...Строго говоря, впервые идея интерферометрического детектирования гравитационных волн была предложена советскими физикам М. Е. Герценштейном и В. И. Пустовойтом в далеком 1962 году. Тогда только-только был придумал лазер, а Вебер приступал к созданию своих резонансных детекторов. Однако эта статья не была замечена на западе и, говоря по правде, не повлияла на развитие реальных проектов (см. исторический обзор Physics of gravitational wave detection: resonant and interferometric detectors).
...
Хотя первоначальный импульс проекту задали США, обсерватория LIGO является по-настоящему международным проектом. В него вложились, финансово и интеллектуально, 15 стран, и членами коллаборации числятся свыше тысячи человек. Важную роль в реализации проекта сыграли советские и российские физики. С самого начала активное участие в реализации проекта LIGO принимала уже упомянутая группа Владимира Брагинского из МГУ, а позже к коллаборации присоединился и Институт прикладной физики из Нижнего Новгорода.
Конечно, нельзя предсказать, когда и где будет следующий гравитационно-волновой «бабах». Но чувствительность обновленных детекторов позволяла рассчитывать на несколько слияний нейтронных звезд в год, так что первый всплеск можно было ожидать уже в ходе первого четырехмесячного сеанса наблюдений. Если же говорить про весь проект aLIGO длительностью в несколько лет, то вердикт был предельно ясным: либо всплески посыплются один за другим, либо что-то в ОТО принципиально не работает. И то, и другое станет большим открытием.
С 18 сентября 2015 года до 12 января 2016 года прошел первый сеанс наблюдений aLIGO. В течение всего этого времени по интернету гуляли слухи о регистрации гравитационных волн, но коллаборация хранила молчание: «мы набираем и анализируем данные и пока не готовы сообщить о результатах». Дополнительную интригу создавало то, что в процессе анализа сами члены коллаборации не могут быть полностью уверены, что они видят реальный гравитационно-волновой всплеск. Дело в том, что в LIGO в поток настоящих данных изредка искусственно внедряется сгенерированный на компьютере всплеск. Он называется «слепой вброс», blind injection, и из всей группы только три человека (!) имеют доступ к системе, которая осуществляет его в произвольный момент времени. Коллектив должен отследить этот всплеск, ответственно проанализировать его, и только на самых последних этапах анализа «открываются карты» и члены коллаборации узнают, было это реальным событием или же проверкой на бдительность. Между прочим, в одном таком случае в 2010 году дело даже дошло до написания статьи, но обнаруженный тогда сигнал оказался именно «слепым вбросом».
На рис. 7 показан главный результат: профиль сигнала, зарегистрированного обоими детекторами. Видно, что на фоне шумов сначала слабо проступает, а потом нарастает по амплитуде и по частоте колебание нужной формы. Сравнение с результатами численного моделирования позволило выяснить, слияние каких объектов мы наблюдали: это были черные дыры с массами примерно 36 и 29 солнечных масс, которые слились в одну черную дыру массой 62 солнечных массы (погрешность всех этих чисел, отвечающая 90-процентному доверительному интервалу, составляет 4 солнечных массы). Авторы мимоходом замечают, что получившаяся черная дыра — самая тяжелая из когда-либо наблюдавшихся черных дыр звездных масс. Разница между суммарной массой двух исходных объектов и конечной черной дырой составляет 3±0,5 солнечных масс. Этот гравитационный дефект масс примерно за 20 миллисекунд полностью перешел в энергию излученных гравитационных волн. Расчеты показали, что пиковая гравитационно-волновая мощность достигала 3,6·1056 эрг/с, или, в пересчете на массу, примерно 200 солнечных масс в секунду.
Интерпретация зарегистрированного сигнала. Вверху: профиль гравитационно-волнового излучения и соответствующие ему стадии слияния двух черных дыр; внизу: изменение эффективных орбитальных параметров пары с течением времени до момента слияния.
Обработка данных с детекторов
Это очень сложная процедура. Почему? Потому что различные шумы (тепловые движения зеркал и других элементов интерферометра, дробовой шум фотонов в лазерном луче и так далее) оказываются очень большими, и нужно найти сигнал, который в тысячи раз меньше, чем шум. Есть специальные методики, которые пришли из радиофизики, из техники обнаружения объектов радарами на фоне помех.
