Гравитационные волны – новое окно во Вселенную

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 1(7) 2016

Карель Сиеллез (Karelle Siellez), Boulevard de l'Observatoire, France

Открытие гравитационных волн, которые несут в себе уникальную информацию о своём происхождении и о природе гравитации, также подтвердило важные идеи общей теории относительности Альберта Эйнштейна, высказанные им ещё в 1915 году. 

Физики пришли к выводу, что обнаруженные гравитационные волны возникли во время последней доли секунды слияния двух чёрных дыр, в результате чего появилась одна, более массивная и вращающаяся чёрная дыра. Такое столкновение двух чёрных дыр было прогнозировано, но никогда ранее не было увидено учёными.

11 февраля 2016 года команда учёных из Калифорнийского технологического института (Caltech), Массачусетского технологического института (MIT) и LIGO (обсерватории лазерного интерферометра гравитационных волн), официально объявили о наиважнейшем открытии гравитационных волн, или «ряби», в ткани пространства-времени, вызванную волнами от двух сталкивающихся чёрных дыр.

Эйнштейн предположил существование таких волн ещё около века назад, но до прошлого года у учёных не было нужных способов тестирования, способных доказать существование этого феномена. Первые полученные результаты (14 сентября 2015 года) положили начало новой области в астрофизике – астрономии гравитационных волн – и стали возможными благодаря двум крупным открытиям сотрудников LIGO. Во-первых, прямое детектирование гравитационных волн и, во-вторых, подтверждение слияния двух чёрных дыр, в результате которого произошли эти загадочные волны .

Чтобы понять гравитационные волны, мы должны в первую очередь понять, как гравитационная сила (притяжение) действует в космосе. Притяжение – это та сила, которая удерживает и нас, и всё остальное на поверхности Земли; и когда речь идёт о притяжении относительно нашей планеты, то оно действует по законам Исаака Ньютона. Но в космосе работают другие законы.

Вселенную можно сравнить с гигантским резиновым листом, а все космические объекты, такие как планеты, звезды и галактики, можно представить как шарики на этом резиновым листе, которые заставляют его сгибаться, создавая кривизну в пространстве-времени. С другой стороны, ткань пространства-времени указывает другим объектам, как им перемещаться по этому резиновому листу (как показано на рисунке 1). Это  упрощённый смысл основного уравнения общей теории относительности Эйнштейна (показано на рисунке 2 ).

Рис. 1

Рис. 2

Чем массивнее объект, тем больше изгибается ткань пространства-времени. Вскоре после того, как Эйнштейн спрогнозировал существование гравитационных волн, физик Карл Шварцшильд доказал существование чёрных дыр. Это настолько компактные и плотные объекты, что свет не может вырваться из их гравитационного поля. Несмотря на отсутствие света, излучаемого из чёрных дыр, что делает наблюдения этих объектов невероятно сложным, мы уже несколько раз наблюдали, как кандидаты в чёрные дыры влияют на окружающую среду. Именно благодаря этим «ориентирам» исследователи обнаружили сверхмассивную чёрную дыру под названием Стрелец A в центре нашей Галактики, которая, предположительно, в миллионы или миллиарды раз массивнее Солнца.

Чёрные дыры образуются, когда происходит катастрофических размеров взрыв массивной звезды, который называется сверхновой, с коллапсом ядра. Остатки мёртвых звёзд такого рода образуют чёрную дыру меньшей массы: от нескольких раз до нескольких сотен раз больше массы Солнца. Чёрные дыры являются самыми загадочными объектами во Вселенной, но, как это ни парадоксально, одновременно самыми простыми: для их описания необходимы только два характерных признака. Первый – это масса, которая определит размер, а второй – вращение, которое показывает вихревое движение пространства-времени.

Из-за массивной и плотной природы чёрных дыр эти объекты создают «дыру» в ткани пространства-времени, и, когда два ускоряющиеся массивных объекта вращаются вокруг друг друга, они нарушают пространство-время настолько, что от источника начинают исходить волны искажённого пространства. Именно эту «рябь» пространства-времени и возможно обнаружить в виде гравитационных волн. Эти волны движутся со скоростью света и несут в себе информацию об их прародителе. Они также могут быть последствиями других масштабных космических событий, таких как Большой взрыв.

Несмотря на то, что явления, в результате которых появляются эти волны, как правило, настолько массивны, что мы не можем их себе даже вообразить, сигнал, который они производят, чрезвычайно мал, причём настолько мал, что даже Эйнштейн понимал, как трудно его будет обнаружить. Тем не менее 14 сентября 2015 года LIGO обнаружил сигнал, получивший название GW150914, который не только подтвердил существование гравитационных волн, но и был также первым подтверждением слияния двух чёрных дыр, предоставляя тем самым мощную космическую лабораторию для тестирования теории Эйнштейна.

