Загадочная Вселенная. Как обнаружили гравитационные волны пространства и времени

Механизмы, лежащие в основе LIGO, основаны на работах известного физика Альберта Эйнштейна, который в своей теории относительности предсказал существование гравитационных волн, аналогичных электромагнитным волнам, более века назад. Согласно истории проекта Калифорнийского технологического института в Пасадене, Эйнштейн считал, что такие волны слишком слабы, чтобы их можно было бы когда-либо реально обнаружить.

Начиная с 1960-х и 1970-х годов, исследователи создали прототип детекторов гравитационных волн, используя свободно висящие зеркала, которые отражали лазер между ними. Если бы гравитационная волна прошла через устройство, она пошевелила бы тканью пространства-времени и заставила бы зеркала немного двигаться. Это устройство, известное как интерферометр, до сих пор является основным элементом современных детекторов гравитационных волн.

Хотя эти ранние модели не обладали чувствительностью, необходимой для регистрации сигнала гравитационной волны, прогресс продолжался несколько десятилетий, и в 1990 году Национальный научный фонд одобрил сборку двух детекторов LIGO; один в Хэнфорде, штат Вашингтон, и другой в Ливингстоне, штат Луизиана. Строительство обоих детекторов было завершено в 1999 году, а поиск гравитационных волн начался несколько лет спустя.

В период с 2010 по 2014 год LIGO был полностью переработан для большей чувствительности. Тяжелая работа окупилась. В течение нескольких дней после включения инструментов в сентябре 2015 года обсерватория начала собирать сигналы своих первых гравитационных волн, согласно странице фактов LIGO от Калифорнийского технологического института. Этот исторический сигнал держался в секрете в течение нескольких месяцев, пока ученые пытались понять его детали. 11 февраля 2016 года открытие было обнародовано: физики объявили, что они обнаружили столкновение двух черных дыр, в 29 и 36 раз массивнее Солнца соответственно, которое произошло почти 1,3 миллиарда лет назад.

Результаты были с радостью встречены физическим сообществом и широко освещались средствами массовой информации. Это наблюдение не только подтвердило предсказание Эйнштейна столетней давности, но и предоставило исследователям совершенно новый способ заглянуть во Вселенную. Год спустя астрофизики Кип Торн и Барри Бэриш из Калифорнийского технологического института и Райнер Вайс из Массачусетского технологического института разделили Нобелевскую премию по физике за их новаторскую работу по обнаружению гравитационных волн.

В настоящее время коллаборация LIGO состоит из двух американских детекторов, а также третьего прибора под названием Virgo, который был запущен в 2017 году. Он находится недалеко от Пизы, Италия, и управляется европейской группой. Каждый объект включает L-образную вакуумную камеру с ножками длиной 4 километра, в которой находится интерферометр. Лазеры детекторов могут распознавать движения между зеркалами с ошеломляющей точностью — 1/10 000 ширины протона.

Некоторые из самых впечатляющих результатов LIGO и Virgo включают первое обнаружение двух нейтронных звезд — чрезвычайно плотных звездных трупов — врезающихся друг в друга. Открытие, о котором было объявлено в октябре 2017 года, сопровождалось наблюдениями за тем же событием с использованием радио-, инфракрасных, оптических, гамма- и рентгеновских телескопов, что позволило ученым получать информацию из нескольких каналов — задача, известная как астрофизика с несколькими мессенджерами. Эти данные помогли доказать, что такие столкновения являются источником большей части золота, платины и других тяжелых элементов Вселенной.

В январе 2020 года LIGO обнаружила вторую нейтронную звезду, в которой участвовали колоссальные объекты с общей массой в 3,4 раза больше, чем у Солнца. Такие тяжелые нейтронные звезды никогда раньше не наблюдались в телескопы и выходят за рамки того, что теоретически должно быть возможным для таких сущностей, заставляя ученых ломать голову над тем, как эти звезды могли быть созданы.

Позже в том же году исследователи объявили, что LIGO и Virgo обнаружили сигнал слияния двух гигантских черных дыр, масса которых в 66 и 85 раз больше массы Солнца, соответственно. Они образовали единую черную дыру с общей массой в 142 раза больше массы Солнца. Это было первое недвусмысленное свидетельство существования так называемых черных дыр средней массы, которые в 50-100 000 раз больше Солнца, которые должны существовать, но никогда не их видели.

В 2020 году к LIGO и Virgo присоединился японский прибор под названием Детектор гравитационных волн Камиока (KAGRA), хотя все объекты пришлось временно закрыть из-за всемирной пандемии COVID-19. Ожидается, что и индийский детектор присоединится к сети. Благодаря этим дополнительным объектам и модернизации существующих объектов, физики смогут наблюдать гравитационные волны издалека и с большей частотой, что позволит им сделать еще больше открытий в будущем.