Создан самый точный прибор для регистрации гравитационных волн

Новости МирТесен

Астрофизики из Университета Глазго сообщили о выходе нового, обширного каталога гравитационно-волновых событий, который уже признан значительным шагом в развитии гравитационной астрономии. Ученые из Института гравитационных исследований представили Gravitational Wave Transient Catalogue-5.0 (GWTC-5), доступный для онлайн-просмотра, а научные статьи, посвященные этому каталогу, отправлены в журналы Astrophysical Journal и Astrophysical Journal Letters.

Новое обновление включает информацию о 161 новом сигнале о слиянии черных дыр, зафиксированном с апреля 2024 года по январь 2025 года детекторами LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии, объединенными в коллаборацию LVK. Таким образом, общее число зарегистрированных гравитационно-волновых сигналов на текущий момент достигло 390.

В представленной подборке особое место занимают важные открытия, включая подтверждение существования черных дыр второго поколения, наиболее точное на сегодняшний день определение местоположения источника гравитационных волн на небе, а также первое измерение трех колебательных модальностей черной дыры. Специалисты по астрофизике из Университета Глазго вносят существенный вклад в исследования гравитационных волн, начиная с 1970-х годов. Они возглавляли процесс создания высокочувствительных систем подвески зеркал, являющихся основой американской лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории NSF LIGO, благодаря чему стало возможным выявление этих сигналов.

Начиная с момента первого зарегистрированного прямого наблюдения, произошедшего в сентябре 2015 года, исследователи активно взаимодействуют с международной коллаборацией LVK. Это сотрудничество направлено на совершенствование работы детекторов и методов анализа данных, что позволяет фиксировать все больше гравитационных волн с повышением точности оборудования.

В ходе наблюдений детекторы коллаборации фиксируют от трех до четырех сигналов еженедельно, и предполагается, что будущие сеансы принесут дополнительные научные открытия. Для сбора данных коллаборация использует сеансы наблюдений, которые чередуются с этапами модернизации и калибровки детекторов. В связи с этим каталог гравитационно-волновых событий, содержащий проверенные данные и характеристики источников, обновляется и предоставляется научному сообществу примерно раз в полгода.

По словам доктора Дэниела Уильямса, научного сотрудника Института гравитационных исследований и сопредседателя рабочей группы по компактным двойным системам в рамках научной коллаборации LSC, это обновление стало новым достижением, которое значительно увеличило и углубило наше понимание Вселенной, предоставив возможность изучать ее наиболее скрытые объекты — черные дыры, сливающиеся друг с другом.

Первое обнаружение гравитационных волн, исходящих от подобных событий, было зафиксировано лишь десять лет назад. Сегодняшняя возможность регистрировать и анализировать сотни таких волн – яркое подтверждение усилий сотен специалистов, работающих по всему миру. Исследователи из Университета Глазго активно разрабатывают новые технологии, повышающие чувствительность детекторов, благодаря чему удается улавливать больше сигналов, более детально и от столкновений, происходящих на значительно больших расстояниях, чем это было возможно десять лет назад.

Специалисты из института возглавляют создание ключевых методик анализа, благодаря которым удается получить значительный объем данных из каждого сигнала. Это позволяет расшифровать характеристики черных дыр, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет от Земли, основываясь на измерениях, точность которых достигает доли размера атомного ядра.

Новый каталог, помимо расширения горизонтов, ставших возможными благодаря большому объему данных, содержит ряд обнаружений, которые сами по себе уникальны и устанавливают новые вехи в гравитационно-волновой астрономии. К ним относятся наиболее точная на сегодняшний день фиксация местоположения источника на небе, самый разборчивый из когда-либо зарегистрированных гравитационно-волновых сигналов и подтверждение наличия черных дыр второго поколения.

15 июня 2024 года детекторы LIGO в США и Virgo в Италии зарегистрировали сигнал под обозначением GW240615, который стал наиболее точным в определении небесной локализации среди всех ранее зафиксированных гравитационных волн. Область, где расположен источник, составила всего 6 квадратных градусов, что является незначительной частью всей небесной сферы. Зарегистрированное событие было вызвано слиянием двух черных дыр, масса которых приблизительно равна 26 и 30 солнечных масс, и произошло на расстоянии более 3 миллиардов световых лет от нашей планеты.

По словам Алекса Пападопулоса, аспиранта Института гравитационных исследований, новый каталог GWTC-5 содержит значительно больше данных о гравитационных волнах, что позволит приблизиться к ответу на один из ключевых вопросов космологии: какова скорость расширения Вселенной. Эта скорость характеризуется постоянной Хаббла.

Используя гравитационные волны, можно определить расстояние до слияющихся объектов, либо оценивая его непосредственно по сигналу, либо путем установления местоположения галактики, в которой произошло слияние. Ключевым усовершенствованием GWTC-5 по сравнению с предыдущими каталогами стало включение данных, полученных с детектора Virgo, который был выведен из строя в предыдущий период. Благодаря этому дополнительному детектору, удается значительно повысить точность определения местоположения гравитационно-волновых сигналов в пространстве, что облегчает идентификацию галактики-хозяина для каждого слияния.

