Гравитационных волн: история изучения и открытие LIGO — все самое интересное на ПостНауке |

Содержание

Новый детектор гравитационных волн уместится на столе

09 июля 2020
12:05

Анатолий Глянцев

Новое устройство позволит наблюдать гравитационные волны, недоступные действующим детекторам.

Иллюстрация LIGO/T. Pyle.

В концепции нового прибора использованы волновые свойства материи.

Иллюстрация Pixabay

Физики предложили проект инновационного детектора гравитационных волн. В отличие от существующих установок километрового размера, он будет иметь длину около метра. К тому же новое устройство будет чувствительно к сигналам, неуловимым для нынешних детекторов. Всё это позволит наблюдать новые источники гравитационных волн во Вселенной.

Проект описан в научной статье, принятой к публикации в издание New Journal of Physics.

Вести.Ru подробно рассказывали о гравитационных волнах и действующих детекторах, которые их улавливают. Напомним в двух словах, как работают такие установки.

Гравитационный всплеск, пришедший из глубин космоса, раскачивает подвешенные зеркала. Луч лазера, путешествующий между этими зеркалами, позволяет зафиксировать эти колебания. Смещения зеркал невероятно малы: меньше радиуса протона. Детекторы гравитационных волн, фиксирующие и анализирующие такие колебания, по праву можно назвать шедеврами инженерного искусства.

Для регистрации смещения зеркал нужно, чтобы длина пути луча была как можно больше длины волны излучения. И хотя видимый свет имеет длину волны в десятые доли микрометра, в действующих установках LIGO и VIRGO луч лазера распространяется по туннелям длиной в несколько километров. Только так установка получает нужную чувствительность.

Теперь исследователи из Великобритании и Нидерландов выдвинули дерзкий проект детектора длиной порядка одного метра.

Авторы отказались от использования лазера. Вместо этого они предложили воспользоваться фундаментальным принципом квантовой механики. Он гласит, что все физические тела имеют свойства волн.

Мы подробно объясняли, в чём тут дело. Напомним в двух словах, что длина волны тела тем меньше, чем больше его масса. Поэтому волновые свойства сравнительно легко наблюдаются у отдельных электронов или атомов, но даже самые точные измерения пока не позволяют заметить волновую природу чашки кофе.

Физики предлагают использовать в новом детекторе волновые свойства наноалмазов массой 10^-14 (одна стотриллионная доля) грамма. Несмотря на ничтожную массу, даже такой кристалл будет иметь чрезвычайно малую длину волны: всего 10^-11 микрометра. Это примерно в сто миллиардов раз (!) меньше длины волны лазеров LIGO и VIRGO.

Зато это позволяет уменьшить размер самой установки – пусть не в сто миллиардов раз, но в тысячи. Поэтому новый детектор может иметь размер всего около метра.

В концепции нового прибора использованы волновые свойства материи.

Иллюстрация Pixabay.

Это устройство не заменит, а дополнит действующие установки. Дело в том, что LIGO и VIRGO принимают только гравитационные волны высокой частоты: от десятков до тысяч герц. В то же время новый прибор, по расчётам экспертов, будет чувствителен к волнам диапазона от миллионной доли герца до десяти герц. Чтобы регистрировать волны таких частот обычным методом (как LIGO и VIRGO), потребовались бы детекторы размером в сотни тысяч километров (!).

Такие наблюдения позволят изучить ранее недоступные источники гравитационных волн и раскрыть новые волнующие тайны Вселенной.

Но реализуем ли подобный проект технически? Авторы отмечают, что практически все необходимые технологии уже опробованы. Так, человечество уже умеет получать достаточно глубокий вакуум и наблюдать волновые свойства кристаллов нужного размера.

Трудность будет заключаться в том, чтобы собрать все кусочки технологического паззла воедино и убедиться, что получившаяся система работает.

Между прочим, волновые свойства вещества уже используются в датчиках, измеряющих силу тяжести. Такие приборы невероятно чувствительны по сравнению со своими традиционными аналогами. Правда, пока они не настолько хороши, чтобы наблюдать гравитационные волны.

Исследователи надеются, что прототип нового детектора может быть создан уже в ближайшее десятилетие.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, как квантовые эффекты используются для повышения чувствительности действующих детекторов гравитационных волн. Писали мы и о том, как детектор LIGO использовали для первого в истории измерения колебаний макроскопического объекта под действием квантового шума.

