История любит повторы. История науки – тоже. Ситуация с Нобелевской премией по физике 2016-2017 годов «под копирку» воспроизводит ситуацию с премией 2012-2013 годов. Тогда те, кто не знаком с внутренней кухней премии, прочили ее Питеру Хиггсу в 2012 году за открытие его бозона, те, кто знал, что окно номинаций закрывается в январе, утверждали, что Нобелевка будет в 2013 году – и были правы.
В нынешнем году – та же история. В феврале 2016 года международная коллаборация LIGO объявила, что ими впервые в истории были зарегистрированы гравитационные волны. Одни – те, кто не знаком с процедурой – ждали премию Кипу Торну со товарищи в 2016 году, вторые – в 2017-м. Так и вышло: половину Нобелевской премии (4,5 миллиона шведских крон – примерно полмиллиона долларов) получит Райнер Вайсс, а оставшуюся половину разделят (по 2,25 млн) Барри Бэриш и знаменитый Кип Торн, первый человек в истории, который сумел «раскрутить» для популяризации науки Голливуд, использовав для этой цели фильм «Интерстеллар».
Райнер Вайсс родился в 1932 году в Берлине. В 1962 году он получил степень Массачусетского технологического института, где и работает до сих пор. Барри Бэриш родился в американском городе Омаха в 1936-м. В 1962 году он защитил диссертацию в Калифорнийском университете в Беркли, сейчас работает в Калифорнийском технологическом институте (Калтех). Кип Торн родился в 1940 году в американском городе Логан. В 1965-м получил степень PhD Принстонского университета, сейчас также работает в Калтехе.
Нужно сразу сказать, что, если бы премию вручали в 2016 году, состав номинантов мог бы быть иным: дело в том, что сегодня назвали имена двух идеологов и основателей коллаборации и ее руководителя Барри Бэриша. Еще один основатель LIGO, получивший очень престижную премию Грубера по космологии – Рональд Древер – до своей Нобелевки не дожил: он скончался в марте 2017 года.
Итак, что же такое гравитационные волны, почему они так важны и как устроена гравитационная обсерватория LIGO?
Для начала нам нужно вспомнить Альберта Эйнштейна и его Общую теорию относительности, сформулированную в 1915 году. Согласно Эйнштейну, гравитация представляет собой искривление пространства-времени. Поэтому если какая-то масса движется с ускорением (причем – не с любым, физики скажут – «с нарушением квадрупольного момента»), то по пространству-времени начинает бежать рябь – гравитационные волны. Я, когда набираю этот текст, тоже образую гравитационные волны, шевеля пальцами. Но эти волны вряд ли реально зарегистрировать, да и толку от них особо никакого.
Совсем другое дело, когда два массивных небесных тела очень тесно и очень быстро вращаются вокруг общего центра масс. Например – две черные дыры, каждая в несколько десятков солнечных масс, постепенно приближаясь друг к другу. Незадолго до того, как они сольются, они будут вращаться очень быстро – а соединившись, выделять в гравитационных волнах столько энергии, что появится шанс их «увидеть» на Земле.
Но как поймать колебания самого пространства? Если оно меняет свою геометрию, то и луч света будет искривляться. И это наш шанс. Этап первый – зафиксировать саму волну. Это делается при помощи лазерного интерферометра: в длинном L-образном вакуумном тоннеле с плечами по четыре километра много раз туда-сюда «бегает» между зеркалами лазерный луч, взаимодействуя (интерферируя) сам с собой. Если через такой детектор пройдет мощная гравитационная волна, то тогда интерференционная картинка нарушится. Но мало ли что вызывало такое нарушение. Поэтому в обсерватории LIGO (а название и расшифровывается как «лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) и создано два детектора, отстоящих друг от друга на 3002 километра.
Гравитационные волны распространяются со скоростью света. Значит, если у нас действительно гравитационная волна, то оба детектора должны зафиксировать одинаковую картинку с интервалом от нуля (фронт волны шел строго параллельно линии, соединяющей детекторы) до десяти микросекунд (фронт волны перпендикулярен). Характер пришедшей серии волн и время задержки могут нам сказать многое – и о направлении, где произошло катастрофическое событие, и о его характере. Сейчас к LIGO присоединилась европейская обсерватория VIRGO – и теперь, по трем точкам на разных сторонах земного шара, локализовать событие на участке неба можно будет точнее.
Первое такое событие зарегистрировали 14 сентября 2015 года. Две черные дыры, 29 и 36 солнечных масс, вращаясь, приближались все ближе и ближе, в итоге образовав черную дыру в 62 солнечных массы.
Вы заметили, что итоговая масса черной дыры не равна сумме масс слившихся объектов? За несколько десятых секунд в энергию гравитационных волн превратилось три массы Солнца. Это чудовищная энергия (вспомним формулу Эйнштейна E=mc2 – там «с» – это скорость света, сама по себе немалая, а тут она в квадрате). Неудивительно, что гравитационное эхо от такого события мы увидели с расстояния в 1,3 миллиарда световых лет.
Фактически гравитационные волны и гравитационно-волновая астрономия – это последнее «окно во Вселенную», которое открыли современные физики. Теперь мы можем изучать мироздание и в этой области. Как говорят эксперты, за гравитационные волны в будущем вручат еще не одну Нобелевку.