал.

В 1963 году вышла статья Шиффа, это тот самый, который написал «Квантовую механику». В том же Physical Review Letters была очень подробная работа, где заново вычислялся эффект Лензе-Тирринга, как будет изменяться процессия гироскопа, когда одно тело вращается и второе тело вращается, и они крутятся вокруг массивного тела, и как-то этот гироскоп процессирует. Показано, что ньютоновской теории процессии нет, как вы знаете, нет дополнительного взаимодействия. Тело хоть вращается, хоть не вращается, ньютоновский потенциал не меняется. А в общей теории относительности он меняется. Это взаимодействие приводит к дополнительной процессии. Оказалось, что эта процессия может приводить к некоему новому эффекту, который отличает ньютоновскую механику от общей теории относительности.

Хорошо, посчитали мы это. Но была статья Шиффа, и я увидел ответ. Ответ был, что v/c3 – этот эффект, здесь v – характерная скорость вращения какого-то тела, к c3. Но отсюда сразу следует, что если это эффект v/c3, тогда можно было построить функцию Лагранжа. Излучения гравитационной волны с точностью v/c5 – тут заметили справедливо, значит, можно построить функцию Лагранжа с точностью v/c4 . Она строится очень просто по аналогии, как магнитное поле взаимодействует, спин-орбитальное и спин-спиновое взаимодействие.

Пишите функцию Лагранжа. Одним уравнением вы ее варьируете и сразу получаете процессию. И сразу я получил ответ Шиффа. Когда я показал этот расчет Виталию Ивановичу, он очень обрадовался и говорит: «Ты напиши Евгению Михайловичу». Я отдал этот расчет Лившицу, они написали об этом в новом издании теории поля, и это включили в теорию поля, потому что из функции Лагранжа получили выражение для процесса Лензе-Тирринга.

Теперь я возвращаюсь к сказанному ранее. Получилось так, смотрите, какое совпадение, – я получил, намерил 0,17, плюс-минус точность линейки. То, что вышло в результате из этой формулы, которая получает Δ t, она получается довольно просто, проинтегрировать нужно, и ничего более, уравнение, и получается вот такая величина, подставка туда дает 0,17544 сек.

image064

До неприличия хорошее совпадение. Но при этом частота 17,5 Hz, если возьмете частоту 35 Hz, то будет плохо. Вот вам ответ, что да.

Но при этом авторы статьи в Physical Review Letters ссылаются на работу француза Люка Блаже 1995 года, где вычислены потери на излучение гравитационных волн в постньютоновском приближении, то есть следующее за v/c. И здесь, что меня насторожило – приводится некий коэффициент. Если выкинуть всё и оставить здесь единицу, то это будет ньютоновская механика. И то же самое, связь частоты и массы, и радиус вращения – это всё выкинуть, это будет ньютоновская механика. И я пользовался именно ньютоновским приближением, выкинув всё это. Но мы видим, что если v/c велико, то здесь появляется довольно большой коэффициент, порядка 5, отношение v/c, который говорит, что если у вас v/c хотя бы 0,5, то это уже становится значительным, то есть поправки будут велики, если верить этому расчету – это потери энергии.

Но второе, что важно и что отсюда следует, – вклад в излучение вносит это спин-спиновое и спин-орбитальное взаимодействие. Вот это новый элемент, который, мне кажется, в будущем окажется очень интересным, потому что наблюдение за гравитационными волнами, если это всё так, позволяет определить, насколько быстро вращаются эти черные дыры. По оценкам, они очень быстро вращаются. Это важно, потому что это позволит определить вращение их вокруг собственных осей и процессии, и так далее. Это очень важный момент.

Дело в том, что в этой статье есть ссылки, проверить которые невозможно. Машина считала и выдавала такие коэффициенты. Видите, какие коэффициенты здесь? 2927/336 – это такой коэффициент при следующем постньютоновском приближении. Тут отношение гравитационного радиуса к обычному радиусу, к радиусу между двумя телами, то есть такой коэффициент в теории получить невозможно, это нужно машиной считать. Вот это они сделали. Тут, видите, еще коэффициент следующий. Вообще – коэффициенты, которые можно посчитать только из машины. Такова в целом ситуация, которая была показана.

