Самый мощный инструмент Земли для обнаружения пульсаций в пространстве-времени был серьезно модернизирован: новая обсерватория в Японии объединила работу трёх гигантских детектора в Вашингтоне, Луизиане и Италии, чтобы сформировать глобальную сеть из мощных обсерваторий, которые излучают гравитационные волны Вселенной. Это расширит область научного направления, созданного всего четыре года назад, когда Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) раскрыла 100-летнюю загадку, изложенную Альбертом Эйнштейном.
В 1916 году Эйнштейн предсказал, что ускорение массивных объектов, таких как нейтронные звезды или черные дыры, создает рябь или «волны» в ткани пространства и времени. Однако он не думал, что эти гравитационные волны когда-либо будут обнаружены – они казались слишком слабыми, чтобы уловить их среди всего шума космоса и вибраций на Земле. По истечению 100 лет оказалось, что Эйнштейн был не прав.
В конце 1990-х годов в Вашингтоне и Луизиане были сконструированы установки LIGO для поиска и приема данных сигналов.
И после 13 лет молчания, в сентябре 2015 года, LIGO обнаружил первые гравитационные волны: сигналы от слияния двух черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Это открыло совершенно новую область астрономии гравитационных волн и принесло Нобелевскую премию по физике для трех исследователей, которые работали над созданием LIGO.
С тех пор LIGO и его итальянская спутница Virgo обнаружили еще два катастрофических столкновения: слияние двух нейтронных звезд в октябре 2017 года, за которым, по мнению ученых, образовалась черная дыра, поглотившая нейтронную звезду в августе 2018.
Как передает Business Insider, теперь у LIGO и Virgo появился еще один партнер: гравитационно-волновой детектор Kamioka (KAGRA) в Японии.
С помощью KAGRA ученые рассчитывают сузить местоположение массивных столкновений с трехкратной точностью. Это позволило бы телескопам на Земле намного легче подтверждать столкновение, образующее волны. Представители каждой обсерватории подписали соответствующее соглашение в конце сентября 2019 года.
Система KAGRA размещена в гигантском L-образном туннеле, расположенном в 200 метрах под землей в японском городе Хиде, префектуре Гифу.
«Чем больше детекторов у нас в глобальной сети гравитационных волн, тем точнее мы можем локализовать сигналы гравитационных волн в космосе, и тем лучше мы сможем определить природу явлений, вызвавших эти сигналы», – сказал Дэвид Рейтце, исполнительный директор лаборатории LIGO.
По мнению Вики Калогера, астрофизика из Северо-Западного университета и LIGO, новая глобальная сеть может в конечном итоге выявлять около 100 столкновений в год.
Новая обсерватория KAGRA работает аналогично LIGO.
Каждый L-образный гравитационно-волновой детектор состоит из двух тоннелей длиной 2,5 мили. Определенный источник излучает лазерный луч и разделяет его на две части. Один из этих расщепленных лучей направляется по одному тоннелю, а другой – по идентичному перпендикулярному тоннелю.
Лучи отражаются от зеркал и сходятся назад около светоделителя. Световые волны возвращаются с одинаковой длиной и выстраиваются в линию таким образом, что они подавляют друг друга на детекторе.
Но когда проходит гравитационная волна, она деформирует пространство-время – ненадолго делая одну трубку длиннее, а другую короче. Это ритмичное растягивающее и сжимающее искажение продолжается до тех пор, пока волна не пройдет. Когда это происходит, две волны света не сходятся на равной длине, поэтому они не нейтрализуют друг друга. Это приводит к тому, что детектор регистрирует некоторые вспышки света.
Таким образом, измерение этих изменений яркости позволяет физикам измерять и наблюдать гравитационные волны, которые проходят через Землю.
Затем, как только сигнал обнаружен, астрономы предупреждают телескопы по всему земному шару, чтобы сосредоточиться на космическом событии, которое, вероятно, вызвало волны.
Сделав глобальную сеть обнаружения гравитационных волн более надежной, KAGRA повысит ее точность. Например, в результате слияния двух нейтронных звезд в 2017 году ученые проследили местоположение события до пятна размером 30 квадратных градусов – это менее 0,1% неба. Но с помощью KAGRA исследователи ожидают получать еще более точные оценки, до 10 квадратных градусов. Это даст телескопам гораздо более конкретное место на звездном небе для поиска события запуска волны.
Обсерватория также будет использовать новые подходы, чтобы сделать ее менее подверженной ложным обнаружениям.
Поскольку LIGO и Virgo чрезвычайно чувствительны, длина лучей изменяется менее чем на 1/10 000 ширины протонной частицы, измерения могут легко быть нарушены вибрацией от грузовиков, едущих по близлежащим дорогам или легким ветром. Даже микроскопические движения атомов в зеркалах детектора могут имитировать сигнал гравитационной волны.
Вот почему LIGO имеет два местоположения и работает с Virgo: если все они обнаруживают сигнал в одно и то же время, это, вероятно, гравитационная волна, проходящая через Землю.
KAGRA станет еще одним инструментом для проверки полученных сигналов и будет работать под землей, чтобы быть лучше изолированной от помех ветра, шумов Земли и транспорта. Обсерватория также станет первым детектором с применением криогенно охладившихся зеркал – практика использования сжиженного газа для достижения температуры ниже минус 150 градусов по Цельсию (минус 238 градусов по Фаренгейту) – для уменьшения шума от собственных атомов зеркал (атомы постоянно вибрируют – энергия этой вибрации – это то, что называется теплом. Поэтому криогеника достаточно охладит материал, чтобы молекулы почти перестали вибрировать).
«Эти свойства могут стать очень важным направлением для будущих детекторов гравитационных волн с гораздо более высокой чувствительностью», – сказал Такааки Кадзита, главный исследователь проекта KAGRA, который получил Нобелевскую премию 2015 года.
Ожидается, что еще одна обсерватория, LIGO India, присоединится к глобальной сети гравитационных волн в 2025 году.
