Все, что необходимо знать о гравитационных волнах

17 марта астрономы объявили об обнаружении следов первичных гравитационных волн, возникших в результате Большого взрыва, которые создали нашу Вселенную 13,8 млрд лет назад. Открытие обозначит новую веху в науке, однако концепция малознакома обычным людям.

Каково значение открытия BICEP2?

Ученым еще предстоит в течение многих лет пожинать плоды этого открытия. Но некоторые наиболее серьезные последствия уже ясны:

• Альберт Эйнштейн предсказал гравитационные волны почти 100 лет назад, при этом он рассчитал, что они крайне слабые и их невозможно уловить. Результаты BICEP2 являются наиболее убедительным доказательством того, что гравитационные волны действительно существуют.
• Волны являются подтверждением краеугольной теории стандартной картины космологии. Эта теория, теория инфляции, говорит о том, что с первых моментов существования Вселенной она экспоненциально расширялась.
• Во время инфляции температура Вселенной, а значит и энергия элементарных частиц были в триллионы раз выше тех, которые могут быть достигнуты в лабораторных условиях, даже в таком ускорителе частиц, как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.
• Так как инфляция – явление квантовое, а гравитационные волны являются частью классической физики, гравитационные волны стали связью между ними и могут быть первым доказательством того, что гравитация имеет квантовую природу, как и другие силы.

Что такое гравитационные волны?

Гравитация, согласно общей теории относительности Эйнштейна, есть следствие того, как масса деформирует форму пространства вблизи массивного тела, когда ткань пространства искривляется. 

Однако это искривление не всегда случается около крупных объектов. Эйнштейн понимал, что деформация может распространяться по всей Вселенной, как сейсмические волны в земной коре. Но в отличие от сейсмических волн, гравитационные волны могут путешествовать в пустом пространстве и со скоростью света. Если бы мы могли увидеть гравитационную волну, движущуюся к нам, мы бы увидели растяжение и сжатие пространства во всех направлениях.

Только инфляция может создавать гравитационные волны?

Нет. Предположительно, любой массивный объект с огромным ускорением может их производить. На практике же, в результате катастрофических событий (например, когда из-за столкновения двух черных дыр, они сливаются в одну) мы можем непосредственно измерить только гравитационные волны. Несколько обсерваторий по всему миру пытаются уловить далекий шум таких слияний.

Почему нельзя непосредственно измерить гравитационные волны, а только обнаружить с помощью радиотелескопа?

Гравитационные волны, возникшие во время инфляции, все еще резонируют по всей Вселенной. Они, вероятно, не слишком слабые и их можно измерить. Но ученые ищут следы волн, оставшиеся в бульоне элементарных частиц, которые заполняли Вселенную спустя 380 000 лет после Большого взрыва, их мы можем увидеть на космическом микроволновом фоне (КМФ).

Наблюдения за фоном производятся с помощью телескопов, способных обнаружить радиоволны, поэтому «рябь» гравитационных волн на КМФ можно заметить только с помощью радиотелескопа.

Почему открытие было сделано именно на Южном полюсе?

Станция Амундсен-Скотт на Южном полюсе, где и находится BICEP2, установлена на леднике более 2 800 метров над уровнем моря, поэтому слой атмосферы здесь довольно тонкий. Воздух очень сухой, что крайне удобно, так как водяной пар блокирует микроволны. При этом Антарктида не населена людьми, поэтому там нет помех от мобильных телефонов, телепередач и прочей электроники.