+7 (777) 001 44 99
Владимир Прокопенко
Казахстанцы, гравитационные волны и Нобелевская премия
11 февраля 2016 года международное научное сообщество во всеуслышание заявило, что мир уже никогда не будет прежним. Эйнштейн был прав. Гравитационные волны существуют!
Они были обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами обсерватории LIGO, где трудится казахстанец Дархан Туенбаев. Открытие дает основания полагать, что пространство и время, как утверждал Альберт Эйнштейн в своей Общей теории относительности, - единое целое. А любое тело, обладающее массой, искривляет это пространство-время, подобно тому, как шарик искривляет натянутый листок бумаги. Поэтому, если тело будет двигаться с ускорением, оно начнет создавать те самые гравитационные волны - своеобразную рябь на поверхности пространства-времени.
Для своего открытия научная коллаборация LIGO использовала два гигантских детектора (лазерных интерферометра), работающих в унисон и находящихся друг от друга на расстоянии в 3 тысячи километров: один из детекторов был установлен в Хэндорфе (штат Вашингтон), второй - в Ливингстоне (штат Луизиана).
Суть опыта простыми словами можно описать так: 1,3 миллиарда лет назад, далеко-далеко от Земли, Солнечной системы и даже нашей Галактики предельно сблизились две черные дыры, одна массой в 29 Солнц, а другая - в 36. 20 миллисекунд - неуловимо мало для человека - и они сливаются в одну большую черную дыру, а избыток выделившейся при столкновении энергии заставляет пространство-время пойти рябью от места космической катастрофы. 14 сентября 2015 года эта волна дошла до Земли и заставила колебаться разнесенные на четыре километра друг от друга зеркала детекторов - лазерных интерферометров возле американских городов Ливингстон и Хэнфорд. Правда, колебаться совсем чуть-чуть, почти незаметно: с амплитудой в 10 минус 19-ой степени метров - это во столько раз меньше размера атома, во сколько апельсин меньше всей нашей планеты. Зафиксированные излучения оказались в области звуковых частот и ученые смогли воспроизвести этот звук, по сути, - звук того, как сливаются две черные дыры.
LIGO Gravitational Wave Chirp
Пресс конференция в LIGO Hanford Observatory в день официального объявления сигнала 11 февраля 2016. На фото ученые, работающие в обсерватории: (слева-направо) Фред Рааб, Дженни Диггерс, Грегори Менделл, Киуаму Изуми, Шейла Двэйер, Майкл Ландри.
Дархан Туенбаев
Ph.D.
Каждый раз, когда наука обретала новый вид инструментов, наше понимание окружающего мира расширялось ранее непредвиденными деталями. В XVII веке Галилео наблюдая за перемещением четырех (как он тогда считал) "звезд" около Юпитера, сделал невероятное открытие, эти "звезды" вращаются вокруг Юпитера. Оказалось у других планет свои ночные светила (натуральные спутники), так же как Луна вращающаяся вокруг Земли. С тех пор непрекращающаяся эволюция оптических телескопов позволила нам увидеть миллиарды далеких звезд и галактик. В XX веке, с появлением телескопов способных видеть электромагнитные излучения за пределами видимого спектра (от радиотелескопов до телескопов гамма-излучений), нашему взору стали доступы еще более загадочные природные явления: космический микроволновый фон наблюдаемый в радио-частотах, системы двойных нейтронных звезд светящиеся в рентгеновском диапазоне, гамма излучения от дальних галактик.
Максим Макуков
Исполняющий обязанности заведующего лабораторией космологии, звездной динамики и вычислительной астрофизики, Астрофизический институт
имени Фесенкова
имени Фесенкова
Гравитационные волны крайне сложно детектировать, а про их генерацию и использование говорить и вовсе не приходится, по крайней мере, в обозримом будущем. Важность детектирования гравитационных волн в том, что они рождаются в "сильном режиме" гравитации, то есть в таких условиях, которые не только в лаборатории, но и во всей округе Солнечной системы не встречаются, так как рядом нет черных дыр и даже нейтронных звезд.
Почему важно знать работу сильного режима гравитации?
Это важно для понимания того, как устроен мир, включая пространство и время, на самом фундаментальном уровне. Иными словами, важность открытия в том, что оно показывает, что человечество находится на более-менее правильном пути в понимании мироустройства.
