Прошлое, настоящее и будущее гравитационно-волновой астрономии

Когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности в 1915 году, он дал научному сообществу множество теоретических предсказаний о природе пространства, времени, вещества и гравитации. Однако, в отличие от большей части его предыдущих работ, общую относительность нелегко проверить с помощью экспериментов и непосредственного наблюдения.

Все изменилось столетие спустя, 14 сентября 2015 года, когда детекторы с гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) с двумя лазерными интерферометрами зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух черных дыр. Впервые научное сообщество оказало определенную поддержку одному из величайших предсказаний, вытекающих из общей теории относительности Эйнштейна, — что ускорение массивных объектов может создавать пульсации в ткани пространства-времени.

Всего за три коротких года, прошедших с этого первоначального наблюдения, LIGO сделал или внес свой вклад в оползень новых открытий, помогая вступить в век астрономии гравитационных волн. Астрономия Университета Мэриленда Профессор Колман Миллер, эксперт в области теории и моделирования гравитации, выступил соавтором обзора прошлого, настоящего и будущего гравитационно-волновой астрономии для журнала Nature, опубликованного 25 апреля 2019 года часть серии, посвященной 150-летию журнала, который был впервые опубликован 4 ноября 1869 года.

"Прямое наблюдение гравитационных волн было важным тестом общей теории относительности, который дал нам доступ к информации, которой у нас просто не было прежде", — сказал Миллер, который также является со-директором Объединенного института космических наук (JSI), партнерство между UMD и Центром космических полетов имени Годдарда Н. «Существует очень ограниченный набор способов получения информации о далекой вселенной за пределами нашей солнечной системы. Мы пропустили много нетривиальных событий, прежде чем мы смогли обнаружить гравитационные волны. Чтобы предложить некоторую перспективу: заключительное падение слияния чёрных дыр испускает в десятки раз больше энергии в гравитационных волнах, чем все звезды в видимой вселенной излучают за тот же период времени ».

Миллер является соавтором более 20 публикаций, связанных с гравитационным излучением. Хотя он четыре года (2010–2014 годы) был председателем Программно-консультативного комитета LIGO, Миллер не принимал непосредственного участия в научной деятельности LIGO. Это дает ему уникально осведомленную, но с научной точки зрения объективную точку зрения на эту тему.

В обзорной статье, написанной в соавторстве с Николасом Юнесом из Университета штата Монтана, прослеживается ранняя история попыток исследования общей теории относительности, включая несколько косвенных наблюдений и теоретическую работу. Затем Миллер и Юнс описывают вклад профессора физики UMD Джозефа Вебера (1919-2000), который первым предположил, что физически возможно обнаружить и измерить гравитационные волны.

Начиная с 1960-х годов Вебер проектировал, строил и эксплуатировал пару сплошных алюминиевых прутьев - один около кампуса UMD, а другой - недалеко от Чикаго, — который, как он предположил, будет резонировать как колокол при ударе проходящих гравитационных волн. Так начались многолетние научные исследования, в которых приняли участие сотни ученых со всего мира, в том числе многие преподаватели УМД, сотрудники и выпускники. Сообщество физиков в конечном итоге остановилось на совершенно ином дизайне интерферометра, который станет основой для установок детекторов-близнецов LIGO в Ливингстоне, Луизиана, и Хэнфорде, Вашингтон.

С помощью профессора физики UMD и научного сотрудника JSI Питера Шаухана и профессора физики UMD College Park Алессандры Буонанно - обоих главных исследователей в Научном сотрудничестве LIGO - в результате создания и тонкой настройки детекторов в 2015 году было проведено первое историческое наблюдение LIGO. Два года спустя, в 2017 году, руководитель проекта LIGO Райнер Вайс из Массачусетского технологического института и Кип Торн и Барри Бариш из Калифорнийского технологического института были удостоены Нобелевской премии по физике за новаторские наблюдения.

LIGO следовал за первоначальным обнаружением в 2015 году с несколькими наблюдениями за слияниями черных дыр. Но еще один важный поворотный момент наступил 17 августа 2017 года, когда ученые всего мира впервые сделали прямое наблюдение за слиянием двух нейтронных звезд - плотных коллапсирующих ядер, которые остаются после того, как крупные звезды умирают в сверхновой. Слияние было первым космологическим событием, которое наблюдалось как в гравитационных волнах, так и с помощью большого массива наземных и космических телескопов - всего спектра света, от гамма-лучей до радиоволн.

