Новая волна гравитационных волн | космос

аОколо 10 миллиардов триллионов триллионов миллисекунд Считается, что в начале творения во время Большого взрыва Вселенная пережила короткий, но абсурдно быстрый рывок роста. Это событие, названное инфляцией, было настолько катастрофическим, что ткань пространства и времени настроилась на гравитационные волны (ГВ). Для сравнения: ГВ, которые были впервые обнаружены шесть лет назад, производили большой всплеск, представлявший собой крошечные объекты из сталкивающихся черных дыр. Но теперь ученые в Европе космос ЕКА нацелено на более крупные цели — и надеется вскоре обнаружить слабые отголоски инфляционных приступов рождения Вселенной, примерно через 14 миллиардов лет после этого события, используя самый большой из когда-либо созданных инструментов. Детектор гравитационных волн, который Эса планирует в сотни раз больше Земли, будет парить в космосе и искать колебания в пространстве-времени, вызванные всевозможными массивными астрофизическими конвульсиями.

Первый GW был обнаружен в 2015 году обсерваторией гравитационных волн с лазерным интерферометром (Ligo), международным проектом, успех которого принес трем его основным сторонникам Нобелевскую премию по физике 2017 года. Ligo состоит из двух огромных детекторов в американских штатах Вашингтон и Луизиана. Каждый из них разворачивает два туннеля длиной 2,5 мили (4 километра), которые пересекаются под прямым углом, в которых лазерный луч проходит вдоль зеркала на дальнем конце, а затем отражается обратно. Возвращающиеся световые волны интерферируют друг с другом при пересечении рукавов. Когда GW проходит, он очень немного сжимается или растягивает пространство-время. Поскольку этот эффект будет отличаться в каждом плече, он изменяет синхронизацию световых волн и, таким образом, изменяет интерференцию двух лучей.

LEGO не одинок. Второе открытие GW на Рождество 2015 года было позже подтверждено в сотрудничестве с европейским детектором Virgo, базирующимся в Италии. Детектор в Японии под названием Kagra начал работать в начале прошлого года, а другие устройства планируются в Индии и Китае.

Большинство наблюдаемых до сих пор черных дыр возникло в результате столкновения двух черных дыр. Эти звезды состоят из звезд, во много раз более массивных, чем наше Солнце, которые сгорели и разрушились под действием собственной гравитации. Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает гравитацию как искажение пространства-времени, вызванное массой, коллапс может продолжаться до тех пор, пока не останется ничего, кроме очень плотной «сингулярности», которая создает гравитационное поле настолько интенсивное, что даже свет не может побег. от него.

Если две черные дыры сталкиваются из-за гравитационного притяжения друг друга, они могут вращаться вокруг друг друга и постепенно сужаться внутрь, пока не объединятся. Общая теория относительности предсказывала более века назад, что такие события будут посылать волны гравитационного волн через Вселенную, хотя прямых доказательств этого не было до открытия LIGO. Они также могут быть вызваны другими экстремальными астрофизическими явлениями, такими как слияние нейтронных звезд: пылающие звезды, менее массивные, чем черные дыры, остановили свое коллапс в точке, где они состоят из вещества настолько плотного, что наперсток человека весит до 50 метров. слон.

GW также может создаваться гораздо более крупными объектами. В центре нашей галактики и многих других галактик находится сверхмассивная черная дыра, в несколько миллионов раз превышающая массу нашего Солнца, образованная из коллапсирующих звезд и облаков газа и космической пыли. Объекты, вздымающиеся в этих сверхмассивных черных дырах, генерируют гравитационные волны, которые колеблются с более низкими частотами и более длинными волнами, чем крошечные волны слияния черных дыр, наблюдаемые Лиго и Девой.

