14 сентября 2015 года на Землю поступил сигнал, несущий информацию о паре далёких чёрных дыр, которые сблизились по спирали и слились. Сигнал путешествовал около 1,3 миллиарда лет, чтобы достичь нас со скоростью света, но он состоял не из света. Это был сигнал другого рода: колебание пространства-времени, называемое гравитационными волнами, впервые предсказанное Альбертом Эйнштейном за 100 лет до этого. В тот день десять лет назад двойные детекторы Лазерной интерферометрической обсерватории гравитационных волн (LIGO) впервые непосредственно зарегистрировали гравитационные волны. Коллаборации LIGO и Virgo объявили об этом миру в феврале 2016 года после шести месяцев анализа и проверки.
Это историческое открытие означало, что исследователи теперь могут «ощущать» Вселенную тремя различными способами. Волны света, такие как рентгеновские, оптические, радиоволны и другие длины волн, а также высокоэнергетические частицы, называемые космическими лучами и нейтрино, улавливались и раньше, но впервые учёные стали свидетелями космического события через его гравитационное искажение пространства-времени. За это достижение, впервые задуманное более 40 лет назад, трое основателей LIGO получили Нобелевскую премию по физике 2017 года: Райнер Вайсс из MIT (профессор физики, emeritus, недавно скончавшийся в возрасте 92 лет), Барри Бариш и Кип Торн из Калтеха.
LIGO, состоящая из детекторов в Хэнфорде (Вашингтон) и Ливингстоне (Луизиана), детектор Virgo в Италии и KAGRA в Японии работают согласованно и в настоящее время регулярно наблюдают примерно одно слияние чёрных дыр каждые три дня. Вместе сеть охотников за гравитационными волнами, известная как LVK (LIGO, Virgo, KAGRA), зафиксировала в общей сложности более 300 слияний чёрных дыр, большинство из которых уже подтверждены, а другие ожидают дальнейшего анализа. За время текущего научного сеанса работы сети, четвёртого с момента первого в 2015 году, LVK обнаружила около 230 кандидатов в слияния чёрных дыр, более чем вдвое увеличив количество, зафиксированное за первые три сеанса.
Резкий рост числа открытий LVK за последнее десятилетие обусловлен рядом усовершенствований их детекторов, некоторые из которых включают передовую квантовую прецизионную инженерию. Эти гравитационно-волновые интерферометры остаются безусловно самыми точными измерительными приборами, когда-либо созданными человеком. Искажения пространства-времени, вызываемые гравитационными волнами, невероятно малы. Чтобы их ощутить, LIGO и Virgo должны обнаруживать изменения в пространстве-времени меньше 1/10 000 ширины протона. Это в 700 триллионов раз меньше ширины человеческого волоса.
Самый чёткий сигнал на сегодняшний день
Улучшенная чувствительность инструментов ярко продемонстрирована недавним открытием слияния чёрных дыр, обозначенного как GW250114 (цифры обозначают дату прибытия гравитационно-волнового сигнала на Землю: 14 января 2025 года). Это событие не слишком отличалось от первого в истории обнаружения (названного GW150914) — в обоих событиях участвовали сталкивающиеся чёрные дыры, находящиеся на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от нас, с массами от 30 до 40 солнечных. Но благодаря 10 годам технологических усовершенствований, снизивших инструментальный шум, сигнал GW250114 был значительно чётче.
«Мы можем слышать его громко и чётко, и это позволяет нам проверять фундаментальные законы физики», — говорит Катерина Чатзиоанну, участник команды LIGO, доцент физики в Калтехе и учёный имени Уильяма Х. Хурта, один из ведущих авторов нового исследования GW250114, опубликованного в Physical Review Letters.
Проанализировав частоты гравитационных волн, излучённых при слиянии, команда LVK смогла предоставить лучшее на сегодняшний день наблюдательное подтверждение так называемой теоремы о площади горизонта событий чёрной дыры — идеи, выдвинутой Стивеном Хокингом в 1971 году, которая гласит, что общая площадь поверхности чёрных дыр не может уменьшаться. При слиянии чёрных дыр их массы объединяются, увеличивая площадь поверхности. Но они также теряют энергию в виде гравитационных волн во время этого явления. Кроме того, слияние может привести к увеличению вращения объединённой чёрной дыры, что ведёт к уменьшению её площади. Закон площадей для горизонтов событий чёрных дыр утверждает, что, несмотря на эти конкурирующие факторы, общая площадь поверхности должна увеличиваться.
