Обнаружены гравитационные волны: Гравитационные волны обнаружены

Нобелевская премия по физике присуждена за гравитационные волны

Нобелевская премия 2017 года по физике присуждена создателям международной коллаборации LIGO, благодаря которым были обнаружены первые гравитационные волны. О значимости открытия «Газете.Ru» рассказал профессор МГУ Михаил Городецкий.

Нобелевская премия по физике за 2017 год была вручена создателям международной коллаборации LIGO, благодаря которым были обнаружены первые гравитационные волны – физикам Райнеру Вайссу, Барри Баришу и Кипу Торну. Половина от суммы награды досталась Вайссу, Бариш и Торн получили по четверти.

«Безусловно, очень заслуженная Нобелевская премия. По сравнению с премиями последних лет — одна из самых заслуженных премий, потому что это фундаментальное открытие, которого ждали 100 лет после того как Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн. Получившие премию ученые внесли определяющий вклад в построение и создание гравитационной антенны в свое время, — прокомментировал «Газете. Ru» вручение премии российский физик, профессор МГУ Михаил Городецкий. —

В проекте LIGO участвует очень много стран, много коллективов из разных институтов, и Россия в том числе. В России две научные группы: одна в МГУ, другая в Нижегородском институте прикладной физики. То есть, и российские ученые внесли свой вклад в это открытие. Это действительно работа века».

Гравитационные волны — изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Их существование предполагали многие ученые, в том числе — Альберт Эйнштейн. Впервые об обнаружении таких волн сообщил в 1969 году американский физик Джозеф Вебер, основатель гравитационно-волновой астрономии. По его словам, ему удалось поймать их при помощи резонансного детектора — механической гравитационной антенны.

Хотя ни один из дальнейших опытов не подтвердил сообщение Вебера, оно вызвало бурный рост работ в этом направлении во многих странах.

В числе экспериментаторов оказался и Райнер Вайсс.

Впервые гравитационные волны были обнаружены 14 сентября 2015 года на установках LIGO — лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории. Сигнал исходил от слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечных масс на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли. За доли секунды примерно три солнечные массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной.

Об открытии ученые сообщили 11 февраля 2016 года, оно было сделано во время инженерного цикла работы оборудования (калибровочных работ). Это значит, что обнаружение гравитационных волн произошло до начала научного запуска.

А в июне 2016 года стало известно и о втором случае регистрации гравитационных волн, они были обнаружены сразу двумя детекторами LIGO 26 декабря 2015 года.

В отличие от сигнала, зарегистрированного при первом детектировании гравитационных волн, который был ясно виден на фоне шума, второй сигнал оказался слабее и не просматривался явно. Проанализировав характер мельчайших колебаний пробных масс детекторов, ученые сделали вывод,

что обнаруженные гравитационные волны опять были порождены двумя черными дырами, на этот раз более легкими — массами в 14 и 8 масс Солнца.

Если первое обнаружение гравитационных волн подтвердило предсказание общей теории относительности Альберта Эйнштейна, сделанное в 1915 году, то регистрация двух сигналов в течение четырех месяцев первого цикла наблюдений детекторов Advanced LIGO позволит предсказывать, насколько часто будут обнаруживаться сигналы гравитационных волн в будущем.

Проект LIGO был основан в 1992 году, а наблюдения обсерватория начала в 2002-м.

«Кип Торн из Калтеха и Райнер Вайсс из Массачусетского Технологического института организовали консорциум двух крупнейших вузов в США, получили финансирование Национального научного фонда США. Через какое-то время, когда стало понятно, что даже США не сможет потянуть такой проект, произошло объединение международных усилий», — пояснил Городецкий.

Сегодня в коллаборацию входит более тысячи ученых из университетов 15 стран. Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова и группой Института прикладной физики РАН в Нижний Новгороде.

Основателем московской группы LIGO был российский физик Владимир Брагинский, скончавшийся в марте 2016 года.

С самого начала основные усилия были направлены на повышение чувствительности гравитационно-волновых детекторов, определение фундаментальных квантовых и термодинамических ограничений чувствительности, на разработку новых методов измерений. Теоретические и экспериментальные исследования российских ученых нашли воплощение при создании детекторов, позволивших непосредственно наблюдать гравитационные волны от слияния двух черных дыр.

В настоящее время коллектив научной группы Московского университета активно участвует в разработке гравитационно-волновых детекторов следующего поколения, которые придут на смену нынешним детекторам и обеспечат значительное увеличение их чувствительности, что позволит практически ежедневно обнаруживать гравитационно-волновые сигналы.

Вайсс, Торн и Бариш считались одними из главных претендентов на Нобелевскую премию еще в прошлом году, но слишком поздно заявили об открытии – Нобелевский комитет принимает заявки только до 31 января.

Ранее наиболее вероятными претендентами на Нобелевскую премию по физике назывались Митчелл Фейгенбаум за открытия в области нелинейных и хаотических систем, российский астрофизик Рашид Сюняев за глубокий вклад в понимание Вселенной и Фаэдон Аворис, Пол Макюэн и Корнелис Деккер, которые сделали значительный вклад в исследования углеродных нанотрубок, графена, графеновых нанолент и их использования в электронике.

В 2016 году лауреатами Нобелевской премии стали ученые Джеймс Таулес из Университета Вашингтона, Фредерик Халдейн из Принстона и Джон Костерлиц из Университета Брауна за развитие науки о топологических фазовых переходах.

Гравитационные волны обнаружены на Земле!

Участники научного эксперимента LIGO, в котором участвуют и российские физики, объявили о регистрации американскими обсерваториями гравитационных волн, порожденных столкновением двух черных дыр.

