Исследование Вселенной. Лекция Барри Бэриша на фестивале NAUKA 0+

Барри Бэриш, Нобелевский лауреат по физике, работающий в Калифорнийском технологическом институте в Беркли на фестивале NAUKA 0+ рассказал об исследовании Вселенной с помощью гравитационных волн. Как он сказал в своей лекции, он был бы очень рад выступить на фестивале в Москве, но из-за сложившейся ситуации с пандемией вынужден подключиться к видеосвязи из Калифорнии.

Тема, с которой он выступил на фестивале, была им выбрана неслучайно. В 1994—1997 годах Барри Бэриш был главным исследователем лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO. В 1997 году он создал LIGO Scientific Collaboration (LSC), которая позволяет более тысячи сотрудников по всему миру участвовать в LIGO. В 1997—2006 годы возглавлял LIGO. В 2017 году Барри Бэриш совместно с Райнером Вайссом и Кипом Торном был удостоен Нобелевской премии по физике за «решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн».

«Я думаю, что большинство знает, что гравитационные волны были обнаружены в 2016 году, буквально несколько лет назад. И сегодня я хотел бы поговорить с "прицелом" на то, каким образом гравитационные волны могут использоваться для лучшего понимания Вселенной. При обнаружении гравитационных волн мы пытаемся определить, насколько верна общая теория относительности Эйнштейна. Нужно сказать, что это стало таким настоящим тестом на соблюдение принципов относительности», - говорит Барри Бэриш.

По мнению учёного, одно из главных достижений XX века в астрономии – понимание как измерять длину электромагнитной волны. В XXI веке учёные стали рассматривать уже не только длину волны, но и использовать комбинированные инструменты, установленные в различных уголках мира. Таким образом, инструменты становятся всё более и более совершенными.

«Один из примеров - пример прошлого года, когда радиотелескопы были установлены по всему миру и, соответственно, они объединились, но не физически, а просто информация с них стекалась к одному радиотелескопу. Таким образом, получилось, что у нас появился радиотелескоп, размером с Землю. Этот телескоп позволил нам сфотографировать чёрную дыру».

Барри Бэриш рассказал, каким образом учёные объединили электромагнитные и гравитационные волны: «Давайте начнём сначала про гравитационные волны и общую теорию относительности. Мы все знаем про гравитацию, про теорию сэра Исаака Ньютона. В своей книге Исаак Ньютон объяснял что такое гравитация, притяжение, притяжение между объектами. Это становится результатом произведения двух масс. И, в общем-то, сэр Исаак Ньютон назвал это общим принципом гравитации. Кто-то говорит, что ему эта мысль пришла в голову после падения яблока на голову. Это также объясняет движение объектов в космосе. И эта теория пережила все века с 1687 года и дальше мы говорим о теории Эйнштейна 1915 года». 

Как говорит Нобелевский лауреат, ошибка Ньютона была в том, что он не учёл, что гравитация искажает пространство и время вокруг. «У учёных долгое время не было противоречий теории Ньютона, всё, что измерялось в течении 217 лет соответствовало теории, за исключением одного – это движение Меркурия вокруг Солнца. Напомню, Меркурий – планета, соответственно на Меркурий влияет гравитация не только Солнца, но также и Луны. Орбита, соответственно, всё время меняется. Это, к сожалению, не соответствует теории Ньютона. Примерно на 10% меняется орбита Меркурия. Может быть потому, что теория Ньютона была неправильной, или это может объясняться тем, что были неправильные исчисления, или мы не видели всех планет, не учитывали Луну в нашей Солнечной системе», - говорит Барри Бэриш.

Эйнштейн обнаружил некоторое расхождение между теорией Ньютона и реальностью. Он заметил, что никто не объясняет, почему два предмета притягиваются друг к другу. Например, почему именно Солнце вращается вокруг Земли и что вызывает это притяжение. Иллюстрация из презентации показывает, как объект искажает пространство вокруг. В теории Эйнштейна это объясняется искажением времени и пространства объекта, у которого есть масса.

Другой недостаток теории Ньютона в том, что действия, которые происходят, видны мгновенно, когда, например, при каких-то изменениях на Солнце мы увидим искажение его света лишь через 8 минут, именно столько времени требуется свету, чтобы добраться от Солнца до Земли. Таким образом, Эйнштейн вышел за рамки теории Ньютона и постарался спрогнозировать то, что учёные не видели раньше: что если свет проходит к крупному объекту, он будет менять своё направление. Тогда это было большим прорывом.

В своём исследовании Барри Бэриш и другие учёные установили два детектора гравитационных волн: посреди пустыни в Вашингтоне и среди леса в Луизиане. Сигнал проходит в течении 10 миллисекунд между ними. Оборудование абсолютно одинаковое. Если что-либо заменяется в одном детекторе, то проделывается аналогичная операция в другом. При проведении исследований учёные повышали чувствительность приборов через уменьшение влияния сейсмической активности Земли, используя мощные лазеры. В итоге учёные подсчитали массу в результате слияния сверхмассивных чёрных дыр. Оказалось, что в результате слияния часть массы тратится на энергию. «Так мы зафиксировали гравитационные волны. Они имели разные массы. Таким образом мы смогли протестировать уравнение Эйнштейна. С тех пор мы зафиксировали много других эпизодов слияний чёрных дыр. Но даже с первых обнаружений гравитационных волн и, соответственно, с определением структуры чёрных дыр, мы переходим к новому направлению астрофизики, потому что мы можем по-другому посмотреть на небо, Вселенную. Это даёт во многом новую информацию».

Благодаря этому исследованию мир узнал о существовании бинарных чёрных дыр, о том, как происходит их слияние в течение жизни Вселенной и Галактики, и наконец, стало большим сюрпризом, что масса чёрных дыр может быть в 20 раз больше, чем масса Солнца.