Как определили массу сливающихся объектов? Грубо говоря, по конечной частоте колебаний (чем больше масса, тем ниже частота — близко к обратно пропорциональной зависимости). Она оказалась весьма низкой — 350 Гц. Значит, массы велики — в сумме больше 60 масс Солнца. Из асимметрии пиков можно вытащить индивидуальные массы черных дыр — и 28 ± 4 масс Солнца, масса конечной дыры 62 ± 4 солнечных. Около трех масс Солнца ушло на излучение гравитационных волн. Столь мощного излучения (1056 эрг/с) никто никогда не регистрировал. Выше я писал «грубо говоря», а если говорить точнее, то все эти параметры были определены подгонкой теоретической кривой, которая получается численным моделированием процесса слияния к реально наблюдаемой.
Как определили расстояние?
Тот же самый теоретический расчет, который дает правильную частоту и форму кривой, дает и амплитуду искажения пространства на месте происшествия. Зная, что амплитуда убывает обратно пропорционально расстоянию, видя конечную амплитуду, зная начальную и размер «излучателя», определяем расстояние. Получается около 400 мегапарсек, правда с большой ошибкой.
Как определили положение события на небе? Для того, чтобы картинки с двух детекторов совместились, одну из них пришлось сдвинуть на 7 миллисекунд — разница во времени прибытия фронта волны. Так определили угол между направлением на источник и линией, соединяющей детекторы. Но знание этого угла дает лишь кольцо на небе. Дополнительную информацию можно вытащить из разницы амплитуд в двух детекторах. Которые по-разному ориентированы. Гравитационная волна поперечна, поэтому плечо интерферометра направленной поперек волны дает больший сигнал. Таким образом удалось вырезать часть кольца; область, откуда мог прийти сигнал, приняла форму полумесяца площадью около 600 квадратных градусов — что-то найти на такой площади с помощью телескопов весьма проблематично.
Что нам это дает?
Регистрация гравитационных волн ничего не даст народному хозяйству — никаких гравицап и новых способов перемещения. Это также ничего не добавляет к триумфу Эйнштейна — все теории гравитации, которые «дружат» со Специальной теорией относительности, предсказывают гравитационные волны. Причем все вменяемые теории после 1913 года говорят, что эти волны должны быть поперечными. Все современные теории гравитации, кроме, быть может, каких-то совсем маргинальных, описывают происходящее при слиянии двух астрофизических черных дыр одинаковым образом. Во всяком случае, я спросил Валерия Рубакова, который следит за ситуацией, не отвергает ли результат каких-то рабочих версий теории гравитации. Он ответил, что ему ничего такого в голову не приходит. Есть теории, отличающиеся от эйнштейновской на каких-то масштабах (в частности, так называемые теории f(R), которыми у нас занимается, например, Алексей Старобинский), но все отличия проявляются вдалеке от того, что имеет место в данном случае. То есть для фундаментальной физики, как ее воспринимают профессиональные физики, результат ничего не дает — все и так были уверены в том, что получилось.
Европейские физики установили ограничение на интенсивность гамма-всплеска, который мог сопутствовать сигналу гравитационных волн,зафиксированному коллаборацией aLIGO. Результат исследователей вступает в противоречие с выводами другой группы ученых,обнаруживших и связавших гамма-всплеск в данных «Ферми» с гравитационным событием. Авторы новой работы указывают, что, по всей видимости, этот гамма-всплеск является всего лишь флуктуацией фона. Исследование опубликовано в Astrophysical Journal Letters (препринт), кратко о нем сообщает пресс-релиз Европейского Космического Агентства (ESA).
Система контроля за положением кубов — будущих плеч интерферометра — в пространстве
ESA/ATG medialab
Научный коллектив миссии LISA Pathfinder опубликовал первые результаты работы космического аппарата. В частности, физики доказали, что точность научного оборудования аппарата близка к требуемой для будущей космической гравитационной обсерватории. Взаимные ускорения тестовых кубов, которые станут концами плеч космических интерферометров, не превышали одной десятиквадрилионной (10-16) от ускорения свободного падения. Ученые ожидали результата примерно в пять раз хуже. Исследованиеопубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко с ним можноознакомиться в пресс-релизе Европейского космического агентства.
