Мы обнаружили нашу самую первую гравитационную волну только в 2015 году. В течение следующих двух десятилетий у нас будет еще тысячи.
Ключевые выводы
- Хотя гравитационные волны были извлеченным предсказанием из общей теории относительности Эйнштейна еще в 1915 году, человечеству потребовалось 100 лет, чтобы успешно их обнаружить.
- Сегодня мы обнаружили слияние черных дыр, слияние нейтронных звезд и слияние нейтронных звезд с черными дырами посредством гравитационных волн, но многое еще впереди.
- Целый ряд новых открытий станет возможным благодаря грядущим технологиям, открыв для всех нас новую эру астрономии и расширив определение того, что на самом деле влечет за собой «астрономия».
Более 100 лет назад Эйнштейн выдвинул в своей окончательной форме общую теорию относительности. Старая ньютоновская концепция тяготения, согласно которой два массивных объекта мгновенно притягивались друг к другу с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, не согласовывалась как с наблюдениями за орбитой Меркурия, так и с теоретическими требованиями специальной науки. относительность: ничто не может двигаться быстрее света, даже сама сила тяжести.
Общая теория относительности заменила ньютоновскую гравитацию, рассматривая пространство-время как четырехмерную ткань, через которую проходит вся материя и энергия, ограниченная скоростью света. Эта ткань была не просто плоской, как декартова сетка, ее кривизна определялась присутствием и движением материи и энергии: материя и энергия сообщают пространству-времени, как искривляться, а искривленное пространство-время сообщает материи и энергии, как двигаться. И всякий раз, когда объект, содержащий энергию, движется через искривленное пространство, одним неизбежным последствием является то, что он будет излучать энергию в виде гравитационного излучения, т. е. гравитационных волн. Они повсюду во Вселенной, и теперь, когда мы начали их обнаруживать, они собираются открыть будущее астрономии. Вот как.
Численное моделирование гравитационных волн, излучаемых спиралью и слиянием двух черных дыр. Цветные контуры вокруг каждой черной дыры представляют собой амплитуду гравитационного излучения; синие линии представляют орбиты черных дыр, а зеленые стрелки представляют их вращения. Физика слияния двойных черных дыр не зависит от абсолютной массы, но сильно зависит от относительных масс и спинов сливающихся черных дыр.
Первые две вещи, которые вам нужно знать, чтобы понять гравитационно-волновую астрономию, это то, как генерируются гравитационные волны и как они влияют на величины, которые мы можем наблюдать во Вселенной. Гравитационные волны создаются всякий раз, когда объект, содержащий энергию, проходит через область, где изменяется кривизна пространства-времени. Это относится к:
- массы, вращающиеся вокруг других масс,
- быстрые изменения вращающегося или разрушающегося объекта,
- слияние двух массивных объектов,
- и даже набор квантовых флуктуаций, которые были созданы во время инфляционной эпохи, которая предшествовала горячему Большому Взрыву и вызвала его.
Во всех этих случаях распределение энергии в определенной области пространства быстро меняется, что приводит к возникновению формы излучения, присущей самому пространству: гравитационных волн.
Эта рябь в ткани пространства-времени движется точно со скоростью света в вакууме, и они заставляют пространство попеременно сжиматься и разжиматься во взаимно перпендикулярных направлениях, как вершины и впадины над ними проходят гравитационные волны. Это изначально квадруполярное излучение влияет на свойства пространства, через которое они проходят, а также на все объекты и объекты в этом пространстве.
Гравитационные волны распространяются в одном направлении, попеременно расширяя и сжимая пространство во взаимно перпендикулярных направлениях, определяемых поляризацией гравитационной волны. Сами гравитационные волны в квантовой теории гравитации должны состоять из отдельных квантов гравитационного поля: гравитонов. Хотя они могут равномерно распределяться по пространству, ключевой величиной для детекторов является амплитуда, а не энергия.
Если вы хотите обнаружить гравитационную волну, вам нужен какой-то способ быть чувствительным как к амплитуде, так и к частоте волны, которую вы ищете, и вам также нужен какой-то способ обнаружить это это влияет на область пространства, которую вы измеряете. Когда гравитационные волны проходят через область пространства:
- они приходят с определенным направлением, где пространство «сжимается» и «разрежается» в двух взаимно перпендикулярных направлениях своего распространения,
- они сжимаются и разрежаются с определенной амплитудой, которая говорит вам, насколько чувствительными вы должны быть к изменениям в таких вещах, как «расстояние» или «время прохождения света», чтобы их увидеть,
- и они колеблются на определенной частоте, где эта частота определяется только источником, породившим интересующие нас гравитационные волны, и величиной, на которую расширение Вселенной растянуло гравитационные волны по мере того, как они распространяется по Вселенной.
