Что на самом деле означает первый сигнал LIGO.
«Дамы и господа, мы обнаружили гравитационные волны». - Дэвид Рейтце
Этим утром главный исследователь лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) Дэвид Рейтце сделал громкое заявление: «Дамы и господа, мы обнаружили гравитационные волны». На расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет две черные дыры примерно в 30 раз больше массы Солнца, каждая слилась воедино, закрутилась одна в другую и стала еще более массивной черной дырой примерно в 60 масс Солнца. Эти черные дыры и их слияние включали в себя невероятно сильные гравитационные поля и большие массы, которые очень быстро перемещались через эти сильные поля, создавая рябь в ткани самого пространства. После путешествия в космосе со скоростью света эта рябь наконец достигла наших детекторов, заняв лишь крошечную долю секунды. Тем не менее, благодаря совместной работе LIGO мы смогли их обнаружить, и оба детектора (в Вашингтоне и Луизиане) увидели один и тот же сигнал: тот, который точно соответствовал моделированию.
За 20 миллисекунд, которые мы видели, гравитационные волны излучали больше энергии, чем излучали все звезды, сияющие за это время во всей видимой Вселенной. Если мы посмотрим на массы черных дыр до их слияния и на конечную массу после слияния, мы обнаружим, что они не совпадают. Что случилось?
Эквивалент трех масс Солнца - в три раза больше массы Солнца или в миллион раз больше массы Земли - был преобразован в чистую энергию с помощью уравнения Эйнштейна E=mc^2. Но, в отличие от звездного света, он был преобразован не в электромагнитное излучение, а скорее в гравитационное излучение, и мы впервые видим его. То, как мы его нашли, было просто фантастическим. Видите ли, теория Эйнштейна предсказывает, что это гравитационное излучение будет двигаться по спирали наружу по предсказуемой схеме, создавая особый тип осциллирующей волны, которая будет посылать эту рябь в космос.
Когда эти волны проходят через любой объект, включая Землю, они заставляют эти объекты сжиматься и расширяться сначала в одном направлении, а затем в другом. Земля будет «раскачиваться» из-за этих волн, как и все типы материи, излучения и всего остального, что существует в ткани космоса.
Построив два перпендикулярных лазера в двух разных местах и с двумя разными ориентациями, вы можете измерять крошечные изменения длины пути в этих перпендикулярных направлениях. Это была потрясающая установка LIGO, и ее уникальное положение для измерения того, как эта рябь проходит через пространство, и что это за история, которую они рассказывают нам о Вселенной и о том, что она делает.
Для понимания этого потребовалось огромное количество теоретических моделей. Общая теория относительности чрезвычайно сложна для расчетов, поэтому для расчета того, что мы можем увидеть, необходимо разработать невероятно продвинутые численные методы. Одна из моделей, которая была рассчитана очень хорошо - потому что LIGO будет к ней чувствительна, а LIGO также ожидала бы 2-4 таких в год - , была для двух черных дыр сравнимой массы, находящихся на тесной орбите друг вокруг друга, вращающихся по спирали. Вот что ожидаемые модели.
Как они это сделали? Честно говоря, сделали отлично.
И то, что мы увидели впервые, - это не просто одно из величайших предсказаний общей теории относительности Эйнштейна, хотя мы только что это подтвердили. И дело не только в том, что мы сделали наш первый шаг в мир гравитационно-волновой астрономии, хотя LIGO, несомненно, начнет регистрировать больше таких сигналов в ближайшие годы; это столь же интересно для астрономии, как изобретение Галилеем телескопа, поскольку мы впервые видим Вселенную по-новому. Но самая большая новость из всех заключается в том, что мы только что впервые обнаружили две сливающиеся черные дыры, проверили их физику, нашли потрясающее согласие с Эйнштейном и увидели доказательства того, что это происходит на расстоянии более миллиарда световых лет во Вселенной.
Там, где есть один, скорее всего, их будет больше одного. Это большой шаг вперед, но это только первый большой шаг. Вселенная открывается человечеству совершенно по-новому, и мы впервые тестируем самые экстремальные гравитационные режимы, существующие во всем космосе. Это невероятное время для науки и удивительное время для всех нас, чтобы жить!