Ученые обнаружили гравитационные волны во второй раз

Коллаборация ученых из LIGO [Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория] снова обнаружила гравитационные волны — рябь в пространстве-времени, производимая объектами, которые движутся во Вселенной. По словам Дункана Брауна, исследователя LIGO и профессора физики Сиракузского университета, этот факт позволяет сделать вывод, что первое обнаружение гравитационных волн было не просто удачей.

Как и в первом случае, гравитационные волны возникли в результате слияния двух черных дыр. Во время слияния черные дыры быстро вращаются вокруг друг друга несколько раз в секунду до тех пор, пока не образуют единый экстра-плотный объект. Эти волны вздымались через пространство 1,4 миллиарда лет, прежде чем, наконец, достигнули Земли 26 декабря 2015 года [или 25 декабря для жителей США], когда две обсерватории LIGO обнаружили их. Открытие было подробно описано в новом исследовании, недавно принятом к публикации в журнале Physical Review Letters.

Черные дыры, участвующие в объявленном накануне обнаружении, были намного меньше, чем первая пара: эти объекты были около 8 и 14 раз больше массы Солнца, в то время как масса первых — около 29 и 36 солнечных масс. И поскольку эти черные дыры были меньше, они не произвели такого сильного сигнала. Но меньшие размеры черных дыр сказались на длительности результирующего сигнала — целая секунда, что гораздо дольше, чем 0,5 секунды первого. Более длительное время наблюдения позволило исследователям наблюдать намного больше вращений сливающихся черных дыр, чем раньше.

Второе обнаружение гравитационных волн также намекает на то, что слияния черных дыр происходят довольно часто. Первое обнаружение гравитационных волн произошло 14 сентября 2015 года. Существует вероятность, что коллаборация ученых LIGO измерила третий сигнал в конце 2015 года, однако исследователи пока не уверены в природе его возникновения.

Первое обнаружение могло быть ошибкой, второе заставляет ученых говорить более уверенно. Теперь ученые думают, что могут начать использовать сигналы гравитационных волн как способ, чтобы узнать больше о типах черных дыр, распределенных по всей Вселенной. «С первым обнаружением, мы на самом деле достигли обнаружения гравитационных волн, отмечая конец очень длинной эры. Со вторым обнаружением, мы начали эру гравитационно-волновой астрономии», — заявила Сьюзен Скотт, исследователь LIGO и профессор квантовой науки в Австралийском национальном университете.

Существование гравитационных волн впервые было предсказано в 1916 году Альбертом Эйнштейном на основе общей теории относительности. До этого, пространство и время рассматривались как фиксированные понятия, которые не имеют никакого влияния друг на друга. Общая теория относительности изменила все это путем объединения пространства и времени в единую концепцию, пространства-времени. Идея заключалась в том, что объекты действительно могут деформировать и искривлять пространство-время вокруг них; чем больше объект, тем больше его пространственно-временной отпечаток. И когда эти массивные объекты двигаются, они создают волнообразные ряби пространства-времени, или гравитационные волны.

LIGO состоит из двух обсерваторий в Луизиане и Вашингтоне, специально разработанных для измерения гравитационных волн от крупных сливающихся объектов. Основной элемент каждой обсерватории — система в форме большой буквы L, состоящая из двух 4-километровых плеч с высоким вакуумом внутри. Внутри такой системы устанавливается модифицированный интерферометр Майкельсона, в каждом из плеч которого благодаря дополнительным зеркалам из кварцевого стекла образуются резонаторы Фабри-Перо, эти зеркала на особом подвесе являются пробными массами, расстояние между которыми меняет пришедшая гравитационная волна. Она удлиняет одно плечо и одновременно укорачивает второе.

Используя этот метод, LIGO впервые обнаружила гравитационную волну 14 сентября 2015 года — как раз тогда, когда коллаборация ученых начала поиск сигналов. Команда продолжала наблюдения до 12 января 2016 года. Во-первых, исследователи не ожидали, что наблюдения будут длиться так долго. «Изначально мы планировали остановить работу и предоставить перерыв на время праздников. Но мы попросили операторов и других людей в обсерваториях остаться и продолжить наблюдения», — заявил Дэвид Шумейкер, сотрудник LIGO и старший научный сотрудник Массачусетского технологического института. Это оказалось правильным решением, когда ученые получили предупреждение о потенциальном обнаружении гравитационной волны 26 декабря 2015 года [23:38 по восточному времени]. Во время наблюдения исследователи провели ряд компьютерных программ, которые беспрерывно искали закономерности в данных обсерваторий. Программы быстро сравнивали образцы с тысячами предопределенных шаблонов того, как бы мог выглядеть гравитационный волновой сигнал. Если данные совпали с шаблоном, вполне возможно, что волна просто прошла мимо.

Теперь, когда LIGO обнаружила гравитационные волны от двух слияний черных дыр, исследователи стремятся наблюдать волны, приходящие из разных звездных остатков, таких как нейтронные звезды. Существует также вероятность измерения сигнала от слияния нейтронной звезды с черной дырой. Двигаясь вперед, LIGO рассчитывает наблюдать слияния черных дыр совсем скоро, когда коллаборация начнет следующий раунд наблюдений осенью этого года. «Если мы сможем понять механизм распределения черных дыр, мы можем начать понимать жизнь и смерть звезд, — таким образом ответив на вопрос откуда мы пришли и куда движется Вселенная», — заключил Браун.