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