МОСКВА, 1 июн – РИА Новости. Гравитационный детектор LIGO зафиксировал следы слияния необычной пары черных дыр. Это открытие указало на возможность объединения черных дыр в пары через долгое время после их формирования и подтвердило теорию относительности Эйнштейна. Выводы ученых были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
"Всех интересовало то, какая теория гравитация верна – эйнштейновская теория или десятки других альтернативных теорий. Новые данные показывают, хотя и с достаточно невысокой точностью, что результаты наблюдений укладываются в прокрустово ложе формул общей теории относительности. Она работает, и пока не нужно искать ей замену", — рассказывает Сергей Вятчанин, физик из МГУ имени М.В. Ломоносова и участник коллаборации LIGO.
Гравитационная Вселенная
Детектор гравитационных волн LIGO был построен в 2002 году по проектам и планам, разработанным Кипом Торном, Райнером Вайссом и Рональдом Древером в конце 80-х годов прошлого века. На первой стадии работы, длившейся восемь лет, LIGO не удалось обнаружить "эйнштейновские" колебания пространства-времени, после чего детектор отключили и последующие четыре года ученые потратили на его обновление и повышение чувствительности.
Усилия оправдали себя – в сентябре 2015 года, фактически сразу после включения обновленного LIGO, ученые обнаружили всплеск гравитационных волн, порожденных сливающимися черными дырами общей массой в 53 Солнца. Впоследствии, LIGO зафиксировал еще два всплеска гравитационных волн, только один из которых был официально признан научным сообществом.
В начале января прошлого года LIGO был отключен, и последующие 11 месяцев ученые потратили на обновление инструментов детектора и починку сломавшихся или некорректно работавших систем. В декабре прошлого года LIGO официально вернули в строй, и оба детектора обсерватории, построенные в Ливингстоне и Хэнфорде, уже полгода наблюдают за космосом.
На этой неделе Дэвид Шумейкер (David Shoemaker), руководитель коллаборации LIGO, и его коллеги рассказали о первых итогах наблюдений в этом году. Детектору, как рассказали ученые, удалось зафиксировать третий всплеск гравитационных волн, порожденный сливающимися черными дырами, а также зафиксировать шесть других событий, претендующих на то, чтобы так называться.
Этот сигнал, получивший имя GW170104, был получен учеными фактически сразу после включения LIGO, 4 января примерно в час дня по московскому времени. Его обнаружили, как вспоминает Шумейкер, благодаря внимательности одного из аспирантов Германии.
Он заметил следы этого всплеска в данных, поступавших с одного из двух детекторов обсерватории, но почему-то второй детектор не "видел" сигнал, явно присутствовавший в получаемой им информации. Впоследствии выяснилось, что система автоматического обнаружения гравитационных волн была настроена неправильно, и всплеск могли не заметить, если бы его случайно не увидел молодой ученый.
Космическая "юла"
Событие GW170104, как рассказал журналистам Шумейкер, интересно по нескольким причинам. Во-первых, оно вызвано слиянием ранее неизвестного типа черных дыр большой массы, ось вращения одной из которых была или наклонена в сторону, или сама черная дыра вращалась в противоположном направлении по сравнению с своей соседкой.
Это важно по той причине, что пары черных дыр такого типа могут возникать только в том случае, если они рождаются не вместе, внутри двойной или тройной звездной системы, а по-отдельности, и образуют пару через достаточно большое время после их формирования. Раньше ученые сомневались в возможности появления подобных пар черных дыр, и открытие LIGO показывает, что это все же может происходить.
Во-вторых, эти черные дыры имеют относительно большую массу – первая из них тяжелее Солнца примерно в 31 раз, а вторая — в 20 раз. Это означает, что черные дыры в таком промежутке масс формируются достаточно часто.
