Прошло десять лет с тех пор, как были впервые зарегистрированы гравитационные волны. В честь этой годовщины Научная коллаборация LIGO, Virgo и KAGRA объявила о подтверждении предсказания Стивена Хокинга касательно площади горизонта событий черной дыры.
14 сентября 2015 года исполнилось 10 лет со дня, как два детектора Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (NSF LIGO) впервые в истории зафиксировали гравитационные волны. Эти волны содержат сведения о двух удаленных черных дырах, которые вращались вокруг друг друга по спирали и впоследствии объединились. Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн столетие назад. Сигнал, исходящий от слияния двух черных дыр с массой приблизительно 30 солнечных масс, достиг Земли со скоростью света около 1,3 миллиарда лет.
Кип Торн, лауреат Нобелевской премии по физике за 2017 год, рассказывает о начале реализации проекта: «В 1972 году Рэй Вайсс выдвинул идею создания LIGO, и я посчитал, что вероятность ее успешной реализации невелика. Для того чтобы убедиться в перспективности этой концепции, потребовалось три года размышлений и обсуждений с Рэем и Владимиром Брагинским, профессором физического факультета МГУ. Техническая задача по уменьшению нежелательных шумов, мешающих регистрации полезного сигнала, представляла собой огромную трудность. Нам пришлось разработать принципиально новую технологию».
В настоящее время более 1600 ученых из разных стран мира принимают участие в проекте LIGO в рамках международного научного сотрудничества.
С 1992 года группа ученых из Московского университета, являющаяся частью научной коллаборации LIGO, принимает участие в проекте. До самой смерти руководителем группы был профессор физического факультета МГУ, член-корреспондент РАН Владимир Брагинский – выдающийся ученый, один из основоположников исследований гравитационных волн в мире. В состав научной группы входят профессора кафедры физики колебаний физического факультета МГУ: Игорь Биленко, Сергей Вятчанин, Владимир Митрофанов, а также физики Ярослав Клочков и Альберт Назмиев. Значительный вклад в исследования вносят студенты и аспиранты кафедры.
«Десять лет назад ученые зарегистрировали гравитационные волны, которые предсказывала общая теория относительности. Теперь экспериментально подтверждена еще одна значительная научная концепция, касающаяся характеристик черных дыр. Подтверждение и развитие научных идей происходит благодаря впечатляющим экспериментальным комплексам, разработанным учеными и инженерами, которые создают уникальные технологии, опирающиеся на новые научные открытия. «Сколько неожиданного и интересного ждет нас впереди», – отмечает профессор физического факультета МГУ Владимир Митрофанов.
В настоящее время российская группа ученых ведет работы над проектом создания криогенного детектора гравитационных волн LIGO Voyager. Для изготовления пробных масс будут использоваться монокристаллы кремния высокой степени чистоты, которые затем будут охлаждены до очень низких температур. Еще одно направление исследований посвящено разработке инновационных способов повышения чувствительности детекторов гравитационных волн, позволяющих преодолеть Стандартный квантовый предел.
«Для меня годовщина открытия гравитационных волн – это прежде всего возможность отдать дань памяти Владимиру Борисовичу Брагинскому, сыгравшему ключевую роль в создании этого выдающегося и значимого проекта. Он стоял у истоков фундаментальных исследований, посвященных LIGO, на физическом факультете МГУ: разработка малошумных кварцевых подвесов, определение стандартного квантового предела чувствительности гравитационно-волновых детекторов, анализ параметрической неустойчивости, расчет тепловых шумов и многое другое. «Мы стараемся достойно продолжать его дело», – отмечает профессор физического факультета МГУ Сергей Вятчанин.
В настоящее время обсерватория LIGO проводит регулярные наблюдения и фиксирует примерно одно слияние черных дыр каждые три дня. LIGO функционирует совместно с двумя международными партнерами: детектором гравитационных волн Virgo, расположенным в Италии, и KAGRA в Японии. Объединенные усилия коллаборации LVK (LIGO, Virgo, KAGRA) позволили зарегистрировать приблизительно 300 слияний черных дыр; часть из них получила подтверждение, а остальные требуют дополнительного изучения. В ходе текущего этапа наблюдений, который является четвертым с момента начала работы в 2015 году, LVK выявила около 220 потенциальных слияний черных дыр, что в два раза превышает количество, зарегистрированное в предыдущих трех циклах.
За последнее десятилетие количество открытий, сделанных благодаря LVK, значительно увеличилось, что связано с рядом улучшений в их детекторах, некоторые из которых используют современные квантовые технологии. Детекторы LVK по-прежнему являются самыми точными измерительными приборами, когда-либо созданные человеком. Воздействия на пространство-время, вызванные гравитационными волнами, крайне незначительны. К примеру, LIGO фиксирует изменения пространства-времени, которые меньше одной десятой размера протона.
Улучшенная чувствительность детектора LIGO была показательно подтверждена недавним открытием слияния черных дыр, получившего обозначение GW250114 (цифры указывают на дату достижения Земли сигналом гравитационных волн – 14 января 2025 года). Это открытие не имеет существенных отличий от первого зарегистрированного LIGO (GW150914) – в обоих случаях было зафиксировано столкновение черных дыр, находящихся на расстоянии примерно в 1,3 миллиарда световых лет от Земли, с массами, эквивалентными 30–40 массам Солнца. Однако, благодаря десяти годам работы, направленных на уменьшение фоновых шумов, сигнал GW250114 стал более различимым. Новое исследование GW250114 опубликовано в Physical Review Letters.
