Последние новости науки

К 2006 году физики планируют зафиксировать всплеск гравитационных волн (статья Игоря Горюнова из газеты "Поиск" 26.01.01, печатается с сокращениями).

На одном из последних заседаний Президиума РАН Юрий Осипов вручил диплом иностранного члена Российской академии наук известному американскому физику, профессору Калифорнийского технологического института Кипу Торну.

Профессор Торн - признанный авторитет в области теоретической физики и релятивистской астрофизики, им сделан основополагающий вклад в исследование астрофизических источников гравитационного излучения и в теорию гравитационных антенн. Он предложил и разработал математический аппарат - постньютоновский формализм, позволивший предсказать ряд новых релятивистских эффектов, а также внес большой вклад в разработку гравитационно-волновых антенн на свободных массах.

Кип Торн - один из инициаторов и главных идеологов проекта по созданию крупнейшего в мире гравитационного телескопа LIGO. Благодаря ему значительно увеличилось количество российских ученых и специалистов, принимающих участие в реализации этого грандиозного проекта.

Профессор Торн - автор более 140 научных работ и 6 монографий. Он является одним из соавторов фундаментальной монографии "Гравитация", которая широко используется в качестве учебного пособия в вузах и университетах многих стран мира, в том числе и в российских.

После вручения диплома профессор Кип Торн выступил перед членами президиума и присутствующими на заседании с научным сообщением "Черные дыры и гравитационные волны".

Гравитационные волны представляют собой распространяющиеся со скоростью света колебания кривизны тяжести, "рябь на поверхности ткани пространства-времени". Можно сказать, что они так относятся к обычной ньютоновской силе тяжести, как электромагнитные волны к кулоновской электростатической силе. Гравитационные волны были предсказаны еще Альбертом Эйнштейном в Общей теории относительности. Их существование косвенно подтверждается характером движения двойных пульсаров, но непосредственно они до сих пор еще не зарегистрированы.

Гравитационные волны излучаются любыми массами вещества, движущимися с переменным ускорением. Гравитационное излучение от доступных в обычных лабораторных условиях масс ничтожно мало. Однако в астрофизических процессах всплески такого излучения могут быть весьма мощными. Так, например, при слиянии двух нейтронных звезд энергия всплеска составляет около 1045 Дж (то есть примерно 1 процент от массы звезд превращается в гравитационную волну). Если такое слияние произошло на расстоянии даже 100 миллионов световых лет от Земли, то и в этом случае, когда волна достигнет нашей планеты, ее интенсивность составит 10-3 Вт/м2.

Как предполагают физики, мощное гравитационное излучение имело место в момент Большого Взрыва и при глобальных фазовых переходах на ранних стадиях развития нашей Вселенной. Мощные всплески такого излучения возникают и при слиянии черных дыр, взрывах сверхновых звезд и других астрофизических катастрофах.

В гравитационной волне содержится информация, которая может существенно расширить представления ученых о структуре Вселенной. Гравитационные волны даже значительной интенсивности очень слабо взаимодействуют с обычной материей и представляют собой наиболее многообещающую пробу "темной" (нефиксируемой глазом и обычными физическими приборами) материи, которая, по оценкам специалистов, может составлять до 90 процентов всей массы Вселенной.

В настоящее время во многих странах уже работают или создаются крупные установки по детектированию гравитационных волн. При этом фиксация излучений космических источников будет производиться в четырех диапазонах длин волн. В высокочастотном диапазоне (от 10 до 10000 Гц, длина волны от 300 до 30000 км) ее будет осуществлять сеть наземных лазерных интерферометрических гравитационных антенн. В нее входят американский проект LIGO, франко-итальянский VIRGO, германо-английский GEO-600 и японский - TAMA. Эта сеть начнет функционировать в 2002 году. Низкочастотный диапазон (от 1 до 0,0001 Гц, длина волны от 0,1 до 10 радиусов земной орбиты) будет фиксировать евро-американская спутниковая система LISA, которая вступит в строй к 2010 году. В третьем диапазоне (длина волны от 1 до 1000 световых лет) в настоящее время уже действует "антенна" на основе распределенных по земному шару радиотелескопов, в том числе и размещенных в России (ФИАН-ОКБ МЭИ), очень точно регистрирующих время "прихода" на Землю радиоимпульсов от миллисекундных пульсаров. Наконец, будут продолжаться поиски гравитационных волн в четвертом диапазоне (длина волны от 108 до 1010 световых лет), основанные на высокоточном измерении анизотропии интенсивности космического радиоизлучения с помощью наземных и космических радиотелескопов.