Позже Хокинг и физик Джейкоб Бекенштейн пришли к выводу, что площадь горизонта событий чёрной дыры пропорциональна её энтропии, или степени беспорядка. Эти выводы проложили путь для последующих передовых работ в области квантовой гравитации, которая пытается объединить два столпа современной физики: общую теорию относительности и квантовую физику.
По сути, обнаружение (выполненное только LIGO, так как Virgo проходил плановое техническое обслуживание, а KAGRA был отключён во время этого конкретного наблюдения) позволило команде «услышать», как две чёрные дыры сливаются в одну, подтвердив теорему Хокинга. Исходные чёрные дыры имели общую площадь поверхности 240 000 квадратных километров (примерно размер Британии), в то время как конечная площадь составила около 400 000 квадратных километров (почти размер Швеции) — явное увеличение. Это второй тест теоремы о площади горизонта событий чёрной дыры; первоначальный тест был проведён в 2021 году с использованием данных от первого сигнала GW150914, но поскольку эти данные были не такими чистыми, результаты имели уровень достоверности 95% по сравнению с 99,999% для новых данных. Кип Торн вспоминает, как Хокинг позвонил ему спросить, сможет ли LIGO проверить его теорему сразу после того, как узнал о регистрации гравитационных волн в 2015 году. Хокинг умер в 2018 году и, к сожалению, не дожил до того, чтобы увидеть, как его теорию подтверждают наблюдения. «Если бы Хокинг был жив, он бы восхищался, видя, как площадь объединённой чёрной дыры увеличивается», — говорит Торн.
Самая сложная часть этого типа анализа была связана с определением конечной площади поверхности чёрной дыры, появившейся в результате слияния. Площади поверхностей горизонтов событий чёрных дыр до слияния можно более легко определить, когда пара вращается по спирали, взволновывая пространство-время и производя гравитационные волны. Но после слияния чёрных дыр сигнал не так однозначен. В течение этой так называемой фазы затухания конечная чёрная дыра вибрирует, как колокол после удара. В новом исследовании учёные смогли точно измерить детали фазы затухания, что позволило им вычислить массу и спин чёрной дыры и, соответственно, определить площадь её поверхности. Точнее, они впервые смогли уверенно выделить два различных моды гравитационных волн в фазе затухания. Моды подобны характерным звукам, которые издаёт колокол при ударе; они имеют несколько схожие частоты, но затухают с разной скоростью, что затрудняет их идентификацию. Улучшенные данные по GW250114 означали, что команда смогла извлечь моды, продемонстрировав, что затухание чёрной дыры произошло именно так, как предсказывают математические модели. Другое исследование LVK, представленное сегодня в Physical Review Letters, устанавливает ограничения на предсказанный третий, более высокий тон в сигнале GW250114 и проводит одни из самых строгих на сегодняшний день проверок точности общей теории относительности в описании сливающихся чёрных дыр.
«Анализ данных о деформации от детекторов для обнаружения транзиентных астрофизических сигналов, рассылка оповещений для запуска последующих наблюдений с телескопов или публикация физических результатов, собирая информацию от сотен событий, — это довольно долгий путь, — добавляет Никола Арно, исследователь CNRS во Франции и координатор Virgo четвёртого научного сеанса. — Создание такой сложной структуры требует множества квалифицированных шагов. Я вижу людей, стоящих за всеми этими данными, в частности тех, кто находится на дежурстве в любое время, наблюдая за нашими инструментами. У LVK есть учёные во всех регионах, преследующие общую цель: буквально, солнце никогда не заходит над нашими коллаборациями!»
Расширение границ
LIGO и Virgo также раскрыли множество секретов нейтронных звёзд за последнее десятилетие. Как и чёрные дыры, нейтронные звёзды образуются при взрывной гибели массивных звёзд, но они весят меньше и излучают свет. Примечательно, что в августе 2017 года LIGO и Virgo стали свидетелями эпического столкновения пары нейтронных звёзд — килоновой — которая разбросала золото и другие тяжёлые элементы по космосу и привлекла внимание десятков телескопов по всему миру, которые уловили свет в диапазоне от высокоэнергетических гамма-лучей до низкоэнергетических радиоволн. Впервые в «многоканальной» астрономии были зафиксированы и свет, и гравитационные волны от одного космического события. Сегодня LVK продолжает оповещать астрономическое сообщество о потенциальных столкновениях нейтронных звёзд, которые затем используют телескопы для поиска в небе признаков другой килоновой.
