GW150914¶

GW150914 — это гравитационно-волновой сигнал, зарегистрированный 14 сентября 2015 года в 09:50:45 UTC двумя детекторами лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Он стал первым в истории прямым наблюдением гравитационных волн, предсказанных общей теорией относительности Альберта Эйнштейна в 1915 году, и первым обнаружением слияния двух чёрных дыр звёздной массы.

¶История открытия

¶Предыстория

Существование гравитационных волн — колебаний пространства-времени, распространяющихся со скоростью света, — было предсказано Эйнштейном в 1916 году. Косвенные доказательства их существования были получены в 1974 году Расселом Халсом и Джозефом Тейлором при наблюдении за двойным пульсаром PSR B1913+16, за что они получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году. Однако прямое детектирование оставалось технически сложной задачей из-за чрезвычайно малой амплитуды сигналов.

¶Регистрация

Сигнал GW150914 был зафиксирован 14 сентября 2015 года, ещё до официального начала четвёртого научного сеанса наблюдений LIGO (O4), который стартовал 12 сентября 2015 года. Детекторы в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана) зарегистрировали практически идентичный сигнал с разницей во времени около 7 миллисекунд, что соответствовало времени прохождения гравитационной волны между ними. Автоматическая система анализа данных идентифицировала событие в течение нескольких минут после его записи.

¶Объявление

Официально об открытии было объявлено 11 февраля 2016 года на пресс-конференции в Вашингтоне, организованной Национальным научным фондом США (NSF). В тот же день статья о наблюдении была опубликована в журнале Physical Review Letters. Открытие вызвало широкий резонанс в научном сообществе и средствах массовой информации, став одним из главных научных событий десятилетия.

¶Характеристики сигнала

¶Параметры источника

Анализ сигнала показал, что он был порождён слиянием двух чёрных дыр звёздной массы. Оценённые параметры системы:

• Массы компонентов до слияния: примерно 36 и 29 масс Солнца (M☉).
• Масса конечной чёрной дыры: около 62 M☉.
• Энергия, излученная в виде гравитационных волн: эквивалентна примерно 3 M☉ (около 5,4 × 10⁴⁷ Джоулей).
• Расстояние до источника: около 1,3 миллиарда световых лет (красное смещение z ≈ 0,09).
• Продолжительность сигнала: около 0,2 секунды в диапазоне частот от 35 до 250 Гц.

¶Форма сигнала

Сигнал представлял собой характерный «чирп» (от англ. chirp — «чириканье») — нарастающую по частоте и амплитуде синусоиду, которая резко обрывалась после слияния. Форма волны в точности соответствовала предсказаниям общей теории относительности для слияния двух чёрных дыр без вращения (невращающихся) или с малым вращением.

¶Детекторы LIGO

¶Устройство

LIGO представляет собой два лазерных интерферометра Майкельсона, каждый с плечами длиной 4 километра. В вакуумных трубах проходят лазерные лучи, которые отражаются от зеркал на концах плеч. Прохождение гравитационной волны вызывает относительное изменение длины плеч на величину порядка 10⁻²¹ метра (в 10 000 раз меньше размера протона). Для регистрации такого эффекта применяются сложные системы активной изоляции от вибраций и стабилизации лазера.

¶Чувствительность

На момент регистрации GW150914 детекторы LIGO имели чувствительность, достаточную для обнаружения слияний чёрных дыр на расстояниях до нескольких миллиардов световых лет. Сигнал был зарегистрирован с отношением сигнал/шум около 24, что значительно превышает порог обнаружения (обычно 8–10).

¶Научное значение

¶Подтверждение общей теории относительности

GW150914 предоставило прямое доказательство существования гравитационных волн, что стало ещё одним триумфом общей теории относительности. Наблюдение подтвердило предсказания теории о слиянии чёрных дыр и излучении гравитационных волн, в том числе в сильных полях тяготения, где нелинейные эффекты становятся значительными.

¶Доказательство существования двойных чёрных дыр

До этого открытия существование двойных систем из чёрных дыр звёздной массы было теоретически предсказано, но не подтверждено наблюдениями. GW150914 стало первым прямым свидетельством их существования и слияния.

¶Новый инструмент астрономии

Открытие положило начало гравитационно-волновой астрономии — новой области науки, позволяющей изучать Вселенную не только по электромагнитному излучению, но и по гравитационным волнам. Это дало возможность наблюдать объекты и процессы, невидимые в оптическом, рентгеновском или радиодиапазонах, например, слияния чёрных дыр.

¶Проверка моделей эволюции звёзд

Массы чёрных дыр в системе GW150914 (36 и 29 M☉) оказались значительно больше, чем массы чёрных дыр, обнаруженных ранее в рентгеновских двойных системах (обычно до 10–15 M☉). Это поставило вопросы о механизмах образования таких массивных чёрных дыр и их эволюции в двойных системах.

¶Критика и альтернативные гипотезы

¶Возможные артефакты

В первые недели после объявления высказывались предположения, что сигнал мог быть вызван не гравитационной волной, а локальными помехами или сбоями в работе детекторов. Однако тщательный анализ данных, включая проверку корреляции между двумя детекторами и отсутствие аналогичных сигналов в тестовых прогонах, подтвердил астрофизическую природу события.

¶Альтернативные теории

Некоторые исследователи предлагали альтернативные объяснения, например, слияние нейтронных звёзд или чёрных дыр с экзотическими объектами (например, бозонными звёздами). Однако форма сигнала и его параметры наилучшим образом соответствуют модели слияния двух чёрных дыр в рамках общей теории относительности. Другие теории гравитации (например, модифицированные теории Ньютона) не могут объяснить наблюдаемую форму волны без дополнительных допущений.

¶Последующие события

¶Нобелевская премия

За решающий вклад в открытие гравитационных волн Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн были удостоены Нобелевской премии по физике в 2017 году. Вайсс получил половину премии, а Бэриш и Торн разделили вторую половину.

¶Дальнейшие наблюдения

После GW150914 LIGO и европейский детектор Virgo зарегистрировали десятки других гравитационно-волновых событий, включая слияния чёрных дыр и нейтронных звёзд. В 2017 году было объявлено о первом наблюдении слияния двух нейтронных звёзд (GW170817), которое также было зафиксировано электромагнитными телескопами.

¶Источники

• Abbott, B. P. et al. (2016). Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Physical Review Letters, 116(6), 061102.
• Abbott, B. P. et al. (2016). GW150914: The Advanced LIGO Detectors in the Era of First Discoveries. Physical Review Letters, 116(13), 131103.
• Abbott, B. P. et al. (2016). Properties of the Binary Black Hole Merger GW150914. Physical Review Letters, 116(24), 241102.
• The LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration. (2016). GW150914: First results from the search for binary black hole coalescence with Advanced LIGO. Physical Review D, 93(12), 122003.
• Castelvecchi, D. (2016). Gravitational waves: How LIGO forged the path to victory. Nature, 530(7590), 261–262.