Рябь времени, или когда физика лучше фантастики. Пространство волнуется раз Технологии появятся нескоро
Гравитационные волны, теоретически предсказанные Эйнштейном еще в 1917 году, все еще дожидаются своего первооткрывателя.
Алексей Левин
В конце 1969 года профессор физики Мэрилендского университета Джозеф Вебер сделал сенсационное заявление. Он объявил, что обнаружил волны тяготения, пришедшие на Землю из глубин космоса. До того времени ни один ученый не выступал с подобными претензиями, да и сама возможность детектирования таких волн считалась далеко не очевидной. Однако Вебер слыл авторитетом в своей области, и посему коллеги восприняли его сообщение с полной серьезностью.
Однако вскоре наступило разочарование. Амплитуды волн, якобы зарегистрированных Вебером, в миллионы раз превышали теоретическую величину. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрофизики предположили, что там скрывается гигантская черная дыра, которая ежегодно пожирает тысячи звезд и выбрасывает часть поглощенной энергии в виде гравитационного излучения, а астрономы занялись тщетным поиском более явственных следов этого космического каннибализма (сейчас доказано, что черная дыра там действительно есть, но ведет она себя вполне пристойно). Физики из США, СССР, Франции, Германии, Англии и Италии приступили к экспериментам на детекторах того же типа — и не добились ничего.
Ученые до сих пор не знают, чему приписать странные показания приборов Вебера. Однако его усилия не пропали даром, хотя гравитационные волны до сих пор так и не обнаружены. Несколько установок для их поиска уже построены или строятся, а лет через десять такие детекторы будут выведены и в космос. Вполне возможно, что в не столь отдаленном будущем гравитационное излучение станет такой же наблюдаемой физической реальностью, как и электромагнитные колебания. К сожалению, Джозеф Вебер этого уже не узнает — он умер в сентябре 2000 года.
Что такое волны тяготения
Часто говорят, что гравитационные волны — это распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения. Такое определение правильно, но неполно. Согласно общей теории относительности, тяготение возникает из-за искривления пространственно-временного континуума. Волны тяготения — это флуктуации пространственно-временной метрики, которые проявляют себя как колебания гравитационного поля, поэтому их часто образно называют пространственно-временной рябью. Гравитационные волны были в 1917 году теоретически предсказаны Альбертом Эйнштейном. В существовании их никто не сомневается, но гравитационные волны все еще дожидаются своего первооткрывателя.
Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания волн тяготения необходимы ускорения, но не любые. Цилиндр, который вращается вокруг своей оси симметрии, испытывает ускорение, однако его гравитационное поле остается однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле станет осциллировать и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.
Этот вывод относится к любому телу (или системе тел), несимметричному относительно оси вращения (в таких случаях говорят, что тело имеет квадрупольный момент). Система масс, квадрупольный момент которой меняется со временем, всегда излучает гравитационные волны.
Гравитационные маяки космоса
Гравитационное излучение земных источников чрезвычайно слабо. Стальная колонна массой 10 000 тонн, подвешенная за центр в горизонтальной плоскости и раскрученная вокруг вертикальной оси до 600 об./мин, излучает мощность примерно 10 -24 Вт. Поэтому единственная надежда обнаружить волны тяготения — найти космический источник гравитационного излучения.
В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды. Причина проста: мощность гравитационного излучения такой системы растет в обратной пропорции к пятой степени ее поперечника. Еще лучше, если траектории звезд сильно вытянуты, так как при этом возрастает скорость изменения квадрупольного момента. Совсем хорошо, если двойная система состоит из нейтронных звезд или черных дыр. Такие системы подобны гравитационным маякам в космосе — их излучение имеет периодический характер.
В космосе существуют и «импульсные» источники, порождающие короткие, но чрезвычайно мощные гравитационные всплески. Подобное происходит при коллапсе массивной звезды, предшествующем взрыву сверхновой. Однако деформация звезды должна быть асимметричной, иначе излучение не возникнет. Во время коллапса гравитационные волны могут унести с собой до 10% полной энергии светила! Мощность гравитационного излучения в этом случае составляет порядка 10 50 Вт. Еще больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд, здесь пиковая мощность достигает 10 52 Вт. Превосходный источник излучения — столкновение черных дыр: их массы могут превышать массы нейтронных звезд в миллиарды раз.
Еще один источник гравитационных волн — космологическая инфляция. Сразу после Большого взрыва Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться, и меньше чем за 10 -34 секунды ее поперечник увеличился с 10 -33 см до макроскопического размера. Этот процесс неизмеримо усилил гравитационные волны, существовавшие до его начала, и их потомки сохранились до сих пор.
Косвенные подтверждения
Первое доказательство существования волн тяготения связано с работами американского радиоастронома Джозефа Тейлора и его студента Расселла Халса. В 1974 году они обнаружили пару обращающихся друг вокруг друга нейтронных звезд (излучающий в радиодиапазоне пульсар с молчаливым компаньоном). Пульсар вращался вокруг своей оси со стабильной угловой скоростью (что бывает далеко не всегда) и поэтому служил исключительно точными часами. Эта особенность позволила измерить массы обеих звезд и выяснить характер их орбитального движения. Оказалось, что период обращения этой двойной системы (около 3 ч 45 мин) ежегодно сокращается на 70 мкс. Эта величина хорошо согласуется с решениями уравнений общей теории относительности, описывающих потерю энергии звездной пары, обусловленную гравитационным излучением (впрочем, столкновение этих звезд случится нескоро, через 300 млн. лет). В 1993 году Тейлор и Халс были удостоены за это открытие Нобелевской премии.
Гравитационно-волновые антенны
Как обнаружить гравитационные волны экспериментально? Вебер использовал в качестве детекторов сплошные алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезодатчиками на торцах. Их с максимальной тщательностью изолировали от внешних механических воздействий в вакуумной камере. Два таких цилиндра Вебер установил в бункере под полем для гольфа Мэрилендского университета, и один — в Аргоннской национальной лаборатории.
Идея эксперимента проста. Пространство под действием гравитационных волн сжимается и растягивается. Благодаря этому цилиндр вибрирует в продольном направлении, выступая в качестве гравитационно-волновой антенны, а пьезоэлектрические кристаллы переводят вибрации в электрические сигналы. Любое прохождение космиче-ских волн тяготения практически одновременно действует на детекторы, разнесенные на тысячу километров, что позволяет отфильтровать гравитационные импульсы от различного рода шумов.
