Гравитационные волны: новое окно

В 2015 году астрономия обрела новое чувство: мы научились не только видеть Вселенную, но и слышать её дрожь.

Гравитационные волны — колебания самой ткани пространства-времени, излучаемые ускоряющимися массивными телами, предсказанные Эйнштейном в 1916 году.

Рябь пространства-времени

По общей теории относительности масса искривляет пространство-время. Когда массивные тела резко ускоряются — например, две чёрные дыры по спирали падают друг на друга и сливаются — они порождают волны кривизны, разбегающиеся со скоростью света. Проходя через детектор, такая волна на мгновение чуть растягивает пространство в одном направлении и сжимает в перпендикулярном. Эффект ничтожен: относительное изменение длины порядка $10^{-21}$ — это как изменить расстояние до ближайшей звезды на толщину волоса.

Как их ловят: LIGO

Детектор LIGO — это два перпендикулярных «рукава» длиной по $4$ км, по которым гоняют лазерный луч. Если приходит гравитационная волна, длины рукавов меняются по-разному, и лучи приходят чуть не в фазе — это и регистрируют. Чтобы поймать сигнал $10^{-21}$, длину $4$-километрового рукава измеряют с точностью до тысячных долей размера протона. Два детектора (в разных штатах США) нужны, чтобы отличить настоящий сигнал от локальных помех и грубо определить направление на источник.

      рукав 1 (4 км)
    ╞══════════════════╡
    ║                       лазер расщепляется,
   рукав 2                  бежит по обоим рукавам,
  (4 км)                    отражается и сходится.
    ║       Волна меняет длины рукавов по-разному —
    ╨       лучи сдвигаются по фазе. Это и ловят.

Как работает под капотом

Сигнал слияния чёрных дыр имеет характерную форму — «чирп»: по мере сближения тел частота и амплитуда волны нарастают, как восходящий свист, и резко обрываются в момент слияния. По форме чирпа физики восстанавливают массы тел, расстояние до них и параметры орбиты. Первое же событие (GW150914) оказалось слиянием двух чёрных дыр в $36$ и $29$ масс Солнца на расстоянии больше миллиарда световых лет — событие, которое нельзя увидеть ни в один телескоп, потому что чёрные дыры не светят.

Многоканальная астрономия

Гравитационные волны — это принципиально новый «канал» информации, дополняющий свет. В 2017 году слияние двух нейтронных звёзд зарегистрировали и по гравитационным волнам, и по вспышке света одновременно — родилась многоканальная (multi-messenger) астрономия. Так подтвердили, что тяжёлые элементы (золото, платина) рождаются в таких слияниях.

Частые ошибки

Путать гравитационные волны с гравитационным линзированием — это разные явления.
Думать, что LIGO «фотографирует» источник — он измеряет деформацию пространства, а не делает снимок.
Недооценивать масштаб точности: измеряется смещение меньше размера протона.

Итог

Гравитационные волны — колебания пространства-времени от ускоряющихся массивных тел.
LIGO ловит их по микроскопическому изменению длины $4$-километровых рукавов.
Это новый канал астрономии, открывший слияния чёрных дыр и нейтронных звёзд.