наука
космос
техника
астрономия
гравитационные волны
квантовые технологии
новости

ПЛИ для поиска гравитационных волн

С 5 по 15 августа 2019 года в экспериментальном комплексе Интерференционной Гравитационной Антенны (ИГА) VIRGO группой сотрудников CERN и ОИЯИ в составе: Беньямино Ди Джироламо (CERN), М. В. Ляблина (ОИЯИ) и Н. С. Азаряна (ОИЯИ), был установлен и запущен для мониторинга угловой микросейсмической активности новый инновационный прибор — Прецизионный Лазерный Инклинометр (ПЛИ). Использование инклинометра позволит уменьшить воздействие угловых микросейсмических наклонов земной поверхности на чувствительные элементы ИГА, что в свою очередь приведет к увеличению ее чувствительности в области частот, соответствующих слиянию черных дыр и нейтронных звезд во Вселенной.

Читайте также материал по этой теме на сайте ЦЕРН

Европейский гравитационно-волновой детектор VIRGO – франко-итальянский детектор гравитационных волн — один из научных мегапроектов Европы, на котором трудятся сейчас около четырех сотен сотрудников, расположен вблизи итальянского города Пиза. Гравитационные волны были предсказаны Эйнштейном в 1916 году и их поиск начался полвека спустя, но их открытия пришлось ждать несколько десятилетий. Только в сентябре 2015 года два детектора Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США зафиксировали всплеск гравитационных волн, рожденных при слиянии двух тяжелых черных дыр на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли. Но важно не только зафиксировать всплеск гравитационных волн, но и понять откуда в каждом конкретном случае пришел сигнал. Именно поэтому, VIRGO, несмотря на его чуть худшую чувствительность, чем у LIGO, играет важную роль по нахождению источника нового всплеска.

Основной частью детектора VIRGO является лазерный интерферометр Майкельсона, каждое плечо которого имеет длину 3 километра. Ширина диапазона детектора VIRGO в совокупности с его чувствительностью позволяет надеяться зафиксировать с его помощью гравитационное излучение от взрывов сверхновых и слияний двойных систем в нашей Галактике. Чтобы достичь необходимой чувствительности, для VIRGO были разработаны: уникальный высокомощный ультрастабильный лазерный источник, зеркала со сверхвысоким коэффициентом отражения, сейсмические изоляторы и контроллеры положения и направления. Но до сих пор в гравитационной антенне VIRGO существует потребность в сейсмоизоляции чувствительных элементов антенны. Это, прежде всего, зеркала интерферометра, делительная пластинка, система зеркал в подготовке лазерного пучка для питания интерферометра и дополнительные зеркала, которые организуют рециклирование лазерного луча в интерферометре. Всего требуется сейсмоизолировать от угловых колебаний поверхности Земли до 10 чувствительных элементов гравитационной антенны.

В настоящее время гравитационная антенна работает в условиях интенсивных микросейсмических шумов, которые ухудшают ее чувствительность в области частот от 1 до 10 Гц.

Особенность Прецизионного Лазерного Инклинометра — регистрация зависимости углов наклона от времени и отсутствие резонансных явлений в конструкции инклинометра. Это позволяет использовать прибор в системах онлайн стабилизации оптической платформы от угловых микросейсмов. Именно этот аспект волнует больше всего сотрудников VIRGO.

Действительно, при наклонах основания интерферометрического зеркала под действием угловых микросейсмов происходит наклон точки подвеса зеркал, что приводит к его перемещению в плече интерферометра на несколько микрометров. Поскольку подобное смещение точки подвеса носит периодический характер, то это дополнительно приводит к параметрическому возбуждению колебания подвеса с зеркалом на резонансных частотах также в направлении плеча интерферометра. Совокупность этих колебаний носит непредсказуемый характер и уменьшить их амплитуду возможно только установкой основания подвеса зеркала в неизменное горизонтальное положение. Именно эта задача и является приоритетной для использования ПЛИ в системе ИГА в VIRGO.

