LIGO, Virgo и KAGRA отмечают годовщину первого обнаружения гравитационных волн и подтверждают теорему Стивена Хокинга о площади чёрной дыры.
Статья адаптирована из пресс-релиза, выпущенного Лабораторией лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). LIGO финансируется Национальным научным фондом США и управляется Калифорнийским технологическим институтом и Массачусетским технологическим институтом, которые задумали и построили проект.
14 сентября 2015 года на Землю поступил сигнал, несущий информацию о паре удалённых чёрных дыр, которые закружились вместе и слились. Сигнал проделал путь около 1,3 миллиарда лет, чтобы достичь нас со скоростью света, но он был не из света. Это был другой вид сигнала: дрожь пространства-времени, называемая гравитационными волнами, впервые предсказанными Альбертом Эйнштейном 100 лет назад.
В тот день, 10 лет назад, сдвоенные детекторы Национальной обсерватории лазерных интерферометров гравитационных волн (NSF LIGO) Национального научного фонда США впервые напрямую зарегистрировали гравитационные волны — шёпот космоса, который до этого момента оставался неслышимым.
Это историческое открытие означало, что исследователи теперь могут ощущать Вселенную тремя различными способами. Световые волны, такие как рентгеновские, оптические, радиоволны и другие длины волн света, а также частицы высоких энергий, называемые космическими лучами, и нейтрино, были зафиксированы ранее, но это был первый раз, когда кто-либо стал свидетелем космического события через гравитационное искривление пространства-времени.
За это достижение, впервые задуманное более 40 лет назад, трое из основателей команды получили Нобелевскую премию по физике 2017 года: Райнер Вайс из Массачусетского технологического института (MIT), почётный профессор физики (который недавно скончался в возрасте 92 лет); Барри Бэриш из Калифорнийского технологического института (Caltech), профессор физики Рональда и Максин Линде, почётный; и Кип Торн из Калифорнийского технологического института (Caltech), профессор теоретической физики Ричарда Фейнмана, почётный.
Сегодня LIGO, которая состоит из детекторов в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана, регулярно фиксирует примерно одно слияние чёрных дыр каждые три дня. LIGO сейчас работает в координации с двумя международными партнёрами: детектором гравитационных волн Virgo в Италии и KAGRA в Японии.
Вместе сеть по поиску гравитационных волн, известная как LVK (LIGO, Virgo, KAGRA), зафиксировала в общей сложности около 300 слияний чёрных дыр, некоторые из которых подтверждены, а другие ожидают дальнейшего анализа.
В настоящее время сеть LVK обнаружила более 200 кандидатов в слияния чёрных дыр, что более чем в два раза превышает количество, зафиксированное в первых трёх запусках.
Улучшения чувствительности LIGO
Улучшенная чувствительность LIGO продемонстрирована на недавнем открытии слияния чёрных дыр, обозначенном как GW250114 (числа обозначают дату, когда гравитационно-волновой сигнал достиг Земли: 14 января 2025 года).
Событие не сильно отличалось от первого в истории обнаружения LIGO (под названием GW150914) — оба связаны со столкновением чёрных дыр на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет с массами от 30 до 40 масс нашего Солнца. Но благодаря 10 годам технологических достижений, уменьшающих инструментальный шум, сигнал GW250114 стал значительно более чётким.
«Мы слышим это громко и ясно, и это позволяет нам проверить фундаментальные законы физики», — говорит член команды LIGO Катерина Хатзиянну, доцент физики Калифорнийского технологического института и научный сотрудник Уильяма Х. Хёрта, и одна из авторов нового исследования о GW250114, опубликованного в журнале Physical Review Letters.
Проверка теоремы о площади чёрной дыры
Анализ частот гравитационных волн, излучаемых при слиянии, позволил команде LVK предоставить лучшее наблюдательное доказательство, зафиксированное на сегодняшний день, для так называемой теоремы о площади чёрной дыры, идеи, выдвинутой Стивеном Хокингом в 1971 году, которая гласит, что общая площадь поверхности чёрных дыр не может уменьшаться.
Позже Хокинг и физик Якоб Бекенштейн пришли к выводу, что площадь чёрной дыры пропорциональна её энтропии или степени беспорядка. Результаты проложили путь для последующих революционных работ в области квантовой гравитации, которая пытается объединить два столпа современной физики: общую теорию относительности и квантовую физику.
В сущности, обнаружение LIGO позволило команде «услышать», как две чёрные дыры растут, сливаясь в одну, подтвердив теорему Хокинга.
Глобальная сеть LVK
LIGO и Virgo также открыли за последнее десятилетие нейтронные звёзды. Подобно чёрным дырам, нейтронные звёзды образуются в результате взрывной смерти массивных звёзд, но они весят меньше и светятся.
В августе 2017 года LIGO и Virgo стали свидетелями эпического столкновения между парой нейтронных звёзд — килоновой, — которое отправило золото и другие тяжёлые элементы в космос и привлекло внимание десятков телескопов по всему миру, которые зафиксировали свет в диапазоне от высокоэнергетических гамма-лучей до низкоэнергетических радиоволн.
Событие «мультипосланника» ознаменовало собой первый случай, когда и свет, и гравитационные волны были зафиксированы в одном космическом событии. Сегодня LVK продолжает оповещать астрономическое сообщество о потенциальных столкновениях нейтронных звёзд, которые затем используют телескопы для поиска признаков килонов в небе.
Другие научные открытия LVK включают первое обнаружение столкновений между одной нейтронной звездой и одной чёрной дырой; асимметричные слияния, при которых одна чёрная дыра значительно массивнее своей партнёрши; обнаружение самых лёгких из известных чёрных дыр, что ставит под сомнение идею о том, что существует «разрыв масс» между нейтронными звёздами и чёрными дырами; и самое массивное слияние чёрных дыр, которое наблюдалось до сих пор, с объединённой массой в 225 масс Солнца.
В ближайшие годы учёные и инженеры LVK надеются ещё больше усовершенствовать свои машины, расширяя их возможности глубже и глубже в космос. Они также планируют использовать полученные знания для строительства другого гравитационно-волнового детектора — LIGO India. Наличие третьего детектора LIGO значительно улучшило бы точность, с которой сеть LVK может определять местоположение источников гравитационных волн.
В будущем команда работает над концепцией ещё более крупного детектора под названием Cosmic Explorer, который будет иметь 40-километровые плечи. Европейская проект под названием Einstein Telescope также планирует построить один или два огромных подземных интерферометра с плечами более 10 километров.