МОСКВА, 26 сен - РИА Новости. Гравитационные обсерватории LIGO и VIRGO впервые одновременно обнаружили всплеск гравитационных волн, порожденных слиянием двух черных дыр и локализовали их источник — одну из галактик в созвездии Часов, рассказали участники коллабораций VIRGO и LIGO, выступавшие на пресс-брифинге на встрече министров "Большой семерки" в итальянском Турине.
"Объединение LIGO и VIRGO не только повысило точность локализации источников гравитационных волн в 20 раз, но и позволило нам приступить к поиску следов объектов, порождающих гравитационные волны, в других видах излучения. Сегодня мы по-настоящему вступили в эру полноценной гравитационной астрономии", — заявил Дэвид Шумейкер (David Shoemaker), руководитель коллаборации LIGO.
Физик из "Интерстеллара": фильм помог нам увидеть реальные черные дыры Знаменитый американский физик Кип Торн, один из сценаристов фильма "Интерстеллар", рассказал РИА "Новости" о том, почему гравитационный детектор LIGO обманул ожидания большинства ученых, верит ли он в колонизацию Марса и "кротовые норы", и поделился своими мыслями о том, как съемки фильма помогли науке.В поисках складок пространства-времени
Детектор гравитационных волн LIGO был построен в 2002 году по проектам и планам, которые были разработаны Кипом Торном, Райнером Вайссом и Рональдом Древером в конце 80 годов прошлого века. На первой стадии своей работы, длившейся 8 лет, LIGO не удалось обнаружить "эйнштейновские" колебания пространства-времени, после чего детектор был отключен и последующие 4 года ученые потратили на его обновление и повышение чувствительности.
Эти усилия оправдали себя - в сентябре 2015 года, фактически сразу после включения обновленного LIGO, ученые обнаружили всплеск гравитационных волн, порожденных сливающимися черными дырами общей массой в 53 Солнца. Впоследствии, LIGO зафиксировал еще три всплеска гравитационных волн, только один из которых был официально признан научным сообществом.
Ученые не знают, где конкретно были расположены источники этих гравитационных волн — из-за того, что LIGO имеет всего два детектора, им удалось лишь выделить достаточно узкую полосу на ночном небе, где могли находиться эти черные дыры. Внутри нее, несмотря на ее скромные размеры, находятся миллионы галактик, что делает поиски "конечного продукта" этих слияний фактически бесполезным занятием.
В июне этого года свою работу возобновил европейский "кузен" LIGO, гравитационная обсерватория VIRGO, построенная в окрестностях итальянской Пизы в 2003 году. Работа VIRGO была приостановлена в 2011 году, после чего инженерная команда обсерватории провела ее глубокую модернизацию, приблизив ее по чувствительности к текущему уровню LIGO.
Все проверки детекторов VIRGO были завершены к 1 августа этого года, и теперь обсерватория приступила к совместным наблюдениям с двумя детекторами LIGO. Ее чувствительность несколько ниже, чем у американского гравитационного телескопа, однако получаемые ей данные позволяют решить две важнейших научных задачи - повысить качество и достоверность сигнала, получаемого LIGO, и определить "трехмерное" положение источника гравитационных волн.
Триангуляция по-Эйнштейновски
Первых результатов ученые добились неожиданно быстро - уже 14 августа им удалось обнаружить всплеск GW170814, возникший в далекой галактике на расстоянии в 1,8 миллиарда световых лет от Земли. Как и в прошлых трех случаях, эти волны были порождены необычно крупными черными дырами, чья масса превышала солнечную в 30,5 и 25 раз. Во время их слияния примерно три массы Солнца "испарились" и были потрачены на излучение гравитационных волн.
Использование сразу трех детекторов позволило ученым заметно повысить точность локализации источника гравитационных волн - галактика, в которой находятся породившие их черные дыры, расположена в небольшой области неба в созвездии Часов на ночном небе южного полушария Земли. Кроме того, ученые планируют использовать эти данные для поиска возможных следов этой вспышки в радио и рентгеновском диапазонах.
