Но если воплотится в жизнь радикально новая идея, возможно, мы все-таки найдем их.
После десятилетий планирования, строительства, прототипирования, модернизации и калибровки лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) наконец достигла своей конечной цели чуть более двух лет назад: первое прямое обнаружение гравитационные волны. С 2015 года LIGO наблюдал рябь пространства-времени или гравитационные волны не менее чем в шести отдельных событиях. Пять (а возможно, и больше) пар черная дыра-черная дыра и одна нейтронная звезда-нейтронная звезда, спирально слившаяся с нейтронной звездой, имели свои уникальные, безошибочные сигнатуры, обнаруженные несколькими детекторами гравитационных волн одновременно, что позволило нам подтвердить ключевое предсказание общей теории относительности Эйнштейна о том, что ускользал от экспериментаторов в течение столетия. Но теоретически слияния черных дыр с черными дырами должны происходить каждые несколько минут где-то во Вселенной; LIGO пропускает более 100 000 из них ежегодно. Впервые группа ученых, возможно, только что выяснила, как обнаружить все слияния, которые в настоящее время отсутствуют в LIGO.
Когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга, они обе излучают энергию, и делают это постоянно. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, каждый раз, когда масса движется и ускоряется в меняющемся гравитационном поле, изменяя свой импульс, она должна излучать излучение, присущее самому пространству: гравитационное излучение. Каждая из двух масс в своем гравитационном танце излучает их, и часть теоретической работы, лежащей в основе LIGO, заключалась в том, чтобы вычислить в мучительных деталях, какая величина, продолжительность, амплитуда и частота гравитационных волн будут излучаться для любых двух произвольных масс и ориентаций черной дыры..
Только благодаря такому созданию и сопоставлению шаблонов мы вообще смогли обнаружить эти события. Это также было невероятно успешным; подтверждения, когда они происходили, поразительно согласовывались с предсказаниями. Но LIGO чувствителен только к тем последним моментам слияния, когда амплитуда этих гравитационных волн достаточна, чтобы сжимать и расширять эти огромные рукава на крошечную долю длины световой волны, достаточно, чтобы после тысячи отражений свет смещается едва заметно.
За время работы LIGO произошло шесть надежных событий: около 0,001% от общего числа слияний, ожидаемых во Вселенной. Конечно, ожидается, что большинство из них будут находиться далеко, неоптимально ориентированы или возникать между черными дырами малой массы и малой амплитуды. Есть веская причина, по которой LIGO их не видел; текущее поколение наземных детекторов гравитационных волн сильно ограничено по чувствительности и дальности действия.
Но учитывая, что ежегодно в наблюдаемой Вселенной происходит 100 000 слияний черных дыр, эти сигналы гравитационных волн постоянно проходят через Землю и наши детекторы. Они просто ниже порога обнаружения, а это означает, что они оказывают влияние на такие устройства, как LIGO или Virgo, но не на то, что мы можем выделить и идентифицировать как уникальное, однозначное гравитационно-волновое событие. Возможно, вы не сможете обнаружить их по отдельности, но если их будет так много, вы сможете извлечь совокупный сигнал. Эти комбинированные слияния должны создавать фоновый гул гравитационных волн, а не отдельный щебет. Эти слияния происходят быстро и не должны накладываться друг на друга, а это означает, что фон должен выглядеть как серия несвязанных сигналов, которые слишком слабы, чтобы их можно было обнаружить.
То есть они слишком тусклые, чтобы обнаружить их по отдельности! Но если вы знаете, как выглядит ваш сигнал, и вы создаете достаточную статистику и прикладываете достаточную вычислительную мощность, вы просто сможете выделить его из шума. Он не скажет вам, сколько у вас есть отдельных событий, но он может сказать вам, сколько всего событий произошло за то время, пока вы его наблюдаете. Другими словами, вместо того, чтобы говорить «мы ожидаем 100 000 таких в год», мы можем фактически наблюдать общую скорость слияния черных дыр во Вселенной. Что еще более важно, мы впервые можем узнать, каково на самом деле общее число и плотность массы черных дыр во Вселенной.
В новой статье, озаглавленной «Оптимальный поиск астрофизического фона гравитационных волн», ученые Рори Смит и Эрик Трейн предлагают делать именно это. Для каждой подобной задачи существует оптимальный с вычислительной точки зрения способ решения, и Смит и Трейн усердно работали, чтобы найти ответ. Авторы пришли к выводу, что из этого вычислительного упражнения можно извлечь ряд интересных вещей:
- Вы можете провести наиболее чувствительный поиск на этом фоне неразрешенных черных дыр.
- Вы можете узнать о населении черных дыр в более ранние времена во Вселенной по сравнению с современной, соседней Вселенной.
- Вы можете комбинировать результаты этого поиска как с подтвержденными обнаружениями, так и с маргинальными обнаружениями-кандидатами, чтобы устранить смещение, присущее наиболее легкому наблюдению сигналов с наибольшей амплитудой.
- В случае успеха этот метод может быть распространен на нейтронные звезды, несливающиеся массы и, возможно, даже на фон гравитационных волн, оставшийся после рождения Вселенной.
Лучше всего то, что их выводы невероятно оптимистичны в отношении будущего применения этой суперкомпьютерной техники к наборам данных LIGO и Virgo. В журнале Physical Review X они заявляют:
По предварительным оценкам, усовершенствованные детекторы, работающие с проектной чувствительностью, могут обнаруживать стохастический фон от двойных черных дыр примерно за 1 день. Эти оценки основаны на экстраполяции с использованием моделирования гауссовой смеси наших байесовских распределений данных. Следующим шагом является выполнение задачи с имитацией данных, в которой мы демонстрируем безопасность и эффективность поиска, используя данные Монте-Карло о чувствительности проекта за ≈1 день. Такая демонстрация позволила бы нам проверить сделанные здесь экстраполяции при скромных вычислительных затратах ≈500 000 основных часов.
Другими словами, они планируют продемонстрировать, что этот сигнал можно извлечь из фонового шума, смоделировав его, ослепив компьютер, а затем доказав, что суперкомпьютер в одиночку может его идентифицировать.
Наступила эра гравитационно-волновой астрономии. Благодаря невероятным возможностям наземных детекторов, таких как LIGO и Virgo, за последние два с лишним года мы обнаружили шесть надежных событий, от черных дыр до слияния нейтронных звезд. Но огромные вопросы, связанные с черными дырами во Вселенной, например, сколько их, каковы их массы по сравнению с сегодняшним днем и какой процент Вселенной состоит из черных дыр, все еще остаются без ответа. Прямые усилия продвинули нас очень далеко, но косвенные сигналы тоже имеют значение и потенциально могут научить нас еще большему, если мы готовы делать выводы, которые следуют физике и математике. LIGO может пропускать более 100 000 слияний черных дыр в год. Но с помощью этой новой предложенной техники мы могли бы, наконец, узнать, что еще существует, с потенциалом применить ее к нейтронным звездам, несливающимся черным дырам и даже к ряби, оставшейся от нашего космического рождения. Это невероятное время для жизни.