[Перевод] Спросите Итана: если свет сжимается и расширяется вместе с пространством, как мы можем засечь гравитационные волны?

Вид с воздуха на детектор гравитационных волн Virgo, расположенный в муниципалитете Кашина близ города Пиза в Италии. Virgo – это гигантский лазерный интерферометр Майкельсона с плечами длиной по 3 км, дополняющий два одинаковых детектора LIGO длиной по 4 км.

За последние три года у человечества появился новый тип астрономии, отличающийся от традиционных. Для изучения Вселенной мы уже не просто ловим свет телескопом или нейтрино при помощи огромных детекторов. Кроме этого, мы также впервые можем видеть рябь, присущую самому пространству: гравитационные волны. Детекторы LIGO, которые теперь дополняет Virgo, и скоро будут дополнять ещё KAGRA и LIGO India, обладают чрезвычайно длинными плечами, которые расширяются и сжимаются при проходе гравитационных волн, выдавая обнаруживаемый сигнал. Но как это работает? Наш читатель спрашивает:

Если длины волн света растягиваются и сжимаются вместе с самим пространством-временем, как LIGO может обнаружить гравитационные волны? Они ведь расширяют и сжимают два плеча детектора, поэтому волны внутри них тоже должны расширяться и сжиматься. Разве укладывающееся в плечо количество длин волн не будет оставаться постоянным, в результате чего интерференционная картина не будет меняться, и волны будет нельзя засечь?

Это один из самых распространённых парадоксов, которые представляют себе люди, размышляющие о гравитационных волнах. Давайте разберёмся и найдём ему решение!


По сути, система типа LIGO или LISA – это просто лазер, луч которого проходит через разветвитель, и идёт по одинаковым перпендикулярным путям, а потом снова сходится в один и создаёт картину интерференции. С изменением длины плеча меняется и картина.

Детектор гравитационных волн работает так:

• Создаются два длинных плеча одинаковой длины, в которую укладывается целое количество определённых длин волн света.
• Из плеч удаляется вся материя и создаётся идеальный вакуум.
• Когерентный свет той же длины волны расщепляется на две перпендикулярных компоненты.
• Одна отправляется по одному плечу, другая – по другому.
• Свет отражается от двух концов каждого плеча по многу тысяч раз.
• Потом он рекомбинируется, создавая интерференционную картину.

Если длина волны остаётся одной и той же, и скорость прохождения света по каждому плечу не меняется, тогда свет, движущийся в перпендикулярных направлениях, прибудет в одно и то же время. Но если в одном из направлений ощущается встречный или попутный «ветер», с прибытием получится задержка.

Если картина интерференции совсем не меняется в отсутствии гравитационных волн, вы знаете, детектор настроен правильно. Вы знаете, что учли шум, и что эксперимент устроен верно. Именно над такой задачей LIGO бился почти 40 лет: над попыткой правильно откалибровать их детектор и довести чувствительность до отметки, в которой эксперимент сможет распознавать истинные сигналы гравитационных волн.

Величина этих сигналов невероятно мала, и поэтому было так сложно достичь необходимой точности.

Чувствительность LIGO как функция времени, по сравнению с чувствительностью эксперимента Advanced LIGO. Всплески появляются из-за различных источников шума.

Но достигнув желаемого, вы уже можете начинать поиски реального сигнала. Гравитационные волны уникальны среди всех различных типов излучений, появляющихся во Вселенной. Они не взаимодействуют с частицами, а представляют собой рябь самой ткани пространства.

Это не монопольное (переносящее заряд) и не дипольное (как колебания электромагнитных полей) излучение, а форма квадропольного излучения.

И вместо совпадающих по фазе электрических и магнитных полей, идущих перпендикулярно направлению движения волны, гравитационные волны попеременно растягивают и сжимают пространство, через которое проходят, в перпендикулярных направлениях.

Гравитационные волны распространяются в одном направлении, попеременно растягивая и сжимая пространство в перпендикулярных направлениях, определяемых поляризацией гравитационной волны.

Поэтому наши детекторы и устроены именно так. Когда гравитационная волна проходит через детектор типа LIGO, одно из его плеч сжимается, а другое – расширяется, и наоборот, давая картину взаимного колебания. Детекторы специально расположены под углами друг к другу и в разных местах планеты, чтобы вне зависимости от ориентации проходящей сквозь них гравитационной волны, этот сигнал не влиял, по крайней мере, на один из детекторов.

Иначе говоря, вне зависимости от ориентации гравитационной волны, всегда будет существовать детектор, у которого одно плечо укорачивается, а другое – удлиняется предсказуемым колебательным образом, когда волна проходит сквозь детектор.

Что это означает в случае со светом? Свет всегда движется с постоянной скоростью с, составляющей 299 792 458 м/с. Это скорость света в вакууме, и внутри плеч LIGO есть вакуумные камеры. И когда гравитационная волна проходит через каждое из плеч, удлиняя или укорачивая его, она также удлиняет или укорачивает длину волны находящегося внутри него света на соответствующую величину.

С первого взгляда у нас есть проблема: если свет удлиняется или укорачивается вместе с удлинением или укорачиванием плеч, тогда общая интерференционная картина не должна меняться при прохождении волны. Так подсказывает нам интуиция.

