Самый точный прибор в истории.

Сколько физиков нужно, чтобы измерить сдвиг в одну десятую размера протона? Ответ: больше тысячи. Марко Драго – один из целой армии ученых, работающих в десятках университетов и исследовательских институтов по всему миру над самым чувствительным научным инструментом за все время их изобретения. История о том, как удалось построить лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию, LIGO, почти столь же невероятна, как и регистрация колебаний пространственно-временного континуума.

Мы прервали рассказ о попытках зарегистрировать гравитационные волны в момент, когда в этой сфере царил хаос. Никто не смог повторить результаты Вебера, его научная репутация была погублена. Позорное пятно казалось несмываемым, и это несправедливо. Охотники за гравитационными волнами считались шарлатанами или глупцами – а может, теми и другими.

Однако нашлась группа исследователей, чей азарт лишь подхлестнула неспособность воспроизвести результаты Вебера. Как экспериментаторы они были намерены найти лучшие способы. Оптимизм вселяло обнаруженное Тейлором и Халсом замедление вращения пульсаров, что доказывало существование гравитационных волн. В эту мужскую компанию (поскольку это была и есть сфера мужского доминирования) входил физик Массачусетского технологического института Райнер Вайсс. Когда он был ребенком, его семья бежала из нацистской Германии. Он рос в Нью-Йорке, предоставленный сам себе, с головой уйдя в увлечения: классическую музыку и электронику. Он бросил учебу в МТИ, прошел весь путь с самой нижней ступени – с техника в физической лаборатории – и вернулся в МТИ, но нелегко было добиться штатной должности. Разочарованием обернулись и попытки объяснить студентам результаты Вебера. «Я, хоть убей, не мог понять затею Вебера, – сказал он. – Я не считал, что он прав, и решил пойти своим путем»[339].

Все лето Вайсс в подвале один работал над идеей, возникшей из обсуждений со студентами МТИ[340], и создал детектор, являвшийся не отдельным стержнем-антенной, а интерферометром. Представьте два металлических стержня, соединенных под прямым углом в форме буквы L. Если гравитационная волна приходит сверху, то вследствие того, что она сжимает и растягивает пространство, она делает один стержень совсем немного короче, а другой – чуть длиннее. В следующее мгновение происходит противоположное, и схема повторяется, пока волна активна. Вместо того чтобы пытаться обнаружить превращение единственного стержня в звенящий колокольчик, Вайсс должен был зарегистрировать попеременное изгибание двух стержней.

Эксперимент Вебера был в тысячи раз менее точен, чем необходимо для получения результата, и Вайсс знал, что должен добиться радикальных улучшений. Его осенила мудрая мысль использовать свет как линейку. Его «стержни» представляли собой длинные металлические трубки с откачанным изнутри воздухом, поскольку в вакууме свет распространяется с постоянной скоростью. Лазер в изгибе L-образной конструкции посылает свет одной длины волны через светоделитель, так что половина попадает в плечо интерферометра и другая половина – под прямым углом в другое плечо. Свет отражается от зеркала в конце каждого плеча, возвращается в изгиб L и вновь соединяется в детекторе. В норме световые волны возвращаются по обоим плечам интерферометра строго синхронно, их пики и спады совпадают. Если же через инструмент проходит гравитационная волна, один пучок света проходит чуть меньшее расстояние, пики и спады не совпадают, и интенсивность света снижается (илл. 57).

В теории все просто. Трудность представляет исключительная точность измерений. Мало того, что амплитуда колебаний пространственно-временного континуума очень мала – у них очень большая длина волны. Типичная частота гравитационных волн, возникших при столкновении черных дыр, составляет 100 Гц, то есть 100 колебаний в секунду. Однако типичная длина волны – 3000 км. Оптимальная длина плеч инструмента – четверть длины волны, поскольку от сдвига на четверть волны в том или ином направлении зависит, будет ли усилен или нейтрализован сигнал. Вайсс знал, что не может сделать вакуумную трубу длиной 750 км, но решением стало многократное отражение света в обе стороны в более короткой трубе. Вайсс описал свою идею в техническом предложении МТИ в 1972 г. Это, возможно, самая влиятельная статья, так и не опубликованная в научном журнале[341].