Рис. 4

Рис. 5

Детектор LIGO

Обсерватория лазерного интерферометра гравитационных волн является самой крупной в мире обсерваторией гравитационных волн и самым точным измерительным прибором из всех, когда-либо созданных. Прибор состоит из двух лазерных интерферометров, разделённых тысячами километров, один из которых находится в Ливингстоне, штат Луизиана, а другой в Хэнфорде, штат Вашингтон. Концепция обнаружения гравитационных волн с помощью лазера была разработана в начале 1960-х, а в начале этого века было создано уже пять работающих детекторов: LIGO в США, Virgo в Италии, TAMA300 в Японии и GEO600 в Германии.

К сожалению, до прошлого года ни один из детекторов не имел степени чувствительности, нужной для обнаружения гравитационных волн. Для решения этой проблемы в 2015-м году был проведён апгрейд приборов LIGO (Advanced LIGO), который в настоящее время проводится и в других организациях с определённой целью – в конечном счёте сформировать значительное количество детекторных сетей.

Интерферометры LIGO состоят из двух длинных (4km) частей, находящихся под прямым углом друг к другу. Для поиска гравитационных волн через полость пускается лазерный луч, который отражается в подвешенном зеркале (test mass), когда достигает конца длинной части детектора. Оба луча затем возвращаются на фотодетектор. Если расстояние, пройденное двумя лучами одинаково, то сигнал не был обнаружен. Но если гравитационная волна проходит через детектор, то под её влиянием одна из 4-х километровых частей удлинится, а другая сократится за время одного полупериода (половины цикла) волны. Эти изменения происходят в противоположном порядке во время другого полупериода.

Соответственно, при проходе через детектор волна создаёт очень маленькое различие фаз, пропорциональное деформации гравитационных волн, силы проходящей гравитационной волны. Типичная чувствительность обнаружения волны для LIGO соответствует деформации около 1/10000 ширины протона.

Команда «характеризации детектора» отвечает за мониторинг широкого спектра данных об окружающей среде, записанных на обоих локациях, которые могли бы повлиять на детектор, создав не астрофизический сигнал. Одной из главных причин, почему у LIGO именно два детектора, является потребность различия «нормального» фонового шума и астрофизического сигнала. Настоящий сигнал будет обнаружен обоими детекторами с задержкой на несколько миллисекунд между двумя локациями, в то время как нежелательный шум, созданный окружающей средой (землетрясения, движение грунта, изменения температуры или «шум» приборов, например, вибрации волокон, которые позволяют подвесить зеркала детектора), будет замечен только одним детектором.

Настоящий сигнал и его свойства
14 сентября 2015 года, в 09:50:45 по Гринвичу, обсерватории LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне обнаружили сигнал от GW150914. Через три минуты после получения сигнал был определён как имеющий свойства гравитационной волны.  

В течение 0,2 секунды сигнал от события GW150914 увеличился по частоте и амплитуде от 35 до 150 Гц, где амплитуда достигла максимума при 150 Гц. Ложные сигналы из окружающей среды могут быть в данном случае исключены, так как все они  достигают максимума при различных амплитудах. Сигнал деформации гравитационной волны был быстро сравнен с базой данных тысяч сигналов, которые были теоретически предсказаны, используя процесс согласованной фильтрации, чтобы подтвердить, что это действительно настоящая гравитационная волна, которая произошла из слияния двух чёрных дыр.

Сигнал гравитационной волны разделён на три отдельные части, которые можно использовать с различными методами, чтобы рассчитать и подтвердить существование волны. Первый метод, Inspiral, использует постньютоновскую теорию. Этот метод использует законы Ньютона и шаг за шагом добавляет различные гипотезы, чтобы учесть общую теорию относительности.

Метод поглощения (merger method) использует численную теорию относительности – моделирование полных уравнений общей теории относительности. Из-за вычислительной мощности, необходимой для их решения, этот метод начали использовать только в течение последних 10 лет.

Последний метод называется ringdown (прямой вызов), он соответствует изменениям в образовавшейся единой чёрной дыре и использует вычисления с помощью теории возмущений чёрной дыры. В общей сложности на данном событии потрачено 50 миллионов часов процессорной работы, что соответствует работе 20000 компьютеров, постоянно работающих в течение 100 дней!

