Детектор гравитационных волн LIGO снова в действии после трехлетней модернизации

После трехлетнего перерыва ученые в Соединенных Штатах только что включили детекторы, способные измерять гравитационные волны — крошечную рябь в самом космосе, которая распространяется по Вселенной.

В отличие от световых волн гравитационным волнам практически не мешают галактики, звезды, газ и пыль, заполняющие Вселенную. Это означает, что, измеряя гравитационные волны, такие астрофизики, как я, могут заглянуть прямо в суть некоторых из этих самых захватывающих явлений во Вселенной.

С 2020 года Лазерная гравитационно-волновая обсерватория, более известная как LIGO, находится в спячке, в то время как она претерпевает некоторые интересные обновления. Эти усовершенствования значительно повысят чувствительность LIGO и позволят объекту отслеживать удаленные объекты, которые производят меньшую рябь в пространстве-времени.

Читайте также | Впервые обнаружены гравитационные волны от новорожденной черной дыры

Обнаружив больше событий, которые создают гравитационные волны, у астрономов будет больше возможностей наблюдать свет, создаваемый теми же самыми событиями. Наблюдение за событием через несколько каналов информации, подход, называемый астрономией с несколькими сообщениями, предоставляет астрономам редкие и желанные возможности узнать о физике, выходящие далеко за рамки любого лабораторного теста.

рябь в пространстве-времени

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, масса и энергия искажают форму пространства и времени. Искривление пространства-времени определяет, как объекты движутся по отношению друг к другу — то, что люди воспринимают как гравитацию.

Гравитационные волны создаются, когда массивные объекты, такие как черные дыры или нейтронные звезды, сливаются друг с другом, вызывая большие и резкие изменения в пространстве. Процесс искривления и изгиба в пространстве посылает рябь по вселенной, как волна по тихому пруду. Эти волны движутся во всех направлениях от турбулентности, изящно искривляя пространство при этом и слегка изменяя расстояние между объектами на своем пути.

Читайте также | Возмущения гравитационных волн: какой вклад Индия внесет в LIGO?

Хотя в астрономических явлениях, порождающих гравитационные волны, участвуют некоторые из самых массивных объектов во Вселенной, расширение и сжатие пространства чрезвычайно мало. Мощная гравитационная волна, проходящая через Млечный Путь, может изменить диаметр всей галактики на три фута (один метр).

Первые наблюдения гравитационных волн

Хотя это впервые было предсказано Эйнштейном в 1916 году, у ученых того времени было мало надежды измерить тонкие изменения расстояния, которые постулировала теория гравитационных волн.

Примерно в 2000 году ученые из Калифорнийского технологического института, Массачусетского технологического института и других университетов по всему миру закончили создание самой точной линейки из когда-либо созданных — обсерватории LIGO.

LIGO состоит из двух отдельных обсерваторий, одна из которых расположена в Хэнфорде, штат Вашингтон, а другая — в Ливингстоне, штат Луизиана. Каждая обсерватория имеет форму гигантской буквы L с двумя ответвлениями длиной 2,5 мили (четыре километра), отходящими от центра объекта под углом 90 градусов друг к другу.

Чтобы измерить гравитационные волны, исследователи направляют лазер из центра объекта к основанию L. Там лазер разделяется так, что луч проходит по каждой руке, отражается от зеркала и возвращается к основанию. Если гравитационная волна пройдет через руки, когда лазер светит, два луча вернутся к центру в несколько разное время. Измеряя эту разницу, физики могут определить, что гравитационная волна прошла через установку.

LIGO начал работать в начале 2000-х годов, но его чувствительность была недостаточной для обнаружения гравитационных волн. Итак, в 2010 году команда LIGO временно закрыла объект для модернизации с целью повышения чувствительности. Обновленная версия LIGO начала собирать данные в 2015 году и почти сразу же обнаружила гравитационные волны, генерируемые слиянием двух черных дыр.

Читайте также | Стимул для науки, более широкое окно во вселенную

С 2015 года LIGO совершила три наблюдательных тура. Первый запуск O1 длился около четырех месяцев; второму, O2, около девяти месяцев; И третий, O3, работал в течение 11 месяцев, прежде чем пандемия COVID-19 вынудила закрыть объекты. Начиная с O2, LIGO ведет наблюдения совместно с итальянской обсерваторией Virgo.

Между каждым прогоном ученые совершенствовали аппаратную часть детектора и методы анализа данных. К концу запуска O3 в марте 2020 года исследователи LIGO и Virgo обнаружили около 90 гравитационных волн от слияния черных дыр и нейтронных звезд.

Обсерватории еще не достигли своей максимальной расчетной чувствительности. Поэтому в 2020 году обе обсерватории снова закрыты на модернизацию.

Сделайте несколько обновлений

Ученые работали над рядом технологических усовершенствований.

Одно особенно многообещающее обновление включало добавление оптического резонатора длиной 1000 футов (300 м) для улучшения технологии, называемой сжатием. Давление позволяет ученым уменьшить шум детектора, используя квантовые свойства света. Благодаря этому обновлению команда LIGO сможет обнаруживать гравитационные волны, которые намного слабее, чем раньше.

Читайте также | Что такое гравитационные волны?

Мои коллеги и я — специалисты по данным в коллаборации LIGO, и мы работаем над рядом различных обновлений программного обеспечения, используемого для обработки данных LIGO, и алгоритмов, которые распознают признаки гравитационных волн в этих данных. Эти алгоритмы работают, ища закономерности, которые соответствуют теоретическим моделям миллионов потенциальных событий слияния черных дыр и нейтронных звезд. Усовершенствованный алгоритм должен легче выделять слабые сигналы гравитационных волн из фонового шума в данных, чем предыдущие версии алгоритмов.

Эпоха высокого разрешения в астрономии

В начале мая 2023 года LIGO начала короткий пробный период, называемый инженерным прогоном, чтобы убедиться, что все работает. 18 мая LIGO обнаружил гравитационные волны, вероятно, вызванные слиянием нейтронной звезды с черной дырой.

20-месячная программа LIGO Observation 04 официально начнется 24 мая, и позже к ней присоединятся Virgo и новая японская обсерватория — детектор гравитационных волн Камиока, или KAGRA.

Читайте также | Измерение гравитационных волн — с точки зрения непрофессионала

Хотя в этом диапазоне есть много научных целей, особое внимание уделяется обнаружению гравитационных волн и их местонахождению в реальном времени. Если команда сможет точно определить событие гравитационных волн, выяснить источник волн и быстро предупредить других астрономов об этих обнаружениях, это позволит астрономам направить другие телескопы, которые собирают видимый свет, радиоволны или другие типы данных, на источник. гравитационная волна. Объединение нескольких каналов информации об одном событии — астрофизика с несколькими сообщениями — похоже на добавление цвета и звука к немому черно-белому фильму и может обеспечить гораздо более глубокое понимание астрофизических явлений.

Пока что астрономы наблюдали только одно событие как в гравитационных волнах, так и в видимом свете — слияние двух нейтронных звезд, наблюдавшееся в 2017 году. Но благодаря этому единственному событию физики смогли изучить расширение Вселенной и подтвердить происхождение некоторых наиболее энергичные события во Вселенной, известные как гамма-всплески.

С запуском O4 астрономы получат доступ к самым чувствительным обсерваториям гравитационных волн в истории и, надеюсь, соберут больше данных, чем когда-либо прежде. Мои коллеги и я надеемся, что ближайшие месяцы принесут одно, а может быть, и много, многозначных наблюдений, которые раздвинут границы современной астрофизики.