Физик: открытие гравитационных волн – ключ к пониманию жизни Вселенной Международная гравитационная обсерватория LIGO заявила об феноменальном обнаружении гравитационных волн, чье открытие, как считает российский физик Михаил Городецкий, открывает нам дорогу к созданию теорий квантовой гравитации и теории "великого объединения", объясняющей все процессы во Вселенной.Сенсации в данном случае не произошло - предварительный анализ данных, собранных LIGO и VIRGO во время этой вспышки, показывает, что гравитационные волны движутся через пространство и ведут себя в точности так, как предсказывает теория Эйнштейна. В будущем, когда чувствительность LIGO и VIRGO будет повышена, ученые надеются найти окончательный ответ на этот вопрос.
Как отметил Шумейкер, детекторы LIGO были отключены 25 августа для того, чтобы повысить точность их работы примерно в два раза. Этот "апгрейд", по его словам, расширит "горизонт зрения" обсерватории примерно в девять раз, и позволит находить следы слияния черных дыр практически каждую неделю.
Слияний черных дыр звездных масс наблюдено уже четыре эпизода. В самом первом (и самом мощном), случившемся на расстоянии от нас в 1,3 млрд. световых лет, слились две ЧД с массами 36 и 29 масс Солнца в одну ЧД массой в 62 массы Солнца. А 3 массы Солнца преобразовались в этом слиянии в энергию гравитационных волн. Которые и были зафиксированы на земных гравитационных телескопах LIGO.
Вопрос, что в заголовке, вынужден поставить потому, что есть сообщение об открытии удаленной от нас на 2,6 млрд. св. лет системы, состоящей из двух сверхмассивных ЧД суммарной массой ~ 200 млн. масс Солнца, вращающихся вокруг общего центра масс по орбите диаметром меньше 0,01 св. года . Понятно, что в обозримом будущем эти ЧД должны слиться в одну ЧД и сверхмощнейшая гравитационная волна нахлынет и на Землю. Зарегистрируют ли земные гравитационные телескопы (LIGO, Virgo и другие) эту сверхмощнейшую ГВ?
Казалось бы, что гравитационные волны от слияния сверхмассивных ЧД (массой в миллионы масс Солнца) должны быть обнаружены этими телескопа легко. Однако, это не так. И для понимания этого эффекта нужно знать всего лишь один параметр - зависимость радиуса горизонта событий ЧД от массы объекта. Радиус горизонта событий (гравитационный радиус) пропорционален массе объекта. И для Солнца равен 2,95 км.
В приведенном в первом абзаце примере гравитационные радиусы слившихся ЧД равнялись примерно 105 и 85 км.При соприкосновении их гравитационных радиусов в процессе слияния расстояние между их центрами масс было ~ 190 км, а длина окружности взаимной орбиты ~ 1200 км.
Колебания гравитационного поля от упомянутого в начале поста слияния ЧД представляли собой цуг волн частотой от 50 (в начале цуга) до 230 (в конце его) герц. Тем самым, длина этих волн внутри цуга убывала от ~ 6000 км до ~ 1300 км (ГВ распространяются со скоростью света). Мы видим, что длина последней волны в цуге гравволн практически равна длине окружности орбиты взаимного движения двух ЧД в момент касания их горизонтов событий.
Тем самым, земные гравтелескопы начали фиксировать гравволны с момента сближения ЧД на расстояние в 4-5 суммы их граврадиусов и перестали их фиксировать в момент касания их граврадиусов, то есть, в момент слияния черных дыр.
Перейдем теперь к упомянутой выше тесной двойной ЧД суммарной массы ~ 200 млн. солнечных масс.
Сумма их граврадиусов будет ~ 600 млн. км ~ 2000 св. секунд. А длина соответствующей их взаимной орбиты в момент касания их граврадиусов ~ 12000 св. секунд. Естественно поэтому ожидать, что максимальная частота колебаний гравитационного поля в такой волне будет ~ 1/12000 герца. А сама длина гравволны ~ 3,8 млрд. км.
Упоминавшиеся выше земные гравтелескопы способны измерять относительные смещения разнесенных внутри них на 4 километра пробных масс с погрешностью меньше одной тысячной размера протона. И измеряли эти смещения для ГВ длиной в тысячи километров. Ибо они "видели" довольно быстрые изменения величины гравитационного поля. Но смогут ли такие телескопы заметить волновые изменения гравитационного поля в волне длиной в миллиарды километров и длительностью изменений во многие часы?
Сильно сомневаюсь в этом. Даже не столько по причине недостаточной чувствительности гравтелескопов, сколько по причинам множества событий и шумов на Земле за многие часы прохождения даже одной волны из не очень короткого цуга гравволн. Таких, например, как мелкие землетрясения.
