Гравітаційні хвилі та детектори

Гравітаційні хвилі - це хвилі викривлення простору-часу, що поширюються зі швидкістю світла, створювані прискореними масивними об'єктами. Згідно з загальною теорією відносності Ейнштейна, коли масивні об'єкти прискорюються або змінюють форму, вони викривляють простір-час навколо себе, створюючи хвилі, що поширюються через Всесвіт. Це подібно до того, як камінь, кинутий у воду, створює хвилі. Гравітаційні хвилі - це поперечні хвилі, що стискають та розтягують простір в перпендикулярних напрямках під час проходження, хоча ефект надзвичайно малий - менше за розмір атомного ядра для хвиль від найпотужніших джерел.

Гравітаційні хвилі були вперше безпосередньо виявлені 14 вересня 2015 року детекторами LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Це відбулося майже через 100 років після того, як Альберт Ейнштейн передбачив їх існування у 1916 році в рамках загальної теорії відносності. Подія, яку виявили, була злиттям двох чорних дір масою приблизно 29 та 36 сонячних мас на відстані близько 1.3 мільярда світлових років. Під час злиття близько 3 сонячних мас енергії було випромінено у вигляді гравітаційних хвиль. Це відкриття принесло Нобелівську премію з фізики 2017 року трьом вченим, що створили LIGO.

LIGO використовує інтерферометрію - техніку, що вимірює мікроскопічні зміни відстані. Детектор має два перпендикулярні плечі завдовжки 4 кілометри кожне. Лазерний пучок розділяється на два пучки, які відправляються вниз по кожному плечу, відбиваються від дзеркал в кінці, та повертаються назад для інтерференції. Коли гравітаційна хвиля проходить через детектор, вона спричиняє одну ногу стати трохи довшою, а іншу - трохи коротшою, змінюючи інтерференційну картину. Це виявляється надзвичайно чутливими детекторами. Чутливість настільки висока, що можна виявити зміни довжини на порядок менші за діаметр протона. Детектори розташовані у двох місцях (Луїзіана та Вашингтон) для підтвердження сигналів.

Найпотужніші джерела гравітаційних хвиль - це злиття масивних компактних об'єктів: злиття двох чорних дір (найпотужніші джерела, створюють найсильніші сигнали), злиття двох нейтронних зірок (також дуже потужні, виявлені разом з електромагнітними сигналами), злиття чорної діри та нейтронної зірки. Інші джерела включають: обертові нейтронні зірки з невідповідністю (періодичні гравітаційні хвилі), бінарні системи перед злиттям (постійні хвилі), великий вибух (первинні гравітаційні хвилі), та гіпотетичні космічні струни. Для генерації гравітаційних хвиль об'єкт має мати змінний квадрупольний момент маси.

Виявлення гравітаційних хвиль важливе з багатьох причин: це підтверджує останнє неперевірене передбачення загальної теорії відносності Ейнштейна, відкриває нове "вікно" у Всесвіт - гравітаційну астрономію, що доповнює традиційну електромагнітну астрономію, дозволяє спостерігати події, які не видимі в електромагнітному спектрі (наприклад, злиття чорних дір), дає можливість вивчати найбільш екстремальні об'єкти та події у Всесвіті, дозволяє тестувати загальну теорію відносності в екстремальних умовах, та може розкрити інформацію про ранній Всесвіт та природу темної енергії. Це революція в астрономії, подібна до відкриття радіоастрономії.

GW170817 - це злиття двох нейтронних зірок, виявлене 17 серпня 2017 року, яке є особливим тому, що це був перший випадок, коли гравітаційні хвилі були виявлені разом з електромагнітними сигналами (гамма-спалах, світло, рентген, радіо). Це відкрило еру "багатодіапазонної астрономії" - спостереження однієї події через багато способів. Після злиття виникло явище, зване "кілонова" - вибух, що створив важкі елементи, такі як золото та платина. Це підтвердило, що важкі елементи у Всесвіті формуються під час злиття нейтронних зірок. Подія також дозволила виміряти швидкість гравітації (підтверджено, що вона дорівнює швидкості світла) та покращити розуміння структури нейтронних зірок.

Ні, гравітаційні хвилі абсолютно безпечні для людини та будь-яких форм життя. Це пов'язано з тим, що амплітуди гравітаційних хвиль надзвичайно малі - навіть найпотужніші хвилі від злиття чорних дір стискають та розтягують простір лише на одну частину на 10²¹ (наприклад, змінюють 4-кілометрове плече LIGO на менше, ніж діаметр протона). Навіть якби ви були дуже близько до джерела, ефект був би мінімальним через природу хвиль. Гравітаційні хвилі не взаємодіють з матерією так, як електромагнітні хвилі - вони проходять через все майже без взаємодії, що робить їх важкими для виявлення, але також безпечними. Це один з аспектів, що робить їх корисними для астрономії - вони проходять через космічні об'єкти, які блокують світло.

Майбутні проєкти включають: LISA (Laser Interferometer Space Antenna) - космічний детектор з трьох супутників на відстані мільйонів кілометрів, що зможе виявляти нижчі частоти та злиття надмасивних чорних дір, Einstein Telescope - підземний детектор третього покоління з поліпшеною чутливістю, Cosmic Explorer - великі L-подібні детектори на поверхні з подальшим покращенням чутливості, покращення існуючих детекторів LIGO, Virgo та KAGRA для збільшення чутливості в 10 разів, та різні концепти для виявлення первинних гравітаційних хвиль від Великого Вибуху. Ці проєкти дозволять виявляти більше подій, досліджувати різні типи джерел, та, можливо, відкрити нову фізику.

Гравітаційні хвилі надають унікальну інформацію про Всесвіт: вони дозволяють безпосередньо спостерігати злиття чорних дір та вимірювати їх маси, що допомагає зрозуміти, як формуються та еволюціонують ці загадкові об'єкти, вони виявляють злиття нейтронних зірок, що створюють важкі елементи, як золото та платина, допомагаючи розуміти, звідки взялися елементи у Всесвіті, вони дозволяють тестувати загальну теорію відносності в екстремальних умовах, вони можуть виявити первинні гравітаційні хвилі від Великого Вибуху, що розкриють інформацію про ранній Всесвіт, та вони допомагають зрозуміти еволюцію подвійних систем та частоти злиттів у Всесвіті. Це новий спосіб "слухання" Всесвіту, що доповнює традиційне "споглядання".

Технічні виклики були колосальними: створення надзвичайно стабільних лазерів з високою потужністю та чистотою частоти, розробка дзеркал з мінімальними втратами (відбивають 99.999% світла), підтримка ультравакууму в величезних трубах (10⁻⁹ атмосфер), ізоляція від сейсмічних коливань (використання складних систем підвіски), зменшення теплових коливань через кріогенічні системи, розробка алгоритмів для виявлення слабких сигналів серед шуму, кореляція сигналів між різними детекторами для підтвердження, та створення інфраструктури для обробки величезних обсягів даних. Потрібно було виміряти зміни довжини, менші за діаметр протона на відстані кілометрів!