С момента первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году многочисленные столкновения черных дыр были зарегистрированы Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) и ее партнерскими обсерваториями Virgo и KAGRA. Недавняя модернизация сделала детекторы еще более чувствительными. Новая 20-месячная кампания наблюдений началась 24 мая. Ее цель - исследовать самые глубокие тайны Вселенной.
Гравитационные волны представляют собой пульсации в пространстве-времени, возникающие в результате особенно бурных космических событий, таких как столкновение нейтронных звезд или слияние черных дыр. Первое прямое обнаружение этих волн было сделано в 2015 году интерферометрами LIGO - совместным проектом Массачусетского технологического института, Калифорнийского технологического института и ряда других институтов. Эта обсерватория состоит из двух детекторов, один из которых расположен в штате Вашингтон, а другой - в Луизиане.
За последние два года в обсерваторию был внесен ряд усовершенствований, которые сделали детекторы еще более чувствительными. Чтобы использовать эти новые возможности, 24 мая началась новая наблюдательная кампания коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), которая продлится 20 месяцев, включая двухмесячный перерыв на техническое обслуживание, во время которого будут проведены дополнительные работы по улучшению характеристик прибора. В настоящее время активен только LIGO; Virgo, обсерватория, расположенная в Италии, и KAGRA, расположенная в Японии, присоединятся к кампании позднее в этом году, после нескольких модернизаций.
Первые сигналы гравитационных волн были обнаружены в 2015 году после столкновения двух черных дыр, масса которых примерно в 30 раз превышала массу Солнца (первое наблюдение слияния бинарных черных дыр). Пульсация в пространстве-времени, порожденная этим событием - расположенным на расстоянии более миллиарда световых лет - вызвала крошечное изменение длины (порядка тысячной доли ширины протона!) в четырехкилометровом плече интерферометра.
В 2017 году LIGO и Virgo обнаружили гравитационные волны, связанные со слиянием двух нейтронных звезд: это событие вызвало взрыв, называемый килоновой, который наблюдали десятки телескопов по всему миру. Это был первый случай одновременного наблюдения гравитационных волн и электромагнитного излучения от одного и того же источника.
На сегодняшний день коллаборация LVK обнаружила более 80 слияний черных дыр, два вероятных слияния нейтронных звезд и несколько событий, которые с большой вероятностью были слияниями черных дыр с нейтронными звездами.
Благодаря недавним модернизациям чувствительность детекторов LIGO увеличилась примерно на 30%. Это означает, что они могут наблюдать большую часть Вселенной, вплоть до 5 миллиардов световых лет, и способны обнаруживать гравитационные волны с еще большей скоростью. Майкл Лэндри, руководитель обсерватории LIGO в Хэнфордском ядерном комплексе в штате Вашингтон, считает, что в ходе кампании будет обнаружено несколько сотен событий.
Повышение чувствительности позволит ученым собрать больше данных о черных дырах и нейтронных звездах и "увеличит шансы найти что-то новое", — отмечает Джесс МакИвер, заместитель пресс-секретаря научного сотрудничества LIGO; у них также появится возможность лучше проверить общую теорию относительности, которая до сих пор никогда не подвергалась сомнению.
Ученые надеются обнаружить новые типы источников гравитационных волн, в частности, изолированную нейтронную звезду, пояснил Лэндри в интервью Live Science:
"Она будет производить непрерывный сигнал гравитационных волн, присутствующий на протяжении всего времени работы эксперимента. Если мы его обнаружим, это будет огромным событием".
Они также надеются расширить свои знания о бинарных системах черных дыр, которые остаются одним из крупнейших источников гравитационных волн, но происхождение которых остается неясным. Данные, собранные интерферометрами, могут, например, помочь определить, являются ли эти системы результатом рождения двух отдельных звезд, которые одновременно эволюционировали в сверхновые, или же это две изолированные черные дыры, которые в итоге двигались навстречу друг другу.
Альберт Лаззарини, заместитель директора лаборатории LIGO, говорит, что ряд событий-кандидатов уже был замечен еще до официального начала кампании. "Большинство из этих событий связаны с бинарными черными дырами, хотя одно из них может включать нейтронную звезду. Показатели, похоже, соответствуют ожиданиям", — сказал он. 18 мая LIGO обнаружил столкновение нейтронной звезды с черной дырой.
"Если предположить, что кандидат имеет астрофизическое происхождение, то вероятность того, что более легкий компактный объект совместим с массой нейтронной звезды, составляет > 99%", — говорят исследователи.
В период до конца десятилетия обсерватория будет модернизирована, что позволит ей ежедневно фиксировать несколько событий космического синтеза. И это еще не все: через несколько лет к сотрудничеству LVK присоединятся другие обсерватории, в том числе LIGO-India, Cosmic Explorer и телескоп Эйнштейна. В конечном итоге, эта обширная сеть детекторов позволит исследовать ткань пространства-времени с очень высоким разрешением и обнаруживать миллионы источников в год.
"Если детекторы будут в 10 раз чувствительнее, мы сможем вернуться к самым первым звездам и увидеть все слияния черных дыр звездной массы за всю историю Вселенной", — подтверждает Шейла Дуайер, ученый из Хэнфордской обсерватории.