Наземные детекторы не могут точно определить эти вещи — это все равно что пытаться поймать кита в миске для омара. Чтобы их увидеть, детектору интерферометрии потребовались бы гораздо более длинные руки. Это сложно, так как каждое плечо канала должно быть длинным, прямым и не подвергаться вибрации. Поэтому исследователи планируют вместо этого создавать в космосе низкочастотные гиоты. Самым продвинутым из этих планов является устройство, которое сейчас создается для Esa: Лазерный интерферометр космической антенны (Лиза).

LISA будет посылать лазеры с космического корабля, чтобы они отражались от свободно плавающего зеркала внутри другого космического корабля. Используя три космических корабля, вы можете создать двуплечую L-образную конструкцию, подобную Лиго. Но руки не обязательно должны быть под прямым углом: вместо этого Лиза разместит свои три космических корабля на расстоянии нескольких миллионов миль в углах треугольника, причем каждый угол станет одним из трех детекторов. Вся группа будет следовать по орбите Земли, отставая от нашей планеты примерно на 30 метров.

Чтобы проверить возможность проведения лазерной интерферометрии в космосе, в 2015 году компания Esa запустила пилотный проект под названием Лиза Следопыт — Космический корабль продемонстрировал технологию в малых масштабах. Миссия, Завершенный в 2017 году, он «поразил нас», — говорит Исса Пол Макнамара, научный сотрудник проекта, руководивший миссией. «Он выполнил наши требования с первого дня без каких-либо изменений». Он показал, что зеркало, плавающее внутри космического корабля, может оставаться невероятно неподвижным, колеблясь не более чем на тысячную часть размера отдельного атома. Чтобы сохранить устойчивость, космический корабль использует небольшие двигатели, которые реагируют на силу света, исходящего от Солнца.

Другими словами, Макнамара говорит: «Наш космический корабль был более стабильным, чем размер коронавируса». И это тоже, потому что LISA необходимо будет обнаружить изменение длины плеча, которое из-за GW составляет одну десятую ширины атома на миллион миль.

Однако релиза Лизы произойдет не раньше, чем через десять лет. «Нам нужно построить три спутника, и каждый из них состоит из множества частей», — говорит Макнамара. «Это просто требует времени — и это один из досадных фактов очень сложной задачи». Следующей вехой является «официальное принятие миссии», которое ожидается в 2024 году. «На этом этапе мы узнаем детали миссии, а также какие страны-члены ЕКА и США вносят свой вклад и сколько это стоит». «говорит астрофизик Эммануэль Берти из Университета Джонса. Хопкинс в Балтиморе.

Япония и Китай также находятся на ранних стадиях планирования космических детекторов GW. Макнамара рассматривает это не как соревнование, а как положительную вещь, потому что с более чем одним детектором можно было бы использовать триангуляцию для определения источника волн.

«Лиза изменит астрономию GW во многом так же, как и видимый свет. [to radio waves, X-rays etc] Это изменило правила игры в обычной астрономии, — говорит Берти. — Он будет изучать различные классы источников гравитационных волн ». По его словам, изучая слияния сверхмассивных черных дыр,« мы надеемся многое понять об образовании структуры в природе. Вселенная, и о самой гравитации ». Лиза уже видела« примитивные »гравитационные волны от инфляции в начале Большого взрыва, так что это может проверить теории о том, как все началось.

ТЭто может быть другой способ увидеть низкочастотные гравитационные волны, который вообще не требует специального детектора. Сотрудничество под названием Североамериканская обсерватория гравитационных волн наногерца (NanoGrav) использует наблюдения, сделанные глобальной сетью радиотелескопов, для поиска влияния гравитационных волн на синхронизацию «космических часов», называемых пульсарами.

Пульсары быстро вращаются вокруг нейтронных звезд, которые посылают со своих полюсов интенсивные пучки радиоволн, распространяющиеся по небу, как лучи маяка. Сигналы пульсаров очень регулярны и предсказуемы. «Если гравитационная волна проходит между пульсаром и Землей, это искажает перекрывающееся пространство-время», — говорит член команды NanoGrav Стивен Тейлор из Университета Вандербильта в Теннесси, в результате чего импульс появляется раньше или позже, чем ожидалось.