Другая важная сторона - использование гравитационных волн для астрономических наблюдений. До XXI века вся информация об астрофизических процессах принималась исключительно в виде электромагнитного излучения (видимый свет, радиоволны, рентген, ультрафиолет, гамма-лучи - это все электромагнитное излучение разного энергетического масштаба). В начале XXI века заработали также телескопы, которые детектируют нейтрино - родилась нейтринная астрономия.
В отличие от электромагнитных волн, нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с обычным веществом. Поэтому, детектируя эти частицы, мы можем "прощупывать" области, которые до этого были недоступны. Например, недра Солнца. С открытием гравитационных волн можно говорить о рождении гравитационной астрономии, когда мы будем "прощупывать" гравитационными волнами самые отдаленные уголки вселенной.
Другая важная сторона - использование гравитационных волн для астрономических наблюдений. До XXI века вся информация об астрофизических процессах принималась исключительно в виде электромагнитного излучения (видимый свет, радиоволны, рентген, ультрафиолет, гамма-лучи - это все электромагнитное излучение разного энергетического масштаба). В начале XXI века заработали также телескопы, которые детектируют нейтрино - родилась нейтринная астрономия.
В отличие от электромагнитных волн, нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с обычным веществом. Поэтому, детектируя эти частицы, мы можем "прощупывать" области, которые до этого были недоступны. Например, недра Солнца. С открытием гравитационных волн можно говорить о рождении гравитационной астрономии, когда мы будем "прощупывать" гравитационными волнами самые отдаленные уголки вселенной.
Наши умы за рубежом
Я думаю что мне часто везет встречать мудрых людей на своем пути. То что я оказался в коллаборации это больше заслуга моих руководителей, наставников и финансовая поддержка от Техасского университета. Это доктор наук Бахыт Маткаримов который был моим наставником и порекомендовал мне пойти в University of Texas Rio Grande Valley (UTRGV). Позже доктор Малик Рахманов из UTRGV, который является членом коллаборации на протяжении долгих лет, предложил мне пройти практику в обсерватории LIGO в штате Вашингтон. С тех пор моя исследовательская работа связана с LIGO и я им благодарен за то что дали мне такую возможность. Недавно я защитил докторскую и скоро стану доктором наук.
Дархан Туенбаев
Бахыт Маткаримов
Руководитель лаборатории биосенсеров и биоинструментов, "National Laboratory Astana", Назарбаев университет, Астана.
Дархан вместе с Рустемом Арзымбетовым и Артемом Игликовым (оба сейчас работают в Google), был в моей команде Командного чемпионата мира по программированию (ACM ICPC). Все они внесли неоценимый вклад в развитие информатики и программирования в нашей стране и являются мастерами своего дела. Дархан после окончания КазНТУ им. К.И.Сатпаева решил поступить в аспирантуру, и в это же время я рекомендовал University of Texas Rio Grande Valley (UTRGV) многим своим студентам. В UTRGV работает профессор Малик Рахманов, я его знаю со школьных лет, он в первой десятке создателей детектора гравитационных волн LIGO. Был бы в первой тройке, получил бы в этом году Нобелевскую премию.
Дархан попал в прекрасную команду, стал специалистом, и можно только гордиться тем, что он соавтор статьи за которую дали Нобелевскую премию. В UTRGV также поступили и многие другие казахстанцы. Особо отмечу Али-Амира Алдана - он является первым казахстанским медалистом ACM ICPC. Он перевелся из UTRGV в MIT и уже успешно его закончил. Среди тех, кто отучились в UTRGV полностью - Замарт Рамазанова, она сейчас работает в Назарбаев университете.
Казахстанские ученые за рубежом конечно хорошо работают, но я считаю, что они недостаточно известны в Казахстане. Возможно не все они имеют активные связи с Казахстаном. Мне кажется, что научные программы с участием зарубежной казахстанской диаспоры должны активно поддерживаться. Здесь нужно отметить Мурата Сапарбаева, который является зарубежным руководителем многих наших PhD-студентов и можно сказать создал целую школу молекулярной биохимии в Казахстане.
Казахстанские ученые за рубежом конечно хорошо работают, но я считаю, что они недостаточно известны в Казахстане. Возможно не все они имеют активные связи с Казахстаном. Мне кажется, что научные программы с участием зарубежной казахстанской диаспоры должны активно поддерживаться. Здесь нужно отметить Мурата Сапарбаева, который является зарубежным руководителем многих наших PhD-студентов и можно сказать создал целую школу молекулярной биохимии в Казахстане.
