|
Кладезь данных о гравитационных волнах
|
|
|
|
Исследователи из Института гравитационных исследований Университета Глазго отмечают публикацию огромного нового кладеза данных о гравитационных волнах, который считается важной вехой, знаменующей собой становление гравитационной астрономии. Каталог транзиентных гравитационных волн-5.0, или GWTC-5, опубликован в режиме онлайн, а соответствующие научные статьи отправлены в Astrophysical Journal и Astrophysical Journal Letters.
|
|
|
|
В этом последнем обновлении подробно описаны 161 новый сигнал от сталкивающихся черных дыр, обнаруженных в период с апреля 2024 года по конец января 2025 года детекторами гравитационных волн LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии, известными как коллаборация LVK. В результате этой публикации общее число обнаруженных на сегодняшний день сигналов гравитационных волн достигло 390.
|
|
|
|
Наиболее значимые результаты, подробно описанные в этом сборнике, включают в себя доказательства существования черных дыр второго поколения, самую точную локализацию источника гравитационных волн на небе, когда-либо достигнутую, и первое измерение трех колебательных мод черной дыры.
|
|
|
|
Астрофизики из Университета Глазго играют ключевую роль в исследованиях гравитационных волн с 1970-х годов. Они возглавили разработку тонких подвесок зеркал, лежащих в основе детекторов Национальной научной обсерватории США (NSF LIGO), которые делают возможными эти обнаружения.
|
|
|
|
С момента исторического первого прямого обнаружения в сентябре 2015 года они тесно сотрудничали с коллегами из международной коллаборации LVK для улучшения характеристик детекторов и анализа данных обнаружений, которые становятся все более частыми по мере повышения чувствительности детекторов.
|
|
|
|
|
|
|
В ходе наблюдательных циклов детекторы коллаборации регистрировали от трех до четырех сигналов в неделю, и в будущих наблюдательных циклах ожидается более частое обнаружение сигналов.
|
|
|
|
Коллаборация чередует периоды сбора данных, называемые наблюдательными циклами, с фазами, посвященными модернизации и вводу в эксплуатацию детекторов. Именно поэтому каталог событий гравитационных волн, включая проверенные данные и физические параметры источников, обновляется и предоставляется более широкому научному сообществу примерно каждые шесть месяцев.
|
|
|
|
Доктор Даниэль Уильямс, научный сотрудник Института гравитационных исследований, является сопредседателем рабочей группы LSC по компактным двойным системам. Он сказал: «Это масштабное обновление в очередной раз расширило и углубило наши знания о Вселенной и дало нам множество новых возможностей заглянуть в ее самые неуловимые объекты: сталкивающиеся черные дыры.
|
|
|
|
Всего десять лет назад мы впервые обнаружили гравитационные волны от одного из таких событий, и это настоящее свидетельство работы сотен ученых по всему миру, благодаря которым мы сейчас обнаруживаем и анализируем сотни таких событий».
|
|
|
|
«В Глазго мы находимся на передовой разработки новых технологий, повышающих чувствительность детекторов, что позволяет нам наблюдать больше таких сигналов, более четко и от столкновений, происходящих на гораздо больших расстояниях, чем это было возможно десять лет назад. Мы также лидируем в разработке критически важных методов анализа, позволяющих извлекать огромное количество информации из каждого сигнала: расшифровка свойств черных дыр, сталкивающихся на расстоянии миллиардов световых лет от Земли, — и все это на основе измерения, которое смещает наши детекторы на долю размера атомного ядра».
|
|
|
|
В дополнение к новым перспективам, открывающимся благодаря этому необычайному количеству наблюдений, новый каталог также включает в себя несколько обнаружений, которые сами по себе являются исключительными и устанавливают новые рекорды в астрономических наблюдениях гравитационных волн: наилучшая из когда-либо достигнутых локализаций источника гравитационных волн на небе, самый четкий из когда-либо зарегистрированных сигналов гравитационных волн и свидетельства существования черных дыр второго поколения.
|
|
|
|
Сигнал, обнаруженный двумя детекторами LIGO в США и Virgo в Италии 15 июня 2024 года — и получивший название GW240615 — установил рекорд по наиболее точной локализации на небе среди всех наблюдавшихся на сегодняшний день событий гравитационных волн. Источник был идентифицирован в области всего 6 квадратных градусов, относительно небольшой части небесной сферы.
|
|
|
|
Наблюдаемое событие гравитационных волн с такой рекордной локализацией представляло собой слияние двух черных дыр массой около 26 и 30 солнечных масс, которые с огромной силой столкнулись на расстоянии более 3 миллиардов световых лет от Земли.
|
|
|
|
Алекс Пападопулос, аспирант Института гравитационных исследований, сказал: «Обновленный каталог GWTC-5.0 дает нам гораздо большее количество сигналов гравитационных волн, которые помогут ответить на один из самых важных вопросов в космологии: как быстро расширяется Вселенная?»
|
|
|
|
«Скорость этого расширения описывается величиной, называемой постоянной Хаббла. Гравитационные волны позволяют нам измерить её, оценивая расстояние до сливающихся объектов либо непосредственно по самому сигналу, либо идентифицируя галактику, в которой произошло слияние.
|
|
|
|
Одним из главных улучшений в GWTC-5.0 по сравнению с предыдущими каталогами является включение наблюдений с детектора Virgo, который вернулся после перерыва в предыдущем цикле наблюдений. Благодаря этому дополнительному детектору мы можем гораздо точнее определять местоположение сигналов гравитационных волн на небе, что упрощает идентификацию галактики-хозяина каждого слияния. Расширенная библиотека обнаружений также позволила нам использовать 236 сигналов, почти вдвое больше, чем раньше, в нашем анализе. Каждое событие вносит небольшой вклад в информацию, поэтому вместе эти дополнительные сигналы значительно улучшают наши результаты».
