LIGO: почувствовать черную дыру на Земле

Альберт Эйнштейн, описывая в 1916 году общую теорию относительности, предсказал существование гравитационных волн. Это своеобразная рябь пространства Вселенной, вызванная массивными объектами, например, черными дырами. Представьте спокойную гладь озера, в которую бросили камень. Круги, расходящиеся от удара на поверхности воды, — то, с чем можно сравнить гравитационные волны, только вместо воды — само пространство нашей Вселенной.

Долгое время это существовало только в теории, но через сто лет после предположений Эйнштейна гравитационные волны сумели зафиксировать на Земле. За это американские ученые Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн получили Нобелевскую премию по физике в 2017 году. Последнего вы можете знать по участию в создании фильма «Интерстеллар».

«Словить» гравитационную волну на нашей планете удалось с помощью обсерватории LIGO — в нее входят два одинаковых сооружения, расположенных на расстоянии 3000 километров друг от друга в штатах Вашингтон и Луизиана.

LIGO расшифровывается как Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, то есть лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория.

Это L-образная система с двумя плечами по четыре километра. В центральном здании пускают лазерный луч света, который разделяется на два и отправляется в каждый из четырехкилометровых коридоров. В конце тоннелей луч отражается от зеркала и возвращается обратно на очень чувствительный детектор. В обычной ситуации оба пучка света идентичны друг другу и разница между ними составляет ноль. Но если во время эксперимента через Землю проходит гравитационная волна, то детектор зафиксирует крошечную разницу между лучами. Так и было впервые доказано предположение Эйнштейна 14 сентября 2015 года.

Расстояние в три тысячи километров между двумя обсерваториями-близнецами дает разницу в 10 миллисекунд при фиксировании волн, таким образом ученые определяют, где находится источник сигнала. В случае с первой регистрацией гравитационной волны она была вызвана слиянием двух черных дыр массами 36 и 29 солнечных масс на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли.

Обнаружение гравитационных волн — одно из самых значимых научных открытий 21-го века. Этот прорыв позволяет больше узнать о том, как появилась Вселенная, помогает в изучении черных дыр и нейтронных звезд и продвигает ученых в понимании, как устроено пространство-время.

Китайское «Небесное око»

Рекордные 500 метров — таков диаметр крупнейшего в мире радиотелескопа с заполненной апертурой FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope). Сооружение расположилось на юге Китая и было открыто для начала наблюдений в 2016 году.

«Тьяньян» — еще одно название телескопа, что в переводе с китайского означает «Небесное око» — построили в естественном горном углублении в провинции Гуйчжоу. Эффективная площадь составляет 196 000 квадратных метров. А рефлектор (отражающая поверхность) FAST сделан из 4450 треугольных алюминиевых панелей, каждая длиной 11 метров.

Чтобы устранить все возможные помехи и обеспечить максимальную эффективность наблюдений, вокруг телескопа ввели режим радиотишины. Для этого в радиусе пяти километров переселили около восьми тысяч человек. Интересно, что на переселение местных жителей китайское правительство потратило около 269 млн долларов, а на строительство самого телескопа — 180 млн.

С момента запуска FAST открыл большое количество ранее неизвестных пульсаров — это нейтронные звезды, которые излучают мощные электромагнитные волны в виде пучков, вращаясь вокруг своей оси. Также команда телескопа состоит в проекте Breakthrough Listen по поиску разумной внеземной жизни.

VLA — большая антенная решетка

Диаметр телескопа в 500 метров, конечно, впечатляет, но как насчет 36 километров? Такого можно добиться, если объединить приемники в единый массив. Very Large Array (VLA) — это группа из 27 антенн, расположенных в форме буквы Y. В каждом из трех рукавов массива по девять отдельных радиотелескопов с 25-метровым рефлектором и массой 230 тонн. Сооружение находится в американском штате Нью-Мексико.

Телескопы установлены на железнодорожных рельсах, что позволяет им перемещаться и создавать различные по размерам конфигурации. В самом большом варианте расстояние между крайними антеннами составляет 36 километров. Всего возможных конфигураций четыре. Массив регулярно перестраивается, чтобы сосредоточиться на различных областях Вселенной и изменять параметры наблюдений.

Данные со всех приемников объединяются, и таким образом Very Large Array работает как один большой радиотелескоп.

