Дві чорні діри обертаються одна навколо одної. Обидві мають близько 100 км у діаметрі. Маса однієї в 36 разів перевищує масу Сонця, другої — у 29. Так вони кружляють по орбіті на відстані близько кілометра, розганяючись дедалі більше, майже до швидкості світла. Тоді їхні горизонти подій дотикаються. У момент злиття та перерозподілу квінтильйонів кілограмів відбувається потужний струс. А далі тиша. За якісь частки секунди народжується нова, більша чорна діра.
Проте вона менша, ніж мала б бути, якщо орієнтуватися на суму всіх складових. Маса, рівнозначна масі трьох Сонць, перетворилася на енергію у формі гравітаційних хвиль: це коливання, під дією яких розтягується й стискається простір-час, а отже, і все на їхньому шляху. За останню п’яту частку секунди злиття двох чорних дір, зображене на ілюстрації, вони викинули в Космос у 50 разів більше енергії, ніж решта Всесвіту у вигляді світла, радіохвиль, рентгенівських і гамма-променів укупі.
А 1,3 млрд років потому, у вересні 2015-го, мешканці маленької планети, що обертається навколо жовтого карлика Сонця, на об’єкті, відомому як лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO), зафіксували слабке відлуння тих хвиль. Це відлуння, назване GW150914 і представлене світові 11 лютого, — перша гравітаційна хвиля, «спіймана» безпосередньо вченими. Тріумф, який готувався ціле століття, відкриває нове вікно у Всесвіт, крізь яке вчені зможуть зазирнути в досі недоступні події, можливо, аж до Великого вибуху.
Рука на пульсарі
Концепція гравітаційних хвиль постала із загальної теорії відносності — фундаментального ейнштейнівського пояснення гравітації, висунутого майже за 100 років до відкриття GW150914. Ейнштейн зрозумів, що маса викривлює простір і час навколо себе. Гравітація — результат цього явища. Вона зумовлює рух об’єктів уздовж вигинів викривленого масою простору-часу. Сама ідея проста, але розв’язати рівняння, яким вона обґрунтовується математично, надзвичайно важко. Розв’язки можна знайти лише за допомогою певних наближень. Одне з них і підказало Ейнштейнові дивне передбачення: будь-яка маса, прискорюючись, зумовлює коливання в просторі-часі.
Читайте також: Нова доба відкриттів
Ейнштейн цією ідеєю не був задоволений: то відмовлявся від неї, то знову брався її доводити, заявляючи про існування таких хвиль або ж, розв’язавши рівняння по-новому, заперечуючи їх. Але поки він, а згодом інші вчені коливалися в математичному вимірі досліджень, експериментатори взялися шукати гіпотетичні хвилі: почали розтягувати й стискати матерію у фізичному вимірі.
Труднощі полягали в тому, що ефект, який мали б зафіксувати, — це короткочасна зміна вимірів (еквівалент приблизно тисячної частини діаметра протона) в кількакілометровому просторі дослідницьких лабораторій. Раніше непрямі докази існування гравітаційних хвиль уже знаходили. Один із найвідоміших способів — вимірювання радіовипромінювання пар мертвих зірок — пульсарів, які обертаються одна навколо одної. З цього робили висновки про те, як між ними зменшується відстань за час, коли вони посилають гравітаційні хвилі в Космосі. Але самі хвилі спіймати не вдавалося до спорудження LIGO.
LIGO — це інтерферометр. В основі його роботи лежить розщеплення лазерного променя надвоє і спрямування вздовж двох однаково довгих тунелів, розміщених під прямим кутом один відносно одного. Коли промені відбиваються, повертаються та возз’єднуються, видно візерунок інтерференції (див. «Спіймати хвилю»). Якщо траєкторії двох половинок променя не порушені, хвилі досягнуть детектора синхронно. Але під дією гравітаційної хвилі ці траєкторії то розтягуються, то стискаються. Збиті з ритму половинки променя взаємодіятимуть на детекторі відповідно до тих деформацій. Утворений у результаті інтерференційний візерунок містить найрізноманітнішу інформацію про джерело хвилі, зокрема й маси, які її зумовили, та відстань, яку хвиля подолала.