Изучая частоты гравитационных волн, возникающих при слиянии черных дыр, ученые из команды LVK получили наиболее точные на сегодняшний день наблюдательные подтверждения теоремы о площади черной дыры – концепции, предложенной Стивеном Хокингом в 1971 году. Согласно этой теории, общая площадь горизонта событий черных дыр не может сокращаться. При слиянии массы черных дыр складываются, что приводит к увеличению площади их поверхности. Вместе с тем, они теряют энергию посредством гравитационных волн. Также, слияние может вызвать увеличение скорости вращения объединенной черной дыры, что потенциально уменьшает ее площадь. Теорема о площади черной дыры постулирует, что, несмотря на противодействующие факторы, общая площадь поверхности должна возрастать. Позже Хокинг и его соавторы установили, что площадь черной дыры связана с ее энтропией, то есть степенью беспорядка. Эти открытия стали основой для последующих передовых исследований в области квантовой гравитации, стремящихся объединить общую теорию относительности и квантовую механику – два фундаментальных направления современной физики.
Благодаря работе LIGO ученым удалось зафиксировать слияние двух черных дыр в одну, что стало подтверждением теоремы Хокинга (в момент наблюдения не функционировали Virgo и KAGRA). Исходная площадь поверхности черных дыр составляла 240 000 квадратных километров, а после слияния она достигла примерно 400 000 квадратных километров – это свидетельствует о значительном увеличении. Это уже вторая верификация теоремы о площади черных дыр; первая была осуществлена в 2021 году на основе данных первого сигнала GW150914, однако из-за меньшей точности этих данных, уровень достоверности результатов составил 95%, в то время как для новых данных он достиг 99,999.
Наибольшие трудности при проведении данного анализа возникли при расчете общей площади поверхности слившейся черной дыры. Определение площадей поверхности черных дыр до их слияния представляется более простым, когда пара черных дыр закручивается по спирали, деформируя пространство-время и генерируя гравитационные волны. Однако после слияния черных дыр сигнал становится менее выраженным. В течение этого, так называемого, этапа спада черная дыра колеблется, как звучащий колокол.
Новое исследование предоставило возможность точного измерения характеристик фазы звона, что позволило ученым вычислить массу и спин черной дыры, а также определить площадь ее поверхности. Впервые удалось с уверенностью выделить две отдельные моды гравитационных волн в фазе звона. Эти моды аналогичны звукам, издаваемым колоколом при ударе – они имеют близкие частоты, но затухают с различной скоростью, что усложняет их распознавание. Благодаря улучшенным данным, полученным при наблюдении GW250114, команде удалось выделить эти моды и подтвердить, что звон черной дыры проявился в соответствии с математическими моделями, основанными на формализме С. Тьюкольского, разработанном в 1972 году.
Новое исследование, проведенное LVK и опубликованное в Physical Review Letters, определяет границы предсказуемого третьего, наиболее высокого тона в сигнале GW250114 и содержит одни из самых строгих проверок точности общей теории относительности, когда речь идет об описании слияния черных дыр.
За последнее десятилетие обсерватории LIGO и Virgo зафиксировали слияние и столкновение пар нейтронных звезд, сопровождавшееся образованием килоновой. Нейтронные звезды, как и черные дыры, формируются в результате взрывной гибели массивных звезд, однако они обладают меньшей массой и характеризуются свечением. Данное событие произошло в августе 2017 года. В тот момент к детекторам LIGO подключился детектор Virgo, что обеспечило достаточно точное определение местоположения источника на небесной сфере. Астрономические обсерватории по всему миру зафиксировали электромагнитное излучение в широком диапазоне, от высокоэнергетического гамма-излучения до низкоэнергетических радиоволн, тем самым задокументировав данное событие. Этот комплексный астрономический феномен стал первым случаем одновременной регистрации как электромагнитных, так и гравитационных волн, возникших в рамках одного космического события. В настоящее время LVK продолжает информировать астрономическое сообщество о потенциальных слияниях нейтронных звезд, после чего телескопы используются для поиска признаков килоновых.
Научные открытия, сделанные LVK, охватывают широкий спектр явлений, включая первое зафиксированное столкновение нейтронной звезды и черной дыры. Также были обнаружены асимметричные слияния, при которых одна черная дыра существенно превосходит по массе свою пару. Кроме того, LVK выявил самые легкие известные черные дыры, что вызывает сомнения в гипотезе о существовании «пробела масс» между нейтронными звездами и черными дырами. На текущий момент зафиксировано самое массивное слияние черных дыр, при котором объединенная масса составила 225 солнечных масс.
Задолго до начала работы LIGO и сбора данных, ученые заложили основу для развития гравитационно-волновой науки. В частности, значительные успехи в компьютерном моделировании слияния черных дыр позволили исследователям извлекать и анализировать слабые гравитационно-волновые сигналы, возникающие в различных точках Вселенной.
В последующие годы специалисты LVK намереваются усовершенствовать свои инструменты, увеличивая дальность их действия для исследования глубин космоса. Помимо этого, они планируют применить накопленный опыт при создании нового детектора гравитационных волн – LIGO India. Третья обсерватория LIGO позволит существенно улучшить определение местоположения источников гравитационных волн в сети LVK.
Прогнозируя перспективы развития, можно отметить, что команда разрабатывает концепцию детектора еще большего размера, получившего название Cosmic Explorer. Его длина плеч достигнет 40 километров, что значительно превышает параметры обсерваторий LIGO, где этот показатель составляет 4 километра. Европейский проект Einstein Telescope также предполагает создание одного или двух масштабных подземных интерферометров с длиной плеч свыше 10 километров. Такие обсерватории позволят исследователям фиксировать самые ранние слияния черных дыр в истории Вселенной.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