14 сентября 2015 года на Земле возникла почти незаметная вибрация — очень слабый сигнал, который позже описали как похожий на щебетание птицы. Это была пульсация пространства-времени, которая никогда ранее не была непосредственно обнаружена. Это была гравитационная волна.
Объявление об этом необычном открытии, означавшем огромный скачок вперед в астрофизических исследованиях, было сделано 11 февраля 2016 года, восемь лет назад. Результат окончательно доказал существование гравитационных волн, гипотеза о которых была выдвинута столетием ранее Альбертом Эйнштейном в его теории общей теории относительности.
Рябь пространства-времени в том первом сигнале, зафиксированном на Земле, была вихревым танцем двух черных дыр, которые сближались друг с другом, пока не слились. Гравитационные волны, порожденные этим событием, распространялись в течение 1,4 миллиарда лет, прежде чем достигли интерферометров LIGO в США и Virgo в Каскине (около Пизы).
Почему так трудно обнаружить гравитационные волны?
Гравитационные волны — это волны, порожденные ускорением масс, которые своей гравитацией деформируют окружающее пространство-время. Эти волны распространяются наружу, вызывая рябь в ткани пространства-времени, и несут в себе энергию в виде гравитационного излучения.
Впервые они были предложены Оливером Хевисайдом в 1893 году, а затем Анри Пуанкаре в 1905 году. Только в 1916 году Альберт Эйнштейн продемонстрировал, что гравитационные волны являются результатом его теории общей теории относительности в виде пульсаций в пространстве-времени. Однако характер приближений Эйнштейна заставил многих, включая самого Эйнштейна, усомниться в этом результате.
Обнаружение гравитационных волн с Земли — сложная задача, требующая сложнейших приборов и тщательного анализа данных. Среди основных используемых методов — лазерная интерферометрия. Она использует чувствительную интерференцию световых волн для обнаружения бесконечно малых изменений в длине прибора.
Лазерные интерферометры, такие как LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) и Virgo, состоят из длинных L-образных рукавов длиной в несколько километров, по которым движется лазерный луч. Когда гравитационная волна проходит через Землю, она вызывает деформации пространства-времени, которые влияют на путь света. Измеряя разность фаз между лазерными лучами, проходящими через рукава, можно с высокой точностью обнаружить эти изменения длины.
Трудность обнаружения гравитационных волн заключается главным образом в технологической задаче изоляции помех от окружающей среды. Небольшие сейсмические движения, вибрации, вызванные движением транспорта, или даже тепловой шум молекул в воздухе могут маскировать сигналы гравитационных волн.
Кроме того, гравитационные волны чрезвычайно слабы. Когда они приходят на Землю от космических событий, таких как слияние черных дыр или далеких нейтронных звезд, их влияние на длину измерений ничтожно мало, порядка долей атомного размера. Это требует чрезвычайно чувствительной аппаратуры. И большие аналитические способности, чтобы отличить реальные сигналы от фонового шума и инструментальных артефактов.
Косвенное доказательство
Доказательство существования гравитационных волн впервые было получено в 1974 году благодаря движению бинарной системы нейтронных звезд PSR B1913+16. В ней одна из звезд является пульсаром, который при вращении испускает радиочастотные электромагнитные импульсы через точные и регулярные промежутки времени.
Рассел Халс и Джозеф Тейлор продемонстрировали, что со временем частота импульсов укорачивается. И что звезды постепенно движутся по спирали навстречу друг другу с потерей энергии, которая в точности соответствует ожидаемой энергии, излучаемой как гравитационная энергия в виде волн.
За эту работу Халс и Тейлор были удостоены Нобелевской премии по физике в 1993 году. Дальнейшие наблюдения этого пульсара и других в нескольких системах, таких как система двойного пульсара PSR J0737-3039, также впоследствии подтвердили теорию общей относительности. Однако это были косвенные свидетельства, а не реальные обнаружения явления.
Первое прямое наблюдение гравитационных волн
В 9:50:45 UTC 14 сентября 2015 года неожиданный сигнал достиг детекторов интерферометра LIGO в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана). Детекторы LIGO работали на полную мощность, но еще не приступили к поисковой фазе, которая должна была начаться 18 сентября. Поэтому изначально вопрос заключался в том, были ли эти сигналы реальными обнаружениями или имитацией для тестирования.
