Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

На мой взгляд, одним из самых замечательных качеств LISA станет способность предупреждать нас о приближающихся столкновениях ЧД. Если бы эта программа уже действовала в 2015 г., астрономы предсказали бы время GW150914 с точностью до нескольких секунд. Более того, они бы точно знали, где искать электромагнитные проявления события. Все телескопы на Земле и в космосе обследовали бы место катастрофы в поисках одновременной рентгеновской вспышки, излучения видимого или инфракрасного света, и, разумеется, все сотрудники LIGO приникли бы к мониторам в центрах управления.

Это не сказка. Непосредственно перед столкновением друг с другом две ЧД звездной массы имеют орбитальный период в несколько миллисекунд – именно поэтому они излучают высокочастотные гравитационные волны, которые могут быть зарегистрированы LIGO и Virgo. За месяцы или годы до ДТП космического масштаба у них намного больший орбитальный период, исчисляемый секундами или даже минутами. Наземные детекторы не могут наблюдать соответствующие низкочастотные волны, но LISA «увидит» их, причем, вероятно, с расстояния в миллиарды световых лет.

В результате длительного изучения постоянного источника волн космическая обсерватория сможет определить его местоположение в небе методом триангуляции. Большие наземные оптические телескопы попытаются найти галактику, в которой находится двойная система, и установить расстояние до нее. Подробный анализ сигнала даст астрономам точную информацию о массах двух объектов и изменении их орбиты. Задолго до столкновения и слияния они откроют почти все свои секреты. Когда орбитальный период сократится до нескольких секунд, LISA не сможет наблюдать сигнал, но недалек момент, когда чувствительный наземный интерферометр примет эстафету, чтобы стать свидетелем заключительных стадий слияния. Разумеется, все уже будут наготове.

Ученый мир замер в предвкушении. В университетах, институтах и лабораториях по всему земному шару самые светлые умы неустанно и самоотверженно трудятся над тем, чтобы Лазерно-интерферометрическая космическая антенна стала реальностью и была готова к выводу в космос примерно к 2031 г. Еще около 15 лет, и LISA – а также ее японский и китайский аналоги, если этим проектам будет сопутствовать успех, – совершит переворот в области гравитационно-волновой астрономии.

Это не значит, что ближайшие полтора десятилетия не обещают ничего интересного. Поговорим о более близких свершениях – и не в космосе, а на Земле. Точнее, под землей.

В огромной пещере в горе Икэно на западе Японии рабочие строят второй по величине в мире лазерный интерферометр. Исходная версия детектора гравитационных волн в Камиока (Kamioka Gravitational Wave Detector, KAGRA) была создана и протестирована в марте и апреле 2016 г., после чего началась установка нового оборудования базовой версии: дополнительные зеркала, многоуровневые системы подвеса, новые лазеры, криогенные холодильные агрегаты. Участники масштабных работ надеются завершить их к концу 2018 г., если удастся избежать очередных простоев. Построить подземный интерферометр с плечом 3 км – непростая задача.

Примерно в 200 км к востоку, в пригороде Токио, Рафаэль Фламинио поделился со мной оптимизмом [131] Я посетил кампус Митака Японской национальной астрономической обсерватории (NAOJ) и взял интервью у Рафаэля Фламинио в Токио (Япония) 6 июля 2016 г. . Проблемы существуют, особенно с отводом воды, просачивающейся в подземные камеры и туннели, но они решаемы. И они будут решены. Фламинио убежден, что KAGRA начнет действовать в связке с LIGO и Virgo в 2019 г., если не раньше.

Фламинио, итальянский физик, возглавляет отдел по реализации проекта изучения гравитационных волн Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ). Сразу понятно, что директор – итальянец: в кампусе NAOJ в Митака подают прекрасный кофе. Группа Фламинио работает в современном здании, уродующем живописное историческое окружение. За кирпичными воротами по улице Осава, наискось от маленького буддийского храма, разместились несколько старых зданий обсерватории в окружении очаровательного садика с цветущей сакурой и прочими элементами традиционного стиля. По выходным местные жители устраивают здесь пикники, не подозревая, что 20 лет назад в этом месте находился крупнейший в мире детектор волн Эйнштейна.

300-метровый интерферометр TAMA [132] TAMA300: http://tamago.mtk.nao.ac.jp/spacetime/tama300_e.html . , построенный в 1997 г., задолго до LIGO, Virgo и GEO600, был не только самым большим в истории детектором-прототипом, но и первым инструментом для изучения гравитационных волн, чувствительность которого превосходила антенные детекторы Джо Вебера и других первопроходцев 1960–1970-х гг.

Фламинио участвовал в проекте Virgo с 1990 г., еще до официального одобрения этой французско-итальянской инициативы. Он контролировал строительство и ввод в эксплуатацию интерферометра под Пизой, а с 2004 по 2007 г. являлся вице-директором консорциума Европейской гравитационной обсерватории (EGO). После нескольких посещений TAMA300 он влюбился в Страну восходящего солнца и в сентябре 2013 г. переехал в Японию.

Проект Большого криогенного гравитационно-волнового телескопа был представлен японскому правительству в самом начале нового тысячелетия. LIGO готовилась к первому научному пуску в Хэнфорде и Ливингстоне, Virgo строилась. Все понимали, что гравитационно-волновую астрономию ждет блестящее будущее. Японские ученые хотели застолбить себе место в новом научном поле. Возникла мысль построить детектор под землей, в шахте Камиока, чтобы избавиться от большей части низкочастотного сейсмического шума. Охлаждение зеркал до сверхнизких температур (отсюда слово «криогенный» в названии) снизило бы тепловые помехи. При низких температурах аморфный кварц не лучший выбор, и зеркала решено было изготовить из сверхчистых искусственно выращенных сапфировых кристаллов.

После нескольких неудач проект был одобрен в июне 2010 г., вскоре после того, как Наото Кан (руководитель Демократической партии Японии) занял пост премьер-министра. Не успело начаться строительство, разразилась катастрофа 11 марта 2011 г. – землетрясение Тохоку и вызванное им мощное цунами стали препятствием для финансирования работ. Только в 2012 г. корпорация Кадзима, одна из крупнейших строительных компаний Японии, начала рыть 3-километровые туннели будущей KAGRA. Работы были выполнены всего за два года – по словам Фламинио, это самый быстрый проект в Японии, связанный с проходкой туннелей.

Тем временем в близлежащей пещере создавалась Криогенная лазерно-интерферометрическая обсерватория – 100-метровый прототип для тестирования системы с глубоким охлаждением зеркал. Вакуумная система KAGRA была завершена в 2015 г. В том же году установили большую часть оборудования интерферометра. Первый научный запуск Initial KAGRA (iKAGRA) состоялся через несколько недель после сообщения LIGO об открытии GW150914, правда, без криогенного охлаждения и дополнительных зеркал, которые должны будут образовать резонатор Фабри – Перо, увеличивающий длину пути и мощность лазерного импульса.