Начало пути было трудным. Вайсс приступил к работе над прототипом интерферометра с 1,5-метровыми плечами. Даже для такого прибора – в сотни раз меньше и дешевле любого работоспособного инструмента для регистрации гравитационных волн – он с трудом находил финансирование. Руководству затея казалась сомнительной, а самый влиятельный его коллега, Филип Моррисон, был настроен глубоко скептически. В начале 1970-х гг. отсутствовали даже убедительные свидетельства того, что Лебедь Х-1 является черной дырой. Моррисон считал, что черных дыр не существует, а раз это самые мощные потенциальные источники гравитационных волн, Вайсс даром тратит время. Вайсс получил немного денег от военных, но и это финансирование обрубили с принятием поправки к Закону об ассигнованиях на военные нужды, запретившей военным поддерживать гражданские проекты.

Летом 1975 г. Райнер Вайсс встречал в аэропорту им. Даллеса в Вашингтоне знаменитого физика-теоретика из Калтеха Кипа Торна – победителя в споре со Стивеном Хокингом о существовании черных дыр. Наука работает лучше всего, когда объединяются теория и наблюдения. Предсказания теории способствуют более эффективным наблюдениям, а наблюдения – более глубокому пониманию физических процессов. В тот душный день в Вашингтоне, когда экспериментатор Вайсс познакомился с одним из величайших теоретиков нашего времени Торном, родился проект LIGO[342].

Вайсс пригласил Торна на собрание в штаб-квартире NASA по вопросам космических исследований в области космологии и теории относительности. «Я забрал Кипа из аэропорта жарким летним вечером, Вашингтон был полон туристов. Номер для него не забронировали, и он переночевал у меня, – вспоминал Вайсс. – Мы составили на листе бумаги огромную карту всевозможных областей изучения гравитации. За какой из них будущее? Что было будущим, чем следовало заняться?»[343] Они были так увлечены разговором, что не спали всю ночь.

Торн не читал техническую статью Вайсса, посвященную концепции интерферометра. Позднее он скажет: «Если бы я ее прочел, то, разумеется, не понял бы». На самом деле его авторитетный учебник «Гравитация» включает упражнение, призванное продемонстрировать невозможность регистрации гравитационных волн с помощью лазеров. «Я быстро изменил свое мнение», – признал Торн[344]. Он вернулся в Калтех, горя желанием построить интерферометр. Однако для начала нужно было привлечь к проекту физика-экспериментатора. Вайсс предложил Рона Древера из Университета Глазго. Древер поставил важнейшие эксперименты по гладкости пространства и массе нейтрино, соорудил и использовал антенну Вебера и сделал интерферометр с 10-метровыми плечами – в шесть раз больше скромного инструмента Вайсса в МТИ. Торн устроил Древера на полставки в штат Калтеха, и к 1983 г. он построил там интерферометр с 40-метровыми плечами, воспользовавшись оригинальными методами повышения мощности лазера и улучшив изоляцию от сейсмического шума.

Постепенно финансирование выросло, обострилась и конкуренция. В 1975 г. Вайсс получил маленький грант Национального научного фонда (ННФ) для начала работы над интерферометром. В 1979 г. группа ученых Калтеха во главе с Торном и Древером получила серьезный грант, а группа Вайсса из МТИ – сумму поскромнее. Калтех и МТИ – яростные соперники в науке[345]; и группа из Калтеха со своим 40-метровым интерферометром, разумеется, возглавила гонку. Обе группы мечтали о полноразмерном интерферометре километровых масштабов, но именно Вайсс поймал удачу за хвост, посетив Национальный научный фонд и предложив идею постройки интерферометра на двух площадках с ценником $100 млн. Проведенное в результате проектное исследование получило название «Синяя книга» – фактически это библия охотников за волнами пространственно-временного континуума[346].

И Вайсс, и Древер были очень склонны к соперничеству. Торну пришлось принять на себя роль посредника и миротворца. Поскольку ННФ заявил, что не будет поддерживать две отдельные группы, им пришлось пойти на вынужденный союз. Дело шло ни шатко ни валко. Постоянные задержки из-за технических проблем вынудили ННФ отменить финансирование[347]. К середине 1990-х гг. проект LIGO возродился, на сей раз во главе с физиком высоких энергий из Калтеха Барри Бэришем. Наука изобилует проектами, в которых одаренные ученые потерпели провал из-за отсутствия навыков общения и управления, но Бэриш оказался умелым руководителем.