Гравитационные волны были зафиксированы 14 сентября 2015 года, о чем было сообщено 11 февраля 2016 года на специальной пресс-конференции представителей LIGO в Вашингтоне. Полгода потребовалось ученым на обработку и проверку полученных результатов. Это можно считать официальным открытием гравитационных волн, поскольку впервые произведена их непосредственная регистрация на Земле. Результаты работы опубликованы в в журнале Physical Review Letters. 

Физики МГУ на пресс-конференции. Фото Максима Абаева.

Схема интерферометров и их местоположение на схематической карте США. Пробные массы-зеркала на рисунке названы Test Mass.

Пробные массы, они же зеркала интерферометра, из плавленого кварца. Фото: www.ligo.caltech.edu

Численное моделирование гравитационных волн от сближающихся черных дыр. Рисунок: Physical Review Letters http://physics.aps.org/articles/v9/17

Обсерватория LIGO вблизи Ливингстона (штат Луизиана). Фото: www.ligo.caltech.edu

‹

›

Открыть в полном размере

Таким образом, решена одна из важнейших задач, стоявших перед физиками на протяжении последних 100  лет. Существование гравитационных волн предсказано разработанной в 1915-1916 годах Альбертом Эйнштейном общей теории относительности (ОТО) – основополагающей физической теорией, описывающей устройство и эволюцию нашего мира. ОТО, по сути, это теория гравитации, устанавливающая ее связь со свойствами пространства-времени. Массивные тела производят в нем изменения, которые принято называть искривлением пространства-времени. Если эти тела движутся с переменным ускорением, то возникают распространяющиеся изменения пространства-времени, которые получили название гравитационных волн.

Проблема их регистрации заключается в том, что гравитационные волны очень слабые, и их обнаружение от какого-либо земного источника практически невозможно. За долгие годы не удалось их обнаружить и от большинства космических объектов. Надежды оставались только на гравитационные волны от крупных космических катастроф подобных вспышкам сверхновых, столкновениям нейтронных звезд или черных дыр. Эти надежды оправдались. В данной работе обнаружены гравитационные волны именно от слияния двух черных дыр.

Для обнаружения гравитационных волн в 1992 году пыл предложен грандиозный проект, получивший название LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория).  Технология для него разрабатывалась почти двадцать лет. А реализовали его два крупнейших научных центра США – Калифорнийский и Массачусетский технологические институты. В общий же научный коллектив – коллаборацию LIGO входят около 1000 ученых из 16 стран. Россию в нем представляют Московский государственный университет и  Институт прикладной физики РАН (Нижний Новгород)

В состав LIGO входят обсерватории в штатах Вашингтон и Луизиана, расположенные на расстоянии 3000 км, представляющие из себя Г-образный интерферометр Майкельсона с двумя плечами длиной 4 км.  Лазерный луч, пройдя через систему зеркал, разделяется на два луча, каждый из которых распространяется в своем плече. Они отражаются от зеркал и возвращаются назад. Затем эти две световые волны, прошедшие разными путями складываются в детекторе. Изначально система настроена так, чтобы волны гасили друг друга, и на детектор ничего не попадало. Гравитационные волны изменяют расстояния между пробными массами, которые одновременно служат зеркалами интерферометра , что приводит к тому, что сумма волн уже не равна нулю и интенсивность сигнала на фотодетекторе будет пропорциональна этим изменениям. По этому сигналу и регистрируют гравитационную волну.

Первый, начальный, этап измерений прошел в 2002-2010 годах и не позволил обнаружить гравитационных волн. Не хватило чувствительности устройств (отслеживались сдвиги до 4×10^-18 м). Тогда было решено в 2010 году остановить работу, и произвести модернизацию оборудования, повысив чувствительность более, чем в 10 раз. Начавшее работу во второй половине 2015 года усовершенствованное оборудование стало способно заметить  сдвиг на рекордные 10^-19 м. И уже на тестовом прогоне ученых ждало открытие, они зафиксировали гравитационный всплеск от события, которое после длительного исследования было опознано, как слияние двух черных дыр с массами в 29 и 36 масс Солнца.

Одновременно с Вашингтоном пресс-конференция проводилась и в Москве. На ней участники эксперимента, представляющие физический факультет МГУ рассказали и своем вкладе в его осуществление. Группа В.Б.Брагинского участвовала в работе с самого начала проекта. Физики МГУ обеспечивали сборку сложной конструкции, которую представляют собой зеркала интерферометра, служащие одновременно пробными массами. 

Помимо этого в их задачи входила борьба с посторонними колебаниями (шумами), которые могли помешать обнаружить гравитационные волны. Именно специалисты МГУ доказали, что устройство надо изготавливать из плавленого кварца, который при рабочих температурах будет шуметь меньше, чем сапфир, предлагаемый другими исследователями. В частности для  снижения тепловых шумов необходимо было добиться, чтобы колебания пробных масс, подвешенных как маятники, не затухали очень долго. Физики МГУ добились времени затухания 5 лет!  

Успех проведённых измерений даст начало новой гравитационно-волновой астрономии и позволит узнать много нового о Вселенной. Возможно, физики смогут разгадать некоторые загадки темной материи и ранних этапов развития Вселенной, а также заглянуть в области, где  нарушается ОТО.

По материалам пресс-конференции коллаборации LIGO.

Ученые объявили об обнаружении гравитационных волн

11 февраля 2016

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Группа ученых из нескольких стран, работающих в составе международного проекта LIGO Scientific Collaboration, заявляют, что при помощи нескольких обсерваторий-детекторов им удалось зафиксировать в лабораторных условиях гравитационные волны.

