У лютому 2016 року вчені, які працюють в Лазерному інтерферометрі гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO), внесли історію, коли оголосили про перше в історії виявлення гравітаційних хвиль. З цього часу було проведено багаторазове виявлення та наукова співпраця між обсерваторіями - на кшталт Advanced LIGO та Advanced Virgo - дозволяє досягти безпрецедентного рівня чутливості та обміну даними.
Вперше виявлення гравітаційних хвиль було не лише історичним досягненням, а й спричинило нову еру астрофізики. Тож не дивно, чому троє дослідників, які займали перше місце у першому виявленні, отримали Нобелівську премію з фізики за 2017 рік. Премію спільно присуджували професори з Каліфорнії emeritus Кіп С. Баріш разом із професором MIT emeritus Райнером Вайссом.
Простіше кажучи, гравітаційні хвилі - це брижі в просторі-часі, які формуються основними астрономічними подіями - такими, як злиття бінарної пари чорної діри. Їх вперше пророкували понад століття тому теорія загальної відносності Ейнштейна, яка свідчила про те, що масштабні збурення змінять структуру простору-часу. Однак, лише до останніх років свідчення цих хвиль спостерігалися вперше.
Перший сигнал був виявлений близнюковими обсерваторіями LIGO - у Ганфорді, Вашингтоні та Лівінгстоні, штат Луїзіана, - і простежив до злиття чорної молі за 1,3 мільярда світлових років. На сьогоднішній день було проведено чотири виявлення, всі вони відбулися внаслідок злиття пар чорних дір. Вони відбулися 26 грудня 2015 р., 4 січня 2017 р. Та 14 серпня 2017 р., Останній виявлений гравітаційно-хвильовим детектором Європейської Діви LIGO.
За роль, яку вони зіграли у цьому досягненні, половину премії спільно присудили Баррі К. Баріш - професор фізики Рональда та Максин Лінде, Емерітус - та Кіп С. Торн, професор теоретичної фізики Річард П. Фейнман , Emeritus. Інша половина була присуджена Райнеру Вайссу, професору фізики, Емерітус, в Массачусетському технологічному інституті (MIT).
Як заявив президент Caltech Томас Ф. Розенбаум - голова президента Соні та Вільяма Дедаува та професор фізики - в останній заяві прес-служби Caltech:
«Мені приємно і чесно вітати Кіпа та Баррі, а також Рай Вайса з MIT з нагородою сьогодні вранці Нобелівської премії з фізики 2017 року. Перше безпосереднє спостереження гравітаційних хвиль LIGO - надзвичайна демонстрація наукового бачення та наполегливості. Через чотири десятиліття розвитку надзвичайно чутливої апаратури - підштовхуючи здатність наших уявлень - ми тепер можемо побачити космічні процеси, які раніше не виявлялися. Це справді початок нової ери в астрофізиці ».
Це досягнення було ще більш вражаючим, враховуючи, що Альберт Ейнштейн, який вперше передбачив їх існування, вважав, що гравітаційні хвилі будуть занадто слабкими для вивчення. Однак до 1960-х років прогрес у лазерній техніці та нові уявлення про можливі астрофізичні джерела змусили вчених зробити висновок, що ці хвилі насправді можна виявити.
Перші детектори гравітаційної хвилі були побудовані Джозефом Вебером, астрофізиком з університету Меріленда. Його сповіщувачі, які були побудовані в 1960-х роках, складалися з великих алюмінієвих циліндрів, які рухалися б вібрувати, пропускаючи гравітаційні хвилі. Наступні інші спроби, але всі виявилися невдалими; спонукаючи до переходу детектора нового типу, що включає інтерферометрію.
Один з таких інструментів був розроблений Вайсом в MIT, який спирався на техніку, відому як лазерна інтерферометрія. У цьому виді інструменту гравітаційні хвилі вимірюються за допомогою широко розташованих та відокремлених дзеркал, які відображають лазери на великі відстані. Коли гравітаційні хвилі призводять до того, що простір розтягується і стискається на нескінченно малі кількості, це призводить до того, що відбите світло всередині детектора зміщується на хвилину.
