Чтение онлайн

движения (JPL) NASA, которая поддерживает большую часть исследовательских межпланетных космических программ США, а после этого стал проректором Калтеха. На этом посту Вогт, хотя и был чрезвычайно эффективен, постоянно сталкивался с президентом Калтеха Марвином Голдбергером в ожесточенных схватках по вопросам управления Калтеха. После нескольких лет битв Голдбергер его уволил. Вогт не мог по своему темпераменту работать под теми, с суждениями которых был в корне не согласен, но, будучи сверху, он был великолепен. Он был тем самым директором, дирижером и тренером, который нам был нужен. Если кто-то и мог спаять нас в сплоченную команду, то это был именно он.

«Вам будет тяжело работать с Робби, — сказал нам бывший член его команды, работавшей над интерферометром миллиметрового диапазона, — будут и раны, и обиды, но оно того стоит. Ваш проект будет ждать удача».

В течение нескольких месяцев Дривер, Вайс и я упрашивали Вогта стать директором. Наконец, он согласился, и, как и обещалось, шестью годами позже наша объединенная команда Калтеха и Массачусетса, набившая синяки и шишки, но эффективная, мощная и

10. Рябь кривизны :

сплоченная, быстро растет, подходя к критической численности (около 50 ученых и инженеров), требуемой для успеха проекта. Однако успех проекта зависит не только от нас. Согласно плану Вогта важный вклад в наши центральные усилия будет сделан и другими учеными86, которые, хотя и будут оставаться в слабой связи с нашей группой, смогут сохранить индивидуальный свободный стиль, от которого мы были вынуждены отказаться.

***

Ключом к успеху наших усилий будет создание и работа национально научного комплекса, названного Лазерная Интерферометрическая Гравитационно-волновая Обсерватория, или LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). LIGO будет состоять из двух L-образных вакуумных систем, одна вблизи Хэнфорда, штат Вашингтон, а другая около Ливингстона в Луизиане, где физики будут создавать и использовать многие последовательные поколения постоянно улучшающихся интерферометров (см. рис. 10.8) 87.

Почему два объекта, а не один? Потому что лежащие на поверхности земли гравитационно-волновые детекторы всегда подвержены влиянию трудно учитываемых шумов, которые могут симулировать гравитационно-волновые всплески, например, струна, на которой подвешена масса, может по неизвестной причине немного скрипнуть, качнув массу и симулировать, тем самым, приливную силу волны. Однако такой шум почти никогда не может случиться одновременно в двух независимых, далеко разнесенных детекторах. Поэтому, чтобы быть уверенными, что наблюдаемый сигнал вызван гравитационными волнами, а не шумом, следует убедиться, что он появился одновременно в обоих детекторах.

При наличии только одного детектора обнаружение и слежение за гравитационными волнами невозможно.

Хотя для детектирования гравитационной волны достаточно двух детекторов, для полного декодирования симфонии волн, т. е. извлечения

всей содержащейся в ней информации, желательно иметь три, а лучше четыре таких сооружения, как можно дальше разнесенных друг от друга. Совместная франко-итальянская команда построит третью антенну, названную VIRGO18 около Пизы в Италии. VIRGO и LIGO вместе образуют международную сеть для извлечения полной информации из сигнала. Команды из Англии, Германии, Японии и Австралии изыскивают средства для создания дополнительных антенн, подключенных к этой сети.

Строительство такой амбициозной сети сооружений для обнаружения волн, которых никто и никогда не видел, может показаться слишком смелым. На самом деле, это не так смело, поскольку существование гравитационных волн уже было доказано в результате астрономических наблюдений, за что Джозеф Тейлор и Рассел Халс из Принстонского университета получили в 1993 г. Нобелевскую премию. Тейлор и Халс обнаружили с помощью радиотелескопа две нейтронные звезды, одна из которых является пульсаром, обращающиеся вокруг друг друга с периодом 8 часов, и с помощью исключительно

Она названа так по имени кластера галактик в созвездии Девы (Virgo), откуда могут приходить гравитационные волны. [Эта трехкилометровая антенна, а также 600-метровая в Германии и 300-метровая в Японии сейчас, к 2005 г., уже построены. — Прим, ред.]

тщательных радиоизмерений убедились, что звезды сближаются по спирали в точности с той скоростью (на 2,7 миллиардных частей в год), которую предсказывают законы Эйнштейна, учитывающие эффект отдачи излучаемых во Вселенную гравитационных волн. Кроме слабых толчков гравитационных волн ничто иное объяснить наблюдаемое спиральное сближение этих нейтронных звезд не может.

***

Как будет выглядеть гравитационно-волновая астрономия в начале XXI века? Возможен такой сценарий:

К 2007 г. в полную силу работают восемь интерферометров, каждый длиной несколько километров. Они сканируют космос в поисках всплесков гравитационных волн. Две антенны работают в Пизе, в Италии, две в Ливингстоне, в Луизиане, на юго-востоке Соединенных Штатов, две в Хэнфорде в штате Вашингтон, на северо-западе Америки, и две в Японии. Из пары интерферометров на каждом месте один является «рабочей лошадкой», инструментом, который следит за колебаниями в диапазоне от 10 до 1000 Гц, а другой, только недавно разработанный и установленный, продвинутый «специальный» интерферометр, который обнаруживает колебания в диапазоне от 1000 до 3000 Гц.

Однажды на Землю приходит пакет гравитационных волн от удаленного космического источника. Каждый гребень волны сначала толкает массы детекторов в Японии, затем проходит сквозь Землю и достигает детекторов в Вашингтоне, а затем в Луизиане и, наконец, в Италии. В течение примерно минуты гребни волны сменяются провалами и наоборот. Массы каждого детектора слегка вздрагивают, изменяя длины путей лазерных пучков и, тем самым, меняя мощность света, падающего на фотодетекторы. Сигналы с восьми фотодиодов передаются через сеть на центральный компьютер, который извещает команду ученых о том, что на Землю прибыл еще один минутный всплеск гравитационных волн, уже третий на этой неделе. Компьютер объединяет сигналы с выходов восьми фотодетекторов, вычисляя четыре вещи: наиболее вероятное положение источника всплеска на небе, границы области ошибок, в которых заключено это наиболее вероятное положение, и две волноформы, две осциллирующие кривые, аналогичные тем, которые вы получите, если будете исследовать звук симфонии с помощью осциллографа. История источников закодирована именно в этих формах (рис. 10.9).

Две формы получаются потому, что гравитационная волна имеет две поляризации. Если волна проходит вертикально через интерферометр, то одна поляризация описывает приливные силы, которые вызывают колебания в направлениях восток—запад и север—юг, а другая описывает колебания вдоль направлений северо-запад—юго-восток и северо-восток—юго-запад. Каждый детектор, в зависимости от своей ориентации чувствует некоторую комбинацию из этих двух поляризаций, а из откликов восьми детекторов компьютер воссоздает две формы волны.

Затем компьютер сравнивает полученные волноформы с теми, которые содержатся в большом каталоге, так же как наблюдатель может опознать высоко летящую птицу, сравнив ее профиль с картинками в соответствующей книге. Каталог был составлен на основании численного моделирования источников на компьютерах, а также на основе предшествующих наблюдений за гравитационными волнами от сталкивающихся и сливающихся черных дыр, нейтронных звезд, вращающихся нейтронных звезд (пульсаров) и взрывов сверхновых. Идентификация этого всплеска оказывается простой (если бы это был, например, всплеск от сверхновой, все было бы сложнее). Волноформа однозначно показывает уникальную подпись двух сливающихся черных дыр.