К открытию гравитационных волн на гравитационном телескопе LIGO

Прямая регистрация гравитационных волн - одно из тех событий, которое давно ожидается физиками, но все равно представляет собой значимое явление, возбуждающее научный мир и общественность так, как будто случилось что-то неожиданное. Произошедшее 14-го сентября 2015 года событие не сохранялось в глубокой тайне, но все ожидали пресс-конференцию, которая прошла 11 февраля 2016 г. (ссылку, например, можно взять здесь ) и, главное, статьи. Ранее просачивалось достаточно много слухов, и в кулуарах постоянно обсуждалось, что на гравитационном телескопе LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) что-то (а именно, сигнал, соответсвующий гравитационным волнам) было обнаружено. Детали наблюдений и анализа данных коллаборации LIGO (свыше 1000 человек) стали доступны в Архиве 12/02/2016. Вот эти статьи, включая технические:
В этот же день в Архиве появились статьи, авторы которых, по-видимому, ожидали этого дня, зная о результатах LIGO: Из невыложенного на тот момент в Архив можно отметить также препринт коллаборации FERMI: V. Connaughton, E. Burns, A. Goldstein, Fermi GBM Observations of LIGO Gravitational Wave event GW150914. [ работа появилась в Архиве 15/02/2016: arXiv:1602.03920. ]
Следует отметить и некоторые важные научно-популярные комментарии физиков и астрофизиков, появившиеся в Рунете в первые три дня, а некоторые даже и раньше (здесь лишь малая часть): Необходимо сразу отметить, что попытки регистрации и экспериментального исследования гравитационных волн, предсказанных Общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, начались в 1960-е годы профессором физики Мэрилендского университета (США) Джозефом Вебером. И несмотря на пессимистичные результаты экспериментов, исследования все равно продолжались во многих странах, в том числе и в СССР. Следует упомянуть, что принцип использования лазерного интерферометра (применяемого и в LIGO) для обнаружения гравитационных волн был предложен в работе советских физиков еще в 1962 году (М.Е. Герценштейн, В.И. Пустовойт, ЖЭТФ, 43, 605, 1962) и позднее также Дж.Вебером. Активно исследованиями в этой области занимались и занимаются участники группы В.Б.Брагинского на физфаке МГУ (см. интервью с Сергеем Вятчаниным и книгу Кипа Торна "Черные дыры и складки времени"), входящие также в коллаборацию LIGO [среди полезных русскоязычных ссылок отметим также ( В.М. Липунов Гравитационно-волновое небо. Соровский образовательный журнал, Т.6, No 4, с. 77 (2000); В. Н. Руденко. "Поиск гравитационных волн". Гл. из книги, Изд-во <<Век 2>>, 2007)].

Работы по созданию LIGO начались в 1990-х (по инициативе Райнера Вайсса, Рональда Дривера и Кипа Торна). В 2002-2010 на LIGO проводились наблюдения (без результатов), а в сентябре 2015 уже на модернизированном (усовершенствованном) телескопе (Advanced LIGO) в калибровочных измерениях был обнаружен сигнал на уровне выше 5.1сигма, соответствующий ожидаемому при слиянии массивных компактных объектов.

Здесь необходимо привести некоторые картинки, доступные на сайте LIGO.

Рис.1. Схема лазеного интерферометра LIGO.


Рис.2. Фотография гравитационно-волнового детектора в Ханфорде:


Рис.3. Зарегистрированный двумя детекторами LIGO сигнал от события GW150914, интерпретируемый как результат прохождения через интерферометр гравитационной волны, возникшей в результате слияния черных дыр. Справа: данные установки в Ханфорде (шт. Вашингтон), слева: в Ливингстоне (шт. Луизиана). Вверху: сигнал от детекторов, внизу: результат численного моделирования. Рисунок из работы (Physical Review Letters 116, 061102 (2016), arXiv:1602.03837).


