Гравитация долгое время казалась человечеству вечной, неизменной и мгновенно действующей силой, удерживающей Вселенную воедино. Однако современная физика предлагает принципиально иной взгляд: гравитационное поле способно изгибать и закручивать ткань самого пространства. В данном материале ведущий научно-популярного канала Fermilab подробно объясняет, как ученым удалось экспериментально измерить скорость этих пространственных искажений и окончательно разрешить многовековой спор величайших умов.
🌌 От бесконечности к скорости света: исторический спор физиков 0:37
Вопрос о том, с какой скоростью распространяется гравитация, занимал умы ученых на протяжении нескольких столетий. Первая глубокая научная теория гравитации была разработана сэром Исааком Ньютоном и опубликована в 1687 году. Согласно ньютоновской механике, гравитационное взаимодействие передавалось в любую точку Вселенной абсолютно мгновенно, то есть с бесконечной скоростью.
Однако концепция Ньютона не осталась неизменной. В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, полностью перевернувшую представления о космосе. Эйнштейн предложил интерпретировать гравитацию не как дальнодействующую силу, а как геометрическое искажение самой ткани пространства и времени. По его теории, массивные объекты, такие как звезды и планеты, меняют форму окружающего пространства, а любые изменения этих искажений должны распространяться по космосу в виде особого феномена — гравитационного излучения. Великий физик постулировал, что скорость гравитационных волн строго идентична скорости света.
💥 Природа гравитационных волн и проблема их фиксации 2:11
Поскольку физика является строгой эмпирической наукой, для подтверждения теории Эйнштейна или Ньютона требовалось провести реальное физическое измерение. Главная сложность заключалась в том, что для определения скорости гравитации ученым необходимо было научиться фиксировать гравитационные волны. Проходя сквозь материальные объекты, эти волны циклически изменяют их физические размеры: например, человек под воздействием гравитационной волны должен на мгновение уменьшаться в росте и расширяться в ширину, а затем наоборот.
Альберт Эйнштейн предсказал существование таких волн еще в 1916 году, но человечеству потребовался целый век, чтобы разработать надежную методологию и технологии для их обнаружения. Любой движущийся массивный объект создает гравитационные волны, однако в большинстве случаев они ничтожно малы. По словам ведущего канала Fermilab, единственный известный способ получить достаточно сильное гравитационное излучение — заставить сверхплотные астрономические объекты звездной массы двигаться с огромным ускорением по колеблющейся траектории. К счастью, Вселенная наполнена бинарными системами, состоящими из двух мертвых массивных звезд или черных дыр, вращающихся друг вокруг друга.
Для понимания масштабов ведущий приводит следующие характеристики минимальных черных дыр:
- Их масса превышает массу Солнца минимум в три раза.
- Их физический диаметр составляет всего около 6 миль или 10 километров.
Благодаря колоссальной плотности и малому радиусу, такие черные дыры могут сближаться на экстремально короткие расстояния. В процессе взаимного вращения они развивают скорость, составляющую ощутимую долю от скорости света, и испытывают колоссальное ускорение, излучая мощные потоки гравитационной радиации.
🔬 Лазерные интерферометры LIGO: технологии на грани фантастики 4:38
Несмотря на огромную мощность излучения в эпицентре космических катастроф, до Земли эти волны доходят в сильно ослабленном виде, вызывая лишь микроскопические изменения физических размеров. Чтобы зафиксировать их, потребовался невероятно точный инструмент. В 1990-х годах исследователи начали грандиозное строительство лазерно-интерферометрических гравитационно-волновых обсерваторий, известных как LIGO.
Каждый комплекс LIGO устроен следующим образом:
- Он состоит из двух полых вакуумных труб, расположенных перпендикулярно в форме буквы L.
- Длина каждой трубы составляет ровно 4 километра (около 2,5 миль).
- Мощный лазер направляется по трубе к зеркалу, отражается и возвращается обратно на высокоточный детектор.
Благодаря сложнейшей оптической системе и многократным отражениям луча, обсерватория LIGO способна фиксировать изменения длины своих четырехкилометровых «плеч» с феноменальной точностью — до одной тысячной доли диаметра протона. Чтобы исключить локальные помехи и определять направление на источник волн, в США построили два таких комплекса: один в штате Луизиана, другой — в Вашингтоне. Аналогичные системы позже появились в Европе и Японии.
Долгожданный технологический прорыв произошел в 2015 году, когда исследователи впервые в истории зафиксировали реальные гравитационные волны. Источником сигнала стало столкновение двух стремительно вращающихся черных дыр, произошедшее примерно 1,3 миллиарда лет назад в далекой галактике.
🌠 Мультимессенджерная астрономия и точное измерение скорости гравитации 5:56
Факт обнаружения гравитационных волн стал триумфом науки, однако сам по себе он не давал точного ответа на вопрос о скорости их движения. Физики могли рассчитать разницу во времени прохождения волны между детекторами в Луизиане и Вашингтоне, расстояние между которыми составляет около 3000 километров (1900 миль). Но этот временной сдвиг сильно зависит от угла, под которым волна прошивает планету, что не позволяет добиться абсолютной точности. Для идеального вычисления необходимо знать точный момент времени, когда произошло космическое столкновение. Поскольку черные дыры не излучают свет, зафиксировать момент их слияния оптически невозможно.
Решение пришло со стороны другого типа космических объектов — нейтронных звезд, представляющих собой менее массивные, но все еще сверхплотные остатки умерших светил. При столкновении двух нейтронных звезд рождаются не только гравитационные волны, но и мощнейшая вспышка электромагнитного излучения, которую можно увидеть в обычные телескопы.
Осенью 2017 года ученым улыбнулась грандиозная удача:
- Гравитационные детекторы на Земле зарегистрировали прохождение пространственной волны.
- Примерно через две секунды космические орбитальные телескопы зафиксировали короткий всплеск гамма-излучения из глубокого космоса.
Анализ данных показал, что оба сигнала исходили из одной и той же точки на небе — эллиптической галактики NGC 4993, расположенной в созвездии Гидры на расстоянии около 144 миллионов световых лет от Земли. Это означало, что само столкновение произошло 144 миллиона лет назад, а свет и гравитация были излучены практически одновременно.
Оба импульса путешествовали сквозь космическое пространство в течение 144 миллионов лет, что эквивалентно примерно $4.5 \times 10^{15}$ секунд. Учитывая, что они прибыли на Землю с разницей всего в две секунды, физики смогли утверждать с ничтожно малой погрешностью: гравитация движется со скоростью света. Возможная разница между ними составляет менее одной квадриллионной доли.
Небольшая двухсекундная задержка светового сигнала, как объясняет ведущий Fermilab, имеет простое физическое объяснение: гравитационное излучение достигает своего пика непосредственно перед физическим столкновением звезд, в то время как яркая световая вспышка генерируется в сам момент удара и сразу после него. Таким образом, с помощью мультимессенджерной астрономии — метода, объединяющего регистрацию принципиально разных типов сигналов — гипотеза Эйнштейна получила абсолютное экспериментальное подтверждение.