«Глобальная сеть LVK необходима для гравитационно-волновой астрономии, — говорит Джанлука Джемме, представитель Virgo и директор по исследованиям в INFN (Национальный институт ядерной физики, Италия). — Когда три или более детектора работают в унисон, мы можем точнее определять местоположение космических событий, извлекать более богатую астрофизическую информацию и обеспечивать быстрое оповещение для последующих многоканальных наблюдений. Virgo гордится тем, что вносит вклад в это всемирное научное начинание».
Другие научные открытия LVK включают первое обнаружение столкновений между одной нейтронной звездой и одной чёрной дырой; асимметричные слияния, в которых одна чёрная дыра значительно массивнее своей звезды-партнёра; открытие самых лёгких из известных чёрных дыр, ставящее под сомнение идею о существовании «разрыва масс» между нейтронными звёздами и чёрными дырами; и самое массивное из наблюдавшихся слияний чёрных дыр с общей массой в 225 солнечных масс. Для сравнения, предыдущий рекордсмен по массивности слияния имел общую массу в 140 солнечных масс.
В ближайшие годы учёные LVK надеются и далее совершенствовать свои машины, углубляя своё проникновение в космос. Они также планируют использовать полученные знания для создания ещё одного детектора гравитационных волн, LIGO-Индия. Заглядывая дальше в будущее, учёные работают над концепцией ещё более крупных детекторов. Европейский проект, называемый Телескоп Эйнштейна, планирует построить один или два огромных подземных интерферометра с плечами длиной более 10 километров. Американский проект, Cosmic Explorer, будет похож на нынешний LIGO, но с плечами длиной 40 километров. Обсерватории такого масштаба позволят учёным услышать самые ранние слияния чёрных дыр во Вселенной и, возможно, отголоски гравитационных колебаний самых первых моментов существования нашей Вселенной.
«Это удивительное время для исследований гравитационных волн: благодаря таким инструментам, как Virgo, LIGO и KAGRA, мы можем исследовать тёмную Вселенную, которая ранее была полностью недоступна. — сказал Массимо Карпинелли, профессор Университета Милано-Бикокка и директор Европейской гравитационной обсерватории в Кашине. — Научные достижения этих 10 лет вызывают настоящую революцию в нашем взгляде на Вселенную. Мы уже готовим новое поколение детекторов, таких как Телескоп Эйнштейна в Европе и Cosmic Explorer в США, а также космический интерферометр LISA, который перенесёт нас ещё дальше в космос и назад во времени. В ближайшие годы мы, несомненно, сможем решить эти сложнейшие задачи благодаря всё более широкому и прочному сотрудничеству между учёными, разными странами и учреждениями, как на европейском, так и на глобальном уровне».
farh-i
1) Автор: " Это был сигнал другого рода: колебание пространства-времени"
- о "пространстве-времени" часто пишут с большим воодушевлением, но физический объект "пространство-время" в реальном материальном мире не обнаружен. Нет приборов, экспериментов, которые бы его обнаруживали. Это просто умозрительная, объясняющая модель, не связанная непосредственно с материальными объектами.
2) С существованием "гравитационных волн" еще можно согласиться, если под ними понимать колебания в силе гравитации. Но ЗВТ на самом деле не действует на огромных расстояниях. "Гравитационных волн" как излучения не может быть (тогда бы объяснили конкретно, что это такое)..
Когда говорят, что фиксируют "грави- волны" на самом деле, судя по сему, речь идет о фиксации и изменениях в излучениях каких-то форм энергии (магнитной, электрической, тепловой, световой, ультрафиолетовой, рентгеновой, гамма). На основании этого они делают произвольный вывод "о гравитации".
RexcodingAI
Почему же произвольный вывод? Вовсе нет! Вы не в курсе того как фиксируют гравитационные волны? Зачем же тогда написали этот пост?
corefly
У автора есть несколько статей про LIGO и гравитационных волн. Гравитационные волны - не излучение в привычном понимании, а именно циклические изменения метрики пространства-времени, которые можно описать математикой волновых процессов.
developer7
Спросите у LLM - вам ответят на все ваши вопросы. Можете скинуть свой пост целиком и увидеть экспертное мнение.
