Что такое гравитационные волны? Гравитационные волны представляют собой колебания в ткани пространства-времени, вызванные массивными концентрациями материи и энергии, движущимися с экстремальными ускорениями. Их можно представить себе как рябь, распространяющуюся по поверхности пруда после того, как в воду брошен камень. Гравитационные волны были предсказаны теорией общей относительности Альберта Эйнштейна еще в 1916 году, но потребовалось 100 лет, чтобы их непосредственно измерить в Лазерном интерферометре гравитационно-волновой обсерватории. Они распространяются по Вселенной со скоростью света, проходя сквозь все на своем пути. Эти волны несут ценную информацию о событиях, их породивших. Процессы, приводящие к сильным гравитационно-волновым сигналам, включают катастрофические события, такие как: слияния черных дыр, слияния нейтронных звезд, столкновения черных дыр и нейтронных звезд, а также взрывы сверхновых. Более слабые гравитационные волны производятся одиночными вращающимися нейтронными звездами, содержащими неоднородности вблизи их поверхности, или волнами, испускаемыми в ранней Вселенной через фазовые переходы первого порядка и другие явления.
Детекторы ищут гравитационные волны с 2002 года. Первое обнаружение сигнала было зафиксировано в сентябре 2015 года и сообщено в феврале 2016 года. Это событие вызвало огромный интерес в области физики и астрономии гравитационных волн. С тех пор было сделано множество обнаружений, в основном включающих сигналы от сливающихся черных дыр, но некоторые из них также включают нейтронные звезды. Каждое новое обнаружение добавляет копье в понимание природы этих волн и их источников. Ученые по всему миру анализируют данные, пытаясь извлечь максимальную информацию из каждого сигнала.
Как мы обнаруживаем гравитационные волны? Гравитационные волны заставляют пространство-время чередовать растяжение в одном направлении и сжатие в перпендикулярном направлении. Поскольку типичные источники находятся далеко от Земли, этот эффект чрезвычайно мал, и его необходимо измерять с помощью сложного устройства, называемого интерферометром. Интерферометр состоит из двух вакуумных труб длиной 2,5 мили, расположенных в конфигурации в форме буквы «L» и с зеркалами на обоих концах. Лазерный луч разделяется в углу «L» и отражается туда и обратно между зеркалами в каждом рукаве. После возвращения к делителю луча два лазерных луча испытывают интерференцию, и полученная интенсивность записывается фотодетектором.
Когда гравитационная волна не проходит через интерферометр, два луча интерферируют разрушительно, и интенсивность света на фотодетекторе равна нулю. Однако прохождение гравитационной волны изменяет время прохождения света вверх и вниз по одному рукаву относительно времени прохождения в перпендикулярном рукаве. Это относительное запаздывание времени приводит к конструктивной интерференции, когда свет из двух рукавов объединяется, вызывая увеличение интенсивности света на фотодетекторе. Колеблющаяся гравитационная волна растягивает и сжимает расстояние, которое проходит свет в каждом рукаве, и это создает колеблющуюся интенсивность в измеренном выходном свете. Влияние типичной гравитационной волны на зеркала действительно крошечное – оно вызывает колебания относительной длины рукавов интерферометра, которые в десять тысяч раз меньше ширины протона! Измерение длины с такой высокой точностью эквивалентно определению расстояния до ближайшей звезды с точностью до ширины человеческого волоса. Получаемый интерференционный узор содержит информацию о происхождении данного гравитационно-волнового сигнала, включая массы и движения объектов, участвующих в событии.
Хотя сильные сигналы можно наблюдать в одном детекторе, запись гравитационно-волнового события в нескольких детекторах увеличивает уверенность в том, что сигнал исходит от реального астрофизического события, а не от шума детектора или земного шума. Состоят из двух интерферометров – один находится в Хэнфорде, штат Вашингтон, а другой в Ливингстоне, штат Луизиана. Информация от международных партнеров может еще больше повысить уверенность в обнаружении. Использование задержки времени сигнала и амплитуд, измеренных в нескольких детекторах, также позволяет ограничить направление на небе, откуда исходит гравитационно-волновой сигнал. Детекторы используют ряд передовых технологий, включая высокостабильные лазеры, активное и пассивное уменьшение вибраций, сверхвысокий вакуум, квантовое сжатие и передовые оптические покрытия. Эти технологии позволяют минимизировать влияние внешних факторов и повысить точность измерений.
