Редко удается заглянуть в будущее. Тем более, предугадать новые открытия в науке. Однако, благодаря невероятной работе ученых Эрика Трейна и Рори Смита из университета Monash University * в Австралии, а так же последним открытиям гравитационных волн коллаборацией LIGO, можно быть почти уверенными в следующем: в течение ближайших пары лет мир будет извещен об открытии нового вида гравитационных волн ***. Это будет стохастический гравитационно-волновой фон: эхо сотен сталкивающихся черных дыр, образующих рябь на ткани пространства-времени, подобную ряби на поверхности озера в ветреный день. Данное открытие позволит извлечь информацию из самых глубин космоса, понять процессы формирования звезд, и узнать многое о самих черных дырах. Почему я так уверен в неизбежности открытия, и что оно будет значить для науки? Давайте разберемся.
Вступительный этюд о том, что вообще такое гравитационные волны
Гравитация - это притяжение всего, что обладает массой, друг к другу. Фундаментальный вид взаимодействия между физическими объектами. В природе так получается, что для появления достаточно заметной гравитационной силы притяжения массы должны быть большими, по человеческим меркам. Размером с Солнце, Землю, ... да хотя бы с Луну. Поэтому мы говорим, что гравитация - "слабый" вид взаимодействия, который становится совсем невидимым на масштабе молекул, атомов и элементарных частиц. Исаак Ньютон - первый, кто количественно описал гравитационное взаимодействие. В начале 20 века Альберт Эйнштейн представил нам новый взгляд на гравитацию. Согласно новой концепции, пространство и время связаны воедино, а притяжение между объектами возникает из-за того, что каждый тяжелый объект искривляет геометрию пространства-времени вокруг себя, естественным образом наклоняя траекторию движения других объектов по направлению к себе. Теория гравитации Эйнштейна (Общая Теория Относительности, ОТО) пока лучше всего описывает гравитацию, и лучше всего согласуется с экспериментом.
Одно следствие ОТО, насчет которого Альберт Эйнштейн очень сильно сомневался (и даже отказался от него в одно время) - это гравитационные волны, рябь, бегущая по пространству-времени от неравномерно движущиеся массивных компактных объектов. Только ультра-компактные нейтронные звезды и черные дыры могут вызвать достаточно заметные колебания пространства времени, чтобы их можно было засечь на Земле. Под "заметными" подразумеваются изменения в пространстве все еще на меньших масштабах, чем размеры атома. Тем не менее, это возможно.
Первое экспериментальное свидетельство о наличии гравитационных волн в природе появилось в 1974 году. Астрономы Халс и Тэйлор открыли двойную систему нейтронных звезд, вращающихся относительно друг друга, и дали ей название B1913+16. Время, за которое эти две звезды производят полный оборот вокруг их общего центра масс, характеризует среднее расстояние между ними. За несколько лет наблюдений период обращения звезд сократился. Это говорит о том, что звезды приблизились друг к другу. Такой вариант развития событий возможен только в том случае, если энергия вращения звезд уменьшилась, благодаря излучению гравитационных волн.
Интересный факт, что почти все звездные системы в космосе - двойные. У нас на небе есть только одно Солнце, но, к примеру, ближайшая к нам звездная система содержит три звезды: Альфа-Центавра, Бета-Центавра и Проксима-Центавра. Многие такие системы достаточно плотные, и рано или поздно две звезды могут столкнуться друг с другом из-за потери энергии через гравитационные волны. Иногда это могут быть нейтронные звезды и черные дыры - "безжизненные" остатки массивных звезд. Было подсчитано, что приблизительно каждые 2 секунды в обозримой Вселенной сталкиваются две черные дыры. Эксперимент LIGO уже зарегистрировал гравитационные волны от слияний черных дыр и нейтронных звезд. Таким образом, можно быть уверенным, что феномены существования черных дыр, их столкновений, и гравитационных волн - не фантастика, они реально существуют.