Веберовские датчики были в состоянии заметить смещения торцов цилиндра, равные всего 10 -15 его длины — в данном случае 10 -13 см. Именно такие колебания Веберу удалось обнаружить, о чем он впервые и сообщил в 1959 году на страницах Physical Review Letters. Все попытки повторить эти результаты оказались тщетными. Данные Вебера к тому же противоречат теории, которая практически не позволяет ожидать относительных смещений выше 10 -18 (причем гораздо вероятнее значения менее 10 -20). Не исключено, что Вебер напутал при статистической обработке результатов. Первая попытка экспериментально обнаружить гравитационное излучение закончилась неудачей.
В дальнейшем гравитационно-волновые антенны значительно усовершенствовали. В 1967 году американский физик Билл Фэйрбанк предложил охлаждать их в жидком гелии. Это не только позволило избавиться от большей части тепловых шумов, но и открыло возможность применения сквидов (сверхпроводящих квантовых интерферометров), точнейших сверхчувствительных магнитометров. Реализация этой идеи оказалась сопряжена с множеством технических трудностей, и сам Фэйрбанк до нее не дожил. К началу 1980-х годов физики из Стэнфордского университета построили установку с чувствительностью 10 -18 , однако волн не зарегистрировали. Сейчас в ряде стран действуют ультракриогенные вибрационные детекторы волн тяготения, работающие при температурах лишь на десятые и сотые доли градуса выше абсолютного нуля. Такова, например, установка AURIGA в Падуе. Антенной для нее служит трехметровый цилиндр из алюминиево-магниевого сплава, диаметр которого составляет 60 см, а вес — 2,3 т. Он подвешен в вакуумной камере, охлаждаемой до 0,1 К. Его сотрясения (с частотой порядка 1000 Гц) передаются на вспомогательный резонатор массой в 1 кг, который колеблется с такой же частотой, но много большей амплитудой. Эти вибрации регистрируются измерительной аппаратурой и анализируются с помощью компьютера. Чувствительность комплекса AURIGA — около 10 -20 -10 -21 .
Интерферометры
Еще один способ детектирования волн тяготения основан на отказе от массивных резонаторов в пользу световых лучей. Первыми в 1962 году его предложили советские физики Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт, а двумя годами позже и Вебер. В начале 1970-х сотрудник исследовательской лаборатории корпорации Hughes Aircraft Роберт Форвард (в прошлом аспирант Вебера, в дальнейшем весьма известный писатель-фантаст) построил первый такой детектор с вполне приличной чувствительностью. Тогда же профессор Массачусетсского технологического института (MIT) Райнер Вайсс выполнил очень глубокий теоретический анализ возможностей регистрации гравитационных волн с помощью оптических методов.
Эти методы предполагают использование аналогов прибора, с помощью которого 125 лет назад физик Альберт Майкельсон доказал, что скорость света строго одинакова по всем направлениям. В этой установке, интерферометре Майкельсона, пучок света попадает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластинки. Затем пучки опять сливаются и падают на экран, где возникает интерференционная картина (светлые и темные полосы и линии). Если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картинка должна измениться, если нет — остаться такой же, что и раньше.
Интерференционный детектор волн тяготения работает сходным образом. Проходящая волна деформирует пространство и изменяет длину каждого плеча интерферометра (пути, по которому свет идет от делителя до зеркала), растягивая одно плечо и сжимая другое. Интерференционная картинка меняется, и это можно зарегистрировать. Но это непросто: если ожидаемое относительное изменение длины плеч интерферометра составляет 10 -20 , то при настольных размерах прибора (как у Майкельсона) оно оборачивается колебаниями амплитудой порядка 10 -18 см. Для сравнения: волны видимого света в 10 трлн. раз длиннее! Можно увеличить протяженность плеч до нескольких километров, однако проблемы все равно останутся. Лазерный источник света должен быть и мощным, и стабильным по частоте, зеркала — идеально плоскими и идеально отражающими, вакуум в трубах, по которым распространяется свет, — максимально глубоким, механическая стабилизация всей системы — воистину совершенной. Короче говоря, интерференционный детектор гравитационных волн — прибор дорогой и громоздкий.
Сегодня самая большая установка такого рода — американский комплекс LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Он состоит из двух обсерваторий, одна из которых находится на тихоокеанском побережье США, а другая — неподалеку от Мексиканского залива. Измерения производят с помощью трех интерферометров (два в штате Вашингтон, один в Луизиане) с плечами четырехкилометровой длины. Установка снабжена зеркальными накопителями света, которые увеличивают ее чувствительность. «С ноября 2005 года все три наших интерферометра работают в нормальном режиме, — рассказал «Популярной механике» представитель комплекса LIGO Питер Солсон, профессор физики Сиракузского университета. — Мы постоянно обмениваемся данными с другими обсерваториями, пытающимися обнаружить гравитационные волны частотой в десятки и сотни герц, возникшие при самых мощных взрывах сверхновых и слиянии нейтронных звезд и черных дыр. Сейчас в строю находится немецкий интерферометр GEO 600 (длина плеч — 600 м), расположенный в 25 км от Ганновера. 300-метровый японский прибор TAMA в настоящее время модернизируется. Трехкилометровый детектор Virgo в окрестностях Пизы подключится к общим усилиям в начале 2007-го, причем на частотах менее 50 Гц он сможет превзойти LIGO. Установки с ультракриогенными резонаторами действуют с возрастающей эффективностью, хотя их чувствительность все же несколько меньше нашей».
1. В пустом пространстве они распространяются со скоростью света. Более того, эта скорость практически всегда сохраняется при встрече с материальными объектами, так что гравитационные волны не претерпевают преломления. Экстремально сверхплотное вещество способно уменьшить скорость гравитационных волн, но в прочих случаях этот эффект пренебрежимо мал. Амплитуды волн тяготения угасают при удалении от источника, однако не падают до нуля: единожды возникшая волна тяготения в определенном смысле обречена на вечную жизнь. В частности, Вселенная должна быть пронизана реликтовыми волнами, унаследованными от инфляционной фазы. В них закодирована информация о строении «зародышевой» Вселенной, которую, правда, еще надо умудриться расшифровать.
2. Волны тяготения — поперечные. Такая волна искажает структуру пространства в плоскости, перпендикулярной вектору ее распространения. Твердое тело, попавшее в область фронта гравитационной волны, будет испытывать деформации именно в этой плоскости (какие именно, зависит от характера волны).
3. Гравитационные волны уносят энергию, которую они отбирают у излучающей их материи. Поэтому со временем звезды двойной системы сближаются и период их обращения вокруг общего центра масс уменьшается.