Что производит гравитационные волны? Можно выделить четыре основных класса источников гравитационных волн на основе характеристик сигнала: инспирации, непрерывные волны, всплесковые источники и стохастические источники.
Инспирации – это единственный тип источников, в настоящее время наблюдаемых наземными детекторами гравитационных волн. Гравитационные волны инспирации генерируются на последних этапах жизни компактных двойных систем. Такие системы обычно состоят из пар вращающихся черных дыр, нейтронных звезд или черной дыры и нейтронной звезды. Когда эти компактные объекты находятся на достаточно близких орбитах, возникающее излучение гравитационных волн дополнительно уменьшает орбиты до тех пор, пока два объекта не сольются. Поэтому инспиральные события иногда называют «слияниями компактных двойных систем». Черные дыры – это объекты, чья гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может из них вырваться. Они обычно образуются, когда массивные звезды коллапсируют в конце своего жизненного цикла. Могут обнаруживать черные дыры с массами меньше примерно 200 солнечных масс. Однако гораздо более массивные «сверхмассивные» черные дыры могут образовываться в результате различных процессов и, как считается, обитают в центрах почти каждой галактики.
Нейтронные звезды также образуются из коллапсированных ядер массивных звезд, но они не полностью темные. Они в основном состоят из нейтронов, и если они быстро вращаются, могут испускать электромагнитное излучение и становиться пульсарами. По мере уменьшения расстояния между двумя компонентами двойной системы и увеличения их относительной орбитальной скорости частота возникающей гравитационной волны увеличивается до своего максимального значения при слиянии. При переводе в звуковые волны эти частоты производят звук «чириканья». Это звучание помогает ученым идентифицировать и анализировать сигналы.
Непрерывные волны производятся системами, которые демонстрируют почти постоянное колебательное поведение. Поскольку эти долгоживущие сигналы не меняются значительно за время наблюдения, они эффективно непрерывны. Существует два основных источника таких сигналов: (i) двойные системы компактных объектов, вращающихся друг вокруг друга задолго до их слияния, или (ii) отдельные быстро вращающиеся нейтронные звезды с эллиптическими искажениями или другими неоднородностями вблизи поверхности. Первые имеют частоты, слишком низкие для обнаружения. Источники непрерывных волн, как ожидается, будут производить относительно слабые гравитационные волны. Частота этих волн примерно постоянна и соответствовала бы непрерывному гудению при переводе в звук. Для наиболее актуальными источниками являются отдельные нейтронные звезды. Гравитационные волны от этих объектов еще не были обнаружены. Но как только будет достигнута достаточная чувствительность детекторов, мы можем наблюдать их непрерывно в течение месяцев или даже лет.
«Всплесковые» гравитационные волны представляют собой сигналы короткой продолжительности. События, такие как взрывы сверхновых или определенные классы гамма-всплесков, могут производить всплесковые гравитационные волны. Помимо их короткой продолжительности, эти сигналы могут содержать сложные особенности, которые трудно смоделировать. Всплесковые сигналы также могут возникать из неизвестных или непредвиденных источников. Хотя методы поиска всплесковых сигналов были применены для обнаружения финальных стадий инспирации и слияния двойной системы, истинный всплесковый источник еще не был обнаружен. Поиск всплесковых гравитационных волн действительно является поиском неожиданного. Ученые продолжают разрабатывать новые методы и алгоритмы для обнаружения этих сигналов.
Стохастический гравитационно-волновой сигнал относится к комбинации многих слабых гравитационных волн, которые постоянно проходят через детектор со всех направлений на небе. Поскольку отдельные далекие источники, производящие эти волны, не связаны друг с другом, объединенный сигнал имеет случайный шумоподобный узор, который нельзя точно предсказать, но можно проанализировать статистически. Хотя стохастический сигнал еще не был обнаружен, ключом к обнаружению этих сигналов является поиск сходств в шуме между несколькими детекторами. Одним из возможных источников стохастического сигнала являются слабые неразрешенные слияния компактных объектов, происходящие во всей Вселенной. Более интересная возможность – это стохастический сигнал, который мог быть произведен в ранней Вселенной. Обнаружение этих реликтовых гравитационных волн позволит наблюдать аспекты Вселенной за долю секунды после Большого взрыва. Такой стохастический фон гравитационных волн может возникнуть из различных явлений, включая фазовые переходы первого порядка, инфляцию или динамику космических струн и доменных стенок. Любое открытие такого типа расширит понимание фундаментальных законов физики. Поиск стохастических гравитационных волн является дополнением к поискам на более низких частотах, проводимым экспериментами по таймингу пульсаров. Эти усилия основаны на поиске корреляций во времени прибытия радиосигналов, производимых пульсарами в разных положениях на небе. Стохастический гравитационно-волновой сигнал изменит расстояния между этими пульсарами и Землей, оставив след на временах прибытия импульсов. В 2023 году доказательства такого сигнала были объявлены несколькими обсерваториями. Сигнал согласуется с ожиданиями для стохастического фона гравитационных волн от сливающихся сверхмассивных черных дыр, однако также были предложены другие источники стохастического сигнала.
