29.09.2025. - Проект LIGO стал машиной для поиска черных дыр

Проект LIGO стал машиной для поиска черных дыр

14 сентября 2015 года на Землю поступил сигнал, содержащий информацию о паре удаленных черных дыр, которые закрутились по спирали и слились воедино. Сигнал преодолел расстояние около 1,3 миллиарда лет, чтобы достичь нас со скоростью света, но он не был создан из света. Это был сигнал другого рода: колебания пространства-времени, называемые гравитационными волнами, впервые предсказанные Альбертом Эйнштейном 100 лет назад.

В тот день, 10 лет назад, двойные детекторы лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории Национального научного фонда США (NSF LIGO) впервые в истории напрямую зарегистрировали гравитационные волны - шепот в космосе, который до этого момента оставался неслышимым.

Это историческое открытие означало, что теперь исследователи могут воспринимать вселенную тремя различными способами. Хотя световые волны, такие как рентгеновские лучи, оптические, радио- и другие длины волн света, а также частицы высокой энергии, называемые космическими лучами и нейтрино, были зафиксированы и раньше, это был первый случай, когда кто-либо стал свидетелем космического события, связанного с гравитационным искривлением пространства-времени.

Сегодня LIGO, в состав которой входят детекторы в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана, регулярно наблюдает примерно по одному слиянию черных дыр каждые три дня. В настоящее время LIGO работает в координации с двумя международными партнерами - гравитационно-волновым детектором Virgo в Италии и KAGRA в Японии.

В совокупности сеть поиска гравитационных волн, известная как LVK (LIGO, Virgo, KAGRA), зафиксировала в общей сложности около 300 слияний черных дыр, некоторые из которых подтверждены, в то время как другие ожидают дальнейшего анализа. Во время текущего научного запуска сети, четвертого с момента первого запуска в 2015 году, LVK обнаружила около 220 возможных слияний черных дыр, что более чем вдвое превышает количество, зафиксированное в первых трех запусках.

Резкий рост числа открытий LVK за последнее десятилетие обусловлен рядом усовершенствований их детекторов, некоторые из которых включают в себя передовые технологии квантовой точности. Детекторы LVK на сегодняшний день остаются самыми точными линейками для проведения измерений, когда-либо созданными человеком.

Искажения пространства-времени, вызванные гравитационными волнами, невероятно малы. Например, LIGO обнаруживает изменения в пространстве-времени размером менее 1/10 000 ширины протона. Это в 700 триллионов раз меньше толщины человеческого волоса.

"Рай Вайс предложил концепцию LIGO в 1972 году, и я подумал, что у нее не так уж много шансов на успех", - вспоминает Торн, эксперт по теории черных дыр.

"Мне потребовалось три года, чтобы обдумать это и обсудить идеи с Rai и Владимиром Брагинским [российским физиком], чтобы убедиться, что у этого проекта есть значительные шансы на успех. Техническая сложность уменьшения нежелательного шума, который мешает получению нужного сигнала, была огромной. Нам пришлось изобрести совершенно новую технологию. NSF просто превосходно провела этот проект через технические проверки и препятствия".

Нергис Мавалвала из Массачусетского технологического института, профессор астрофизики Кертиса и Кэтлин Марбл и декан научной школы, говорит, что проблемы, с которыми столкнулась команда, чтобы сделать первое открытие, все еще актуальны.

"От исключительной точности детекторов LIGO до астрофизических теорий источников гравитационных волн и сложного анализа данных - все эти препятствия необходимо было преодолеть, и мы продолжаем совершенствоваться во всех этих областях. По мере совершенствования детекторов мы начинаем искать более дальние и слабые источники. LIGO продолжает оставаться технологическим чудом".

Самый четкий сигнал на сегодняшний день

Примером повышенной чувствительности LIGO является недавнее открытие слияния черных дыр, получившее название GW250114 (цифры обозначают дату поступления гравитационно-волнового сигнала на Землю: 14 января 2025 года).

Это событие не сильно отличалось от первого в истории обнаружения LIGO (получившего название GW150914) - в обоих случаях речь шла о столкновении черных дыр на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от нас с массой, в 30-40 раз превышающей массу нашего Солнца. Но благодаря 10-летнему технологическому прогрессу, снижающему уровень инструментального шума, сигнал GW250114 стал значительно более четким.

"Мы слышим его громко и отчетливо, и это позволяет нам проверять фундаментальные законы физики", - говорит член команды LIGO Катерина Чациоанну, доцент кафедры физики Калифорнийского технологического института и научный сотрудник Уильяма Х. Херта, а также один из авторов нового исследования GW250114, опубликованного в Physical Review Letters.