Они занимаются анализом данных, поступающих с двух лазерно-интерферометрических гравитационно-волновых обсерваторий (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — LIGO), расположенных в штатах Луизиана и Вашингтон в США.

Как говорилось на пресс-конференции проекта LIGO,гравитационные волны были зарегистрированы 14 сентября 2015 года сначала на одной обсерватории, а затем через 7 миллисекунд на другой.

На основе анализа полученных данных, которым занимались ученые из многих стран, в том числе и из России, было установлено, что гравитационная волна была вызвана столкновением двух черных дыр массой в 29 и 36 раз больше массы Солнца. После этого они слились в одну большую черную дыру.

Это произошло предположительно 1,3 миллиарда лет назад. Сигнал пришел к Земле со стороны созвездия Магелланово облако.

Автор фото, AFP

Русская служба Би-би-си обратилась к российскому эксперту с просьбой объяснить, что такое гравитационные волны и почему так важно их измерять.

____________________________________________________________________

Сергей Попов, астрофизик Государственного астрономического института Штернберга МГУ

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Подкаст

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

эпизоды

Конец истории Подкаст

Современные теории гравитации — это геометрические теории гравитации, более-менее все, начиная с теории относительности.

Геометрические свойства пространства влияют на движение тел или таких объектов как световой луч.

И наоборот — распределение энергии (это то же, что и масса в пространстве) влияет на геометрические свойства пространства.

Это очень здорово, потому что это просто визуализировать — вся эта разлинованная в клеточку эластичная плоскость имеет под собой некий физический смысл, хотя, разумеется не так все буквально.

Физики используют слово «метрика». Метрика — это то, что описывает геометрические свойства пространства.

И вот у нас с ускорением движутся тела. Самое простое — вращается огурец. Важно, чтобы это был, например, не шарик и не сплюснутый диск.

Легко себе представить, что когда такой огурец крутится на эластичной плоскости, от него побежит рябь. Представьте себе, что вы стоите где-то, и огурец то одним концом к вам повернется, то другим. Он по-разному влияет на пространство и время, бежит гравитационная волна.

Итак, гравитационная волна — это рябь, бегущая по метрике пространства-времени.

Бусы в космосе

Это фундаментальное свойство наших базовых представлений о том, как устроена гравитация, и люди сто лет хотят это проверить.

Хотят убедиться в том, что эффект есть и что он виден в лаборатории. В природе это увидели уже около трех десятков лет назад.

Как в быту должны проявлять себя гравитационные волны?

Проще всего это проиллюстрировать так: если бросить в космосе бусы, чтобы они легли кружком, и когда гравитационная волна будет проходить перпендикулярно их плоскости, то они начнут превращаться в эллипс, сжатый то в одну сторону, то в другую.

Дело в том, что пространство вокруг них будет возмущено, и они будут это чувствовать.

«Г» на Земле

Примерно такую штуку люди и делают, только не в космосе, а на Земле.

На расстоянии четырех километров друг от друга висят зеркала в виде буквы «г» [имеются в виду американские обсерватории LIGO].

Бегают лазерные лучи — это интерферометр, хорошо понятная вещь. Современные технологии позволяют измерить фантастически малый эффект.

Я до сих пор не то чтобы не верю, я верю, но просто в голове не укладывается — смещение зеркал, висящих на расстоянии четырех километров друг от друга составляет меньше, чем размер атомного ядра.

Это мало даже по сравнению с длиной волны этого лазера. В этом и была загвоздка: гравитация — самое слабое взаимодействие, и поэтому смещения очень маленькие.

Понадобилось очень много времени, люди пытались это делать с 1970-х годов, потратили жизнь на поиски гравитационных волн.

И сейчас только технические возможности позволяют получить регистрацию гравитационной волны в лабораторных условиях, то есть вот она тут пришла, и зеркала сместились.

Направление

В течение года если все будет хорошо, то в мире будут работать уже три детектора.

Три детектора — это очень важно, потому что вот эти штуки очень плохо определяют направление сигнала. Примерно так же как и мы на слух плохо определяем направление источника. «Звук откуда-то справа» — эти детекторы примерно так чувствуют.

Но если стоят поодаль друг от друга три человека, и один слышит звук справа, другой слева, а третий сзади, то мы очень точно можем определить направление звука.

Чем больше будет детекторов, чем больше они будут разбросаны по земному шару, тем точнее мы сможем определить направление на источник, и тогда начнется астрономия.

Ведь конечная задача не только подтвердить общую теорию относительности, но и получить новое астрономическое знание.

Вот представьте, что есть черная дыра весом в десять масс Солнца. И она сталкивается с другой черной дырой весом в десять масс Солнца. Столкновение происходит на скорости света.

Энергии прорва. Это правда. Ее фантастически много. И ее никак не… Это только рябь пространства и времени.

Я бы сказал, что детектирование слияния двух черных дыр на долгое время станет самым надежным подтверждением того, что черные дыры — это примерно такие черные дыры, о которых мы думаем.

Новости | Гравитационные волны обнаружены через 100 лет после предсказания Эйнштейна | LIGO Lab

См. также: LIGO Hanford Press Release

LIGO открывает новое окно во Вселенную с помощью наблюдения гравитационных волн от сталкивающихся черных дыр

WASHINGTON, DC/Cascina, Italy

Ученые впервые наблюдали рябь в ткани пространства-времени, называемая гравитационными волнами, прибывает на землю в результате катастрофического события в далекой вселенной. Это подтверждает главное предсказание Альберта Эйнштейна 19 лет назад.15 общей теории относительности и открывает беспрецедентное новое окно в космос.

