От предсказания Эйнштейна до реальности: рождение гравитационно-волновой астрономии

14 сентября 2015 года стало днем, который вошел в историю науки. Именно тогда ученые впервые зарегистрировали гравитационные волны — крошечные возмущения структуры пространства и времени, которые Альберт Эйнштейн предсказал еще в 1916 году в рамках своей общей теории относительности. До этого момента существование гравитационных волн считалось вероятным, но оставалось лишь косвенным фактом, подтвержденным наблюдениями за замедлением орбиты двойных пульсаров. Теперь же было получено прямое и неоспоримое доказательство.

Сигнал, получивший обозначение GW150914, был зафиксирован в 09:50:45 по всемирному времени двумя обсерваториями LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), расположенными в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон). Эти два гигантских интерферометра с лазерными лучами длиной по четыре километра работают синхронно, чтобы различать реальные космические явления и локальные шумы. Когда через Землю прошла гравитационная волна, в обоих детекторах почти одновременно было зафиксировано изменение длины плеч интерферометров, по величине меньшее диаметра протона.

Источник волн находился в далекой галактике, примерно в 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Там произошла катастрофа колоссальных масштабов — слияние двух черных дыр, имевших массы порядка тридцати солнечных каждая. В результате столкновения образовалась новая черная дыра с массой около шестидесяти солнечных, а три солнечные массы были преобразованы в энергию гравитационных волн. Эта энергия за долю секунды распространилась по космическому пространству и спустя миллиард лет достигла нашей планеты.

Сам сигнал можно описать как своеобразный «чирп» (CHIRP, Compressed High-Intensity Radiated Pulse) — нарастающий по частоте и амплитуде звук, который резко обрывается в момент слияния черных дыр. Именно поэтому событие часто называют первым услышанным «голосом» или «грохотом» Вселенной. До этого момента человечество изучало космос только через электромагнитное излучение — свет, радиоволны, рентген, гамма-лучи. Теперь же у науки появился новый способ познания — гравитационно-волновая астрономия.

Открытие имело несколько фундаментальных последствий. Оно подтвердило правильность общей теории относительности в еще одной экстремальной ситуации. Оно впервые дало прямое свидетельство того, что двойные системы черных дыр действительно существуют и сливаются.

Кроме того, оно открыло дорогу новой области исследований, позволяющей «видеть» то, что невозможно зафиксировать традиционными телескопами. Вскоре к LIGO присоединилась европейская обсерватория Virgo, а позже и японский детектор KAGRA. Совместная работа этих обсерваторий создала международную сеть, способную не только фиксировать сами гравитационные волны, но и точно определять направление на источник.

Через два года, в 2017 году, Райнер Вайсс, Барри Бариш и Кип Торн были удостоены Нобелевской премии по физике за вклад в открытие и развитие гравитационно-волновой астрономии. Их работа стала кульминацией десятилетий усилий тысяч ученых, инженеров и программистов, которые строили и совершенствовали чувствительные детекторы.

Сегодня это открытие воспринимается как начало новой эры в астрофизике. Благодаря гравитационным волнам ученые получают возможность изучать невидимые процессы: слияния черных дыр и нейтронных звезд, рождение новых космических объектов и, возможно, в будущем — отзвуки самых ранних мгновений существования Вселенной. 14 сентября 2015 года стало днем, когда человечество впервые услышало, как звучит Вселенная, и этот звук навсегда изменил наше понимание мира.