Коллаборация LIGO сообщила о регистрации гравитационных волн в третий раз.

Разумеется, первое обнаружение гравитационных волн, о котором было сообщено в начале 2016 года – более знаковое событие, вошедшее в историю физики, но и третья их регистрация, подробности которой описаны в новой статье в журнале Physical Review Letters, тоже по своему значима.

Массы наблюдаемых черных дыр. На вертикальной оси отложены солнечные массы. Новое событие получило название GW170104. Четвертое слияние LVT151012 считается слабо подтвержденным.

Области возможного расположения на небе источника гравитационных волн.

Верхние два рисунка показывают сигнал принятый двумя детекторами LIGO. Нижний рисунок показывает отфильтрованные и очищенные сигналы детекторов, наложенные на модельный сигнал (черный).

Она означает, что детекторы гравитационных волн становятся стабильным инструментом исследования Вселенной, в котором принимают участие и два научных коллектива из России: группы физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).

В течение большей части прошлого года детекторы LIGO были отключены для обновления. Второй цикл наблюдений начался 30 ноября 2016 года и продолжается по сей день. Описанный сигнал зафиксирован 4 января 2017 года. Как и в первых двух случаях, гравитационные волны были порождены столкнувшимися черными дырами. Исследователи уверены в этом на 99,997%. Однако в данном случае это событие произошло примерно в два раза дальше, на расстоянии около 3 миллиардов световых лет.

Масса и другие параметры черных дыр  определяются по форме принятого  гравитационного сигнала, который сравнивается с теоретическими моделями. По частоте их вращения можно так же оценить расстояние между ними, а значит, и размеры. Анализ показал, что средние массы столкнувшихся черных дыр составляли 31,2 и 19,4 солнечных масс, их диаметры порядка 190 км и 115 км. В результате слияния образовалась новая черная дыра с массой около 49 солнечных масс и диаметром 280 км.

 Энергия, выделившаяся при этом слиянии, превысила световую энергию, излучаемую за это же время всеми звездами и галактиками Вселенной. Вся эта энергия была выпущена в мгновение ока, всего за 0,12 секунды. В момент столкновения черные дыры вращались вокруг друг друга со скоростью около 0,6 скорости света!

Два детектора в США зафиксировали сигналы, между которыми есть небольшой временной сдвиг, около 3 миллисекунд, который дает приблизительную информацию о направлении, откуда пришел этот сигнал. Возможное местоположение его источника  на небе занимает 1200 квадратных градусов (3% неба). По площади это соответствует 6000 дискам полной Луны. LIGO имеет партнерские отношения с 77 обсерваториями по всему миру, в том числе двумя на орбите, которые должны теперь попытаться обнаружить место слияния черных дыр своими инструментами.

Особенность нового исследования в пристальном внимании к процессу собственного вращения черных дыр. Они могут вращаться и вокруг своей оси, и относительно друг друга, и около общего центра масс. Грубо говоря, они могут вращаться как угодно. Теоретики LIGO научились более точно определять направление собственного вращения (спин) черных дыр.

И в этом третьем событии анализ сигналов показал , что с большой вероятностью у столкнувшейся пары черных дыр направления собственного вращения не совпадали, то есть они вращались в разных направлениях. Более строго можно сказать, что  по крайней мере у одной черной дыры из пары собственный момент вращения (спин) не совпадает по направлению с полным моментом орбитального движения пары.

Это представляет большой интерес, поскольку позволяет судить о том, как возникла эта пара. Есть две основные модели, объясняющие, как могут возникнуть двойные черные дыры. Первая модель предполагает, что черные дыры рождаются из двойной звезды, после того как обе звезды в паре взорвутся и коллапсируют.  В этом случае следует ожидать, что вращения звезд будут согласованы с орбитальным движением. 

По второй модели черные дыры формируются в плотном звездном скоплении отдельно друг от друга, а уже затем образуют двойную систему. В этом случае они могут вращаться в любом направлении относительно друг друга и орбитального движения. Результаты работы свидетельствуют в пользу второго варианта, в пользу гипотезы образования черных дыр далеко друг от друга.

Еще один вопрос, рассмотренный в исследовании, это проверка справедливости современной теории гравитации – Общей теории относительности (ОТО). В соответствии с ней скорость гравитационных волн должна быть равна скорости света независимо от частоты, другими словами, они не обладают дисперсией - зависимостью скорости распространения волн от их частоты.

Частоты гравитационных волн, зарегистрированных в третьем событии, лежат в диапазоне примерно от 30 до 350 Гц. Авторы работы сообщают, что гравитационные волны с разными частотами в исследуемом диапазоне распространяются от своего источника до Земли с одной и той же скоростью, скоростью света, и дисперсия отсутствует. Они не видят даже небольшого нарушения. Таким образом, в пределах точности наблюдений общая теория относительности справедлива..

Теперь исследователи ждут регистраций гравитационных волн не только от слияния черных дыр, но и нейтронных звезд и других источников, сигнал от которых значительно слабее. Они надеются, что по мере увеличения чувствительности детекторов, над которым сейчас ведутся работы, такие события будут происходить чаще.  В частности, в исследованиях, направленных на увеличение чувствительности гравитационных антенн, участвуют физики МГУ.

Сейчас их основные усилия направлены на разработку криогенных гравитационно-волновых детекторов нового поколения и на использование новых методов квантовых измерений. Старт следующего цикла наблюдений запланирован на конец 2018 года.

По материалам коллаборации LIGO и МГУ