Эволюция познаний
Гравитационно-волновые детекторы начинались в 60-х с алюминиевых цилиндров американского физика Джозефа Вебера. Однако тогда он не смог зафиксировать сигнал.
Один из цилиндров Вебера, подаренный лаборатории LIGO как музейный экспонат.
В XXI веке, с появлением гравитационно-волновых детекторов, таких как LIGO, Virgo, KAGRA и других, ученым открылся новый канал наблюдения за космическими явлениями. В то время как оптические, радио, рентгеновские и другие телескопы ведут наблюдения в разных диапазонах электромагнитного спектра, гравитационные детекторы следят за изменениями в геометрии пространства-времени. У науки появился способ наблюдать за событиями которые могут быть не видны традиционным телескопам.
После громкого открытия в 2015 году, детекторы лабораторий зафиксировали еще несколько сигналов от других источников. Так, в августе 2017 к совместным с LIGO наблюдениям присоединилась обсерватория Virgo в Италии и уже 14 августа все три инструмента поймали сигнал от слияния черных дыр.
Еще одна гравитационная волна была зарегистрирована 17 августа 2017 года. На этот раз это был сигнал от слияния двух нейтронных звезд на расстоянии 40 мегапарсек (130 миллионов световых лет) в галактике NGC 4993.
После громкого открытия в 2015 году, детекторы лабораторий зафиксировали еще несколько сигналов от других источников. Так, в августе 2017 к совместным с LIGO наблюдениям присоединилась обсерватория Virgo в Италии и уже 14 августа все три инструмента поймали сигнал от слияния черных дыр.
Еще одна гравитационная волна была зарегистрирована 17 августа 2017 года. На этот раз это был сигнал от слияния двух нейтронных звезд на расстоянии 40 мегапарсек (130 миллионов световых лет) в галактике NGC 4993.
Пресс конференция в LIGO Hanford Observatory в день официального объявления сигнала 16 октября 2017 г. За столом ученые, работающие в обсерватории: (слева на право) Майкл Ландри, Грегори Менделл, Шейла Двэйер, Кори Грей.
Самое "наблюдаемое" явление за современную историю астрономии.
В отличии от черных дыр, слияние нейтронных звезд должно излучать не только гравитационные волны, но также электромагнитные излучения. Практически одновременно с гравитационно-волновым сигналом космический телескоп Ферми (NASA) зарегистрировал вспышку гамма излучений. Практически сразу после получения данных обсерваториями LIGO и Virgo, астрономами была запущена крупнейшая по мастабам наблюдательная кампания, в рамках которой излучения от нового источника были зарегистрированы во всех частотных диапазонах электромагнитного спектра: гамма, рентгенный, ультрафиолетовый, оптический, инфракрасный и радио диапазонах.
К наблюдениям за этим источником присоединилось более 70 наземных и орбитальных обсерваторий, что сделало это событие самым "наблюдаемым" явлением за современную историю астрономии. Эти наблюдения подтвердили ряд астрофизических предположений, например то что большая часть тяжелых элементов во Вселенной, таких как золото и платина, формируются именно во время слияния нейтронных звезд.
К наблюдениям за этим источником присоединилось более 70 наземных и орбитальных обсерваторий, что сделало это событие самым "наблюдаемым" явлением за современную историю астрономии. Эти наблюдения подтвердили ряд астрофизических предположений, например то что большая часть тяжелых элементов во Вселенной, таких как золото и платина, формируются именно во время слияния нейтронных звезд.
Кроме трех детекторов лабораторий LIGO и Virgo, в коллаборации также участвует детектор GEO600 в Германии длиной в 600 метров. Началось строительство третьего детектора LIGO в Индии. Он будет идентичен с американскими аппаратами. Также Япония планирует запуск 3-х километрового детектора KAGRA.
Ученые смогут определять небесное положение источников с гораздо большей точностью и извлекать больше данных о полученных сигналах. Возможно в будущем все эти обсерватории будут вести совместные наблюдения и тем самым повысят шансы научного сообщества в понимании астрофизических событий и фундаментальных законов природы.
Дархан Туенбаев
Заслуженная награда
В октябре 2017 года Нобелевский комитет присудил премию по физике американским исследователям Кипу Торну, Райнеру Вайссу и Барри Бэрришу. Ученые стали основателями лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, что сделало возможным экспериментальное обнаружение гравитационных волн.
Райнер Вайсс, Бэрри Бэрриш и Кип Торн (слева направо).
