LIGO обнаруживает третий набор гравитационных волн

  • 13-11-2020
  • комментариев

Танцующий дуэт черных дыр. LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State / Аврора Симоннет

LIGO сделал это снова! В третий раз за 18 месяцев ученые из Обсерватории гравитационных волн с лазерным интерферометром (также известной как LIGO) наблюдали гравитационные волны, рассеянные от места сильного космического столкновения. Документ с подробным описанием открытия был опубликован сегодня в Physical Review Letters.

Давным-давно, примерно в 3 миллиардах световых лет от нас, две черные дыры оказались запертыми в драматической смертельной спирали, в конечном итоге столкнувшись с образованием еще большей черной дыры. Их грандиозный взрыв послал космические колебания - рябь в самой ткани пространства и времени - через вселенную, сигнал, который был уловлен парой специальных детекторов LIGO здесь, на Земле, в начале этого года. Объявленное сегодня третье подтвержденное событие, зарегистрированное LIGO, может быть его самым захватывающим наблюдением.

LIGO, финансируемый Национальным научным фондом (NSF), представляет собой международное сотрудничество на сумму 1 миллиард долларов, в котором сотни ученых работают вместе над наблюдением и изучением гравитационных волн с использованием набора идентичных интерферометров, которые предназначены для регистрации интерференции или вариаций световых волн. В настоящее время установлен один детектор в Ливингстоне, штат Луизиана, и один в Хэнфорде, штат Вашингтон. Третье место в Европе будет запущено позже этим летом. В конце концов ученые надеются разместить пять таких обсерваторий по всему миру.

Каждый детектор состоит из двух трубок длиной 2,5 мили (известных как руки) с зеркалами на каждом конце. Трубки расположены в форме буквы «L», и луч лазерного света направляется вниз по рычагам, отражаясь от зеркал. Если гравитационная волна пересечет луч света, она создаст предсказуемую сигнатуру, колебание, которое ученые затем идентифицируют в данных.

Сразу после двух часов ночи 4 января 2017 года над Землей прошла гравитационная волна, в результате чего руки детектора Хэнфорда задрожали. Через три секунды такая же дрожь была зафиксирована в Ливингстоне - свидетельство того, что обнаружение было произведено.

В замысле художника изображены две сливающиеся черные дыры, похожие на те, что обнаружил LIGO. LIGO / Caltech / MIT / Штат Сонома

LIGO совершила крупный научный прорыв в 2016 году, когда было объявлено о первом обнаружении, потому что до этого момента гравитационные волны были чисто теоретическими. Столетие назад Эйнштейн впервые предсказал существование гравитационных волн в рамках своей общей теории относительности, которая гласит, что пространство и время - это не две отдельные сущности, а часть динамической, переплетенной ткани, называемой пространством-временем. Но конкретных доказательств их существования не было, пока это не доказал LIGO.

Подобно ряби на галактическом пруду, гравитационные волны - это рябь в ткани пространства и времени, вызванная движением массивных объектов, таких как две сталкивающиеся черные дыры. Путешествуя по Вселенной, они растягивают и сжимают объекты в субатомном масштабе. Что делает это таким невероятным, так это то, что позволяет нам взглянуть на Вселенную совершенно по-новому. Открыв эту новую дверь во Вселенную, мы сможем разгадать некоторые из ее самых больших загадок - например, как образуются черные дыры.

Первое открытие LIGO доказало, что двойные черные дыры существуют. Это означает, что черные дыры могут приходить парами, вращаясь вокруг друг друга. Это открытие также говорит нам, что если пара черных дыр замкнута в орбитальном танце, в конечном итоге они объединятся, чтобы сформировать еще большую черную дыру. Последнее открытие говорит нам еще больше. Дуэт в этом обнаружении, по оценкам, находится на расстоянии около 3 миллиардов световых лет, что более чем в два раза дальше, чем первые две находки - примерно 1,3 и 1,4 миллиарда световых лет соответственно.