Гравитационные волны несут информацию о своем драматическом происхождении и о природе гравитации, которую нельзя получить иначе. Физики пришли к выводу, что обнаруженные гравитационные волны были созданы во время последней доли секунды слияния двух черных дыр с образованием одной, более массивной вращающейся черной дыры. Это столкновение двух черных дыр было предсказано, но никогда не наблюдалось.

Гравитационные волны были обнаружены 14 сентября 2015 г. в 5:51 утра по восточному летнему времени (09:51 UTC) двумя детекторами лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), расположенными в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде. , Вашингтон, США. Обсерватории LIGO финансируются Национальным научным фондом (NSF) и были задуманы, построены и эксплуатируются Калифорнийским технологическим институтом и Массачусетским технологическим институтом. Открытие, принятое для публикации в журнале Physical Review Letters, было сделано научной коллаборацией LIGO (в которую входят коллаборация GEO и Австралийский консорциум интерферометрической гравитационной астрономии) и коллаборацией Virgo с использованием данных двух детекторов LIGO.

Основываясь на наблюдаемых сигналах, ученые LIGO подсчитали, что черные дыры для этого события были примерно в 29 и 36 раз больше массы Солнца, и событие произошло 1,3 миллиарда лет назад. Примерно в 3 раза больше массы Солнца было преобразовано в гравитационные волны за долю секунды — с пиковой выходной мощностью примерно в 50 раз больше, чем у всей видимой Вселенной. Глядя на время прибытия сигналов — детектор в Ливингстоне зафиксировал событие на 7 миллисекунд раньше детектора в Хэнфорде — ученые могут сказать, что источник находился в Южном полушарии.

Согласно общей теории относительности, пара черных дыр, вращающихся вокруг друг друга, теряет энергию из-за излучения гравитационных волн, заставляя их постепенно сближаться друг с другом в течение миллиардов лет, а затем гораздо быстрее в последние минуты. В течение последней доли секунды две черные дыры сталкиваются друг с другом почти на половине скорости света и образуют единую более массивную черную дыру, преобразуя часть объединенной массы черных дыр в энергию, согласно теории Эйнштейна. формула E=mc ² . Эта энергия излучается в виде последнего сильного всплеска гравитационных волн. Именно эти гравитационные волны наблюдал LIGO.

Существование гравитационных волн было впервые продемонстрировано в 1970-х и 80-х годах Джозефом Тейлором-младшим и его коллегами. Тейлор и Рассел Халс открыли в 1974 году двойную систему, состоящую из пульсара на орбите вокруг нейтронной звезды. Тейлор и Джоэл М. Вайсберг в 1982 году обнаружили, что орбита пульсара со временем медленно сжимается из-за высвобождения энергии в виде гравитационных волн. За открытие пульсара и демонстрацию возможности именно этого измерения гравитационных волн Халс и Тейлор были удостоены Нобелевской премии по физике в 1919 году.93.

Новое открытие LIGO — это первое наблюдение самих гравитационных волн, сделанное путем измерения крошечных возмущений, которые волны вносят в пространство и время, проходя через землю.

«Наше наблюдение за гравитационными волнами реализует амбициозную цель, поставленную более 50 лет назад, — непосредственное обнаружение этого неуловимого явления и лучшее понимание Вселенной, и, соответственно, выполняет наследие Эйнштейна, приуроченное к 100-летию его общей теории относительности», — говорится в сообщении. Дэвид Х. Рейтце из Калифорнийского технологического института, исполнительный директор лаборатории LIGO.

Открытие стало возможным благодаря расширенным возможностям Advanced LIGO, значительному обновлению, которое повышает чувствительность инструментов по сравнению с детекторами LIGO первого поколения, что позволяет значительно увеличить объем исследуемой Вселенной и открыть гравитационные волны во время первого запуска наблюдения. Национальный научный фонд США лидирует в финансовой поддержке Advanced LIGO. Финансирующие организации в Германии (Общество Макса Планка), Великобритании (Совет по научно-техническим средствам, STFC) и Австралии (Австралийский исследовательский совет) также взяли на себя значительные обязательства по проекту. Несколько ключевых технологий, которые сделали Advanced LIGO намного более чувствительным, были разработаны и протестированы в сотрудничестве с немецко-британским GEO. Значительные компьютерные ресурсы были предоставлены Ганноверским атласным кластером AEI, лабораторией LIGO, Сиракузским университетом и Университетом Висконсин-Милуоки. Несколько университетов спроектировали, построили и испытали ключевые компоненты Advanced LIGO: Австралийский национальный университет, Университет Аделаиды, Университет Флориды, Стэнфордский университет, Колумбийский университет города Нью-Йорка и Университет штата Луизиана.

«В 1992 году, когда было одобрено первоначальное финансирование LIGO, это была самая крупная инвестиция, которую когда-либо делал NSF», — говорит Франс Кордова, директор NSF. «Это был большой риск. Но Национальный научный фонд — это агентство, которое берет на себя такие риски. Мы поддерживаем фундаментальную науку и инженерию на том этапе пути к открытиям, когда этот путь далеко не ясен. Мы финансируем первопроходцев. Вот почему США продолжают оставаться мировым лидером в развитии знаний».

Исследования LIGO проводятся Научной коллаборацией LIGO (LSC), группой из более 1000 ученых из университетов США и 14 других стран. Более 90 университетов и научно-исследовательских институтов в LSC разрабатывают детекторные технологии и анализируют данные; около 250 студентов являются активными участниками сотрудничества. Детекторная сеть LSC включает интерферометры LIGO и детектор GEO600. В команду GEO входят ученые из Института гравитационной физики им. Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна, AEI), Университета Лейбница в Ганновере, а также партнеры из Университета Глазго, Кардиффского университета, Бирмингемского университета, других университетов Великобритании и Университет Балеарских островов в Испании.