Далее Кип Торн рассказал о двух проектах - наземном и космическом. Проект LIGO включает в себя две гравитационные антенны, расположенные в США на расстоянии несколько тысяч километров друг от друга. Каждая из антенн состоит из двух плеч-интерферометров Фабри-Перо длиной около 4 км, оканчивающихся высококачественными зеркалами из кварца (обсуждается также возможность использования в качестве материала зеркал сапфира). Когда гравитационная волна приходит на детектор, она увеличивает длину одного плеча и уменьшает длину другого. Через полупериод волны все происходит наоборот.

Сложность реализации этого проекта заключается в чрезвычайной слабости взаимодействия гравитационных волн (даже значительной интенсивности) с обычной материей. Например, при интенсивности 10-3 Вт/м2 гравитационная волна от сливающихся нейтронных звезд вызывает взаимные колебания двух тел (оптических зеркал, разнесенных в проектах LIGO и VIRGO на расстояние 3 - 4 км) частотой около 100 Гц и амплитудой всего 10-16 см. Тем не менее ученые уже к 2006 году на этапе реализации проекта LIGO-II планируют достичь чувствительности при измерении амплитуды малых механических колебаний приблизительно 10-17 см. Достижение такой чувствительности - трудная технологическая задача. Ее решение потребует значительного развития технологии высокочувствительных измерений: обеспечения высокой стабильности излучения лазеров, повышения качества отражающей способности зеркал и т.д. Возглавляет проект LIGO Калифорнийский технологический институт. В нем также участвуют 250 ученых и инженеров из 25 институтов различных стран мира, которые формулируют задачи и выполняют исследовательские работы. В разработке новых методов измерений для антенн участвуют и российские ученые из МГУ и Института прикладной физики РАН, которым уже удалось получить обнадеживающие результаты.

Переходя к научной стороне дела, докладчик сформулировал основной вопрос, стоящий перед учеными: какие данные можно получить при помощи сети лазерных интерферометрических гравитационных антенн? Первое - уловить всплеск при слиянии либо двух нейтронных звезд, либо черных дыр. На уровне чувствительности, соотвествующем первому этапу проекта LIGO, 100-процентной уверенности в успехе у физиков нет. А с реализацией проекта LIGO-II в 2006 году такая уверенность у ученых появляется. Физики надеются, что на этом этапе всплески гравитационных волн от слияния двух нейтронных звезд на расстоянии до миллиарда световых лет от Земли можно будет наблюдать с частотой от двух в год до одного в день, от слияния нейтронных звезд с черными дырами - от одного в год до трех в день. А слияния черных дыр на расстоянии до пяти миллиардов световых лет будут наблюдаться с частотой от одного события в месяц до шести в день.

Ученые предполагают измерить массы, вращательный момент и расстояние до источника гравитационного излучения и, может быть, зафиксировать множество релятивистских гравитационных эффектов, которые до сих пор не были обнаружены.

Например, при слиянии нейтронной звезды с черной дырой последняя разорвет нейтронную звезду, и по фону всплеска можно будет судить о свойствах ядерной материи. При слиянии двух черных дыр физики будут иметь возможность наблюдать динамику скрутки пространства и времени. Это связано с тем, что черные дыры сделаны не из материи, а состоят, по образному выражению Торна, исключительно из кривизны пространства-времени. Черная дыра при своем вращении увлекает за собой окружающее пространство примерно таким же образом, как торнадо закручивает воздух. Форма всплеска несет информацию об этом процессе. Естественно, ученые имеют модель этого процесса и хотят попытаться вычислить на суперкомпьютере форму этого всплеска. Однако Кип Торн полагает, что физики раньше увидят этот всплеск, чем математики его просчитают.

После реализации проекта LISA, примерно через 10 лет, область исследований гравитационных волн значительно расширится - волны будут изучаться с помощью спутниковой системы. Европейское космическое общество уже утвердило осуществление этого проекта, и НАСА тоже очень близко к принятию аналогичного решения. Пробный полет намечен на 2006 год, а окончательный запуск низкочастотных антенн - на 2010-й. В ближайшие 20 - 30 лет, сказал К.Торн, с помощью этих антенн мы будем изучать "темную" материю Вселенной, которая почти не дает электромагнитного излучения, а вся информация связана с изучением гравитационных волн.

Вполне возможно, что открытие гравитационных волн во всех четырех диапазонах длин волн произведет революцию в нашем понимании Вселенной, сравнимую с той, которая произошла во второй половине ХХ века, когда были созданы телескопы для рентгеновского и гамма-излучений. Реализация этого проекта позволит представить, что творилось во Вселенной в первую секунду ее существования.


Цитируется по http://www.poisknews.ru/


[ Предыдущее сообщение     Оглавление     Последующее сообщение ]



vlad@ssl.nsu.ru