Были предложены многочисленные схемы обнаружения, в том числе вибрирующие стержни, которые были бы чувствительны к колебательному движению проходящей гравитационной волны, синхронизация пульсара, которая была бы чувствительна к колебательным изменениям гравитационных волн, прошедших через линию импульса. -в поле зрения по отношению к нам, и отраженные лазерные лучи, которые охватывают разные направления, где относительные изменения между несколькими длинами пути выявляют свидетельство прохождения гравитационной волны.
Когда два плеча имеют точно одинаковую длину и через них не проходит гравитационная волна, сигнал равен нулю, а интерференционная картина постоянна. При изменении длины плеча сигнал является реальным и колебательным, а интерференционная картина меняется со временем предсказуемым образом.
Последний из них - это как раз первый - и пока единственный - метод, с помощью которого мы когда-либо успешно обнаруживали гравитационные волны. Наше первое такое обнаружение произошло 14 сентября 2015 года и представляло собой спираль и слияние двух черных дыр массой 36 и 29 масс Солнца соответственно. Когда они слились вместе, они образовали окончательную черную дыру всего в 62 солнечных массы, а «недостающие» три солнечные массы были преобразованы в чистую энергию через E=mc² в форме гравитационных волн.
Когда эти волны проходили через планету Земля, они то сжимали, то разрежали нашу планету меньше, чем на ширину травинки: ничтожная величина. Однако у нас было два детектора гравитационных волн - детекторы LIGO Hanford и LIGO Livingston, - каждый из которых состоял из двух перпендикулярных лазерных ветвей длиной 4 км, которые отражали лазеры вперед и назад более тысячи раз, прежде чем лучи снова совмещались и рекомбинированный.
Наблюдая за периодическими сдвигами интерференционных картин, создаваемых комбинированными лазерами, которые сами были вызваны прохождением гравитационных волн через пространство, через которое проходил лазерный свет, ученые смогли реконструировать амплитуду и частота прошедшей гравитационной волны. Впервые мы зафиксировали эту печально известную рябь в пространстве-времени.
GW150914 был первым прямым обнаружением и доказательством существования гравитационных волн. Форма волны, обнаруженная обеими обсерваториями LIGO, Хэнфордской и Ливингстонской, совпала с предсказаниями общей теории относительности для гравитационной волны, исходящей от внутренней спирали и слияния пары черных дыр массой около 36 и 29 масс Солнца и последующего «звона» единственная результирующая черная дыра.
С тех пор к детекторам-близнецам LIGO присоединились два других наземных детектора гравитационных волн с лазерным интерферометром: детектор Virgo в Европе и детектор KAGRA в Японии. К концу 2022 года все четыре детектора объединятся, чтобы создать беспрецедентный массив детекторов гравитационных волн, что позволит им быть чувствительными к гравитационным волнам с меньшей амплитудой, исходящим из большего количества мест на небе, чем когда-либо прежде. Позже в этом десятилетии к ним присоединится пятый детектор, LIGO India, который еще больше повысит их чувствительность.
Вы должны понимать, что каждая гравитационная волна, проходящая через Землю, имеет определенную ориентацию, и только те ориентации, которые вызывают существенные сдвиги в обоих перпендикулярных лазерных лучах отдельного детектора, могут привести к обнаружению. Двойные детекторы LIGO Hanford и LIGO Livingston специально ориентированы на избыточность: углы расположения детекторов относительно друг друга точно компенсируются кривизной Земли. Этот выбор гарантирует, что гравитационная волна, появляющаяся в одном детекторе, также появится и в другом, но цена заключается в том, что гравитационная волна, нечувствительная к одному детектору, также будет нечувствительной к другому. Чтобы получить лучшее покрытие, необходимо больше детекторов с разнообразными ориентациями, включая детекторы, чувствительные к ориентациям, которые LIGO Hanford и LIGO Livingston не пропустят, чтобы выиграть игру в стиле покемонов «поймать их всех».
Самый актуальный на ноябрь 2021 года график всех черных дыр и нейтронных звезд, наблюдаемых как электромагнитными, так и гравитационными волнами. В то время как они включают объекты в диапазоне от чуть более 1 солнечной массы для самых легких нейтронных звезд до объектов чуть более 100 солнечных масс для черных дыр после слияния, гравитационно-волновая астрономия в настоящее время чувствительна только к очень узкому набору объектов.. Все ближайшие черные дыры были обнаружены как двойные рентгеновские системы до открытия Gaia BH1 в ноябре 2022 года.