Щоб абсолютно впевнитися, що побачене — це справді гравітаційна хвиля, усе потрібно дуже ретельно аналізувати. По-перше, LIGO складається, власне, з двох об’єктів: у штатах Луїзіана та Вашингтон. Гравітаційною хвилею може бути лише явище, яке спостерігається майже (але не зовсім) одночасно на обох із них. А ще майже все обладнання в тунелях інтерферометрів підвішене для максимальної ізоляції від віддалених сейсмічних коливань і вібрацій від транспорту.
Читайте також: Віктор Ставнюк: «ХХІ століття, попри інформаційність, схильність до практичних, прикладних наук, буде гуманітарним»
Крім того, для досягнення необхідної чутливості кожен тунель кожного інферометра має довжину 4 км, і розщеплений промінь відбивається від дзеркал в обох кінцях тунелю по 100 разів, щоб підсилити будь-яке відхилення, коли половинки променя знову з’єднуються. І навіть за таких умов з 2002 року, коли LIGO відкрили, і до 2010-го, коли закрили на модернізацію, жодної хвилі не зареєстрували.
Чорна дірка від бублика
Завдяки модернізації — подвоєнню кількості дзеркал, удосконаленню системи підвішування та збільшенню потужності лазера в 75 разів — чутливість обсерваторії (названої після модернізації Advanced LIGO) зросла вчетверо. І це дало плоди майже відразу. Не встигли оператори системи закінчити огляд об’єкта й увести його офіційно в дію, як було зареєстровано GW150914 — спершу в Луїзіані, а за якусь соту частку секунди після того у Вашингтоні. Така різниця дає підстави припустити, що джерело вибуху було десь у південній півкулі неба. Відтоді команда, яка перевіряє обчислення, на сьомому небі від щастя. Як зазначили вчені в журналі Physical Review Letters, імовірність того, що цей сигнал став результатом випадкового збігу обставин, мізерно мала.
Коли один результат з’являється так швидко, за ним неминуче мають піти й інші, тим більше що зібрані за чотири місяці в межах першого офіційного запуску дані ще не повністю проаналізовано. За приблизними підрахунками, там може бути ще один-два інших сигнали, подібних за значенням до GW150914.
Для гравітаційної астрономії це лише початок. Незабаром LIGO вже не буде єдиною такою обсерваторією. До кінця року до пошуків має приєднатися гравітаційно-хвильова обсерваторія VIRGO в Італії. Ще одну будують у Японії, ведуться перемовини про спорудження четвертої в Індії. Найграндіозніші плани —створення п’ятої обсерваторії на орбіті під назвою «Вдосконалена космічна антена лазерного інтерферометра», або ж e-LISA (англ. Evolved Laser Interferometer Space Antenna). Перші елементи апарата, який має перевірити концепцію антени e-LISA, вже виведено в Космос.
Разом усі ці об’єкти утворять телескоп, за допомогою якого астрономи зможуть точно визначати джерело хвиль, що відкриє новий етап у вивченні Всесвіту. З удосконаленням технологій стануть доступними для виявлення хвилі нижчої частоти (вони відповідають подіям з об’єктами більших мас). Зрештою, астрономи зможуть зазирнути в перші 380 000 років після Великого вибуху — у ту історичну епоху, яка залишається недоступною решті сучасних телескопів.
Проте справжній приз — довести, що Ейнштейн помилявся. Попри всю прозорливість, теорія відносності, як відомо, неповна, бо не узгоджується з іншою великою фізичною теорією ХХ сторіччя — квантовою механікою. Багато фізиків підозрює, що саме там, де найекстремальніші умови (і звідки йдуть гравітаційні хвилі), якраз і можна знайти перші тріщини в теорії відносності, а з ними й уявлення вже про якусь універсальнішу теорію.
Гравітаційні хвилі (в існуванні яких Ейнштейн був дуже не впевнений) надали прямий доказ існування чорних дір (які теж довго не давали йому спокою) і ще можуть підняти завісу таємниці над Великим вибухом (який його теорія неспроможна була описати, і він це знав). А тепер вони здатні допомогти спростувати його теорію. Якщо це так, то епітафія теорії відносності може звучати ось як: передбачивши гравітаційні хвилі, вона передбачила цим і свій кінець.
© 2011 The Economist Newspaper Limited. All rights reserved
Переклад з оригіналу здійснено «Українським тижнем», оригінал статті опубліковано на www.economist.com