Через сто лет после того, как Эйнштейн написал о гравитационных волнах, их в первый раз удалось измерить с помощью черных дыр, существование которых теория относительности предсказала в 1916 году, и с помощью лазерных лучей, на создание которых ученых также натолкнула работа Эйнштейна 1916 года. Никогда прежде гениальная изобретательность теоретика и кропотливое улучшение научной инженерии многими сотнями экспериментаторов не давали вместе такого впечатляющего результата.
Столкновение черных дыр вызывает рябь в пространстве-времени – и ее можно измерить на расстоянии многих сотен миллионов световых лет.
Измерения гравитационных волн, проведенные обсерваторией LIGO (ЛИГО)[97], прекрасно подтвердили смелые идеи Эйнштейна. Две установки в Хэнфорде, штат Вашингтон, и в Ливингстоне, штат Луизиана, расположенные на расстоянии 3000 километров друг от друга, состоят из двух лазерных линий длиной четыре километра каждая, построенных перпендикулярно друг другу. Они работают по тому же принципу, что и интерферометры Майкельсона и Морли, которые продемонстрировали постоянство скорости света (стр. 19). Однако LIGO на много порядков точнее: суперпозиционная картина лазерных лучей позволяет измерять разницу длин всего в 10-21 метр – это все равно что измерять расстояние между Солнцем и ближайшей к нему звездой с точностью до одной десятой толщины волоса.
Обсерватория смогла зафиксировать гравитационные волны от далеких черных дыр, которые сначала быстро вращались друг вокруг друга, затем резко сталкивались и наконец сливались друг с другом. Это открыло новый «канал связи» с космосом: теперь Вселенную можно было не только увидеть, но и услышать. Эти исследования стали не только триумфом для физиков, они очень заинтересовали астрономов, ведь они позволяли делать выводы об устройстве и развитии Вселенной. Поэтому неудивительно, что в 2017 году создатели LIGO Райнер Вайсс[98], Кип Торн[99] и Барри Бариш[100] стали лауреатами Нобелевской премии по физике.
Первый сигнал был получен в сентябре 2015 года. Затем ловить пульсации пространства-времени стало для астрономов почти обычным делом: LIGO уже как минимум пять раз улавливала гравитационные волны от столкновений черных дыр с массой от 5 до 40 масс Солнца на расстоянии от одного до трех миллиардов световых лет. В одном случае вместе с детектором Virgo («Вирго»), который был построен в Италии, недалеко от Пизы в 2017 году. Кроме того, в том же месяце три интерферометра впервые обнаружили гравитационные волны от столкновения двух нейтронных звезд. Эту катастрофу удалось также сфотографировать в электромагнитном спектре, от гамма-диапазона до радиодиапазона, что позволило точно определить местоположение в небе: на краю эллиптической галактики NGC 4993 в созвездии Гидры, на расстоянии 130 миллионов световых лет. Это открытие было началом новой эры в астрофизике. Оно подтверждает предположение о том, что самые тяжелые элементы, такие как золото, платина и уран, образуются в основном в результате подобных разрушительных явлений.
Столкновение черных дыр, согласно формуле Эйнштейна E = mc2, превращает массу двух-трех Солнц в энергию за доли секунды. Эту энергию нельзя увидеть, но она сотрясает пространство-время. Эта энергия равна излучению всех звезд в видимой Вселенной одновременно! Но это открытие невозможно было сделать – и понять – без теории относительности Эйнштейна.
Измерения гравитационных волн также позволяют проводить новые испытания. Согласно Эйнштейну, гравитационные сигналы распространяются со скоростью света – и это подтверждается с высокой точностью. Теория черных дыр также может быть проверена на основе формы зарегистрированных волн; здесь пока тоже нет повода для сомнений. И когда в будущем заработают четыре или пять детекторов – а в настоящее время в Японии и Индии строится по одному, – теории относительности предстоит еще одно испытание на прочность. Ведь она совершенно четко предсказала только два паттерна колебаний гравитационных волн. А другие теории допускают существование до четырех дополнительных типов волн. Если будет обнаружен хотя бы один из них – это поставит под сомнение теорию Эйнштейна.