11 февраля 2016 года международная обсерватория LIGO объявила о том, что наконец-то найдены гравитационные волны – колебания пространства-времени, предсказанные Альбертом Эйштейном ещё в начале прошлого века. Великий физик-теоретик предположил, что пространство и время неотделимы друг от друга и составляют единую структуру с четырьмя измерениями. Согласно Общей Теории Относительности (или просто ОТО), любое тело, обладающее массой, искривляет единую пространственно-временную «ткань», причём, чем больше масса, тем сильнее будет искривление.

Главное предположение в ОТО было о существовании гравитационных волн, которые возникают у объектов с ненулевой массой и перемещающихся в пространстве неравномерно. Представьте себе лодку, плывущую в озере, исходящие от неё волны – подобие тех самых гравитационных волн.

Почему мы только сейчас смогли их «поймать»? Проблема была в том, что гравитационное взаимодействие – самое слабое из всех фундаментальных физических взаимодействий: так, его интенсивность примерно на 40 порядков ниже, чем у электромагнитного. Поэтому производимые обычными материальными объектами гравитационные волны настолько незначительны, что зафиксировать их даже сверхчувствительной аппаратурой невозможно.

Значит, будем искать объекты, которые создают сильные гравитационные волны, решили учёные. На роль подобных объектов подошли чёрные дыры, а ещё лучше – две чёрные дыры. Но, как вы знаете, чёрные дыры, как магниты, притягивают всё вокруг себя и друг друга тоже. Поэтому две чёрные дыры за короткое время становятся одной. Вот такую космическую катастрофу и искали учёные всё это время. Именно момент перед полным слиянием, взаимодействие между двумя дырами чудовищно возрастает, и возникает сильнейшее искривление пространства-времени, или, как говорят заумные учёные, «происходит генерация гравитационно-волнового излучения».

К нашему общему счастью, мощные источники гравитационных возмущений (такие как чёрные дыры или нейтронные звёзды) очень далеки от Земли. Порождаемые ими гравитационные волны резко ослабевают по мере их приближения к нам. И для того, чтобы уловить эти быстро затухающие сигналы, астрофизикам нужны сверхчувствительные технологии.

Первые попытки экспериментального обнаружения гравитационных волн были предприняты в 60-х годах ХХ века: пионером в этой области был американец  Джозеф Вебер, разработавший первую модель специального резонансного детектора (антенны). В течение нескольких лет он конструировал и проверял на практике её различные модификации (внешне устройства представляли из себя алюминиевые цилиндры, подвешенные на тонкой проволоке). Вебер упорно утверждал, что ему удалось зарегистрировать гравитационные волны, однако его коллеги довольно быстро убедились в том, что его заявления были необоснованными.

Джозеф Вебер настраивает один из своих алюминиевых цилиндров, которые, как он утверждает, могут улавливать колебания пространства-времени — гравитационные волны.

Не увенчалась успехом и длительная серия экспериментов по обнаружению этих волн, проводившаяся в 70-е годы в СССР группой сотрудников кафедры физики колебаний физического факультета МГУ под руководством Владимира Брагинского.

Правда, был у астрофизиков в 70-е и повод для сдержанной радости: в 1974 году двумя американцами, Джозефом Тейлором и Расселом Халсом, было впервые получено косвенное подтверждение существования гравитационных волн.

Анализ многолетних наблюдений за движением двойной звезды (системы-пульсара PSR B1913+16) показал, что орбитальный период обращения видимой с Земли нейтронной звезды-пульсара вокруг общего центра масс регулярно сокращается, – примерно на 76 микросекунд за год. В ОТО Эйнштейна имеется простое объяснение этому процессу: уменьшение расстояния между объектами таких двойных систем является прямым следствием потерь энергии на гравитационное излучение. И американские исследователи смогли подсчитать, что наблюдаемые темпы этого сокращения идеально соответствуют решениям уравнений ОТО.

За эту работу в 1993 году Халс и Тейлор были удостоены Нобелевской премии, однако до прямого обнаружения гравитационных волн было ещё далеко..

Поиски гравитационных волн при помощи резонансных металлических детекторов-антенн не давал результатов, поэтому учёные постепенно переключили своё внимание на более перспективную схему, которая основывалась на использовании лазерных оптических интерферометров.

Механизм работы лазерных гравитационно-волновых детекторов основывается на использовании классического физического явления, – интерференции, то есть взаимного усиления или ослабления одновременно распространяющихся в пространстве двух и более волн при их наложении друг на друга.

Второе поколение гравитационно-волновых детекторов – это уже огромные экспериментальные установки, которые по своим общим размерам на несколько порядков превосходят ранние резонансные модели Вебера и его последователей.

И у наиболее современных установок длина так называемых «плеч», – перпендикулярных вакуумных туннелей, по которым путешествуют взад-вперёд лазерные лучи, – составляет несколько километров.

При отсутствии волны бегающие лазерные лучи, отражаясь от подвешенных в концах туннелей специальных зеркал и возвращаясь обратно к фотодетектору, полностью взаимно гасили друг друга. При прохождении через Землю космических гравитационных волн зеркала должны под их воздействием «чуть-чуть» сместиться, и лазерные лучи, вернувшиеся к фотодетектору, уже не будут полностью компенсироваться в фотодетекторе, что и будет зафиксировано.

Гравитационно-волновая обсерватория LIGO, строительство которой началось в США ещё в 1992 году, после первого этапа своей работы не приведшего к каким-либо результатам, была затем радикально модернизирована. Экспериментаторам удалось достичь прорыва практически по всем ключевым направлениям, и, прежде всего, – резко улучшить механические и оптические характеристики детектирующей аппаратуры (здесь Брагинский и его последователи внесли свою лепту).

Так, чувствительность модернизированного детектора LIGO в настоящее время позволяет экспериментаторам зарегистрировать изменение расстояния между объектами порядка 10 ^-19 метра, что сравнимо со смещением на толщину человеческого волоса дистанции между Солнцем и ближайшей к нему звезды!

Долгожданное открытие гравитационных волн было сделано 14 сентября 2015 года. Именно в этот день детекторами двух идентичных экспериментальных установок проекта LIGO, расположенными на расстоянии трех тысяч километров друг от друга (в американских штатах Луизиана и Вашингтон), были зафиксированы сигналы из далёкого космоса, причём, поскольку гравитационные волны распространяются со скоростью света, сигнал пришёл на них с небольшой разницей по времени в 7 миллисекунд.

Анализ данных занял несколько месяцев. Астрофизики пришли к выводу, что виновником мощного выброса гравитационных волн было столкновение двух сверхмассивных чёрных дыр, произошедшее на расстоянии примерно 1.3 млрд световых лет от Земли. Пока точное местоположение катастрофического столкновения выяснить не удалось, – известно лишь, что оно случилось где-то в южном полушарии звёздного неба в регионе Большого Магелланова облака.