«Это обнаружение — начало новой эры: область гравитационно-волновой астрономии теперь стала реальностью», — говорит Габриэла Гонсалес, представитель LSC и профессор физики и астрономии в Университете штата Луизиана.

LIGO была первоначально предложена в качестве средства обнаружения этих гравитационных волн в 1980-х годах Райнером Вайсом, почетным профессором физики из Массачусетского технологического института; Кип Торн, почетный профессор теоретической физики имени Ричарда П. Фейнмана Калифорнийского технологического института; и Рональд Древер, почетный профессор физики, также из Калифорнийского технологического института.

«Описание этого наблюдения прекрасно описано в общей теории относительности Эйнштейна, сформулированной 100 лет назад, и представляет собой первую проверку теории в условиях сильной гравитации. Было бы чудесно посмотреть на лицо Эйнштейна, если бы мы могли ему это сказать», — говорит Вайс.

«С этим открытием мы, люди, приступаем к чудесному новому поиску: к исследованию искривленной стороны вселенной — объектов и явлений, созданных из искривленного пространства-времени. Сталкивающиеся черные дыры и гравитационные волны — наши первые прекрасные примеры», — говорит Торн.

Исследования Virgo проводятся коллаборацией Virgo, состоящей из более чем 250 физиков и инженеров, принадлежащих к 19 различным европейским исследовательским группам: 6 из Национального центра научных исследований (CNRS) во Франции; 8 от Национального института ядерной физики (INFN) в Италии; 2 в Нидерландах с Nikhef; РКП Вигнера в Венгрии; группа POLGRAW в Польше; и Европейская гравитационная обсерватория (EGO), лаборатория, в которой находится детектор Virgo недалеко от Пизы в Италии.

Фульвио Риччи, представитель Virgo, отмечает, что «это важная веха для физики, но, что более важно, просто начало многих новых и захватывающих астрофизических открытий, которые будут сделаны с помощью LIGO и Virgo».

Брюс Аллен, управляющий директор Института гравитационной физики имени Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна), добавляет: «Эйнштейн думал, что гравитационные волны слишком слабы, чтобы их можно было обнаружить, и не верил в существование черных дыр. Но я не думаю, что он был бы против ошибиться!

«Детекторы Advanced LIGO — это проявление силы науки и техники, которое стало возможным благодаря поистине выдающейся международной команде техников, инженеров и ученых», — говорит Дэвид Шумейкер из Массачусетского технологического института, руководитель проекта Advanced LIGO. «Мы очень гордимся тем, что завершили этот проект, финансируемый NSF, вовремя и в рамках бюджета».

В каждой обсерватории L-образный интерферометр LIGO длиной две с половиной мили (4 км) использует лазерный свет, разделенный на два луча, которые движутся вперед и назад по плечам (трубки диаметром четыре фута, находящиеся под почти идеальный вакуум). Лучи используются для контроля расстояния между зеркалами, точно расположенными на концах плеч. Согласно теории Эйнштейна, расстояние между зеркалами изменится на бесконечно малую величину, когда гравитационная волна пройдет мимо детектора. Изменение длин плеч меньше одной десятитысячной диаметра протона (10 ^-19 метров) могут быть обнаружены.

«Чтобы сделать эту фантастическую веху возможной, потребовалось глобальное сотрудничество ученых — лазерная и подвесная технология, разработанная для нашего детектора GEO600, была использована для того, чтобы сделать Advanced LIGO самым совершенным из когда-либо созданных детекторов гравитационных волн», — говорит Шейла Роуэн, профессор физики и астрономии в Университете Глазго.

Независимые и удаленные друг от друга обсерватории необходимы для определения направления события, вызвавшего гравитационные волны, а также для проверки того, что сигналы исходят из космоса, а не от какого-то другого местного явления.

С этой целью лаборатория LIGO тесно сотрудничает с индийскими учеными из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики, Центра передовых технологий Раджи Раманна и Института плазмы для создания третьего усовершенствованного детектора LIGO на индийском субконтинент. В ожидании одобрения правительства Индии он может быть введен в эксплуатацию в начале следующего десятилетия. Дополнительный детектор значительно улучшит способность глобальной сети детекторов локализовать источники гравитационных волн.

«Мы надеемся, что это первое наблюдение ускорит создание глобальной сети детекторов, чтобы обеспечить точное определение местоположения источника в эпоху астрономии с несколькими посыльными», — говорит Дэвид Макклелланд, профессор физики и директор Центра гравитационной физики в Австралийском университете. Национальный университет.

Дополнительные ресурсы видео и изображений можно найти здесь: http://mediaassets.caltech.edu/gwave

Caltech
Кэти Свитил
Директор по новостной и контентной стратегии
626-676-7628 (моб.)
[email protected]

Массачусетский технологический институт
Кимберли Аллен
Директор по связям со СМИ
Заместитель директора отдела новостей Массачусетского технологического института
617-253-2702 (каб.)
617-852-6094 (моб. )
[email protected]

NSF
Плющ Купец
Сотрудник по СМИ
703-292-8796 (офис)
703-225-8216 (моб.)
[email protected]

Дева
Фульвио Риччи
Рим +39 06 49914261 (офис)
Кашина +39 050 752 345 (офис)
+39 348 3187354 (моб.)
[email protected]

GEO
Сюзанна Милде
Телефон +49 331 583 93 55
Мобильный: +49 172 3931349
[email protected]

Совет по научно-техническим средствам Великобритании
Терри О’Коннор
+44 1793 442006
+44 77 68 00 61 84 (моб.)
terry.o’[email protected]

