Открыт самый точный источник гравитационных волн за всю историю наблюдений
Астрофизики из Университета Глазго объявили о публикации нового масштабного каталога гравитационно-волновых событий, который уже называют важной вехой, знаменующей взросление гравитационной астрономии. Исследователи из Института гравитационных исследований представили каталог Gravitational Wave Transient Catalogue-5.0 (GWTC-5), который доступен онлайн, а соответствующие научные статьи были направлены в журналы Astrophysical Journal и Astrophysical Journal Letters.
Это обновление содержит данные в общей сложности о 161 новом сигнале от сталкивающихся черных дыр, зарегистрированных в период с апреля 2024 года по конец января 2025 года детекторами LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии, которые работают в рамках коллаборации LVK. Благодаря этой публикации общее количество зарегистрированных на сегодняшний день гравитационно-волновых сигналов достигло 390.
Среди наиболее значимых открытий, подробно описанных в этом собрании, — доказательства существования черных дыр второго поколения, самая точная локализация на небе из когда-либо достигнутых для источника гравитационных волн, а также первое измерение трех колебательных мод черной дыры. Астрофизики из Университета Глазго играют ключевую роль в исследованиях гравитационных волн с 1970-х годов. Они руководили разработкой деликатных подвесок зеркал, находящихся в сердце детекторов американской лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории NSF LIGO, которые и делают возможным обнаружение сигналов.
С момента исторического первого прямого обнаружения в сентябре 2015 года ученые тесно сотрудничают с коллегами по международной коллаборации LVK, чтобы улучшить работу детекторов и анализ данных, причем детектирования становятся все более частыми по мере повышения чувствительности оборудования.
Во время сеансов наблюдений детекторы коллаборации регистрируют от трех до четырех сигналов в неделю, и ожидается, что в будущем эти сеансы будут приносить еще больше открытий. Коллаборация чередует периоды сбора данных, называемые сеансами наблюдений, с фазами, посвященными модернизации и настройке детекторов. Именно поэтому каталог гравитационно-волновых событий, включающий проверенные данные и физические параметры источников, обновляется и публикуется для широкого научного сообщества примерно каждые шесть месяцев.
Доктор Дэниел Уильямс, научный сотрудник Института гравитационных исследований и сопредседатель рабочей группы по компактным двойным системам научной коллаборации LSC, отметил, что это рекордное обновление в очередной раз расширило и углубило знания о Вселенной, позволив заглянуть в ее самые неуловимые объекты — сталкивающиеся черные дыры.
Всего десять лет назад было сделано первое обнаружение гравитационных волн от одного из таких событий, и тот факт, что сегодня ученые регистрируют и анализируют сотни их, является настоящим свидетельством работы сотен исследователей по всему миру. Ученые из Университета Глазго находятся на переднем крае разработки новых технологий, повышающих чувствительность детекторов, что позволяет видеть больше сигналов, более четко и от столкновений, происходящих гораздо дальше, чем десятилетие назад.
Ученые института также возглавляют разработку критически важных методов анализа, которые позволяют извлекать огромный объем информации из каждого сигнала, расшифровывая свойства черных дыр, сталкивающихся за миллиарды световых лет от Земли, и все это на основе измерений, которые смещают детекторы на долю размера атомного ядра.
Помимо новых перспектив, открывшихся благодаря необычайному количеству наблюдений, новый каталог включает несколько детектирований, которые сами по себе являются исключительными и устанавливают новые рекорды в гравитационно-волновой астрономии. Среди них — лучшая локализация источника на небе, самый четкий из когда-либо зарегистрированных гравитационно-волновых сигнал и доказательства существования черных дыр второго поколения.
Сигнал, обнаруженный двумя детекторами LIGO в США и Virgo в Италии 15 июня 2024 года, получивший обозначение GW240615, установил рекорд по точности определения положения на небе среди всех наблюдавшихся на сегодняшний день гравитационно-волновых событий. Источник был идентифицирован в области всего в 6 квадратных градусов, что является относительно небольшой частью небесной сферы. Само событие представляло собой слияние двух черных дыр с массами около 26 и 30 масс Солнца, которые яростно столкнулись более чем в 3 миллиардах световых лет от Земли.
Алекс Пападопулос, аспирант Института гравитационных исследований, пояснил, что обновленный каталог GWTC-5 предоставляет гораздо более обширную коллекцию гравитационно-волновых сигналов, чтобы помочь ответить на один из главных вопросов космологии: как быстро расширяется Вселенная. Скорость этого расширения описывается величиной, называемой постоянной Хаббла.
Гравитационные волны позволяют измерить ее, оценивая, как далеко находятся сливающиеся объекты, либо непосредственно по самому сигналу, либо путем идентификации галактики, где произошло слияние. Одним из основных улучшений GWTC-5 по сравнению с предыдущими каталогами является включение наблюдений детектора Virgo, который вернулся к работе после пропуска предыдущего сеанса. С помощью этого дополнительного детектора можно гораздо точнее определять местоположение гравитационно-волновых сигналов на небе, что упрощает идентификацию родительской галактики каждого слияния.