«Это событие дало нам мгновенное подтверждение того, что гравитационные волны движутся со скоростью, неотличимой от скорости света», — пояснил Миллер. «В течение многих лет существовали альтернативные теории гравитации, которые объясняли бы, что, как считается, делает темная материя. Но многие из них полагались на гравитационные волны, реагирующие на гравитацию массивных объектов не так как свет. Не было обнаружено, что это произошло после слияния нейтронных звезд, поэтому наблюдение за этим событием немедленно устранило широкий спектр этих теорий».

Слияние нейтронных звезд также дало первое прямое наблюдение за киловой звездой - массивный взрыв, который, как теперь полагают, создал большинство тяжелых элементов во вселенной. Во главе с Элеонорой Троя из UMD, научным сотрудником Департамента астрономии, ранний анализ килонова показал, что взрыв произвел ошеломляющее количество платины и золота, общая масса которых в несколько сотен раз больше массы Земли.

"Один только этот вывод сильно подтолкнул к выводу, что все элементы, более тяжелые, чем железо, производятся в результате слияния нейтронных звезд", — объяснил Миллер. "Это очень интересно".

1 апреля 2019 года LIGO начал третий цикл наблюдений после серии обновлений своих лазеров, зеркал и других компонентов. В то время как Миллер колеблется, чтобы ставить свои собственные ожидания слишком высоко, он надеется, что последний раунд принесет некоторые новые сюрпризы.

"Вселенная даст нам то, что она даст нам. Тем не менее было бы замечательно увидеть слияние между черной дырой и нейтронной звездой", — сказал Миллер. "И несколько дополнительных слияний двойных нейтронных звезд, конечно, не повредят".

Посмотрев дальше, Миллер и Юнс также оценили перспективы наблюдения фона гравитационных волн. Считается, что этот вездесущий гул гравитационных волн содержит отпечатки орбитальных черных дыр, нейтронных звезд и других массивных объектов. Эти пары объектов могут находиться на расстоянии десятков, сотен или даже тысяч лет от слияния и, следовательно, не способны генерировать всплеск гравитационных волн, обнаруживаемых с помощью современной технологии. Миллер сравнивает усилия по настройке ушей на шум разговора в переполненной комнате.

"Представьте, что вы пришли на вечеринку. Сначала вы можете видеть, что все разговаривают, но звук слышится тихо, если есть вообще", — сказал Миллер. "Тогда ваш слух улучшится. Вы еще не можете услышать каждого человека, но вы можете услышать общий шум. Затем, когда ваш слух улучшится, вы сможете услышать некоторые разговоры поблизости и различить людей, которые находятся рядом и далеко".

В течение следующих нескольких лет коллаборация International Pulsar Timing Array (IPTA) может стать первой, обнаружившей тонкий дрон из тысяч пар сверхмассивных черных дыр. С помощью крупнейших в мире радиотелескопов IPTA будет тщательно отслеживать отклонения при точном, похожем на часы мигании примерно 100 маленьких вращающихся нейтронных звезд, называемых пульсарами миллисекундной длительности. Эти отклонения помогут IPTA обнаружить гравитационные колебания от орбитальных пар сверхмассивных черных дыр, каждая из которых в миллиарды раз превышает массу Солнца.

Следующим крупным шагом в астрономии гравитационных волн станет запуск космической антенны лазерного интерферометра (LISA), которую возглавляет Европейское космическое агентство в партнерстве с НАСА. Это трио спутников, которое в настоящее время планируется развернуть к 2034 году, будет чувствительно к более низкому диапазону частот гравитационных волн, чем LIGO. Таким образом, LISA должна иметь возможность наблюдать события, которые LIGO не может обнаружить, такие, как слияния, в которые вовлечена одна или несколько сверхмассивных черных дыр.

"Многое может случиться за 15 лет. Тем временем я планирую съесть свои овощи, чтобы быть в состоянии оценить результаты LISA, когда спутники будут запущены", — сказал Миллер. «Волнение в астрофизическом сообществе только усиливается. Ожидание нового открытия было одним из непрекращающихся волн гравитационно-волновой астрономии».