Обращенные к звездам. Прошлое, настоящее и будущее астрономии - Эмили Левеск

дыр на расстоянии миллиардов световых лет, — но еще и вибрацию от землетрясений, проезжающих мимо грузовиков и сотен других событий, которые могут влиять на рукава детектора или контрольные грузы. Таким образом, настоящая проблема заключается в том, чтобы заставить систему не реагировать на посторонние сигналы («шум»), которые могут заглушить слабенькое «чириканье», возвещающее о правоте Эйнштейна.

В течение десятилетий три детектора гравитационных волн усердно работали и стали самым точным и чувствительным экспериментом в области астрофизики, который опирается на веру в физику: в то, что гравитационные волны реальны и могут быть обнаружены, нужно лишь усовершенствовать приборы. Два детектора, расположенные в тихих уголках США, вместе составляют Лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию (LIGO); один находится в городке Хэнфорд на востоке штата Вашингтон, другой — в Ливингстоне на юго-востоке Луизианы. Третий детектор, интерферометр Virgo, был построен в Санто-Стефано-а-Мачерата, небольшом селении в Италии к юго-востоку от Пизы, в рамках европейского сотрудничества. Все три детектора начали работу в начале 2000-х годов и благодаря тысячам ученых, инженеров и вспомогательного персонала, постоянно работающих над совершенствованием каждой мельчайшей детали оборудования, стали первыми в мире астрономическими обсерваториями, которые измеряют не световые, а гравитационные волны.

В тихий майский вторник я выехала из Сиэтла в обсерваторию LIGO в Хэнфорде. По мере продвижения на восток горы Тихоокеанского Северо-Запада с пышной вечнозеленой растительностью постепенно сменялись бесцветной голой равниной. Вашингтонский детектор LIGO расположен в районе бассейна реки Колумбия на юго-востоке штата Вашингтон, километрах в пятнадцати к северу от города под названием Ричленд. После посещения горных и воздушных обсерваторий я представляла себе гравитационно-волновую обсерваторию как нечто мрачное и мистическое, где исследователи таинственной области физики погружены в глубокие тайны гравитации. Но когда я после трех часов пути приблизилась к самому детектору LIGO, он больше всего напомнил мне обиталище SOFIA в Палмдейле или дорогу, ведущую к VLA, — суперсовременное научное оборудование, которое нашло себе место среди просторов пустыни.

Аэрофотоснимок LIGO в Хэнфорде (© Caltech/MIT/LIGO Laboratory)

Снаружи это место выглядело на удивление скучным — учитывая, что внутри творилась самая передовая наука. Небольшой указатель отмечал съезд с шоссе, далее показалась самая обычная парковка, пара пустых зданий, скромный центр для посетителей и непримечательные на первый взгляд два серых бетонных барьера, которые закрывают два уходящих вдаль рукава интерферометра. Позже, очутившись на крыше главного здания, я увидела, насколько эти рукава невероятно математически прямые. Каждый из них тянется на четыре километра — при их постройке потребовалось учитывать кривизну поверхности Земли. При этом из центрального здания они просматриваются только до середины, а вторая половина каждого рукава полностью скрыта за промежуточными станциями, построенными на полпути. Но когда вы только подъезжаете к LIGO, они выглядят просто как… нечто бетонное.

Бетонные барьеры обеспечивают полную защиту всей системы. Каждый рукав интерферометра представляет собой трубку из нержавеющей стали диаметром около 120 сантиметров, которая приподнята над землей и постоянно поддерживается в почти идеальном вакууме, даже более чистом, чем вакуум космоса. Сначала рассматривали возможность построить трубы прямо на открытом воздухе, чтобы сэкономить на отливке километров бетонных арок, но в конце концов защитные барьеры все же построили, невзирая на затраты. И бетон не раз спасал LIGO, защищая вакуумные трубки от ударов молний. Несмотря на громоотводы, молнии неоднократно попадали в детекторы в Хэнфорде и Ливингстоне и оставляли в бетоне выжженные выбоины. Бетон в Хэнфорде однажды выдержал даже автомобильную аварию. Водитель джипа решил прокатиться по бездорожью, свернул на дорогу для служебного пользования и в итоге врезался в барьер с такой силой, что пострадал и джип, и он сам, но интерферометр остался невредимым.

Единственным недостатком бетонных барьеров на некоторое время оказалась мышиная моча. На начальном этапе строительства барьеры были заполнены изоляцией, и после завершения работ никто не видел веских причин для ее удаления. Но изоляция привлекла туда мышей, искавших удобное место для гнезда. Поначалу мыши казались мелкой неприятностью, а не серьезной проблемой, пока на объекте в Луизиане не обнаружили, что мышиная моча в сочетании с влажностью создают отличные условия для бактерий, которые прожгли в трубах микроскопические отверстия и уже угрожали целостности вакуума. После этого мышей вывели, изоляцию удалили и заделали повреждения.

По прибытии в Хэнфорд меня отвели в главное здание, дали заглянуть в диспетчерскую (она выглядела как уменьшенный центр управления полетами НАСА с несколькими рабочими станциями и огромным рядом экранов вдоль одной стены), а затем устроили мне экскурсию по зоне лазерного и вакуумного оборудования (LVEA) — большому центральному помещению, в котором находится лазер, некоторые контрольные грузы и другое оборудование. Когда я переписывалась с LIGO, группа по работе с общественностью рекомендовала мне приехать именно во вторник, потому что обсерватория будет закрыта на еженедельное техническое обслуживание, и это позволит мне посетить такие части детектора, как LVEA, которые обычно закрыты. Закрывают их вовсе не потому, что человеку опасно находиться рядом с мощным лазером, — хотя и это не шутка, мне выдали блестящие светоотражающие зеленые очки, чтобы при необходимости защитить глаза, а также сетку для волос и бахилы, поскольку LVEA — чистое помещение. Нет, это лазер старались защитить от нас: когда детектор включен, любой, кто проходит через LVEA, создает «антропогенный шум», просто ступая по той же бетонной плите, на которой установлен детектор. Гид объяснил, что сотрудники LIGO должны будут увести оттуда всех посторонних к полудню, чтобы дать время затихнуть отголоскам от нашего топота, прежде чем система будет снова пущена во второй половине дня.

Одно дело сказать, что LIGO может обнаруживать возмущения в тысячи раз меньшие, чем протон, и совсем другое — увидеть, какие практические требования предъявляются в связи с такой чувствительностью. А наиболее впечатляющие технологии используются для контрольных грузов и их подвешивания в рукавах детектора.

Каждый контрольный груз представляет собой круглое зеркало диаметром около 33, толщиной около 20 сантиметров и массой около 40 килограммов (большие и тяжелые зеркала лучше сохраняют неподвижность). Зеркала изготовлены из чистого плавленого кварцевого стекла и предназначены для отражения инфракрасного света, излучаемого лазерами LIGO. Контрольные грузы подвешены на четырехзвенной маятниковой системе (каждое звено уменьшает внешние вибрации, которые передаются на зеркало) с помощью стеклянных волокон толщиной всего четыре миллиметра. Хотя каждое волокно выдерживает до 12 килограммов, они невероятно чувствительны к другим воздействиям: так, волокно может разрушиться от одного прикосновения пальца — кожный жир моментально вызовет появление трещин в стекле. Стекловолокно производится прямо на месте, в Хэнфорде, и идеально подходит для подвешивания контрольных грузов: система маятников уменьшает трение,