Деякі теоретичні передбачення чекають на експериментальну перевірку роками, інколи століттями. Альберт Айнштайн передбачив гравітаційні хвилі в 1916-му, коли виводив рівняння загальної теорії відносності. Того самого року Карл Шварцшильд отримав розв’язки цих рівнянь, які давали підстави говорити про існування у Всесвіті об’єктів надзвичайно великої маси, сконцентрованої в малому об’ємі так, що навіть світло з них не могло висковзати назовні. Йдеться про чорні діри. 14 вересня 2015-го детектор LIGO зафіксував коливання простору через проходження крізь нього гравітаційних хвиль, що виникли 1,3 млрд років тому від злиття двох масивних чорних дір. Так проект, реалізація якого в головних ентузіастів зайняла більш ніж 40 років, довів існування і гравітаційних хвиль, і чорних дір. Цими ентузіастами є Кіп Торн та Райнер Вайсс — нобелівські лауреати з фізики за 2017‑й.
Першим описав гравітацію за допомогою формули Ісаак Ньютон у 1687 році. Що масивніші тіла, які взаємодіють, то більша сила тяжіння. Саме тому, докладаючи тих самих зусиль, людина підстрибне на Місяці значно вище, ніж на Землі, адже він у 81 раз легший за нашу планету. Також сила тяжіння залежить від відстані. У разі збільшення відстані між об’єктами вдвічі сила зменшується вчетверо. Теорія Ньютона дала змогу описати рухи планет у Сонячній системі, а також відкрити Нептун суто за допомогою математичних розрахунків. Але 1859‑го ця теорія дала збій. Французький астроном Урбен Левер’є відкрив, що Меркурій рухається трохи не так, як передбачалося. Він повільно обертався навколо Сонця. Коли наукова теорія натрапляє на факт, який їй суперечить, потрібно ретельно перевірити його, а потім спробувати пояснити в межах наявної моделі. Якщо ж це не виходить, треба внести зміни до самої теорії. Левер’є вважав, що існує ще одна планета, яка своєю масою впливає на Меркурій, та не зміг «додати» її так, аби не змінити руху всіх інших тіл Сонячної системи. Проблему вирішив у 1915 році Альберт Айнштайн.
Згідно із загальною теорією відносності масивні об’єкти викривляють простір, створюючи заглибини навколо себе. Це легко візуалізувати, якщо натягнути гнучку плівку й покласти на неї кілька кульок. Що важча кулька, то більшу заглибину вона утворить. Рух тіл цими заглибинами простору і є гравітація. Сонце дуже викривляє простір, проте й Меркурій його теж викривляє, саме тому він щоразу трохи зміщується від початкової орбіти. Айнштайн показав, що навіть світло змінюватиме рух біля масивних об’єктів. У 1919 році британський астроном Артур Еддінґтон під час сонячного затемнення на острові Принсіпі біля західного узбережжя Африки спостерігав зорі, які розташовувалися просто за Сонцем і не могли бути видимими згідно з теорією Ньютона. Але оскільки світло змінювало рух, потрапивши в поле тяжіння Сонця, астроном зумів їх сфотографувати. Експедиція Еддінґтона вмить зробила Айнштайна всесвітньо відомим, довівши правильність його теорії навіть скептикам. Після того загальна теорія відносності безліч разів показувала свою правдивість в інших спостереженнях.
Читайте також: The Economist: Зміна часу в Стокгольмі
А тепер покотімо кульку нашою плівкою. Рухаючись, вона створить на плівці хвилі. Наявність гравітаційних хвиль, які трохи стрясають простір, стискаючи й розтягуючи його, стало ще одним висновком із теорії Айнштайна. Самі Айнштайн та Еддінґтон скептично ставилися до можливості детектувати ці хвилі, вважаючи, що вони так і залишаться «на папері». Справді, знадобилося століття, аби експериментом підтвердити цю «паперову» здогадку великого науковця. Не під час кожного руху масивного об’єкта виникають такі хвилі, потрібно, щоб він рухався з пришвидшенням навколо центру мас, спільного з іншим об’єктом. Це можуть бути пари зірок, чорних дір, вибух наднових зірок (цілком можливо, що їхнє ядро стає асиметричним), несиметричні нейтронні зірки, які швидко обертаються.
Першим опосередкованим свідченням наявності гравітаційних хвиль стало спостереження пульсара PSR 1913+16. Пульсари — це нейтронні зірки, дуже маленькі (радіус типової нейтронної зірки не перевершує 10–20 км, вона могла б уміститися на площі Києва), але масивніші за Сонце. Вказаний пульсар, який відкрили 1974-го Рассел Галс та Джозеф Тейлор (Нобелівська премія з фізики за 1993 рік), цікавий тим, що це подвійна зірка. Дві нейтронні зірки кожна масою приблизно 1,4 маси Сонця обертаються навколо спільного центру мас. Період їх обертання зменшується на 76 мкс щороку, і через 300 млн років вони мають зіштовхнутися. Це відбувається через утрату системою енергії, що йде на коливання простору, на створення тих самих гравітаційних хвиль.
Інтерферометр LIGO складається із двох L-подібних трубок завдовжки 4 км із високим вакуумом всередині, з’єднаних у формі хреста
Пряме детектування гравітаційних хвиль — дуже важке завдання. Його можна порівняти з розрахунком відстані до зірки, віддаленої на десятки світлових років, із точністю до діаметра волосинки. Потрібно знайти масивний, але компактний рухомий об’єкт, що створить більш-менш сильні хвилі. Наприклад, систему з двох чорних дір масою 29 та 36 мас Сонця, які зливаються в одну. Ці діри мільйони років зближалися, пришвидшуючись і випромінюючи хвилі дедалі більшої амплітуди, що досягли максимуму під час злиття дір в одну. Маса новоутвореної діри дорівнює 62 сонячним замість 65. Різниця — енергія в три сонячні маси — і пішла на створення хвиль. На Землі простір коливався з амплітудою 10–21, що взагалі-то менше за розміри атомів. То як задетектувати таку незначну відстань?