Институт гравитационной физики им. Макса Планка Ганновер
Бенджамин Книспель
Пресс-атташе
+49 511 762 19104
[email protected]

Читать пресс-релиз на

Бенгальский | Каталонский | китайский | французский | Гуджарати | иврит | хинди | венгерский | японский | Корейский | маратхи | малаялам | Ория | португальский | Русский | Сиксика | испанский | Шведский | Тайский

Астрономы приближаются к новому способу обнаружения гравитационных волн

Ожидается, что сверхмассивные черные дыры, вращающиеся очень близко друг к другу, будут производить гравитационные волны. Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА/Библиотека научных фотографий

Астрономы могут быть на грани обнаружения гравитационных волн от далеких сверхмассивных черных дыр — в миллионы или даже миллиарды раз больше, чем черные дыры, обнаруженные до сих пор, — предполагает международное сотрудничество. Последние результаты нескольких исследовательских групп показывают, что они приближаются к открытию после двух десятилетий усилий по обнаружению ряби в пространстве-времени через их влияние на пульсары, быстро вращающиеся потухшие звезды, разбросанные по Млечному Пути.

Охотники за гравитационными волнами ищут флуктуации сигналов пульсаров, которые могли бы показать, как Земля качается в море гравитационных волн. Подобно хаотической ряби на воде, эти волны могут быть результатом комбинированного воздействия, возможно, сотен пар черных дыр, каждая из которых находится в центре далекой галактики.

Как гравитационные волны могут раскрыть некоторые из глубочайших тайн Вселенной

До сих пор коллаборация International Pulsar Timing Array (IPTA) не нашла убедительных доказательств существования этих гравитационных волн. Но его последний анализ — с использованием объединенных данных коллабораций, базирующихся в Северной Америке, Европе и Австралии — обнаруживает форму «красного шума», которая имеет особенности, которые исследователи ожидали увидеть. Результаты были опубликованы 19Январь Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества ¹ .

«Это важная веха», — говорит Михаэль Крамер, астроном из Института радиоастрономии им. Макса Планка в Бонне, Германия, который является ведущим членом европейской команды. Хотя это еще не является обнаружением гравитационных волн, это необходимый шаг к нему, добавляет он. Если бы красный шум не был замечен на этом этапе, космологам, возможно, пришлось бы пересмотреть свои предсказания относительно распространенности сверхмассивных черных дыр и их роли в эволюции Вселенной.

Ксавьер Сименс, радиоастроном из Орегонского государственного университета в Корваллисе и руководитель североамериканской группы, согласен с тем, что красный шум еще не обнаружен. «Но это обнадеживает», — говорит он.

Помимо LIGO

Первое прямое обнаружение гравитационных волн было достигнуто в 2015 году Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в штатах Луизиана и Вашингтон. Двойные антенны LIGO измеряли волны, возникающие в последние моменты слияния двух черных дыр, масса каждой из которых в десятки раз превышает массу Солнца. С тех пор LIGO и его итальянский аналог Virgo зафиксировали десятки подобных всплесков. Пик частоты этих волн составляет от десятков до тысяч циклов в секунду — подобно более низким частотам слышимого звука — и их можно ощущать в течение нескольких секунд или, в некоторых случаях, минут.

Пульсарный метод коллаборации IPTA направлен на обнаружение более длительных гравитационных волн, которые колеблются на гораздо более низких частотах, измеряемых в циклах в год или даже в десятилетие (см. «Спектр гравитационных волн»). Эти сигналы обычно исходят от пар черных дыр, которые вращаются вокруг друг друга в течение длительного времени, а не от слияний. «Это отличается от всплесков LIGO, когда событие происходит очень быстро, и это конкретное событие не повторится», — говорит радиоастроном Джордж Хоббс из Национального центра Австралийского телескопа в Эппинге.

Астрофизики считают, что в центре большинства крупных галактик находится сверхмассивная черная дыра. Когда две галактики сливаются, их центральные черные дыры в конце концов погружаются в центр новообразованной галактики и начинают вращаться вокруг друг друга. Если они подойдут достаточно близко, они будут излучать интенсивные гравитационные волны.

Пульсарная техника ищет эти гравитационные волны, когда они проносятся через нашу Галактику, растягивая и сжимая пространство, отделяющее Солнечную систему от вращающихся нейтронных звезд, называемых пульсарами (см. «Пульсары как детекторы»). Обсерватории, такие как LIGO, напротив, обнаруживают гравитационные волны, когда они охватывают Землю.

Как охотиться за черной дырой с помощью телескопа размером с Землю

Подход имеет уникальные проблемы. В то время как LIGO непосредственно измеряет мельчайшие изменения расстояния между двумя зеркалами, отстоящими друг от друга на несколько километров, изменения расстояния между Землей и пульсаром нельзя измерить напрямую, отчасти потому, что между ними распространяются тысячи гребней и впадин гравитационных волн. Земля и пульсар «не находятся на одном гребне или впадине», объясняет Маура Маклафлин, астроном из Университета Западной Вирджинии в Моргантауне, которая является ведущим членом Североамериканского сотрудничества по пульсарам. «Чтобы оценить задержку, мы должны позаботиться о влиянии гравитационных волн на пульсар и на Землю. Все, что между ними, отменяется», — говорит Маклафлин.

Такие изменения должны быть обнаружены, потому что, когда локальное пространство растянуто, периодическим сигналам от пульсара потребуется на десятки наносекунд больше или меньше, чтобы достичь Земли, чем в противном случае.