Астрономы аналогичным образом не были уверены, что такие дыры-"тяжеловесы" могут возникать в современной Вселенной внутри плотных скоплений звезд, и открытие GW170104 показывает, что сверхтяжелые звезды, состоящие полностью из водорода и гелия, возникали и через несколько миллиардов лет после Большого взрыва.
Кроме того, ученым удалось показать, что гравитационные волны разных частот не рассеиваются при движении через пространство, что подтвердили выкладки общей теории относительности, и уточнить верхнюю границу массы гравитона – гипотетической частицы, отвечающей за перенос гравитационных взаимодействий.
С другой стороны, это открытие сделало некоторые другие вопросы, касающиеся гравитационных волн, еще более непонятными и загадочными. Самым главным из них является то, что LIGO пока так и не удалось обнаружить гравитационные сигналы, вырабатываемые парами нейтронных звезд, который Кип Торн и другие основатели обсерватории ожидали увидеть до того, как детектор "услышит" черные дыры.
"Пульсары мы опять не обнаружили. Почему – о возможных причинах этого можно говорить сколько угодно, поймем мы это только тогда, когда мы их найдем. Пока мы фиксируем слишком мало всплесков всех типов – получается, что у нас происходит по одному обнаружению в год, а хотелось бы иметь по одному событию в месяц", — продолжает Вятчанин.
Гравитационные горизонты
По мнению Шумейкера, обсерватория сможет обнаружить пульсары только в том случае, если чувствительность детекторов будет повышена в два раза по сравнению с тем, чего удалось добиться российским и западным физикам во время прошлогоднего "отпуска" LIGO.
"Мы работали над повышением чувствительности LIGO двумя путями – повышая мощность лазеров и закачивая "сжатый вакуум" в сигнальный порт. Нам удалось немного повысить мощность, хотя мы не достигли того усиления, которого планировали добиться, и в целом нам удалось повысить чувствительность детекторов и поле их зрения на несколько десятков процентов", — поясняет физик из МГУ.
Кроме того, по словам Вятчанина, для поиска пульсаров нужны и большие вычислительные ресурсы — порождаемый ими сигнал практически невозможно увидеть "невооруженным глазом", подобно тем всплескам гравитационных волн, которые вырабатывают черные дыры на последних витках перед их слиянием. Поэтому пульсары, как ожидают ученые, будут найдены LIGO в ходе последующих сессий работы детектора.
Очередной "отпуск" обсерватории начнется совсем скоро, в августе этого года. За это время, как ожидают физики, чувствительность LIGO заметно вырастет за счет повышения мощности лазеров каждого из детекторов и понижения уровня шума в них. Кроме того, летом начнет свою работу VIRGO, европейский "кузен" LIGO, что также повысит вероятность открытия пульсаров в следующей сессии работы обсерватории, которая начнется в конце 2018 года.
Как пояснил Шумейкер РИА "Новости", он надеется, что обновление LIGO поможет ему видеть не только пульсары, но и более экзотические объекты.
"Мы давно рассматриваем возможность того, что мы сможем видеть и вспышки сверхновых. У нас есть небольшая команда, которая следит за их возможными сигналами в данных LIGO и просчитывает модели того, как они могут излучать гравитационные волны. В принципе, мы открыты для изучения любых сигналов, которые могут получить наши три детектора, к примеру, пульсаров, имеющих неидеально сферическую форму", — пояснил ученый.
По его словам, поиск подобных сигналов затруднен не только тем, что они достаточно слабы, но и тем, что вращение Земли по орбите "растягивает" и "сжимает" сигнал, поступающий от подобных нейтронных звезд.
Коррекция этих искажений требует огромных вычислительных мощностей, что мешает масштабным поискам "эйнштейновских" колебаний, порождаемых асимметричными пульсарами. Сейчас ученые используют для подобных вычислений компьютеры добровольцев в рамках сети Einstein @ Home. Как мечтает Шумейкер, в конечном итоге все эти усилия приведут к открытию новых источников волн и объектов.