В эксперименте LISA Pathfinder два небольших тестовых тела (двухкилограммовые кубы) находятся в состоянии почти идеального свободного падения — то есть они двигаются лишь под действием сил гравитации. Для его поддержания требуется избегать влияния любых внешних сил — например, кулоновского притяжения или отталкивания вызванного остаточными зарядами на кубах. Расхождения со свободным падением определяют количественно по тому, на сколько отличаются траектории движения тел. Ученые измеряют относительные ускорения кубов с помощью лазерного интерферометра, установленного в аппарате. При этом измерения ведутся для различных частот — это позволит выяснить, насколько будущий космический интерферометр будет чувствителен к гравитационным волнам разных частот.
Физики выяснили, что при частотах до одного миллигерца (одно колебание за 1000 секунд или больше) наибольшую погрешность вносит центробежное ускорение, вызванное вращением аппарат. Последнее необходимо для того, чтобы поддерживать связь с Землей и направлять солнечные батареи к Солнцу. Хотя это вращение можно в точности описать и «вычесть» из результатов измерений, в данных все равно остается некоторый шум неизвестной природы. Однако, на интервале от 0,7 до 20 миллигерц он лишь на 25 процентов больше, чем требуемый для строительства космической обсерватории.
Зависимость «шума» от частоты, на которой проводится измерения. Заштрихованные области — требования к точности у LISA Pathfinder и будущей космической обсерватории
ESA
Поделиться
При частотах от 1 до 60 миллигерц на движения кубов влияют их столкновения с молекулами газа, оставшегося в приборе. Со временем газ покидает объем и величина этого шума уменьшается. Измерения на частотах свыше 60 миллигерц ограничены лишь точностью оптической системы и, по словам ученых, более чем в 100 раз превышают необходимую точность. Интересным артефактом является пик при частоте в 70 миллигерц, происхождение которого неизвестно.
Чувствительность детекторов LISA и eLISA к различным источникам гравитационных волн
Christopher Moore, Robert Cole and Christopher Berry
Поделиться
LISA Pathfinder — космический аппарат, предназначенный для тестирования технологий, необходимых для постройки космической гравитационной обсерватории eLISA. Об этом проекте мы уже писалиранее. Она будет состоять из трех спутников, удаленных друг от друга по меньшей мере на миллион километров и обращающихся на земной орбите в точке Лагранжа L1. Свободно падающие кубы должны будут быть концами плеч лазерного интерферометра.
Ожидается, что обсерватория будет способна обнаружить гравитационные волны низких частот (менее одного миллигерца против 100-герцовых волн, обнаруженных LIGO) — их источниками могут быть столкновения сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Запуск обсерватории планировался на 2034 год, но возможно будет перенесен на 2029 год.
Владимир Королёв
Физики из международных коллабораций LIGO и Virgo второй раз в истории наблюдений зафиксировали гравитационные волны. Об этом ученые сообщили на пресс-конференции, состоявшейся 15 июня в Сан-Диего, в рамках 228-й встречи Американского астрономического общества и, одновременно с этим, в Государственном астрономическом институте имени Штернберга, МГУ. Статья о втором обнаружении гравитационных волн опубликована в Physical Review Letters.
Детекторы зафиксировали событие 26 декабря 2015 года, в 3:38:53 UTC. Согласно данным исследователей, источником сигнала послужило слияние двух черных дыр с массами 14,2 +8,3-3,7 и 7,5 +2,3-2,3 масс Солнца. Около одной солнечной массы превратилось в гравитационные волны. Столкновение произошло около 1,4 миллиарда лет назад, но лишь в декабре гравитационные волны достигли Земли. Статистическая значимость события впервые превысила 5 сигма.
По словам представителей коллаборации LIGO, с конца января гравитационные детекторы aLIGO не работают. Специалисты занимаются устранением недочетов, обнаруженных во время первого пуска обсерватории. Первый пуск aLIGO продлился четыре месяца — с сентября 2015 по январь 2016 года. Детектор снова начнет работать с сентября 2016 года.
