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

Роскошный скоростной поезд синкансэн за два часа домчит вас от токийской станции Уэно до Тоямы на западном побережье [133] Я посетил гравитационно-волновой детектор Камиока (KAGRA) возле Модзуми в преф. Гифу (Япония) 7 июля 2016 г. . Там я ранним утром сажусь на автобус и еду в горы. Ошеломительные 75 минут подъема по крутому, поросшему лесом склону среди клочьев тумана, и я выхожу у почтового отделения крохотной шахтерской деревушки Модзуми сразу за границей префектуры Гифу. Горный промысел в этих местах начался еще в VIII в. Шахта Камиока, где добывались цинк и свинец, названная как и городок километрах в десяти вниз по дороге, была закрыта в 2001 г., но здесь до сих пор живет несколько шахтерских семей.

Штаб-квартира KAGRA [134] Гравитационно-волновой детектор Камиока (KAGRA): http://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en . размещается в новом здании, возвышающемся над деревней. Из уважения к японским традициям я переобуваюсь в шлепанцы, приготовленные для посетителей у входа. К сожалению, они малы для моих голландских ног. Сотрудник подразделения по изучению гравитационных волн NAOJ Ёити Асо сопровождает меня в маленькое помещение управления, где два десятка человек собрались на утреннее десятиминутное совещание. Затем он обряжает меня в каску и светоотражающий защитный жилет, и мы едем около 5 км до входа в шахту, спускаясь на тысячу метров ниже подножия горы Икэно – Икэнояма.

За последние десятилетия шахта Камиока превратилась в многофункциональную физическую лабораторию. В 1991 г. здесь начали рыть огромную пещеру, в которой теперь размещается «Супер-Камиоканде», один из крупнейших в мире детекторов нейтрино (о чем свидетельствуют три последние буквы названия). По сути, это гигантский резервуар из нержавеющей стали высотой 41,4 м и диаметром 39,3 м, заполненный 50 000 т сверхчистой воды. Внутренняя поверхность цилиндра выложена 11 000 фотоэлектронных умножителей – изготовленных методом ручного дутья трубок около 50 см диаметром каждая. Они регистрируют слабые вспышки света, вызванные редкими взаимодействиями высокоэнергетических нейтрино с молекулами воды. В подземной обсерватории Камиока работают и другие инструменты: детектор антинейтрино на жидком сцинтилляторе Камиока и Ксеноновый детектор слабо взаимодействующих массивных частиц, занимающийся поиском темной материи.

Другим горизонтальным туннелем Асо доставляет меня в центральную зону интерферометра KAGRA, где в полном разгаре идет апгрейд оборудования. Впечатляющее зрелище: в огромной полости теснятся блестящие вакуумные резервуары, портальные краны, строительные леса, вилочные погрузчики, путепроводы для лазерного излучения с массивными фланцами на болтах и стойки с электроникой. Резкий контраст грубо обработанной скалы и высокотехнологичного оборудования создает сюрреалистическое впечатление секретной подземной лаборатории безумного ученого из фантастического фильма.

Недостатки размещения гравитационно-волновой обсерватории под землей также очевидны. Вырубленные в скале стены были обработаны противопылевым покрытием, но в пещере, разумеется, не может быть так же чисто, как в центральных зданиях LIGO или Virgo. Самые чувствительные части оборудования спрятаны в «скафандры» – большие пластиковые палатки, куда под давлением нагнетается очищенный воздух.

Намного более серьезной проблемой является вода. Как знает любой спелеолог, в пещерах очень сыро. Относительная влажность в гроте KAGRA 75–100 %. Гора «работает» как губка, объясняет Асо, – поглощает дождевую воду, которая сочится через стены пещер и двух 3-километровых туннелей. Из-за давления грунтовых вод подмокают даже полы туннелей. Воды очень много: в среднем около 500 т в час – 1 % объема детектора Камиоканде.

Асо ведет меня в ближайший конец одного из сырых тускло освещенных туннелей. Стальным трубам из нержавеющей стали влага не страшна, но вода стоит на полу туннеля, и я постоянно слышу звук падающих капель. Часть потолка покрыта огромными листами пластика. Для улучшения дренажа туннели проложены не строго горизонтально, а с уклоном около 2°. Из-за этого зеркало KAGRA также должно быть слегка наклонено – очередная технологическая сложность.

Стены центрального грота также по большей части затянуты пластиком. Вода и здесь главный враг. Проблема встала особенно остро весной 2015 г., когда уровень воды в некоторых местах пещеры достигал 10 см и полы туннеля были совершенно мокрыми. Со сводов капало на скафандры с оборудованием. Монтаж вакуумной системы пришлось отложить на два месяца. Зима того года выдалась снежной, и талые воды оказались очень обильными. Возможно, сказалась и недавняя прокладка туннелей с помощью динамита, повысившая давление грунтовых вод. В год моего визита (я приехал в KAGRA в начале июля 2016 г.) ситуация улучшилась. То ли Икэнояма восстановила состояние равновесия, то ли помог Эль-ниньо 2015 г. – это климатическое событие сопровождается значительным уменьшением количества снега. «Посмотрим, что будет дальше», – замечает Асо.

Расположившийся в Митака Рафаэль Фламинио прекрасно знает, что проблема пока не решена, но вспоминает, что подземная физическая лаборатория по изучению элементарных частиц Гран-Сассо в Итальянских Альпах сталкивалась с такими же трудностями. «Сразу по окончании строительства вода была повсюду. Теперь все улажено. Мы тоже найдем решение».

Baseline KAGRA (bKAGRA) закончат к концу 2018 г. или в начале 2019 г., и он будет представлять собой четыре больших лазерных интерферометра, работающих сообща. Официально KAGRA не входит в коллаборацию LIGO – Virgo, но в будущем американская, европейская и японская группы будут обмениваться результатами наблюдений для совместного анализа. Согласованное использование четырех детекторов дополнительно снизит уровень ложноположительных результатов. Более того, если волны Эйнштейна от слияния нейтронных звезд или ЧД регистрируются четырьмя независимыми инструментами, можно с довольно высокой точностью локализовать событие в небе. Дополняющие наблюдения в форме автоматизированного поиска электромагнитных проявлений, описанные в главе 14, станут намного более эффективными.

Всего через несколько лет появится пятый интерферометр – в Индии. LIGO India станет аванпостом LIGO в Азии [135] LIGO India: http://www.gw-indigo.org/ligo-india . . Главная его задача – бóльшая надежность регистраций благодаря независимому подтверждению и лучшая локализация. Создание всемирной сети детекторов давно является целью Международного комитета по изучению гравитационных волн, организованного в 1997 г. для углубления сотрудничества разных стран в этой области. В начале октября 2016 г. в качестве места для индийского инструмента была выбрана площадка возле города Хинголи, в 500 км к востоку от Мумбаи.