Сейчас по этому поводу идет очень большой разговор. Конечно, все начинают понимать и возникает вопрос, а что же дальше? Я хочу сделать некие выводы, но беру на себя смелость сказать, что это только по мнению докладчика. Что же получилось в результате? Можно сделать вывод из сравнения полученных численных данных – имеется хорошее согласие, несмотря на иной подход, основанный на оценке интервала времени от фиксации движения до момента коллапса. Если взять это, то получается хороший результат. При таком подходе необходимо знание низкочастотной частоты излучения гравволн и массу черных дыр в области, когда роль нелинейных эффектов не настолько велика – это принципиальный момент, потому что дальше то, что брать, там сложно.

Второе, необходим более строгий учет нелинейных эффектов общей теории относительности, в частности, учет вклада в излучение гравитационных волн из-за спин-спинового и спин-орбитального взаимодействия. То, что оно вносит, вроде понятно, но насколько оно вносит, вопрос остается открытым. Я пока что больше ничего не могу сказать по этому поводу. Хотя есть какие-то статьи, я их просто не знаю. И пока не могу ответить на вопрос, какой вклад будет в это.

image066

Теперь желательно расширить модель. Тут что происходит? У всей группы, которая занимается LIGO, есть теоретики, они насчитали огромное количество моделей, записали их в память, и оттуда достают и быстро перебирают все возможные сценарии и сравнивают с тем, что наблюдается. Спрашивается, тот объем моделей, который у них, достаточный или нет? Я думаю, что нужно его либо опубликовать, либо объяснить, потому что так трудно что-либо говорить. Нужно расширить эти модели, потому что очень много разных случаев, которые не попадают в них. Тут возможны разные ситуации, поэтому хотелось бы это расширить.

Более того, теперь, когда началась фиксация этого события, предшествующие моменты времени, где частота известна 35 Hz или ниже, хотя там соотношение сигнал-шум порядка единицы, надо было записать всю эту дорожку и посмотреть, и вытащить оттуда более низкочастотные составляющие. Вот это не сделано почему-то, для меня это удивительно, потому что оттуда можно было получить очень много информации.

Когда черные дыры находятся на достаточном расстоянии друг от друга, и когда ньютоновская механика точно работает, v/c мало, тогда и можно анализировать, посмотреть тренд. Но это почему-то не сделано.

– Чувствительности не хватило?

– Насчет чувствительности, Евгений Михайлович, могу сказать следующее. Дело в том, что есть LIGO-2 и LIGO-3. LIGO-2 – это то, что было до апгрейда прошлогоднего. Если бы событие это случилось в прошлом, они могли бы его зафиксировать и на LIGO-2, то есть чувствительность была достаточной. На LIGO-3, конечно, больше чувствительность, но, тем не менее, можно было зафиксировать и на LIGO-2.

– Итальянцы и германцы?

– Что касается итальянцев и германцев, то ситуация здесь следующая. Германцы законсервировали и делают апгрейд, понимая, что чувствительности не хватает, за американцами идут. Итальянцы – на VIRGO то же самое, они остановили и год занимаются апгрейдом.

– Момент пропустили.

– Момент пропущен. Ну, не повезло.

– Они на два дня включили машину сейчас.

– Да. Много всяких инсинуаций вокруг этого. Американцы выбрали настолько удачный момент, потому что никто из конкурентов ничего не делает, они только одни. И в этот момент на максимуме чувствительности такого объекта зафиксировали, джекпот сорвали, я уже говорил.

Теперь еще момент, на который я хотел бы обратить внимание. Это тоже 1960 год. Когда я пришел в аспирантуру, Виталий Иванович Гинзбург поставил мне задачу: «Возьми и посчитай излучение гравитационных волн в релятивистской части».

Синхрофазотрон все знают. Электрон движется по кругу, он излучает электромагнитные волны, как с точила искры слетают такие электромагнитные волны с электрона, как здесь это показано. А гравитационные волны тоже должны излучаться таким быстрым электроном. Вот логика Виталия Ивановича.

image068

Вот уравнения Эйнштейна для гравитационных волн.

hik – это амплитуда гравитационной волны. В правой части – тензор энергии импульса этого движущегося электрона.

Уравнения электромагнитного поля – они такие же, только вместо h будет векторный потенциал, а вправо – ток. Вы видите, здесь тензор энергии импульса, величина самой энергии. Тензор энергии импульса пропорционален самой энергии движущейся частицы.

В уравнениях для электромагнитного поля – здесь ток, величина пропорциональна скорости, то есть корень из энергии.

