VIVOS VOCO: К.Торн, "Черные дыры и гравитационные волны"

В декабре 2000 г. на заседании Президиума РАН президент РАН академик Ю.С. Осипов вручил диплом иностранного члена Российской академии наук выдающемуся американскому физику Кипу Торну. Он родился 1 июня 1940 г. в г. Логан (штат Юта, США), получил степень бакалавра от Калифорнийского технологического института (1962) и степень доктора естественной философии от Пристонского университета. С 1966-го по настоящее время он профессор Калифорнийского технологического института. В 1973 г. избран членом Национальной академии наук США и членом Бостонской академии наук и искусств. В 1981 г. Торн удостоен звания почетного доктора наук Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, а в 1998 г. избран иностранным членом Российской академии наук. Труды Торна в области релятивистской астрофизики, теории гравитационных антенн, квантовых измерений получили международное признание. Он активно сотрудничает с российскими учеными (из более чем 150 его публикаций 12 написаны в соавторстве с коллегами из РАН и МГУ). На заседании Президиума РАН Торн выступил с докладом, текст которого публикуется ниже.

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ

Кип Торн

Для меня большая честь избрание в члены Российской академии наук, и я рад приглашению сделать доклад на заседании Президиума академии.

Гравитационные волны - это рябь на поверхности кривизны, на ткани пространства-времени, которая распространяется со скоростью света. Будучи предсказанными Альбертом Эйнштейном в общей теории относительности, они до сих пор непосредственно не обнаружены. Однако косвенным образом они были идентифицированы в движении двойных пульсаров. Эти волны интенсивно излучаются компактными и массивными астрофизическими объектами, например, при столкновении черных дыр или нейтронных звезд, когда, как правило, нет электромагнитного излучения *. Гравитационные волны значительно глубже, чем электромагнитные, проникают и меньше поглощаются. Это - наиболее обещающая проба сильного гравитационного поля, темной стороны Вселенной.

* Академик В.А. Фок был первым, кто обратил внимание на возможность использования астрофизических катастроф как источника мощного гравитационного излучения (1948). Согласно современным расчетам, при слиянии двух нейтронных звезд излучается около 10⁴⁵ Дж в виде всплеска гравитационного излучения, то есть около 1% от полной энергии (Е = mc²) двух звезд. - Прим. ред.

Позвольте рассказать о физической сущности гравитационных волн. Гравитационная волна растягивает и сжимает пространство. Если в ее поле есть две разнесенные системы координат, то волна вызывает их относительное колебательное движение. У гравитационной волны возможны две поляризации. В первой волна в течение полупериода сжимается по вертикали и растягивается по горизонтали, в следующий полупериод - наоборот. Вторая возможная поляризация сдвинута на 45° по отношению к первой. Во времени гравитационная волна - это длинный или короткий волновой пакет. В его форме заключена информация об источнике.

Вид одной из антенн LIGO с высоты 500 м

В настоящее время ведутся поиски гравитационных волн длиной от размера Вселенной до нескольких метров, иными словами, в диапазоне частот от 10^-16 до 10⁸ Гц, то есть частотный диапазон поисков перекрывает более чем 20 порядков. Хорошая чувствительность уже достигнута или планируется в интервале частот от 10 до 10⁴ Гц, или на длинах волн от 30 тыс. км до 30 км. На этот диапазон рассчитаны проекты LIGO и VIRGO *. На более низкие частоты - от 0.1 до 0.0001 Гц гравитационного излучения (длины волн порядка расстояния от Земли до Солнца) - нацелен проект LISA ** - лазерная космическая антенна, которая, надеюсь, будет запущена в недалеком будущем. Я расскажу об этих двух наземных и космических проектах.

* Проект LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) - лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория - изначально национальный проект США. Проект VIRGO носит латинское название скопления галактик в созвездии Девы (примерно 30 Мпс от Земли), изначально итало-французский. - Прим. ред.

** LISA (Laser Interferometer Space Antenna) - лазерно-интерферометрическая антенна в космосе - совместный проект Европейского космического агентства и Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США. - Прим. ред.