Дело в том, что гравитационно-волновой сигнал обладает очень характерными особенностями. На научном языке у него характерный спектр Фурье, то есть специфический частотный состав. Если спектр сигнала заранее известен, его можно легче обнаружить на фоне шума. Сама техника обработки сигнала заключается в том, что все время осуществляется поиск сигнала в шуме, то есть пробуется, какой из возможных сигналов лучше или хуже подходит к тому, что наблюдается. Зеркала интерферометра все время как-то подрагивают, вы видите, что интерференционная картина на детекторе постоянно меняется. Но из-за чего она меняется, вы не знаете. Чтобы доказать, что она меняется из-за гравитационно-волнового сигнала, нужно подобрать такую форму реалистического сигнала, чтобы она описала наблюдаемые флуктуации наилучшим образом. Как только окажется, что такой сигнал подошел, можно говорить, что он виден интерферометром. Таким образом, все время происходит коррелирование реального отклика детектора с модельным сигналом. Это нужно делать независимо обязательно с двух, а еще лучше с трех детекторов, потому что всегда есть вероятность того, что в одном детекторе шум случайно подстроился под сигнал по своим спектральным характеристикам. А когда в совершенно независимых местах и разнесенных на тысячи километров детекторах наблюдается одинаковая форма сигнала (template), это придает уверенности в том, что сигнал не случаен, а вызван действием гравитационной волны.
Важно отметить, что эти детекторы почти всенаправленные, то есть они не могут точно определить, из какого направления сигнал пришел. Если есть два почти всенаправленных детектора, просто по времени задержки между одним и вторым детектором можно определить кольцо на небесной сфере, откуда пришел сигнал (естественно, чтобы можно было определить хотя бы кольцо, необходимо заложить скорость распространения гравитационных волн - по умолчанию берут скорость света). Когда будет третий детектор, еще одно кольцо выделит два пятна на небе. Сейчас пока что это большое кольцо, поскольку работают всего два детектора aLIGO. Когда в сентябре 2015 года был зарегистрирован первый сигнал, коллаборация LIGO попросила все наземные и космические обсерватории (в этом деле участвовало огромное количество астрономов, в том числе астрономы из ГАИШ МГУ) поискать, не было ли чего-нибудь в определенные даты, каких-нибудь электромагнитных сигналов. Потому что думается, что, когда происходят такие мощные природные феномены, как слияние нейтронных звезд или черных дыр, в ряде моделей может выделяться еще значительная электромагнитная энергия (радио, оптика, рентген и др.).
Итак, известно время, когда сработал ваш детектор, и выделено какое-то большое кольцо на небе, откуда мог прийти сигнал. И нужно в этом стоге сена найти иголку — не было ли в этот момент какой-то необычной электромагнитной вспышки. От нейтронных звезд совершенно точно должен быть электромагнитный сигнал. И это целая наука, какой он может быть. А от двойных черных дыр — вопрос открытый.
В сентябре 2015 года две системы LIGO, расположенные на расстоянии трех тысяч километров друг от друга, одновременно зарегистрировали сигнал, который по всем характеристикам был именно тем, какой ожидали получить от слияния черных дыр где-то на умопомрачительно далеком расстоянии. С того времени и до февраля 2016 года шла проверка и обработка принятого сигнала, вычисление параметров тех черных дыр, слияние которых могло породить наблюдаемые колебания. Несколько неожиданной оказалась интерпретация: всплеск гравитационных волн возник на последних мгновениях при слиянии черных дыр, то есть «остатков» закончивших свою жизнь звезд, причем эти «остатки» обладали большими массами, которые должны очень редко встречаться в природе.
Кстати, в этом открытии значительную роль сыграли не только аппаратурные достижения, но и очень сложные компьютерные расчеты процесса слияния черных дыр. Этим занималась значительная часть членов коллаборации LIGO (а их около 1000 человек), что и позволило не только открыть природу источника гравитационного сигнала, но и определить их массы и скорости вращения. Оказалось также, что значительная часть суммарной массы-энергии этих дыр — около 3 масс Солнца — была излучена в ходе слияния в виде гравитационных волн.
ESA Operations @esaoperations 1 ч.1 час назад
Freefalling! #LISAPathfinder switched to main operating mode, ready to start science 1 Mar Freefall achieved on LISA Pathfinder / Space Science / Our Activities / ESA …