Логика Виталия Ивановича была следующая: значит, есть такая энергия, при которой интенсивность гравитационных волн – уравнения одинаковые, решения одинаковые должны быть, – должна перешибить интенсивность электромагнитных волн. Логично? Возьми, посчитай эту задачу и скажи ответ. Вот такая была мне задачка.

Она оказалась очень тяжелой, я пришел к нему и сказал, что ничего не могу. Желание получить как можно быстрее ответ приводило к тому, что я v – скорость электрона стремил к скорости света, v к c – тогда проще было бы. Стремил как можно раньше и получал все разные ответы, и не мог понять, в чем дело. Пришел к нему жаловаться, что не могу решить. Он говорит: «Знаешь что, работай. У меня 80% бумаги уходит в урну, у тебя, наверное, не меньше». Я продолжал работать. Наконец, сообразил, в чем проблема.

Она оказалась в следующем. Смотрите, здесь тензор, а здесь вектор. Гравитационные волны спин-2, квадрупольное излучение. Электромагнитные волны – спин-1, дипольное излучение. Поэтому оказалось, что потом, когда v положил к c в окончательно сложной формуле, получил, что отношение электромагнитного потока гравитационных волн к электромагнитным волнам – есть некая константа, которая пропорциональна отношению гравитационного радиуса к электромагнитному радиусу. Значит, никакой надежды на то, что будет такая энергия, при которой скорость излучения гравволн больше, чем электромагнитных, нет.

Я расстроился – что тут делать, бессмысленная задача. Пошел, ему рассказал. Он тогда говорит: «Хорошо, ты приходи в капичник (семинар П.Л.Капицы. – Прим. ред.), а дальше потом…» Он, видимо, эту задачу обсуждал с Ландау. И Ландау надеялся, что будет такая энергия, при которой всё-таки величина гравитационных волн будет выше, чем электромагнитных. И Гинзбург решил Ландау проверить. Когда квадрупольное излучение и спин-2, сразу теряются две степени.

Виталий Иванович после семинара сказал: «Ты постой». Я сидел, он подошел, говорит: «Ты мне скажи, как будет». Он эту задачу сформулировал перед Ландау. Тот ответил: «Да, это, конечно, будет при некоей иной энергии, но энергии будут очень большие». И тут Гинзбург сказал: «Дау, ты не прав». И затем, показывая на меня: «Этот молодой человек показал, что ты тут забыл, что там спин-2 и квадрупольный». Он говорит: «Да, хорошо». Я расстроился, потому что ответ был не тот, которого хотелось. А Гинзбургу это понравилось.

– У Ландау двойка со сверхпроводимостью тоже была.

– Это сам Виталий Иванович рассказывал. «Я, – говорит, – многое не понимал у Ландау». Когда они написали статью по сверхпроводимости, об этой известной теории Гинзбурга и Ландау, там стоят электроны со звездочкой. Он спрашивает у Ландау: «Почему заряд электрона со звездочкой?» Он говорит: «Нет никаких оснований считать, что e* равно заряду электрона», – то, что входит в теорию Гинзбурга-Ландау. Под действием Ландау Гинзбург согласился, но потом вышло БКШ, и это e* стало 2e.

– Это Аскарьян рассказывал.

– Это Гинзбург рассказывал в кабинете Игоря Евгеньевича.

– Об этом написано.

– Я не знаю. Анри, ты помнишь то время, когда мы, молодые люди, собирались в кабинете Игоря Евгеньевича? Кстати, я могу сказать, почему я ушел от теории относительности, тоже интересно. Сидим в кабинете, Боря Болотовский что-то там пишет. И вопрос был такой: что мы сделали для народного хозяйства. Нужно было заполнять какие-то формы.

Леонид Вениаминович: удар, ионизация – это для народного хозяйства очень нужно. Потом переходят к следующим. Меня пропускает и говорит: «Ваше направление – теория относительности – не запятнало себя приложениями». Это знаменитые слова. Ну, что скажешь? Ему это не интересно. Дальше всё записал, а Боря всё конспектировал. Это было то время, когда все мы были молодыми.

Возвращаюсь к этой задаче. Почему я сейчас о ней заговорил? Дело вот в чем. То же самое в этой задаче с черными дырами происходит, потому что надежды на то, что при некоей скорости, приближающейся к скорости света, излучение гравитационных волн может быть столь велико за счет релятивистских векторов, нет. Электромагнитные волны, если частицы заряжены, будут бешеным образом излучаться.