Перспективы
Что же ожидает методы обнаружения гравитационных волн в ближайшем будущем? Об этом «Популярной механике» рассказал профессор Райнер Вайсс: «Через несколько лет в обсерваториях комплекса LIGO установят более мощные лазеры и более совершенные детекторы, что приведет к 15-кратному увеличению чувствительности. Сейчас она составляет 10 -21 (на частотах порядка 100 Гц), а после модернизации превысит 10 -22 . Модернизированный комплекс, Advanced LIGO, в 15 раз увеличит глубину проникновения в космос. В этом проекте активно участвует профессор МГУ Владимир Брагинский, один из пионеров изучения гравитационных волн.
На середину следующего десятилетия запланирован запуск космического интерферометра LISA (Laser Interferometer Space Antenna) с длиной плеч в 5 миллионов километров, это совместный проект NASA и Европейского космического агентства. Чувствительность этой обсерватории будет в сотни раз выше, чем возможности наземных инструментов. Она в первую очередь предназначена для поиска низкочастотных (10 -4 -10 -1 Гц) гравитационных волн, которые невозможно уловить на поверхности Земли из-за атмосферных и сейсмических помех. Такие волны испускают двойные звездные системы, вполне типичные обитатели Космоса. LISA также сможет регистрировать волны тяготения, возникшие при поглощении черными дырами обыкновенных звезд. А вот для детектирования реликтовых гравитационных волн, несущих информацию о состоянии материи в первые мгновения после Большого взрыва, скорее всего, потребуются более продвинутые космические инструменты. Такая установка, Big Bang Observer, сейчас обсуждается, однако вряд ли ее удастся создать и запустить ранее чем через 30−40 лет».
МОСКВА, 18 фев — РИА Новости. Экспериментальное подтверждение существования гравитационных волн - "ряби" пространства-времени — стало грандиозным успехом мировой астрофизики и своеобразным подарком Альберту Эйнштейну к 100-летию его общей теории относительности, считают участники Московской группы коллаборации LIGO.
Индия построит лабораторию для изучения гравитационных волн В рамках проекта, который будет реализован в сотрудничестве с обсерваторией LIGO в США, специалисты, в частности, построят восьмикилометровую лучевую трубку в сверхвысоком вакууме.Гравитационные волны были впервые в истории зафиксированы 14 сентября 2015 года детекторами гравитационной обсерватории LIGO в американских штатах Луизиана и Вашингтон. Ученым из Массачусетского и Калифорнийского технологических институтов удалось зафиксировать "рябь" пространства-времени от катастрофического столкновения двух черных дыр в дальнем космосе.
Масса этих черных дыр в 29 и 36 раз превышала массы Солнца, а само слияние произошло 1,3 миллиарда лет назад, но двигающаяся со скоростью света гравитационная волна дошла до Земли лишь сейчас.
Новый прорыв
Одно из главных достижений проекта по обнаружению гравитационных волн - это то, что теоретические данные полностью совпали с реальным экспериментом. Ученые сумели показать, что излучение гравитационных волн произошло именно в результате слияния двух черных дыр, заявил РИА Новости заведующий кафедрой физики колебаний физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова доктор физико-математических наук Сергей Вятчанин.
"Поймали, во-первых, на двух антеннах (двух детекторах, которые разделяет 3 тысячи километров), а во-вторых сформулировали сценарий, и он "лег", так сказать. Вот это огромное достижение… Это черные дыры, 30 солнечных масс, слились, … и последняя агония этого слияния и дала этот огромный всплеск", — сказал ученый.
Профессор физического факультета МГУ, руководитель Московской группы коллаборации LIGO Валерий Митрофанов отметил, что существование гравитационных волн уже давно не ставилось научным сообществом под сомнение.
Многие ученые, которые занимаются другими темами, уже думали над тем, как данное явление может быть использовано в их исследованиях, хотя экспериментальное подтверждение существования волн гравитации состоялось только в сентябре 2015 года, отметил профессор.
Еще полгода ушли на тщательнейшую проверку полученных данных, и когда стало ясно, что ошибка практически исключена (на 100% она исключена не может быть, в принципе), было объявлено об открытии - без сомнений, одном из крупнейших в истории астрофизики.
Технологии появятся нескоро
Регистрация гравитационных волн открывает новые возможности для развития науки, однако практические технологии на основе данного явления появятся нескоро, считают физики.
"Очень трудно рассчитывать на то, что открытие гравитационных волн будет способствовать повышению комфорта жизни", — иронизирует Вятчанин.
С другой стороны, он привел в пример открытие электромагнитных волн в XIX веке - когда оно было сделано, мало кто мог представить, что чуть ли не все технические новации XX века будут базироваться на этом явлении.
По словам Митрофанова, тема создания прикладных технологий, основанных на гравитационных волнах, очень интересная, и "может неожиданно сыграть" в будущем. Но в настоящее время трудно представить, когда и в какой форме эти технологии будут реализованы.
История Вселенной
Задача обнаружения реликтовых гравитационных волн, которые стали следствием событий, произошедших сразу после зарождения Вселенной, на порядок сложнее, чем детекция сигнала от такого большого и катастрофического события, как слияние черных дыр. Однако, по мнению российских ученых, в конце концов, эта задача будет решена, что позволит совершить значительный шаг в изучении истории Вселенной.
"Гравитационные волны не поглощаются материей, мы можем заглянуть в самые-самые начальные моменты после Большого взрыва, так скажем, когда, собственно, началась Вселенная и начала развиваться", — пояснил Митрофанов.
Вятчанин отметил, что обнаружение реликтового гравитационного фона - "значительно более сумасшедшая" задача, чем та, которая была решена коллаборацией LIGO. Однако в отдаленной перспективе человечество сможет создать достаточно чувствительные приборы, которые смогут "поймать" реликтовые гравитационные волны, что позволит "просеять" космологические теории и отделить те, которые не соответствуют полученным данным, указал профессор.
Темная материя
Одна из тайн Вселенных, в разгадке которой может помочь открытие, касается темной материи - загадочного вещества, которое, по расчетам, должно вместе с темной энергией составлять большую часть состава Вселенной, но при текущем уровне развития технологий не может быть обнаружено.
По словам Митрофанова, темная материя, возможно, способна испускать гравитационные волны и взаимодействовать с ними, но пока никаких указаний на это нет. Тем не менее, исследования на стыке изучения гравитационных волн и темной материи способны дать интересные результаты. Однако значимым открытиям будет предшествовать период накопления данных и обработки полученной информации, указал исследователь.
Сергей Вятчанин также придерживается мнения, что гравитационные волны можно использовать для изучения темной материи. Но ученый отметил, что к настоящему моменту не разработаны сценарии, которые бы описывали излучение гравитационных волн темной материей.