LIGO/VIRGO - это, по существу, сеть антенн относительно высокочастотного диапазона. Она включает две антенны LIGO - одна в Хэнфорде, другая в Ливингстоне (обе в США) и антенну VIRGO недалеко от Пизы (Италия). К сети примыкают более скромные по размерам (и соответственно по ожидаемой чувствительности) антенна в Японии (ТАМА) и в северной части Германии (GEO-600). Необходимо использовать всю информацию, которая регистрируется этими антеннами, то есть всю сеть, чтобы получить максимум сведений о свойствах гравитационных волн и их источников.

Для определения амплитуды натяжения в пространстве, вызванной гравитационной волной, используем простую формулу: произведение гравитационной постоянной и начальной кинетической энергии (например, двух сливающихся компактных звезд) разделим на произведение расстояния до них и квадрата скорости света. Если сталкиваются две черные дыры с кинетической энергией порядка mc² (m - масса Солнца), а расстояние от наземной антенны до места столкновения составляет 1 млрд. световых лет, то амплитуда натяжения пространства у антенны будет примерно 10^-21. Это и есть проектируемая чувствительность на первом этапе осуществления проекта LIGO.

Собственно детектор антенны представляет собой четыре массивных зеркала, сделанных либо из плавленного кварца, либо из сапфира, которые подвешены на тонких кварцевых нитях длиной около 1 м *. Все зеркала размещены в вакуумных камерах, соединенных вакуумными трубами. Расстояние между зеркалами в каждой паре 4 км. Когда гравитационная волна проходит, она сначала сдвигает одну пару зеркал и раздвигает другую, в следующий период - наоборот. Лазерный интерферометр регистрирует эти колебания.

* Принцип использования пары свободных масс-зеркал и лазерного интерферометра для регистрации их малых колебаний, вызванных гравитационной волной, предложен членом-корреспондентом РАН В.И. Пустовойтом и профессором М.Е. Герценштейном в 1962 г. - Прим. ред.

Несколько чисел для иллюстрации: при расстоянии 4 км между зеркалами и амплитуде волны 10^-21 величина амплитуды относительных колебаний зеркал 4х10^-16 см при оптимальной ориентации плеч антенны относительно источника. На прототипе LIGO, где расстояние между зеркалами составляло 40 м, после многих лет работы такая чувствительность при регистрации взаимных колебаний моделей зеркал уже достигнута. В 2002 г. в LIGO I при расстоянии между зеркалами 4 км чувствительность должна быть немного лучше, чем в прототипе. На следующем этапе (LIGO II) в 2006 г. чувствительность должна быть повышена: можно будет зарегистрировать амплитуду колебаний зеркал около 10^-17 см.

Ясно, что достижение такой чувствительности - это очень серьезная технологическая задача, ведь величина амплитуды колебаний в 10 тыс. раз меньше размера атомного ядра (10^-13 длины оптической волны, или половина длины квантовой волновой функции 30-килограммового зеркала). Потребовалось весьма значительно усовершенствовать технологию высокочувствительных измерений, повысить стабильность лазеров, увеличить отражающую способность оптических зеркал, существенно развить квантовую теорию измерений и создать соответствующие технологии.

Ответственность за разработку конструкций и операции на микроинтерферометрах лежат на Калифорнийском технологическом институте. Но существует и международное научное сообщество, которое формулирует задачи, проводит исследовательские работы. В нем участвуют 250 ученых и инженеров из 25 институтов. Большую роль в этом сообществе играют профессор В.Б. Брагинский и его коллеги из Московского государственного университета. Подвес зеркал и тепловые флуктуации в нем, избыточные шумы, квантовые ограничения и квантовые невозмущающие измерения - это проблемы, которые решает группа из МГУ. А задача Калифорнийского технологического института - использовать все разработки МГУ, чтобы превратить их в технологически надежные устройства, которыми будут оборудованы антенны. В содружестве научные группы разрабатывают различные узлы и элементы для LIGO II, чтобы потом, в окончательном варианте, использовать их в больших гравитационных антеннах.

Несколько слов о чисто научной стороне проектов, то есть о том, какие результаты можно ожидать от работы этой сети *.