По результатам анализа коллаборация получила ряд физических величин: массы компактных объектов (черных дыр) - пара M1=29(+/-4)Msun и M1=36(+5,-4)Msun до слияния и M=62(+/-4)Msun после слияния; масса, преобразованная в энергию гравитационных волн, Mgw=3.0(+/-0.5)Msun (c множителем c^2); оценку красного смещения z_gw=0.09(+0.03,-0.04) и даже металличность в окружении события GW150914 порядка Z~0.5Zsun. Кроме того, определена (хоть и с плохой точностью) область на небе, откуда пришел сигнал. И также было получено ограничение на массу гравитона: <1.2x10^(-22)еВ.

У стороннего исследователя после просмотра данных, представленных на Рис.3, естественно, возникают вопросы: 1) почему зарегистрированный сигнал не шумовой ? 2) почему в статье речь идет о черных дырах ? 3) как были получены значения физических параметров из представленных записей ?

1) Зарегистрированный сигнал с уменьшением частоты и ростом амплитуды строго соответствует теоретически предсказанному сигналу гравитационных волн от сливающихся компактных объектов. Характеристикой такого сигнала служит зависимость "частота-время" (Рис.4)
Рис.4. Сигнал гравитационной волны в виде частотно-временнОй зависимости. Вверху: данные установки в Ханфорде, внизу: данные из Ливингстона.

2) Тип частотной зависимости от времени характеризует расстояние между сливающимися компактными объектами. Если мы можем оценить массы объектов, то частота и скорость изменения частоты дают расстояние между объектами и тем самым ограничивают их размер (детали см. в работе (Physical Review Letters 116, 061102 (2016), arXiv:1602.03837)).


3) Определение физических параметров связано с п.2) выше. Простая оценка дается в популярной заметке Б.Штерна в "Троицком варианте" (приводим цитату, которая очень полезна для понимания физики процесса):
"Как, глядя на Рис. [здесь Рис.3] самому прикинуть массу слившихся черных дыр и расстояние до них?
Надо оценить период вращения сливающихся объектов в последний момент. Смотрим на рисунок и видим, что расстояние между последними пиками примерно в десять раз меньше, чем между рисками, то есть где-то 5 миллисекунд. Это полпериода вращения еще сильно деформированной черной дыры. С какой линейной скоростью вращается ее поверхность? Сравнимой со скоростью света, но меньше, примерно треть (предельная керровская дыра) - независимо от размера.
Тогда полуокружность вращения будет примерно 500 км, делим на pi, получаем радиус 170 км. Радиус черной дыры солнечной массы - 3 км, значит, масса системы - около 60 солнечных. На самом деле - 62. Поразительная точность, особенно если учесть, что время между пиками мы прикидывали на глазок.
Теперь попробуем оценить расстояние. Это чуть сложней. Амплитуда гравитационной волны (относительная деформация пространства) обратно пропорциональна расстоянию до источника. В источнике деформация огромна, ну, не единица, конечно, но 0,1 - вполне реально (расчеты дают именно такой порядок величины). Мы имеем у себя 10^(-21) (см. единицы по вертикальной оси), значит, мы находимся примерно в 10^(20) раз дальше от источника, чем его размер - 170 км (см. выше). Получаем 1,7 x 10^7 см x 10^(20) = 1,7 x 10^(27)см = 0,6 гигапарсека (на самом деле 0,4 гигапарсека). Опять замечательное попадание при том, что есть еще неопределенность в ориентации экваториальной плоскости системы относительно луча зрения." (Б.Штерн, Что увидели детекторы LIGO., ТрВ, февраль, 2016).

