Новая эра астрономии: вибрации в пространстве-времени

На протяжении большей части существования человечества мы наблюдали за Вселенной с помощью света, но в наши дни фотоны - не единственная игра в городе, утверждает астрофизик Чанда Прескод-Вайнштейн.

Традиционные представления о сборе данных подразумевают эмпиризм - идею о том, что все знания приходят из сенсорного опыта. Сегодня мы по-прежнему называем нашу работу эмпирической наукой, хотя на данный момент между чувственным опытом человека и тем, как собираются данные, зачастую существует довольно большая дистанция. Как в астрономии, так и в физике для сбора данных обычно используется сложное оборудование, подключенное к обширным компьютерным алгоритмам, преобразующим сигналы оборудования в данные, которые затем анализируются человеком. Тем не менее, мы все еще относимся к этому как к сенсорному процессу, уделяя большое внимание тому, что мы можем "увидеть" на экране нашего компьютера.

Однако существует тенденция к чрезмерному акцентированию определенных сенсорных процессов в нашей научной практике: то, что мы видим, имеет большее значение, чем то, что мы можем услышать или почувствовать. Эмпирическая практика - это, в конце концов, не только "вибрации". Так, в астрономии наблюдение за небом с помощью света долгое время было центральной практикой. На протяжении большей части нашего существования это происходило исключительно с помощью оптических наблюдений - сбора данных в диапазоне длин волн, к которым чувствителен человеческий глаз.

В 1800 году астроном Уильям Гершель ( обычно трудившийся вместе со своей сестрой Каролиной) доказал, что инфракрасное тепловое излучение - это, по сути, свет с частотой, выходящей за пределы красной части спектра видимого света. Благодаря квантовой механике мы теперь можем также понять, что эти различные длины волн света имеют фотоны с различной энергией, причем инфракрасное излучение имеет более низкую энергию, чем ультрафиолетовое. Сегодня люди во всем мире наблюдают за космосом в различных, казалось бы, невидимых длинах волн, от сверхвысокоэнергетических гамма-лучей до чрезвычайно длинных радиоволн.

И мы узнали, что свет - не единственные ворота в космос. За последние несколько десятилетий субатомные элементарные частицы, известные как нейтрино, стали важным окном в нашу Вселенную. Нейтрино образуются при радиоактивных распадах, что кажется чем-то очень далеким. Но на самом деле бананы, в которых много калия, испускают нейтрино в результате его распада. (Не волнуйтесь, это совершенно безопасно!) Такие же процессы происходят в звездах, при гибели звезд, например сверхновых, и при столкновениях звезд, что означает, что все эти явления излучают нейтрино. Нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с другой материей, что затрудняет их наблюдение. По этой причине Южный полюс стал важным местом для изучения "нейтринной" астрономии. Здесь, используя огромные ледяные пространства, проводятся такие эксперименты, как нейтринная обсерватория IceCube.

Нейтрино позволяют составить карту космоса с помощью частиц, которые не являются фотонами, превращая всю Вселенную в непрерывный эксперимент по физике частиц, который одновременно дает нам представление о природе нейтрино и событиях, которые их порождают. Нейтрино бывают трех типов - электронные, мюонные и тау - и когда они перемещаются на большие расстояния, то случайным образом меняют свой тип. Нетривиальная природа этих частиц была впервые обнаружена при анализе солнечных нейтрино и теоретических предсказаний их образования.

Как бы ни были интересны эти частицы, они не единственная "нефотонная игра в городе". В 1974 году астрономы, изучавшие бинарную звездную систему, заметили, что она теряет энергию со скоростью, соответствующей испусканию гравитационных волн. Предсказанные общей теорией относительности - утверждением, что пространство и время представляют собой единое целое, способное искривляться, - гравитационные волны в буквальном смысле являются рябью в пространстве-времени. Наблюдения 1974 года оставались единственным доказательством этого явления до 2015 года, когда коллаборация Virgo и Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) впервые напрямую зарегистрировали гравитационные волны от бинарной черной дыры с помощью колебаний в тщательно разработанных приборах, называемых интерферометрами.

Так что, возможно, хотя бы часть науки - это вибрации! Обнаружение Virgo и LIGO в 2015 году открыло новую эру в астрономии: теперь мы смотрим на Вселенную не только через световые волны и излучения частиц, но и ощущая вибрации в самом пространстве-времени. Успех LIGO также послужил весомым аргументом в пользу развития гравитационно-волнового оборудования. Следующая остановка? Мы отправляемся в космос!

25 января Европейское космическое агентство (ЕКА) объявило, что будет продолжать разработку LISA, космической антенны лазерного интерферометра. ЕКА будет сотрудничать с НАСА и международной группой ученых в рамках новой захватывающей миссии, которая позволит уйти от вибраций земной поверхности. Ведь в космосе не придется гадать, вибрирует ли прибор из-за столкновения двух черных дыр или из-за проехавшего мимо грузовика.