Фактически пульсары становятся детекторами. Как говорит член команды NanoGrav Джули Комерфорд из Университета Колорадо в Боулдере, это дает «детекторным» рукавам такую ​​же длину, как расстояние между Землей и пульсарами: возможно, тысячи световых лет. Из-за такого огромного размера сигналы, которые могут быть обнаружены NanoGrav, имеют очень длинные волны и очень низкие частоты, даже за пределами досягаемости LISA, и производятся сверхмассивными черными дырами, в миллиарды раз больше Солнца, которые сливаются при столкновении целых галактик. . Тейлор говорит, что никакой другой детектор этого не обнаружит. Хотя эти интеграции невообразимо катастрофичны, на самом деле они довольно распространены, и NanoGrav вызовет такой же ажиотаж, как многие из них. «По всей вселенной есть пары сверхмассивных черных дыр, вращающихся вокруг друг друга и производящих гигаватты», — говорит Коммерфорд. «Эта рябь производит море GW, в котором мы колеблемся».

В январе команду NanoGrav возглавил постдокторант из Комерфорда Джозеф Саймон из Колорадо. Сообщите о первом возможном открытии этого фона GW. Хотя требуется дополнительная работа, чтобы убедиться, что сигнал действительно вызван гравитационными волнами, Коммерфорд называет результат «самым захватывающим астрофизическим результатом, который я видел за последние несколько лет».

Если в NanoGrav на самом деле используется детектор GW размером в световые годы, физик Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона считает, что мы можем сделать его достаточно маленьким, чтобы поместиться в шкаф. Его идея основана на одном из наиболее необычных эффектов квантовой теории, которая обычно описывает очень маленькие объекты, такие как атомы. Квантовые объекты могут быть помещены в так называемую суперпозицию, что означает, что их свойства не определяются однозначно до тех пор, пока они не будут измерены: возможно более одного результата.

Квантовые ученые могут регулярно помещать атомы в квантовую суперпозицию, но такое странное поведение исчезает для больших объектов, таких как футбольные мячи, которые находятся либо здесь, либо там, независимо от того, смотрим мы или нет. Насколько нам известно, это не значит, что суперпозиция невозможна для чего-то такого большого — невозможно поддерживать ее достаточно долго, чтобы ее можно было обнаружить, потому что суперпозиция легко разрушается любым взаимодействием с окружением объекта.

Бозе и его коллеги предлагают что если бы мы могли создать квантовую суперпозицию объекта среднего размера между атомом и футбольным мячом — маленького кристалла около ста нанометров в диаметре, размером с большую вирусную частицу — суперпозиция была бы настолько рискованной, что это было бы чувствителен к кратковременному ГВ. Фактически, два потенциальных состояния квантовой суперпозиции можно заставить перекрываться, как две световые волны, и искажения пространства-времени, вызванные ГВ, проявятся как изменение этой интерференции.

Бозе считает, что нанокристаллы алмаза, которые хранятся в пустой пустоте больше, чем в космическом пространстве, и охлаждаются нитью с абсолютным нулем, могут находиться в суперпозиции достаточно долго, чтобы добиться цели. Это будет непросто, но он говорит, что все технические проблемы уже представлены индивидуально — нужно собрать их все вместе. «Я не вижу препятствий для этого в ближайшие 10 лет или около того, при наличии достаточного финансирования», — говорит он.

Если эти и другие разработки приведут к буму астрономии GW, что мы увидим? «Когда вы открываете новое окно во вселенной, вы обычно видите то, чего не ожидаете», — говорит Макнамара. Помимо того, что мы видим больше типов событий, которые, как мы уже знаем, вызывают GW, мы можем получать сигналы, которые нелегко объяснить. «Вот тогда начинается самое интересное», — говорит Макнамара.