Зашумленные сигналы

Измерение этих задержек требует десятилетий кропотливого сбора данных, за которыми следуют недели обработки чисел на суперкомпьютере. И это опирается на причудливую физику нейтронных звезд, известных как пульсары.

Многие нейтронные звезды — схлопнувшиеся ядра звезд, масса которых превышает массу Солнца в сфере диаметром всего 20 километров или около того — излучают излучение от своих магнитных полюсов. Когда нейтронная звезда вращается, луч излучения вращается, как вращающийся свет маяка. Некоторые из этих лучей случайно пересекают путь Земли в космосе и обнаруживаются как излучение, пульсирующее через равные промежутки времени. В конце 19В 70-х годах некоторые астрономы отметили, что, поскольку они появляются с очень регулярными интервалами, некоторые из этих маяков могут служить детекторами гравитационных волн.

Ник Спенсер/ Природа ; Млечный путь: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Калифорнийский технологический институт)

Но сигналы пульсаров зашумлены и могут быть замедлены или рассеяны облаками межзвездных электронов. Чтобы преодолеть эту проблему, астрономы должны сравнить сигналы от как можно большего количества этих маяков, сформировав «массив времени пульсара».

И исходное положение центра масс Солнечной системы, на которое влияет движение планет, должно быть рассчитано с точностью менее 100 метров.

За последнее десятилетие эти оценки значительно улучшились благодаря измерениям положения Юпитера и Сатурна, сделанным миссиями НАСА «Юнона» и «Кассини». Изменения успокоили некоторых астрономов: более ранние, менее точные измерения вместе с некоторыми чрезмерно консервативными предположениями заставили некоторых беспокоиться о том, что ожидаемого фона гравитационных волн не было.

Черная дыра впервые запечатлена в впечатляющих деталях

Но с каждым годом исследователи накапливают все больше данных и совершенствуют свои методы. В 2020 и 2021 годах каждая из трех коллабораций начала видеть явный признак гравитационно-волнового фона ^{2 , 3 , 4} . В то время как обычный «белый» шум включает случайные колебания на всех частотах, красный шум громче на более низких частотах. Такая особенность ожидается, когда начнут появляться сигналы большой длины волны — с периодами, сравнимыми с накопленными сейчас данными за 20 с лишним лет. Последний совместный анализ IPTA, проведенный путем объединения данных региональных коллабораций по 65 пульсарам для повышения их чувствительности к гравитационным волнам, также обнаружил красный шум, хотя в нем не использовались самые последние наборы данных, которые три группы анализировали по отдельности. в 2020 и 2021 годах.

Открытие не обязательно указывает на наличие гравитационных волн. «Красный шум также может быть вызван другими вещами», — предупреждает Крамер, например, ранее не подозревавшейся закономерностью в том, как вращающиеся пульсары постепенно замедляются.

Чтобы заявить об открытии, «отсутствует важнейший компонент», — говорит радиоастроном Андреа Поссенти, ведущий член европейской группы, работающий в Астрономической обсерватории Кальяри в Италии. «Эти долгосрочные сигналы должны быть сопоставлены от одного пульсара к другому».

Хоббс соглашается. «Лично я хотел бы, чтобы было сделано гораздо больше проверок, прежде чем я собираюсь разбить бутылку шампанского», — говорит он.

Если и когда фон гравитационных волн будет обнаружен, «научная награда будет огромной», — говорит Моника Колпи, астрофизик из Миланского университета Бикокка в Италии. По ее словам, из сигналов исследователи могли бы в конечном итоге получить информацию о том, как черные дыры взаимодействуют с темной материей, звездами и газовыми облаками в своих галактиках.

Радиотелескоп в обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, который рухнул в декабре 2020 года, был частью Международной системы синхронизации пульсаров. Фото: Рикардо Ардуенго/AFP/Getty

Всемирная попытка охоты за волнами потерпела неудачу в декабре 2020 года, когда рухнула почтенная 300-метровая обсерватория Аресибо, сыгравшая важную роль в измерении пульсаров. С тех пор североамериканская команда перенаправила часть работы на другой крупный объект — 100-метровый телескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии. «Мы сбросили несколько наших более слабых пульсаров, и в нашем наборе данных есть пробелы в несколько месяцев, но в целом мы переживаем потерю [Аресибо] так хорошо, как можем», — говорит Сименс.

Будущие усилия будут опираться на данные синхронизации пульсаров, собираемые в крупных радиоастрономических обсерваториях Индии и Южной Африки. В конце концов, ожидается, что китайский сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой тоже присоединится.

Исследователи говорят, что следующая статья IPTA, ожидаемая в этом или следующем году, может использовать уже существующие данные для подтверждения открытия гравитационно-волнового фона, создаваемого сверхмассивными черными дырами. «Пришло время собрать все воедино и провести обнаружение», — говорит Крамер.

Гравитационные волны могут открыть невидимую Вселенную

• Огромные объекты, такие как звезды, заставляют пространство-время значительно растягиваться и сжиматься.
• Астрофизики исследовали потенциал «бликов», создаваемых гравитационными волнами, рассеянными на кривизне пространства-времени.
• Блики могут позволить исследователям измерить профили внутренней плотности белых карликов и нейтронных звезд.

Можно ли когда-нибудь использовать гравитационные волны для исследования далекой материи во Вселенной? С помощью расчетов теоретической физики исследователи из Университета Кейс Вестерн Резерв предполагают, что могут. Их работа демонстрирует, что сигналы, рассеянные крупными астрономическими объектами, могут выявить, что находится внутри них.

Гравитационные волны очень тонкие. Требуется чрезвычайно чувствительное и точное оборудование, чтобы обнаружить рябь, которая растягивает и сжимает пространство-время, комбинацию времени и трехмерного пространства.

