Обнаружено в общей сложности 10 черных дыр, то, что мы узнали о Вселенной, поистине удивительно.
14 сентября 2015 года, всего через несколько дней после того, как LIGO впервые включилась с новой и улучшенной чувствительностью, через Землю прошла гравитационная волна. Как и миллиарды подобных волн, которые прошли через Землю на протяжении ее истории, эта волна возникла в результате вдохновения, слияния и столкновения двух массивных ультрадалёких объектов, находящихся далеко за пределами нашей Галактики. На расстоянии более миллиарда световых лет две массивные черные дыры слились воедино, и сигнал , движущийся со скоростью света , наконец, достиг Земли.
Но на этот раз мы были готовы. Двойные детекторы LIGO увидели, как их плечи расширились и сжались на субатомную величину, но этого было достаточно, чтобы лазерный луч сместился и произвел характерное изменение интерференционной картины. Впервые мы обнаружили гравитационную волну. Три года спустя мы обнаружили 11 из них, 10 из которых исходят от черных дыр. Вот что мы узнали.
Было проведено два «прогона» данных LIGO: первый с 12 сентября 2015 г. по 19 января 2016 г., а затем второй, с несколько улучшенной чувствительностью, с 30 ноября 2016 г. по август. 25 сентября 2017 г. К этому последнему запуску на полпути присоединился детектор VIRGO в Италии, который добавил не только третий детектор, но и значительно улучшил нашу способность точно определять местонахождение этих гравитационных волн. LIGO в настоящее время закрыт, так как он проходит обновления, которые сделают его еще более чувствительным, поскольку он готовится начать новый
11 обнаружений, которые были сделаны до сих пор, показаны выше, причем 10 из них представляют слияния черных дыр и черных дыр, и только GW170817 представляет собой слияние нейтронных звезд и нейтронных звезд. Эти слияния нейтронных звезд были ближайшим событием на расстоянии всего 130-140 миллионов световых лет. Самое массивное наблюдаемое слияние - GW170729 - происходит из места, которое с расширением Вселенной теперь находится на расстоянии 9 миллиардов световых лет от нас.
Эти два обнаружения также являются самым легким и самым тяжелым слиянием гравитационных волн, когда-либо обнаруженным: GW170817 столкнулся с нейтронной звездой массой 1,46 и 1,27 солнечной массы, а GW170729 столкнулся с черной дырой массой 50,6 и 34,3 солнечной массы.
Вот пять удивительных истин, которые мы узнали из всех этих обнаружений вместе взятых.
1.) Крупнейшие сливающиеся черные дыры легче всего увидеть, и они, похоже, не превышают примерно 50 масс Солнца Одна из лучших особенностей поиска гравитационных волн заключается в том, что их легче увидеть с большего расстояния, чем источник света. Звезды кажутся тусклее пропорционально квадрату их расстояния: звезда, расстояние которой в 10 раз больше, всего лишь в 100 раз ярче. Но гравитационные волны тускнеют прямо пропорционально расстоянию: слияние черных дыр, находящихся в 10 раз дальше, дает 10% сигнала.
В результате мы можем видеть очень массивные объекты на очень больших расстояниях, и все же мы не видим слияния черных дыр с массой 75, 100, 150 или 200+ солнечных. От 20 до 50 солнечных масс - обычное дело, но мы еще не видели ничего выше этого. Возможно, черные дыры, возникающие из сверхмассивных звезд, действительно редки.
2.) Добавление третьего детектора улучшает нашу способность точно определять их положение и значительно увеличивает скорость обнаружения LIGO работал около 4 месяца во время первого запуска и 9 месяцев во время второго. Тем не менее, половина их обнаружений пришлась на последний месяц: когда VIRGO также работал вместе с ним. В 2017 году гравитационно-волновые события были обнаружены на:
- 29 июля (черные дыры массой 50,6 и 34,3 Солнца),
- 9 августа (черные дыры массой 35,2 и 23,8 Солнца),
- 14 августа (черные дыры массой 30,7 и 25,3 солнечной массы),
- 17 августа (нейтронные звезды с массой 1,46 и 1,27 солнечной массы),
- 18 августа (черные дыры массой 35,5 и 26,8 Солнца) и
- 23 августа (черные дыры с массой 39,6 и 29,4 солнечной массы).
В течение последнего месяца наблюдений мы регистрировали более одного события в неделю. Вполне возможно, что по мере того, как мы становимся чувствительными к большим расстояниям и сигналам меньшей амплитуды и меньшей массы, мы можем начать видеть до одного события в день в 2019 году.
3.) Когда обнаруженные нами черные дыры сталкиваются, они выделяют больше энергии на своем пике, чем все звезды во Вселенной вместе взятыеНаше Солнце - эталон, по которому мы пришли к пониманию всех других звезд. Он сияет так ярко, что его общая выходная мощность - 4 × 10²⁶ Вт - эквивалентна преобразованию четырех миллионов тонн вещества в чистую энергию за каждую прошедшую секунду.
По оценкам, в наблюдаемой Вселенной около 10²³ звезд, общая выходная мощность всех звезд, сияющих по всему небу, превышает 10⁴⁹ Вт в любой момент времени: огромное количество энергии распределено по всей пространства. Но в течение нескольких миллисекунд во время пика слияния двойных черных дыр каждое из наблюдаемых 10 событий затмевало с точки зрения энергии все звезды во Вселенной вместе взятые(Хотя это относительно небольшая сумма.) Неудивительно, что самые масштабные слияния возглавляют чарты.
4.) Во время этих слияний около 5% общей массы обеих черных дыр преобразуется в чистую энергию посредством E=mc² ЭйнштейнаРябь в космосе, которую производят эти слияния черных дыр, должна откуда-то получать свою энергию, и на самом деле она должна исходить из массы самих сливающихся черных дыр. В среднем, основываясь на величине сигналов гравитационных волн, которые мы видели, и восстановленных расстояниях до них, черные дыры теряют около 5% своей общей массы - преобразовывая ее в энергию гравитационных волн - при слиянии.
- GW170608, слияние черных дыр с наименьшей массой (10,9 и 7,6 солнечных масс), преобразовало 0,9 солнечных масс в энергию.
- GW150914, первое слияние черных дыр (35,6 и 30,6 масс Солнца), преобразовало 3,1 массы Солнца в энергию.
- И GW170729, самое массивное слияние черных дыр (с массой 50,6 и 34,3 солнечной), преобразовало 4,8 солнечной массы в энергию.
Эти события, создающие рябь в пространстве-времени, являются самыми энергичными событиями, известными нам со времен Большого взрыва. Они производят больше энергии, чем любое слияние нейтронных звезд, гамма-всплеск или сверхновая, когда-либо созданные.
5.) Со всем, что мы видели до сих пор, мы полностью ожидаем, что более частые слияния черных дыр с меньшей массой просто ждут, чтобы их увиделиНаиболее массивные слияния черных дыр производят сигналы с наибольшей амплитудой, и поэтому их легче всего обнаружить. Но с учетом того, как связаны объем и расстояние, пройти вдвое дальше означает охватить в восемь раз больше объема. Поскольку LIGO становится более чувствительным, становится легче обнаруживать массивные объекты на больших расстояниях, чем объекты с малой массой, находящиеся близко.
Мы знаем, что существуют черные дыры массой 7, 10, 15 и 20 солнечных, но LIGO легче обнаружить более массивную дыру дальше. Мы ожидаем, что существуют двойные черные дыры с несоответствующими массами: одна намного массивнее другой. По мере того, как наша чувствительность улучшается, мы ожидаем, что их станет больше, но самые массивные найти будет легче. Мы ожидаем, что самые массивные из них будут доминировать в ранних поисках, так же как «горячие юпитеры» доминировали в ранних поисках экзопланет. По мере того, как мы будем лучше находить их, ожидайте, что там будет больше черных дыр с меньшей массой.
Когда было объявлено о первом обнаружении гравитационных волн, это было провозглашено рождением гравитационно-волновой астрономии. Люди сравнивали это с тем, когда Галилей впервые направил свой телескоп на небо, но это было гораздо больше. Это было так, как если бы наш взгляд на гравитационное волновое небо всегда был окутан облаками, и мы впервые разработали устройство, позволяющее видеть сквозь них, если у нас есть достаточно яркий источник гравитации: слияние черных дыр или нейтронных звезд. Будущее гравитационно-волновой астрономии обещает революционизировать нашу Вселенную, позволяя нам увидеть ее совершенно по-новому. И это будущее уже наступило; мы видим первые плоды нашего труда.
По мере совершенствования наших технологий мы получаем все более совершенную способность видеть сквозь эти облака: видеть более слабые, маломассивные и более удаленные гравитационные источники. Когда LIGO снова начнет собирать данные в 2019 году, мы полностью ожидаем более высоких скоростей слияния примерно 30 черных дыр с солнечной массой, но мы надеемся, наконец, узнать, что делают черные дыры с меньшей массой. Мы надеемся увидеть слияние нейтронных звезд и черных дыр. И мы надеемся отправиться еще дальше в отдаленные уголки Вселенной.
Теперь, когда мы достигли двузначного количества обнаруженных событий, пришло время пойти еще дальше. С полностью работоспособными LIGO и VIRGO и с лучшей чувствительностью, чем когда-либо, мы готовы сделать еще один шаг в нашем исследовании гравитационно-волновой Вселенной. Эти сливающиеся массивные звездные остатки были только началом. Пришло время посетить звездное кладбище и узнать, что на самом деле представляют собой скелеты.