В точном вычислительном подходе оценка масс объектов (и расстояний между ними) получается в результате параметризации масс составляющих системы и процесса их слияния (с учетом их осей вращения) и построением функции правдободобия для определения наиболее вероятных значений параметров и соответствующих уровней значимости. Оценки сделаны в работе Properties of the binary black hole merger GW150914, arXiv:1602.03840. В этом подходе массы и компоненты вращения объектов являются свободными параметрами. Кроме того, учитывая, что наблюдаемый сигнал имеет космологическое красное смещение z, ему (сигналу) можно сопоставить изменяемый во столько же раз масштаб масс. Тогда подобранная через функцию правдоподобия масса сама является функцией m(z)=(1+z)m_real c некоторым красным смешением, которое можно варьировать при минимизации функционала, построенного по функции правдоподобия. Таким образом, удается определить дополнительный параметр - красное смещение и, соответственно, расстояние по светимости (luminocity distance). На Рис.5 и 6. приведены некоторые функции правдоподобия из статьи (arXiv:1602.03840). Присутствие массивных ЧД на красном смешении z~0.1 предполагает относительно слабый звездынй ветер и металличность в окружении GW150914 порядка 1/2 солнечной (arXiv:1602.03846).

Рис.5. Постериорные функции правдоподобия для масс компактных объектов - компонентов системы m1_source и m2_source, где m2_source <= m1_source.


Рис.6. Постериорные функции правдоподобия для пар определяемых параметров. Слева: для расстояния по светимости D_L до объекта и наклона системы theta_JN. Справа: для массы и спина слившегося объекта.

Задержка в 7мсек при регистрации на двух инструментах LIGO и учет разности в ориентации плеч на установках позволили выделить приблизительное направление на небе, откуда мог прийти сигнал (Рис.7).


Рис.7. Ориентировочное направление прихода сигнала на небе. Фиолетовые контуры ограничивают 90-процентную вероятностную зону.

Отметим, что после регистрации команда LIGO обратилась к команде SWIFT для поиска сигнала в других диапазонах, но последняя не обнаружила сигнал в этой области неба ни в рентгеновском, ни в жестком рентгеновском, ни в ультрафиолетовом диапазонах (arXiv:1602.03868). В то же время спутник FERMI увидел слабый транзиентный источник (гамма-всплеск) с амплитудой выше 50 кэВ через 0.4 сек после события GW150914 с уровнем вероятности ложной тревоги 0.0022 (см. препринт arXiv:1602.03920). Локализация гамма-всплеска не противоречит области GW150914.

Среди выложенных 12/02/2014г. в Архив работ отметим также статью о массивах пульсаров со стабильным вращением для поиска и определения параметров проходящих гравитационных волн (arXiv:1602.03640), предложения по наблюдению массивных резонаторов на основе красных гигантов, где происходят астросейсмические события (arXiv:1602.03667), а также работу (arXiv:1602.03883) группы Дэвида Шпергеля [одного из лидеров космической миссии NASA WMAP, изучавшей космический микроволновой фон], посвященную информации, которую можно получить из подсчетов событий - всплесков гравитационных волн. Отметим, что в последней работе в комментарии к аннотации приводится поздравление команде LIGO и в абстракте используется [неоднозначная] фраза "the distribution of the candidate black holes binary systems observed by Advanced LIGO".

В заключение можно отметить, что формальное (непрямое) открытие гравитационных волн ранее уже было отмечено Нобелевской премией, полученной американским радиоастрономом Джозефом Тейлором и его студентом Расселом Халсом за обнаружение в 1974г. и исследование пары обращающихся друг вокруг друга нейтронных звезд, одна из которых - пульсар PSR B1913+16. Причем по уменьшению периода двойной системы удалось проверить ОТО, описывающую потери на гравитационное излучение.
После 2014 г., когда не состоялось открытие первичных гравитационных волн по данным измерения B-моды поляризации космического микроволнового фона в эксперименте BICEP2, казалось бы, что в прямой регистрации гравитационных волн ничего неожиданного быть не должно. Но сильный сигнал GW150914 показал, что окрыто действительно новое окно в далекий космос. И, по-видимому, для международных научных фондов продемонстрировано мощное, конкурирующее с другими, астрономическое направление, связанное как с новыми технологиями, так и с возможностью добраться до самых сокровенных мест Вселенной.

Олег Верходанов.
14/02/2016.
(Перейти к популярным материалам здесь).