Проект LIGO — система из двух одинаковых детекторов, тщательно настроенных для детектирования невероятно малых смещений метрики пространства-времени от прохождения гравитационных волн. Детекторы расположены в 3 тысячах километров друг от друга.
Исследования осуществляются в рамках научной коллаборации LIGO (LSC — LIGO Scientific Collaboration) коллективом из более чем тысячи ученых из университетов США и 14 других стран, включая РФ. Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского университета и группой академического Института прикладной физики (Нижний Новгород).
Аня Грушина
Темпоральные, или временны́е, кристаллы - новая идея в физике, широко обсуждаемая в последние годы. Они представляют собой физические системы, «сами по себе» повторяющиеся во времени. Несмотря на экзотичность концепции, исследователи уже прикидывают возможные области применения идеи и ищут наиболее удачные «рецепты» приготовления «кристаллического времени».
Франк Вильчек, нобелевский лауреат 2004 года и автор концепции временно"го кристалла. Фото: Kenneth C. Zirkel/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0.
«Рецепт» темпорального кристалла из эксперимента Кристофера Монро: лазерное излучение, показанное оранжевой и зелёной стрелками, переворачивает магнитные моменты (спины); лазерное излучение, показанное красной стрелкой, вносит беспорядок и вызывает взаимодействия между спинами. В результате система из спинов осциллирует между двумя стабильными состояниями, которые устойчивы к изменениям в частоте накачки.
Красота законов природы идёт рука об руку с симметрией. Строго говоря, симметрия в физике подразумевает то, что некоторое свойство остаётся неизменным при определённой трансформации: это может быть поворот или сдвиг в пространстве, зеркальное отражение. Проще говоря, как ни крути объект или Вселенную, законы физики не меняются. Симметрия может быть непрерывной и дискретной. Например, однородный шар можно поворачивать на любой угол - ничего не изменится. А вот куб «повторяет себя» только при повороте на определённый угол. Это примеры непрерывной и дискретной вращательной симметрии.
Интересная физика начинается там, где изменяется, а точнее, ломается симметрия. Скажем, кристалл менее симметричен, чем однородная жидкость, состоящая из тех же самых атомов, так что его можно рассматривать как нарушение пространственной симметрии. Атомы в нём находятся в узлах так называемой кристаллической решётки с чётко определёнными расстояниями и углами. Чтобы при движении в пространстве получить тот же самый кристалл, его нужно сдвинуть на чётко определённое расстояние (так называемую постоянную решётки - размер элементарной ячейки, повторением которой можно воспроизвести весь кристалл) или повернуть на соответствующий угол. Конкретные характеристики кристаллов напрямую зависят от того, как именно была нарушена симметрия: количество электронов на внешней оболочке атомов, магнитные моменты, температура - всё это влияет на взаимодействия между атомами и в конечном счёте определяет свойства материала. Физики давно изучают кристаллы и даже научились создавать похожие системы с помощью лазеров или микроволн, где роль узлов решётки могут играть не только атомы и электроны, но и фотоны или квазичастицы, например фононы. Симметрию среды нарушают также намагниченность и протекание электрического тока.
А вот дискретное нарушение временнoй, или темпоральной, симметрии (непрерывное течение времени только вперёд) - это пока что неизученная территория. Франк Вильчек, лауреат Нобелевской премии 2004 года, полученной за описание особенностей взаимодействия между кварками и глюонами, в 2012 году начал размышлять о том, почему временная симметрия никогда не нарушается спонтанно (то есть за счёт случайных взаимодействий между элементами системы) и реально ли создать условия, в которых это было бы возможным. В результате он придумал темпоральные кристаллы как способ нарушения временной симметрии.
Темпоральные кристаллы - это гипотетические структуры, которые пульсируют без затрат энергии, как механические часы, не требующие завода. Последовательность повторяется во времени, как атомы кристалла повторяются в пространстве. На первый взгляд темпоральный кристалл скорее напоминает о Мире Великого Кристалла фантаста Владислава Крапивина, чем о строгой физике, но у такой структуры могут быть веские физические основания для существования.
Одна из возможных реализаций темпорального кристалла представляет собой кольцо атомов, которое должно вращаться, регулярно возвращаясь в своё первоначальное состояние. Его свойства были бы вечно синхронизированы во времени, аналогично тому как взаимосвязано положение атомов в кристалле. По определению темпорального кристалла такая система должна находиться в состоянии с наименьшей энергией, чтобы движение не требовало поступления энергии извне. В некотором смысле темпоральный кристалл был бы вечным двигателем, за исключением того, что он не производил бы никакой полезной работы.
Научное сообщество в своём большинстве посчитало идею провокационной. Тем не менее Франк Вильчек стоял на своём, уверенный в том, что проблема хитрее, чем кажется на первый взгляд, и темпоральные кристаллы представляют собой новый тип упорядоченности. Более того, вечное движение имеет прецеденты в квантовом мире: теоретически сверхпроводники проводят электрический ток вечно (хотя поток в данном случае однороден и соответственно не изменяется во времени).
Парадокс темпорального кристалла заинтересовал Харуки Ватанабе, аспиранта Калифорнийского университета в Беркли. Когда он представлял свою работу о нарушении симметрии в пространстве, ему задали вопрос о следствиях идеи Вильчека о темпоральном кристалле. Ватанабе ответить не смог и решил разобраться в этом вопросе, сосредоточившись на корреляциях между удалёнными частями системы во времени и в пространстве. В 2015 году вместе с физиком Масаки Ошикава из университета Токио Ватанабе доказал теорему, согласно которой создание темпорального кристалла в состоянии с наименьшей энергией невозможно. Они также доказали, что темпоральные кристаллы невозможны для любой равновесной системы, достигшей устойчивого состояния при любом значении энергии.
На этом физическое сообщество посчитало вопрос существования темпоральных кристаллов закрытым. Тем не менее доказательство оставило лазейку. Оно не исключило возможность существования темпоральных кристаллов в системах, в которых ещё не установилось равновесие. И теоретики по всему миру начали думать о том, как можно создать альтернативные версии темпоральных кристаллов в обход теоремы.
Прорыв неожиданно пришёл из области физики, в которой исследователи совсем не думали на эту тему. Теоретик Шиваджи Сонди и его коллеги из университета Принстона изучали поведение изолированной квантовой системы, состоящей из «супа» взаимодействующих частиц, которую регулярно «подпинывали» энергетически. Если верить учебникам, то такая система должна нагреться и в итоге стать полностью хаотичной. Но группа Сонди показала, что при выполнении определённых условий частицы группируются вместе и образуют «узор», повторяющийся во времени.
