Слушать звон: ученые рассказали о будущем гравитационно-волновой астрономии

Проект LISA — первый орбитальный детектор гравитационных волн в представлении нейрохудожника.

Когда две черные дыры сталкиваются и сливаются, представление не заканчивается в момент удара. Наоборот, только перед самым образованием новой черной дыры начинается своеобразный «звон» — серия затухающих гравитационных колебаний, напоминающих вибрацию колокола после удара. Именно этот этап, по мнению международной команды исследователей, способен стать одним из самых ценных инструментов будущей гравитационно-волновой астрономии. Очень информативная статья с данными обсерваторий, расчетами и обилием терминов и их англоязычных сокращений опубликована в журнале Nature Reviews Physics.

Авторы подготовили обзор последних достижений в изучении так называемой стадии ringdown — периода, когда новорожденная черная дыра постепенно приходит в устойчивое состояние. Эти колебания несут информацию о массе, угловой скорости и даже внутренней структуре объекта, а также позволяют проверить, насколько точно работает общая теория относительности Альберта Эйнштейна в экстремальных условиях.

Столкновения черных дыр создают настолько мощные гравитационные поля, что воспроизвести подобные условия в земной лаборатории невозможно. Но щедрая природа сама предоставляет физикам уникальный эксперимент.

Космос подскажет, где искать «новую физику»

Современные детекторы LIGO, Virgo и KAGRA уже регистрируют гравитационные волны, однако чувствительности пока недостаточно, чтобы детально изучать все особенности «звона» далеких объектов. Ситуация должна измениться с появлением следующего поколения обсерваторий — Einstein Telescope, Cosmic Explorer и космической миссии LISA (Laser Interferometer Space Antenna), которые смогут фиксировать значительно более слабые сигналы и исследовать их с беспрецедентной точностью.

Проект LISA предполагает запуск трех аппаратов. Они будут вращаться вокруг Солнца по орбите, близкой к орбите Земли, образовав равносторонний треугольник с длиной одной стороны 2,5 миллиона километров. Такая конфигурация должна кратно повысить чувствительность системы к ряби пространства-времени.

Именно тогда, считают исследователи, появится возможность проверить существование дополнительных колебательных мод, которые могут указывать на отклонения от общей теории относительности, существование экзотических компактных объектов вместо классических черных дыр или даже на неизвестные формы материи и энергии. Иначе говоря, последние секунды жизни двойной системы способны рассказать о фундаментальных законах природы больше, чем весь предшествующий процесс сближения и слияния.

Историческая справка

Еще в 1962 году советский физик Владислав Пустовойт впервые предложил использовать метод лазерной интерферометрии для регистрации гравитационных волн.

Группа члена-корреспондента РАН Владимира Брагинского на физическом факультете МГУ разработала новаторскую концепцию зеркал и методы подавления квантовых шумов, которые легли в основу алгоритма детекторов LIGO.

Практическая гравитационно-волновая астрономия существует чуть больше десяти лет: первые гравитационные волны были напрямую зарегистрированы обсерваторией LIGO в 2015 году. С тех пор обнаружены сотни подобных событий, а сами наблюдения открыли совершенно новый способ изучения Вселенной — без использования света, только по колебаниям пространства-времени.

За открытие гравитационных волн в 2017 году Барри Бэришу, Кипу Торну и Райнеру Вайссу была присуждена Нобелевская премия по физике.

Больше узнать о том, как гравитационные волны проливают новый свет на эволюцию и столкновения черных дыр, можно в материале Hi-Tech Mail.