Проанализировав частоты гравитационных волн, испускаемых при слиянии, команда LVK смогла предоставить наилучшие на сегодняшний день наблюдательные данные, подтверждающие так называемую теорему о площади черных дыр - идею, выдвинутую Стивеном Хокингом в 1971 году, согласно которой общая площадь поверхности черных дыр не может уменьшаться.

Когда черные дыры сливаются, их массы объединяются, увеличивая площадь поверхности. Но они также теряют энергию в виде гравитационных волн. Кроме того, слияние может привести к увеличению вращения объединенной черной дыры, что приводит к уменьшению ее площади. Теорема о площади черной дыры гласит, что, несмотря на эти конкурирующие факторы, общая площадь поверхности должна увеличиваться в размерах.

Позже Хокинг и физик Джейкоб Бекенштейн пришли к выводу, что площадь черной дыры пропорциональна ее энтропии, или степени беспорядка. Полученные результаты проложили путь для последующей революционной работы в области квантовой гравитации, которая пытается объединить два столпа современной физики: общую теорию относительности и квантовую физику.

По сути, обнаружение LIGO позволило команде "услышать", как растут две черные дыры, когда они сливаются в одну, подтверждая теорему Хокинга. (Во время этого конкретного наблюдения Virgo и KAGRA были отключены от сети).

Первоначальная площадь черных дыр составляла 240 000 квадратных километров (примерно размер штата Орегон), в то время как конечная площадь составляла около 400 000 квадратных километров (примерно размер Калифорнии) — явное увеличение.

Это вторая проверка теоремы о площади черной дыры; первоначальная проверка была проведена в 2021 году с использованием данных первого сигнала GW150914, но поскольку эти данные были не такими точными, уровень достоверности результатов составил 95% по сравнению с 99,999% для новых данных.

Торн вспоминает, как Хокинг позвонил ему и спросил, сможет ли LIGO проверить его теорему сразу после того, как он узнал об обнаружении гравитационных волн в 2015 году. Хокинг умер в 2018 году и, к сожалению, не дожил до того, чтобы его теория была подтверждена наблюдениями. "Если бы Хокинг был жив, он бы с удовольствием наблюдал, как увеличивается площадь слияния черных дыр", - говорит Торн.

Самая сложная часть такого анализа была связана с определением конечной площади поверхности слившейся черной дыры. Площади поверхности черных дыр, существовавших до слияния, легче определить по мере того, как пара вращается по спирали, завихряя пространство-время и создавая гравитационные волны. Но после слияния черных дыр сигнал становится не таким четким. Во время этой так называемой фазы отбоя последняя черная дыра вибрирует, как колокол, в который ударили.

В новом исследовании исследователи смогли точно измерить детали фазы кольцевания, что позволило им рассчитать массу и вращение черной дыры, а затем определить площадь ее поверхности. Точнее, они впервые смогли уверенно выделить две различные моды гравитационных волн в фазе отбоя.

Эти моды похожи на характерные звуки, которые издает колокол при ударе; они имеют примерно одинаковые частоты, но затухают с разной скоростью, что затрудняет их идентификацию.

Улучшенные данные для GW250114 позволили команде выделить моды, продемонстрировав, что сжатие черной дыры произошло в точности так, как предсказывали математические модели, основанные на формализме Теукольского, разработанном в 1972 году Солом Теукольским, ныне профессором Калифорнийского технологического института и Корнелла.

Другое исследование LVK, опубликованное в журнале Physical Review Letters, устанавливает ограничения на предсказанный третий, более высокий по тону, сигнал GW250114 и проводит одни из самых строгих тестов точности общей теории относительности при описании слияния черных дыр.

"Десятилетие усовершенствований позволило нам провести это изысканное измерение", - говорит Чатциоанну.

"Для этого потребовались оба наших детектора, в Вашингтоне и Луизиане. Я не знаю, что произойдет еще через 10 лет, но за первые 10 лет мы значительно улучшили чувствительность LIGO. Это не только означает, что мы ускоряем скорость открытия новых черных дыр, но и собираем подробные данные, которые расширяют наши знания о фундаментальных свойствах черных дыр".

Дженн Дриггерс, ведущий научный сотрудник LIGO в Хэнфорде, добавляет: "Для достижения наших научных целей требуется глобальная деревня. Начиная с наших изысканных приборов и заканчивая очень точной калибровкой данных, проверкой и обеспечением гарантий точности качества данных, поиском астрофизических сигналов и объединением всего этого в нечто такое, что телескопы могут быстро считывать и обрабатывать, - существует множество специализированных задач, которые объединяются, чтобы сделать LIGO лучшим в мире. это большой успех, вот что это такое".