Это исследование привлекло внимание Четана Наяка, одного из бывших студентов Вильчека. Наяк и его коллеги предположили, что странная неравновесная форма материи может быть разновидностью темпорального кристалла, хоть и не совсем такого, о котором изначально говорил Вильчек. Разница в том, что подобная система не находится в состоянии с наименьшей энергией и ей необходима подпитка энергией извне для поддержания пульсаций. Но такой «суп» обладает своим ритмом, отличным от частоты накачки, что фактически означает нарушение временной симметрии.
Кристофер Монро из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, несмотря на скептический настрой, тем не менее попробовал создать подобный темпоральный кристалл с помощью холодных атомов. Замысловатый «рецепт» содержит три основных ингредиента: силу, которая воздействует на систему, взаимодействие между атомами и элемент случайного беспорядка. Эта комбинация ограничивает частицы в количестве энергии, которую они могут поглотить, позволяя им оставаться в упорядоченном состоянии.
В эксперименте цепочку из десяти ионов иттербия поочерёдно освещали двумя лазерами. Первый лазер переворачивал магнитные моменты атомов, а второй заставлял их взаимодействовать между собой случайным образом. Это привело к колебаниям проекции магнитного момента системы с периодом в два раза больше периода лазерной подкачки спинов. Более того, даже если первый лазер сбивался с нужной частоты излучения, осцилляции в системе не изменялись. Как обычные кристаллы сопротивляются попыткам сдвинуть атомы с их позиций в кристаллической решётке, так и темпоральный кристалл сохранил свою периодичность во времени.
Группа физиков из Гарвардского университета под руководством Михаила Лукина (который также является соучредителем Российского квантового центра) пошла другим путём и реализовала темпоральный кристалл с помощью алмаза. Для этого был синтезирован специальный образец, содержащий порядка миллиона расположенных в беспорядке дефектов, каждый из которых обладал своим магнитным моментом. Когда такой кристалл подвергли воздействию импульсов микроволнового излучения для перевёртывания спинов, физики зафиксировали отклик системы на частоте, которая составила лишь долю частоты возбуждающего излучения.
Физик-теоретик Норман Яо, принявший участие в обоих экспериментах, подчёркивает, что системы в состоянии с наименьшей энергией по определению не должны изменяться во времени. В противном случае это бы значило, что у них есть лишняя энергия, которую они могут расходовать, и в конечном счёте движение должно остановиться. Результат экспериментов Яо сравнил со скакалкой: рука делает два оборота, а верёвка - только один, и это более слабое нарушение симметрии, чем изначально задуманное Вильчеком, который считал, что верёвка может колебаться сама по себе.
Результаты обоих экспериментов опубликованы в журнале «Nature» и, безусловно, интересны, но определение темпорального кристалла и в том и в другом случае можно считать немного притянутым за уши. Физики сошлись в том, что обе системы некоторым образом спонтанно нарушают временну́ю симметрию и поэтому удовлетворяют требованиям темпорального кристалла с математической точки зрения. Но можно ли их действительно считать таковыми - предмет научной дискуссии.
Темпоральные кристаллы получились у Монро и Лукина или нет, покажет время. В любом случае эти эксперименты интересны тем, что впервые продемонстрировали простейшие примеры новых фаз вещества в сравнительно неизученной области неравновесных состояний. Это новое состояние вещества состоит из группы квантовых частиц, которая непрерывно меняется, никогда не достигая стабильного состояния. Стабильность достигается за счёт случайных взаимодействий, которые бы нарушали равновесие в любом другом виде материи.
Более того, эти результаты могут иметь практическое значение. Темпоральные кристаллы могут пригодиться в роли суперточных сенсоров. Поведение магнитных моментов дефектов в алмазе уже используется для регистрации малейших изменений температуры и магнитных полей. Но такой подход имеет свои ограничения: когда слишком много дефектов «толпится» в маленьком объёме, взаимодействия между ними разрушают квантовые состояния. В темпоральном кристалле взаимодействия, наоборот, стабилизируют систему, поэтому миллионы дефектов можно использовать вместе для усиления сигнала. Это позволит исследовать, в частности, живые клетки и материалы атомарной толщины.
Другой пример применения таких систем - квантовые вычисления при достаточно высокой температуре. Квантовые компьютеры - многообещающая и долгожданная технология, которая пока далека от практической реализации. Дело в том, что хрупкие квантовые биты, которые производят вычисления, нужно изолировать от разрушающих квантовые состояния эффектов теплового движения и других «побочных эффектов» окружающей среды и в то же время иметь возможность кодировать и считывать с них информацию. Физики используют для этого очень низкие температуры, всего на наноградусы выше абсолютного нуля. Темпоральный кристалл по своей сути - это квантовая система, которая существует при существенно более высоких температурах. В случае алмаза Лукина - так вообще при комнатной температуре.
В интервью , которое можно прочитать в «Науке и жизни» № 12 за 2013 год, Михаил Лукин говорил именно о таких неожиданных практических «побочных эффектах» на первый взгляд совершенно фундаментальной науки. И возможно, именно фантастически звучащий концепт темпорального кристалла откроет дорогу к квантовым вычислениям без необходимости в сложной и дорогостоящей криогенике.
Рябь пространства-времени, образовавшаяся в результате звездного катаклизма в далекой галактике, помогает объяснить космическое происхождение золота и проложить курс для новой эпохи в астрономии, занимающейся наблюдениями электромагнитного спектра и гравитационных волн.
Началом новой эпохи в астрономии и физики стало прозвучавшее в понедельник заявление ученых о том, что они впервые обнаружили рябь пространства-времени, известную как гравитационные волны, которые образовались в результате столкновения двух нейтронных звезд. 17 августа эти волны из космоса достигли Земли в районе Индийского океана и были зарегистрированы двумя детекторными станциями американской Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) и европейским детектором Virgo, расположенным в Италии.
Это уже пятый случай за последние два года, когда ученые фиксируют такие волны. Первым данное явление предсказал Эйнштейн, сделав это более 100 лет назад. А в этом году за открытия в области гравитационных волн Нобелевскую премию по физике получили три руководителя LIGO.
