14 сентября 2015 года Земля почувствовала едва заметную вибрацию — очень слабый сигнал, названный позже подобным щебетанию птицы. Была это пульсация пространства-времени, никогда ранее не наблюдаемая непосредственно. Это была гравитационная волна.
Объявление об этом открытии, значащем большой прорыв в астрофизических исследованиях, было сделано 11 февраля 2016 года. Результат подтвердил существование гравитационных волн, гипотезу о которых выдвинул Альберт Эйнштейн столетием ранее в своей общей теории относительности.
Первый сигнал, зарегистрированный на Земле, показал вихревой танец двух черных дыр, приближавшихся друг к другу и слившихся. Гравитационные волны от этого события распространялись 1,4 миллиарда лет, прежде чем дошли до интерферометров LIGO в США и Virgo в Каскине (близ Пизы).
Найти гравитационные волны – задача непростая.
Гравитационные волны — это колебания пространства-времени, вызванные ускорением масс.
Первоначально были предложены Оливером Хевисайдом в 1893 году, а затем Анри Пуанкаре в 1905 году. Лишь в 1916 году Альберт Эйнштейн продемонстрировал, что гравитационные волны являются результатом его 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 высокотехнологичных приборов и анализа данных. Лазерная интерферометрия является одним из основных методов. Ее основана на чувствительной интерференции световых волн для выявления бесконечно малых изменений длины прибора.
Лазерные интерферометры, например LIGO и Virgo, представляют собой системы из длинных L-образных рукавов протяженностью в несколько километров, по которым движется лазерный луч. Прохождение гравитационной волны через Землю вызывает деформации пространства-времени, которые изменяют траекторию света. Измерение разницы фаз между лазерными лучами, проходящими через рукава, позволяет с высокой точностью обнаружить эти изменения длины.
Главная сложность поиска гравитационных волн – отделение их сигнала от помех окружающего мира.
Гравитационные волны невероятно слабы. Приходя на Землю от событий в космосе, например слияния чёрных дыр или далеких нейтронных звёзд, воздействие их на длину измерений пренебрежимо мало, величиной долей атомного размера. Для регистрации этих сигналов требуется аппаратура исключительной чувствительности и мощные аналитические способности, чтобы отличить настоящие сигналы от шума и артефактов.
Косвенное доказательство
Первое доказательство существования гравитационных волн получено в 1974 году благодаря движению бинарной системы нейтронных звезд PSR B1913+16. Одна из звезд — пульсар, испускающий радиочастотные электромагнитные импульсы при вращении через точные и регулярные промежутки времени.
Рассел Халс и Джозеф Тейлор показали, что со временем частота импульсов уменьшается. Звезды постепенно движутся по спирали навстречу друг другу с потерей энергии, которая совпадает с ожидаемой энергией, излучаемой в виде гравитационных волн.
Награду Нобеля по физике в 1993 году получили Халс и Тейлор за эту работу. Поздние наблюдения этого пульсара и других в системах, например PSR J0737-3039, тоже подтвердили теорию общей относительности. Однако это были косвенные доказательства, а не прямые обнаружения явления.
Первая прямая регистрация гравитационных волн.
В 09:50:45 UTC 14 сентября 2015 года детектиры интерферометра LIGO в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана) зарегистрировали неожиданный сигнал. LIGO работала на полную мощность, но еще не начала поисковую фазу, запланированную на 18 сентября. Поэтому первоначально возникал вопрос: были ли эти сигналы реальными обнаружениями или имитацией для тестирования?
Сигнал продолжался более 0,2 секунды, за которые его частота и амплитуда возросли от 35 до 250 Гц. Три минуты спустя после приема сигнала активировалось автоматическое предупреждение о вероятном обнаружении.
После оповещения ряд внутренних писем показал отсутствие тестирования на симуляционных данных и чистоту информации. Это стало первым прямым подтверждением сигнала гравитационной волны.
Подтверждение
Статистический анализ сигнала и соседних данных с 12 сентября по 20 октября 2015 года показал, что событие GW150914 реально. Значимость оценки составила не менее 5,1 сигмы, что эквивалентно 99,99994 %-ному уровню доверия.
Подобный сигнал добрался до Ливингстона за 7 миллисекунд раньше, чем достиг Хэнфорда. Гравитационные волны распространяются со скоростью света, и разность в приходе сигнала равнялась времени прохождения света между двумя объектами.
Во время события детектор гравитационных волн Virgo в Италии проходил обновление и был отключен. При работе его чувствительность могла бы быть достаточной для обнаружения сигнала. Интерферометр GEO600 возле Ганновера, Германия, не обладал такой чувствительностью.
Астрофизическое происхождение
Согласно расчётам учёных, космический исход, породивший сигнал GW150914, произошёл примерно в 1,4 миллиарда световых лет от нас. Изучение сигнала и предполагаемое красное смещение, вызванное удалённостью события, указывают на слияние двух чёрных дыр массой около 30 и 35 солнечных масс, в результате чего образовалась конечная чёрная дыра массой 62 солнечных массы.
Трех солнечных масс не хватило и было излучено в виде гравитационных волн, мощностью, превысившей на 50 раз суммарную мощность света всех звёзд наблюдаемой Вселенной за последние 20 миллисекунд слияния.
За время сигнала (0,2 секунды) относительная орбитальная тангенциальная скорость черных дыр возросла с 30 до 60% скорости света. Орбитальная частота в 75 Гц свидетельствует о том, что в момент слияния объекты находились на расстоянии 350 км друг от друга.
В ходе анализа ученые восстановили историю этих черных дыр. Родительские звезды этих объектов должны были образоваться примерно через два миллиарда лет после Большого взрыва и обладать массой, в 40-100 раз большей массы Солнца.
Последующие наблюдения и открытия
С 14 сентября 2015 года LIGO и Virgo сообщают о многочисленных наблюдениях гравитационных волн, образующихся при слиянии бинарных систем черных дыр. 16 октября 2017 года коллаборации LIGO и Virgo объявили о первом в истории обнаружении гравитационных волн, возникающих вследствие слияния бинарной системы нейтронных звезд с массами от 0,86 до 2,26 солнечных масс.
В отличие от бинарных слияний черных дыр, ожидается, что бинарные слияния нейтронных звезд дадут электромагнитный аналог — световой сигнал, связанный с этим событием. Космический телескоп Fermi Gamma-ray Space Telescope НАСА действительно обнаружил гамма-всплеск GRB 170817A. Он произошел через 1,7 секунды после переходного сигнала, представляющего собой гравитационную волну.
В 2021 году детекторы LIGO и VIRGO обнаружили первые гравитационные волны, исходящие от бинарной системы нейтронная звезда-черная дыра. Это дало возможность определить пределы количества подобных систем.
В июне 2023 года NANOGrav представил данные за 15 лет, демонстрирующие первое свидетельство стохастического фона гравитационных волн – настоящий фоновый рокот Вселенной. Данный сигнал проявляется как непрерывное шумовое воздействие из-за непрерывной суперпозиции и комбинации составляющих его гравитационных волн, остававшееся неизведанным до этого момента.