Гравитационные волны несут информацию об их драматическом происхождении и о природе гравитации, которую иначе невозможно получить. Физики пришли к выводу, что обнаруженные гравитационные волны возникли во время последней доли секунды слияния двух черных дыр с образованием единой, более массивной вращающейся черной дыры. Это столкновение двух черных дыр было предсказано, но никогда не наблюдалось.Гравитационные волны были обнаружены 14 сентября 2015 года в 5:51 утра по восточному поясному времени (09:51 UTC) обоими детекторами обсерватории гравитационных волн с двойным лазерным интерферометром (LIGO), расположенными в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон. , СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ.
Обсерватории LIGO финансируются Национальным научным фондом (NSF), были задуманы, построены и эксплуатируются Калтехом и Массачусетским технологическим институтом. Открытие, принятое к публикации в журнале Physical Review Letters, было сделано LIGO Scientific Collaboration (которое включает GEO Collaboration и Австралийский консорциум по интерферометрической гравитационной астрономии) и Virgo Collaboration с использованием данных двух детекторов LIGO.
Основываясь на наблюдаемых сигналах, ученые LIGO подсчитали, что черные дыры во время этого события были примерно в 29 и 36 раз больше массы Солнца, и это событие произошло 1,3 миллиарда лет назад. Примерно в 3 раза больше массы Солнца было преобразовано в гравитационные волны за доли секунды — с пиковой выходной мощностью, примерно в 50 раз превышающей мощность всей видимой Вселенной.
Глядя на время прибытия сигналов — детектор в Ливингстоне зарегистрировал событие за 7 миллисекунд до детектора в Хэнфорде — ученые могут сказать, что источник находился в Южном полушарии.Согласно общей теории относительности, пара черных дыр, вращающихся вокруг друг друга, теряет энергию из-за излучения гравитационных волн, заставляя их постепенно приближаться друг к другу в течение миллиардов лет, а затем гораздо быстрее в последние минуты.
В течение последней доли секунды две черные дыры сталкиваются друг с другом со скоростью, составляющей почти половину скорости света, и образуют единственную более массивную черную дыру, преобразуя часть общей массы черных дыр в энергию, согласно теории Эйнштейна. формула E = mc2. Эта энергия излучается в виде последнего сильного всплеска гравитационных волн. Именно эти гравитационные волны наблюдала LIGO.Существование гравитационных волн было впервые продемонстрировано в 1970-х и 80-х годах Джозефом Тейлором-младшим и его коллегами.
Тейлор и Рассел Халс открыли в 1974 году двойную систему, состоящую из пульсара, вращающегося вокруг нейтронной звезды. Тейлор и Джоэл М. Вайсберг в 1982 году обнаружили, что орбита пульсара со временем медленно сужалась из-за высвобождения энергии в виде гравитационных волн.
За открытие пульсара и демонстрацию возможности этого конкретного измерения гравитационной волны Халс и Тейлор были удостоены Нобелевской премии по физике в 1993 году.Новое открытие LIGO — это первое наблюдение самих гравитационных волн, сделанное путем измерения крошечных возмущений, которые волны создают в пространстве и времени, когда они проходят через Землю.
«Наше наблюдение гравитационных волн позволяет достичь амбициозной цели, поставленной более пятидесяти лет назад, чтобы напрямую обнаружить это неуловимое явление и лучше понять Вселенную, и, соответственно, соответствует наследию Эйнштейна к 100-летнему юбилею его общей теории относительности», — говорит Дэвид из Калифорнийского технологического института. Х. Рейтце, исполнительный директор лаборатории LIGO.Открытие стало возможным благодаря расширенным возможностям Advanced LIGO, серьезному обновлению, которое увеличивает чувствительность инструментов по сравнению с детекторами LIGO первого поколения, что позволяет значительно увеличить объем исследуемой Вселенной, а также обнаружение гравитационных волн. во время первого сеанса наблюдений. Национальный научный фонд США лидирует в финансовой поддержке Advanced LIGO.
Финансирующие организации в Германии (Общество Макса Планка), Великобритании (Совет по науке и технологиям, STFC) и Австралии (Австралийский исследовательский совет) также взяли на себя значительные обязательства по проекту. Несколько ключевых технологий, которые сделали Advanced LIGO намного более чувствительным, были разработаны и протестированы немецким британским GEO. Значительные компьютерные ресурсы предоставлены кластером AEI Hannover Atlas, лабораторией LIGO, Сиракузским университетом и Университетом Висконсин-Милуоки.
Ключевые компоненты Advanced LIGO были спроектированы, построены и протестированы несколькими университетами: Австралийский национальный университет, Университет Аделаиды, Университет Флориды, Стэнфордский университет, Колумбийский университет города Нью-Йорка и Университет штата Луизиана.«В 1992 году, когда было одобрено первоначальное финансирование LIGO, это стало крупнейшей инвестицией, которую когда-либо делал NSF», — говорит Франс Кордова, директор NSF. «Это был большой риск. Но Национальный научный фонд — агентство, которое берет на себя такие риски. Мы поддерживаем фундаментальную науку и инженерию на том этапе пути к открытиям, где этот путь далеко не ясен.
