На заре гравитационно-волновой астрономии: второе наблюдение слияния черных дыр

Сегодня научная коллаборация LIGO-Virgo объявила об обнаружении гравитационных волн от второго источника и обнародовала результаты первого научного цикла наблюдений (всего три события за четыре месяца наблюдений). Статья опубликована в Physical Review Letters ^[1].

GW151226 в деталях

В феврале ученые объявили об первом ^[2] прямом наблюдении гравитационных волн, а теперь опубликованы результаты второго события, которое случилось 26 декабря 2015 года и носит условное название GW151226. На этот раз сигнал оказался не столь четкий (соотношение сигнал-шум 13), но достоверность по-прежнему больше 5σ. Сигнал возник при слиянии двух черных дыр массами 14.2 и 7.5 солнечной в одну — массой 20 солнечных. Разница в массе (в 2 солнечных) была преобразована в энергию гравитационных волн.

Большим отличием по сравнению с предыдущим открытием состоит в необходимости дополнительного согласованного фильтра ^[3] для извлечения сигнала из шума. Как видно на картинке, в шуме сложно увидеть сигнал непосредственно, поэтому ученые используют знания о шумах детекторов и модели для процесса слияния черных дыр.

Вторым отличием является сам сигнал — масса системы черных дыр значительно меньше, и процесс слияния занимает дольше времени: около 1 секунды и 45 обращений черных дыр друг вокруг друга (для сравнения, в предыдущем событии слияние длилось всего 0.2 секунды).

Как и раньше, на оба детектора (Ливингстон и Хэнфорд) пришел сигнал, что позволило исключить локальные ошибки, а также сделать оценку и на расстояние до объекта — около 440 МПк (триангуляцией).

Первый научный цикл

В январе 2016 завершился первый научный цикл работы детекторов и сейчас они проходят процедуру обновления — будет увеличена мощность лазеров и внесены другие изменения, что позволит значительно увеличить чувствительность. Всего за четыре месяца работы детектора было зарегистрировано три события, соответствующих слиянию двух черных дыр: два с достоверностью больше 5σ, а одно с низкой достоверностью (87%). Оба главных события отлично согласуются с предсказаниями Общей Теории Относительности.

Эти открытия позволяют тестировать множество предсказаний, которые дает ОТО, а также давать оценки на параметры систем, которые мы наблюдаем, и тем самым проверять те или иные расширения ОТО (и другие теории гравитцаии).

Откуда мы знаем, что мы действительно обнаружили гравитационные волны ^[4]

На самом деле сигнал должен соответствовать многим критериям, что мы могли утверждать, что это действительно гравитационная волна. Во-первых, амплитуда сигнала должна быть значительно больше шумов в системе. Сам детектор чрезвычайно чувствителен, и множество разнообразных источников шума мешают измерениям: это и сейсмические шумы, и электронные, и лазерные, и тепловые, и множество других. Детекторы тщательно характеризуются на предмет восприимчивости к этим шумам, а сами шумы — измеряются непрерывно. Затем эти данные используются для фильтрации сигнала.

Во-вторых, нужно удостовериться, что ничто другое не могло вызвать такой сигнал. Существует множество нестационарных явлений (глитчи), которые возникают изредка и на короткое время и могут иметь форму очень похожую на грав. волну. Ученые ищут возможные источники таких явлений, изучают их, воспроизводят, проверят отклик системы на них и классифицируют. Это дает возможность сопоставлять зарегистрированный сигнал с известными источниками и делать вывод о похожести на глитч.

Наконец, измерения производятся на двух независимых детекторах, разнесенных на несколько тысяч километров. Любое локальное явление проявилось бы только одном из них, а гравитационная волна действует сразу на оба.
В итоге, залог успеха — очень хорошо знать как сам детектор, так и все возможные источники шумов вокруг, и производить независимые измерения по нескольким каналам.

Что теперь?

Открытие грав. волн. было, несомненно, одним из важнейших событий в современной физике. За эти несколько месяцев основатели LIGO получили уже 4 награды, включая приз Мильнера за прорыв в науке ^[5], да и нобелевка не за горами. Но второе наблюдение в некотором смысле даже важнее — это значит, мы можем действительно наблюдать десятки событий ^[6] в год. Это уже не просто везение, а научный прогресс. Детекторы будут обновлены, построен новый в Индии ^[7], запущен после обновления Virgo ^[8] в Италии, и подземная криогенная KAGRA ^[9] в Японии — и мы сможем наблюдать не только слияния черных дыр, но и парные нейтронные звезды, и взрывы сверхновых...Недавние успехи ^[10] в пробном космическом интерферометре — LISA Pathfinder — дают нам надежду на строительство гигантских космических детекторов для наблюдения за низкочастотными сигналами — сверхмассивными черными дырами в центре галактик.

Теперь остается немного подождать — и надеяться, что результаты этих наблюдений не совпадут с какой-либо из наших теорий, и заставят нас снова двигаться вперед и искать более глубокое понимание законов природы.

Больше о гравитационных волнах

• Статья ^[2] о первом детектировании и отличный обзор ^[11] с подробностями
• Официальный сайт LIGO ^[12] о первом событии, и подробностями детектирования
• Недавнее интересное интервью ^[13] с Кипом Торном

Автор: Shkaff

Источник ^[14]