Астрофизики надеются помимо гравволн зафиксировать рентгеновское излучение. Вот эти рентгеновские телескопы, которых за пределами атмосферы сегодня очень много настроили. Это говорит о том, что надежды на то, что даже при релятивистских подходах  гравитационное излучение перешибет электромагнитное, нет. Но, как говорят, что черные дыры не могут нести заряд, они быстро нахватывают противоположный заряд, появляется электронейтральность в какой-то мере. Главное, что релятивизм не помогает здесь. Квадруполь – это не диполь. Тут всё понятно, такова физика.

Об этом тоже нужно помнить, когда мы пытаемся ответить на вопрос, что, может быть, там нечто особенное произойдет. Ничего особенного не произойдет, поскольку огромная масса сгорает за счет излучения.

Что дальше? Основной вопрос при этом возникает, как часто могут быть такие события? Сколько таких двойных черных дыр?

image070

Для меня удивительно – их, оказывается, очень много. Очень много двойных объектов: двойные звезды, двойные черные дыры, и поэтому утверждается, что если взять сферу, радиус несколько сотен мегапарсек, это примерно 3 х 1027 расстояние – это вот такая сфера вокруг Земли, то в этой сфере таких событий, подобных тому, которое было зафиксировано, примерно 3-100 в год для масс черных дыр до 100 солнечных масс, это средняя, не очень большая. Потому что черные дыры могут иметь не менее 3-5 черных масс, иначе они не схлопнутся. Больше 100 солнечных масс, а здесь 30 солнечных масс – таких событий может быть 3-100. То есть можно надеяться, что хотя бы раз в месяц эти системы будут обнаруживать такие события. Это важный вывод.

Какие фундаментальные результаты можно ожидать в будущем? Как говорят люди, которые занимаются данной проблемой, это новое окно, возникает гравитационная астрономия, в комбинации с оптической и рентгеновской астрономией она позволяет глубже понять то, что происходит во вселенной.

Теперь вопрос, как улучшить чувствительность лазерных интерференционных антенн? Проблема зеркал, я о ней кратко говорил – это действительно проблема.

image072

Очень много сейчас работают по этому поводу и технологи, и физики.

Затем лазерный интерферометр в космосе. Сейчас обсуждается, и уже делается интерферометр, который будет находиться на орбите вокруг Солнца с расстоянием между зеркалами 5 миллионов километров. Это называется LISA – лазерный интерферометр космический.

К тому же в Европе делают интерферометр эйнштейновский, подземный, на глубине порядка 300 метров, и там тоже будут зеркала, которые будут находиться в таком комфортном состоянии. Об этом я чуть ниже скажу.

Какие еще применения лазерных интерференционных антенн возможны? Я приведу пример, о котором мне рассказывал Руденко, это в части того, что можно по шагам определить.

По существу, речь идет о том, что система регистрирует слабые изменения гравитационного поля, будь то гравитационная волна, будь то еще что-то движущееся с большой массой. Значит, нужно создать систему гравитационных антенн или гравитационных измерителей, и они будут работать, только создайте нужные условия. Поэтому здесь можно говорить о геологии, динамическом активном изменении гравитационного поля Земли. Отсюда всё проистекает, что можно использовать. Я думаю, мы как-то недооцениваем это направление, а на самом деле оно может оказаться очень серьезным.

– Ближнее поле?

– Да, ближнее поле. Антенне всё равно. Частоты гравитационных волн 35 Hz, возникать будет длина волны на 35 Hz. 300 тысяч км/сек скорость света, подели на эту частоту, получится сколько? Сотни тысяч километров. Поэтому длины волн очень большие, частоты очень низкие. Следовательно, такие интерферометры могут и статическое поле прекрасным образом мерить, и все изменения, которые происходят. Поэтому тут есть некий обратный вектор, который нацелен не на вселенную, а нацелен на то, что мы делаем здесь.

О проблеме зеркал несколько слов. Это технология, которая была разработана во Франции, тут показаны некие фрагменты тех установок, которые используются для нанесения покрытий. Это новая технология, когда на диаметре 30 сантиметров или более вы получаете столько слоев, сколько нужно, и коэффициент отражения 4-5 девяток после запятой – это большой успех, то, что сегодня делается. Хотя, как мне говорили в Италии, там один человек только может это делать, и тот, к сожалению, болен, не знаю, жив он сейчас или нет, это данные трехлетней давности. Он умел делать, это некая технология. Не буду это комментировать.