Идея использования ПЛИ в системе ИГА в VIRGO принадлежит В. А. Матвееву, который обратился к Ю. А. Будагову с предложением вступить в контакт с Европейским консорциумом по астрофизике частиц (APPEC) и рассмотреть возможность применения инклинометра для улучшения чувствительности гравитационного волнового детектора. Первые контакты с руководством Европейской Гравитационной Обсерватории (EGO) были организованы Беньямино Ди Джироламо. Фулвио Риччи, заместитель директора EGО, посетил CERN и осмотрел Прецизионный Лазерный Инклинометр, установленный в Транспортном туннеле №1 CERN. Затем при помощи EGO, CERN и ОИЯИ была организована перевозка установки ПЛИ вблизи одного из зеркал ИГА VIRGO. На протяжении 6 месяцев показания ПЛИ будут сравниваться с действующими показаниями сейсмометров и по результатам измерений будет принято решение о возможности использования ПЛИ для сейсмоизоляции чувствительных элементов Гравитационной Антенны.

Первые результаты показали, что ПЛИ регистрирует угловые микросейсмические явления с достаточной чувствительностью и в полном согласии с показаниями сейсмометров, установленных рядом с ним, что говорит об отсутствии системных ошибок в данных, получаемых с ПЛИ.

История ПЛИ началась в 2010 г. в отделе НЭОМАП ЛЯП под руководством проф. Ю. А. Будагова в рамках соглашения ОИЯИ-ЦЕРН с целью стабилизации пространственного положения пучков для повышения светимости Большого Адронного Коллайдера (в эксперименте ATLAS). Были собраны и исследованы первые прототипы этого уникального углового сейсмометра. Исследование с прототипов показало, что мы имеем дело с новым прорывным способом регистрации угловых микросейсмических колебаний поверхности Земли. В результате проведенных исследований Юлиан Арамович Будагов и Михаил Васильевич Ляблин получили Патент РФ RU2510488 C2 от 30.05.2012 г. Развитие метода привело к созданию автоматизированного дистанционно настраиваемого прибора, который может эффективно регистрировать изменение угловых наклонов поверхности Земли во времени c чувствительностью 2.4·10^-11 рад/Гц^1/2 в частотном диапазоне 10^-3-12.3 Гц.

Тогда же определились и основные задачи для этого уникального нового прибора:

Измерение микросейсмических угловых колебаний поверхности Земли. Это источник существенно новой информации о геофизических процессах внутри Земли;

Использование долговременных измерений углового наклона поверхности Земли для предсказания землетрясений. Это позволяет определить зоны накопления сейсмической энергии и соответственно количественно рассчитать мощность и время будущего землетрясения;

Использование зарегистрированных угловых микросейсмов для стабилизации крупномасштабных физических установок. В CERN ведется подготовка регистрации деформации поверхности Земли при прохождении поверхностных микросейсмических волн в зоне расположения LHC;

Создание сейсмоизолированной оптической платформы для проведения физических исследований в условиях пониженного воздействия угловых микросейсмических шумов.

Работа по угловой сейсмоизоляции активных элементов ИГА VIRGO подразумевает создание проекта по модернизации установки. Для этого необходимо провести исследования на прототипе сейсмоизолированной от угловых колебаний поверхности Земли платформы. Затем на основе достигнутых результатов спроектировать, изготовить и установить элементы угловой сейсмоизоляции для зеркал, делительной пластинки и других чувствительных элементов ИГА VIRGO.

Работа находится в самом начале, но уже сейчас есть уверенность в том, что применение ПЛИ открывает возможность уменьшить воздействие на чувствительные элементы ИГА VIRGO угловых микросейсмических колебаний в области частот 10^-3-10 Гц на два порядка, что, безусловно, положительно скажется на ее чувствительности.

Прецизионный Лазерный Инклинометр — яркий пример практического использования достижений фундаментальной науки. Он совершил полный круг, зародившись в недрах самого передового на тот момент представителя современной фундаментальной науки — эксперимента ATLAS, прошел этап своего развития в качестве прибора прикладного значения и снова вернулся в область фундаментальной науки, обещая увеличение светимости на LHC и чувствительности VIRGO и имея уникальные перспективы прикладного использования на благо человечества. Это заслуга наших ученых и инженеров — сотрудников Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ.

Авторы проекта благодарят Виктора Анатольевича Матвеева и Вадима Александровича Беднякова за всестороннюю поддержку.

Слева направо: Михаил Васильевич Ляблин (ЛЯП ОИЯИ), Беньямино Ди Джироламо (CERN) и Николай Сергеевич Азарян (ЛЯП ОИЯИ)

Фотогаллерея «Процесс сборки инклинометра»

Автор текста: Елена Дубовик

Источник: сайт ЛЯП

Gravitational Waves Новости — SciTechDaily

Космос
24 октября 2022 г.

