LIGO – коллаборация, которая возникла вокруг эксперимента по поиску гравитационных волн. Основным инструментом коллаборации LIGO является одноименный инструмент – интерферометр LIGO, что расшифровывается как «лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория» (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

Коллаборация объединяет в себе группу исследователей из 40 научно-исследовательских учреждений всего мира, а также еще 600 отдельных ученых, которые проводят анализ данных, полученных интерферометром. Примечательно, что в проекте принимают участие и две российские группы: академика РАН Александра Сергеева (с 2015 г. Профессор ННГУ), и профессора МГУ Валерия Митрофанова.

История создания

Впервые о гравитационных волнах говорил Альберт Эйнштейн в 1916-м году, в свой работе по общей теории относительности (ОТО). Однако на тот момент человечество не имело достаточное технологическое развитие, чтобы организовать эксперимент по поиску гравитационных волн. В 1990-х при наблюдении за пульсаром PSR B1913+16, представляющим собой систему двух звезд, ученые обнаружили, что орбитальный период обращения этих звезд сокращается на 76 мкс в год. Данная величина точно предсказывается решением уравнений ОТО для звезд, теряющих энергию на гравитационное излучение. Таким образом результаты исследования стали положительным аргументом в пользу существования гравитационных волн, а американские физики Рассел Алан Халс и Джозеф Тейлор младший получили нобелевскую премию в 1993-м году.

Годом ранее три доктора физики предложили проект по разработке интерферометра с целью поиска гравитационных волн: американец Кип Торн (известный общественности также по должности научного консультанта и исполнительного продюсера кинокартины «Интерстеллар»), шотландец Рональд Древер и американец Райнер Вайсс (специалисты в области лазеров).

Разработка проекта и осуществление проекта велась двадцать лет. В течение этого времени исследовались различные варианты конструкций интерферометров. Проект был профинансирован американским Национальным научным фондом, и обошелся в 365 миллионов долларов – самый дорогой проект, финансируемый данным фондом. Постройка интерферометра LIGO была завершена в 2002-м году и в августе того же года обсерватория начала наблюдение.

Цели и задачи LIGO

Основная задача коллаборации состояла в поиске гравитационных волн. Источником таких гравитационных колебаний могут быть двойные системы массивных тел. Например, нейтронные звезды, которые сталкиваются, либо обращаются вокруг друг друга по эллипсовидным орбитам, сверхновые, а также сталкивающиеся черные дыры. Также источниками гравитационных волн могут быть вспышки сверхновых вблизи пульсаров. Именно эти объекты и стали основными предметами наблюдения исследователей из коллаборации LIGO.

Помимо самого поиска колебаний кривизны пространства-времени – гравитационных волн, результаты наблюдений обсерватории могут дать положительные знания в области космических струн или оценить величину спина гравитона – частицы-переносчика гравитационного взаимодействия.

Устройство интерферометра LIGO

Масштабы данной обсерватории можно сравнить с размером всего США, так как две основные составные интерферометра расположены на противоположных концах США, на расстоянии 3 002 км друг от друга. Первое здание обсерватории находится в городе Ливингстон (Луизиана), второе же – в городе Хэнфорд (штат Вашингтон). Сделано это по той причине, что два столь удаленных интерферометра способны уловить гравитационную волну (вероятно движущуюся со скоростью близкой к скорости света) с разницей всего в 10 миллисекунд. Однако такой разницы достаточно, чтобы определить положение источника относительно Земли, а также исключить всякого рода земные источники, если такие вообще возможны.

Конструкция каждой обсерватории интерферометра состоит, прежде всего, из Г-образной системы из двух четырехкилометровых трубок с высоким вакуумом внутри. Через эти трубы лазером пропускаются пучки электромагнитного излучения с определенной частотой (длиной волны). Далее в месте соединения труб эти пучки пересекаются, накладываются и образовывают заранее известную «интерференционную картину». В случае же, если гравитационная волна пройдет через данную конструкцию, благодаря таким образом искажению пространства-времени, длина одного плеча конструкции увеличится втрое, а другого – уменьшится втрое. Это приведет также к изменению интерференционной картины, что и станет индикатором гравитационной волны. Результаты такого наблюдения будут сравниваться с другой составной интерферометра LIGO для дальнейшего определения положения источника относительно Земли.

Открытие гравитационных волн

Над поиском гравитационных волн трудилась не только коллаборация LIGO, расположенная в СШа, но европейская коллаборация VIRGO. В распоряжении второй также имеется достаточно мощный детектор, хоть несколько меньший (каждое плечо интерферометра – 3 км). Для более эффективной обработки информации, получаемой с интерферометров, две данные коллаборации договорились о совместном анализе данных.

11 февраля 2016 года обе коллаборации объявили о прямом детектировании искомых гравитационных волн, которое произошло 14 сентября 2015 года. Данное событие было названо GW150914, что расшифруется как гравитационная волна (gravitational wave) + год, месяц и число регистрации события. Сигнал был зарегистрирован 14.09.2015 в 9:50 UTC, сперва детектором LIGO в Ливингстоне, а спустя всего 7 миллисекунд – детектором в Хэнфорде. Поступивший сигнал был дважды обработан программами, после чего, спустя три минуты, уведомление о сигнале пришло на почту итальянского постдока (советский аналог данной степени — «кандидат наук») по имени Марко Драго, который работает в институте гравитационной физики Общества Макса Планка, расположенного в Ганновере, Германия. Итальянец оповестил своего сотрудника, также постдока из Ганновера – Эндрю Лундгрена. Спустя 15 минут оба научных сотрудника позвонили непосредственно в центры управления экспериментом, расположенные в Ливингстоне и Хэнфорде. В 11:00 UTC Марко Драго разослал сообщения с уведомлением о получении сигнала по всей коллаборации LIGO.

Дальнейшая ручная обработка сигнала продлилась с 18-го сентября по 5-е октября. Вместе с этим был запущен поиск других индикаторов сигнала, так, например нейтринные всплески обнаружены не были, а вот коллаборация Fermi отметила слабую вспышку рентгеновского излучения, возможно связанную с событием.

Параметры события и дальнейшая судьба LIGO

Кратко говоря о событии GW150914, зарегистрированным интерферометром LIGO, можно сказать, что оно не только подтвердило существование гравитационных волн, но также стало долгожданным доказательством существования черных дыр. Дело в том, что источником излучения гравитационных волн были две черные дыры (на расстоянии 0,8 – 2 млрд св. лет от Земли), которые в результате столкновения объединились в одну, при этом объем выделенной энергии (перешедшей в гравитационное возмущение) равен трем массам Солнца. Длительность сигнала составила всего 0,2 секунды, однако столь мощное событие заметно выделилось на фоне различных шумов (соотношение сигнал-шум 24:1).

В результате открытия ученые коллаборации LIGO были удостоены премии под названием Breakthrough Prize, 1 млн долларов которой разделили основатели проекта (Кип Торн, Райнер Вайс и Рональд Дривер), а 2 млн долларов – 1012 соавторов открытия.

Коллаборация LIGO намерена продолжить исследование гравитационных волн, их параметров и особенностей. В ближайшее время планируется объединение LIGO с обсерваторией LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – еще одним интерферометром, направленным на обнаружение гравитационных волн на 4-5 порядков ниже, чем LIGO.

Ниже представлено видео о создании обсерватории LIGO и дальнейшей перспективы астрономических наблюдений при помощи подобных интерферометров.