Что увидели детекторы LIGO

Коллаборация LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) объявила о первой прямой регистрации [1] гравитационных волн, сто лет назад предсказанных Альбертом Эйнштейном. Об открытии стало известно в ходе трансляции пресс-конференции. Зарегистрированные гравитационные волны испущены двумя сливающимися черными дырами (общей массой около 60 солнц) 1,3 млрд лет назад. Около месяца ушло на проверку. Слухи о возможном открытии уже давно циркулировали в научном сообществе.

Что увидели детекторы LIGO?

Увидели сигнал, выглядящий именно так, как предсказывалось для слияния пары черных дыр (см. рис 1). Изображено относительное растяжение интерферометра под действием гравитационной волны. Масштаб по вертикали 10–21, что значит растяжение четырехкилометрового плеча интерферометра на 2,5 x 10–15 см (умеют мерить растяжения до 10–17 см, какой бы фантастикой это ни казалось). На рисунке — растяжения и сжатия двух детекторов (показано разными цветами), находящихся на расстоянии 3000 км. Сначала идет шум, в котором начинают проявляться явные волны, которые идут всё чаще, а потом резко заканчиваются. Каждая волна – пол-оборота системы двух черных дыр. Они быстро сближаются, поэтому время между пиками уменьшается. Последняя волна – это уже практически одна черная дыра, хотя и сильно деформированная.

Как определили массу сливающихся объектов? Грубо говоря, по конечной частоте колебаний (чем больше масса, тем ниже частота – близко к обратно пропорциональной зависимости). Она оказалась весьма низкой – 350 герц. Значит, массы велики – в сумме больше 60 масс Солнца. Из асимметрии пиков можно вытащить индивидуальные массы черных дыр – 36+5-4 и 28 ± 4 масс Солнца, масса конечной дыры 62 ± 4 солнечных. Около трех масс Солнца ушло на излучение гравитационных волн. Столь мощного излучения (1056 эрг/с) никто никогда не регистрировал. Выше я писал «грубо говоря», а если говорить точнее, то все эти параметры были определены подгонкой теоретической кривой, которая получается численным моделированием процесса слияния к реально наблюдаемой.

Как определили расстояние?

Тот же самый теоретический расчет, который дает правильную частоту и форму кривой, дает и амплитуду искажения пространства на месте происшествия. Зная, что амплитуда убывает обратно пропорционально расстоянию, видя конечную амплитуду, зная начальную и размер «излучателя», определяем расстояние. Получается около 400 мегапарсек, правда, с большой ошибкой.

Как определили положение события на небе? Для того, чтобы картинки с двух детекторов совместились, одну из них пришлось сдвинуть на 7 миллисекунд – разница во времени прибытия фронта волны. Так определили угол между направлением на источник и линией, соединяющей детекторы. Но знание этого угла дает лишь кольцо на небе. Дополнительную информацию можно вытащить из разницы амплитуд в дух детекторах. Которые по-разному ориентированы. Гравитационная волна поперечна, поэтому плечо интерферометра направленной поперек волны дает больший сигнал. Таким образом удалось вырезать часть кольца; область, откуда мог прийти сигнал, приняла форму полумесяца площадью около 600 квадратных градусов – что-то найти на такой площади с помощью телескопов весьма проблематично.

Как, глядя на рис.1, 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 π, 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 1020 раз дальше от источника, чем его размер – 170 км (см. выше). Получаем 1,7 x 107 см x 1020 = 1,7 x 1027 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.

Что еще увидела LIGO?

Еще три подобных события, но меньшей амплитуды и потому менее достоверных. Видимо, о них будет сообщено позже.

Что увидели детекторы «Ферми»?

Команда космического гамма-телескопа «Ферми», естественно, проверила данные за 14 сентября. К сожалению, сам гамма-телескоп в нужный момент смотрел в другую сторону. Но «Ферми» имеет еще и детекторы жесткого рентгена, которые видят бОльшую часть неба. Они предназначены для регистрации гамма-всплесков и называются «монитор гамма-всплесков», сокращенно GBM.

Через 0,4 секунды после гравитационных волн детекторы GBM зарегистрировали секундный всплеск жесткого рентгеновского излучения. Он не вызвал триггера на гамма-всплеск, будучи для этого слишком слабым. Его статистическая значимость – 3 сигма, что соответствует вероятности случайного выброса 0,002. В целом такая значимость считается низкой, но всё зависит от контекста. Если искали непонятно что в произвольном месте и нашли выброс на 3 сигма – это низкая значимость. А если смотрели в заданном месте и нашли именно то, что искали, – это серьезно. К тому же, хоть у GBM плохое угловое разрешение (градусов 20-30 для столь слабого всплеска), направление согласуется с направлением на источник гравитационных волн, что добавляет уверенности. Команда «Ферми» проверила другие возможные источники этого всплеска (солнечные, атмосферные, магнитосферные) и отвергла их. Событие очень похоже на слабый гамма-всплеск короткого класса, которые предположительно тоже испускаются при слиянии, но не черных дыр, а нейтронных звезд. Похоже как продолжительностью, так и спектром.

Энергия всплеска, если он действительно был связан с GB 150914, около 1049 эрг – в несколько сот тысяч раз меньше энергии, излученной в виде гравитационных волн. В принципе, разумное соотношение. Конечно, если черные дыры слились в стерильном пространстве, никакой рентгеновской вспышки бы не было. Но если вокруг обеих или вокруг одной из них болталось какое-то количество вещества, то рентгеновское излучение с небольшой задержкой через формирование ударных волн вполне вероятно. Как именно это могло произойти, сейчас вряд ли кто-нибудь скажет (толком неизвестен даже механизм излучения гамма-всплесков), но наверняка появится большое количество статей на эту тему.

