Впер­вые за­ре­ги­стри­ро­ва­ны гра­ви­та­ци­он­ные волны

По­ис­ки ги­по­те­ти­че­ских гра­ви­та­ци­он­ных волн по слож­но­сти можно срав­нить лишь с по­ис­ка­ми вне­зем­ных ци­ви­ли­за­ций. Су­ще­ство­ва­ние таких волн был пред­ска­за­но ещё Эйн­штей­ном ровно сто лет назад (в 1916 году), как след­ствие тео­рии от­но­си­тель­но­сти, хотя он счи­тал, что об­на­ру­жить их невоз­мож­но. Их по­ис­ки на­ча­лись с 1967 года (то есть пол­ве­ка назад) и до сих пор ни­ка­ких до­сто­вер­ных сви­де­тельств таких волн об­на­ру­же­но не было. По­стро­ен­ные де­тек­то­ры для по­пы­ток ре­ги­стра­ции гра­ви­та­ци­он­ных волн стали од­ни­ми из самых слож­ных и до­ро­го­сто­я­щих устройств че­ло­ве­че­ских ци­ви­ли­за­ции. Так уста­нов­ка LIGO к этому вре­ме­ни обо­шлась в 620 мил­ли­о­нов дол­ла­ров, а недав­но за­пу­щен­ный про­то­тип кос­ми­че­ской гра­ви­та­ци­он­ной об­сер­ва­то­рии стоил около 500 мил­ли­о­нов дол­ла­ров. Такие огром­ные суммы срав­ни­мы со сто­и­мо­стью круп­ней­ших оп­ти­че­ских те­ле­ско­пов.

      По­это­му важ­ной вехой про­зву­ча­ли се­го­дня со­об­ще­ния о пер­вой ре­ги­стра­ции таких волн на об­сер­ва­то­рии LIGO после 5-​летней мо­дер­ни­за­ции. Ис­сле­до­ва­ние опуб­ли­ко­ва­но в одном из самых ав­то­ри­тет­ных жур­на­лов Nature.

Слухи о важ­ном до­сти­же­нии на­ча­ли по­яв­лять­ся за несколь­ко недель до офи­ци­аль­но­го анон­си­ро­ва­ния. Из них сле­до­ва­ло, что обоим де­тек­то­рам LIGO уда­лось за­ре­ги­стри­ро­вать 14 сен­тяб­ря 2015 года со­бы­тие со ста­ти­че­ской до­сто­вер­но­стью 5.1 сигм (что незна­чи­тель­но пре­вы­ша­ет офи­ци­аль­ный порог до­сто­вер­но­сти в 5 сигм). Несмот­ря на неболь­шое пре­вы­ше­ние сиг­на­ла над шумом, ана­лиз сиг­на­ла поз­во­лил уста­но­вить, что со­бы­тие вы­зва­но сли­я­ни­ем двух чер­ных дыр мас­сой 29 и 36 масс Солн­ца. Масса ко­неч­но­го объ­ек­та после сли­я­ния со­ста­ви­ла 62 масс Солн­ца. Тем самым слив­ши­е­ся чер­ные дыры от­да­ли окру­жа­ю­ще­му про­стран­ству часть своей массы рав­ной 3 мас­сам Солн­ца через гра­ви­та­ци­он­ное из­лу­че­ние всего за несколь­ко долей се­кунд. Это огром­ная ве­ли­чи­на, для срав­не­ния счи­та­ет­ся, что при гамме-​всплеске вы­де­ля­ет­ся энер­гия покоя рав­ная при­мер­но 20% массы Солн­ца. Счи­та­ет­ся, что на­ли­чие таких мас­сив­ных чер­ных дыр ве­ро­ят­нее всего в цен­тре ша­ро­вых скоп­ле­ний (там про­ис­хо­дит 1/7 всех сли­я­ний чер­ных дыр во Все­лен­ной).

     Тем не менее, гра­ви­та­ци­он­ные волны крайне слож­но за­ре­ги­стри­ро­вать. На боль­шом рас­сто­я­нии от места их ис­точ­ни­ка они долж­ны вы­зы­вать кро­хот­ные ко­ле­ба­ния по­верх­но­сти срав­ни­мые с раз­ме­ром ато­мов. Для их на­деж­ной ре­ги­стра­ции при­хо­дит­ся стро­ить огром­ные мно­го­ки­ло­мет­ро­вые уста­нов­ки. Так LIGO пред­став­ля­ет собой два де­тек­то­ра, каж­дый из ко­то­рых со­сто­ит из двух 4-км ва­кум­ных труб с ла­зе­ра­ми:

