История исследования гравитационных волн
В охоте за гравитационными волнами есть два принципиально различающихся метода исследования. Во-первых, это попытки уловить одиночный всплеск волн, гравитационное эхо от какого-нибудь сверхмощного единичного события (например, взрыв сверхновой звезды), случившегося в недалекой от нас галактике. Динамика таких событий более-менее предсказуема, поэтому примерно известен тот диапазон частот гравитационных волн, в которых стоило бы ожидать положительного результата, — это десятки и сотни герц. На этот диапазон как раз и настроены основные детекторы гравитационных волн.
Во-вторых, существует стохастический гравитационно-волновой фон — беспорядочный шум из гравитационных волн разного происхождения, которые летают в пространстве, накладываются друг на друга и заполняют собой всю Вселенную. Он включает в себя волны, порожденные в самой ранней и очень горячей Вселенной, в которой происходили грандиозные катаклизмы, а также волны от одиночных взрывов или слияний массивных космических объектов. Если провести акустическую аналогию, то одиночный всплеск волн — это короткий и громкий крик, который слышен тем тише, чем дальше мы от источника, а стохастический фон — это непрерывный шум, пусть не такой громкий, но зато равномерно заполняющий всё пространство.
Хороший шанс открыть эпоху гравитационно-волновой астрономии выдался в феврале 1987 года при вспышке сверхновой звезды в Большом Магеллановом Облаке — она случилась относительно близко к Земле (по астрономическим меркам, конечно). Возможно, ее сигнал и сумели бы зарегистрировать лучшие гравитационные инструменты того времени, но, увы, звезда взорвалась в ночь на понедельник, когда работали лишь несколько не самых чувствительных приемников. Анализ их данных не обнаружил никакого достоверного гравитационного сигнала.
Создание первых резонансных детекторов связано с именем Джозефа Вебера, неутомимого энтузиаста охоты на гравитационные волны. Проект детально проработанной конструкции детектора с цилиндрическим алюминиевым резонатором он опубликовал в 1960 году, и вскоре установки были созданы «в металле». С тех пор в конструировании резонансных детекторов был достигнут существенный прогресс. Теперь все они охлаждаются до очень низких температур, чтобы избежать тепловых шумов, а новые технологии значительно повысили чувствительность датчиков, но успеха пока достичь не удалось. Впрочем, сам Вебер до самой смерти в 2000 году был уверен, что все же зарегистрировал всплески гравитационных волн.
Более эффективными считаются сферические детекторы. Теоретически их работу описал астрофизик и, по совместительству, писатель-фантаст Роберт Форвард в 1975 году. Сферические детекторы не только чувствительнее цилиндрических, но также одинаково хорошо принимают сигналы с любого направления, позволяя еще и определить это направление. Подобные детекторы не строились из-за высокой технологической сложности, но сейчас уже создаются первые их прототипы.
Подробности новой работы исследователей гарвард-смитсоновского центра астрофизики от 17.03.2014
17 марта Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики опубликовал результаты исследований проекта BICEP2, которые позволяют с уверенностью говорить о том, что ученым, наконец, удалось обнаружить следы гравитационных волн, возникших в момент Большого взрыва. Телескоп BICEP2 позволяет измерить колебания температуры микроволнового излучения с амплитудой всего в десятимиллионную долю Кельвина. Он располагается в Антарктиде, так как там исключительно чистый и сухой воздух. С помощью детекторов телескопа BICEP2 удалось получить снимки реликтового фонового излучения в момент, отстающий от Большого взрыва всего на 380 000 лет, когда Вселенная стала прозрачной для света. В этом излучении обнаружена характерная картина поляризации, которая вызвана гравитационными волнами Большого взрыва.
Авторы новой исследовательской работы воспользовались тем фактом, что сейчас во всём мире есть широкая сеть сейсмических станций и что их данные находятся в открытом доступе. Это позволяет не ограничиваться показаниями какого-то одного конкретного сейсмографа, а искать корреляции между их показаниями — ведь гравитационная волна, воздействуя на всю Землю целиком, должна наводить сигнал во всех сейсмографах. Ученые построили и просуммировали корреляционные функции для 20 выбранных пар сейсмографов по данным за 2012 год, за исключением периодов «мертвого времени» после каждого крупного землетрясения (приложение). Общий вывод таков: спектр вполне укладывается в модели сейсмического шума, и никакого заметного отклонения от чисто сейсмической активности не обнаружено. Это позволяет установить ограничения в этой области частот на интенсивность стохастических гравитационных волн, попадающих на Землю.
В конце статьи авторы отмечают, что полученные ограничения можно улучшать и дальше. Этого можно добиться как еще более тщательным поиском подходящих пар сейсмографов и анализом данных за более длительный промежуток времени, так и радикальными методами. Например, можно установить современные сейсмометры на Луне, ведь там собственная сейсмоактивность гораздо ниже земной. Однако самыми перспективными, несомненно, являются проекты космических детекторов гравитационных волн, такие как европейская установка LISA и японский проект DECIGO. Оценки показывают, что в миллигерцовой области можно будет улучшить нынешнее ограничение еще примерно на 20(!) порядков. Однако это дело достаточно отдаленного будущего.