Общая теория относительности предсказывает, что эти рассеянные волновые сигналы должны быть больше, чем ожидали физики, пишут астрофизики Крейг Копи и Гленн Старкман в статье, опубликованной летом в журнале Physical Review Letters . «Людям всегда было интересно измерять что-то новое», Copi сообщает Popular Mechanics . «Это дает нам совершенно новый взгляд на вещи во Вселенной».

И электромагнитные, и гравитационные волны распространяются со скоростью света и поляризованы. По словам Копи, наблюдение за гравитационными волнами может позволить нам заглянуть внутрь большинства непрозрачных объектов. Однако гравитационные волны могут поглощаться черными дырами, поэтому измерение размера черных дыр требует дополнительных шагов и анализа.

Согласно расчетам аспиранта Case Western Клаунтии Пасматиу для этого исследования, если физики будут использовать эти уравнения в сочетании с данными Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), они смогут измерить профили внутренней плотности звезд, включая белые карлики и нейтронные звезды. Белый карлик — это маленькая плотная звезда, сжавшаяся до меньших размеров. Нейтронная звезда образуется в результате коллапса сверхгигантской звезды.

Посмотреть полную публикацию на Youtube

Исследователи также могут изучать «сгустки темной материи», говорит Копи. Темная материя не отражает, не излучает и не поглощает свет. «Вы можете себе представить, что есть потенциально более экзотические вещи. Люди говорят о всевозможных возможностях».

Физик из Калифорнийского технологического института Катерина Чациоанноу работает над одним из двух проектов LIGO и не связана с исследованием группы Case Western. «Есть много областей космоса, где свет не может выйти, но могут выйти гравитационные волны. Они также могут испускаться в вакууме», — говорит она 9.0005 Популярная механика . «Гравитационные волны беспрепятственно распространяются сквозь материю. Свет так не делает. Например, мы не можем видеть, что происходит по ту сторону стены, потому что фотоны не могут пересечь стену. Мы не можем видеть, что происходит в ядрах звезд или в ядрах сверхновых», — объясняет Чациоанну.

Однако Копи и его коллеги обнаружили, что когда гравитационные волны рассеиваются из-за искривления пространства-времени, вызванного объектами, ученые могут регистрировать слабые сигналы от этого эхо-эффекта, называемого бликами. Ранее ученые думали, что блики будут слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить.

Ныряй глубже ⬇️

• «Парадокс дедушки» не исключает путешествия во времени
• Что происходит, когда умирают черные дыры?
• Сверхгигантская звезда взорвалась в результате сильного взрыва

«В этой статье мы рассматриваем эффект, который существует в общей теории относительности, — говорит Копи. «Это не ново в этом смысле, но это то, на что люди еще не смотрели. Это потенциально позволяет нам видеть вещи, которые мы иначе не смогли бы увидеть, потому что мы собираемся получить некоторые сигналы от гравитационных вспышек, которые, если предположить, что общая теория относительности верна, действительно существуют».

Как LIGO измеряет гравитационные волны

Поскольку прямое обнаружение гравитационных волн затруднено, LIGO расположена удаленно в Луизиане и Вашингтоне, чтобы уменьшить разрушительное воздействие городской среды. Установка в Вашингтоне расположена на месте захоронения ядерных отходов, которое является относительно тихим.

В этом покадровом изображении лазерные лучи направляются по двум длинным туннелям на объекте LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана. Приборы внутри туннелей могут обнаруживать волновые силы, которые могут отклонять лазеры всего на одну миллиардную диаметра атома водорода.

Joe McNally//Getty Images

«Гравитационная волна… растягивает и сжимает длину, на которую распространяется лазер», — говорит Копи. «Вы видите изменение интерференционной картины».

Измерение требует точности 10 ^-18 метров, что меньше ширины протона, говорит Чациоанну. Это включает усреднение измерений большого количества фотонов в лазере. «У вас есть лазер, разделенный на две части, который отскакивает от двух поверхностей, возвращается обратно и рекомбинирует. То, как он рекомбинирует, говорит вам о расстоянии между местом, где был испущен лазер, и местом, где находятся тестовые массы», — объясняет она.

Почему сложно измерить черные дыры

Когда исследователи LIGO хотят проанализировать черные дыры, это не так просто. Во-первых, фотодетектор измеряет напряжение лазеров, говорит Чациоанну. Программное обеспечение преобразует напряжение в гравитационные волны и измеряет их напряжение. Затем аналитические инструменты преобразуют деформацию в массу черной дыры. Для этого процесса требуется метод, называемый фильтрацией совпадений, при котором компьютер сравнивает сигналы с теми, которые предсказывают ученые. Исследователи берут свои уравнения общей теории относительности и решают их для многих параметров сигнала. Фильтрация шума требует сложных подходов.

Ученые пытались обнаружить гравитационные волны более века, с тех пор как Альберт Эйнштейн предсказал их существование в 1916 году. время. Это был захватывающий момент для физического сообщества.

В течение многих десятилетий было неясно, действительно ли существуют гравитационные волны. Теперь, когда ученые могут их найти, они могут исследовать звезды гораздо глубже. «Звезды могут потускнеть, а темная материя может никогда не светиться, но они не могут спрятаться от гравитации», — написала исследовательская группа в своей статье.

Прежде чем уйти…

• Квантовая физика может наконец объяснить сознание
• Физики впервые доказали, что кварки имеют массу
• Почему детекторы космических лучей исследуют глубокий космос бывший инженер-механик, который начинал как специалист по прикладной математике, инженерии и физике в Университете Висконсин-Мэдисон.