Самая экстремальная «колеблющаяся черная дыра» из когда-либо обнаруженных — экзотическое явление, предсказанное теорией гравитации Эйнштейна

Гравитационные волны указывают на то, что может быть редким событием, происходящим один из 1000. Астрономы из Университета Кардиффа обнаружили странное закручивающееся движение на орбитах двух…

Космос
18 октября 2022 г.

Новый инструмент использует гравитационные волны для изучения нейтронных звезд

Представьте себе, что вы берете звезду с массой в два раза больше солнечной и раздавливаете ее до размеров Манхэттена. Результатом будет…

Наука
17 августа 2022 г.

Недостаточно точно: ученые повторно измерили гравитационную постоянную

Гравитационная постоянная Гравитационная постоянная G определяет интенсивность гравитации, силу, которая притягивает Землю на ее орбите вокруг Солнца или…

Физика
16 июля 2022 г.

Физики Массачусетского технологического института используют квантовое «обращение времени» для обнаружения гравитационных волн и темной материи

Новый метод измерения вибрирующих атомов может повысить точность атомных часов и квантовых датчиков для обнаружения темной материи или гравитационных волн….

Космос
24 июня 2022 г.

Поиск космических рентгеновских указателей неуловимых непрерывных гравитационных волн

За последние несколько лет астрономы достигли невероятной вехи: обнаружение гравитационных волн, исчезающей слабой ряби в ткани космоса и…

Космос
22 июня 2022 г.

Гравитационно-волновые события с двойной идентичностью

Глубокое продолжение GW151226 — обычная двойная система или слияние с низким отношением масс? Теперь, когда мы обнаружили гравитационные волны (ГВ), мы хотели бы улучшить…

Космос
11 июня 2022 г.

Астрофизики предсказывают силу гравитационных волн от слияния сверхмассивных черных дыр

Гравитационные волны — это рябь в искривлении пространства-времени, вызванная ускоренными массами, которые распространяются как волны со скоростью света от их…

Пробел
31 мая 2022 г.

Новый лазерный прорыв для гравитационных волн проверит фундаментальные пределы общей теории относительности

Новый лазерный прорыв поможет лучше понять гравитационные волны. Ученые создали экспериментальную установку нового лазерного датчика собственных мод, который предлагает более…

Космос
21 мая 2022 г.

Массивные звезды играют решающую роль в формировании своего окружения: как складываются симуляционные модели?

Менее одного процента звезд в галактике образуются с массами, превышающими десять масс Солнца. Несмотря на свою редкость, считается, что массивные звезды…

Космос
10 мая 2022 г.

Ученые, занимающиеся гравитационными волнами, разработали новый датчик режима лазера с беспрецедентной точностью

Лазеры поддерживают определенные структуры света, известные как «собственные моды». Международное сотрудничество экспертов по гравитационным волнам, метаповерхностям и фотонике привело к открытию нового метода…

Пробел
3 мая 2022 г.

Исследование природы темной материи с помощью гравитационных волн

Одной из самых больших загадок современной космологии является существование темной материи, которая составляет большую часть материи во Вселенной. Последние исследования…

Космос
22 апреля 2022 г.

Столкновения звезд питают массивные черные дыры: загадочное происхождение гравитационной волны 190521

Моделирование показывает, как столкновения звезд питают массивные черные дыры Новая модель проливает свет на загадочное происхождение гравитационной волны 190521. Трудно предсказать…

Космос
17 апреля 2022 г.

Охота на гравитационные волны Предыстория: FERMI НАСА ищет рябь в пространстве-времени

Спутник НАСА FERMI охотится за сверхдлинноволновыми гравитационно-волновыми сигналами Слияние сверхмассивных черных дыр в центрах сливающихся галактик заполняет Вселенную низкочастотный гравитационный…

Космос
10 апреля 2022 г.

Экзотическое поведение черной дыры: 10 новых гравитационных волн, обнаруженных в данных O3a LIGO-Virgo

Находка намекает на экзотическое поведение черных дыр. За последние семь лет ученые из коллаборации LIGO-Virgo (LVC) обнаружили 90 сигналов гравитационных волн…

Наука
6 апреля 2022 г.

Непрерывные гравитационные волны в лаборатории

Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени, создаваемая удаленными астрономическими объектами и обнаруживаемая большими сложными детекторами (такими как LIGO, Virgo и KAGRA). Поиск сигналов гравитационных волн в…

Пробел
5 апреля 2022 г.