Вывод : Земные гравитационные телескопы не смогут зарегистрировать гравитационные волны от слияния сверхмассивных черных дыр.
Возможно, что приведенные выше оценки и основанные на них выводы убедят не всех. Приведу простую им аналогию из нашей земной жизни. Представьте, что вы сидите на холме близ океана и наблюдаете катящиеся по нему волны высотой пусть даже в полметра. Вы прекрасно видите эти волны. Ветер утих и поверхность океана стала гладкой. По нему уже не бегут волны? Отнюдь.
По океану непрерывно бежит приливная волна длиной в половину окружности Земли и высотой в несколько метров. Но эту волну как волну вы не видите. При должном терпении вы воспринимаете ее как приливы и отливы дважды в сутки. И вряд ли когда-либо вы представляли приливы и отливы как некое волновое явление. Ваши органы чувств просто откажутся в это поверить. Я уж не говорю о ситуации, когда Вы сидите не на берегу, а на палубе находящегося в открытом океане корабля.
Аналогично нынешние земные гравтелескопы не будут воспринимать гравитационные волны длиной в миллиарды километров, возникающие от слияния сверхмассивных черных дыр, как волны. Их "органы чувств" просто их не увидят.
Когда что-либо пересекает горизонт событий черной дыры снаружи, оно обречено. За считанные секунды объект достигнет сингулярности в центре черной дыры: точки для невращающейся черной дыры и кольца для вращающейся. Сама черная дыра не помнит, какие частицы упали в нее или каково их квантовое состояние. Вместо этого все, что останется, с точки зрения информации - это общая масса, заряд и угловой момент черной дыры.
В последний этап, предваряющий слияние, пространство-время, окружающее черную дыру, будет нарушено, поскольку материя будет продолжать падать в обе черные дыры из окружающей среды. Ни в коем случае не стоит считать, что что-то сможет сбежать изнутри горизонта событий
Таким образом, можно представить сценарий, по которому вещество попадает в черную дыру во время заключительных стадий слияния, когда одна черная дыра вот-вот соединится с другой. Поскольку черные дыры всегда должны иметь диски аккреции, а в межзвездной среде постоянно летает вещество, горизонт событий постоянно будут пересекать частицы. Здесь все просто, поэтому давайте рассмотрим частицу, которая попала в горизонт событий до финальных моментов слияния.
Может ли она теоретически сбежать? Может ли «перепрыгнуть» с одной черной дыры на другую? Давайте рассмотрим ситуацию с точки зрения пространства-времени.
Компьютерное моделирование двух сливающихся черных дыр и искривлений пространства-времени, ими вызванных. Хотя гравитационные волны испускаются постоянно, само вещество не может убежать
Когда две черные дыры сливаются, они делают это после долгого периода закручивания по спирали, в процессе которого энергия излучается в виде гравитационных волн. До самых финальных моментов до слияния энергия испускается и улетает прочь. Но это не может приводить к тому, что горизонт событий или даже черная дыра сжимались; вместо этого энергия приходит из пространства-времени в центре масс, которое деформируется сильнее и сильнее. С таким успехом можно было бы украсть энергию у планеты ; она стала бы вращаться ближе к Солнцу, но ее свойства (или свойства Солнца) никак бы не изменились.
Однако, когда наступают последние моменты слияния, горизонты событий двух черных дыр деформируются гравитационным присутствием друг друга. К счастью, релятивисты уже численно рассчитали, как слияние влияет на горизонты событий, и это впечатляюще информативно.
Несмотря на то, что до 5% общей массы черных дыр до слияния может быть излучено в виде гравитационных волн, горизонт событий никогда не сокращается. Важно то, что если взять две черные дыры равной массы, их горизонты событий будут занимать определенный объем пространства. Если объединить их с созданием черной дыры удвоенной массы, объем пространства, занимаемый горизонтом, будет в четыре раза больше изначального объема объединенных черных дыр. Масса черных дыр прямо пропорциональна их радиусу, но объем пропорционален кубу радиуса.
Хотя мы обнаружили много черных дыр, радиус каждого из горизонтов событий прямо пропорционален массе дыры, и так всегда. Удвойте массу, удвойте радиус, но площадь увеличится в четыре раза, а объем - в восемь
Оказывается, даже если вы будет удерживать частицу в максимально неподвижном состоянии внутри черной дыры и она будет максимально медленно падать по направлению к сингулярности, у нее нет никакого способа выбраться. Общий объем совмещенных горизонтов событий во время слияния черных дыр увеличивается, и независимо от того, какова траектория частицы, пересекающей горизонт событий, она обречена быть проглоченной объединенной сингулярностью обеих черных дыр.