Расширяя границы возможного

За последнее десятилетие LIGO и Virgo также открыли нейтронные звезды. Подобно черным дырам, нейтронные звезды образуются в результате взрывной гибели массивных звезд, но они весят меньше и излучают свет. Следует отметить, что в августе 2017 года LIGO и Virgo стали свидетелями грандиозного столкновения пары нейтронных звезд — килоновой звезды, — в результате которого золото и другие тяжелые элементы улетели в космос и привлекли внимание десятков телескопов по всему миру, которые зафиксировали излучение в диапазоне от гамма-лучей высокой энергии до низкоэнергетических.энергия радиоволн.

Астрономическое событие "мульти-мессенджер" ознаменовало собой первый случай, когда световые и гравитационные волны были зафиксированы в одном космическом событии. Сегодня LVK продолжает предупреждать астрономическое сообщество о возможных столкновениях нейтронных звезд, которые затем используют телескопы для поиска в небе признаков килоновых звезд.

"За последние годы LVK добилась больших успехов в обеспечении того, чтобы мы получали высококачественные данные и оповещения для общественности менее чем за минуту, чтобы астрономы могли искать сигнатуры нескольких мессенджеров от наших гравитационно-волновых кандидатов", - говорит Дриггерс.

"Глобальная сеть LVK необходима для гравитационно-волновой астрономии", - говорит Джанлука Джемме, представитель Virgo и директор по исследованиям INFN (Национального института ядерной физики). "С помощью трех или более детекторов, работающих в унисон, мы можем с большей точностью определять космические события, извлекать более богатую астрофизическую информацию и обеспечивать быстрое оповещение для отслеживания нескольких сообщений. Компания Virgo гордится тем, что вносит свой вклад в это всемирное научное начинание".

Другие научные открытия LVK включают в себя первое обнаружение столкновений между одной нейтронной звездой и одной черной дырой; асимметричные слияния, при которых одна черная дыра значительно массивнее другой черной дыры-партнера; открытие самых легких из известных черных дыр, опровергающее идею о существовании "разрыва в массе" между нейтронными звездами. и черные дыры; и самое массовое слияние черных дыр, которое когда-либо наблюдалось, с объединенной массой в 225 масс Солнца. Для справки, предыдущий рекордсмен по самому масштабному слиянию имел совокупную массу в 140 масс Солнца.

Еще за десятилетия до того, как LIGO начала собирать данные, ученые закладывали основы, которые сделали возможной науку о гравитационных волнах. Например, прорывы в компьютерном моделировании слияний черных дыр позволяют команде извлекать и анализировать слабые гравитационно-волновые сигналы, генерируемые по всей Вселенной.

Технологические достижения LIGO, начавшиеся еще в 1980-х годах, включают в себя несколько далеко идущих инноваций, таких как новый способ стабилизации лазеров с использованием так называемой технологии Паунда-Древера–Холла.

Изобретенный в 1983 году и названный в честь физиков Роберта Вивиана Паунда, покойного Рональда Древера из Калифорнийского технологического института (основателя LIGO) и Джона Льюиса Холла, этот метод сегодня широко используется в других областях, таких как разработка атомных часов и квантовых компьютеров.

Другие инновации включают в себя ультрасовременные зеркальные покрытия, которые почти идеально отражают лазерный луч; инструменты "квантового сжатия", позволяющие LIGO превзойти пределы чувствительности, установленные квантовой физикой; и новые методы искусственного интеллекта, которые могут еще больше снизить уровень некоторых видов нежелательных шумов.

"То, что мы в конечном счете делаем внутри LIGO, - это защищаем квантовую информацию и следим за тем, чтобы она не была уничтожена внешними факторами", - говорит Мавалвала. "Методы, которые мы разрабатываем, являются основой квантовой инженерии и находят применение в широком спектре устройств, таких как квантовые компьютеры и квантовые датчики".

В ближайшие годы ученые и инженеры LVK надеются усовершенствовать свои приборы, расширяя их возможности в космосе. Они также планируют использовать полученные знания для создания еще одного гравитационно-волнового детектора - LIGO India. Наличие третьей обсерватории LIGO значительно повысило бы точность, с которой сеть LVK может локализовать источники гравитационных волн.

Заглядывая дальше в будущее, команда работает над концепцией еще более крупного детектора под названием Cosmic Explorer, который будет иметь рукава длиной 40 километров (две обсерватории LIGO имеют рукава длиной 4 километра). Европейский проект, получивший название "Телескоп Эйнштейна", также планирует построить один или два огромных подземных интерферометра с плечами длиной более 10 километров. Обсерватории такого масштаба позволили бы ученым наблюдать за самыми ранними процессами слияния черных дыр во Вселенной.

"Всего десять лет назад LIGO впервые открыла нам глаза на гравитационные волны и изменила представление человечества о космосе", - говорит Аамир Али, программный директор физического отдела NSF, который поддерживает LIGO с момента ее основания.

"Существует целая вселенная, которую можно исследовать с помощью этого совершенно нового объектива, и эти последние открытия показывают, что LIGO только начинает".

Источник