Расширенная библиотека детектирований также позволила использовать в анализе 236 сигналов, что почти вдвое больше предыдущего числа. Каждое событие вносит небольшой объем информации, и вместе эти дополнительные сигналы значительно улучшают результаты. В совокупности эти улучшения помогают измерить постоянную Хаббла более точно, чем когда-либо прежде, используя гравитационные волны, приближая ученых к пониманию одного из важнейших открытых вопросов современной физики.
В Глазго разработали и протестировали программное обеспечение, которое позволяет проводить этот анализ более чем в тысячу раз быстрее, даже при растущем количестве гравитационно-волновых сигналов в каталоге.
Обнаружение гравитационных волн означает не просто захват сигнала, а его извлечение из шумов, которые возмущают детекторы. Это требует чрезвычайно сложного анализа данных, поэтому «сила» или «четкость» сигнала выражается через отношение сигнал/шум. Опубликованный сегодня каталог включает самый «четкий» гравитационно-волновой сигнал из когда-либо обнаруженных, с отношением сигнал/шум 76,9. Этот сигнал, названный GW250114, достиг Земли 14 января 2025 года и был порожден слиянием двух черных дыр с почти одинаковыми массами (32 и 34 массы Солнца), произошедшим на расстоянии более миллиарда световых лет от Земли.
Его «четкость» позволила добиться выдающихся научных результатов, включая самое точное на сегодняшний день испытание общей теории относительности и подтверждение теоремы Стивена Хокинга о площади горизонта событий черной дыры. Доктор Джон Вейтч, академик Университета Глазго, анализирующий сигналы черных дыр, пояснил, что благодаря "громкости" GW250114 удалось сравнить искривленное пространство-время до и после слияния черных дыр и обнаружить, что общая площадь горизонтов событий увеличилась в соответствии с законами механики черных дыр Хокинга.
После слияния итоговая черная дыра звонит, как колокол, излучая гравитационные волны вместо звука. Анализ этих волн подтвердил, что, хотя при слиянии энергия уносится гравитационными волнами, полная энтропия черных дыр возрастает в соответствии со вторым законом термодинамики. Это показывает, что даже для черных дыр законы термодинамики все еще применимы, но, в отличие от обычных объектов, чем больше энергии они содержат, тем холоднее становятся.
В октябре и ноябре 2024 года, с интервалом всего в один месяц, были обнаружены два других очень особенных слияния черных дыр: GW241011 и GW241110, произошедшие примерно в 700 миллионах и 2,4 миллиарда световых лет от Земли соответственно. Определенные характеристики этих слияний, в частности спин черных дыр (то есть ориентация и скорость их вращения), указывают на то, что эти объекты могут быть «черными дырами второго поколения», то есть дырами, которые сами являются результатом предыдущих слияний.
Такие объекты, вероятно, сформировались в очень плотных и переполненных космических средах, таких как звездные скопления, где черные дыры чаще сталкиваются и сливаются повторно. 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 аспекту.
Сторм Колломс, аспирантка Института гравитационных исследований, рассказала, что она была частью команды, изучающей процессы, создающие сливающиеся черные дыры и нейтронные звезды, на основе новейших наблюдений. Было изучено 267 источников, включая 104 новых наблюдения. Этот набор из сотен наблюдений позволяет уверенно измерять массы, спины и расстояния двойных черных дыр, а также исследовать корреляции между этими свойствами. В частности, было обнаружено, что черные дыры с разными диапазонами масс имеют разные спины, что указывает на существование различных путей формирования, которые создают уникальные группы систем.
Эта тенденция намечалась в ранее опубликованных наблюдениях, а GW241011 и GW241110 — пары черных дыр с четко измеренными высокими спинами и неравными массами — 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, сформированных в результате предыдущих слияний, сохраняются в популяции в целом, что указывает на то, что GW241011 и GW241110 не уникальны, а отражают общую тенденцию.
Теперь есть растущие доказательства того, что во Вселенной существуют способы создания сливающихся черных дыр в дополнение к тем, которые происходят из массивных двойных звезд. Новейшие измерения популяции гравитационно-волновых источников продолжают приближать к созданию четкой картины происхождения двойных черных дыр и нейтронных звезд. С предстоящими сеансами наблюдений и более чувствительными детекторами будут получены более точные измерения отдельных источников и увеличение их числа в каталогах, что позволит изучать все более детальную астрофизику формирования компактных объектов.
Доктор Уильямс добавил, что сегодня регистрируется так много сигналов, что ученые узнают не только об отдельных столкновениях — это астрономический эквивалент открытия древней цивилизации. Новые результаты подобны нахождению ранее не обнаруженного клада, который раскрывает не только отдельные жизни, но и структуру целого потерянного мира.
Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal и Astrophysical Journal Letters.