Наглядная гравитация

119 лет назад Альберт Майкельсон и Эдвард Морли поставили эксперимент, от которого принято отсчитывать историю теории относительности. Эксперимент закончился неудачей — авторы констатировали, что движение "мирового эфира", где распространяется свет, заметить нельзя. То, что эфира не существует вообще, доказал Эйнштейн. Позже он опубликовал статью про "искривленное" пространство-время, сделавшую возможными разговоры о квазарах, пульсарах и черных дырах — и, строго говоря, всю современную астрофизику в целом. Проект, ставящий целью перепроверить выводы Эйнштейна, стартовал в Германии в июне 2006 года. Так получилось, что выбранный для этого прибор — 600-метровый интерферометр Майкельсона GEO600 — повторяет схему устройства, позволившего усомниться в эфире в 1887 году.

Гравитационные волны, которые начал искать ганноверский интерферометр, остаются одним из самых необычных (и неподтвержденных до сих пор) следствий эйнштейновской теории. Их описывают как "складки" в пространстве-времени, которые — как и волны электромагнитного поля — можно заметить сколь угодно далеко от источника. Аналогию стоит продолжить: электромагнитное излучение порождают заряды, движущиеся неравномерно, гравитационное — ускоренные массивные тела. Разница — в масштабах явления. Чтобы на фотопленке осталась различимая темная точка, достаточно одного фотона. А чтобы земные приборы зарегистрировали гравитационную волну, необходимо событие космических масштабов — такое, например, как столкновение пары черных дыр. Но и в этом случае эффект намного слабее: речь идет о растяжениях и сжатиях пространства порядка одной секстиллионной — цифры с двадцатью нулями после запятой. Будучи помноженным на длину GEO600, такой коэффициент дает величину, в тысячи раз меньшую размеров атомного ядра.

GEO600,
GEO600, фото с сайта geo600.uni-hannover.de
Чувствительность интерферометра, как заявляют его создатели, в несколько раз выше. Миллиардные доли нанометра измеряют лазерным лучом. Полупрозрачное зеркало расщепляет его надвое и направляет пару лучей вдоль туннелей, перпендикулярных друг другу, а зеркала в конце туннелей заставляют лучи снова сойтись в одной точке. Разницу в расстояниях, пройденных светом, можно узнать по интерференционной картине — особой последовательности темных и светлых полос. У ученых будут основания считать, что прибор зарегистрировал гравитационную волну, если эта разница внезапно изменится — но только особым образом.

Путь луча охраняют со всеми предосторожностями. Детали оптической системы подвешены на "нерастяжимых" нитях из плавленой двуокиси кремния. Во избежание тряски нити связаны с системой противовесов. Чтобы лучи не встретили помех на пути, в обоих туннелях поддерживают давление в одну стомиллионную атмосферы (благодаря чему, кстати, прибор оказался на втором месте в списках самых больших вакуумных камер мира). Тем не менее, на записи накладывается неизбежный шум — например, из-за подземных толчков и даже теплового движения атомов.

Именно поэтому данные требуют расшифровки — громоздкой вычислительной процедуры. Ее, как и во многих других случаях, поручили добровольцам, согласным потратить "невостребованное" компьютерное время на решение чужих физических, биологических или астрономических задач. Распределенный расчет, запущенный в 2005 году, назвали Einstein@Home — по аналогии с самым популярным проектом такого рода, SETI@Home, цель которого — обнаружить сигналы инопланетных цивилизаций в многогигабайтных архивах 305-метрового радиотелескопа. Что любопытно, инопланетян и гравитационные волны ищут с помощью одной и той же программы.

Несмотря на заманчивость перспективы помочь Эйнштейну, шансов поймать свою волну у вычислителей-добровольцев до сих пор не было. Хотя GEO600 впервые запустили еще в 2002 году, все это время точность оставляла желать лучшего, а единственным содержанием отчетов был тезис, что в непосредственной близости от Земли подходящие источники возмущения найти нельзя.

Космический
Космический интерферометр LISA, рисунок с сайта NASA
Под "источниками" астрономы подразумевают довольно скромный список объектов-кандидатов. Во-первых, это пары черных дыр или нейтронных звезд, которые обращаются вокруг общего центра тяжести. Теряя энергию в виде волн, объекты должны постепенно сближаться и в конце концов слиться — такое развитие событий предсказывают численные модели. Систему, которая ведет себя подобным образом — пульсар PSR 1913+16 с невидимым спутником, открыли в 1974 году Хульс и Тейлор, будущие лауреаты Нобелевской премии. Ученым удалось доказать, что расстояние от каждого тела до центра масс со временем убывает. Коллеги-астрофизики (а позже и нобелевский комитет) сочли это первым, хотя и косвенным, доказательством эйнштейновской правоты.

Кроме двойных систем, надежды возлагают и на одиночные пульсары — нейтронные звезды, делающие сотни оборотов вокруг собственной оси в секунду и излучающие радиоволны. Для скорости вращения пульсаров существует два предела — с учетом гравитационных волн и без. На втором — три-четыре тысячи оборотов в секунду (или, в привычных единицах, герц) — звезду разрывает на части. Первый — около 760 герц — существует потому, что излучаемые пульсаром волны уносят энергию и заставляют его замедляться. Самый быстрый из известных пульсаров совершает за секунду 716 оборотов — и нет причин полагать, что эта величина будет вскоре превышена. А значит, волны все-таки существуют. Что, впрочем, не делает более ясным, когда их удастся найти.

Интерферометр заведомо не придется сдавать в утиль, как только открытие будет сделано. Напротив, ученые рассчитывают, что с этого момента ему будут уделять не меньше внимания, чем космическим обсерваториям. Революцию в астрофизике связывают с появлением радиотелескопов, а вслед за ними — инфракрасных и рентгеновских инструментов в середине двадцатого века. "Гравископы", в которые автоматически превратятся интерферометры, чувствительные к гравитации, окажутся способны видеть большую часть Вселенной, телескопам в принципе недоступную. Речь идет о "темной материи", которая не излучает ни в одном спектральном диапазоне и проявляет себя единственным образом — притягивая другие тела. Ни о ее структуре, ни даже о распределении в пространстве практически ничего не известно.

GEO600 — не единственный прибор, который окажется в распоряжении сторонников "гравитационной астрономии". В Японии действует 300-метровый интерферометр TAMA-300, в США — 4-километровый LIGO (данные которого одновременно с данными GEO600 расшифровываются на пользовательских компьютерах). Несмотря на размеры, все эти приборы пока уступают GEO-600 в точности. А самый точный прибор — интерферометр LISA — намерены использовать вне Земли. После того, как его выведут на орбиту, он станет самым большим из всех искусственных приборов вообще: зеркала интерферометра будут разделены расстоянием в 5 миллионов километров. Запуск, однако, намечен только на 2015 год.

Но для начала волны все-таки стоит зарегистрировать. Ставки на то, что это случится до 2010 года, несколько лет назад стала принимать крупная букмекерская контора Landbrokes. С коэффициентом пятьсот к одному — примерно такова вероятность девять раз подбросить игральную кость и девять раз увидеть четную грань.

Впрочем, как говорил сам Эйнштейн, бог не играет в кости.
Борислав Козловский

30.06.2006