Это открытие не только дало дополнительное подтверждение общей теории относительности Эйнштейна, но и свидетельство существования двойных черных дыр. Я конечно же был очень рад, когда узнал что именно они стали лауреатами. Меня радует также и то, что Нобелевский комитет учел более значимый вклад Рейнера Вайсса в проектирование обсерватории LIGO отдав ему половину денежного вознаграждения. Вторая половина поровну разделена между Баришом, благодаря которому LIGO выросло в международную коллаборацию, и Торном, вложившим усилия в теоретические исследования гравитационных волн.
Дархан Туенбаев
Американский физик-экспериментатор, лауреат Нобелевской премии в области физики, Барри Бариш в лаборатории LIGO.
Торт был заказан коллегами по по случаю премии.
На торте изображен тот самый сигнал, зафиксированный в сентябре 2015 года.
Изготовители торта допустили ошибку. Вместо "Nobel Prize" написали "Noble Prize".
На торте изображен тот самый сигнал, зафиксированный в сентябре 2015 года.
Изготовители торта допустили ошибку. Вместо "Nobel Prize" написали "Noble Prize".
Скептицизм
История знает случаи, когда какое-то долгожданное открытие делалось слишком поспешно. Например, в 2014 году ученые официально объявили об открытии реликтовых гравитационных волн на эксперименте BICEP2, но позже находке нашлось другое объяснение. При этом история знает также обратные случаи, когда неожиданные наблюдательные или экспериментальные данные, не вписывающиеся в текущую картину мира, фактически игнорировались долгое время. Примерами являются обнаружение темной материи и менделевских законов наследственности.
То, что все зарегистрированные гравитационные волны могут быть всего лишь "приборными" ошибками, маловероятно - ребята постарались на славу, чтобы избежать помех, и можно быть уверенным, что были зафиксированы реальные сигналы. Но есть ли вероятность, что эти сигналы интерпретированы неправильно? Вот это, я думаю, пока не исключено на 100 процентов. Ведь как выглядит "до конца честный" алгоритм проверки теорий? Допустим, какая-то теория предсказывает, что если происходит событие A, то мы должны наблюдать его следствие - событие Б. Чтобы проверить эту теорию, мы должны убедиться и в том, что произошло событие А, и в том, что произошло событие Б, причем систематически. Если мы наблюдаем только Б, не зная, произошло ли А, то проверку выполненной на 100 процентов назвать нельзя, так как событие Б может быть вызвано чем-то еще.
До недавнего времени именно это имело место в случае детектирования гравитационных волн. Здесь А - слияние двух массивных объектов, Б - детектирование гравитационной волны с определенными параметрами. Да, форма сигнала отлично вписывается в модель, согласно которой источником сигнала является слияние двух черных дыр определенных масс на определенном от нас расстоянии. Но ведь эта информация получена из модели, а не из наблюдения самого события А! Ситуация несколько изменилась в августе 2017 года - вместе с гравитационной волной наблюдались также сигналы в электромагнитном диапазоне, причем и то, и другое пришло примерно с одного направления.
Но шансы для особо требовательных скептиков все еще остаются. Дело в том, что сегодняшние гравитационные детекторы, в отличие от оптических телескопов, дают не точечную локализацию источника на небе, а довольно протяженную зону его возможного расположения. То, что в этот раз электромагнитные сигналы пришли из той же зоны и в то же время, могло оказаться случайностью, хотя и маловероятной. Между тем одним из основополагающих принципов научного метода является воспроизводимость и систематичность. Поэтому подождем - если в скором времени обнаружится еще хотя бы один гравитационный сигнал, сопровождаемый электромагнитным излучением из того же направления, то шансов у скептиков уже не останется.
До недавнего времени именно это имело место в случае детектирования гравитационных волн. Здесь А - слияние двух массивных объектов, Б - детектирование гравитационной волны с определенными параметрами. Да, форма сигнала отлично вписывается в модель, согласно которой источником сигнала является слияние двух черных дыр определенных масс на определенном от нас расстоянии. Но ведь эта информация получена из модели, а не из наблюдения самого события А! Ситуация несколько изменилась в августе 2017 года - вместе с гравитационной волной наблюдались также сигналы в электромагнитном диапазоне, причем и то, и другое пришло примерно с одного направления.