Последнее обнаружение, получившее название GW170104, включало две черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга в хореографическом орбитальном танце, пока они не врезались друг в друга, образуя при этом большую черную дыру, которая весила в 49 раз больше массы нашего Солнца. была настолько сильной, что часть массы черных дыр - примерно две массы Солнца, или вдвое больше массы Солнца - была преобразована непосредственно в энергию. Это согласуется со знаменитой формулой Эйнштейна (E = mc2), а избыточная энергия - по оценкам, больше, чем все звезды и галактики во Вселенной производят в любое время - это то, что вызвало вспышку гравитационной волны.

До LIGO физики не знали, могут ли звезды коллапсировать в черные дыры, масса которых более чем в 20 раз превышает массу Солнца. Но благодаря этим наблюдениям теперь они знают, что черные дыры с тяжелыми звездными массами могут существовать и, скорее всего, образуются из звезд с низкой металличностью (то есть они состоят в основном из водорода и гелия).

«Небольшое количество обнаруженных нами на данный момент обнаружений раскрывает интригующую популяцию черных дыр, о существовании которой мы не подозревали до сих пор», - заявила в пресс-релизе Вики Калогера, старший астрофизик из Northwestern и LIGO Scientific Collaboration (LSC).

LIGO обнаружила новую популяцию черных дыр с массами больше, чем то, что наблюдалось ранее только с помощью рентгеновских исследований (фиолетовый). Три подтвержденных обнаружения LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) и одно обнаружение с низкой достоверностью (LVT151012) указывают на популяцию двойных черных дыр звездной массы, которые после слияния превышают 20 солнечных масс - больше, чем был известен раньше. LIGO / Caltech / MIT / Штат Сонома

Астрономы также смогли определить спин каждой черной дыры. Подобно волчку, черная дыра вращается вокруг своей оси, когда вращается вокруг другой черной дыры. Направление вращения может многое рассказать нам о том, как образовалась эта двойная система. Большой вопрос, который бросал вызов физикам в течение некоторого времени, заключается в том, образуются ли бинарные черные дыры вместе или формируются отдельно, а позже соединяются?

Для GW170104 ответ теперь ясен: эта пара черных дыр соединилась позже в жизни. Проанализировав данные, команда обнаружила, что две черные дыры-прародители имеют противоположные спины, что означает, что они не могли образоваться из пары двойных звезд. Две черные дыры сформировались независимо друг от друга, а затем соединились в некой космической перетасовке, которая могла произойти в плотном звездном скоплении.

«Это первый раз, когда у нас есть свидетельства того, что черные дыры могут не выровняться, что дает нам лишь крошечный намек на то, что двойные черные дыры могут образовываться в плотных звездных скоплениях», - пояснил исследователь LIGO С.Б. Сатьяпракаш из Университета штата Пенсильвания.

Это третье открытие снова доказывает, что Эйнштейн был прав. Он предсказал, что гравитационные волны не будут рассеиваться при перемещении в космосе, и сигнал GW170104 является подтверждением его предсказания. Источник сигнала гравитационной волны находился вдвое дальше, чем первые два события, и команда LIGO не заметила никаких признаков рассеивания.

Ну и что дальше? LIGO в настоящее время находится в разгаре своего второго цикла наблюдений, который начался в ноябре и продлится до августа, когда детекторы будут отключены для нового цикла обновлений. Европейский детектор VIRGO должен появиться этим летом. Также планируется установить детекторы в Индии и Японии. Эти средства помогут повысить нашу способность обнаруживать эти неуловимые волны, а также помогут ученым более точно определить их происхождение.

Майк Лэндри из Калифорнийского технологического института и директор Хэнфордской обсерватории объяснили, что обновления улучшат наш доступ в космос. «Мы с нетерпением ждем открытия дополнительных бинарных черных дыр в этом исследовании, а также возможности обнаружения, включающего материю», - пояснил он во время брифинга для СМИ.

Например, Ландри надеется, что LIGO сможет обнаружить свое первое слияние нейтронных звезд во время следующего запуска.

Дэвид Шумейкер, представитель LIGO из Массачусетского технологического института, объяснил во время брифинга, что модернизация и дополнительные обсерватории позволят нам перейти от новизны к науке, позволят нам взглянуть на Вселенную по-другому, создавая более полную картину относительности Эйнштейна.

Эми Томпсон - писательница, занимающаяся вопросами космоса. Вы можете найти ее в Twitter @astrogingersnap.

комментариев

Добавить комментарий