Сначала было запланировано строительство двух одинаковых интерферометров с четырехкилометровыми плечами на разных концах США, в геологически спокойных местах. Одно – возле заглушенного ядерного реактора в кустарниковой полупустыне под Хэнфордом в штате Вашингтон, второе – в заболоченной местности возле города Батон-Руж в Луизиане. Целью первого этапа проекта, iLIGO (initial LIGO), было развитие технологии: обнаружение объектов представлялось крайне маловероятным. На второй стадии продвинутая обсерватория aLIGO (advanced LIGO) должна была стать достаточно чувствительной, чтобы зарегистрировать предсказанные теорией гравитационные волны (илл. 58). Бэриш хотел создать оборудование и инфраструктуру, все главные компоненты которых – вакуумные системы, оптика, детекторы и системы подвеса – можно было бы постоянно совершенствовать.

Чтобы сделать aLIGO намного более чувствительной, потребовалось усовершенствовать почти все составляющие эксперимента. Лазер сделали мощнее, чтобы устранить главный источник высокочастотного шума. Пробные массы на каждом конце каждого плеча стали более тяжелыми; груз представляет собой 40-килограммовый цилиндр из кремния с прикрепленным к нему зеркалом, спроектированный так, чтобы регистрировать крохотные изменения длины плеча. В качестве подвеса был использован четырехступенчатый маятник, изоляция и устранение помех на порядок улучшены. У LIGO – крупнейшая и лучшая в истории вакуумная система, включающая 48 км сварных соединений без утечек. Трубы такие длинные, что на метр поднимаются над поверхностью с каждой стороны – ввиду искривления поверхности Земли под ними. Чтобы компенсировать изгиб и обеспечить ровную укладку и нивелировку труб, бетон заливали и выравнивали с беспрецедентной точностью. Плотность вакуума составляет одну триллионную плотности воздуха на уровне моря. Датчики настолько чувствительны, что слышат срабатывание тормозов грузовика на расстоянии 4,8 км – и гром на расстоянии 80 км. Более того, в своих зеркалах они видят движение отдельных атомов.

Этот эксперимент – вершина технического мастерства. Изначальная iLIGO функционировала с 2002 по 2010 г. и, как и ожидалось, не зарегистрировала гравитационные волны. Апгрейд до aLIGO занял пять лет, в работе участвовало 500 человек. Усовершенствованная aLIGO шесть месяцев проработала в опытном режиме и за четыре дня до начала сбора научных данных система нашла «золотую жилу».

Вернемся к Марко Драго и к утру 14 сентября 2015 г. В свободное от физики время этот учтивый постдок исполняет классическую музыку на фортепиано и пишет фантастические романы – два уже вышли. Увидев странные закорючки на своем мониторе, он заподозрил неладное. Это был классический рисунок слияния черных дыр, стремительное крещендо, которое ученые называют «чирп» – нечто вроде птичьего щебета Вселенной. Спустя миллиард с лишним лет пути через космос волна прошла через Землю со скоростью света, задев детектор в вашингтонском Ливингстоне на 7 миллисекунд раньше, чем детектор на другом конце страны, в луизианском Хэнфорде (илл. 59). Драго был настроен скептически, потому что сигнал выглядел слишком сильным, слишком совершенным: «Никто не ждал ничего настолько колоссального, поэтому я предположил, что это вброс»[348]. Кураторы LIGO держали сотрудников в тонусе, периодически вводя в поток данных ложные сигналы, называемые слепыми вбросами. В 2010 г. слепой вброс вызвал ажиотаж, была написана статья, и, когда команда уже готова была предложить ее к публикации, сообщили, что сигналы были ложными.

Драго не пожалел сил, чтобы все перепроверить. Он обзвонил остальные площадки и переговорил с руководителем группы, чтобы убедиться, что никто не вбрасывал сигнал в систему. Он даже переживал, что систему могли взломать. После десятка автоматических и ручных проверок не осталось сомнений, что за этот сигнал отвечает Вселенная. Он выделялся на фоне шума, как взрыв смеха в комнате, полной болтающих людей. Гравитация подала голос.