Учені, що працюють на обох американських обсерваторіях LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), вдруге зафіксували гравітаційні хвилі. Сигнал помітили 26 грудня 2015 року і назвали GW151226. Походить він від пари чорних дір, що об’єдналися в одне ціле. Їхні маси перевершують масу Сонця у 14 і 8 разів. Виявлений сигнал є значно слабшим, ніж зареєстрований 14 вересня минулого року. Повторне виявлення гравітаційних хвиль засвідчує: в астрономії почалася нова ера.
Симуляція виникнення гравітаційних хвиль під час злиття чорних дір. (Зображення: LIGO/T. Pyle).
26 грудня 2015 року о 4:48:54 за середньоєвропейським часом обидва LIGO-детектори (в луізіантському Лівінгстоні та вашингтонському Генфорді, США) під час першого циклу спостережень зафіксували сигнал. Хвилі досягнули детектор в Лівінгстоні на 1, 1 мілісекунду швидше, ніж у Ганфорді. Він ховався у шумі детекторів та був відверто слабшим, ніж той, який вдалося виявити в вересні 2015 року.
Успіхові вчені завдячують узгодженому фільтрові (Matched-Filter), через який здійснювали пошук: алгоритм порівнює дані з багатьма раніше вирахуваними сигналами та відсіює ті, що не підходять під певні критерії (шукає збіги, match).
Зафіксовані сигнали обґрунтовані високо точними осцилографічними моделями, які розробили вчені з Інституту гравітаційної фізики імені Макса Планка (Інститут імені Альберта Айнштайна, ІАА). Вони першими створили умови для того, щоб LIGO-команда констатувала: гравітаційні хвилі походять від двох чорних дір, що сплавилися воєдино.
«Це фантастично, та наші моделі змогли вихопити з шуму слабкий, проте неймовірно цінний сигнал гравітаційних хвиль, – розповідає Алессандра Буанно (Alessandra Buonanno), директор ІАА та професор Мерілендського університету. – GW151226 ідеально узгоджується з нашими теоретичними припущеннями про те, як дві чорні діри десятки разів обходять одне одну і зрештою зливаються в єдине ціле».
Наступні дослідження після виявлення сигналу, для яких ІАА здійснював половину обрахунків, виявили астрофізичні властивості спостереженої подвійної системи. У цьому знадобився й атлас – найпотужніший у світі суперкомп’ютер для аналізу даних про гравітаційні хвилі зі значно більшою обчислювальною потужністю, ніж інші системи LIGO- та Virgo-колаборацій.
Згідно з результатами аналізу система GW151226 складається з двох чорних дір: маса однієї – 14-кратна маса нашого Сонця, маса іншої – 8-кратна. Обидві гравітаційні пастки сплавилися докупи на відстані близька 1, 4 мільярдів світлових років від Землі. Учені виявили, що принаймні одна з чорних дір крутилася навколо власної осі. Таке об’єднання випроменило еквівалент однієї Сонячної маси у вигляді енергії гравітаційних хвиль, залишивши чорну діру, що крутиться, з масою 21 Сонця.
Учені з Інституту імені Макса Планка у межах діяльності неурядової організації LIGO Scientific Collaboration підкріпили цей сценарій численними релятивістськими симуляціями. Вони підрахували ознаки сплавлення чорних дір з властивостями GW151226. Згідно з результатом показник визначеної тривалості сигналу цілком узгоджується зі згаданими раніше моделями гравітаційний хвиль, які використовували для того, щоби визначити астрофізичні ознаки джерела. Це доводить, що GW151226 виникла внаслідок зіткнення двох зоряних чорних дір в межах загальної теорії відносності
Сигнал, який відділили від шумів детектора, сильно відрізняється від спійманого восени (GW150914). Передусім маса дір є меншою (восени йшлося про злиття дір з масами 36 та 29 сонячних), тому й інструменти вимірювали сигнал довше – близько однієї секунди (попередній – 0,2 секунди), – це час 27 обертів чорних дір до моменту злиття (14 вересня 2015 року спостерігали лише 5 кіл). Упродовж цієї секунди сила гравітаційних хвиль зросла з 35 до 430 Герц. Максимальну амплітуду відносних змін довжини прирівняли до 3×10-22 – це приблизно втричі менше, ніж у сигналу GW150914.
«Тепер навіть скептики мусять визнати, що наші перші вимірювання не були статистичною похибкою, – переконаний Брюс Ален (Bruce Allen), директор Інституту імені Макса Планка в Ганновері. – Я цілком певен, що в наступні кілька років ми спостерігатимемо подібні сплавлення чорних дір й зможемо чимало дізнатися про Всесвіт».
Тобто нарацьована впродовж минулих 20 років методика аналізу даних функціонує, як і сподівалися. «В результаті другого відкриття ми опинилися на шляху до справжньої астрономії гравітаційних хвиль. Тепер можемо розпочати дослідження безлічі джерел у невідомій частині Універсуму, – розповідає Карстен Данцман (Karsten Danzmann), директор ІАА в Ганновер та Інституту гравітаційної фізики в Університеті імені Ляйбніца (Ганновер). – По стількох роках розвідок, розробок і підготувань тішить те, що наша візія нарешті видається правильною».
Наступні спостереження «О2» в межах проекту Advanced LIGO починаються з осені і триватимуть близько 6 місяців. Доти потрібно ще покращити чутливість детекторів LIGO й надати їм здатності охоплювати у 1,5 – 2 рази більший об’єм космосу, ніж дотепер. У розвідці візьме участь й обсерваторія GEO600, що неподалік від Ганновера. Virgo-детектор, розміщений в Італії, мав би приєднатися до проекту в другій її половині.
Gravitationswellen, die Zweite
mpg.de, 15/06/2016
Зреферувала Соломія Кривенко
02.07.2016