Гравитационно-волновая обсерватория LIGO

LIGO – лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, добралась до одной из святых чашей Грааля физики: гравитационных волн. Об этом сообщали многие научные издания в прошлом году, в том числе и мы. Но это было не одно единственное событие, а первое в серии открытий, которыми LIGO продолжает нас радовать.

За время своей работы, LIGO обнаружило три важных сигнала, каждый из которых соответствовал слиянию двух массивных черных дыр. Каждое из этих слияний породило излучение достаточно мощных гравитационных волн для того, чтобы два интерферометра на Земле на расстоянии миллиарда световых лет были бы способны зарегистрировать их. Сейчас же, мы столкнулись с вероятностью того, что LIGO (вместе с VIRGO – франко-итальянским детектором гравитационных волн) достигла следующего рубежа открытий в области гравитационных волн: открытия слияний нейтронных звезд.

Существует три ключевых отличия между слияниями нейтронных звезд и черных дыр. Поскольку нейтронные звезды обладают меньшей массой, но по размерам больше, гравитационные волны которые они излучают обладают меньшей амплитудой, но большим периодом. К счастью, это нам на руку, поскольку сигнал обладающий большим периодом гораздо проще зарегистрировать и анализировать, ведь он может длиться целые секунды, минуты или даже часы, по сравнению с кратковременным сигналом от массивных черных дыр, который длится меньше секунды. Это также означает то, что нам нужно быть гораздо ближе к нейтронным звездам, чем к черным дырам чтобы увидеть их слияния: а точней, между нами должно быть расстояние меньше, чем пара сотен миллионов световых лет. По крайней мере с нынешними техническими характеристиками установок LIGO/VIRGO. И напоследок, в отличии от черных дыр, в случае с нейтронными звездами должен быть также электромагнитный сигнал, появляющийся от слияния таких массивных, но компактных объектов.

На протяжении долгого времени ученые спекулировали о вероятности того, что слияния нейтронных звезд могут быть источником гамма-всплесков – масштабных космических выбросов энергии взрывного характера, которые наблюдаются в отдаленных галактиках. По сути, гамма-всплески это одни из самых коротко-живущих, но в то же время высоко-энергетичных всплесков энергии во всей Вселенной, (напоминаем, что гамма излучение – это одна из разновидностей электромагнитных волн) Слияние двух нейтронных звезд должно приводить к сильному выбросу гигантских количеств энергии, и, как мы уже говорили, ядерной реакции в ходе которой образуется большинство Вселенских запасов тяжелых металлов.

И хоть мы можем оценить примерную частоту таких слияний, мы не можем сделать точный расчет. Мы даже пока еще не знаем точные количества бинарных систем с черными дырами, поскольку гравитационно-волновая астрономия еще только-только начинает развиваться. Более того, если слияние нейтронных звезд обладает только десятой частью амплитуды сливающихся черных дыр, они должны быть в 10 раз ближе, а это значит, что объем пространства, в котором могут быть зарегистрированы нейтронные звезды в тысячу раз меньше, чем объем пространства в котором могут быть зарегистрированы черные дыры. (Объем сферы пропорционален кубу радиуса, если радиус в 10 раз меньше, то объем в 10*10*10=1000 раз меньше). Чтобы существовал разумный шанс заметить сливающиеся нейтронные звезды, они должны сливаться в сотни, если не тысячи, раз чаще!

К счастью, скорей всего так и происходит в реальности. К еще большему счастью, нам не нужно делать никаких излишних усилий для того, чтобы обнаружить их до тех пор, пока работают гравитационные обсерватории LIGO и VIRGO. Более того, все расчеты связанные с этой областью достаточно просты (хоть и существует необходимость оперирования достаточно сложными числами). Именно поэтому исследования таких слияний являются лишь небольшим вопросом времени извлечения сигнала из “сырой” информации полученной в обсерваториях. С тремя обсерваториями, LIGO/VIRGO не только становится более чувствительным к сигналам, но также становится способным триангулировать (определить) местонахождение сигнала.

При этом, как мы помним, детекторы должны зафиксировать не только всплески гравитационных волн, но и электромагнитные, будь то гамма-лучи, ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные или радио- волны. И хоть после всех этих условий, вся затея может казаться розыгрышем в лотерею, она, тем не менее, имеет право на существование.

18 августа 2017 года, знаменитый астрофизик Крэйг Уилер из Техасского Университета в Остине сделал твит, который намекал нам на открытие чего-то совершенно нового в обсерваториях LIGO.

Может ли это быть первым доказательством слияния двух нейтронных звезд? Конечно, это всего лишь слух/утечка, и никак не официальное заявление самой обсерватории, но когда всемирно знаменитый (в своих кругах) физик делает какое-то заявление в своей сфере, стоит рассматривать возможность того, что это окажется правдой. Если был обнаружен какой-то оптический сигнал, то как мы уже говорили, это скорей слияние нейтронных звезд, нежели слияние черных дыр, а это действительно что-то гораздо более увлекательное.

В подтверждение того, что это не просто спекуляция или выдача желаемого за правду служит тот факт, что докладчик LIGO David Shoemaker не опроверг слухи или не отменил вероятности того, что новые данные не похожи на то, что когда-либо получали ранее. В подтверждение также служит событие, которое произошло спустя всего 4 дня после твита Уилера.

22 Августа было обнаружено потенциальное столкновение двух нейтронных звезд в галактике NGC 4993. Есть ли в этой фотографии что-то, на что стоит обратить внимания? Является ли это первым свидетельством слияния двух нейтронных звезд? Успешно ли мы сопоставили гравитационные волны и световой источник впервые за всю историю?

Мы живем в удивительное время: на наших глазах рождается гравитационно-волновая астрономия. В ближайшие десятилетия нам предстоит открыть целую серию первых в истории открытий, в том числе первое слияние нейтронных звезд, первое обнаружение точного источника гравитационных волн и первая взаимосвязь между гравитационными и электромагнитными сигналами. Если природа добра к нам, и слухи правдивы, мы, возможно, открыли все три сразу.