Что именно открыли

Физики напрямую зарегистрировали гравитационные волны. Это произошло 14 сентября 2015 года в 05:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах обсерватории LIGO.

Они были порождены двумя черными дырами (в 29 и 36 раз тяжелее Солнца) в последние доли секунды перед их слиянием в более массивный вращающийся гравитационный объект (в 62 раза тяжелее Солнца). За доли секунды примерно три солнечные массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной. Слияние черных дыр произошло 1,3 миллиарда лет назад (столько времени гравитационное возмущение распространялось до Земли).

Что важно

Во-первых, физики впервые напрямую зарегистрировали гравитационные волны. Ранее это удавалось сделать лишь косвенным путем, наблюдая за потерей энергии пульсарами. Во-вторых, общая теория относительности, сформулированная в 1915 году Альбертом Эйнштейном, снова была подтверждена. В-третьих, ученые еще раз доказали существование черных дыр. Эксперименты физиков отлично объясняются современными теоретическими моделями.

В-четвертых, физики продемонстрировали астрономам возможности исследования космоса при помощи гравитации. До сих пор основную информацию о далеких объектах ученые получали в электромагнитных диапазонах (оптическом, рентгеновском, инфракрасном и ультрафиолетовом). Основная инициатива создания LIGO исходила от физиков, тогда как астрономы предпочитали продолжать исследования космоса консервативными методами.

Зачем открыли

Повышение чувствительности гравитационно-волновых антенн может привести к открытию множества источников волн пространства-времени. С этой целью могут быть модернизированы существующие гравитационные обсерватории и открыты новые. Прогресс в зарождающемся новом способе исследования космоса ограничивает стоимость гравитационных обсерваторий (LIGO обошлась примерно в 370 миллионов долларов).

В перспективе при помощи гравитационно-волновых антенн можно с высокой точностью измерить ускоренное расширение Вселенной, оценить работоспособность существующих космологических моделей, проверить отклонение от сферической формы нейтронных звезд и обнаружить (в случае их существования) космические струны — одномерные дефекты пространства-времени, возникшие после Большого взрыва.

Что такое гравитационная волна

Гравитационная волна представляет собой колебания пространства-времени — иначе говоря, распространяющуюся в нем рябь: если шарик на капроне начнет периодическое движение, то капрон, выступающий в этой аналогии пространством-временем, также начнет колебаться. Волны от движущегося в центре капроновой поверхности шарика начнут распространяться. Именно они и являются аналогами гравитационных возмущений.

Массивное тело, помещенное в пространство-время, вызывает его искривление. В частности, траектория светового луча, распространяющегося рядом с тяжелым объектом, искривляется от прямолинейной. Эффект был экспериментально подтвержден. Наглядно это можно представить, поместив тяжелый шарик на натянутый капрон: он вызовет прогиб плоской капроновой поверхности, которая в этом случае выступает аналогией пространства-времени.

Что такое черная дыра

В 1916 году немецкий ученый Карл Шварцшильд нашел первое решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Оно описывает гравитационное поле, созданное центрально-симметричным распределением масс с нулевым электрическим зарядом. Это решение содержало так называемый гравитационный радиус тела, определяющий размеры объекта со сферически-симметричным распределением материи, который не способны покинуть фотоны (движущиеся со скоростью света кванты электромагнитного поля).

Определенная таким образом Шварцшильдова сфера тождественна понятию горизонта событий, а массивный ограниченный ею объект — черной дыре. Описанная Шварцшильдом черная дыра является статической, то есть неподвижной (невращающейся). В природе таких дыр, по всей видимости, нет. Практически любая реальная черная дыра будет вращаться и иметь ненулевой заряд (для этого достаточно, чтобы она поглотила хотя бы одну заряженную элементарную частицу). Вращающиеся заряженные черные дыры впервые описал Рой Керр, который за это недавно получил премию Краффорда.

Чья заслуга

Обсерватория LIGO представляет собой гравитационно-волновую антенну, образованную двумя идентичными детекторами, расположенными в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон) в США на расстоянии более трех тысяч километров друг от друга.

Исследования в LIGO осуществляются в рамках одноименной коллаборации более чем тысячи ученых из США и 14 других стран, включая Россию, которая представлена двумя группами из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород).