LIGO: 10 лет Гравитационно-Волновых Открытий и Новые Горизонты Космоса

Десять лет гравитационно-волновой астрономии: от единственной ряби в пространстве до ежедневных космических симфоний

Ровно десять лет назад, 14 сентября 2015 г., человечество впервые «услышало» эхо масштабного космического события - слияния двух чёрных дыр. Это историческое обнаружение гравитационных волн, предсказанных Альбертом Эйнштейном ещё десятилетия назад, открыло новую эпоху в астрономии и стало фундаментом для беспрецедентного изучения вселенной. Обсерватория LIGO, благодаря двум детекторам в Хэнфорде и Ливингстоне, зафиксировала едва уловимую рябь в пространственно-временном континууме, пришедшую от столкновения, произошедшего более миллиарда лет тому назад.

С того первого сигнала, обозначенного как GW150914, количество зафиксированных событий возросло почти до трёхсот. Сегодня, как указывает Дэвид Райтце из LIGO, слияния чёрных дыр происходят в среднем раз в три дня. Это демонстрирует не только огромный прогресс в технологиях детектирования, но и стремительное превращение гравитационно-волновой астрономии из смелой идеи в привычный научный инструмент. Оригинальная статья о первом открытии, опубликованная в журнале Physical Review Letters, вскоре может стать самой цитируемой работой по физике, что подчёркивает её фундаментальное значение.

Эволюция чувствительности и расширение горизонтов

За прошедшее десятилетие чувствительность детекторов LIGO, а также его европейских и японских «сестер» - Virgo, расположенной рядом с Пизой, и KAGRA, установленной под горой Икэнояма - удвоилась. Это позволило расширить наблюдаемую часть Вселенной вдвое, охватывая в восемь раз больше галактик. Сотрудничество между LIGO, Virgo и KAGRA, известное как LVK-коллаборация, стало ключевым фактором в накоплении обширной статистики космических событий.

Последний научный цикл, четвёртый по счёту с 2015 г., уже подарил более 200 кандидатов в слияния чёрных дыр, что более чем вдвое превышает результаты трёх предшествующих циклов вместе взятых. Такой резкий рост обусловлен не только удвоением чувствительности, но и внедрением новейших квантовых прецизионных инженерных решений. Современные детекторы LVK способны регистрировать изменения в пространственно-временной структуре размером менее 1/10 000 ширины протона, что в 700 триллионов раз меньше толщины человеческого волоса.

Первоначальная идея LIGO, предложенная Райнером Вайссом в 1972 г., казалась Кипу Торну практически недостижимой. Однако совместные усилия Вайсса, Торна и Владимира Брагинского в 1970-х годах убедили их в реальности успеха. Преодоление технических трудностей, связанных с подавлением шумов, потребовало изобретения совершенно новых технологий. Эта работа получила поддержку от Национального научного фонда США (NSF), и, как отметил представитель NSF Франс Кордоба, инвестиции в LIGO, хотя и рискованные, доказали роль фонда в поддержке фундаментальных исследований.

Достижения LIGO в точности детектирования были продемонстрированы 14 января 2025 г. при открытии события GW250114. Это слияние чёрных дыр на расстоянии около 1,3 млрд световых лет, схожее по параметрам с первым детектированием GW150914, было зафиксировано с беспрецедентной чёткостью. Как выразилась Мария Чациоанну из LIGO, «мы слышали его громко и ясно».

Проверка теорий Хокинга и углубление фундаментальных знаний

Анализ сигнала GW250114 позволил команде LVK получить самые убедительные на сегодня наблюдательные доказательства теоремы о площади чёрных дыр, предложенной Стивеном Хокингом в 1971 г. Эта теорема гласит, что суммарная площадь поверхности чёрных дыр не может уменьшаться. При их слиянии массы объединяются, увеличивая площадь, несмотря на потерю энергии в виде гравитационных волн и возможное увеличение вращения образующейся чёрной дыры.

Исследование подтвердило, что общая площадь поверхности чёрных дыр возросла: от примерно 240 000 км² до слияния до 400 000 км² после. Это подтверждение имеет уровень достоверности 99,999 %, что заметно выше 95 %, полученных при первом тестировании теоремы Хокинга в 2021 г. на основе данных GW150914. Кип Торн вспоминает, как Хокинг ещё в 2015 г. спрашивал его, сможет ли LIGO проверить его теорему. К сожалению, Хокинг не дожил до этого момента, скончавшись в 2018 г.

Особая сложность анализа заключалась в определении конечной площади поверхности слившейся чёрной дыры. В то время как параметры чёрных дыр до слияния относительно легко извлекаются из сигнала гравитационных волн, возникающего при их приближении, сигнал после слияния, на так называемой стадии «затухающего звона» (ringdown), менее очевиден. Учёные смогли точно измерить детали этой стадии, что позволило вычислить массу и спин результирующей чёрной дыры и, следовательно, её площадь.

Впервые были чётко выделены две различные моды гравитационных волн в фазе затухающего звона, которые звучат как характерные колокольные тона: они имеют схожие частоты, но затухают с разной скоростью. Улучшенные данные GW250114 позволили экстраполировать эти моды, подтвердив, что затухание чёрной дыры происходит точно в соответствии с математическими моделями, основанными на формализме Теукольского, разработанном в 1972 г. Саулом Теукольским. Другое исследование LVK, опубликованное в Physical Review Letters, уточняет границы более высокого, третьего тона в сигнале GW250114 и проводит одни из самых строгих проверок общей теории относительности при описании слияния чёрных дыр.

Мультимессенджерная астрономия и будущие перспективы

За последнее десятилетие LIGO и Virgo также зафиксировали слияния нейтронных звёзд. В августе 2017 г. эти обсерватории зарегистрировали эпическое столкновение двух нейтронных звёзд, так называемую килоновую звезду, которая выбросила в космос золото и другие тяжёлые элементы. Это событие стало первым случаем в мультимессенджерной астрономии, когда одновременно были обнаружены гравитационные волны и электромагнитное излучение (от высокоэнергетических гамма-лучей до низкочастотных радиоволн). Сегодня LVK продолжает оперативно оповещать астрономическое сообщество о потенциальных столкновениях нейтронных звёзд, позволяя телескопам по всему миру искать их оптические аналоги, такие как килоновые вспышки.

Среди прочих научных открытий LVK:

• Первое выявление столкновений между нейтронной звёздой и чёрной дырой.
• Асимметричные слияния, где одна чёрная дыра существенно массивнее второй.
• Открытие самых лёгких известных чёрных дыр, что ставит под сомнение концепцию «массового разрыва» между нейтронными звёздами и чёрными дырами.
• Самое массивное из всех зарегистрированных слияний чёрных дыр с результирующей массой 225 солнечных масс (предыдущий рекорд составлял 140 солнечных масс).

Прогресс в компьютерном моделировании слияний чёрных дыр играет центральную роль в извлечении и анализе слабых гравитационно-волновых сигналов. Технологические инновации LIGO, разрабатываемые с 1980-х годов, включают новую методику стабилизации лазеров, известную как техника Паунда-Древера-Холла, широко применяемую сегодня в атомных часах и квантовых компьютерах. Также были созданы высококачественные зеркальные покрытия, инструменты «квантового сжатия» для преодоления пределов чувствительности, накладываемых квантовой физикой, и новые подходы ИИ для подавления нежелательных шумов.

В ближайшие годы команда LVK планирует дальнейшую модернизацию существующих установок в рамках проекта LIGO A#, что должно более чем вдвое повысить чувствительность к началу 2030-х годов. Это будет включать увеличение мощности лазеров и замену подвешенных зеркал на более тяжёлые и стабильные с улучшенным отражающим покрытием. Параллельно разрабатываются проекты крупномасштабных детекторов нового поколения.

В США продвигается проект Cosmic Explorer - интерферометр с «рукавами» длиной около 40 км, то есть в десять раз длиннее, чем у LIGO. Если он будет построен, учёные ожидают регистрировать до ста тысяч слияний чёрных дыр в год, фактически по всей наблюдаемой Вселенной, включая события, произошедшие более десяти миллиардов лет назад. Европейским аналогом является проект Einstein Telescope, предусматривающий строительство одного-двух подземных интерферометров с «рукавами» более 10 км. Такие обсерватории позволят учёным «слышать» самые ранние слияния чёрных дыр в истории Вселенной.

Тем не менее, реализация столь амбициозных инициатив, как Cosmic Explorer и модернизация LIGO, может столкнуться с финансовыми трудностями, связанными с возможным сокращением бюджета Национального научного фонда США. Несмотря на эти риски, исследователи сохраняют осторожный оптимизм.

«Придётся подождать и посмотреть», - говорит Дэвид Райтце.

Объявление Китаем в 2016 г. о запуске проекта «Тайцзи» и разработка проекта LISA, который будет использовать лазерный интерферометр в космосе с «рукавом» 2,5 млн км, демонстрируют глобальный характер гонки в гравитационно-волновой астрономии.

За десять лет гравитационно-волновая астрономия прошла путь от первой «ряби» в пространственно-временном континууме до рутинного инструмента, позволяющего «видеть» Вселенную совершенно по-новому. Открытия этого десятилетия не только подтвердили фундаментальные теории, но и открыли новые окна для изучения самых экстремальных космических явлений, обещая ещё более захватывающие открытия в будущем.

Дополнительная информация о проекте LIGO доступна в LIGO Magazine (PDF) и на специализированном сайте-архиве воспоминаний "memory box". История гравитационных волн, от предсказаний Эйнштейна до современности, подробно описана в обзоре на русском языке.

#LIGO #гравитационные_волны