Что касается гравиволн я например и без LLM знаю как их ловят. Тупо ставят 2 перпендикулярных лазера и на расстоянии смотрят какой из них запаздывает какой нет. Отталкиваясь что мол скорость света ни при каких обстоятельствах не может изменится - значит сжимается пространство.
Но как по мне я с вами согласен. Всё это зиждется на настолько малых фактах что можно напридумывать ещё кучу всяких теорий. Что учёные с удовольствием и делают.
Я вот всегда возмущаюсь почему досконально не рассказывают про устройство экспериментов. Ловят в тех же поисках гравиволн всякие нано и пико отклонении во времени, но на таких масштабах на детекторы может повлиять вообще что угодно. Поток каких нибудь нейтрино. Знаю знаю - нейтрно может пролетать звёзды насквозь не задерживаясь, на то они и нейтрино. Но вот детекторы человеческие (тупо басеин воды) какие то нейтрино не пролетают. Чудо -чудное.
Int_13h
Так нейтрино и "бассейн" воды пролетают, не задерживаясь. А детекторы регистрируют излучение, возникающее в этот момент. Нет?
thiefsy
Излучение — результат взаимодействия. И через звезду, и через бассейн пролетают почти все. Но тех немногих, что задерживаются в бассейне, достаточно для их обнаружения и измерения интенсивности всего потока.
ogost
Потому что не там смотрите. Доскональную подноготную экспериментов нужно искать в научных публикациях, а не на научно-популярных сайтах. Весь цимес научного метода как такового - доскональное описание эксперимента, чтобы его можно было в точности повторить и подтвердить/опровергнуть результаты. Поэтому LIGO не один детектор грави-волн, коллайдеров всяких разных тоже не один, детекторов нейтрино не один и так далее.
developer7
Ну к счастью мы живём в век LLM которые собрали и аппроксимировали за нас все эти статьи.
Я за 10 минут порасспросил и про то почему нейтрино видно в воде - они бьются в ядра вызывая черенковое излучение, и как устроены детекторы в измерители гравиволн - измеряют отклонение фазы лазера, и как определили что это не шум - штук 10видов шумов включая местное изменение гравитации - туча сверху прошла (а туча может весить огого), почему нейтрино не могут вызывать искажения в детекторах - потому как сигнал имеет чёткую форму "чирп" и что был случай когда сначала волны пришли а потом от туда уже и весь спектр всяких излучений при как при слиянии чёрных дыр. Узнал что теория про грави волны это лишь наиболее распространённое предположение укладывающееся в формулы ОТО и что при желании можно натянуть сову на глобус.
Короче за 10 минут - узнал тучу инфы которую особо и не хотел знать. Вернее я и так знал что вы сказали - глубоки объяснения природы это почти всегда гипотеза. Я не против гипотез. Я против того что забывают что это гипотеза и готовы сожрать любого кто например косо посмотрит на ОТО. А математика - это просто математика.
Единственно непонятно - почему с наличием LLM кто то ещё пытается что то объяснять поверхностно и неинтересно.
P.S. Допуская что есть вероятность что некоторые фундаментальные вещи не объяснить более глубокими фундаментальными вещами, т.к. они могут быть попросту первичными кирпичиками природы.
Pshir
К сожалению, не совсем так. Они собрали всё подряд, в том числе, и всякий мусор. И для LLM первый комментарий под данной статьёй имеет ровно такой же вес, как и научная статья по теме. Для того, чтобы выковырять из LLM именно полезную информацию, нужно изначально обладать желанием это сделать и какими-то базовыми знаниями.
Alexey2005
Не любого, а только того, кто при этом не предлагает лучшей альтернативы. Ключевое слово здесь "лучшей". Основная проблема разного рода ниспровергателей заключается в том, что 99% из них - это махровые гуманитарии, для которых слово "рассчитать" - самое страшное ругательство. Соответственно, они искренне верят, что теория - это набор правильных слов, а формулы - это так, побочка, какая-то там никому не нужная математика.
На самом деле всё в точности наоборот, и полезность гипотезы/теории оценивается именно по тому, насколько хорошо она позволяет рассчитывать те или иные вещи. Если бы ниспровергатель предложил такую альтернативу ОТО, которая требовала бы в 10 раз меньше расчётов и давала бы при этом более точные результаты - я вас уверяю, от такого бы не отмахнулись. Наоборот, уцепились бы обеими руками, потому что соответствующие расчётные программы очень востребованы, а вычислительных мощностей всегда не хватает.
