Главное, что следует усвоить с самого начала: факт существования гравитационных волн с момента их описания никем никто из специалистов не ставился под сомнение. При этом каждый скажет, что было бы крайне интересно, если бы их вдруг не обнаружили, что это означало бы: либо теория относительности неверна, либо мы абсолютно неправильно понимаем природу Вселенной.
Но их гравитационные волны все-таки обнаружили!
Что принесло открытие гравитационных волн?
Фиксация гравитационных волн подтвердила огромное количество разнообразных представлений, главенствующих в физике и астрономии. Теория относительности в очередной раз подтвердилась!
Подтвердилось существование чёрных дыр (фото было получено позже).
Подтвердились представления об эволюции и конечной стадии двойных звёздных систем.
В общей сложности нашли своё подтверждение все (!) предсказания в физике, астрономии и астрофизике, сделанные в течение последних, на минуточку, 100 лет.
Таким образом, для всех, кто хоть немного связан с наукой или увлечён ею, становится очевидным, что она (наука) движется в правильном направлении, строго следуя логике, наблюдениям и экспериментам. Вселенная познаваема! Это крайне важно знать в наше время, когда невежество и мистицизм вновь набирают обороты.
Что даст это открытие в будущем?
Сделать такой прогноз очень непросто. Точно можно сказать одно: в астрономии освоение каждого нового диапазона излучения всегда приводило к открытию новых объектов и явлений. Именно поэтому при открытии нового излучения астрономы всегда говорят о новом окне во Вселенную.
Так, от визуальных наблюдений мы постепенно переходили к рентгеновскому, инфракрасному и радиодиапазонам. Затем в качестве нового способа познания появились космические лучи. Нейтрино стали последним способом получения информации о Вселенной. Появился даже подраздел «нейтринная астрономия». Теперь же астрономия станет гравитационно-волновой.
В конце концов, Генрих Герц после обнаружения электромагнитных волн посчитал их бессмысленными. А мы сегодня пользуемся телефонами, смотрим телевизор и используем навигаторы, чтобы не заблудиться в незнакомом городе. Как знать, вполне вероятно, что именно гравитационные волны станут началом реального освоения человечеством Вселенной.
Есть и ещё одна очень интересная аналогия. В коллайдерах мы сталкиваем элементарные частицы, чтобы понять не только их устройство, но и, собственно, устройство Вселенной. Теперь же, только представьте, мы имеем возможность наблюдать, к примеру, столкновения нейтронных звёзд, чтобы понять, как устроены уже они. Так мы познаём, опять же, Вселенную, но в принципиально других масштабах.
Гравитационные волны помогут сформировать карту ближайшей Вселенной и обнаружить тёмную материю
Галактики-спутники Млечного Пути представляют огромный интерес для космологии, фундаментальной физики и астрофизики. Однако из-за крайне низкой светимости их невероятно сложно обнаружить. Собственно, из достоверно подтверждённых галактик есть лишь 15. Хотя некоторые исследования показывают, что на самом деле галактик может насчитываться от нескольких сотен до более тысячи (Michael T. Busha, 2010). К примеру, яркость нашей галактики не даёт нам нормально увидеть галактику Андромеды, хотя её угловые размеры в 6 раз больше Луны.
Пользователь Reddit наглядно продемонстрировал, какая красота скрывается за светом наших звёзд
Всё это невероятно затрудняет изучение Вселенной. Гравитационно-волновая астрономия, как мы уже говорили, сможет дать невероятный прорыв в этом направлении. Между тем к настоящему времени ещё не разработаны инструменты для её реализации. LIGO и VIRGO – это детекторы гравитационных волн, доказавшие их существование. Эти детекторы используют сейчас для обнаружения только высокочастотных гравитационных волн. Одним из инструментов, способных фиксировать среднечастотные ГВ, должна стать Laser Interferometer Space Antenna (Лазерная интерферометрическая космическая антенна), запуск которой запланирован на 2034 год. Правда, существует вероятность, что он будет перенесён на 2029 год. Собственно говоря, в декабре 2015 года был запущен спутник LISA Pathfinder, предназначенный для отработки некоторых решений для оборудования LISA и показавший реализуемость проекта LISA.
Так для чего всё это нужно?
Гравитационно-волновая астрономия позволит заглянуть за пределы той физики, в границы которой мы упёрлись из-за недостаточной чувствительности создаваемых сегодня приборов. Так, к примеру, мы фиксируем гравитационные взаимодействия между нашей Галактикой и её спутниками (Alis J. Deason, 2020), но не видим абсолютное большинство из них (Elinore Roebber, 2020). Это мешает нам составлять более точные модели для изучения всё той же гравитации или тёмных материи и энергии.