Мы финансируем первопроходцев. Вот почему США продолжают оставаться мировым лидером в продвижении знаний ».
Исследования LIGO проводятся LIGO Scientific Collaboration (LSC), группой из более чем 1000 ученых из университетов США и 14 других стран. Более 90 университетов и исследовательских институтов в LSC разрабатывают детекторные технологии и анализируют данные; около 250 студентов активно участвуют в этом сотрудничестве.
Сеть детекторов LSC включает интерферометры LIGO и детектор GEO600. В команду GEO входят ученые из Института гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна, AEI), Университета Лейбница в Ганновере, а также партнеры из Университета Глазго, Университета Кардиффа, Университета Бирмингема и других университетов Соединенного Королевства. , и Университет Балеарских островов в Испании.
«Это открытие — начало новой эры: область гравитационно-волновой астрономии стала реальностью», — говорит Габриэла Гонзалез, представитель LSC и профессор физики и астрономии в Университете штата Луизиана.Первоначально LIGO был предложен как средство обнаружения этих гравитационных волн в 1980-х Райнером Вайсом, почетным профессором физики из Массачусетского технологического института; Кип Торн, почетный профессор теоретической физики Ричарда П. Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте; и Рональд Древер, почетный профессор физики, также из Калифорнийского технологического института.«Описание этого наблюдения прекрасно описано в общей теории относительности Эйнштейна, сформулированной 100 лет назад, и представляет собой первую проверку теории сильной гравитации.
Было бы замечательно наблюдать за лицом Эйнштейна, если бы мы могли сказать ему», — сказал он. — говорит Вайс.«С этим открытием мы, люди, отправляемся в новый чудесный квест: поиски по исследованию искривленной стороны Вселенной — объектов и явлений, созданных из искривленного пространства-времени.
Столкновение черных дыр и гравитационных волн — наши первые прекрасные примеры», — говорит Торн.Исследования Девы проводятся Коллаборацией Девы, в которую входят более 250 физиков и инженеров, принадлежащих к 19 различным европейским исследовательским группам: 6 из Национального центра научных исследований (CNRS) во Франции; 8 из Национального института ядерной физики (INFN) в Италии; 2 в Нидерландах с Nikhef; Wigner RCP в Венгрии; группа POLGRAW в Польше; и Европейская гравитационная обсерватория (EGO), лаборатория, в которой размещен детектор Девы, недалеко от Пизы в Италии.Фульвио Риччи, официальный представитель Девы, отмечает: «Это важная веха для физики, но, что более важно, это всего лишь начало многих новых и захватывающих астрофизических открытий, которые придут с LIGO и Virgo».
Брюс Аллен, управляющий директор Института гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна), добавляет: «Эйнштейн считал гравитационные волны слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить, и не верил в черные дыры. Но я не думаю, что он бы ошиблись! "«Детекторы Advanced LIGO — это образец достижений науки и технологий, ставший возможным благодаря действительно исключительной международной команде техников, инженеров и ученых», — говорит Дэвид Шумейкер из Массачусетского технологического института, руководитель проекта Advanced LIGO. «Мы очень гордимся тем, что завершили этот финансируемый NSF проект вовремя и в рамках бюджета».В каждой обсерватории L-образный интерферометр LIGO длиной две с половиной мили (4 км) использует лазерный свет, разделенный на два луча, которые перемещаются вперед и назад по рукавам (трубки диаметром четыре фута, хранящиеся под почти — идеальный вакуум).
Лучи используются для контроля расстояния между зеркалами, точно расположенными на концах кронштейнов. Согласно теории Эйнштейна, расстояние между зеркалами изменится на бесконечно малую величину, когда гравитационная волна пройдет мимо детектора.
Можно обнаружить изменение длины плеч меньше одной десятитысячной диаметра протона (10-19 метров).«Чтобы сделать эту фантастическую веху возможной, потребовалось глобальное сотрудничество ученых — лазер и технология подвески, разработанные для нашего детектора GEO600, были использованы, чтобы сделать Advanced LIGO самым совершенным детектором гравитационных волн из когда-либо созданных», — говорит Шейла Роуэн, профессор физики и астрономии. в Университете Глазго.Независимые и удаленные друг от друга обсерватории необходимы для определения направления события, вызывающего гравитационные волны, а также для проверки того, что сигналы исходят из космоса, а не от какого-либо другого местного явления.
С этой целью лаборатория LIGO тесно сотрудничает с учеными из Индии в Межуниверситетском центре астрономии и астрофизики, Центре передовых технологий Раджа Раманна и Институтом плазмы, чтобы установить третий передовой детектор LIGO на Индийском субконтиненте. Ожидая одобрения правительства Индии, он может быть введен в эксплуатацию в начале следующего десятилетия.
Дополнительный детектор значительно улучшит способность глобальной детекторной сети локализовать источники гравитационных волн.«Надеюсь, это первое наблюдение ускорит создание глобальной сети детекторов, чтобы обеспечить точное местоположение источника в эпоху астрономии с несколькими мессенджерами», — говорит Дэвид МакКлелланд, профессор физики и директор Центра гравитационной физики в Австралийском национальном университете. .