У той же час Торн разом зі своїми студентами та постдокторами в Caltech - почав працювати над вдосконаленням теорії гравітаційних хвиль. Сюди входили нові оцінки сили та частоти хвиль, вироблених такими предметами, як чорні діри, нейтронні зірки та наднови. Це завершилося в роботі в 1972 році, яку Трон спільно опублікував зі своїм студентом Біллом Прес, в якому узагальнено їх бачення того, як можна вивчити гравітаційні хвилі.
Того ж року Вайс також опублікував детальний аналіз інтерферометрів та їх потенціалу для астрофізичних досліджень. У цій роботі він констатував, що масштабні операції - розміром кілька км або більше - можуть спричинити виявлення гравітаційних хвиль. Він також визначив основні проблеми виявлення (наприклад, вібрації від Землі) та запропонував можливі рішення протидії їм.
У 1975 році Вайс запросив Торна виступити на засіданні комітету НАСА у Вашингтоні, округ Колумбія, і вони провели цілу ніч, розмовляючи про гравітаційні експерименти. У результаті їхньої розмови Торн повернувся до Калтеха і запропонував створити експериментальну групу гравітації, яка працюватиме над інтерферометрами паралельно з дослідниками MIT, Університету Глазго та Університету Гарчінга (де проводилися подібні експерименти).
Розробка першого інтерферометра розпочалася незабаром у Caltech, що призвело до створення 40-метрового прототипу для перевірки теорій Вайса про гравітаційні хвилі. У 1984 році вся робота, яку проводили ці відповідні установи, зібралася разом. Caltech та MIT за підтримки Національного наукового фонду (NSF) створили співпрацю LIGO та розпочали роботу над двома інтерферометрами в Ганфорді та Лівінгстоні.
Будівництво LIGO було головним завданням, як з технічної, так і технічної точки зору. Однак, речі були дуже допоможені, коли Баррі Баріш (тоді фізик частинок Кальтеху) став головним слідчим (PI) LIGO в 1994 році. Після десятиліття застопорених спроб він також став директором LIGO і повернув його будівництво на колії . Він також розширив науково-дослідну команду та розробив детальний план роботи для NSF.
Як зазначив Баріш, робота, яку він робив з LIGO, була чимось мрією:
«Я завжди хотів бути фізиком-експериментатором і мене приваблювала ідея використовувати постійний прогрес у технології для проведення фундаментальних наукових експериментів, які не можна було б зробити інакше. LIGO - це прекрасний приклад того, що раніше не можна було зробити. Хоча це був дуже масштабний проект, виклики сильно відрізнялися від того, як ми будуємо міст або здійснюємо інші великі інженерні проекти. Для LIGO виклик був і полягає в тому, як розробити та розробити сучасні інструменти у великих масштабах, навіть якщо проект розвивається ».
До 1999 року будівництво завершилось обсерваторіями LIGO, а до 2002 року LIGO почало отримувати дані. У 2008 році розпочалася робота над вдосконаленням своїх оригінальних детекторів, відомих як Advanced LIGO Project. Процес перетворення 40-метрового прототипу в поточні 4-км (22 мілі) інтерферометри LIGO був великою справою, і тому його потрібно було розбити на етапи.
Перший крок відбувся між 2002 та 2010 роками, коли команда побудувала та випробувала початкові інтерферометри. Хоча це і не призвело до виявлення, воно продемонструвало основні концепції обсерваторії та вирішило багато технічних перешкод. Наступний етап - під назвою Advanced LIGO, який відбувся між 2010 та 2015 роками - дозволив детекторам досягти нових рівнів чутливості.
Ці оновлення, що також відбулося під керівництвом Баріша, дозволили розробити декілька ключових технологій, які в кінцевому рахунку зробили можливим перше виявлення. Як пояснив Баріш:
"У початковій фазі LIGO для ізоляції детекторів від руху Землі ми використовували систему підвіски, яка складалася з дзеркал випробувальної маси, підвішених на піаніновому дроті, та використовувала багатоступеневий набір пасивних амортизаторів, подібних до тих у вашому автомобілі. Ми знали, що це, мабуть, буде недостатньо добре для виявлення гравітаційних хвиль, тому ми, в лабораторії LIGO, розробили амбітну програму Advanced LIGO, яка включила нову систему підвіски для стабілізації дзеркал та активну систему сейсмічної ізоляції, щоб зрозуміти та виправити основні рухи ».