Но даже с пятью детекторами и четырьмя независимыми ориентациями между ними наши возможности гравитационных волн все равно будут ограничены двумя важными способами: с точки зрения амплитуды и частоты. Прямо сейчас у нас есть примерно около 100 событий гравитационных волн, всего, но все они происходят от относительно маломассивных, компактных объектов (черных дыр и нейтронных звезд), которые были захвачены на последних стадиях закручивания и слияния. вместе. Кроме того, все они относительно близки: слияния черных дыр простираются на несколько миллиардов световых лет, а слияния нейтронных звезд достигают, возможно, пары миллионов световых лет. Пока что мы чувствительны только к черным дырам, масса которых составляет около 100 масс Солнца или меньше.
Опять же, причина проста: напряженность гравитационного поля увеличивается по мере приближения к массивному объекту, но максимально близкое расстояние, которое вы можете подобрать к черной дыре, определяется размером ее горизонта событий, т.е. прежде всего определяется массой черной дыры. Чем массивнее черная дыра, тем больше ее горизонт событий, а это означает, что тем больше времени требуется любому объекту, чтобы завершить орбиту, оставаясь за пределами горизонта событий. Черные дыры с наименьшей массой (и все нейтронные звезды) допускают самые короткие периоды обращения вокруг них, и даже с тысячами отражений лазерная рука длиной всего 3-4 км не чувствительна к более длительным периодам времени.
Гравитационные волны охватывают широкий спектр длин волн и частот, и для их исследования требуется набор совершенно разных обсерваторий. Десятилетие Astro2020 предлагает план поддержки науки в каждом из этих режимов, расширяя наши знания о Вселенной, как никогда раньше. К концу 2030-х годов мы можем ожидать флот различных обсерваторий гравитационных волн, чувствительных ко многим различным классам гравитационных волн.
Вот почему, если мы хотим обнаружить гравитационные волны, излучаемые любыми другими источниками, в том числе:
- более массивные черные дыры, подобные сверхмассивным, обнаруженным в центрах галактик,
- менее компактные объекты, например, вращающиеся вокруг белых карликов,
- стохастический фон гравитационных волн, вызванный кумулятивной суммой всех пульсаций, порожденных всеми двойными сверхмассивными черными дырами, волны которых постоянно проходят мимо нас,
- или «другой» фон гравитационных волн: те, которые остались от космической инфляции, которые все еще существуют в космосе сегодня, через 13,8 миллиардов лет после Большого Взрыва,
нужен новый, принципиально иной набор детекторов гравитационных волн. Наземные детекторы, которые у нас есть сегодня, несмотря на то, насколько они действительно великолепны в своей области применения, ограничены по амплитуде и частоте двумя факторами, которые нелегко улучшить. Во-первых, это размер лазерной руки: если мы хотим улучшить нашу чувствительность или диапазон частот, который мы можем охватить, нам нужны более длинные лазерные руки. С рукавами ~ 4 км мы уже видим почти самые массивные черные дыры, какие только можем; если мы хотим исследовать либо более высокие массы, либо те же массы на больших расстояниях, нам понадобится новый детектор с более длинными лазерными лучами. Мы могли бы построить лазерные руки примерно в 10 раз длиннее существующих ограничений, но это лучшее, что мы когда-либо сможем сделать, потому что второй предел установлен самой планетой Земля: тот факт, что она изогнута вместе с факт существования тектонических плит. По сути, здесь, на Земле, мы не можем создавать лазерные руки сверх определенной длины или определенной чувствительности.
С тремя равноудаленными детекторами в космосе, соединенными лазерными лучами, периодические изменения их разделяющего расстояния могут выявить прохождение гравитационных волн соответствующих длин волн. LISA станет первым детектором человечества, способным обнаруживать рябь пространства-времени от сверхмассивных черных дыр и объектов, которые в них падают. Если обнаружится, что эти объекты существовали до образования первых звезд, это будет «дымящимся пистолетом» в пользу существования первичных черных дыр.
Но ничего страшного, потому что есть еще один подход, который мы должны начать использовать в 2030-х годах: создание лазерного интерферометра в космосе. Вместо того, чтобы быть ограниченными либо фундаментальным сейсмическим шумом, которого невозможно избежать, когда земная кора движется поверх мантии, либо нашей способностью построить идеально прямую трубу с учетом кривизны Земли, мы можем создавать лазерные рукава с базовыми линиями в сотни тысяч раз. или даже миллионы километров в длину. Это идея LISA: космической антенны лазерного интерферометра, запуск которой запланирован на 2030-е годы.
