|
Столкновения черных дыр
|
|
|
|
В 2015 году знаменитая лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) впервые в истории зафиксировала гравитационные волны. Волны были результатом столкновения двух черных дыр далеко во Вселенной; с тех пор было обнаружено множество подобных сигналов от слияния черных дыр, нейтронных звезд и даже пара смешанных слияний между ними. Тем не менее, несмотря на успех LIGO, расположенного на двух площадках в США и поддерживаемого детектором Virgo, расположенным в Италии, и детектором гравитационных волн Kamioka (KAGRA) в Японии, астрономы смогли подтвердить только одно из этих событий, вызванных гравитационными волнами, используя "традиционную" световую астрономию. Этим событием стало слияние двух нейтронных звезд, которое породило гравитационно-волновой сигнал GW170817. Теперь команда ученых из Университета Миннесоты разработала обновления программного обеспечения, которые могут помочь предупреждать астрономов о событиях слияния всего через 30 секунд после того, как гравитационные волны будут обнаружены на Земле. Эта система раннего оповещения должна позволить отслеживать больше событий слияния с помощью астрономии, основанной на освещении.
|
|
|
|
"С помощью этого программного обеспечения мы можем обнаруживать гравитационные волны от столкновений нейтронных звезд, которые обычно слишком слабы, чтобы их можно было увидеть, если мы точно не знаем, где искать", - говорится в заявлении Эндрю Тойвонена, члена команды и аспиранта Школы физики и астрономии Twin Cities Университета Миннесоты. "Обнаружение гравитационных волн в первую очередь поможет локализовать столкновение и поможет астрономам и астрофизикам завершить дальнейшие исследования". Гравитационные волны - это крошечные волны в ткани пространства и времени, которые объединены в единую четырехмерную структуру, называемую "пространством-временем". Впервые такие волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности (1915). Общая теория относительности предсказывает, что гравитация возникает из-за объектов, обладающих массой, которая деформирует саму структуру пространства-времени. Чем больше масса, тем более экстремальной является кривая, что объясняет, почему звезды оказывают большее гравитационное влияние, чем планеты.
|
|
|
Эйнштейн также предположил, что ускорение объектов вызывает рябь в пространстве-времени. Эта рябь заметна только при ускорении по—настоящему массивных объектов - таких, как нейтронные звезды и черные дыры, которые вращаются друг вокруг друга в двойных системах и при этом излучают гравитационные волны. По словам Эйнштейна, это непрерывное излучение гравитационных волн унесет угловой момент и приведет к сближению сверхплотных объектов и, в конечном счете, к слиянию - столкновению, которое вызовет пронзительный "крик" гравитационных волн. Эйнштейн, однако, полагал, что даже гравитационные волны от объектов, достаточно значительных для того, чтобы их генерировать, будут слишком слабыми, чтобы их можно было когда-либо обнаружить здесь, на Земле. К счастью, он ошибался. Тем не менее, обнаружение гравитационных волн по-прежнему является непростой задачей. В конце концов, двойные нейтронные звезды и черные дыры расположены на расстоянии миллионов (иногда даже миллиардов) световых лет от нас, и гравитационные волны теряют энергию, распространяясь по космосу.
|
|
|
|
Чтобы LIGO мог обнаруживать гравитационные волны от этих событий, этот массивный лазерный интерферометр состоит из двух L-образных ответвлений, каждое длиной 2,5 мили (4 километра). Когда лазерный луч находится в фазе, он проходит через каждое из этих ответвлений. Это означает, что когда лучи встречаются, пики и впадины их волн выстраиваются в линию, и лазерный луч усиливается, что называется "конструктивной интерференцией". Однако, если гравитационная волна проходит через один из этих лазеров и пространство сжимается и растягивается, то лазер, проходящий через этот участок пространства, будет смещен по фазе, что означает, что впадины пересекаются с пиками, и наоборот, что приводит к "разрушительным помехам" и, следовательно, к отсутствию усиления. Изменения, которые LIGO улавливает, чтобы "услышать" гравитационные волны, в 0,0001 раза больше ширины протона - частицы, которая находится в сердцевине атомных ядер. Выражаясь "стандартными" астрономическими терминами, это эквивалентно измерению расстояния до ближайшей звезды, Проксимы Центавра, находящейся на расстоянии около 4,2 световых лет, с количественной точностью, равной толщине человеческого волоса.
|
|
|
|
В настоящее время LIGO, Virgo и KAGRA находятся на четвертом этапе эксплуатации, который начался 24 мая 2023 года и продлится до февраля 2025 года. В промежутках между предыдущими опытами ученые из коллаборации LIGO/Virgo/KAGRA обновляли программное обеспечение, используемое для определения формы сигналов гравитационных волн, отслеживания эволюции сигнала, а затем оценки масс нейтронных звезд или черных дыр, которые столкнулись друг с другом, чтобы создать сигнал. Это программное обеспечение также рассылает оповещение другим ученым. Благодаря моделированию, созданному с использованием данных, собранных за периоды наблюдений с первого по третий, а также искусственно сгенерированных сигналов гравитационных волн, команда теперь знает, что можно обновить программное обеспечение для наблюдения, которое позволяет отправлять предупреждения в течение 30 секунд после обнаружения гравитационных волн во время наблюдения. Такие обновления повлияют на четвертый период наблюдения.
|
|
|
|
Это должно помочь астрономам отслеживать местоположение этих событий на небе с помощью световой астрономии, чего в настоящее время не может сделать ни один детектор гравитационных волн, и определить, как со временем развиваются столкновения между самыми экзотическими и загадочными объектами в космосе. Маловероятно, что на этом обновление систем оповещения об обнаружении гравитационных волн закончится. В конце текущего этапа совместной работы ученые LIGO/Virgo/KAGRA будут использовать данные, собранные за почти два года "прослушивания" универсальной симфонии сталкивающихся черных дыр и нейтронных звезд, чтобы еще больше повысить скорость оповещения.
|
|
|
|
Источник
|
