Эхо во тьме: Как учёные „услышали“ столкновение чёрных дыр

Что, если у Вселенной есть свой голос? Самые грандиозные события в космосе — рождение звёзд, смерть галактик и столкновения чёрных дыр — создают невидимое эхо, которое миллиарды лет путешествует к нам через пространство. Именно это предсказал Альберт Эйнштейн ещё сто лет назад, назвав это явление гравитационными волнами. Но как услышать звук там, где нет воздуха?

Это была одна из величайших загадок физики: гравитационные волны настолько слабы, что их считали невозможным обнаружить. Они представляют собой рябь самой ткани пространства-времени, и даже самые мощные космические катаклизмы создают колебания, которые в момент достижения Земли в миллионы раз меньше атома. Поймать их — это как измерить ширину человеческого волоса на планете, которая находится в десятках световых лет от нас.

Невероятный слух LIGO

Чтобы решить эту задачу, физики построили самый чувствительный инструмент на планете — лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию, или LIGO. По сути, это две гигантские L-образные трубы, каждая длиной в 4 километра. По трубам пускают лазерные лучи, которые отражаются от зеркал и возвращаются обратно.

Принцип работы LIGO основан на лазерной интерферометрии. Это способ измерения расстояний с невероятной точностью.

Представь L-образный инструмент с двумя «рукавами», каждый длиной в несколько километров. По ним пускают два лазерных луча, которые отражаются от зеркал на концах и встречаются в центре. В обычном состоянии оба луча проходят одинаковый путь и приходят одновременно, взаимно уничтожая друг друга.

Когда через Землю проходит гравитационная волна, она очень слабо и почти незаметно растягивает одну из «рук» инструмента и сжимает другую. Эта микроскопическая разница в длине приводит к тому, что один из лазерных лучей возвращается с небольшой задержкой. Этот крошечный сбой в синхронизации и есть тот самый сигнал, который фиксирует LIGO.

Первое космическое эхо

За полвека попыток LIGO не смог поймать ничего. И лишь 14 сентября 2015 года случилось невероятное. В 11 часов 51 минуту по гринвичскому времени оба детектора — в Ливингстоне и Хэнфорде, в США, на расстоянии 3000 километров друг от друга — одновременно зафиксировали странный, очень короткий сигнал.

Учёные увидели на своих мониторах уникальный «чип» — возрастающий по частоте и амплитуде всплеск, который длился всего одну пятую секунды. Он не походил ни на что, что они видели раньше. Это был точный сигнал, предсказанный Эйнштейном. Он стал первым прямым доказательством существования гравитационных волн. Анализ данных показал: сигнал был рождён в результате слияния двух чёрных дыр — одной массой в 36, а другой в 29 солнечных масс. Они столкнулись и слились в одну, массивную чёрную дыру, выбросив в космос энергию, в 50 раз превосходящую всю энергию видимой Вселенной.

Новое окно в космос

Это открытие — больше, чем просто подтверждение столетней теории. Оно открыло нам совершенно новый способ наблюдать Вселенную. До этого мы смотрели на неё, улавливая свет и другие виды электромагнитного излучения. Мы были как немые свидетели, которые видят, но не слышат. Теперь у нас появился слух.

Гравитационные волны способны рассказать нам о событиях, которые невозможно увидеть: столкновениях нейтронных звёзд, взрывах сверхновых и даже, возможно, о Большом взрыве. Вселенная оказалась не безмолвным, а живым, гудящим местом, и мы только-только начали слушать её великую симфонию.