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

Первые указания на существование темной энергии были получены в 1998 г. похожим способом. Астрономы изучали взрывы сверхновых определенного типа (так называемого типа Ia), для которого известен реальный выход энергии. Такой объект называют «стандартная свеча». Измерение наблюдаемой светимости сверхновой дает информацию о расстоянии до нее, которую затем можно сравнить с красным смещением ее галактики. Потенциальной проблемой этого метода является то, что на наблюдаемую светимость взрыва далекой звезды могут влиять другие эффекты, например поглощение пылью. В случае гравитационных волн, однако, вы имеете именно то, что наблюдаете. Вселенная абсолютно прозрачна для возмущений пространственно-временного континуума, и из их наблюдаемой амплитуды легко вывести действительное расстояние до источника. Если сверхновые типа Iа – это стандартные свечи, то гравитационные волны можно назвать стандартными сиренами.

Роль, которую могли бы сыграть волны Эйнштейна в открытии тайны темной материи, менее очевидна. Будущие наблюдения гравитационных волн от слияния сверхмассивных ЧД или попадания в ЧД компактных объектов (EMRI) помогут составить карты скучивания галактик в разные эпохи эволюции Вселенной. В сочетании с лучшим пониманием процесса расширения Вселенной это даст детальную информацию о распределении темной материи в пространстве и, возможно, о природе этой таинственной субстанции.

Наконец, физики рассчитывают на возможность подвергнуть ОТО Эйнштейна новым проверкам. Изучение гравитационных волн рассказывает о поведении материи и пространства в экстремальных условиях – под воздействием невероятно мощных полей тяготения в непосредственной близости от ЧД. Особенно много ценной информации ожидается о так называемых сильных полях. Как я уже отмечал, ОТО несовместима с квантовой теорией поля, и по крайней мере одна из этих двух теорий в какой-то момент должна «оступиться». Обе они не могут быть совершенно правильными. Большой вопрос: когда и где одна из них «пойдет трещинами» и как физики их «залатают»? Возможно, путь укажут дальнейшие наблюдения гравитационных волн, потеснив ОТО.

Согласно некоторым теориям, все вышеописанные проблемы так или иначе связаны. Сторонники теории модифицированной ньютоновской динамики (MOND) считают темную материю иллюзорной концепцией, возникшей вследствие ложного понимания гравитации. По мнению других, истинная теория квантовой гравитации автоматически снимет вопросы темной материи и ускорения экспансии Вселенной. Практически все сходятся на том, что давно желанное объединение ОТО и квантовой теории дадут нам понимание таких удивительных вещей, как черные дыры, Большой взрыв и множественная Вселенная. Изучение волн Эйнштейна на всех возможных частотах и во всех уголках космоса – «вслушивание в звуки тропического леса» – это важный следующий шаг на пути к постижению фундаментальных свойств Вселенной. Первая прямая регистрация гравитационных волн 14 сентября 2015 г. открыла принципиально новую главу в истории астрономии.

Появление в космосе гигантского лазерного интерферометра, описанного в главе 15, станет очень важным этапом развития гравитационно-волновой астрономии. Но прорывы будут совершаться не только за пределами земной атмосферы. Лазерно-интерферометрическая космическая антенна в силу своего колоссального размера с длиной плеча порядка нескольких миллионов километров будет способна воспринимать лишь колебания определенного диапазона, относительно низкочастотные. Для дальнейшего обнаружения высокочастотных волн, образующихся на заключительных стадиях слияния нейтронной звезды и ЧД, необходимы менее крупные инструменты. Через 15–20 лет на смену LIGO и Virgo, а также, возможно, KAGRA должны прийти наземные детекторы нового поколения.

Еще до начала перехода к Advanced Virgo европейские ученые стали предлагать идеи интерферометра третьего поколения – так называемого телескопа Эйнштейна [138] Телескоп Эйнштейна: http://www.et-gw.eu . , или ET. Как и в KAGRA, зеркала телескопа Эйнштейна будут охлаждаться до сверхнизких температур. Инструмент будет иметь тот же треугольный план, что и LISA, но длину плеча 10 км и включать в общей сложности шесть интерферометров с лазерами, светоделителями, зеркалами и фотодетекторами в каждой вершине. Три из шести интерферометров (по одному в каждой вершине) будут чувствительны к гравитационным волнам частотой от 2 до 40 Гц, другие три станут регистрировать высокочастотные волны.

Из-за высокой плотности населения в Европе трудно найти удачное место для такого большого детектора, поэтому его планируется расположить в подземных пещерах и туннелях. Дополнительным преимуществом является пониженная восприимчивость подземного детектора к низкочастотному сейсмическому шуму. Благодаря более длинным плечам, снижению уровня шума и криогенному охлаждению зеркал ЕТ должен быть в десятки раз чувствительнее Advanced Virgo. Он сможет регистрировать слияния нейтронных звезд с ЧД во всей наблюдаемой Вселенной, на расстояниях более 13 млрд св. лет.

В 2010 и 2011 гг. была проведена предварительная разработка этого масштабного проекта при финансовой поддержке 7-й рамочной программы Европейской комиссии [139] B. P. Abbott et al., Exploring the Sensitivity of Next Generation Gravitational Wave Detectors (Б. П. Эббот и др. Исследование чувствительности гравитационно-волновых детекторов следующего поколения), документ LIGO-P1600143 ( https://arxiv.org/pdf/1607.08697v3.pdf ). . ЕТ уже объявлен одним из «великолепной семерки» европейских проектов, рекомендованных сетью ASPERA для будущего развития астрофизики элементарных частиц в Европе. Он может стартовать в начале 2030-х гг., примерно в одно время с выводом в космос LISA.

Не только Европа задумывается об инструменте следующего поколения. В 2013 г. в ходе семинара по усовершенствованным детекторам гравитационных волн на итальянском острове Эльба маленькая группа американских ученых предложила план создания еще более крупного наземного инструмента – Длинной сверхмалошумной гравитационно-волновой обсерватории (Long Ultra-Low-Noise Gravitational-Wave Observatory, LUNGO). По словам Мэтта Эванса из MIT, замысел был выдвинут полушутя во время затянувшегося допоздна общения, участники которого наскоро подготовили презентацию в PowerPoint для заседаний следующего дня [140] Я взял интервью у Мэтта Эванса по телефону 30 июня 2016 г. .

С тех пор предложение получило некоторое развитие. Теперь у него есть название – Cosmic Explorer. Подошло бы и Super-LIGO, поскольку предполагается L-образная схема предшественника, только с длиной плеч 40 км. С учетом глубокого охлаждения зеркал Cosmic Explorer будет еще более чувствительным, чем телескоп Эйнштейна. Благодаря тому что в США очень много свободной земли, незачем забираться под землю. Эванс считает прекрасным местом для будущего интерферометра соляные равнины к востоку от Карсон-Сити в Неваде (знаменитые автомобильными и мотоциклетными гонками), но есть немало других вариантов – в западных штатах много земли в собственности федерального правительства. «Во время другого ночного обсуждения в 2016 г. на семинаре по усовершенствованным детекторам мы даже рассмотрели возможность строительства Cosmic Explorer в море, – рассказывает Эванс. – Может быть, это не полное безумие».