Вот диаметр этих зеркал, которые проходят такую сложную систему.

image074

Это, как я уже говорил, трубы, нужно откачивать вакуум и так далее.

image076

Конечно, это довольно сложные технологии.

Вот подвесы этих зеркал.

image078

В Ганновере такие двойные зеркала. Это всё требует соответствующей технологии.

Сейчас что мы делаем? Некая группа в МГТУ имени Баумана получила небольшой грант два года тому назад, что-то делается. Багаев сделал нам лазер одномодовый.

Здесь некая схема интерферометра Майкельсона или Маха-Цендера, отличающегося от того, который делают в Америке и других странах.

image080

Предлагается следующее. Тут я хочу заметить, что интерферометрия – это многообразная область, и там можно много вариантов придумать, которые являются нужными или более предпочтительными для того или иного случая. Вот пример. Представьте, что здесь в плече стоит не один луч, а два луча. Но настройка сделана так, что на резонансной кривой этого интерферометра один находится на правом плече, один на левом. Как это сделать?

Внесите четвертьволновую пластинку лазерную λ/4 – вы сдвинете. Тогда получается так, что если вы перемещаете зеркало, то в одном случае сигнал пойдет вниз, а в другом пойдет вверх. Тогда чувствительность таких систем будет в два раза выше. Понятно, за счет настройки. Вы так поставили эту штуку и внесли четвертьволновую пластинку. Ведь что сегодня происходит? Апгрейд LIGO – коэффициент десятка, в 10 раз повысили чувствительность всего лишь, и какими усилиями огромными. Здесь вы только внесли четвертьволновую пластинку, раздвоили луч и получили коэффициент 2. Но не только это.

Сейчас такой маленький прототип делается. Дело еще в том, что флуктуация, которая здесь, это одна труба с одним и тем же воздухом – флуктуации воздуха, показатели преломления будут работать с разными знаками. Одинаковые флуктуации будут работать с разными знаками, так что это может уменьшить флуктуации. Это один из примеров, который может оказаться в будущем интересным.

Теперь по поводу космической системы. Сейчас уже делаются некие элементы, должен получиться такой треугольник, который будет вращаться вокруг Солнца.

image082

Вот это Солнце, а вот такой треугольник по такой орбите медленной будет вращаться. И запускает точку Лагранжа вот здесь между Солнцем и Землей. Уже в декабре прошлого года был запущен один элемент системы из трех таких спутников, который будет отрабатывать эту систему LISA. Расстояние в будущем будет 5 миллионов километров, диапазон частот, на которых она может работать, 30 kHz – 0,1 Hz, то есть низкочастотные вещи.

5 миллионов километров – для чего это делается? Здесь спутник в спутнике. Интересно то, что в этой коробке, которую запустили, находится пробное тело в состоянии невесомости. Тут своя технология. Я надеюсь, что такие системы принесут нам очень много полезной информации о будущем. Вот то, что сегодня реально делается, и делается совместно. Это проект, который ведут совместно Европа и Соединенные Штаты. Вкладывают деньги, как Америка, так и Европейское агентство.

– Точка Лагранжа – между Землей и Солнцем?

– Да, между Землей и Солнцем. Туда собираются запустить, чтобы он там находился под минимальным влиянием.

Вот я нашел фотографию Джозефа Вебера 1959 года, хорошего качества, поэтому привел здесь.

image084

Вот и всё. Спасибо за внимание.

Понравилась статья? Помоги сайту!
Правмир существует на ваши пожертвования.
Ваша помощь значит, что мы сможем сделать больше!
Любая сумма
Автоплатёж  
Пожертвования осуществляются через платёжный сервис CloudPayments.
Комментарии
Похожие статьи
Что означает открытие гравитационных волн для обычного человека?

Описанные эффекты - это эффекты квантового мира, эффекты оптики. К экстрасенсорике и телепатии они отношения не…

Курчатовский институт и «легенда о щитоморднике»

Протоиерей Александр Ильяшенко – о своей многолетней работе в Институте атомной энергии

Протоиерей Кирилл Копейкин — о физике без ответа и самом большом чуде

Когда Дон Кихот и Санчо Панса обсуждают замысел романа Сервантеса...