Новый алгоритм поиска может стать квантовым скачком в обнаружении гравитационных волн

Новый метод идентификации сигналов гравитационных волн с использованием квантовых вычислений может стать ценным новым инструментом для будущих астрофизиков. Команда из Университета…

Космос
27 марта 2022 г.

Астрономия и астрофизика 101: Гравитационные волны

Что такое гравитационные волны? Гравитационные волны — это искажения пространства-времени, возникающие в результате движения объектов с массой. Гравитационные волны концептуально непросты,…

Пробел
19 марта 2022 г.

Необычайное космическое столкновение: разворачивающаяся история Килоновой, рассказанная в рентгеновских лучах

Рентгеновская обсерватория НАСА «Чандра» продолжает изучать GW170817, слияние нейтронных звезд, которое породило гравитационные волны. Многие телескопы видели разные виды света после…

Гравитационные волны продолжают поражать

Когда Галилео Галилей впервые навел небольшой телескоп на небо в 1609 году, он начал революцию в астрономии. Сегодня огромные телескопы и радиотарелки рассказывают нам о Вселенной. Но они не могут напрямую исследовать невидимые резко искривленные области пространства-времени, называемые черными дырами, или найти до сих пор не обнаруженные невидимые туннели сквозь пространство-время, называемые червоточинами, теоретически обеспечивающие мгновенный космический перенос и, возможно, путешествие во времени.

Однако теперь мы обнаружили гравитационные волны, колебания в пространстве-времени, которые могут напрямую выявить черные дыры и червоточины по тому, как они колеблют ткань вселенной. Райнер Вайс из Массачусетского технологического института, который вместе с Барри Бэришем и Кипом Торном из Калифорнийского технологического института получил Нобелевскую премию 2017 года за это открытие, говорит Nautilus , что астрономические исследования после первоначального наблюдения «принесли столько научных открытий, что это невероятно».

Эйнштейн предсказал гравитационные волны в 1916 после разработки общей теории относительности, его теории гравитации, которая рассматривает гравитацию не как силу, а как результат искривления пространства-времени. Он показал, что ускоряющаяся масса будет генерировать гравитационные волны, движущиеся со скоростью света, аналогичные электромагнитным волнам, создаваемым ускоряющими электрическими зарядами, но отличающиеся от них. Сам Эйнштейн не был уверен, будут ли они когда-либо обнаружены, но он полностью осознавал их важность, поскольку они потенциально могут дать прямое экспериментальное подтверждение его взгляда на пространство-время как на основную космическую ткань.

4 МИЛЛИОНА СОЛНЦЕ: Сверхмассивная черная дыра в нашем Млечном Пути, Стрелец A*, заснятая в этом году командой телескопов, имеет массу 4 миллионов солнц. Светящееся кольцо окружает газ, нагретый по мере того, как черная дыра втягивает его внутрь. Фото НАСА.

Эйнштейн задавался вопросом об открытии гравитационных волн, потому что они чрезвычайно слабы, слишком слабы, чтобы их можно было обнаружить, если только они не исходят от массивных тел, находящихся в быстром движении. К счастью, этим критериям удовлетворяют черные дыры при столкновении. Гравитационные волны были наконец обнаружены 14 сентября 2015 года двумя отдельными установками LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) в Соединенных Штатах. ¹ Каждая состоит из двух ветвей, каждая длиной 4 километра, образующих L-образную форму. Лазерные лучи, отражаясь между зеркалами, пересекают ноги и встречаются в углу буквы L, где их интерференционная картина реагирует на крошечные пространственные изменения, когда гравитационная волна проносится мимо.

Это первое наблюдение было сделано двумя черными дырами, в 36 и 29 раз массивнее нашего Солнца, когда их взаимное гравитационное притяжение отправило их по спирали друг в друга, достигнув скорости, равной половине скорости света, непосредственно перед столкновением. LIGO обнаружил возникающую кратковременную гравитационную волну как сигнал, точно соответствующий предсказанию общей теории относительности. Это прямое свидетельство гравитационных волн также впервые показало, что две черные дыры могут сливаться; в данном случае в черную дыру массой 62 солнечных.

