Коллаборация LIGO, в которую входят более 1000 человек (из них 8 представляют физический факультет Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова), впервые наблюдала колебания пространства-времени — гравитационные волны, пришедшие на Землю от катастрофы, произошедшей далеко во Вселенной. Это подтверждает важное предсказание общей теории относительности Альберта Эйнштейна 1916 года и открывает беспрецедентное новое видение космоса.
«Научное значение этого открытия огромно. Как и в случае электромагнитных волн, мы осознаем его в полной мере через некоторое время, — говорит профессор физического факультета МГУ Валерий Митрофанов, руководитель московской группы коллаборации LIGO. — Проект LIGO начался в 1992 году, в сложное для нашей страны время, но Россия подключилась к проекту благодаря Владимиру Борисовичу Брагинскому, одному из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире. Я бы хотел отметить его заслугу в том, что он создал школу на физическом факультете МГУ, воспитанники которой смогли активно участвовать в проекте LIGO, получить результаты, важные для проекта, и вместе с огромным коллективом исследователей подойти к сегодняшнему открытию. Мы надеемся, что это вдохновит студентов, которые учатся на физическом факультете МГУ, потому что в физике сейчас есть много интересных и нерешенных проблем».
«Впервые в мире зарегистрированы летящие волны кривизны-пространства, это открытие новой эры гравитационно-волновой астрономии», — комментирует происходящее профессор физического факультета МГУ Сергей Вятчанин.
«Это выдающееся достижение, которое открывает новое направление — гравитационно-волновую астрономию — потребовало реализации крупного проекта широкой международной коллаборацией ученых, — говорит Игорь Биленко, профессор кафедры физики колебаний МГУ. — Очень важно и примечательно, что фундаментальные открытия, сделанные замечательным российским ученым Владимиром Борисовичем Брагинским и его коллегами — квантовые пределы, способы квантовых измерений и квантовые флуктуации — оказались нужны и востребованы в этом проекте».
«Ряд наших исследований оказал влияние на выбор тех или иных решений в LIGO. Московская группа сделала многое для борьбы с шумами и для поиска различных эффектов, которые в обычной жизни почти не встречаются. Их очень сложно зафиксировать, но они оказывают влияние на очень чувствительные детекторы LIGO», — говорит ассистент Леонид Прохоров.
Гравитационные волны несут информацию о своем драматическом происхождении и о природе гравитации, которая не может быть получена иным способом. Физики пришли к выводу, что обнаруженные гравитационные волны были порождены двумя черными дырами в последние доли секунды их слияния с образованием одной, более массивной вращающейся черной дыры. Возможность столкновения двух черных дыр предсказывалась, но такое событие никогда ранее не наблюдалось.
Гравитационные волны были зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 5:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах-близнецах Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO — Laser Interferometric Gravitational Observatory), расположенных в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон, США. Обсерватория LIGO финансируется Национальным научным фондом (NSF) США и была задумана, построена и эксплуатируется Калифорнийским и Массачусетским технологическими институтами (Caltech и MIT). Открытие, сообщение о котором принято к публикации в журнале Physical Review Letters, было сделано на основе показаний двух детекторов совместно научной коллаборацией LIGO (которая включает в себя также коллаборацию GEO и Австралийский консорциум интерферометрической гравитационной астрономии) и коллаборацией VIRGO.
На основании наблюдавшихся сигналов ученые LIGO оценили, что чёрные дыры, участвовавшие в этом событии, имели массы в 29 и 36 раз больше массы Солнца, а само событие произошло 1,3 миллиарда лет назад. За доли секунды примерно три солнечных массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной. Анализируя моменты прихода сигналов — детектор в Ливингстоне записал событие на 7 миллисекунд ранее детектора в Хэнфорде — ученые могут сказать, что источник был расположен в южном полушарии.
Согласно общей теории относительности, пара черных дыр, вращающихся вокруг друг друга, теряют энергию на излучение гравитационных волн, что заставляет их постепенно сближаться на протяжении миллиардов лет, и гораздо быстрее — на последних минутах. Во время последней доли секунды две черные дыры сталкиваются со скоростью почти в половину световой с образованием одной, более массивной черной дыры. При этом часть массы слившихся черных дыр превращается в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc2. Эта энергия излучается в виде сильного всплеска гравитационных волн, которые и наблюдались LIGO.
Гравитационные волны на Земле вызывают чрезвычайно малые возмущения. Детекторы LIGO обнаружили относительные колебания пар пробных масс, разнесенных на 4 км, величиною в 10-19 м (это во столько же раз меньше размера атома, во сколько атом меньше яблока).
Исследования в LIGO осуществляются в рамках научной коллаборации LIGO (LSC — LIGO Scientific Collaboration), коллективом из более 1000 ученых из университетов в Соединенных Штатах и 14 других стран, включая Россию. В разработке детекторов и анализе данных участвуют более 90 университетов и научно-исследовательских институтов, существенный вклад также вносит участие около 250 студентов.
Сеть детекторов LSC включает интерферометры LIGO и детектор GEO600. Команда GEO включает ученых из Института гравитационной физики общества Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна, AEI) и университета Лейбница в Ганновере в партнерстве с университетами Великобритании: Глазго, Кардиффа, Бирмингема и другими, а также университета Балеарских островов в Испании.
