Это не свет, и тем не менее мы здесь, «видим» Вселенную.
«Если отпечаток действительно вызван гравитационными волнами Большого взрыва, то это тип космологического открытия, которое происходит примерно раз в пятьдесят лет». - Кип Торн
Представьте, что вместо Солнца, Луны, планет и звезд на небе все, что вы когда-либо видели, были облака. Не пухлых белых облаков, вырисовывающихся на фоне голубого неба, а густых серых, обширных слоистых облаков, которые являются признаком тоскливой зимы. Но в отличие от зимних облаков, которые длятся недели или в худшем случае месяцы, они длились всю историю человечества. Тем не менее, кто-то изобрел способ однажды ночью раздвинуть облака, хотя бы на короткое время, и позволил нам заглянуть во Вселенную за пределы нашей атмосферы, хоть и ненадолго. Представьте, что была только одна светящаяся точка, возможно, планета, с невероятной детализацией на ней: кольцами, полосами, цветами и, возможно, даже лунами. Насколько резко изменилось бы ваше представление о Вселенной с этого момента? Теперь, когда результаты получены - коллаборация LIGO действительно обнаружила гравитационные волны от двух сливающихся черных дыр - мы можем признать, что у нас только что был именно такой момент в астрономии.
Впервые было успешно проверено одно из старейших неподтвержденных предсказаний величайшего достижения Эйнштейна - общей теории относительности. Две черные дыры в далекой галактике, находящейся на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет, вращались друг вокруг друга по космической спирали смерти, излучая свою гравитационную энергию, пока, наконец, не слились, высвобождая материал массой в три солнечных массы в виде ряби на ткани. самого пространства через E=mc^2 в виде гравитационных волн. Эти волны распространяются наружу через Вселенную, заставляя все, через что они проходят, сжиматься и расширяться, как ракеточный мяч, который сжимают в одном направлении, затем в перпендикулярном направлении и так далее, путешествуя во веки веков со скоростью света.
Дело в том, что такие эксперименты, как LIGO, - не единственные типы детекторов гравитационных волн, которые мы можем построить, слияние черных дыр - не единственное, что мы можем обнаружить, и, в более общем смысле, астрономические объекты Это единственное, что мы можем узнать, используя гравитационное излучение! Причина, по которой мы первыми увидели вдохновляющие черные дыры, заключается в том, что LIGO, самый дешевый детектор гравитационных волн, который мы можем построить и который способен видеть эти волны в том виде, в каком их производит Вселенная, чувствителен к этим типам волн. Но на самом деле нужно искать множество вещей, которые делятся на четыре разных класса.
1.) Компактные, сверхбыстро движущиеся объекты Это класс, который включает в себя то, что видел LIGO, где маленькие (менее 1000 масс Солнца) черные дыры сливаются вместе. Слияние нейтронных звезд также будет производить гравитационные волны, как и отдельные пульсары, а также сверхновые обеих основных разновидностей. LIGO сначала увидит более массивные черные дыры равной массы, и ожидается, что их будет несколько в год. Помните, что детектор был запущен только в сентябре 2015 года, а объявленный сигнал поступил 14 сентября 2015 года. Вероятно, в ближайшие несколько лет будет еще много слияний черных дыр, особенно по мере того, как чувствительность LIGO улучшается, а диапазон его поиска расширяется. и дальше в глубокую Вселенную. Важная вещь, определяющая, какие объекты попадают в этот диапазон, - это их частота, или сколько раз в секунду эти объекты излучают волну. LIGO может обнаруживать объекты с частотой примерно от 1 до 10 000 Гц, что означает объекты, излучающие волны более одного раза в секунду!
2.) Более медленные и/или более массивные объекты У них не будет таких сильных полей, как у объектов, которые видит LIGO., но во Вселенной есть еще много таких объектов, которые мы можем исследовать. В центре почти каждой галактики, включая нашу собственную, находится сверхмассивная черная дыра, масса которой в миллионы и более раз превышает массу Солнца. Детектор, руки которого намного больше Земли, например, гигантская космическая антенна в форме LISA (или eLISA), может обнаружить их. Двойные звезды, двойные белые карлики, сверхмассивные черные дыры, пожирающие другие объекты, и слияния с крайне неравными массами будут излучать гравитационные волны гораздо более низких частот, где им требуются минуты, часы или даже дни, чтобы излучать гравитационные волны. Мы не можем их увидеть с помощью LIGO, но гораздо более крупный космический интерферометр будет к ним чувствителен. Если НАСА решит инвестировать в него (а даже если нет, то это сделает ЕКА), мы сможем запустить наши первые детекторы для этих объектов где-то в 2030-х годах.