Вперше ідею задетектувати гравітаційні хвилі за допомогою надчутливого інтерферометра висловили в 1962 році радянські фізики ленінградець Міхаіл Ґєрценштейн та уродженець Бердянська Владислав Пустовойт. Кілька спроб створити такий пристрій у США зазнали невдачі. Ось тут і з’являються цьогорічні нобелівські лауреати Райнер Вайсс та Кіп Торн. Цікаво, що раніше Кіп Торн був науковим консультантом та виконавчим продюсером фільму «Інтерстеллар», який отримав «Оскара» за найкращі візуальні ефекти й у якому дія відбувається в подвійній системі чорної діри та нейтронної зірки.
Читайте також: Просвітництво онлайн. Як волонтерські ініціативи здатні змінити загальний рівень освіченості суспільства
У 1970-ті роки, незважаючи на загальну зневіру науковців у можливість детектувати гравітаційні хвилі, Вайсс і Торн спробували створити свій лазерний інтерферометр. В одній із лекцій Кіп Торн казав, що спостерігати хвилі було його мрією з юності. І, долаючи численні труднощі, він зміг її реалізувати. Разом із Вайссом та шотландським фізиком Рональдом Древером вони здійснили розрахунки, створили прототип майбутнього детектора. Спершу вирішили зафіксувати всі можливі шумові перешкоди, як-от сейсмічна активність, перепади гравітаційного поля, шуми через перепади температур у пристроях, частотні нестабільності в лазерному промені тощо.
Саму обсерваторію LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія) будували й доводили до потрібної точності більш як 20 років. 1994-го до проекту долучився американський фізик-експериментатор Баррі Беріш, ще один цьогорічний нобелівський лауреат. Він створив велику наукову колаборацію та отримав фінансування від Національного наукового фонду США розміром $395 млн. Наразі це найбільша інвестиція фонду, до того ж вона була дуже ризикованою, зважаючи на складнощі поставленого завдання.
LIGO — велетенська колаборація, у якій об’єднані зусилля приблизно 40 науково-дослідних інститутів та 600 окремих науковців, і найточніший експериментальний пристрій в історії. Він складається з двох однакових інтерферометрів, які є в американських містах Генфорд, штат Вашингтон (до речі, тут містився Генфордський комплекс, у якому під час Другої світової виробляли плутоній для американської ядерної зброї), та Лівінгстон, штат Луїзіана. Відстань між ними становить 3 тис. км.
У теорії відносності енергія та маса еквівалентні. Енергія від злиття чорних дір масою 29 та 36 сонячних у велетенську діру масою 62 сонячні пішла на утворення гравітаційних хвиль. Під час злиття виділилася енергія, що дорівнює трьом масам Сонця і становить різницю між сумою мас дір до злиття й масою утвореної діри
ожен з інтерферометрів схожий на хрест із двох тунелів із високим вакуумом завдовжки 4 км, які називають «плечами». У коротких «плечах» розміщені лазер — джерело світла — та детектор. У перехресті — напівпрозоре дзеркало, що розщеплює лазерний промінь і змушує його йти вздовж великих «плечей», у кінці кожного з яких є дзеркало. Промені відбиваються від дзеркал, підсилюються в кілька сотень разів і сходяться на детекторі. Відстань, яку проходить кожен із променів, підбирають так, щоб вони взаємно «гасилися» й на детекторі не було жодного зображення. Коли ж проходить гравітаційна хвиля, довжини тунелів змінюються й детектор фіксує зображення. 14 вересня 2015 року хвиля спершу дійшла до Лівінгстона, а через 7 мс, рухаючись зі швидкістю світла, досягла Генфорда. Два інтерферометри потрібні для того, щоб надійно відкинути будь-які випадкові спрацювання одного з детекторів. До того ж це дає змогу приблизно з’ясувати напрямок на об’єкт, що породив хвилі. 2017-го до цих двох інтерферометрів приєднався Virgo (названий на честь скупчення галактик у сузір’ї Діви), розміщений неподалік італійської Пізи. 27 вересня цього року три інтерферометри зафіксували чергові гравітаційні хвилі (починаючи з 14 вересня 2015-го четверта подія) від злиття двох чорних дір і зуміли з високою точністю вказати на ділянку неба, звідки надійшов сигнал.
Цьогорічна нобелівська премія з фізики не стала сюрпризом, адже було зрозуміло, що таке важливе відкриття незабаром отримає нагороду. Була деяка інтрига щодо того, кому саме вручать премію, адже, за правилами, присудити її можуть не більш як трьом особам, а на LIGO працюють сотні науковців. Не виключено, що до пари Вайсса та Торна долучився б Рональд Древер, який починав у далекі 1970-ті цей проект і був одним із мрійників, що не зневірилися в можливості відкриття. Та, на жаль, 7 березня 2017-го він помер.
Відкриття гравітаційних хвиль — одне з найвизначніших досягнень фізики останніх років. Воно вкотре довело правильність теорії відносності, зміцнивши фундамент наукових знань про гравітацію. Стало першим прямим підтвердженням наявності чорних дір. У цьому мало хто з фізиків сумнівався, але решта інформації була опосередкованою. Відкриття показало, що чорні діри можуть зливатися в більші об’єкти. Воно стало тріумфом експериментальної науки, початком гравітаційно-хвильової астрономії, що допоможе дізнатися більше про чорні діри, нейтронні зірки. Це може бути нашим «вікном» у найперші моменти існування Всесвіту.