Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Строительство Virgo началось в 1996 году. Детектор находится в ведении научно-исследовательской группы ученых из Франции, Италии, Нидерландов, Польши и Венгрии, хотя примерно половина операционных расходов приходится на Францию и Италию. По словам сопровождавшего меня физика-экспериментатора Валерио Воски, это не самое подходящее для детектора место. Virgo находится слишком близко и к Средиземному морю, и к городу Пиза – источникам сейсмических возмущений, создающих помехи. Чтобы уловить невероятно слабый сигнал от идущих к нам из космоса гравитационных волн, очень важно минимизировать подобный шум. Однако, когда Virgo только планировался, важнее было отыскать достаточно большой участок земли для постройки интерферометра с длиной плеча три километра. Чтобы выкупить землю для строительства, финансирующим проект французскому Национальному центру научных исследований и итальянскому Национальному институту ядерной физики пришлось договариваться с большим числом фермеров.
Окончательная стоимость работ, завершившихся в 2003 году, составила около 250 миллионов евро (для сравнения: стоимость двух близнецов-детекторов LIGO – порядка 600 миллионов евро). За последние несколько лет после регистрации гравитационных волн число посетителей, желающих взглянуть на этот “прибор”, резко возросло. Директор Европейской гравитационной обсерватории Ставрос Кацаневас рассказывает: “В 2015 году у нас побывало около тысячи человек, в 2016-м уже две тысячи, а сейчас, в 2019-м, восемь тысяч посетителей. Нам все труднее и труднее с этим справляться!” В самом деле, в день моего посещения я сама видела три группы, приехавшие на припаркованных рядом туристических автобусах: две группы школьников и одна – студентов университета.
Быстро осмотрев информационный центр для посетителей, я в сопровождении многочисленных, снующих в траве ящериц направилась к одной из двух полуцилиндрических галерей и вошла внутрь. В обеих галереях размещены длинные, идентичные, очень хорошо экранированные трубы диаметром 120 сантиметров, где установлены приборы, работающие в сверхвысоком вакууме. Детекторы Virgo и LIGO должны регистрировать волны в частотном диапазоне от 10 до 10000 герц (10 кГц), и принципы их работы очень схожи. Когда я вошла в небольшое помещение в месте соединения труб, меня попросили ступать очень осторожно, чтобы во время работы не слишком сотрясать пол. Здесь находится лазер, луч которого разделяется пополам. Каждая из “половинок” луча точно в одно и то же время посылается в дальний конец каждого из перпендикулярных плеч, где попадает на зеркало. Зеркала Virgo присоединены к специальному подвесу (его прототип демонстрируется у входа в главное здание). Это очень чувствительный механизм, гасящий, насколько возможно, любые возмущения, способные раскачать зеркало. Их источниками могут быть как, например, землетрясение, так и проходящий мимо трактор. Это удивительно простая система, состоящая из подвешенных один под другим грузов, которые компенсируют любые возмущения.
“Это похоже на эксперимент, который мы предлагаем провести детям, – говорит мне Боски. – Если наполнить водой бутылку и подвесить ее, затем добавить снизу еще одну бутылку, ниже еще одну и так далее, то, начав раскачивать всю эту конструкцию, вы увидите, что из самой нижней бутылки не выльется ни капли воды, даже если сверху отклонение очень сильное”.
Система LIGO, где больше активных элементов, несколько отличается от системы Virgo.
Луч лазера падает на зеркало и отражается обратно. Это повторяется четыреста раз: за счет многократных отражений пройденное лучом расстояние увеличивается с 3 до 1200 километров. Когда наконец происходит воссоединение двух лучей, ученые анализируют результат. Если гравитационных волн не было, то лучи возвращаются в то место, где они разделились, точно в одно и то же время, – и значит, интерференции нет. Однако, если через детектор проходит гравитационная волна, имеет место локальное, очень небольшое возмущение пространства-времени, которое люди ощутить не могут. Близнецы-детекторы LIGO и Virgo могут воспринимать только волны очень высокой, пропорциональной длине их плеч частоты.
