Обсерватория LIGO во второй раз сумела зарегистрировать гравитационные волны от слияния черных дыр.

15 июня 2016 года научная коллаборация LIGO (LSC — LIGO Scientific Collaboration) сообщила о том, что ее исследователям 26 декабря 2015 года во второй раз удалось обнаружить гравитационные волны. Об этом рассказывает публикация в журнале Physical Review Letters. 

Изменение частоты сигнала 35 до 450 Гц (по вертикальной оси, в Гц) от времени (по горизонтальной оси, в сек) в течение примерно 1 секунды перед слиянием, соответствующему времени 0.

Модельные оценки возможных масс сливающихся черных дыр (в массах Солнца). Высота «горба» соответствует вероятности значения массы. Возможные пары показаны лунообразным контуром. Чем темнее окраска, тем выше вероятность.

Даты обнаружения гравитационных волн и события – кандидата, с изображением сливающихся черных дыр в едином масштабе.

Открытие гравитационных волн, о котором было объявлено 11 февраля 2016 года, хотя и было ожидаемым, стало значимым событием в физике. Оно не только подтвердило предсказание общей теории относительности (ОТО), но и дало в руки физикам еще один инструмент исследования природы, получивший название гравитационно-волновой астрономии. Вторая регистрация гравитационных волн также очень важна, поскольку подтверждает работоспособность оборудования и методики их моделирования и выделения из помех. Теперь физики могут быть уверены в том, что первое событие не уникально.  Кроме того, LIGO продемонстрировала способность обнаруживать чрезвычайно слабые сигналы. Никаких отклонений от ОТО снова не обнаружено.

В отличие от сигнала, зарегистрированного при открытии гравитационных волн, который был четко виден на фоне помех, второй сигнал был значительно слабее и явно виден не был. Однако исследователям удалось его «отфильтровать» с помощью передовых методов анализа данных, специально разработанных для этой цели. 

Сигнал был первоначально идентифицирован в течение 70 секунд после регистрации с помощью системы онлайн-поиска. Она использует так называемую согласованную фильтрацию, которая позволяет обнаружить в шуме сигналы с известными формами волны (шаблонами). Для этого  команда теоретиков коллаборации собрала банк данных из сотен тысяч известных волновых форм, каждая из которых соответствует различным массам и вращениям черных дыр.

Проанализировав данные, физики пришли к выводу, что обнаруженные гравитационные волны снова были порождены слиянием двух черных дыр, имеющими массы в 14,2 и 7,5 раз больше массы Солнца. Слияние, которое произошло 1,4 миллиарда лет тому назад, породило черную дыру с массой, почти в 21 раз превышающей массу Солнца. При этом количество энергии, примерно эквивалентное одной солнечной массе, превратилось в гравитационные волны. Важно то, что второй сигнал был порожден черными дырами с относительно небольшими массами, что гораздо лучше соответствует предсказаниям астрофизиков. 

Сигнал, принятый детекторами LIGO, охватывает чуть менее одной последней секунды перед объединением черных дыр. За это время они обернулись вокруг друг друга 55 раз (частота сигнала увеличилась с 35 до 450 Гц), а их скорость приблизилась к половине скорости света.  Отметим, что при первом обнаружении гравитационных волн наблюдалось всего 10 оборотов. Меньшие массы черных дыр во втором случае позволили увидеть большее количество оборотов на последнем этапе. 

Детектор в Ливингстоне записал событие на 1,1 миллисекунды раньше детектора в Хэнфорде, что позволяет дать грубую оценку расположения источника на небесной сфере.

Исследователи обнаружили 12 октября 2015 года еще один сигнал – кандидат на гравитационные волны от слияния черных дыр в суммарной массой около 100 солнечных масс. Но данные по нему они продолжают анализировать. Продолжается и дальнейшая обработка данных, накопленных на первом этапе наблюдений, завершившемся 19 января 2016 года.

Оба открытия стали возможными благодаря детекторам Advanced LIGO, которые более чувствительны, чем детекторы первого поколения LIGO и позволяют значительно увеличить зондируемый объем Вселенной. Сейчас детекторы снова проходят модернизацию, и следующий цикл наблюдений намечен на осень 2016 года. Ожидается, что дальнейшее улучшение чувствительности детекторов позволит LIGO расширить объем зондирования в 1,5–2 раза. Кроме того, во второй половине этого цикла наблюдений должен вступить в строй детектор Virgo.

После накопления достаточного количества данных астрофизики надеется ответить на важный вопрос: как черные дыры сливаются? В настоящее время они предложили два различных сценария этого процесса. Одна гипотеза предполагает, что обе черные дыры возникли из звезд двойной звездной системы, а, значит, изначально обращались вокруг друг друга. Другая гипотеза говорит о том, что две независимых черных дыры, существующие в плотной популяции черных дыр, в какой-то момент стали гравитационно связаны между собой и в конце концов слились.

Для справки. Детекторы Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO — Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory) расположены в Ливингстоне, штат Луизиана, и в Хэнфорде, штат Вашингтон, США. В коллаборацию LIGO входят более 1000 исследователей из ученых из США 14 других стран. Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова и группой Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород). В разработке детекторов и анализе данных участвуют более 90 университетов и научно-исследовательских институтов.

По материалам МГУ имени М. В. Ломоносова и Массачусетского технологического института 

Видео с результатами моделирования и другой информацией можно посмотреть по ссылке