Сигнал длился более 0,2 секунды и за это время увеличился по частоте и амплитуде с 35 до 250 Гц. Через 3 минуты после получения сигнала включилось автоматическое предупреждение о возможном обнаружении.
После предупреждения последовательность внутренних сообщений электронной почты подтвердила, что никаких тестов на симулированных данных не проводилось и что данные чисты. Это было первое прямое обнаружение сигнала гравитационной волны.
Подтверждение
Более детальный статистический анализ сигнала и 16 дней окружающих данных в период с 12 сентября по 20 октября 2015 года подтвердил, что это событие, названное GW150914, является реальным. Оценка значимости составила не менее 5,1 сигмы, что соответствует 99,99994 %-ному уровню доверия.
Аналогичный сигнал достиг Ливингстона за 7 миллисекунд до прибытия в Хэнфорд. Гравитационные волны распространяются со скоростью света, и расхождение в прибытии сигнала соответствовало времени прохождения света между двумя объектами.
Во время события детектор гравитационных волн Virgo в Италии был отключен и находился в процессе обновления. Если бы он работал, то, вероятно, был бы достаточно чувствителен, чтобы обнаружить сигнал. А вот интерферометр GEO600, расположенный вблизи Ганновера, Германия, оказался недостаточно чувствительным, чтобы обнаружить сигнал.
Астрофизическое происхождение
По оценкам ученых, космическое событие, породившее сигнал GW150914, произошло на расстоянии около 1,4 миллиарда световых лет. Анализ сигнала, а также предполагаемое красное смещение, обусловленное расстоянием до события, позволили предположить, что он был получен в результате слияния двух черных дыр с массами около 30 и 35 солнечных масс, в результате чего образовалась конечная черная дыра с массой 62 солнечных масс.
Недостающие 3 солнечные массы были излучены в виде гравитационных волн, и было подсчитано, что в течение последних 20 миллисекунд слияния мощность излучаемых волн в 50 раз превышала суммарную мощность света, излучаемого всеми звездами в наблюдаемой Вселенной.
За 0,2-секундную продолжительность детектируемого сигнала относительная орбитальная тангенциальная скорость черных дыр увеличилась с 30 до 60 % от скорости света. Орбитальная частота в 75 Гц указывает на то, что в момент слияния объекты находились на расстоянии всего 350 км друг от друга.
На основе дальнейшего анализа ученые также реконструировали историю этих черных дыр, родительские звезды которых должны были сформироваться примерно через 2 миллиарда лет после Большого взрыва и иметь массу, в 40-100 раз превышающую массу Солнца.
Последующие наблюдения и открытия
С 14 сентября 2015 года LIGO и Virgo сообщили о многочисленных наблюдениях гравитационных волн, возникающих при слиянии бинарных систем черных дыр. 16 октября 2017 года коллаборации LIGO и Virgo объявили о первом в истории обнаружении гравитационных волн, возникающих в результате слияния бинарной системы нейтронных звезд с массами от 0,86 до 2,26 солнечных масс.
В отличие от бинарных слияний черных дыр, бинарные слияния нейтронных звезд, как ожидалось, должны давать электромагнитный аналог, то есть световой сигнал, связанный с этим событием. Гамма-всплеск, GRB 170817A, действительно был обнаружен космическим телескопом Fermi Gamma-ray Space Telescope НАСА. Он произошел через 1,7 секунды после переходного сигнала, представляющего собой гравитационную волну.
В 2021 году было объявлено о первом обнаружении гравитационных волн от бинарной системы нейтронная звезда-черная дыра детекторами LIGO и VIRGO. Это позволило сначала установить ограничения на количество таких систем.
В июне 2023 года NANOGrav опубликовал данные за 15 лет, содержащие первое свидетельство стохастического фона гравитационных волн. Это настоящий фоновый рокот Вселенной. Он проявляется как непрерывный сигнал из-за непрерывной суперпозиции и комбинации составляющих его гравитационных волн. До этого момента он всегда оставался необнаружимым.