З огляду на те, як центральні Торн, Вайс і Баріш були при вивченні гравітаційних хвиль, усі троє були справедливо визнані як цьогорічні одержувачі Нобелівської премії з фізики. І Торну, і Баріша було повідомлено, що вони виграли в ранкові ранкові години 3 жовтня 2017 року. У відповідь на новини, обидва вчені впевнено визнали постійні зусилля LIGO, наукових колективів, які сприяли цьому, та зусилля Caltech та MIT у створенні та підтримці обсерваторій.
"Премія по праву належить сотням вчених та інженерів LIGO, які створили і вдосконалили наші складні гравітаційно-хвильові інтерферометри, а також сотням вчених LIGO та Діви, які знайшли сигнали гравітаційної хвилі у галасливих даних LIGO та витягли інформацію про хвилі, - сказав Торн. "Прикро, що через статути Нобелівського фонду премія повинна дістати не більше трьох людей, коли наше дивовижне відкриття - це робота понад тисячі".
"Мені принижено і чесно отримати цю нагороду", - сказав Баріш. «Виявлення гравітаційних хвиль - це справді тріумф сучасної масштабної експериментальної фізики. Протягом кількох десятиліть наші команди Caltech та MIT розробили LIGO в неймовірно чутливий пристрій, який зробив це відкриття. Коли сигнал потрапив до LIGO від зіткнення двох зоряних чорних дір, що стався 1,3 мільярда років тому, наукова співпраця LIGO на 1000 науковців змогла як за лічені хвилини визначити події кандидата, так і провести детальний аналіз, який переконливо продемонстрував, що гравітаційні хвилі існують. "
Забігаючи наперед, також цілком зрозуміло, що Advanved LIGO, Advanced Dego та інші обсерваторії гравітаційних хвиль у всьому світі тільки починають працювати. Окрім виявлення чотирьох окремих подій, останні дослідження показали, що виявлення гравітаційних хвиль також може відкрити нові межі для астрономічних та космологічних досліджень.
Наприклад, нещодавнє дослідження групи дослідників з Центру астрофізики Монаша запропонувало теоретичну концепцію, відому як «пам'ять сироти». Згідно з їхніми дослідженнями, гравітаційні хвилі не тільки викликають хвилі в просторі-часі, але й залишають постійні пульсації в його структурі. Вивчаючи «сиріт» минулих подій, гравітаційні хвилі можна вивчити як у міру досягнення Землі, так і довго після того, як вони пройдуть.
Крім того, в серпні було опубліковано дослідження астрономів з Центру космології Каліфорнійського університету Ірвайн, яке вказувало на те, що злиття чорних дір набагато частіше, ніж ми думали. Провівши опитування космосу, призначеного для обчислення та класифікації чорних дір, команда UCI визначила, що в галактиці може бути аж 100 мільйонів чорних дір.
Ще одне нещодавнє дослідження показало, що розширена мережа гравітаційно-хвильових детекторів LIGO, GEO 600 та Діва також може бути використана для виявлення гравітаційних хвиль, створених надновими. Виявивши хвилі, створені зіркою, що вибухають біля кінця їхнього життя, астрономи змогли вперше побачити всередині зірваних зірок серця і дослідити механізм утворення чорних дір.
Нобелівська премія з фізики - одна з найвищих відзнак, яку можна віддати вченому. Але навіть більшим за це є знання про те, що великі речі були наслідком власної роботи. Десятиліття після Торна, Вайса і Баріша почали пропонувати дослідження гравітаційних хвиль і працювати над створенням детекторів, вчені з усього світу роблять глибокі відкриття, які революційно змінюють те, як ми думаємо про Всесвіт.
І як ці вчені неодмінно засвідчують, що ми бачили дотепер - це лише вершина айсберга. Можна уявити, що десь Ейнштейн теж проміє гордістю. Як і в інших дослідженнях, що стосуються його теорії загальної відносності, вивчення гравітаційних хвиль демонструє, що навіть через століття його передбачення все ще не вдається!
І обов’язково перегляньте це відео прес-конференції Caltech, де Баріш і Торн були удостоєні своїх заслуг:
