Гравитационные волны — это рябь самого пространства-времени, которая расходится со скоростью света от ускоренно движущихся массивных тел: сливающихся чёрных дыр, нейтронных звёзд и других компактных объектов. Их предсказал Эйнштейн в 1916 году, а впервые поймали детекторы LIGO в 2015 году (объявлено в 2016-м). Регистрируют их лазерными интерферометрами с плечами длиной в километры: волна растягивает одно плечо и сжимает другое, и это смещение измеряют по интерференции света.
Что такое гравитационные волны: объяснение без формул
Представьте батут. Если на него положить тяжёлый шар, ткань прогнётся. А если два шара кружат друг вокруг друга и в конце сливаются — по ткани побегут волны. Примерно так же ведёт себя пространство-время: массивные объекты его «прогибают», а их ускоренное движение порождает расходящуюся рябь. Это и есть гравитационные волны простыми словами — не звук и не свет, а деформация самой геометрии пространства.
Важно не путать их с электромагнитными волнами (свет, радио) и со звуком. Свет распространяется в электромагнитном поле, звук — в веществе, а гравитационная волна идёт сквозь пустоту и проходит сквозь материю почти без потерь. Именно поэтому её так трудно заметить: амплитуда от далёкого слияния приходит к Земле настолько слабой, что смещения зеркал меньше размеров протона.
- Возникают при ускоренном движении очень массивных компактных тел.
- Распространяются со скоростью света и не требуют среды.
- Несут информацию о событии, которое их породило: массах, вращении, расстоянии.
- Слабеют с расстоянием, поэтому источники должны быть по-настоящему грандиозными.
Именно поэтому первое обнаружение 2015 года стало сенсацией: оно подтвердило предсказание столетней давности и открыло новую астрономию, где Вселенную изучают не по свету, а по дрожанию пространства-времени.
Как обнаружили гравитационные волны: детекторы LIGO и Virgo
Детектор LIGO — это два огромных лазерных интерферометра в США: в Ханфорде (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (штат Луизиана). У каждого два плеча длиной около 4 километров, по которым бегает лазерный луч между зеркалами. Когда через детектор проходит гравитационная волна, одно плечо становится чуть длиннее, другое — чуть короче. Луч возвращается с разной задержкой, и интерференционная картина света смещается.
Смещение настолько мало, что его измеряют в долях протона. Чтобы отличить сигнал от шума, две обсерватории LIGO работают синхронно: настоящее событие приходит на них почти одновременно, а локальные помехи — нет. К ним присоединяется обсерватория Virgo в Италии, рядом с Пизой: третий детектор позволяет точнее определить направление на источник.
Первое событие GW150914
14 сентября 2015 года оба детектора LIGO зафиксировали сигнал, который назвали GW150914. Это было слияние двух чёрных дёр массой примерно 36 и 29 солнечных, произошедшее около 1,3 млрд световых лет от Земли. Сигнал шёл всего доли секунды и нарастал по частоте — его называют «чирпом». Об открытии объявили в феврале 2016 года, и с тех пор гравитационно-волновая астрономия стала регулярной.
Источники гравитационных волн и что нового узнали к 2026 году
Главные источники — слияния двойных чёрных дыр и двойных нейтронных звёзд. Когда такие объекты сближаются по спирали, они излучают волны нарастающей частоты и в момент слияния дают самый сильный всплеск. Дополнительно волны могут рождать одиночные быстро вращающиеся нейтронные звёзды с небольшой асимметрией, а также, возможно, процессы в ранней Вселенной, создавшие слабый непрерывный фон.
К 2026 году детекторы LIGO и Virgo прошли серию модернизаций и работают с повышенной чувствительностью. Это позволило регистрировать события чаще и на больших расстояниях, уточнять массы и вращение объектов, а также чаще находить слияния нейтронных звёзд. В планах — расширение сети: детектор LIGO-India, будущие Einstein Telescope и космическая обсерватория LISA, которая сможет ловить более низкочастотные волны.
- Слияния двойных чёрных дыр — самые частые зарегистрированные события.
- Слияния нейтронных звёзд дают сигнал, который можно сопоставить со вспышками света.
- Одиночные нейтронные звёзды могут давать слабый постоянный сигнал.
- Космологический фон — пока только цель будущих поисков.
Почему гравитационные волны так трудно поймать?
Потому что амплитуда смещения зеркал в детекторе меньше размера протона, а вокруг множество источников шума: сейсмические толчки, тепловые колебания зеркал, лазерные флуктуации. Чтобы выделить сигнал, нужны километровые плечи, сверхвысокий вакуум, синхронная работа нескольких детекторов и сложная обработка данных.
Можно ли почувствовать гравитационную волну без приборов?
Нет. Даже от мощного слияния смещение на Земле настолько мало, что человеческое тело его не ощущает. Зарегистрировать волну можно только прецизионными интерферометрами, и то лишь потому, что они измеряют изменения длины с фантастической точностью.