Создание LIGO для обнаружения гравитационных волн было предложено в 1980 году профессором физики MIT Райнером Вайссом, профессором теоретической физики Калтеха Кипом Торном и профессором физики того же института Рональдом Дривером. Ныне все они являются заслуженными профессорами этих институтов.
Коллаборация VIRGO состоит из более чем 250 физиков и инженеров, принадлежащих к 19 различным европейским исследовательским группам: шесть из Национального центра научных исследований (CNRS) Франции; восемь из Национального института ядерной физики (INFN) Италии; две из Нидерландов (Nikhef); (Wigner RCP) из Венгрии; группой POLGRAW из Польши и Европейской гравитационной обсерваторией (EGO), которая обеспечивает работу детектора VIRGO недалеко от Пизы в Италии.
Открытие стало возможным благодаря новым возможностям обсерватории второго поколения (Advanced LIGO), существенно модифицированной по сравнению с первым, что позволило значительно увеличить объем зондируемой Вселенной и открыть гравитационные волны уже во время первого цикла наблюдений. Национальный научный фонд США лидирует в финансовой поддержке Advanced LIGO. Финансирующие организации в Германии (Общество Макса Планка), в Великобритании (Совет по обеспечению науки и технологии) и Австралии (Австралийский совет по исследованиям) также внесли значительный вклад в проект. Некоторые из ключевых технологий, сделавших Advanced LIGO гораздо более чувствительной, были разработаны и испытаны в германо-британском проекте GEO. Значительные вычислительные ресурсы были предоставлены кластером AEI Atlas в Ганновере, лабораторией LIGO университета Сиракуз и университета Висконсина-Милуоки. Несколько университетов спроектировали, создали и испытали ключевые компоненты для Advanced LIGO: Австралийский национальный университет, университет Аделаиды, университет Флориды, Стэнфордский университет, Колумбийский университет в Нью-Йорке, университет штата Луизиана.
Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова и группой Института Прикладной физики РАН (Нижний Новгород).
Московскую группу создал и вплоть до последнего времени возглавлял член-корреспондент РАН Владимир Борисович Брагинский — всемирно известный ученый, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире. В состав научной группы, включенной в число соавторов научного открытия, также входят профессора кафедры физики колебаний: Валерий Митрофанов (нынешний руководитель коллектива), Игорь Биленко, Сергей Вятчанин, Михаил Городецкий, Фарид Халили, доцент Сергей Стрыгин и ассистент Леонид Прохоров. Неоценимый вклад в исследования внесли студенты, аспиранты и технический персонал кафедры.
Группа Московского университета участвует в проекте с 1992 года. С самого начала основные усилия были направлены на повышение чувствительности гравитационно-волновых детекторов, определение фундаментальных квантовых и термодинамических ограничений чувствительности, на разработку новых методов измерений. Теоретические и экспериментальные исследования российских ученых нашли свое воплощение при создании детекторов нового поколения, позволивших непосредственно наблюдать гравитационные волны от слияния двух черных дыр.
В процессе работы группы над проектом LIGO получены результаты, имеющие принципиальное значение не только для проекта поиска гравитационных волн, но и для физики в целом:
— Создан уникальный подвес пробных масс, выполненный из плавленого кварца. Измеренное время затухания маятниковых колебаний пробной массы составило около пяти лет. Экспериментально продемонстрировано, что в кварцевых подвесах отсутствуют избыточные механические шумы, обнаруженные в стальных нитях (соответствующая публикация: В.Б. Брагинский, В.П. Митрофанов, К.В. Токмаков, Маятники из кварцевого стекла со сверхнизкими потерями, Известия Академии наук, сер. физическая, 64, №9, 1671-1674 (2000)).
— Детально исследованы шумы, связанные с электрическими зарядами, находящимися на кварцевых зеркалах детекторов (соответствующая публикация: L.G. Prokhorov, V.P. Mitrofanov, Space charge polarization in fused silica test masses of a gravitational wave detector associated with an electrostatic drive, Classical and Quantum Gravity, 27, № 22, 225014 (2010)).
— Обнаружен новый класс фундаментальных термодинамических шумов в зеркалах детектора. Их анализ привел к существенному изменению в текущей оптической конфигурации LIGO (соответствующая публикация: V.B. Braginsky, M.L. Gorodetsky and S.P. Vyatchanin, Thermodynamical fluctuations and photo-thermal shot noise in gravitational wave antennae, Physics Letters A, 264, 1-10 (1999)).
— Указано на опасность эффекта параметрической неустойчивости интерферометра, который впоследствии был обнаружен в детекторах LIGO, предложены способы его предотвращения (соответствующая публикация: V.B. Braginsky, S.E. Strigin and S.P. Vyatchanin, Parametric oscillatory instability in Fabry-Perot (FP) interferometer, Physics Letters A, 287, 331-335 (2001)).
— Предложены и проанализированы качественно новые топологии оптической системы гравитационно-волновых детекторов, основанные на принципах квантовой теории измерений. Разработанные методы должны улучшить чувствительность следующих поколений детекторов и способствовать развитию гравитационно-волновой астрономии (соответствующая публикация: V.B. Braginsky, F.Ya. Khalili, Quantum Nondemolition Measurements: the Route from Toysto Tools, Review of Modern Physics, 68, 1-11 (1996)).