|
|
|
|
«В совокупности эти усовершенствования помогают нам измерять постоянную Хаббла точнее, чем когда-либо прежде, используя гравитационные волны, приближая нас к пониманию одного из важнейших нерешенных вопросов современной физики.
|
|
|
|
В Глазго мы разработали и протестировали программное обеспечение, которое позволяет проводить этот анализ более чем в тысячу раз быстрее, чем раньше, даже с учетом растущего числа сигналов гравитационных волн в каталоге». Это ускорение позволило нам протестировать гораздо больше возможных сценариев и убедиться в максимальной надежности и достоверности наших результатов, координацией этих усилий занимался наш Институт гравитационных исследований.
|
|
|
|
Обнаружение гравитационных волн означает не просто захват сигнала, а его извлечение из шума, мешающего детекторам. Это требует высокоточных методов анализа данных, поэтому «сила» или «четкость» сигнала выражается через отношение сигнал/шум (SNR). В опубликованном сегодня каталоге представлен самый «четкий» из когда-либо обнаруженных сигналов гравитационных волн с отношением сигнал/шум 76,9.
|
|
|
|
Этот сигнал, GW250114, достиг Земли 14 января 2025 года и был сгенерирован слиянием двух черных дыр с почти одинаковыми массами (в 32 и 34 раза больше массы Солнца, соответственно), произошедшим на расстоянии более миллиарда световых лет от Земли. Его «четкость» позволила достичь ряда выдающихся научных результатов, среди которых наиболее точная проверка общего... Впервые была проведена теория относительности, а также подтверждена теорема Стивена Хокинга о площади черной дыры.
|
|
|
|
Доктор Джон Вейтч, ученый из Университета Глазго, анализирующий сигналы черных дыр, сказал: «Благодаря громкости GW250114 мы смогли сравнить искривленное пространство-время до и после слияния черных дыр и обнаружили, что общая площадь горизонтов событий (поверхность «невозврата») увеличилась в соответствии с законами механики черных дыр Хокинга.
|
|
|
|
После слияния последняя черная дыра звенит, как колокол, испуская гравитационные волны вместо звука. Анализ этих волн подтвердил, что, хотя во время слияния энергия испускается в виде гравитационных волн, общая энтропия черных дыр увеличивается в соответствии со вторым законом термодинамики. Это показывает, что даже для черных дыр законы термодинамики все еще действуют, но, в отличие от обычных объектов, чем больше энергии они содержат, тем холоднее они становятся».
|
|
|
|
Подсказки о черных дырах второго поколения
|
|
|
|
В октябре и ноябре 2024 года, с разницей всего в один месяц, были обнаружены два дополнительных очень необычных слияния черных дыр: GW241011 и GW241110, произошедшие примерно в 700 миллионах и 2,4 миллиардах световых лет от Земли, соответственно.
|
|
|
|
Некоторые характеристики этих слияний — в частности, вращение черных дыр (то есть ориентация и скорость их вращения) — указывают на то, что участвующие объекты могут быть черными дырами «второго поколения», то есть черными дырами, которые сами являются результатом предыдущих слияний. Эти объекты, вероятно, образовались в очень плотных и переполненных космических средах, таких как звездные скопления, где черные дыры с большей вероятностью многократно сталкиваются и сливаются.
|
|
|
|
Растущее число наблюдаемых событий также позволило исследователям изучать и все более четко определять свойства различных популяций черных дыр, и одна из статей, сопровождающих каталог, посвящена именно этому конкретному аспекту.
|
|
|
|
Сторм Колломс, аспирант Института гравитационных исследований, сказал: «Я был частью команды, изучающей процессы, которые создают слияние черных дыр и нейтронных звезд, с помощью новейшего набора наблюдений. Мы изучили 267 источников, включая 104 новых наблюдения. Этот набор из сотен наблюдений позволяет нам уверенно измерять массы, вращения и расстояния двойных черных дыр, а также исследовать корреляции между этими свойствами. В частности, мы обнаружили, что черные дыры с различными диапазонами масс имеют разные спины, что указывает на существование различных путей формирования, которые создают уникальные группы систем.
|
|
|
|
«На эту тенденцию намекают ранее опубликованные наблюдения GW241011 и GW241110, пары черных дыр с четко измеренными высокими спинами и неравными массами. Эти два наблюдения показали характерные признаки того, что более крупная черная дыра в каждой паре образовалась не непосредственно из массивной звезды, а в результате предыдущего слияния двух черных дыр. Признаки черных дыр, образовавшихся в результате предыдущих слияний, сохраняются в популяции в целом, что указывает на то, что GW241011 и GW241110 не являются единственными в своем роде, а прослеживают основную тенденцию. Теперь у нас появляется все больше доказательств того, что существуют способы, которыми Вселенная создает сливающиеся черные дыры в дополнение к тем, которые происходят из массивных двойных звезд.
|
|
|
|
«Последние измерения популяции источников гравитационных волн продолжают приближать нас к созданию четкой картины происхождения двойных черных дыр и нейтронных звезд. С предстоящими наблюдениями и более чувствительными детекторами мы получим более точные измерения отдельных источников и увеличим количество источников в наших каталогах, что позволит нам исследовать все более подробную астрофизику формирования компактных объектов».
|
|
|
|
Доктор Уильямс добавил: «Сейчас мы обнаруживаем так много таких сигналов, что мы не просто изучаем отдельные столкновения; это астрономический эквивалент открытия древней цивилизации. Сегодняшние новые результаты подобны обнаружению ранее неоткрытого клада, раскрывающего не только отдельные жизни, но и структуру всего затерянного мира».
|
|
|
|
Источник
|