Однако все замеченные ранее гравитационные волны возникали от слияния черных дыр. Эти черные дыры имеют такую огромную плотность, что не выпускают свет. Поэтому такое слияние черных дыр по сути дела невозможно обнаружить обычными телескопами, несмотря на невероятно мощные гравитационные волны, которые они порождают в последние моменты своей неистовой спирали смерти. Без более обширной сети гравитационно-волновых обсерваторий астрономы не в состоянии определить точное местонахождение соединяющихся черных дыр, и уж тем более глубоко их изучить и проанализировать
Однако слияние нейтронных звезд начинается с объектов, которые по сравнению с черными дырами могут быть очень легкими. Нейтронная звезда — это сильно сжатое ядро закончившей свой век массивной звезды, и формируется она после взрыва сверхновой. Ее гравитационное поле обладает достаточной силой для того, чтобы сдавить и разрушить материю массой с целое Солнце, превратив ее в сферу из нейтронов размером с крупный город. Таким образом, это не звезда в обычном понимании, а в большей степени ядро атома размером с Манхэттен. Однако сила притяжения нейтронной звезды все равно слишком мала, чтобы удерживать свет, а поэтому вспышка от столкновения двух таких звезд может проникнуть в космос, создав не только гравитационные волны, но и один из самых ярких фейерверков во Вселенной, который может увидеть любой желающий.
В данном случае, когда первоначальный импульс гравитационных волн подал сигнал о начале слияния, фейерверк состоял из вспышки гамма-излучения длиной в две секунды и послесвечения разной длины волн, которое длилось несколько недель. В числе «любых желающих» оказались почти все астрономы и физики на нашей планете, которые знали об этом событии. Исследователь проекта Жюли Макинери (Julie McEnery), работающая с космическим гамма-телескопом Ферми, который зафиксировал вспышку гамма-лучей, назвала 17 августа «самым замечательным утром за все девять лет работы телескопа».
С астрономов, работающих вместе с физиками на телескопе LIGO и Virgo, взяли клятву о соблюдении секретности. Однако огромное количество наблюдений по всему миру неизбежно привело к распространению слухов, которые теперь нашли свое подтверждение. Речь идет об общемировой кампании наблюдения за столкновением и его последствиями. Всплеск новых наблюдений и возникновение новых теорий после столкновения является самым ярким образцом гравитационно-волновой астрономии. Это новая отрасль науки, которая собирает данные и изучает свет, гравитационные волны и субатомные частицы, образующиеся в результате астрофизических катаклизмов.
Одновременно в нескольких научных журналах было опубликовано огромное множество статей, авторы которых связали последние события с самыми разнообразными явлениями и предложили новые идеи по самым разным направлениям, начиная с фундаментальной ядерной физики и кончая эволюцией Вселенной. Среди прочего, это слияние дало наблюдателям возможность проследить за зарождением черной дыры, которая могла образоваться при столкновении нейтронных звезд. Но одно открытие является в буквальном смысле блестящим. Это убедительное доказательство того, что слияние нейтронных звезд является космическим плавильным котлом, в котором появляются тяжелые элементы нашей Вселенной, включая уран, платину и золото.
Контекст
Чему нас учат гравитационные волны
The New York Times 04.10.2017Гравитационные волны наконец-то открыты
Quanta Magazine 17.02.2016Таким образом, многое говорит о том, что радиоактивный материал в ядерном реакторе, каталитический нейтрализатор выхлопных газов в вашем автомобиле и драгоценный металл в вашем обручальном кольце являются результатом столкновения самых маленьких, самых плотных и самых экзотических звезд в нашей Вселенной, или по крайней мере, той их части, которая может ускользнуть из черных дыр, образующихся в результате слияния. Данное открытие поможет разрешить непрекращающиеся дебаты по вопросу космического происхождения тяжелых элементов, которыми теоретики занимаются более полувека. Основная часть водорода и гелия в нашей Вселенной появилась в первые моменты после большого взрыва. А большинство легких элементов, таких как кислород, углерод, азот и так далее, сформировались в результате ядерного синтеза в звездах. Но на вопрос о происхождении самых тяжелых элементов до настоящего времени не было ответа.
«Мы наткнулись на золотую жилу! — говорит Лаура Кадонати (Laura Cadonati), работающая астрофизиком в Технологическом институте штата Джорджия и являющаяся заместителем пресс-секретаря LIGO. — На самом деле, мы впервые обнаружили гравитационно-волновое и электромагнитное явление как единое астрофизическое событие. Гравитационные волны рассказывают нам историю о том, что произошло до катаклизма. Электромагнитное излучение повествует о том, что случилось после». Пока это не окончательные выводы, говорит Кадонати, однако анализ гравитационных волн этого явления со временем поможет раскрыть подробности того, как внутри нейтронных звезд при слиянии «разбрызгивается» материя, и ученые получат новые возможности для изучения этих странных объектов, а также выяснят, каких размеров они могут достигать до схлопывания и превращения в черную дыру. Кадонати также отмечает, что была какая-то таинственная задержка в пару секунд между окончанием всплеска гравитационной волны и началом гамма-излучения. Возможно, это тот промежуток времени, когда структурная целостность сливающихся нейтронных звезд непродолжительное время сопротивлялась неизбежному коллапсу.
Многие исследователи уже давно ожидают этого прорывного открытия. «Мои мечты осуществились, — говорит астрофизик Сабольч Марка (Szabolcs Marka), работающий в Колумбийском университете и входящий в научный коллектив LIGO. Этот человек еще в конце девяностых годов стал приверженцем гравитационно-волновой астрономии, дополненной наблюдениями электромагнитного спектра. В те годы, вспоминает Марка, его считали безумцем, который пытается подготовиться к будущим наблюдениям за гравитационными волнами, хотя до непосредственного открытия этого явления оставалось еще несколько десятков лет. «Теперь я и мои коллеги чувствуем себя отмщенными, — говорит он. — Мы изучили эту систему сталкивающихся нейтронных звезд в очень разнообразном наборе сигналов. Мы увидели это в гравитационных волнах, в гамма-излучении, в ультрафиолете, в видимом и инфракрасном свете, а также в рентгеновских лучах и радиоволнах. Это революция и эволюция в астрономии, на которую я возлагал надежды еще 20 лет назад».
Директор Национального научного фонда (это федеральное ведомство, обеспечивающее основную часть финансирования LIGO) Франс Кордова (France Córdova) заявил, что последнее достижение является «историческим моментом в науке», и что оно стало возможным благодаря устойчивой и многолетней поддержке правительства, оказываемой многим астрофизическим обсерваториям. «Обнаружение гравитационных волн, начиная с первого короткого вибросейсмического сигнала, который услышали во всем мире, и кончая последним, более длительным сигналом, не только оправдывает рискованные, но дающие большое вознаграждение инвестиции, выделяемые Национальным научным фондом, но также подталкивает нас к тому, чтобы сделать больше в этом направлении, — говорит Кордова. — Я надеюсь, что ННФ будет и дальше оказывать поддержку новаторам и инновациям, которые преобразуют наши знания и вдохновляют грядущие поколения».
