Премия в области науки и технологий 2018 года присуждена Валерию Митрофанову, Владиславу Пустовойту, Ефиму Хазанову за создание фундаментальных основ и инструментальных решений проблем регистрации гравитационных волн.
Что объединяет ученых
Это премия за успех большого коллективного научного дела, которое еще не попало «под санкции», и прорыв стал возможным благодаря сотрудничеству более 1200 ученых из 100 институтов разных стран, объединившихся в Научную коллаборацию LIGO Scientific Collaboration (США) и европейскую Virgo (франко-итальянский детектор гравитационных волн под Пизой).
В проекте задействованы группы ученых физфака МГУ и Института прикладной физики РАН из Нижнего Новгорода, и, говорят, что приглашение войти в этот мировой эксперимент российские коллеги получили, в том числе, благодаря человеческим межграничным научным контактам.
Поэтому физики многих стран буквально ликовали, когда 11 февраля 2016 года LIGO и Virgo подтвердили обнаружение гравитационных волн (то, что пространство может сжиматься и растягиваться), предсказанных Альбертом Эйнштейном еще сто лет назад в общей теории относительности. Но даже сам гений не надеялся, что эти искривления, эта «рябь» пространства и времени когда-то будет обнаружена. Уж очень это малая величина, и, проходя через материю, волна влияет на нее так слабо, что не поддается регистрации. Для этого нужны очень чувствительные приборы, которые могут фиксировать величины 10-18 – 10-19 м.
Почему все так радуются?
Ну, естественно, если есть «непостижимое для наблюдения», то последние десятилетия ученые всего мира только и делали, что пытались разными способами «вскрыть эту банку» - зафиксировать эти волны, это еще и верный способ доказать слияние «черных дыр» во вселенной. Потому что возмущения пространства-времени, расходящиеся со скоростью света и достигающие Земли, возникают как раз при столкновении массивных объектов, в первую очередь «черных дыр». И все открытия здесь приближают человечество к познанию модели зарождения Вселенной. И Ефим Хазанов, который, кстати, всегда выделялся активной общественной позицией, был популяризатором науки: он с большим чувством рассказывал будущим молодым ученым о своей работе, объяснял, почему в феврале 2016 года все так радовались обнаружению гравитационных волн. Мы получили новый инструментарий для изучения и можем смотреть гораздо глубже миллиарда лет назад образования вселенной.
Ни один канал измерения в астрономии, кроме гравитационных волн, которые не экранируются материей, не дает такую возможность слышать космос.
На самом деле первые гравитационные волны были зарегистрированы 14 сентября 2015 года на двух детекторах-близнецах Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO в США (проект финансируется Национальным научным фондом США и оценивается в 365 миллионов долларов). Время потребовалось для перепроверки события.
И затем уже ученые поняли, что обнаруженный сигнал исходил от слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечных масс на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли с образованием одной более массивной вращающейся чёрной дыры. Такое событие предсказывалось, но никогда ранее не фиксировалось. Вдуматься только: примерно за доли секунды три солнечных массы породили гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной.
«В чем была главная трудность для ученых – очень сложно фиксировать то малое гравитационное возмущение, которое доходит до Земли. Линейкой его не померяешь, - говорит Ефим Хазанов, - можно мерить с помощью интерферометров на лазерной основе. Но требуется большая мощность лазерного излучения, при этом усиливать сигнал – для повышения точности - тоже очень трудно, поскольку очень много побочных наведенных эффектов, которые мешают точности измерения».
Вот эти эффекты, с помощью сложных технических решений, и помогла нейтрализовать группа нижегородских физиков из ИПФ РАН.
С линейкой не подойдешь
Чтобы читатели понимали масштаб исследований: детекторы в США имеют два четырехкилометровых плеча, исходящие из одной точки под прямым углом друг к другу (чтобы ловить невидимые размеры, нужно иметь большие «ловушки»), на входе и выходе установлены отражающие зеркала. Внутри детектора должен быть идеальный вакуум.
Встречая на пути планету Земля, гравитационная волна меняет свою пространственно-временную метрику чрезвычайно мало (пространство как бы «сжимается и разжимается»). Именно эту величину и меряют с помощью луча лазера, который запускается, разделяясь на два, по рукавам прибора и затем отражается от системы зеркал (кто помнит устройство интерферометра из курса школьной физики).
Сравнивая интерференционную картину от лучей, можно определять размер возмущения. Без «искривления пространства» лучи проходят свой путь по плечам строго одинаково.
Однако уловить волну долгое время не получалось. Построенные в 2007 году в США два детектора, даже с учетом выхода на проектную мощность, не могли зарегистрировать гравитационные волны.
При увеличении рабочей мощности лазера в интерферометре возникает много побочных эффектов, которые не позволяют добиться нужного уровня чувствительности. Это и нагрев оптических элементов, и наведенные шумы, и фазовые искажения.
Так вот, сотрудники ИПФ РАН впервые решили эту техническую задачу, создав уникальный оптический изолятор Фарадея, один из ключевых оптических элементов системы, обеспечивающий оптическую развязку между лазером и интерферометром. Именно он позволяет накапливать излучение, пропуская его только в одну сторону - в интерферометр и «запирая» там. Но при этом обеспечивая нужную точность. Что в конце концов и позволило детекторам LIGO обнаружить колебания величиною в 10-19 м, это примерно во столько же раз меньше размера атома, во сколько атом меньше яблока.
Но воплощение на практике изолятора Фарадея предполагало его сборку на территории LIGO, что дополнительно затрудняло работу.
В итоге сотрудникам ИПФ РАН пришлось делать прототипы изоляторов Фарадея с требуемыми уникальными параметрами, а затем уже непосредственно на месте в LIGO были проведены их испытания, потом приборы были изготовлены и установлены на оба детектора LIGO. Изоляторы успешно работают и сейчас, говорят в ИПФ РАН.
Но отметим, это 2016 год был только началом большой работы, после этого ученые фиксировали уже десяток «всплесков гравитации».
В апреле 2019 года коллаборации LIGO и Virgo объявили новый этап наблюдения. Сейчас специалисты сфокусированы на повышении чувствительности детекторов. Это позволит фиксировать все более ранние колебания (в том числе и от слияния нейтронных звезд), практически сразу поле Большого взрыва, и понять, как быстро расширяется Вселенная.