LIGO проявила замечательную чувствительность при регистрации этого события, реагируя на искажения в пространстве, которые изменили 4-километровое расстояние между зеркалами меньше, чем диаметр протона. Этот подвиг положил начало астрономической программе LIGO под эгидой Калифорнийского технологического института и Массачусетского технологического института и в сотрудничестве с обсерваторией гравитационных волн Virgo в Италии, к которой в 2020 году присоединилась обсерватория KAGRA в Японии. К 2021 году консорциум наблюдал 90 событий гравитационных волн. Столетия астрономии электромагнитных волн создали каталоги звезд и галактик, которые классифицируют их по их фундаментальным свойствам. Теперь гравитационно-волновая астрономия делает то же самое для черных дыр и их двоюродных братьев, нейтронных звезд, плотных объектов, которые могут образовываться на пути к образованию черной дыры.

Большинство наблюдаемых до сих пор событий представляют собой слияния двух черных дыр в диапазоне масс. Согласно теории относительности, черная дыра определяется всего тремя основными свойствами. Каждая черная дыра имеет массу, хотя данная черная дыра может также вращаться в пространстве или нести электрический заряд, а может и не вращаться. Соответственно, астрофизики создали первую таксономию черных дыр по массе. Три его категории были определены косвенно до появления гравитационно-волновой астрономии путем наблюдения за гравитационным притяжением черных дыр к ближайшим звездам или к пыли и газу.

Первая категория — это черные дыры звездной массы, возникшие в результате нормальной эволюции звезд, более массивных, чем наше Солнце. Как и у всех звезд, их ядерное топливо поддерживает их стабильность, поскольку оно создает внешнее давление, противодействующее внутреннему притяжению гравитации. Но когда топливо кончается, начинает править гравитация, конденсируя звездный материал в ядро. Если ядро содержит от одной до трех масс Солнца, сжатие продолжается до тех пор, пока протоны и электроны в атомах не сольются в нейтроны, образуя нейтронную звезду диаметром всего 10-20 километров. Если масса ядра превышает три солнечные массы, сжатие никогда не прекращается. Он вызывает колоссальный взрыв сверхновой, а затем сжимает оставшееся ядро в бесконечно малый объем. Это звездная черная дыра, содержащая до 100 солнечных масс в зависимости от свойств исходной звезды.

Астрономия с момента первого наблюдения гравитационных волн «произвела так много науки, что это невероятно».

Вторая категория включает сверхмассивные черные дыры с массой от 100 000 до миллиардов солнечных масс, которые, как считается, находятся в центрах большинства галактик. Сверхмассивная черная дыра в нашем собственном Млечном Пути имеет массу 4 миллионов солнц (она и еще одна сверхмассивная черная дыра в галактике Мессье 87 были только что «сфотографированы» группой телескопов, показывая свечение, которое черные дыры производят в окружающей среде). газ). В некоторых чрезвычайно далеких и, следовательно, сравнительно молодых галактиках сверхмассивные черные дыры проявляются как квазары, называемые «квазизвездными радиоисточниками», когда их впервые увидели в 19 веке.62. Теперь мы знаем, что это сверхмассивные черные дыры, втягивающие и нагревающие окружающую материю, пока ее свечение не станет видно за миллиарды световых лет. Центральное положение и распространенность сверхмассивных черных дыр в галактиках, особенно молодых, предполагает, что они являются неотъемлемой частью галактического рождения и развития. Это еще предстоит изучить вместе с процессом, который делает их такими массивными.

Огромная разница в массе между звездными черными дырами и сверхмассивными черными дырами привела к поиску черных дыр с массами от 100 до 100 000 масс Солнца. Есть некоторые косвенные доказательства того, что они существуют, что определяет третью категорию черных дыр промежуточной массы, но их было обнаружено немного, а процесс их формирования неизвестен.

Результаты гравитационных волн на данный момент исследуют или имеют последствия для всех трех категорий. Многие открытия основаны на последних результатах, опубликованных в 2021 году. Из 35 зарегистрированных гравитационных событий 32 представляют собой слияния пар черных дыр звездной массы от 10 до 90 масс Солнца, что указывает на распространенность и широкий спектр этой категории. Примечательно, что некоторые слияния образовали черные дыры с массой более 100 солнечных. Самое надежное из этих наблюдений, обозначенное как GW190521, показало столкновение двух черных дыр массой 85 и 66 масс Солнца, в результате чего образовалась черная дыра массой 142 массы Солнца, первое прямое свидетельство образования черной дыры промежуточной массы. Теоретики предполагают, что слияния промежуточных черных дыр внутри галактик могут способствовать росту сверхмассивных черных дыр и галактическому развитию.

