Теперь, когда LIGO обнаружила две пары сливающихся черных дыр, что нас ждет в будущем?
«Мы не прекратим исследования, и конец всех наших исследований будет заключаться в том, чтобы прибыть туда, откуда мы начали, и узнать это место в первый раз». -Т. С. Элиот
После включения в сентябре 2015 года сдвоенные лазерные интерферометры гравитационно-волновых обсерваторий - детекторы LIGO в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана - одновременно обнаружили не одну, а две окончательные черные дыры-черные дыры. слияния во время его первого запуска, несмотря на то, что он достиг только 30% чувствительности, для которой он был разработан. Эти два события, одно из слияния черных дыр массой 36 и 29 солнечных масс 14 сентября 2015 г. и одно из слияния черных дыр массой 14 и 8 солнечных масс 26 декабря 2015 г., обеспечили первые окончательные прямые обнаружения гравитационно-волновые явления. Сам по себе замечательный факт, что технологии понадобилось целое столетие после их предсказаний, чтобы догнать теорию и действительно догнать их.
Но обнаружение этих волн - это только начало, так как сейчас начинается новая эра в астрономии. 101 год назад Эйнштейн выдвинул новую теорию гравитации: общую теорию относительности. Вместо далеких масс, мгновенно притягивающих друг друга по всей Вселенной, присутствие материи и энергии деформировало ткань пространства-времени. Эта совершенно новая картина гравитации принесла с собой множество неожиданных последствий, в том числе гравитационное линзирование, расширяющуюся Вселенную, гравитационное замедление времени и, возможно, самое неуловимое, существование нового типа излучения: гравитационных волн. Когда массы перемещаются или ускоряются относительно друг друга в пространстве, реакция самого пространства вызывает рябь самой ткани. Эти волны распространяются в пространстве со скоростью света, и когда они проходят через наши детекторы после путешествия по Вселенной, мы можем обнаружить эти возмущения как гравитационные волны.
Легче всего обнаружить объекты, излучающие самые сильные сигналы, а именно:
- большие массы,
- с небольшими расстояниями между ними,
- быстро на орбиту,
- где орбитальные изменения серьезные и значительные.
Это означает, что коллапсирующие объекты, такие как черные дыры и нейтронные звезды, являются первыми кандидатами. Нам также необходимо учитывать частоту, на которой мы можем обнаруживать эти объекты, которая будет примерно равна длине пути детектора (длина плеча, умноженная на количество отражений), деленной на скорость света.
Для LIGO с его 4-километровыми рукавами с тысячей отражений света перед созданием интерференционной картины он может видеть объекты с частотами в миллисекундном диапазоне. Это включает в себя слияние черных дыр и нейтронных звезд на заключительных стадиях слияния, а также экзотические события, такие как черные дыры или нейтронные звезды, которые поглощают большой кусок материи и подвергаются «землетрясению», чтобы стать более сферическими. Сильно асимметричная сверхновая также может создать гравитационную волну; маловероятно, что событие коллапса ядра вызовет обнаружимые гравитационные волны, но, возможно, это могут сделать соседние сливающиеся белые карлики!
Мы уже видели слияния черных дыр и черных дыр, и по мере того, как LIGO продолжает совершенствоваться, мы можем обоснованно ожидать первых оценок популяции черных дыр звездной массы (от нескольких до, возможно, 100 солнечных масс). массы) в ближайшие несколько лет. LIGO также с нетерпением ожидает обнаружения слияний нейтронных звезд с нейтронными звездами; когда он достигнет расчетной чувствительности, он может увидеть до трех или четырех таких событий каждый месяц, если наши оценки скорости их слияния и чувствительности LIGO верны. Это могло бы указать нам на происхождение короткопериодных гамма-всплесков, которые, как подозревают, являются слиянием нейтронных звезд, но это так и не было подтверждено.
Асимметричные сверхновые и экзотические землетрясения нейтронных звезд - забавные, хотя, возможно, и редкие явления, но интересно попробовать изучить их по-новому. Но самые большие новые достижения придут, когда будет построено больше детекторов. Когда детектор VIRGO в Италии заработает, наконец-то можно будет провести настоящую триангуляцию положения: определить, где именно в космосе возникают эти события гравитационных волн, что впервые сделает возможным последующие оптические измерения. В связи с тем, что в Японии и Индии планируется построить новые интерферометры гравитационных волн, в ближайшие несколько лет мы планируем быстро улучшить наше покрытие неба гравитационными волнами.
Но самые большие успехи будут достигнуты, если мы перенесем наши амбиции в области гравитационных волн в космос. В космосе вы не ограничены сейсмическим шумом, грохотом грузовиков или тектоникой плит; у вас есть тихий вакуум космоса в качестве фона. Вы не ограничены кривизной Земли в отношении того, как долго вы можете строить руки своей гравитационно-волновой обсерватории; вы можете вывести его на орбиту за Землей или даже на орбиту вокруг Солнца! Вместо миллисекунд мы можем измерять объекты с периодами секунд, дней, недель или даже дольше. Мы сможем обнаружить гравитационные волны от сверхмассивных черных дыр, в том числе от некоторых из крупнейших известных объектов во всей Вселенной.
И, наконец, если мы построим достаточно большую, достаточно чувствительную космическую обсерваторию, мы сможем увидеть оставшиеся гравитационные волны, существовавшие до самого Большого взрыва. Мы могли бы напрямую обнаружить гравитационные возмущения от космической инфляции и не только подтвердить наше космическое происхождение совершенно новым способом, но одновременно доказать, что гравитация сама по себе является квантовой силой в природе. В конце концов, эти инфляционные гравитационные волны не могут быть созданы, если сама гравитация не является квантовым полем. Успех LISA Pathfinder более чем доказывает, что это возможно; все, что нужно, это правильное вложение.
В настоящее время идет ожесточенная гонка за то, что будет выбрано в качестве флагманской миссии НАСА в 2030-х годах. Хотя многие группы предлагают хорошие миссии, самая большая мечта - это космическая обсерватория гравитационных волн на орбите вокруг Солнца. Серия из них может воплотить в реальность наши самые смелые мечты о гравитационных волнах. У нас есть технология; мы доказали концепцию; мы знаем, что волны есть. Будущее гравитационно-волновой астрономии ограничено только тем, что дает нам сама Вселенная, и тем, сколько мы решим в нее вложить. Но эта новая эра уже наступила. Вопрос лишь в том, насколько яркой окажется эта новая область астрономии. И эта часть полностью зависит от нас.