Прекрасная возможность
Когда были обнаружены начальные гравитационные волны от слияния и последующее гамма-излучение (его немедленно зафиксировали ученые при помощи телескопа Ферми и космических телескопов обсерватории INTEGRAL), началась гонка в попытке выяснить, каков источник столкновения в космосе, а также его послесвечения. Очень быстро многочисленные коллективы ученых нацелили имеющиеся телескопы на тот участок неба, где по расчетам исследователей с LIGO и Virgo должен был находиться источник. Это был участок неба, охватывающий 31 квадратный градус, в котором расположены сотни галактик. (По словам Кадонати, если бы использовалась только обсерватория LIGO, эти наблюдения были бы похожи на поиски золотого кольца, лежащего на дне Тихого океана. Но получив третью точку данных от Virgo, говорит она, исследователи сумели вычислить местоположение источника, и в результате наблюдения стали больше похожи «на поиски золотого кольца в Средиземном море».)
Мультимедиа
НАСА воспроизводит «Гравитацию»
ИноСМИ 06.03.2014Основную часть наблюдений ученые проводили в чилийских обсерваториях. Свою работу они начали сразу после захода солнца, когда из-за горизонта вышел нужный участок неба. Разные коллективы ученых применяли самые разнообразные стратегии поиска. Кто-то просто осуществлял сплошное наблюдение за участком неба, методично перемещаясь от одной стороны к другой; кто-то нацелился на галактики, в которых с наибольшей долей вероятности могло произойти слияние нейтронных звезд. В конечном итоге вторая стратегия оказалась выигрышной.
Первым оптическое послесвечение увидел докторант и исследователь из Калифорнийского университета в Санта Крузе Чарльз Килпатрик (Charles Kilpatrick). Он сидел за столом в своем кабинете и просматривал изображения некоторых галактик, получив задание от одного из своих коллег астронома Райана Фоли (Ryan Foley), который участвовал в организации этого проекта. Девятым снимком, который он начал изучать, была фотография, поспешно снятая и переданная коллегами, находившимися на другом конце света и работавшими на огромном телескопе Swope в чилийской обсерватории Лас-Кампанас. Именно на нем он увидел то, что искали все: ярко-голубую точку в центре гигантской эллиптической галактики, представляющей собой скопление старых красных звезд в возрасте 10 миллиардов лет, которые находились на расстоянии 120 миллионов световых лет. Все они были безымянными, если не считать обозначений в каталогах. Считается, что именно в таких галактиках чаще всего происходят слияния нейтронных звезд, поскольку они старые, у их звезд большая плотность, а молодых звезд в таких галактиках довольно мало. Сравнив этот снимок с более ранними изображениями той же самой галактики, Килпатрик не увидел на них такой точки. Это было нечто новое, появившееся совсем недавно. «Очень медленно до меня дошло, какой это исторический момент, — вспоминает Килпатрик. — Но в то время я был сосредоточен на своей задаче, стараясь работать как можно быстрее».
Килпатрик сообщил об увиденном другим членам своей команды, в том числе, астроному из обсерваторий Карнеги Джошу Саймону (Josh Simon), который быстро получил подтверждающее изображение при помощи одного из самых крупных телескопов Magellan в Чили диаметром шесть с половиной метров. На этих изображениях голубая точка тоже присутствовала. В течение часа Саймон занимался измерениями спектра этой точки, то есть, различных цветов испускаемого ею света. Делал он это парными снимками с выдержкой в пять минут. Саймон посчитал, что такие спектральные снимки окажутся полезными для дальнейших исследований. А если нет, то в любом случае они смогут доказать, что это не просто какая-то заурядная суперновая или другой космический самозванец. Тем временем, и другие коллективы ученых тоже заметили эту точку и занялись ее исследованиями. Но команда Фоли быстрее других нашла подтверждение и провела спектральный анализ, обеспечив себе первенство в этом открытии. «Мы первыми получили изображение, и мы первыми идентифицировали источник этого изображения, — говорит Саймон. — А поскольку и первое, и второе мы получили очень быстро, нам удалось сделать первый спектральный анализ этого слияния, чего в ту ночь не сумел сделать никто в Чили. После этого мы объявили о своем открытии всему научному сообществу».
Эти первые спектральные наблюдения оказались чрезвычайно важными для последующего анализа и разрешения некоторых загадок. Они показали, что остатки от слияния быстро охлаждаются и теряют свой ярко-голубой свет, который превращается в темно-рубиновый. Эти данные в последующие недели удалось проверить и подтвердить в ходе наблюдений, пока видимая точка бледнела и угасала, а ее послесвечение смещалось, и яркий свет переходил в инфракрасную зону спектра с большей длиной волны. Общие закономерности цветов, процесса охлаждения и расширения были очень похожи на то, что ранее предсказывали многие теоретики, работавшие независимо друг от друга. Прежде всего, это Брайан Мецгер (Brian Metzger) из Колумбийского университета и Дэн Кейсен (Dan Kasen) из Калифорнийского университета в Беркли.
Короче говоря, объясняет Мецгер, то, что увидели астрономы после этого слияния, можно назвать «килоновой». Это интенсивная вспышка света, образовавшегося за счет выделения и последующего радиоактивного распада раскаленного до белизны и богатого нейтронами материала из нейтронной звезды. По мере того, как этот материал расширяется и охлаждается, большая часть его нейтронов захватывается ядрами железа и других тяжелых элементов, оставшихся в виде пепла после взрыва сверхновой и образования нейтронной звезды. «Это приводит к созданию еще более тяжелых элементов в течение примерно одной секунды, когда выбрасываемые частицы захватывают эти нейтроны и расширяются в пространстве. Одно из этих слияний формирует нижнюю половину периодической таблицы, а именно, золото, платину, уран и так далее», — говорит Мецгер. На завершающем этапе свет от килоновой резко смещается в инфракрасную зону, когда нейтроны, каскадом вылетающие из выброса, формируют самые тяжелые элементы, которые весьма эффективно поглощают видимый свет.
Измерение спектральных изменений тела килоновой, в свою очередь, позволяет астрономам определить количество различных элементов, образовавшихся в процессе слияния. Эдо Бергер (Edo Berger), изучающий килоновые в Смитсоновском центре астрофизики и руководивший многочисленными и самыми амбициозными наблюдениями за этим слиянием, говорит, что в результате данного события образовались тяжелые элементы, по своей массе равные 16 тысяч масс Земли. «Там есть все: золото, платина, уран, а также другие, самые странные элементы, которые нам известны в виде букв в периодической таблице, хотя мы не знаем их названия, — говорит он. — А что касается распада, то точный ответ на этот вопрос нам пока неизвестен».