Новые гравитационные волны: о чем речь?
Если рассмотреть все гравитационные сигналы от слияния черных дыр из космоса, то они будут представлять собой почти непрерывный шум, где отдельные сигналы уже почти неразличимы. Это и есть те "новые" гравитационные волны, о которых я хотел бы рассказать.
Если изучить весь этот шум от столкновений черных дыр, то он может рассказать нам об истории Вселенной, о жизни и смерти звезд. Например, из стохастического фона мы сможем узнать спектр масс черных дыр, т.е. сколько во Вселенной черных дыр с какими массами. Это позволит проверить модели процессов звездной эволюции, а так же ядерной физики некоторых экстремальных процессов для звезд больших масс. Мы так же сможем узнать о распределении моментов количества вращения черных дыр (спин), т.е. какой процент черных дыр вращается так-то и так-то. Это позволит изучить, как появлялись черные дыры, через столкновения других звезд и черных дыр, были ли черные дыры уже до момента создания первых звезд, и т. д.
В коллаборации LIGO есть целая научная группа (Stochastic Group), которая занимается поиском гравитационно-волнового фона. В ней работает и Ваш покорный слуга. Несколько лет назад в этой группе уже разработали метод анализа данных для поиска стохастического фона гравитационных волн с помощью сопоставления данных из двух детекторов LIGO. В основе положено, что "шум" должен идти со всех направлений, и при этом определенным образом воздействовать на детекторы LIGO, расположенные на расстоянии 3 000 километров друг от друга. К сожалению, было оценено, что такой метод позволит зарегистрировать стохастический фон только через много непрерывных лет наблюдений.
Однако, есть одна математическая хитрость, чтобы значительно ускорить этот процесс. Метод Эрика и Рори (ссылка на научную статью) позволит искать фон от слияний черных дыр более статистически оптимальным образом. В новом методе, который назвали TBS (The Bayesian Search) алгоритм поиска будет "выцеплять" из ансамбля индивидуально неразличимых сигналов совокупность их параметров. Для отдельного неуловимого сигнала это невозможно, а вот для всех таких сигналов в куче - пожалуйста. Более того, этот подход позволяет отсеять ненужные шумы в виде любых всплесков, для которых параметры не будут распознаваться вообще.
В качестве статистического показателя, характеризующего присутствие гравитационных волн в данных LIGO, используют "коэффициент заполнения" (без перевода: duty factor), который показывает, какой процент полученных данных содержит сигналы.
И это работает, да еще как! В научной статье двух ученых было показано, что новый метод находит гравитационные волны быстрее в 1200 раз! При этом шумы прибора успешно игнорируются, и не будут включены в результат. Дополнительно разрабатываются методы для "валидации" (подтверждения) открытия. Все это означает, сугубо на мой личный взгляд, что, как только уже имеющиеся данные LIGO загрузят в алгоритм, то, новое открытие будет моментально из этого следовать.
К сожалению, комментарии по подготовке к запуску данного метода в LIGO не могу дать, по причинам политики научной коллаборации. Каких-либо значимых проблем у нового метода не было замечено. Однако, хочу заметить, аналогичный способ трудно приложить к нейтронным звездам, так как, в отличие черных дыр, сигнал от их слияния длится гораздо дольше. А длина сигнала играет важную роль в новом методе.
Спасибо, что прочитали статью!
Если статья показалась интересной - посмотрите другие статьи на моем канале, а так же не забудьте подписаться. Я планирую потихоньку-понемного выпускать и другие аналогичные публикации.
* - Рори начал сотрудничать с Эриком по этому проекту еще в Калифорнийском Технологическом университете Caltech
** - Эрик Трейн - научный руководитель автора данной статьи
*** - Автор выражает свое личное мнение, которое может не совпадать с позицией коллаборации LIGO и упомянутых ученых. Заявления в данной статье не являются заявлениями от лица коллаборации LIGO