VLA также засветилась в научно-фантастическом фильме «Контакт» Роберта Земекиса, в котором главные роли сыграли Джоди Фостер и Мэттью Макконахи. По сюжету героиня Фостер нашла с помощью массива телескопов сигнал от внеземной жизни.

На вопрос о том, принимал ли Very Large Array когда-нибудь неопознанные сигналы, намекающие на разумную жизнь вне нашей Солнечной системы, инженер массива Роб Селина отвечал так: «Да. Один из таких сигналов появлялся настолько регулярно, что антенны смотрели на это место в небе в течение нескольких сотен часов и были достаточно удачливы, чтобы поймать его снова. Это необязательно свидетельствует о наличии разумной жизни, но это явление, которое мы не можем сейчас объяснить иначе».

VLA довольно старое сооружение — проект запустили в 1980 году. Поэтому в 2011-м закончили десятилетнюю модернизацию массива, в результате которой заменили всю устаревшую электронику на новую. Это привело к увеличению технических возможностей в 8000 раз. А в рамках нового этапа модернизации, который продлится 20 лет, планируют заменить существующие 27 антенн на 160 новых.

Такие телескопы позволяют наблюдать объекты, свет от которых летел к нам миллионы лет. Таким образом ученые будто заглядывают в прошлое. Это помогает понять, как появилась наша Вселенная.

Гигантский детектор под антарктическим льдом

IceCube — обсерватория в Антарктиде для изучения нейтрино. Это загадочные фундаментальные частицы невероятно малого размера — в тысячи раз меньше даже самого маленького атома. Их изучение помогает понимать загадки Вселенной: что было после Большого взрыва, почему у частиц есть масса, что происходит внутри сверхновых звезд, как определить темную материю и множество других.

Каждую секунду через наши тела проходит около 100 триллионов нейтрино. Они столь малого размера, что, пролетая через Землю, не сталкиваются ни с одним атомом материи. И поэтому ученые ловят их с помощью детекторов, размещенных на длинных кабелях в глубине антарктического льда. Сама Земля работает в качестве фильтра, отсекая все лишние сигналы, так как только нейтрино способны пройти планету насквозь.

На глубине от 1450 до 2450 метров зарыты 86 кабелей, на каждом из которых установлены по 60 оптических модулей, фиксирующих нейтрино-частицы.

Помимо информации о дальних уголках Вселенной, с помощью нейтрино ученые также изучают внутреннее строение Земли и Солнца. Кроме того, на IceCube планируется провести серию экспериментов для подтверждения или опровержения теории струн.

«Чрезвычайно большой телескоп»

Это не наша субъективная оценка, так официально называется строящийся самый большой оптический телескоп в мире — Extremely Large Telescope (ELT). Его зеркало будет диаметром 39 метров — это почти в четыре раза больше, чем у крупнейшего на данный момент Большого Канарского телескопа.

ELT возводят на горе Серро-Армазонес в Чили — одном из лучших мест для астрономических наблюдений на Земле. Сухой климат, высота 3060 метров над уровнем моря, стабильная атмосфера, а также удаленность от источников света создают идеальные условия для работы телескопа. Рендер готового объекта выглядит так.

Отражающую поверхность собирают из 798 шестиугольных элементов. На каждый сегмент установят датчики, отслеживающие их положение, и специальные приводы, которые способны регулировать элементы с точностью до нанометров. Таким образом будут автоматически компенсироваться искажения из-за ветра, вибраций, гравитации и других механических помех.

Огромное зеркало «Чрезвычайно большого телескопа» позволит получать изображения в 16 раз более четкие, чем у «Хаббла», который находится на орбите Земли. С такими возможностями можно будет изучать атмосферу экзопланет, чтобы искать признаки внеземной жизни. Это станет революционным событием в астрономии.

Достроить Extremely Large Telescope планируют в 2028 году, а в июле 2024-го сооружение выглядело так.

К счастью, что бы ни происходило в мире, наука продолжает развиваться и удивлять нас своими проектами. И пусть предназначение некоторых понять не очень просто, все это возвышает человека над междоусобными проблемами и заставляет действовать сообща. А полученные знания стимулируют развитие новых технологий, помогают лучше понять нашу планету и позволяют осознать наше место и значимость во Вселенной.

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner запрещена без разрешения редакции. ga@onliner.by