В третий раз зарегистрированы гравитационные волны: что мы можем узнать о Вселенной?
Сегодня международная коллаборация LIGO-Virgo объявила о регистрации гравитационных волн в третий раз в истории. Источником, как и в предыдущиедва раза, являлась пара черных дыр. О результатах исследования опубликована статья в Physical Review Letters.
О сигнале GW170104
Со времени первого детектирования и первого научного цикла чувствительность детекторов возросла, а технические шумы уменьшились, что позволило получать данные более высокого качества.
Во время второго рабочего цикла обсерваторий Advanced LIGO был зарегистрирован сигнал, который с большой достоверностью вызван гравитационными волнами — ошибочно такой сигнал может появиться раз в 70.000 лет постоянных наблюдений (соотношение сигнал-шум 13 и достоверность больше 5σ).
Сигналы на двух детекторах, время по оси х, частота по оси y
Черные дыры массой в ~20 и 30 солнечных слились в одну большую, испуская при этом гравитационные волны общей энергией около двух солнечных масс. Сам процесс слияния занял меньше секунды, а в момент слияния ЧД разогнались до 60% от скорости света!
Сигнал шел до нас около несколько миллиардов лет (источник на расстоянии около 1000МПк), и был зарегистрирован двумя детекторами LIGO в США 4 января 2017 года
Какие знания мы получаем о Вселенной?
В предыдущей статье я рассказывал, откуда мы знаем, что сигнал действительно гравитационно-волновой, и о планах развития гравитационно-волновой астрономии. В этот раз поговорим о том, зачем нам вообще эти детекторы, и что мы можем узнать нового о Вселенной.
Скорость гравитации
Самый частый вопрос про гравитационные волны — о скорости их распространения. В Общей Теории Относительности (ОТО) эта скорость равна скорости света. Эксперимент LIGO подтверждает это с большой точностью: гравитационная волна приходит на два детектора LIGO, расположенных в разных частях США на расстоянии нескольких тысяч километров, с некоторой задержкой, и зная расстояние между детекторами и эту задержку можно дать оценку на скорость распространения. И с точностью до двадцатого знака после запятой эта скорость равна скорости света.
Тесты ОТО
В более общем смысле, мы можем проверять, насколько наши модели черных дыр подходят под экспериментальные данные. Пока все совпадает: 
Хотя для описания пары черных дыр достаточно всего нескольких параметров, аналитическое решение уравнений Эйнштейна для их слияния практически невозможно. Поэтому ученые используют численные расчеты для получения реальных моделей. А где численные расчеты, там и всевозможные приближения, поэтому совпадение полученной модели с экспериментом так важно — это позволяет нам сказать, насколько верны наши представления об ОТО.
Конечно, возможна и проверка на всевозможные модификации ОТО. Некоторые из них могут быть уже исключены — они, например, требуют дисперсии ГВ или превышение скорости света. Другие — ждут увеличение чувствительности детекторов для проверки.
А третьи, как, например, память пространства о волнах, можно проверять уже сейчас.
В общем, увлекательное время предстоит астрофизикам!
Возникновение звезд
Из параметров черных дыр можно получить много информации о космосе и формировании Вселенной. Во-первых, наблюдение грав-волн — это первое свидетельство существования парных черных дыр. Во-вторых, массы этих черных дыр неожиданно велики — никто не ожидал, что парные черные дыры такой массы встречаются столь часто.
Интересные выводы можно сделать о возрасте систем ЧД. Чем раньше с начала Вселенной образовалась звезда, тем меньше вещества предыдущих звезд в ней — меньше содержание металлов. С другой стороны, масса ЧД зависит от количества металлов в ней, поэтому по измеренным массам ЧД можно сказать, насколько молоды были звезды, из которых они образовались. Из этого следует любопытное заключение, что парные ЧД могут образовываться как в звездных кластерах (если окружение достаточно молодое), так и изолированно, что раньше известно не было. Наблюдая за параметрами ЧД, можно сказать как эти дыры были образованы — изолированно или нет.
Дальнейшее наблюдение за параметрами ЧД, такими как орбитальный момент, может дать еще больше понимания в космологических процессах.
За прошедший год LIGO зарегистировала три значимых события, а с увеличением чувствительности детектора в следующем научном цикле количество таких событий будет расти, давая нам все больше знаний о Вселенной.
Дополнительные материалы и ссылки
1. Что такое гравитационные волны?
2. На официальном сайте LIGO много интересных материалов: и видео, и статейки всякие.
3. Присоединяйтесь к народному поиску гравитационных волн через распределенные вычисления на Einstein@Home.
4. А еще у коллаборации есть всякие медиа, где постоянно публикуются интересные материалы: Twitter, Facebook и Youtube.