Некоторые теоретики предполагают, что количество образовавшегося в результате слияния золота составляет лишь несколько десятых частей земной массы. Мецгер, со своей стороны, полагает, что это количество равно приблизительно 100 массам Земли. По его оценке, платины образовалось в три раза больше земной массы, а урана — в 10 раз меньше. В любом случае, если сопоставить новые статистические оценки частоты таких слияний, основываясь на последних измерениях, то у нас получается довольно большое количество таких событий. «Их достаточно, чтобы сформировать и накопить те элементы, которые образуют нашу собственную солнечную систему и то многообразие звезд, которое мы видим, — говорит Мецгер. — На основе того, что мы увидели, можно подробно объяснить эти слияния. Наверное, есть и другие способы образования тяжелых элементов, но похоже, что нам они не нужны». По его словам, каждые 10 тысяч лет в Млечном пути происходит только одно слияние нейтронных звезд.
Дальние рубежи
Более того, изучение процесса слияния и образования килоновой может дать нам очень важную информацию о том, как происходило столкновение. Например, свет от первоначального выброса после слияния был более голубым, чем ожидали ученые. Исходя из этого, Мецгер и другие ученые сделали вывод о том, что они смотрели на килоновую под углом, а не прямо. Если брать за основу такой сценарий, то первоначальный голубой выброс исходил из сферической оболочки или расположенной по экватору полосы материала с небольшим содержанием нейтронов, которые выдувались наружу из нейтронных звезд на скорости, равной оценочно 10% от скорости света. Более поздняя и более красная эмиссия могла исходить из материала с большим содержанием нейтронов, который был выброшен с полюсов нейтронных звезд при их столкновении со скоростью в два-три раза выше — подобно зубной пасте, выдавливаемой из тюбика.
Статьи по теме
Космос не знает границ
CBC 01.10.2017Самые безумные космические идеи НАСА
Videnskab 09.09.2017Если сопоставить такой сценарий с подробными данными наблюдений в рентгеновском и радиодиапазоне, то становится более понятным весьма любопытный характер выброса гамма-лучей, связанного с таким слиянием. Это была самая близкая вспышка гамма-излучения за всю историю наблюдений, но также одна из самых слабых. Считается, что кратковременные всплески гамма-излучения являются биполярными выбросами интенсивной радиации, которая ускоряется и выбрасывается почти со скоростью света магнитными полями внутри сталкивающихся нейтронных звезд, когда те сливаются и схлопываются в черную дыру. Если смотреть на эту вспышку гамма-излучения прямо (глаза в глаза, если можно так выразиться), то она будет очень яркая. Так бывает в большинстве случаев таких выбросов, которые наблюдают астрономы на удаленных участках Вселенной. Но если смотреть на эти всплески гамма-излучения под углом, то они кажутся довольно тусклыми, а обнаружить их можно лишь в том случае, если они находятся довольно близко, в пределах нескольких сотен миллионов световых лет.
Таким образом, используя многочисленные данные, накопленные гравитационно-волновой астрономией, ученые смогут со временем определить углы обзора многих килоновых во всей наблюдаемой части Вселенной, и это позволит им более точно измерять крупномасштабные космические структуры и изучать их эволюцию. Ученые получат возможность для разгадки тех тайн, которые намного глубже, чем происхождение тяжелых элементов, скажем, того вызывающего недоумение обстоятельства, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением под воздействием некоей масштабной антигравитационной силы, известной как темная энергия.
Исследователи из области космологии надеются на то, что им удастся лучше понять темную энергию, точно измерив ее воздействие на Вселенную, проследить объекты, находящиеся в удаленных регионах Вселенной, понять, насколько они удалены, и как быстро они движутся в ускоряющихся потоках темной энергии. Но для этого ученым нужны надежные «стандартные свечи», то есть, объекты известной яркости, которые можно было бы использовать для калибровки этого огромного, всеохватывающего поля пространства-времени. Астрофизик Дэниэл Хольц (Daniel Holz), работающий в Чикагском университете и сотрудничающий с коллективом LIGO, продемонстрировал, каким образом сливающиеся нейтронные звезды могут способствовать этим усилиям. В своей работе он показывает, что силу гравитационных волн, образовавшихся в ходе последнего слияния, а также выбросы килоновой можно использовать для вычисления темпов расширения ближайших участков Вселенной. Этот метод ограничен всего одним слиянием, и поэтому получаемые с его помощью значения отличаются существенной неопределенностью, хотя они подтверждают те данные по темпам расширения, которые получены при использовании других методов. Но в предстоящие годы гравитационно-волновые обсерватории, а также наземные и космические телескопы нового поколения и больших размеров будут работать совместно, открывая сотни и даже тысячи столкновений нейтронных звезд ежегодно. В этом случае точность оценок заметно повысится.
«Что все это означает? А то, что измерения гравитационных волн от этих слияний, проведенные LIGO и Virgo, будут дополнены моделями килоновых, и тогда ученые смогут понять, каковы их наклонения и углы обзора, исследуя их спектральную эволюцию с переходом из синего в красный цвет». Об этом говорит астрофизик Ричард О"Шонесси (Richard O"Shaughnessy), работающий в Рочестерском технологическом институте и входящий в состав коллектива LIGO. «Это очень мощное объединение усилий. Если мы будем знать наклонение, мы сможем вычислить расстояние, А это будет очень полезно для космологии. То, что сделано сейчас, является прототипом того, что мы будем регулярно делать в будущем».
«Если хорошенько задуматься, то Вселенная представляет собой своего рода коллайдер космических частиц, и частицами в этом коллайдере являются нейтронные звезды, — говорит О"Шонесси. — Он сталкивает эти частицы, и теперь у нас появилась возможность понять, что из этого получается. В предстоящие годы мы увидим большое количество таких событий. Не знаю точно, сколько их будет, но люди уже называют это космическим дождем. Это даст нам реальные данные, позволяющие соединить очень разные и обрывистые нити астрофизики, которые прежде существовали лишь в умах теоретиков или в виде отдельных кусочков информации в моделях суперкомпьютеров. Это даст нам возможность понять причины изобилия тяжелых элементов в космосе. Это даст нам возможности для изучения мягкой и легко сжимаемой ядерной материи в условиях огромной плотности. Мы получим возможность измерить темпы расширения Вселенной. Такие совместные усилия предоставят обширные возможности астрофизике высоких энергий и поставят перед ней множество задач на предстоящие десятилетия. И основой такого сотрудничества станут многолетние инвестиции. Сегодня мы пожинаем плоды в виде огромной горы золота, масса которой в десятки или даже сотни раз превышает массу Земли. Этот подарок нам преподнесла Вселенная».
Ли Биллингс — заместитель главного редактора Scientific American. Он пишет о космосе и физике.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.