Кроме того, учёные предполагают, что крайне низкая светимость галактик-спутников объясняется тем, что они состоят в основном из самых старых и бедных металлами звёзд, что даст нам возможность изучать ранние этапы эволюции Вселенной.
В конце концов, мы сможем составить более подробную карту собственной Галактики. Ведь сейчас мы имеем лишь приближённую модель.
Кому полезно открытие гравитационных волн, кроме физиков?
Подведём своего рода итог, чтобы принять факт существования гравитационных волн как данность. При этом обозначим вероятное практическое применение и направления дальнейшего развития этой потрясающей, опередившей своё время работы по их обнаружению.
Суть гравитационных волн простыми словами
11 февраля 2016 года на пресс-конференции в Вашингтоне группа учёных обсерватории LIGO объявила о том, что смогла зафиксировать гравитационные волны, испущенные при столкновении двух чёрных дыр 1,3 млрд лет назад.
После этого оборудование LIGO, Virgo и других обсерваторий непрерывно совершенствовалось. В итоге гравитационные волны от слияния чёрных дыр регистрировались уже целых четыре раза.
16 октября 2017 года весь мир узнал ещё об одном выдающемся открытии астрономов LIGO, Virgo и ещё 70 обсерваторий, которые достигли таких мощностей, что смогли зафиксировать гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд.
Фотография источника гравитационных волн – NGC 4993 (в центре различима вспышка). Фото с сайта nplus1.ru
Отличительной особенностью данного открытия стало то, что это событие было зафиксировано и в оптическом диапазоне. То есть учёные буквально его увидели!
Никто не сомневался, что открытие гравитационных волн будет удостоено Нобелевской премии по физике. Так и произошло. Премию вручили Райнеру Вайсу, Барри Баришу и Кипу Торну.
При этом учёные совершенно не торопятся говорить о практическом применении гравитационных волн. Сначала необходимо проанализировать результаты, сделать соответствующие выводы и только после этого двигаться дальше.
Но каждый раз, когда приходится отвечать на подобные вопросы, специалисты напоминают, что ещё совсем недавно человечество точно так же не знало, что делать с электромагнитными волнами, которые в итоге привели к настоящей научно-технической революции.
Чем они могут быть полезны?
Во-первых, фиксация гравитационных волн в очередной раз подтвердила общую теорию относительности, в рамках которой они были описаны в 1916 году. ОТО была одним из самых глубоких научных и философских осознаний ХХ века и сейчас составляет основу самых интеллектуальных исследований в реальности.
То, что человек смог разработать такой труд, имея лишь личное стремление к познанию окружающего мира, – факт просто невероятный. В астрономии применения общей теории относительности ясны: от гравитационной линзы до измерения расширения Вселенной. Бóльшая часть современных технологий использует уроки теории относительности в тех областях, которые считаются простыми. Например, спутники глобальной навигации не будут достаточно точными, если не применять простую корректировку замедления времени, предсказанного теорией относительности.
При этом следует понимать, что, когда Альберт Эйнштейн представил свою теорию в 1916 году, её применение было, мягко говоря, сомнительным. Эйнштейн просто описывал Вселенную такой, какой он её видел. И вот сейчас доказан очередной её «фантастический» постулат. Конечно, это вызывает бурю негодования у тех, кому физика побоку (хотя именно такие и жалуются на неточность навигации, например, в навигаторе смартфона). Спрашивать у астрофизиков о том, как могут быть использованы гравитационные волны, себе дороже.
Но я вам по секрету всё же отвечу. После того как физики собрали данные от пар чёрных дыр, которые будут играть роль маяков, разбросанных по Вселенной, они смогут измерить скорость расширения Вселенной или количество тёмной энергии с чрезвычайной точностью. Намного точнее, чем они могут сделать это сегодня.
– Ну хорошо им! – скажут многие.
А каково их практическое применение?
Существует исключительно умозрительная интерпретация. Например, открытие рентгеновских лучей. Вильгельм Рентген в 1895 году обнаружил лучи, впоследствии названные его именем, во время опытов с электронно-лучевыми трубками. Лишь в 1901 году он получил за их открытие первую Нобелевскую премию по физике. И это при том, что сам он занимался их исследованием не более года. Основную же часть работы сделали его последователи. В итоге эти электромагнитные волны стали ключевым компонентом в повседневной медицине.
Аналогично первым экспериментальным получением радиоволн в 1887 году Генрих Герц подтвердил известные электромагнитные уравнения Джеймса Клерка Максвелла. Только спустя большой промежуток времени, в 90-х годах ХХ века, Гульельмо Маркони создал радиопередатчик и радиоприемник, доказав их практическое применение. За это он тоже получил Нобелевскую премию по физике