Как астрономы научились «слушать» гравитационные волны?
V-kosmose.com

Как астрономы научились «слушать» гравитационные волны?

Как астрономы научились «слушать» гравитационные волны?

Со времени подтверждения существования ряби в ткани пространства-времени около пяти лет назад сотрудничество LIGO / Virgo продвигало исследования гравитационных волн.

Более 100 лет назад Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, заложив основу нашего современного взгляда на гравитацию. Эйнштейн предположил, что массивные объекты могут деформировать ткань пространства-времени, а самые тяжелые и плотные объекты, такие как звезды и черные дыры, создают глубокие «гравитационные ямы» в ткани. И так же, как монета катится по изогнутой дорожке, когда она падает в колодец, Эйнштейн понял, что когда свет проходит через гравитационную яму, пути фотонов также деформируются.

Но это далеко не все, что предсказывала теория Эйнштейна. Она также предполагала, что, когда два очень массивных объекта вращаются навстречу друг другу перед столкновением, их отдельные гравитационные волны взаимодействуют. И поскольку два вихря, вращающиеся вокруг друг друга в океане, будут испускать сильные колебания в воде, два космических объекта испускают колебания в пространстве-времени, известные как гравитационные волны.

Анимация, показывающая как слияние двух массивных объектов изменят ткань пространства - времени.

Анимация, показывающая как слияние двух массивных объектов изменят ткань пространства - времени.

Несмотря на предсказания Эйнштейна о существовании гравитационных волн, первые доказательства их существования были получены только в 1974 году (почти через 20 лет после смерти ученого). Два астронома, использующие обсерваторию Аресибо в Пуэрто-Рико, нашли первое косвенное свидетельство гравитационных волн. Но прошло еще четыре десятилетия, прежде чем ученые нашли прямые доказательства. 14 сентября 2015 года детекторы лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в Хэнфорде, штат Вашингтон, и в Ливингстоне, штат Луизиана, зафиксировали контрольный сигнал гравитационных волн, возникших в результате столкновения двух черных дыр.

Благодаря этому открытия гравитационных волн астрономы получили в распоряжении совершенно новый тип инструмента, который они могли бы использовать для исследования космоса.

Как мы обнаруживаем гравитационные волны?

И LIGO, и её сестра, Virgo, пользуются тем, что, когда гравитационные волны проходят через Землю, они слегка расширяются и сжимают пространство-время, в котором мы живем. К счастью, эти проходящие гравитационные волны незаметны для наших человеческих тел, но детекторы LIGO и Virgo достаточно чувствительны, чтобы их обнаружить. Фактически, гравитационные волны от первого обнаружения LIGO только сжимали пространство-время на расстоянии приблизительно 1/1000 от размера атомного ядра.

Так как же LIGO смог обнаружить такое небольшое колебание?

Сотрудничество LIGO и Virgo использует (слегка измененное) устройство, впервые изобретенное в 1880-х годах. Это устройство, более известное как интерферометр Майкельсона, имеет уникальную L-форму. Для LIGO и Virgo эта знакомая форма была разработана в гораздо большем масштабе, чем когда-либо прежде.

Схема работы интерферометра LIGO

Схема работы интерферометра LIGO

Длина каждой руки LIGO составляет 4 километра. Между тем каждая из рук Virgo имеет длину менее 3,2 км. Каждое из этих плеч содержит два зеркала - одно в начале плеча и одно в самом конце. В случае LIGO, когда светоделитель посылает свет в каждую перпендикулярную руку, он отражается от зеркала около 300 раз, преодолевая общее расстояние около 1200 км. Этот расширенный путь перемещения в сочетании с результирующим нарастанием лазерного излучения увеличивает чувствительность, с которой LIGO и Virgo могут обнаруживать проходящие гравитационные волны.

После того, как свет разделения многократно отражается в каждом плече, оба луча затем проходят через светоделитель в фотоприемник. И если гравитационная волна проходит через то время, когда два световых импульса отражаются назад и вперед внутри каждого перпендикулярного плеча, пространство-время в плечах детектора будет непропорционально искажено. Другими словами, свет, отражающийся в одной руке, будет немного отличаться от света, отражающегося в другой руке, и LIGO и Virgo могут уловить крошечное несоответствие.

Всегда улучшается

Первоначальные установки LIGO работали с 2002 по 2010 год без обнаружения гравитационных волн. После 2010 года на LIGO провели несколько апгрейдов и в 2015 году он снова работать как Advanced LIGO. Аналогично, Virgo претерпела аналогичные апгрейды, начиная с 2011 года.

Со времени первого обнаружения LIGO в 2015 году в рамках совместной работы Advanced LIGO и Virgo было обнаружено около 50 подтвержденных событий гравитационных волн, а также множество других событий-кандидатов. Первый прогон обсерваторий начался в сентябре 2015 года и продолжался до января 2016 года. Второй прогон наблюдений проходил с ноября 2016 года по август 2017 года. А третий прогон был разделен на две части, причем первая половина протянулась с апреля 2019 года по сентябрь 2019 года. Вторая половина началась в ноябре 2019 года, но его оставшиеся сроки в настоящее время не определены из-за пандемии COVID-19.