Де­тек­то­ры на­хо­дят­ся в шта­тах Лу­и­зи­а­на и Ва­шинг­тон, рас­сто­я­ние между ними около 3 тысяч км:

Так как гра­ви­та­ци­он­ные волны рас­про­стра­ня­ют­ся со ско­ро­стью света, то за­держ­ка между ре­ги­стра­ци­ей гра­ви­та­ци­он­ной волны обо­и­ми де­тек­то­ра­ми долж­на со­став­лять около одной сотой се­кун­ды. В ре­аль­но­сти она со­ста­ви­ла около 7 мик­ро­се­кунд, что поз­во­ли­ло опре­де­лить, что ис­точ­ник волны на­хо­дил­ся при­мер­но на южном небе на рас­сто­я­нии в 1.3 мил­ли­ар­да све­то­вых лет. Жур­на­ли­сты нашли в ар­хи­ве ESO за­яв­ку по­пыт­ки об­на­ру­же­ния оп­ти­че­ской вспыш­ки со­бы­тия (боль­шая об­ласть сфо­то­гра­фи­ро­ван­но­го неба в сен­тяб­ре, вы­де­лен­ная синим цве­том):

 Успех уста­нов­ки про­изо­шел лишь на 14 год экс­плу­а­та­ции после 5-​летней мо­дер­ни­за­ции. В ходе по­след­ней мо­дер­ни­за­ции чув­стви­тель­ность об­на­ру­же­ния гра­ви­та­ци­он­ных волн была по­вы­ше­на в 4 раза. Если рань­ше уста­нов­ка могла об­на­ру­жить сли­я­ние ней­трон­ных звезд в ра­ди­у­се 65 мил­ли­о­нов све­то­вых лет, то сей­час уже в ра­ди­у­се 250 мил­ли­о­нов све­то­вых лет. После мо­дер­ни­за­ции уста­нов­ка со­би­ра­ла дан­ные в те­че­ние 4 ме­ся­цев. По­сле­ду­ю­щее вклю­че­ние ожи­да­ет­ся в те­че­ние бли­жай­ше­го года. Ожи­да­ет­ся, что к 2020 году чув­стви­тель­ность уста­нов­ки вы­рас­тет в 10 раз – до ра­ди­у­са об­на­ру­же­ния в 650 мил­ли­о­нов све­то­вых лет.


     В целом гра­ви­та­ци­он­ные те­ле­ско­пы за по­след­ние 45 лет улуч­ши­ли свою чув­стви­тель­ность при­мер­но на 7 по­ряд­ков (в 10 мил­ли­о­нов раз):

Для срав­не­ния сиг­нал за­ре­ги­стри­ро­ван­ный 14 сен­тяб­ря имел ам­пли­ту­ду в 10 в -19 сте­пе­ни.

      На­зем­ные гра­ви­та­ци­он­ные об­сер­ва­то­рии пы­та­ют­ся об­на­ру­жить гра­ви­та­ци­он­ные волны с дли­ной в несколь­ко сотен и тысяч ки­ло­мет­ров. Для ре­ги­стра­ции более длин­ных волн необ­хо­ди­мо вы­во­дить те­ле­ско­пы в кос­мос или на­блю­дать за ра­дио­пуль­са­ра­ми на раз­ных участ­ках неба:

Боль­шой про­бле­мой гравитационно-​волновой аст­ро­но­мии яв­ля­ет­ся низ­кое уг­ло­вое раз­ре­ше­ние. Для на­деж­ной ре­ги­стра­ции тре­бу­ет­ся, как ми­ни­мум 3 при­ем­ни­ка (три­ан­гу­ля­ция). По­это­му важ­ным со­бы­ти­ем ста­но­вит­ся ввод в строй ев­ро­пей­ской уста­нов­ки VIGO в Ита­лии в конце 2016 года. Её чув­стви­тель­ность срав­ня­ет­ся с LIGO:

 Ожи­да­ет­ся, что при­мер­но к 2021 году все три де­тек­то­ра окон­ча­тель­но вый­дут на оди­на­ко­вый уро­вень по чув­стви­тель­но­сти, за­вер­шив все мо­дер­ни­за­ции:

 Это долж­но поз­во­лить ло­ка­ли­зо­вать ис­точ­ни­ки гра­ви­та­ци­он­ных волн до пло­ща­ди в 5-20 квад­рат­ных гра­ду­сов неба.

       В даль­ней­шем пла­ни­ру­ет­ся при­со­еди­нить к сети гра­ви­та­ци­он­ных те­ле­ско­пов япон­ский, ин­дий­ский, ки­тай­ский и ав­стра­лий­ский де­тек­тор:

Ис­точ­ник