Гравитационно-волновая астрономия может также выявить четвертую, спекулятивную категорию черных дыр — первичные черные дыры, которые, как предполагается, образовались вскоре после Большого взрыва, когда флуктуации в распределении материи могли создать сверхплотные области. Возможно, первичные черные дыры посеяли сверхмассивные черные дыры и, таким образом, могли иметь решающее значение для формирования галактик и космической структуры. Уже одно это мотивировало бы их поиски, но есть и другая причина. Если какие-то первичные черные дыры дожили до наших дней, они могли бы ответить на самый большой открытый вопрос в физике и астрофизике: какова природа темной материи, которую нельзя наблюдать с помощью обычной астрономии? Пока мы не поймем эту неизвестную субстанцию, составляющую 85 процентов всей материи, у нас будет неполное представление о Вселенной. Но до сих пор никто не нашел подходящих новых видов элементарных частиц, объясняющих существование темной материи. Возможными кандидатами являются первичные черные дыры.

В ходе одного из первых поисков первичных черных дыр с помощью LIGO/Virgo были обнаружены черные дыры с массой в одну солнечную или меньше, крошечный размер, который, согласно некоторым теориям, мог образоваться в ранней Вселенной. Ничего не было найдено, но в двух недавних работах предполагается, что другие данные о гравитационных волнах могут уже указывать на первичные черные дыры. В одной статье отмечалось, что при определенных теоретических предположениях черные дыры в событии слияния GW190521 могут иметь исконное, а не звездное происхождение. ² Исходя из этого, вторая статья предположила, что статистический анализ данных LIGO/Virgo может показать, что первичные черные дыры уже вносят свой вклад в наблюдения гравитационных волн. ³ Авторы признают, что истинное подтверждение этой «заманчивой возможности» потребует более совершенных теорий и, наконец, проверки наблюдениями. Обнаружение первичных черных дыр станет большим триумфом гравитационно-волновой астрономии и прорывом в космологии, особенно если они связаны с темной материей.

Помимо новых знаний о черных дырах, два из 35 наблюдений гравитационных волн, зарегистрированных в 2021 году, представляют собой невиданное ранее космическое событие — слияние черной дыры и нейтронной звезды. Ранее, в 2017 году, LIGO/Virgo провела первое наблюдение двух сталкивающихся нейтронных звезд. Оба типа взаимодействий расскажут больше об этих плотных звездах, но, по словам Вайса, «то, что вызвало наибольший резонанс, — это столкновение нейтронных звезд». Это было первое событие, которое когда-либо отслеживалось как методами гравитационных волн, так и методами электромагнитных волн, известными как астрономия с несколькими посланниками, что дало богатый набор результатов.

Например, одни только данные LIGO/Virgo могли поместить столкновение только в созвездие Гидры, но когда обсерватории электромагнитных волн по всему миру изучили свет, исходящий от образовавшегося взрыва, событие было более точно помещено около галактики под названием NGC 4993. Двойной анализ также показал, что в результате столкновения образовались химические элементы тяжелее железа, такие как золото и платина, что позволило лучше понять процесс, посредством которого звезды производят тяжелые элементы. В-третьих, почти одновременное появление гравитационных и электромагнитных волн из одного и того же источника на расстоянии 130 миллионов световых лет окончательно подтвердило предсказание Эйнштейна о том, что гравитационные волны распространяются со скоростью света. Наконец, анализ с несколькими вестниками также предоставил новый способ измерения постоянной Хаббла, важнейшего параметра, который описывает, насколько быстро расширяется Вселенная и фигурирует во всех космологических теориях.

Может ли огромная масса в центре Млечного Пути быть концом червоточины, а не черной дырой?

Астрономия с несколькими мессенджерами предлагает и другие возможности, такие как исследование вращающихся нейтронных звезд, называемых пульсарами. Их можно обнаружить, потому что они испускают лучи электромагнитных волн, которые приходят через равные промежутки времени, когда они проносятся по Земле, как луч маяка. Если нейтронная звезда асимметрична, она также будет излучать гравитационные волны при вращении, что даст дополнительные сведения о сверхплотной структуре звезды. В 2021 году LIGO/Virgo использовала методы электромагнитных волн и гравитационных волн для выбора и исследования 18 пульсаров. ⁴ Гравитационные волны не обнаружены, но планируется новый сеанс наблюдений с более высокой чувствительностью.