 
Е[ри прохождении гравитационной ряби одна из двух галерей или чуть удлиняется, или чуть укорачивается. Е[ри этом разница длин меньше, чем одна десятитысячная диаметра такой субатомной частицы, как протон. Когда одно из плеч становится короче, другое становится длиннее, а затем они меняются ролями. Величина удлинения или сокращения плеча зависит от амплитуды волны – максимального смещения из положения равновесия, или, иначе говоря, расстояния от положения равновесия до гребня волны. Изменение длины пути лазерного луча приводит к тому, что отраженный свет движется слегка не в фазе со светом источника. Иначе говоря, время возвращения каждого из двух лучей к источнику слегка различается18.
Затем ученые тщательно измеряют амплитуду и частоту сдвига фаз, что позволяет изучать свойства гравитационной волны. Когда зарегистрированный сигнал анализируется с учетом результатов, полученных на других детекторах, ученые могут определить местоположение источника этих волн – далекой космической катастрофы, вызвавшей возмущение пространства-времени. Чем больше детекторов будет установлено в разных точках по всему миру, тем точнее будет результат. Сегодня определение местоположения всех источников гравитационных волн включает координацию данных детектора Virgo и двух детекторов LIGO. Вскоре им на помощь придут сходные детекторы в Японии [3] и Индии, что позволит гораздо точнее определять местоположение источников.
Новое поколение детекторов, таких как Einstein Telescope и Cosmic Explorer, должно быть гораздо чувствительнее Virgo и LIGO. Сейчас эти проекты находятся в стадии разработки, но планируется, что плечи расположенного под землей детектора Einstein Telescope будут десятикилометровой длины, а детектора колоссальной наземной обсерватории Cosmic Explorer — сорокакилометровой длины. Эти детекторы будут настолько чувствительны и точны, что смогут регистрировать гравитационные волны, исходящие от начавших сближение нейтронных звезд, которых еще миллионы лет отделяют от слияния и образования пульсара, такого, какой по косвенным признакам обнаружили Халс и Тейлор.
За семнадцать лет до открытия
После запуска LIGO и Virgo прошло около десяти лет, но результатов не наблюдалось. С самого начала ученые считали, что подобное возможно, и поэтому всегда существовали планы существенной модернизации детекторов. В 2010 году и LIGO, и Virgo были остановлены. После пяти лет и 620 миллионов потраченных долларов гравитационный телескоп Advanced LIGO (“усовершенствованный LIGO”) приступил к наблюдениям. Его тестирование началось в феврале 2015 года, а официальный старт наблюдательного цикла был дан 18 сентября 2015-го. Теперь чувствительность двух новых установок LIGO стала примерно в четыре раза выше, чем в исходном варианте.
Первая модернизация Virgo прошла в 2011 году, и его чувствительность увеличилась в десять раз. А затем его остановили опять, чтобы еще раз существенно усовершенствовать. Так Virgo превратился в Advanced Virgo — детектор, начавший сбор данных в августе 2017 года. До этого наблюдения самостоятельно вели два детектора LIGO.
Модернизация и предшествующие годы усилий окупились сполна еще до того, как формально (Advanced) LIGO запустили повторно. 14 сентября 2015 года LIGO, еще не отлаженный полностью, вошел в историю. Детектор LIGO уловил гравитационный сигнал, источником которого служило столкновение двух черных дыр звездных масс – или, говоря по-научному, “слияние двойной черной дыры” – на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Сообщение об этом сенсационном открытии (которому предшествовало множество слухов в социальных сетях) было сделано через несколько месяцев, и февраля 2016 года, и слова “регистрация”, “гравитационные волны”, “LIGO” и “Эйнштейн” замелькали в прессе, они доминировали в неформальных разговорах ученых и даже на семейных обедах. В следующем году Вайсс, Торн и Бэриш разделили Нобелевскую премию, присужденную им за это открытие.