Благодаря расширенной библиотеке детектирований анализ стал возможен с использованием 236 сигналов, что почти в два раза превышает предыдущее количество. Каждый отдельный сигнал содержит ограниченный объем данных, однако их совокупность существенно повышает качество получаемых результатов. Эти усовершенствования в целом позволяют определить постоянную Хаббла с беспрецедентной точностью, используя гравитационные волны, и приближают ученых к решению одного из ключевых нерешенных вопросов современной физики.

В Глазго создали и проверили программу, благодаря которой данный анализ можно выполнять более чем в тысячу раз быстрее, несмотря на постоянное увеличение числа гравитационно-волновых сигналов в базе данных.

Выявление гравитационных волн – это не только регистрация сигнала, но и его выделение из помех, которые влияют на детекторы. Для этого необходим очень сложный анализ данных, поэтому интенсивность или выраженность сигнала характеризуется отношением сигнал/шум. Опубликованный сегодня каталог содержит наиболее различимый гравитационно-волновой сигнал, когда-либо зафиксированный, с показателем сигнал/шум, равным 76,9. Этот сигнал, получивший обозначение GW250114, достиг Земли 14 января 2025 года и был вызван слиянием двух черных дыр, имеющих практически идентичные массы (32 и 34 массы Солнца), произошедшим на удалении свыше миллиарда световых лет от нашей планеты.

Благодаря его способности к предельной точности были достигнуты значительные научные достижения, в том числе наиболее точное на текущий момент подтверждение общей теории относительности и проверка теоремы Стивена Хокинга о площади горизонта событий черной дыры. Джон Вейтч, академик Университета Глазго, изучающий сигналы, исходящие от черных дыр, отметил, что благодаря высокой интенсивности сигнала GW250114 появилась возможность сопоставить искривленное пространство-время до и после слияния черных дыр, что позволило установить увеличение общей площади горизонтов событий в соответствии с предписаниями механики черных дыр Хокинга.

В результате слияния образовавшаяся черная дыра испускает гравитационные волны, напоминающие звучание колокола. Исследование этих волн продемонстрировало, что, несмотря на потерю энергии при слиянии в виде гравитационных волн, общая энтропия черных дыр увеличивается, что соответствует второму закону термодинамики. Это свидетельствует о том, что законы термодинамики действуют и для черных дыр, однако, в отличие от обычных тел, их температура понижается с увеличением содержащейся энергии.

В течение октября и ноября 2024 года с промежутком всего в месяц были зарегистрированы два необычных слияния черных дыр: GW241011 и GW241110. Эти события произошли на расстоянии около 700 миллионов и 2,4 миллиарда световых лет от нашей планеты. Анализ определенных параметров этих слияний, включая спин черных дыр (ориентацию и скорость их вращения), позволяет предположить, что эти объекты могли сформироваться в результате более ранних слияний, и, таким образом, являются «черными дырами второго поколения.

Вероятно, эти объекты возникли в областях космоса с высокой плотностью и большим количеством вещества, например, в звездных скоплениях, где черные дыры чаще сталкиваются и объединяются. Увеличение числа зарегистрированных событий дало возможность ученым более детально исследовать и точно характеризовать свойства различных групп черных дыр, и один из научных трудов, сопровождающих каталог, посвящен именно этому вопросу.

Сторм Колломс, аспирантка Института гравитационных исследований, сообщила о своем участии в работе команды, анализировавшей процессы, приводящие к слиянию черных дыр и нейтронных звезд, на основе последних данных наблюдений. В ходе исследования было рассмотрено 267 источников, в том числе 104 новых наблюдения. Такой объем данных позволяет точно определять массы, угловой момент и расстояния до двойных черных дыр, а также анализировать взаимосвязи между этими параметрами. В частности, исследования выявили, что черные дыры с различной массой обладают разными значениями углового момента, что свидетельствует о наличии различных сценариев их формирования, приводящих к образованию уникальных систем.

Ранее опубликованные данные уже указывали на эту закономерность. В частности, пары черных дыр GW241011 и GW241110, характеризующиеся четко определенными высокими значениями спина и различной массой, демонстрируют признаки того, что более массивная черная дыра в каждой паре возникла не в результате коллапса массивной звезды, а в результате слияния двух черных дыр, произошедшего ранее. Эти особенности, свойственные черным дырам, сформированным в результате предыдущих слияний, наблюдаются в общей совокупности, что позволяет предположить, что GW241011 и GW241110 не являются уникальными случаями, а подтверждают распространенную тенденцию.

В настоящее время появляется все больше свидетельств того, что во Вселенной существуют альтернативные способы образования слияющихся черных дыр, помимо тех, что возникают из массивных двойных звездных систем. Недавние измерения гравитационно-волновых источников помогают сформировать более ясное представление об истоках двойных черных дыр и нейтронных звезд. Планируемые наблюдения и более совершенные детекторы позволят получить более точные данные об отдельных источниках и увеличить их количество в каталогах, что даст возможность исследовать более детальные аспекты формирования компактных объектов.

По словам доктора Уильямса, в настоящее время фиксируется огромное количество данных, позволяющих ученым не просто наблюдать за отдельными событиями – это можно сравнить с открытием древней цивилизации. Полученные результаты напоминают обнаружение ценного артефакта, который позволяет узнать не только о конкретных объектах, но и о структуре целой, ранее неизвестной вселенной.

Работа была опубликована в изданиях Astrophysical Journal и Astrophysical Journal Letters.