* Читатели, желающие подробнее ознакомиться с проблемами гравитационно-волновой астрономии, могут найти дополнительную информацию в обзорах, недавно опубликованных в "Успехах физических наук" (2000. Т. 170. С. 743-752; 2001. Т. 171. С. 3-59). - Прим. ред.

Принципиальная схема лазерной гравитационной антенны (LIGO и VIRGO)

Первое, на что можно надеяться, - это обнаружение всплесков гравитационного излучения при спиральном сближении либо двух нейтронных звезд, либо черных дыр в последней стадии перед столкновением. На эту стадию приходится примерно 1000 или 10000 циклов (оборотов) при средней частоте около 100 Гц или несколько сотен герц. При чувствительности LIGO I нет 100%-ной гарантии, что такие всплески будут зарегистрированы, но при чувствительности LIGO II вероятность их наблюдения высокая. Антенны LIGO II смогут зарегистрировать слияние нейтронных звезд на расстоянии 1 млрд. световых лет от Земли. Частота ожидаемых событий - от двух в год (пессимистическая оценка) до одного в день (оптимистическая оценка). Слияние нейтронных звезд с черными дырами можно будет наблюдать с вдвое большего расстояния. Пессимистическая оценка - одно событие в год, оптимистическая - три всплеска в день. А слияние черных дыр будет видно с расстояния 5 млрд. световых лет (это близко к величине горизонта событий). Частота ожидаемых событий - от одного в месяц (пессимистическая оценка) до шести в день (оптимистическая оценка).

Когда всплеск гравитационного излучения будет зарегистрирован, можно будет измерить массу сливавшихся компонентов, вращательный момент, направление, откуда пришло излучение, и расстояние до источника. Кроме того, по форме всплеска можно будет составить представление о множестве релятивистских гравитационных эффектов, которые до сих пор не наблюдались. При слиянии нейтронной звезды с черной дырой последняя разорвет нейтронную звезду, и по форме всплеска можно будет судить о свойствах ядерной материи, из которой состоит нейтронная звезда.

Когда две черные дыры сливаются, мы имеем возможность наблюдать скрутки пространства-времени, динамику скруток. Черные дыры "сделаны" не из обычной материи, а из скрученного (свернутого) пространства-времени. Интересно отметить, что черная дыра при своем вращении увлекает за собой пространство примерно так же, как торнадо из-за вращения закручивает воздух.

Ученые хотят узнать, что будет происходить, когда две черные дыры, вращающиеся каждая вокруг своей оси и вращающиеся обе вокруг общего центра масс, будут сливаться. Форма всплеска гравитационного излучения принесет информацию об этом процессе. Естественно стремление специалистов построить теоретическую модель процесса слияния двух черных дыр и с помощью суперкомпьютера рассчитать форму гравитационного всплеска, рожденного в таком процессе. Решение этой задачи потребует использования самых мощных компьютеров, которые когда-либо применялись на нашей планете. Я поспорил с одним из моих коллег, кто будет первым: экспериментатор, зарегистрировавший такой всплеск, или математик, рассчитавший его форму. Мой коллега полагает, что первым будет экспериментатор.

Примерно через 10 лет поле поисков гравитационного излучения расширится: вступит в строй проект LISA. Пробный запуск элементов антенны намечен на 2006 г., а окончательный - на 2010-й. Антенна будет расположена на той же орбите вокруг Солнца, что и Земля. В ней, как и в антеннах LIGO и VIRGO, будут использованы зеркала (центральный элемент в спутниках) и лазерный интерферометр для измерения их малых относительных колебаний (амплитуда 10^-9 см при расстоянии между зеркалами в 5 млн. км). В отличие от наземных лазерных антенн в LISA диапазон частот гравитационного излучения составляет 10^-4-0.1 Гц. Соответственно и программа поисков нацелена на другие источники.

Наземные антенны и антенна на околоземной орбите (относительно низкочастотная) позволят начать изучение того, что происходило во Вселенной в первую секунду ее существования. Можно предсказать, что в ближайшие 20-30 лет с помощью этих антенн мы сможем узнать "темную" сторону устройства нашей Вселенной, в которой почти не было электромагнитного излучения, а вся информация была связана с излучением гравитационных волн.