Но увы, обычно ниспровергатели ограничиваются словесным указанием на разного рода "дыры" и странности в теориях. Я вас уверяю, специалисты про эти дыры знают ничуть не хуже альтернативщиков. И даже по мере сил работают над их устранением. Вот только общепринятая теория, несмотря на все свои недостатки, даёт возможность расчётов, а разного рода альтернативщина - лишь кучу умных слов. Соответственно, пользы в подобном ровно ноль, слова может и нейронка набредить.
vadimr
Скорее проехавший трамвай в соседнем городе.
Конечно, исследователи отсеивают статистически непохожий на гравитационные волны шум, но ведь с небольшой вероятностью может попасться и статистически похожий. Сама методология вылавливания гипотетического полезного сигнала в шуме вызывает очень много вопросов. Это в точности то же самое, что чудесным образом проступающий в разводах грязи лик Иисуса.
vadim_bv
Для этого и нужны несколько детекторов в разных частях земного шара. Космическое событие вызовет одновременный сигнал в каждом из них, а трамваи с такой точностью не ездят :)
На самом деле, я был на установке VIRGO во время её строительства, и - сейчас в деталях, конечно, не вспомню, - нам рассказывали, на какие технологические ухищрения они шли, чтоб защититься от подобных "трамваев". В том числе, к примеру, сигнал ищут в том диапазоне волн, в котором от трамваев и пр.землетрясений их быть не может.
В этом, кстати, огромная польза фундаментальной науки для человечества. Для всех этих грав-волновых, нейтринных детекторов и прочих коллайдеров изобретают весьма остроумные инженерные решения и материалы. Например, когда проектировали БАК, у человечества не было технологий, чтоб его построить. Но по мере строительства и технология подтянулась.
А ещё знаю случай, когда заказ от НИИ в середине 90-х позволил одному предприятию остаться на плаву.
vadimr
Тем не менее, вероятность случайного совпадения есть.
А в данном случае в статье написано:
Что же касается
то это больше выглядит, как выдача желаемого за действительное.
Я всячески за фундаментальную науку, но я много лет занимался статистической обработкой данных измерительных экспериментов, и для меня и многих моих коллег (в том числе публиковавшихся в Nature, то есть не совсем уж далёких от физики) история с гравитационными детекторами выглядит очень сомнительно.
vadim_bv
Или, как в анекдоте, ищут под фонарем, потому что там светло.
Я тоже этим занимался. Выхотите сказать, что нельзя исключить подтасовку? Нельзя. Но и утверждать, что это именно она, я бы не стал
vadimr
Я бы не назвал это именно подтасовкой. Просто, на мой взгляд, наличие фрагментов с таким уровнем статистической значимости в шуме не доказывает их происхождение от гипотетических внеземных объектов. Эти люди и в /dev/urandom то же самое найдут за много лет.
Одно дело, когда вы выделяете реально заведомо существующий сигнал с известными характеристиками при отношении сигнал/шум меньше 1. И то могут быть ошибки. И другое дело, когда вы таким образом пытаетесь найти неизвестно что.
RulenBagdasis
Вся физика, это, упрощая, модели. Вот вообще вся. Физика создаёт модели, которые, в рамках их применимости описывают те или иные явления. Что такое электрон, частица или волна? На самом деле, ни то, ни другое. Нет никаких частиц и волн никаких нет, и корпускулярно-волнового дуализма тоже нет. Есть некое явление природы, которое мы в разных ситуациях описываем волновыми или дельта функциями, что есть те самые модели, по сути. Электрон же просто ведёт себя как ведёт. Мы вообще не знаем, что это такое и почему оно такое.
alexEtse
Экстремально, но можно согласиться... А про модели - даже без экстремальности.
А вот с этим уже нет. Т.к. для ответа на вопрос "что такое электрон и почему оно такое?" надо определиться, что вообще понимать под "что такое" и "почему". Иначе на сформулированный вами вопрос можно ответить "42" :)
Заметная часть физиков, врочем, для себя эту проблему решила. Они сказали, что ответ на вопросы 'что такое "что такое" и что такое "почему"' - это философия, а философию они назвали лженаукой, потому что ничего посчитать не может.
Философы, впрочем, с ними сильно не согласны.
Вот так и живём...