Но шансы для особо требовательных скептиков все еще остаются. Дело в том, что сегодняшние гравитационные детекторы, в отличие от оптических телескопов, дают не точечную локализацию источника на небе, а довольно протяженную зону его возможного расположения. То, что в этот раз электромагнитные сигналы пришли из той же зоны и в то же время, могло оказаться случайностью, хотя и маловероятной. Между тем одним из основополагающих принципов научного метода является воспроизводимость и систематичность. Поэтому подождем - если в скором времени обнаружится еще хотя бы один гравитационный сигнал, сопровождаемый электромагнитным излучением из того же направления, то шансов у скептиков уже не останется.
Максим Макуков
Взгляд в будущее
В более далекой перспективе Европейской комиссией рассматривается проект Einstein Telescope (телескоп Эйнштейна) - строительство масштабного подземного детектора с длиной рукавов в 10 километров, в котором будут применены более сложные технологии подавления различных шумов.
Кроме этого, в скором будущем поиски гравитационных волн не будут ограничиваются только наземными детекторами. Ученые планируют построить космическую обсерваторию. В 2016 году успешно завершилась миссия LISA Pathfinder Европейского космического агентства (ESA), основная цель которой заключалась в тестировании технологий для космического детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Он будет состоять из трех спутников выведенных на гелиоцентрическую орбиту, которые сформируют интерферометры Майкельсона с длиной рукавов в 2.5 миллиона километров (радиус Земли составляет 6370 километров).
Кроме этого, в скором будущем поиски гравитационных волн не будут ограничиваются только наземными детекторами. Ученые планируют построить космическую обсерваторию. В 2016 году успешно завершилась миссия LISA Pathfinder Европейского космического агентства (ESA), основная цель которой заключалась в тестировании технологий для космического детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Он будет состоять из трех спутников выведенных на гелиоцентрическую орбиту, которые сформируют интерферометры Майкельсона с длиной рукавов в 2.5 миллиона километров (радиус Земли составляет 6370 километров).
Детектор такого масштаба будет настолько чувствительным, что он сможет фиксировать сигналы с самых далеких уголков обозримой Вселенной. Более того, он сможет фиксировать гравитационные волны от источников, задолго до их слияния, тем самым сможет предупреждать наземные обсерватории об ожидаемых сигналах. Если небесное положение и время космического катаклизма, как например слияния черных дыр или нейтронных звезд заранее известно, то не только гравитационно-волновые детекторы, но и электромагнитные телескопы (оптические, рентгенные и т.д.) смогут вовремя запечатлеть эти события. При условии что эти явления производят электромагнитные излучения как в случае с сигналом пойманным 17 августа 2017. Запуск детектора LISA планируется в 2030-х годах.
Дархан Туенбаев
Мы по-прежнему ничего не знаем!
Даже если обнаружены стопроцентные гравитационные волны, наука, конечно, на этом не закончилась. Фундаментальных нерешенных вопросов еще немало. Причем решение многих из них не зависит от того, были бы открыты гравитационные волны или нет.
Например, в области физики и космологии остро стоит вопрос о темной материи и темной энергии, которые вместе занимают по составу 95% вселенной. Парадоксально, но ученые хорошо знают физику обычного вещества, которое занимает лишь 5% вселенной, и практически ничего не знают о 95% состава вселенной.
Открыт также вопрос об интерпретации квантовой механики. Эта теория отлично описывает работу микромира, но допускает различные интерпретации, и какая из этих интерпретаций верна - пока неизвестно. Практически отсутствует прогресс в проблемах происхождения жизни и происхождения сознания, несмотря на существенные продвижения в клеточной биологии и нейробиологии.
Список можно продолжать еще долго...
Даже если обнаружены стопроцентные гравитационные волны, наука, конечно, на этом не закончилась. Фундаментальных нерешенных вопросов еще немало. Причем решение многих из них не зависит от того, были бы открыты гравитационные волны или нет.
Например, в области физики и космологии остро стоит вопрос о темной материи и темной энергии, которые вместе занимают по составу 95% вселенной. Парадоксально, но ученые хорошо знают физику обычного вещества, которое занимает лишь 5% вселенной, и практически ничего не знают о 95% состава вселенной.
Открыт также вопрос об интерпретации квантовой механики. Эта теория отлично описывает работу микромира, но допускает различные интерпретации, и какая из этих интерпретаций верна - пока неизвестно. Практически отсутствует прогресс в проблемах происхождения жизни и происхождения сознания, несмотря на существенные продвижения в клеточной биологии и нейробиологии.
Список можно продолжать еще долго...
Ссылки по теме
