После трёхлетнего перерыва учёные из США включили детекторы, способные измерять гравитационные волны — крошечные пульсации в самой ткани пространства, распространяющиеся по Вселенной.

В отличие от световых, гравитационные волны почти не подвержены влиянию галактик, звёзд, газа и пыли, заполняющих Вселенную. Это означает, что, измеряя гравитационные волны, такие астрофизики, как я, могут заглянуть прямо в сердце некоторых из этих самых впечатляющих явлений во Вселенной.

С 2020 года Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, известная как LIGO, находилась в покое, пока её модернизировали. Эти усовершенствования значительно повысили чувствительность LIGO и позволят наблюдать более удалённые объекты, создающие менее сильные пульсации пространства.

Обнаружив больше событий, создающих гравитационные волны, астрономы получат больше возможностей наблюдать свет, создаваемый этими же событиями. Наблюдение события по нескольким каналам информации — подход, называемый многоканальной астрономией, — предоставляет астрономам редкие и желанные возможности для изучения физики, выходящей далеко за рамки любых лабораторных испытаний.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, массивные объекты искривляют пространство вокруг себя

Рябь в пространстве-времени

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, масса и энергия искривляют форму пространства-времени. Изгиб пространства-времени определяет движение объектов относительно друг друга: то, что люди воспринимают, как гравитацию.

Гравитационные волны возникают, когда массивные объекты, такие как чёрные дыры или нейтронные звезды, сливаются друг с другом, вызывая внезапные и сильные изменения в пространстве. Процесс искривления и сгибания пространства посылает рябь по Вселенной, подобно волнам на поверхности спокойного пруда. Эти волны распространяются во всех направлениях от возмущения, мельчайшим образом изгибая пространство и незначительно изменяя расстояние между объектами на своём пути.

Когда два массивных объекта, например чёрная дыра или нейтронная звезда, сближаются, они быстро вращаются друг вокруг друга и создают гравитационные волны. Звук в этой визуализации НАСА обозначает частоту гравитационных волн.

Несмотря на то, что в астрономических событиях, порождающих гравитационные волны, участвуют одни из самых массивных объектов во Вселенной, растяжение и сжатие пространства оказывается очень мало. Сильная гравитационная волна, проходящая через Млечный Путь, может временно изменить диаметр всей галактики всего на метр.

Первые наблюдения гравитационных волн

Хотя Эйнштейн впервые предсказал гравитационные волны в 1916 году, учёные той эпохи не надеялись измерить крошечные изменения расстояния, постулируемые теорией гравитационных волн.

Примерно в 2000 году учёные из Калифорнийского технологического института, Массачусетского технологического института и других университетов мира закончили строительство самой точной «линейки» из когда-либо созданных — обсерватории LIGO.

Детектор LIGO в Хэнфорде, штат Вашингтон, использует лазеры для измерения мизерного растяжения пространства, вызванного гравитационной волной.

LIGO состоит из двух отдельных обсерваторий, одна из которых расположена в Хэнфорде, штат Вашингтон, а другая — в Ливингстоне, штат Луизиана. Каждая обсерватория имеет форму гигантской буквы L с двумя рукавами длиной в четыре километра, отходящими от центра лаборатории под углом 90 градусов друг к другу.

Для измерения гравитационных волн исследователи направляют луч лазера из центра установки к основанию буквы L. Там луч разделяется таким образом, что проходит по каждому рукаву, отражается от зеркала и возвращается к основанию. Если во время работы лазера через рукава пройдёт гравитационная волна, то два луча вернутся в центр в разное время. Измерив эту разницу, физики могут определить, что гравитационная волна прошла через установку.

LIGO начал работать в начале 2000-х годов, но оказался недостаточно чувствительным для обнаружения гравитационных волн. Поэтому в 2010 году команда LIGO временно закрыла объект, чтобы провести модернизацию для повышения чувствительности. Модернизированная версия LIGO начала сбор данных в 2015 году и почти сразу же обнаружила гравитационные волны, возникающие при слиянии двух чёрных дыр.