Пять слияний чёрных дыр с чёрными дырами, обнаруженных LIGO (и Virgo), и ещё один, шестой сигнал недостаточной значимости. Пока что наиболее массивная из ЧД, наблюдавшихся в LIGO, до слияния имела 36 солнечных масс. Однако в галактиках имеются сверхмассивные чёрные дыры, с массами, превышающими солнечную в миллионы или даже в миллиарды раз, и хотя LIGO не распознаёт их, LISA сможет это сделать. Если частота волны совпадает со временем, которое луч проводит в детекторе, мы можем надеяться её извлечь.

Но это работает не так. Длина волны, сильно зависящая от изменений пространства при проходе сквозь него гравитационной волны, не влияет на картину интерференции. Важно только количество времени, за которое свет проходит через плечи!

Когда гравитационная волна проходит через одно из плеч, она меняет эффективную длину плеча, и меняет расстояние, которое нужно пройти каждому из лучей. Одно плечо удлиняется, увеличивая время прохода, другое укорачивается, уменьшая его. При относительном изменении времени прибытия мы видим картину осцилляций, воссоздавая сдвиги интерференционной картины.

На рисунке показана реконструкция четырёх определённых и одного потенциального (LVT151012) сигнала гравитационных волн, обнаруженных LIGO и Virgo на 17 октября 2017. Самое последнее обнаружение чёрной дыры, GW170814, было сделано на всех трёх детекторах. Обратите внимание на краткость слияния – от сотен миллисекунд до 2 секунд максимум.

После воссоединения лучей появляется разница во времени их путешествия, и, следовательно, обнаружимый сдвиг в интерференционной картине. Сама коллаборация LIGO опубликовала интересную аналогию происходящего:

Представьте себе, что вы с другом хотите сравнить, сколько времени у вас займёт путь до конца плеча интерферометра и обратно. Вы соглашаетесь передвигаться со скоростью километра в час. Будто лазерные лучи LIGO, вы строго одновременно отправляетесь с угловой станции и передвигаетесь с одинаковой скоростью. Вы должны встретиться вновь строго одновременно, пожать друг другу руки и продолжить движение. Но, допустим, когда вы прошли половину пути до конца, проходит гравитационная волна. Одному из вас теперь нужно пройти большее расстояние, а другому – меньшее. Это значит, что один из вас вернётся раньше другого. Вы протягиваете руку, чтобы пожать руку друга, а её там нет! Вашему рукопожатию помешали! Поскольку вам известна скорость вашего перемещения, вы можете измерить время, которое потребуется вашему другу на возвращение, и определить, насколько дальше ему пришлось передвигаться, чтобы так опоздать.

Когда вы проделаете это со светом, а не с другом, вы будете измерять не задержку в прибытии (поскольку разница составит порядка 10^-19 метров), а сдвиг в наблюдаемой интерференционной картине.

Когда два плеча имеют один размер, и гравитационные волны сквозь них не проходят, сигнал будет нулевым, и интерференционная картина постоянной. С изменением длины плеч сигнал оказывается реальным и колеблется, и интерференционная картина меняется во времени предсказуемым образом.

Да, действительно, свет испытывает красное и синее смещение при прохождении гравитационной волны через занимаемое им место. Со сжатием пространства сжимается и длина волны света, что делает её синее; с растяжением и волна растягивается, что делает её краснее. Однако эти изменения кратковременны и маловажны, по крайней мере, по сравнению с разницей в длине пути, который должен пройти свет.

Это и есть ключ ко всему: красный свет с длинной волной и синий с короткой тратят одинаковое время на преодоление одинакового расстояния, хотя у синей волны на это уйдёт больше гребней и провалов. Скорость света в вакууме не зависит от длины волны. Единственное, что имеет значение для интерференционной картины, это какое расстояние пришлось пройти свету.

Чем больше длина волны фотона, тем меньше его энергия. Но все фотоны, вне зависимости от длины волны и энергии, двигаются с одной скоростью: скоростью света. Количество длин волн, которое требуется, чтобы покрыть определённое расстояние, может меняться, но время на перемещение света будет одинаковым.

Именно изменение расстояния, которое проходит свет, при прохождении гравитационной волны через детектор определяет наблюдаемый сдвиг интерференционной картины. Когда волна проходит сквозь детектор, в одном направлении плечо удлиняется, а в другом – одновременно укорачивается, что приводит к относительному сдвигу длины путей и времени прохода по ним света.

Поскольку свет движется по ним со скоростью света, изменения длин волн не имеют значения; при встрече они окажутся в одном месте пространства-времени и их длины волн будут идентичными. Что важно, так это то, что один луч света проведёт в детекторе больше времени, и когда они снова встретятся, они уже будут не в фазе. Именно отсюда и проистекает сигнал LIGO, и именно так мы и засекаем гравитационные волны!

Больше статей на научно-популярную тему вы сможете найти на сайте Golovanov.net. Читайте также: почему дневные животные стали превращаться в ночных; почему не всё, что называется звездой, на самом деле звёзды; в чём смысл жизни; серию статей по космологии «Спросите Итана«.

Напоминаю, что проект существует только благодаря поддержке читателей (банковские карты, яндекс.деньги, вебмани, биткоины, да хоть как). Спасибо всем, кто уже оказал поддержку!

Теперь поддержать проект можно и через сервис автоматической подписки Patreon!