Эксперимент LIGO состоит из двух детекторов, расположенных на расстоянии свыше трех тысяч километров друг от друга — в штатах Луизиана и Вашингтон. Каждый из них представляет собой Г-образный интерферометр Майкельсона. Он состоит из двух 4-километровых вакуумированных оптических плеч. Луч лазера расщепляют на две составляющие, которые проходят по трубам, отражаются от их концов и объединяются вновь. В случае если длина плеча изменилась наблюдается интерференция между лучами, что фиксируется детекторами. Большое расстояние между обсерваториями позволяет увидеть разность во времени прибытия гравитационных волн — из предположения о том, что последние распространяются со скоростью света, разница времени прибытия достигает 10 миллисекунд.
Эксперимент Virgo обладает аналогичной геометрией. На сегодняшний день детектор модернизируется, и первые данные с него ожидаются в конце 2016 году. Все данные, получаемые гравитационными обсерваториями обрабатываются совместно коллаборациями LIGO и Virgo.
Гравитационные волны — волны колебания геометрии пространства-времени, предсказанные в рамках Общей теории относительности. Первое доказательство их существования было представлено коллаборациями LIGO и Virgo в феврале 2016 года — спустя 100 лет после предсказаний Эйнштейна. Подробнее о том, что такое гравитационные волны можно прочитать в нашем материале.
Их величина очень мала, относительное изменение длины плеч интерферометра во время детектирования первого из событий составило всего 1.10-21. Это расстояние сопоставимо с размерами атомного ядра. Зафиксировать такую маленькую подвижку стало возможно лишь благодаря модернизации комплекса, завершившейся к сентябрю 2015 года. Сигнал гравитационных волн был «пойман» обсерваторией 14 сентября.
Источником первых гравитационных волн, обнаруженных человечеством, стало слияние двух черных дыр c массами около 29 и 36 масс Солнца соответственно. Массы и характер сталкивающихся тел ученые установили, сравнив экспериментальные графики с предсказаниями моделей. Масса образовавшейся черной дыры оказалась на три массы Солнца меньше, чем сумма масс компактных объектов. Слияние объектов произошло 1,3 миллиарда лет назад.
Установить точное местоположение сигнала, к сожалению, оказалось невозможным. Ученые выдвигали предположение, что спутник «Ферми» зафиксировал гамма-всплеск, ассоциированный с гравитационными волнами. Это могло уточнить местоположение источника, однако впоследствии предположение было опровергнуто.
Владимир Королёв
Поэтому был сделан выбор в пользу другой схемы, которую в 1962 году выдвинули Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн. В статье, опубликованной в ЖЭТФ (Журнал экспериментальной и теоретической физики), они предложили использовать для регистрации гравитационных волн интерферометр Майкельсона. Луч лазера бегает между зеркалами в двух плечах интерферометра, а затем лучи из разных плеч складываются. Анализируя результат интерференции лучей, можно измерить относительное изменение длин плеч. Это очень точные измерения, поэтому, если победить шумы, можно достичь фантастической чувствительности.
В начале 1990-х было принято решение о строительстве нескольких детекторов по такой схеме. Первыми в строй должны были войти относительно небольшие установки, GEO600 в Европе и TAMA300 в Японии (числа соответствуют длине плеч в метрах) для обкатки технологии. Но основными игроками должны были стать установки LIGO в США и VIRGO в Европе. Размер этих приборов измеряется уже километрами, а окончательная плановая чувствительность должна была бы позволить видеть десятки, если не сотни событий в год.
По расчетам ученых, наличие структур вокруг горизонта событий сливающихся черных дыр, волны от которых обнаружил LIGO, должно проявляться «эхом», приходящим спустя 0,1, 0,2 и 0,3 с после основного сигнала. Еще раз обратившись к данным, которые собрал детектор, они действительно нашли нужные «отголоски», причем у всех трех волн, детектированных LIGO.
Стоит заметить, что статья представлена на онлайн-сервисе ArXiv для предварительного ознакомления и поиска неточностей и ошибок перед отправкой в рецензируемое издание. К тому же достоверность находки оценивается всего в 2,9 Сигма, не дотягивая до принятого уровня. Выяснить, что это – случайное совпадение, или же действительно указание на возможное уточнение ОТО и квантовой механики – помогут лишь новые наблюдения молодой гравитационной астрономии.