Что нам это дает?

Регистрация гравитационных волн ничего не даст народному хозяйству – никаких гравицап и новых способов перемещения. Это также ничего не добавляет к триумфу Эйнштейна – все теории гравитации, которые «дружат» со Специальной теорией относительности, предсказывают гравитационные волны. Причем все вменяемые теории после 1913 года говорят, что эти волны должны быть поперечными. Все современные теории гравитации, кроме быть может каких-то совсем маргинальных, описывают происходящее при слиянии двух астрофизических черных дыр одинаковым образом. Во всяком случае, я спросил Валерия Рубакова, который следит за ситуацией, не отвергает ли результат каких-то рабочих версий теории гравитации. Он ответил, что ему ничего такого в голову не приходит. Есть теории, отличающиеся от эйнштейновской на каких-то масштабах (в частности, так называемые теории f ( R ), которыми у нас занимается, например, Алексей Старобинский), но все отличия проявляются вдалеке от того, что имеет место в данном случае. То есть для фундаментальной физики, как ее воспринимают профессиональные физики, результат ничего не дает – все и так были уверены в том, что получилось.

И все-таки значение эксперимента огромно, но оно лежит в другой плоскости – во взаимоотношении науки и общества. Обнаружение гравитационных волн лишний раз демонстрирует мощь науки: предсказывали и открыли. Вычисляли сложнейший процесс, проистекающий при огромном искривлении пространства – всё оказалось правильно. Так наука и утверждается в головах широких масс.

Какие возможности для астрономии открывают гравитационные волны?

Регистрация слияния двух черных дыр массой около 30 солнечных – уже вызов для астрофизиков. Дело в том, что такие тяжелые черные дыры в современной Вселенной в обычных галактиках не образуются. Мешает обилие тяжелых элементов, которые уменьшают теплопроводность звезды. Звезда с низкой теплопроводностью, не имея возможности сбросить тепло, сбрасывает свои внешние слои, так что у них есть предел на массу (десятки масс Солнца) и предел на массу черной дыры, которая останется после коллапса такой звезды – 20–25 масс Солнца. Все известные черные дыры в двойных системах имеют массы 10–15 масс Солнца. А тут сразу две по тридцать!

Это говорит о том, что эти черные дыры либо от очень старых звезд, образовавшихся в те времена, когда тяжелые элементы еще не наработались в звездах, либо в одной из маленьких галактик современной Вселенной, задержавшихся в своем развитии, – там тяжелых элементов меньше.

Как образуются пары черных дыр?

Исторически первый сценарий таков: образуется пара тяжелых звезд. Такие пары наблюдаются, их много, понятно, как они образуются. Потом по очереди эти звезды коллапсируют и становятся парой черных дыр. По дороге происходит еще много чего интересного: перетекание вещества с одного объекта на другой, образование общей оболочки, в которой кружатся черная дыра и звезда, теряя угловой момент. Если в результате образуются две черные дыры ближе, чем 0,2 астрономических единицы (радиус земной орбиты), то за время существования Вселенной они успевают потерять энергию за счет излучения гравитационных волн и слиться.

Приятно отметить, что в разработке этого сценария лидирующую роль сыграли наши астрофизики (в алфавитном порядке): Владимир Липунов, Константин Постнов, Михаил Прохоров, Александр Тутуков и Лев Юнгельсон. Но всё равно там остается масса неопределенностей, и оценки темпа слияния черных дыр разбросаны на два порядка величины.

Итак, событие GW 150914 может быть объяснено эволюцией тесной пары массивных звезд, образовавшихся в среде с малым количеством тяжелых элементов. И все-таки пара удивительна: звезды и остающиеся от них черные дыры имеют падающие распределения по массе. Сразу две рекордные черные дыры дают малую вероятность в квадрате. Не получится ли вероятность обнаружения такого события исчезающе малой? Возможно, хотя это весьма сложно оценить. Но есть еще и другой путь.

В плотных звездных скоплениях (скорее всего шаровых) самое тяжелое тело за счет многократных взаимодействий садится в центр скопления. Второе по величине прибудет туда же, но чуть позже. Там они продолжают терять энергию и, в конце концов, образуют гравитационно связанную пару. После чего пара, «толкаясь локтями», наоборот, выкарабкивается из центра и вообще вылетает из скопления. Через какое-то время, которое вполне может укладываться в срок жизни Вселенной, пара сливается. По мнению автора данной заметки, второй механизм куда больше подходит для данного конкретного случая: здесь нет никакой квадратичной малости для тяжелой пары, наоборот, есть механизм, работающий в пользу самых тяжелых черных дыр. С низким содержанием тяжелых элементов в древних шаровых скоплениях тоже всё в порядке.

Итак, единичное событие уже ставит множество вопросов и заставляет теоретиков напрячься. А когда появится приличная статистика? Сразу прояснится множество вопросов, связанных с эволюцией массивных звезд – парных и одиночных, сразу исчезнут неопределенности в два порядка величины и появятся новые вопросы, о которых мы еще не догадываемся. Короче, произойдет очередное прозрение. Особенно когда вступит в строй третий детектор (VIRGO), который позволит хорошо определять направление прихода сигнала и возрастет чувствительность всех трех.

Борис Штерн