С 2015 года LIGO провёл три цикла наблюдений. Первый, O1, длился около четырёх месяцев, второй, O2, — около девяти месяцев, а третий, O3, — 11 месяцев, после чего пандемия COVID-19 заставила закрыть оборудование. Начиная с запуска O2, LIGO проводил совместные наблюдения с итальянской обсерваторией Virgo.

Между каждым запуском учёные совершенствовали физические компоненты детекторов и методы анализа данных. К концу цикла O3 в марте 2020 года исследователи из коллаборации LIGO и Virgo обнаружили около 90 гравитационных волн от слияния чёрных дыр и нейтронных звёзд.

Обсерватории всё ещё не достигли максимальной проектной чувствительности. Поэтому в 2020 году обе обсерватории снова закрыли на модернизацию.

Модернизация механического оборудования и алгоритмов обработки данных должна позволить LIGO обнаруживать более слабые гравитационные волны, чем в прошлом.

Модернизация

Учёные работают над многими технологическими усовершенствованиями.

Одно из особенно перспективных усовершенствований включает в себя добавление оптического резонатора длиной 300 метров для улучшения техники, которые учёные называют «сжатием». «Сжатие» позволяет учёным уменьшить шум на детекторе, используя квантовые свойства света. Благодаря этой модернизации команда LIGO сможет обнаруживать гораздо более слабые гравитационные волны, чем раньше.

Я и мои коллеги по команде — специалисты по данным в коллаборации LIGO, и мы работали над рядом различных обновлений программного обеспечения, используемого для обработки данных LIGO и алгоритмов, которые распознают признаки гравитационных волн в этих данных. Эти алгоритмы работают путём поиска моделей, которые соответствуют теоретическим моделям миллионов возможных событий слияния чёрных дыр и нейтронных звёзд. Усовершенствованный алгоритм должен быть способен лучше выделить слабые признаки гравитационных волн из фонового шума в данных, чем предыдущие версии алгоритмов.

Астрономы зафиксировали гравитационные волны и свет, порождённые одним событием — слиянием двух нейтронных звёзд. Изменение света в течение нескольких дней можно увидеть на правой верхней вставке.

Эра астрономии высокого разрешения

В начале мая 2023 года LIGO начал короткий тестовый запуск, так называемый инженерный запуск, чтобы убедиться, что все работает. 18 мая LIGO обнаружил гравитационные волны, вероятно, порождённые слиянием нейтронной звезды с чёрной дырой.

20-месячный цикл наблюдений LIGO 04 официально начнётся 24 мая, а позже к нему присоединятся Virgo и новая японская обсерватория — детектор гравитационных волн Kamioka Gravitational Wave Detector, или KAGRA.

Несмотря на множество научных целей, особое внимание уделяется обнаружению и локализации гравитационных волн в режиме реального времени. Если команда сможет идентифицировать гравитационное волновое событие, выяснить, откуда пришли волны, и быстро оповестить других астрономов об этих открытиях, это позволит астрономам направить другие телескопы, собирающие видимый свет, радиоволны или другие типы данных, на источник гравитационной волны. Сбор информации по нескольким каналам об одном событии (многоканальная астрофизика) подобен добавлению цвета и звука к чёрно-белому немому фильму и может обеспечить гораздо более глубокое понимание астрофизических явлений.

На сегодняшний день астрономы наблюдали только одно событие одновременно в гравитационных волнах и в видимом свете — слияние двух нейтронных звёзд, произошедшее в 2017 году. Но благодаря этому единственному событию физики смогли изучить расширение Вселенной и подтвердить происхождение некоторых из самых энергичных явлений во Вселенной, известных как гамма-всплески.

Благодаря запуску O4 астрономы получат доступ к самым чувствительным гравитационно-волновым обсерваториям в истории и, надеюсь, соберут больше данных, чем когда-либо прежде. Я и мои коллеги надеемся, что ближайшие месяцы приведут к одному — или, возможно, многим — многоканальным наблюдениям, которые расширят границы современной астрофизики.