Новый каталог содержит более чем удвоенное количество обнаружений гравитационных волн, сделанных обсерваториями LIGO, Virgo и KAGRA. В него вошли данные, полученные в ходе последнего этапа наблюдений.
Разнообразие обнаруженных событий
В последнем наборе данных о колебаниях пространства-времени представлены различные типы тяжёлых, быстро вращающихся и асимметричных сталкивающихся чёрных дыр. Когда самые плотные объекты во Вселенной сталкиваются и сливаются, это вызывает возмущения в виде гравитационных волн, которые распространяются в пространстве и времени на сотни миллионов и даже миллиарды лет. К тому времени, когда они достигают Земли, такие космические колебания едва различимы.
Однако учёные способны их обнаружить благодаря глобальной сети обсерваторий гравитационных волн: американской обсерватории лазерного интерферометра гравитационных волн Национального научного фонда (NSF LIGO), итальянскому интерферометру Virgo и детектору гравитационных волн в Камиоке (KAGRA) в Японии. Вместе обсерватории «слушают» слабые колебания в гравитационном поле, которые могли возникнуть в результате далёких астрофизических столкновений.
Сотрудничество LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)
Сотрудничество LVK публикует свой последний сборник обнаружений гравитационных волн, представленный в специальном выпуске журнала Astrophysical Journal Letters. Из полученных данных следует, что Вселенная наполнена эхом космических столкновений.
Каталог гравитационных волн LVK 4.0 (GWTC-4) включает в себя обнаружения гравитационных волн, полученных в ходе четвёртого и последнего этапа наблюдений обсерваторий, который проходил с мая 2023 года по январь 2024 года. За этот девятимесячный период обсерватории зарегистрировали 128 новых «кандидатов» гравитационных волн, что означает, что сигналы, вероятно, исходят из экстремальных, далёких астрофизических источников. (Пока что в четвёртом цикле наблюдений LVK зафиксировало около 300 слияний, но не все из них ещё внесены в каталог LVK.)
Чёрные дыры и гравитационные волны
Чёрные дыры создаются, когда всё вещество умирающей звезды коллапсирует в одну точку. Чёрные дыры — одни из самых плотных объектов во Вселенной. Они часто образуются парами, связанными гравитационным притяжением. По мере того как они приближаются друг к другу, они излучают огромное количество энергии в виде гравитационных волн, прежде чем слиться в более массивную чёрную дыру.
Бинарная чёрная дыра была источником первого обнаружения гравитационных волн, сделанного обсерваториями LIGO в 2015 году, а сталкивающиеся чёрные дыры являются источником многих гравитационных волн, обнаруженных с тех пор. Такие «повседневные» двойные системы обычно состоят из двух чёрных дыр аналогичного размера (обычно в несколько десятков раз более массивных, чем Солнце), которые сливаются в одну более крупную чёрную дыру.
Гравитационные волны также могут быть созданы в результате столкновения чёрной дыры с нейтронной звездой, которая является чрезвычайно плотным остаточным ядром массивной звезды. В то время как столкновение двух чёрных дыр создаёт только гравитационные волны, столкновение с нейтронной звездой также может генерировать свет, который предоставляет учёным дополнительную информацию о событии.
В первых трёх циклах наблюдений обсерватории LVK зафиксировали сигналы от нескольких столкновений с участием чёрной дыры и нейтронной звезды, а также два столкновения между двумя нейтронными звёздами.
Необычные сигналы
Обсерватории LIGO, Virgo и KAGRA обнаруживают гравитационные волны с помощью L-образных инструментов километрового масштаба, называемых интерферометрами. Учёные направляют лазерный луч по длине каждого туннеля и точно измеряют время, необходимое каждому лучу для возвращения к источнику. Любое незначительное различие во времени может означать, что гравитационная волна прошла и слегка пошатнула свет лазера.
Для первого этапа четвёртого цикла наблюдений LVK гравитационные волны были обнаружены с использованием только идентичных интерферометров LIGO — один расположен в Хэнфорде, штат Вашингтон, а другой — в Ливингстоне, штат Луизиана. Недавние усовершенствования детекторов LIGO позволили им искать сигналы от двойных нейтронных звёзд на расстоянии до 360 мегапарсеков, или около 1 миллиарда световых лет, и от сигналов от двойных систем, включая чёрные дыры, в десятки раз дальше.
Космические связи
Из новейших обнаружений гравитационных волн учёные начали делать выводы о свойствах чёрных дыр как популяции. Например, этот набор данных увеличил уверенность в том, что чёрные дыры, столкнувшиеся в более ранней истории Вселенной, могли иметь более высокие спины, чем те, которые столкнулись позже.
Эта идея поднимает интересные вопросы о том, какие условия могли раскрутить чёрные дыры в ранней Вселенной.
Новые обнаружения также позволили учёным проверить общую теорию относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает гравитацию как геометрическое свойство пространства и времени.
Измерение постоянной Хаббла
Обновлённый каталог также помогает учёным решить ключевую загадку космологии: как быстро расширяется Вселенная сегодня? Учёные пытались ответить на этот вопрос, измерив скорость, известную как постоянная Хаббла. Различные методы, использующие разные астрофизические источники, дали противоречивые ответы.
Гравитационные волны предлагают альтернативный способ измерения постоянной Хаббла, поскольку учёные могут относительно просто рассчитать, как далеко эти волны прошли от своего источника.
Слияние чёрных дыр имеет действительно уникальное свойство: мы можем определить, как далеко они находятся от Земли, просто анализируя их сигналы. Таким образом, каждое слияние чёрных дыр даёт нам измерение постоянной Хаббла, и, объединив все источники гравитационных волн вместе, мы можем значительно повысить точность этого измерения.