Во многих сценариях астрофизики появляются выбросы, когда материя из объекта убегает во время катаклизма. Но в случае слияния черных дыр все, что внутри, остается внутри; большая часть того, что было снаружи, засасывается, и лишь немногое из того, что было снаружи, может сбежать. Попадая в черную дыру, вы обречены. И еще одна черная дыра не изменит баланс сил.
Новая модель приближает ученых к пониманию разновидности световых сигналов, создаваемых, когда две сверхмассивные черные дыры (в миллионы и миллиарды раз массивнее Солнца) двигаются по спирали к столкновению. Впервые компьютерное моделирование, включающее физические эффекты общей теории относительности Эйнштейна, показывает, что газ в подобных системах будет светиться преимущественно в УФ и рентгеновском свете.
Почти каждая галактика с параметрами Млечного Пути вмещает черную дыру в центре. Наблюдения показывают, что галактические слияния происходят часто, но до сих пор никому не удавалось увидеть процесс столкновения гигантских черных дыр. Однако ученые сумели заметить слияние черных дыр звездной массы (от трех к нескольким десяткам солнечных) с помощью LIGO. В конкретном случае создавались гравитационные волны – рябь в пространстве и времени, движущаяся на скорости света.
Газ ярко сияет в компьютерном моделировании сверхмассивных черных дыр с 40 орбитами от слияния. Подобные модели помогут определить реальные примеры таких двойных систем
Слияния для сверхмассивных черных дыр будет сложнее определить. Дело в том, что Земля сама является слишком шумным местом. Она сотрясается от сейсмических колебаний и гравитационных изменений от атмосферных возмущений. Поэтому детекторы должны находиться в космосе, как планируют с LISA в 2030-х гг.
Важно заметить, что сверхмассивные двойные системы будут отличаться от своих меньших товарищей богатой газом средой. Ученые подозревают, что взрыв сверхновой, формирующий черную дыру, также выдувает большую часть окружающего газа. Черная дыра настолько быстро поглощается остатки, что при слиянии ничего не остается для «обеда» и не происходит светового сигнала.
Но не будем забывать, что слияние сверхмассивных черных дыр происходит на фоне галактического слияния, а значит присутствует сопровождение из облаков газа и пыли, звезд и планет. Скорее всего, галактическое столкновение продвигает большую часть этого материала ближе к черным дырам, которые продолжают подкармливаться. По мере приближения магнитные и гравитационные силы нагревают оставшийся газ, а астрономы могут зафиксировать сигналы.
Новая симуляция показывает три орбиты пары сверхмассивных черных дыр в 40 орбитах от слияния. Видно, что на этой стадии процесса свет излучается только в УФ-свете с использованием некоторых высокоэнергетических рентгеновских лучей.
Это 360-градусное видение отправляет нас в центр двух вращающихся сверхмассивных черных дыр на удаленности в 30 млн. км друг от друга с орбитальным периодом в 46 минут. Видно, как черные дыры искажают звездный фон и улавливают свет. Отличительная особенность – фотонное кольцо. Вся система будет обладать 1 млн. солнечных масс
Три области излучающего свет газа накаляются при слиянии черных дыр. Это формирует крупное кольцо вокруг системы, а также два меньших кольца вокруг каждой из них. Все эти объекты излучают преимущественно УФ-лучи. Когда газ течет в мини-диск на высокой скорости, УФ-свет диска контактирует с каждой короной черных дыр (область высокоэнергетических субатомных частиц выше и ниже диска). Когда скорость аккреции ниже, УФ-свет тускнеет относительно рентгеновского излучения.
Основываясь на моделировании, ученые ожидают, что рентгеновские лучи, созданные «почти слиянием», будут ярче, чем в одиночных сверхмассивных черных дырах. Для моделирования использовали суперкомпьютер Blue Waters в течение 46 дней на 9600 вычислительных ядрах. Исходное моделирование оценивает температуру газа. Команда планирует уточнить код для моделирования того, как изменяются параметры системы, вроде температуры, расстояния, общей массы и скорости аккреции. Ученым интересно понять, что происходит с газом, путешествующим между двумя черными дырами.