Детекторы – это шедевры инженерии, уникально спроектированные для измерения крошечных эффектов проходящих гравитационных волн. Чтобы достичь их исключительной точности, необходимо преодолеть множество экспериментальных проблем. К ним относятся эффекты вибраций земли, рассеяние света внутри труб луча, шум, связанный с лазером и результирующими фотонами, падающими на зеркала, тепловой шум в зеркале и его подвесках, а также электронный шум. Смягчение этих источников шума требует множества инженерных подвигов. Например, 4-километровые рукава поддерживают вторую по величине сверхвысокую вакуумную камеру, сохраняя объем при давлении в миллиардную долю атмосферного давления Земли. Зеркала установлены на сложных системах сейсмической изоляции, которые гасят вибрации земли. А пара детекторов (вместе с международными партнерами) позволяет различать реальные сигналы и шум, ища почти одновременные сигналы в обоих детекторах. Эти системы работают круглосуточно, обеспечивая непрерывный мониторинг неба.
Обнаружение гравитационных волн также включает в себя преодоление теоретических и вычислительных проблем. Необходимо построить точную математическую модель гравитационно-волнового сигнала. Для этого необходимо решить уравнения поля Эйнштейна, которые представляют собой высоко сложный и нелинейный набор уравнений в частных производных. Их решают с помощью комбинации аналитических методов и численных симуляций. Обнаружение требует оценки модели сигнала для очень большого количества значений параметров модели. Как только потенциальный сигнал обнаружен в данных, другой вычислительно интенсивный процесс включает в себя уточнение параметров модели, описывающей источник гравитационных волн. Эти вычисления требуют мощных суперкомпьютеров и сложных алгоритмов.
Что мы надеемся узнать? Обнаружение инициировало чрезвычайно интересный период в современной физике и астрономии. Большинство предыдущих астрономических наблюдений полагались на электромагнитные волны. Но ЭМ-волны легко поглощаются или рассеиваются любой материей между источником и нами. В отличие от этого, гравитационные волны проходят через всю материю с минимальным поглощением или рассеянием. Это позволяет раскрывать очень далекие объекты и заглядывать внутрь источников, их породивших. Детали волн кодируют информацию об их источниках. Некоторые из наиболее интригующих вопросов, которые решает, включают: Как образуются черные дыры? Как они получают свои массы и вращения? Правильно ли описывает гравитацию общая теория относительности? Как ведет себя материя при экстремальных температурах и давлениях внутри нейтронных звезд? Что происходит во время взрыва сверхновой? Гравитационные волны также могут быть ключом к пониманию некоторых из наиболее фундаментальных вопросов о нашей Вселенной: Что произошло в течение триллионной доли секунды после Большого взрыва? Наблюдение за первичным стохастическим фоном позволит заглянуть в самую раннюю стадию эволюции Вселенной.
В настоящее время проводится четвертый цикл наблюдений. С увеличением чувствительности и накоплением большего количества данных ожидается наблюдение большего числа слияний компактных двойных систем. Шансы на обнаружение непрерывных, всплесковых или стохастических сигналов также значительно улучшатся. Третий детектор в Индии также находится в стадии строительства и значительно улучшит чувствительность и способность определять направление, откуда исходит сигнал. Сообщество ученых разрабатывает планы будущих детекторов гравитационных волн, как наземных, так и космических. Эти новые детекторы будут иметь еще更高的 чувствительность и позволят изучать гравитационные волны на более низких частотах, открывая новые горизонты в исследовании Вселенной.