Еще один особенно экзотический проект с несколькими мессенджерами также потребует более высокой чувствительности. Это навеяно предположением, что огромная масса в центре Млечного Пути — это не сверхмассивная черная дыра, а один конец червоточины. Некоторые исследователи предполагают, что сверхточные измерения электромагнитных волн звезд, вращающихся вокруг галактического центра, могут отличить сверхмассивную черную дыру от червоточины; другие считают, что данные о гравитационных волнах могут сделать различие. Теоретик Орельен Хис из Парижской обсерватории, который работал с измерениями звездных орбит, обнаружившими 4 миллиона солнечных масс в нашем галактическом центре, считает, что ни одна из форм астрономии пока не является достаточно точной. Но, добавляет он, телескопы электромагнитных волн следующего поколения и детекторы гравитационных волн могут вместе исследовать эту интригующую возможность.

В астрономии электромагнитных волн «следующее поколение» означает телескопы с еще большими зеркалами или радиотарелками, чтобы лучше собирать тусклый свет из далекой вселенной. В гравитационно-волновой астрономии «следующее поколение» означает все более длинные детекторы. Пространственное изменение длины, регистрируемое лазерным интерферометром, пропорционально расстоянию между зеркалами интерферометра: чем больше расстояние, тем чувствительнее детектор (на чувствительность влияет и множество других факторов). Также, как и любая волна, гравитационная волна имеет частоту, которая тем меньше, чем больше зародившаяся масса, и зависит от того, как она движется. Детектор с широким частотным диапазоном может регистрировать более разнообразные типы гравитационно-волновых явлений.

Этими принципами руководствуются при планировании усовершенствованных обсерваторий гравитационных волн, таких как космическая антенна лазерного интерферометра (LISA), предложенная Европейским космическим агентством. ⁵ Три орбитальных корабля с лазерами и зеркалами образуют сверхчувствительный треугольный интерферометр с опорами длиной 2,5 миллиона километров. Вдали от земных источников измерительного шума LISA может обнаруживать частоты гравитационных волн намного ниже 1 Гц, что позволяет проводить новые исследования сверхмассивных черных дыр. LISA не будет запущена до 2037 года, но наземные обновления могут появиться раньше. Европейские ученые предлагают телескоп Эйнштейна, треугольный интерферометр с тремя 10-километровыми рукавами, а ученые США предлагают космический исследователь. Он будет следовать конструкции LIGO «L» с рукавами длиной 40 километров, что даст номинальное десятикратное увеличение чувствительности с другими улучшениями производительности.

Вайс помогает разработать это более крупное устройство. Он сказал мне, что это давно было его мечтой, но первоначальное финансирование LIGO Национальным научным фондом (NSF) в 1990-х годах шло только на 4-километровые руки. Космический исследователь поведет гравитационно-волновую астрономию к тому, что Вайс считает следующей большой областью для освещения гравитационными волнами, что лично его восхищает: космологические вопросы о ранней Вселенной, такие как существование первичных черных дыр, их связи с темной материей и более близкие вопросы. смотрит на то, как Вселенная расширялась и как звезды и галактики были созданы на основе гравитационных волн, которые генерируют эти процессы. Новые измерения также продолжат проверять теорию Эйнштейна с еще большей точностью, но в этом Вайс не ожидает никаких сюрпризов. Поскольку общая теория относительности до сих пор прошла все экспериментальные проверки, Вайс говорит, что он по-прежнему «ставит деньги на Эйнштейна».

По мере создания новых гравитационных инструментов результатом станет группа обсерваторий гравитационных волн, работающих в различных частотных диапазонах, подобно тому, как обычные обсерватории изучают электромагнитные волны различных частот от гамма-лучей до радиоволн. Эта спектральная широта дает астрономии электромагнитных волн широкое окно во Вселенную. Спустя семь лет в режиме гравитационно-волновой астрономии открывается широкое гравитационное окно, чтобы дать уникальный, но дополняющий взгляд на космос. Мы с трудом можем себе представить, какие чудеса откроет это двойное видение.

Сидни Перковиц — почетный профессор физики Университета Эмори. Его последние книги: Физика: очень краткое введение , Настоящие ученые не носят галстуков и только что выпущенная Научные зарисовки: Вселенная под разными углами .

Главное изображение: Юрик Питер / Shutterstock

Ссылки

1. Abbott, B.P., et al. Наблюдение гравитационных волн от слияния двойной черной дыры. Physical Review Letters 116 , 061102 (2016).

2. Де Лука В., Дежак В., Франчолини Г., Пани П. и Риотто А. Событие массового разрыва GW190521 и сценарий первичной черной дыры.