3.) Орбиты сверхмассивных черных дыр и их слияния Когда-нибудь слышали о квазарах или активном галактическом ядре? Эти черные дыры массой в миллиард солнечных в ядрах активных галактик должны были каким-то образом стать такими большими, и, скорее всего, это произошло в результате гигантских слияний. Есть даже одна такая система, OJ 287, где черная дыра массой 100 миллионов солнечных масс вращается вокруг черной дыры массой 18 миллиардов солнечных масс, которая, как известно, должна излучать огромное количество гравитационных волн. Они имеют орбитальные периоды порядка лет и соответствующие им невероятно низкие частоты. Использование обычных лазерных детекторов для этого нецелесообразно, но использование массива пульсаров - и наблюдение за тем, как влияет на их синхронизацию - , поможет. Это то, над чем коллаборация NANOgrav, которая только начинается, будет работать в ближайшие десятилетия.
4.) Реликтовое гравитационно-волновое излучение Большого Взрыва И зачем останавливаться на астрофизических источниках? Эти колебания от рождения Вселенной должны были проявиться в поляризации остаточного света Большого Взрыва, и их ищут прямо сейчас! Вы помните, что BICEP2 ошибочно объявил об открытии этих волн еще в 2014 году только для того, чтобы обнаружить, что пыль на переднем плане из нашей собственной галактики объясняет этот сигнал поляризации. Но эти гравитационные волны должны существовать, и они должны существовать на всех частотах. В зависимости от того, что мы обнаружим - каковы амплитуда и спектр этих волн - мы потенциально сможем точно реконструировать, какими в действительности были самые ранние моменты существования нашей Вселенной и каким был конец инфляции.
Кроме того, из этих источников исходят не только гравитационные волны, но и то, что каждый из этих источников потенциально может многое рассказать нам о Вселенной. Да, здесь задействована астрофизика, но чем точнее мы сможем измерить каждую из этих вещей, тем больше мы сможем узнать о:
- типы гравитационных волн, излучаемых каждым из этих классов источников,
- физика критических, финальных моментов слияний, вспышек сверхновых и других катаклизмов с точки зрения гравитационных волн,
- и с возможностью при достаточно высокой чувствительности искать квантовые гравитационные эффекты, которые могут отклоняться от общей теории относительности.
Предлагаются будущие наблюдательные миссии, направленные на наблюдение за многими из них с чувствительностью, превосходящей все перечисленные выше миссии, например, NASA Big Bang Observer, которая будет исследовать все источники классов 1, 2 и 4 с большей точностью, чем любая другая предлагаемая миссия. Массив из шести интерферометров вблизи Земли на орбите, по три в каждой из точек Лагранжа L4 и L5, мог бы улучшить нашу чувствительность по сравнению с LISA и LIGO на много порядков, позволяя нам напрямую измерять гравитационные волны, оставшиеся от инфляции.
Кроме того, возможность корреляции оптической астрономии с гравитационно-волновой астрономией может дать нам несколько видов одних и тех же объектов, давая нам больше знаний о Вселенной, чем мы когда-либо знали. Вы, наверное, задавались вопросом, будут ли две сливающиеся черные дыры испускать какое-то электромагнитное излучение, например гамма-лучи?
Ну, хотя у нас есть только одно событие в гравитационном излучении, было очень подозрительное совпадение гамма-всплеска, обнаруженного спутником NASA Fermi всего через 0,4 секунды (!) после сигнала LIGO. Когда у нас есть три или четыре детектора гравитационных волн (VIRGO и CLIO в дополнение к двум детекторам LIGO), мы можем лучше ограничить положение этих источников и, возможно, выяснить раз и навсегда, какие типы электромагнитного излучения эти черные. слияния отверстий производят.
Мы находимся на пороге открытия Вселенной совершенно по-новому. Событие 14 сентября, обнаруженное LIGO, было лишь первым из того, что, несомненно, станет огромным притоком новых данных, которые расскажут нам о Вселенной в форме энергии, которую мы никогда раньше не исследовали напрямую. Пришло время принять эту новую форму астрономии и открыть наше окно во Вселенную, как никогда раньше. Это невероятное время для любых любопытных умов.