Для оценки точности принятого сигнала было важно установить: мог бы этот сигнал появиться случайно в обоих детекторах из-за какого-нибудь редкого колебания. Используя данные стабильной деформации высокого качества, полученные за 16 дней, была создана и введена серия искусственных временных сдвигов, чтобы создать гораздо больший объём данных.

Эти временные сдвиги были сгенерированы таким образом, чтобы быть длиннее 10 миллисекунд, что исключает возможность путаницы с настоящим сигналом, но совпадает в шумах. Используя этот искусственный объём данных, было примерно подсчитано, насколько часто появляется сигнал, имитирующий сигнал от GW150914. Это явление называется «количество ложных тревог в единицу времени», и полученный результат показал, что шансы (такое масштабное событие, как GW150914, могло появиться случайно) равны одному за 200 000 лет собранных данных.

Слияние чёрных дыр

GW150914 появился путём слияния двух чёрных дыр с массами в 36 раз и в 29 раз больше массы Солнца. Масса чёрной дыры, образовавшейся после слияния, больше массы Солнца примерно в 62 раза. Эти свойства могут быть вычислены из деформации сигнала, что показано на рисунке 4. Рисунок показывает соотношение между реконструкцией гравитационной волны деформации в детекторе Хэнфорда (серый цвет) и сигнала, вычисленного с помощью общей теории относительности (красный цвет). Далее можно вычислить характеристики события: массы двух чёрных дыр до слияния, массу единой чёрной дыры после слияния и расстояние до события, определяемое амплитудой сигнала.

Так насколько «далеко» это «далеко»?

Так далеко, что сигналу понадобилось 1,3 миллиарда лет, чтобы дойти до Земли. «Эти две чёрные дыры слились, когда многоклеточная жизнь на Земле только зарождалась», – говорит Габриэла Гонсалес, представитель LIGO. И продолжает далее: «Разница между суммой масс в фазе Inspiral и массой единой чёрной дыры во время стадии ringdown указывает на то, что это слияние преобразовало массу, приблизительно в три раза большую массы Солнца, в энергию гравитационной волны за доли секунды. Это самое мощное событие, когда-либо наблюдаемое на Земле, – более чем в 10 раз больше, чем суммарная светимость всех звёзд и Галактики в обозреваемой Вселенной».

Если бы не улучшенная чувствительность LIGO, достигнутая за последние несколько лет, в том числе и добавление более мощных лазеров, и использование кварцевого волокна на тестируемых массах с целью уменьшить тепловые шумы, это судьбоносное открытие – обнаружение гравитационных волн – могло бы произойти ещё не скоро.

«Я представляю себе два детектора LIGO, как два уха», – объясняет профессор Лаура Кадонати, председатель Совета по анализу данных в LIGO.

«Когда приходит сигнал гравитационной волны, разницу во времени между получением сигнала одним детектором и вторым можно использовать, чтобы понять, откуда идёт сигнал, – так же, как разница между контактом звуковой волны с одним нашим ухом и с другим помогает нам определить, откуда идёт звук. Таким образом, расположение слияния этих двух чёрных дыр было вычислено благодаря задержке в 7 мс, которые понадобились сигналу, чтобы дойти до Хенфорда, после того как он был зафиксирован в Ливингстоне».

Будущие исследования
Казалось бы, ничто не может быть лучше новости об обнаружении гравитационных волн, но тем не менее некоторые аспекты открытия действительно нуждаются в доработке. В данный момент место сигнала GW150914 определяется «ограниченным» пространством в небе, размером в 600 квадратных градусов. Эту проблему надеются решить с использованием детектора Advanced Virgo, к которому в 2016 году будет добавлена третья часть, что позволит произвести триангуляцию сигнала и более точно определить его местоположение. 

В случае детекторов гравитационных волн подход «чем больше, тем лучше» является самым верным. Многие страны, в том числе Индия, теперь планируют установку своих собственных приборов с функциональностью LIGO.

Сейчас – самое захватывающее время для астрофизики, с неизведанным непересечённым полем, где возможно всё. Благодаря гравитационным волнам, у нас появится возможность узнать больше о чёрных дырах, и, возможно, в скором времени мы сможем обнаружить сигнал, поступающий от слияния двух нейтронных звёзд или нейтрона с чёрной дырой. С его помощью мы сможем наблюдать свет, излучаемый вспышкой гамма-излучения. Если это произойдёт, то это будет первая индикация между гравитационными волнами и соответствующего электромагнитного излучения. Вселенная, наконец, сыграла свою первую симфонию, и нам не терпится услышать её второй опус. 

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Gravitational waves provide new window on the universe
 журнал ROOM №1 (7) 2016