С помощью LISA мы должны достичь идеальной чувствительности на низких частотах (т.э., для более длинных волн гравитационных волн), чем когда-либо прежде. Мы должны быть в состоянии обнаруживать черные дыры в диапазоне масс от тысяч до миллионов солнечных, а также слияния черных дыр с сильно несоответствующими массами. Кроме того, мы должны иметь возможность видеть источники, к которым будут чувствительны детекторы, подобные LIGO, за исключением гораздо более ранних стадий, что дает нам уведомление за месяцы или даже годы для подготовки к событию слияния. Имея достаточное количество таких детекторов, мы сможем точно определить, где должны произойти эти события слияния, что позволит нам направить наше другое оборудование - детекторы частиц и электромагнитно-чувствительные телескопы - в нужное место прямо в критический момент. LISA во многих отношениях станет окончательным триумфом того, что мы сейчас называем астрономией с несколькими посланниками: мы можем наблюдать свет, гравитационные волны и/или частицы, возникающие в результате одного и того же астрофизического события.
Эта иллюстрация показывает, как Земля, сама погруженная в пространство-время, видит поступающие сигналы от различных пульсаров, задержанные и искаженные фоном космических гравитационных волн, которые распространяются по всей Вселенной. Комбинированное воздействие этих волн изменяет синхронизацию каждого пульсара, и достаточно чувствительный мониторинг этих пульсаров в долгосрочном масштабе может выявить эти гравитационные сигналы.
Но для еще более длинноволновых событий, генерируемых:
- черные дыры массой в миллиард солнечных, вращающиеся вокруг друг друга,
- сумма всех сверхмассивных двойных черных дыр во Вселенной,
- и/или фон гравитационных волн, отпечатанный космической инфляцией,
нам нужны еще более длинные базовые линии для исследования. К счастью, Вселенная предоставляет нам именно такой способ сделать это, естественно, просто наблюдая за тем, что находится снаружи: точными, точными, естественными часами в виде миллисекундных пульсаров. Эти естественные часы, расположенные по всей нашей галактике, в том числе в тысячах и десятках тысяч световых лет от нас, излучают точно синхронизированные импульсы с частотой сотни раз в секунду и стабильны на временных шкалах лет или даже десятилетий.
Путем точного измерения периодов импульсов этих пульсаров и объединения их вместе в непрерывно отслеживаемую сеть комбинированные временные вариации, наблюдаемые для пульсаров, могут выявить эти сигналы, которые не смог бы обнаружить ни один предлагаемый детектор, созданный человеком. раскрыть. Мы знаем, что там должно быть много сверхмассивных двойных черных дыр, и самые массивные такие пары могут быть даже обнаружены и определены по отдельности. У нас есть много косвенных свидетельств того, что инфляционный фон гравитационных волн должен существовать, и мы даже можем предсказать, как должен выглядеть его спектр гравитационных волн, но мы не знаем его амплитуды. Если нам повезет в нашей Вселенной, в том смысле, что амплитуда такого фона выше потенциально обнаружимого порога, время пульсара может стать Розеттским камнем, открывающим этот космический код.
Математическое моделирование искривления пространства-времени вблизи двух сливающихся черных дыр. Цветные полосы - это пики и впадины гравитационных волн, причем цвета становятся ярче по мере увеличения амплитуды волны. Самые сильные волны, несущие наибольшее количество энергии, приходят непосредственно перед и во время самого события слияния. От вдохновляющих нейтронных звезд до сверхмассивных черных дыр сигналы, которые, как мы ожидаем, будет генерировать Вселенная, должны иметь частоту более 9 порядков и могут достигать пиковой выходной мощности ~10^23 Солнц.
Хотя мы прочно вступили в эру гравитационно-волновой астрономии еще в 2015 году, эта наука все еще находится в зачаточном состоянии: так же, как оптическая астрономия была в постгалилеевские десятилетия 1600-х годов. Сейчас у нас есть только один тип инструментов для успешного обнаружения гравитационных волн, мы можем обнаруживать их только в очень узком диапазоне частот и можем обнаруживать только самые близкие из них, которые производят сигналы наибольшей величины. Однако по мере того, как наука и технология, лежащие в основе астрономии гравитационных волн, продолжают развиваться, к:
- наземные детекторы с более длинной базой,
- интерферометры космического базирования,
- и все более чувствительные временные массивы пульсаров,
мы будем открывать все больше и больше Вселенной такой, какой мы ее никогда раньше не видели. В сочетании с детекторами космических лучей и нейтрино, а также с традиционной астрономией со всего электромагнитного спектра, это только вопрос времени, когда мы достигнем нашего первого тройного эффекта: астрофизического события, в котором мы наблюдаем свет, гравитационные волны и частицы из космоса. одно и то же событие. Это может быть что-то неожиданное, например, близлежащая сверхновая, но это также может быть следствием слияния сверхмассивных черных дыр в миллиардах световых лет от нас. Одно можно сказать наверняка: как бы ни выглядело будущее астрономии, ей определенно потребуются здоровые и надежные инвестиции в новую, плодородную область гравитационно-волновой астрономии!