Обсерватория LIGO

Обсерватория LIGO

Ученые проводили время между каждым прогоном, выполняя плановое техническое обслуживание и модернизацию детекторов. И самое последнее улучшение перед третьим прогоном обещало почти ежедневные обнаружения гравитационно-волновых событий. Несмотря на текущее закрытие, совместные работы LIGO / Virgo уже выявили более 50 новых кандидатов на слияние во время этого последнего запуска, выполнив это обещание.

Итак, что мы видели?

Помимо доказательства того, что мы можем обнаружить ранее недоступные пульсации в структуре пространства-времени, первый прогон LIGO / Virgo определил, что, по крайней мере, три сигнала поступили от двойных слияний черных дыр. Затем, в августе 2017 года, коллаборация обнаружила первые гравитационные волны, создаваемые сталкивающимися нейтронными звездами.

За последние несколько лет LIGO и Virgo постоянно замечают все больше и больше двойных слияний черных дыр. И в конце 2019 года они обнаружили возможное слияние между черной дырой и нейтронной звездой, событие, которое раньше никогда не наблюдалось. «Если это произойдет, это будет триумфом для LIGO и Virgo. Через три года мы будем наблюдать каждый тип столкновения с черной дырой и нейтронной звездой», - заявил исполнительный директор LIGO Дэвид Х. Рейтце в пресс-релизе.

Художественное представление слияние системы, состоящей из белых карликов. Фото: M. Weiss

Художественное представление слияние системы, состоящей из белых карликов. Фото: M. Weiss

В этом году коллаборация наблюдала второе столкновение нейтронных звезд, а также еще один другой потенциальный сигнал: вспышка света, которая, как считается, связана с обнаружением гравитационных волн слияния двойной черной дыры. Пара черных дыр звездной массы, вероятно, вращалась вокруг центральной сверхмассивной черной дыры их галактики, которая также окутана закрученным диском из газа и пыли. Как только двойные черные дыры слились, они начали проходить сквозь диск сверхмассивной черной дыры. И когда он начали проходить через газ, окружающий материал вспыхнул.

«Время, размер и местоположение этой вспышки были впечатляющими», - сказал соавтор Манси Касливал в заявлении для Science Daily. «Если мы сможем сделать это снова и обнаружить свет от слияний других черных дыр, тогда мы сможем узнать больше об их происхождении».

И как вишенка на торте, сотрудничество LIGO и Virgo даже смогло обнаружить слияние черной дыры с каким-то промежуточным объектом, который нельзя однозначно отнести к нейтронной звезде или небольшой черной дыре. Самая тяжелая из известных нейтронных звезд в 2,5 раза больше массы Солнца, а самая легкая из известных черных дыр - около 5 солнечных масс. Странный объект в этом слиянии, очевидно, имеет массу 2,6 солнечных масс.

«Мы десятилетиями ждали, чтобы разгадать эту загадку», - сказала в пресс-релизе LIGO Вики Калогера, астроном Северо-западного университета. «Мы не знаем, является ли этот объект самой тяжелой из известных нейтронных звезд или самой легкой из известных черных дыр. Но в любом случае, он побил рекорд».

Что дальше?

В 2024 году LIGO получит еще одно обновление, которое почти удвоит его чувствительность, а также приведет к семикратному увеличению объема пространства, которое он может контролировать. Позднее, в этом десятилетии, ученые и инженеры планируют запустить LIGO Voyager третьего поколения.

Многие другие страны мира также присоединяются к международной охоте за гравитационными волнами. Например, Индия надеется присоединиться к сотрудничеству Advanced LIGO к середине 2020-х годов.

В Млечном пути проживает примерно 150 наблюдаемых шаровых скоплений, вроде М30, показанного на снимке от космического телескопа Хаббл. Это плотная среда с миллионами звезд, плотно упакованных вместе. Такие скопления считаются эффективными фабриками источников гравитационных волн, за которыми можно наблюдать в LIGO и будущую обсерваторию LISA

В Млечном пути проживает примерно 150 наблюдаемых шаровых скоплений, вроде М30, показанного на снимке от космического телескопа Хаббл. Это плотная среда с миллионами звезд, плотно упакованных вместе. Такие скопления считаются эффективными фабриками источников гравитационных волн, за которыми можно наблюдать в LIGO и будущую обсерваторию LISA

И, заглянув еще дальше в будущее, в середине 20-х годов Европейское космическое агентство и НАСА надеются запустить космическую антенну лазерного интерферометра (LISA), первый в мире космический детектор гравитационных волн. LISA откроет дверь для обнаружения гораздо более разнообразных образцов источников гравитационных волн, чем LIGO и Virgo в настоящее время могут получить. Европейский союз также изучает возможность использования подземного детектора гравитационных волн, известного как телескоп Эйнштейна.

Поэтому, что бы ни ожидало будущее для науки о гравитационных волнах, одно можно сказать наверняка: еще одно подтверждение общей теории относительности Эйнштейна - обнаружение гравитационных волн - наконец предоставило астрономам совершенно новый способ исследования космоса.