ученые зафиксировали гравитационные волны — искажение пространства-времени, предсказанное Альбертом Эйнштейном 101 год назад.

Что конкретно открыли?

Ученым удалось практически доказать существование принципиально новых для земной науки волн — гравитационных. Они возмущают пространство-время. Они очень слабые, но передают возмущения на невероятно огромные расстояния. Само их открытие состоялось благодаря тому, что аппаратура поймала момент столкновения двух массивных черных дыр на расстоянии свыше 1,5 млрд. световых лет от Земли.

Почему гравитационные волны зафиксировали только сейчас?



Потому что придумали, как это сделать и создали соответствующую аппаратуру (размером с пару кварталов, не считая "труб"). Открытие не было случайным, над ним бились последние несколько десятков лет, вложив массу времени и денег.

В чем практическая ценность этого открытия?

Она двояка. Во-первых, гравитационные волны когда-нибудь можно будет приспособить под бытовые нужды. Например, сейчас вы пользуйтесь мобильным телефоном, который работает благодаря радиоволнам. В момент открытия радиоволн никто и помыслить не мог, к чему это приведет. То же может произойти и с гравитационными волнами, если/когда мы научимся их использовать для… чего-то. До сих пор все открытые человечеством волны мы, так или иначе, "приручали" в бытовом плане.
Во-вторых, гравитационные волны имеют огромную, колоссальную важность для астрономии как науки. Сейчас астрономы для своих наблюдений используют световые волны (как и вы, когда смотрите на небо в звездную ночь) и электромагнитные. Черные дыры и темная материя не поддаются изучению световыми волнами, потому что не излучают свет. У электромагнитных волн тоже есть известные ограничения, а самое серьезное — неспособность "заглянуть" дальше, чем 400 тыс. лет с момента "Большого взрыва", то есть "первые дни" вселенной для ученых сегодня непроницаемы.
У гравитационных волн нет недостатков световых и электромагнитных. "Оседлав" их, ученые смогут увидеть события, которые происходили сразу после рождения вселенной, а также лучше изучить темные дыры и прочие таинственные космические штуки. Эти открытия могут оказаться очень неожиданными и способными завести нас очень далеко.

Когда начнут происходить все эти чудесные открытия?

Когда ученые смогут более уверенно принимать гравитационные волны. Их открытие случилось еще в сентябре прошлого года, а объявили о нем только сейчас — так много времени потребовалось на обработку результатов и их проверку. Известно, что обнаруживший гравитационные волны американский детектор LIGO сейчас закрыли для очередного "апгрейда", а вторая станция, VIRGO в Европе, еще толком не начала работать.
Основная проблема с гравитационными волнами в том, что они очень, очень, очень слабые. Это значит, что аппаратура для их приема должна быть невероятно чувствительной. По мере повышения чувствительности мы сможем фиксировать все менее значимые возмущения пространства-времени. Но надо понимать, что процесс этого самого повышения чувствительности с современными земными технологиями — затруднительный и дорогостоящий.
В общем, освоение гравитационных волн быстрым точно не будет, но есть надежда, что первые великие астрономические открытия с их помощью совершат еще при нашей жизни.
***
Астрофизик и популяризатор науки Сергей Попов объясняет что такое гравитационные волны и как они бегут по пространству-времени. 

— Что такое гравитационные волны?

—Начиная с общей теории относительности мы считаем, что гравитация связана с геометрией пространства-времени; современные теории гравитации — геометрические. В этих теориях геометрию пространства описывают метрикой: на плоскости это легко нарисовать — такой ковер, разлинованный в клеточку. Это плоское пространство. Мы можем его по-всякому изгибать, но лучше делать это не руками, а, например, массивными телами — любое тяжелое тело искажает пространство вокруг себя. Дальше — если это тяжелое тело будет ерзать, или, к примеру, два тяжелых тела будут крутиться вокруг общего центра звезды, то они будут периодически возмущать пространство, и по пространству побежит рябь. Вот это и есть гравитационные волны. 

Представьте себе, что кто-то плывет по воде, и от него по поверхности идут волны. Вот примерно так же и гравитационные волны бегут по пространству-времени. И когда они проходят какой-то кусочек, где мы живем, они возмущают пространство-время вокруг нас. Возмущают совсем слабо, потому что гравитация по сравнению с другими силами очень слабая. Измерить это трудно, но можно. И люди на протяжении последних 50 лет пытались это сделать. И вот, наконец, это получилось.

— То, что зафиксировать волны удалось именно сейчас, связано с появлением подходящей аппаратуры?

— Да, в первую очередь это аппаратура. Детектор LIGO, детектор VIRGO, который скоро начнет работать в Европе, — это совершенно потрясающие машины по точности измерений. До этого люди использовали более дешевые, более простые подходы. LIGO — это 25 лет труда, огромные суммы денег, потраченные, в первую очередь, на исследования, на создание новых технологий, на доведение этих технологий до ума и на изготовление этих потрясающе точных приборов.

— Черные дыры с этой историей связаны только потому, что это и есть массивные тела, искажающие пространство?

— Для того, чтобы получить сильный сигнал, нужно не просто массивное тело, а одновременно массивное и компактное. По сути, то, что происходит — это одна черная дыра падает на другую. В этот момент тяжелые тела взаимодействуют друг с другом и двигаются почти со скоростью света, поэтому много энергии испускается сразу, за очень короткий интервал времени. Поэтому LIGO и VIRGO специально создавали для фиксации сигналов от нейтронных звезд и черных дыр. Нейтронных звезд больше, и они сливаются чаще, но черные дыры массивнее — их видно с большого расстояния. 

— Сколько пришлось наблюдать за черными дырами, чтобы обнаружить сливающуюся пару?

 В данном случае LIGO просто повезло. Практически как только они включились, они увидели сигнал — слияние двух очень массивных черных дыр. Сигнал очень сильно зависит от массы. В норме, в среднем черные дыры раза в три, а то и в четыре полегче, но в этом случае удалось увидеть сигнал с очень большого расстояния.

— По мере того, как сигнал проходит через пространство-время, он ослабевает? Если явление произошло в миллиарде световых лет от Земли, то до нас он должен добраться в едва уловимом виде?

— Естественно, и поэтому тоже важно, что удалось обнаружить две очень тяжелые черные дыры. В обычной ситуации детекторы будут видеть сигналы от слияния двух нейтронных звезд, которые находятся в пять или десять раз ближе к нам.


Звук слияния двух черных дыр

https://soundcloud.com/tintorero/blackholescolliding
— Последний вопрос: почему сигнал зафиксирован в виде звука?
— Тут есть два момента. Во-первых, люди любят картинки и звуки. Поэтому многие сигналы — колебания звезд, еще какие-то — переводят в звуковую форму. Но здесь волею судеб сигнал на самом деле приходит на частоте, примерно соответствующей частоте нашей речи. Физически это явления разные, но частоты те же — килогерцы. Поэтому ученые решили, что это такой красивый ход. Нарисованный график, принятый в ходе опыта, говорит о форме гравитационно-волнового сигнала, о том, как волна колеблет зеркала в измерительном приборе. Но обычно люди хотят не просто загогулину увидеть, а получить какой-то мультимедийный контент.