Прямое обнаружение гравитационных волн в 2015 году открыло новое окно во Вселенную, позволив «услышать» слияния чёрных дыр и нейтронных звёзд. Эти пространственно-временные колебания несут уникальную информацию о самых экстремальных процессах в космосе.
Принцип детектирования. Детекторы LIGO используют лазерную интерферометрию с плечами длиной 4 км.
Гравитационная волна растягивает одно плеч и сжимает другое с относительной точностью 10⁻²¹ — в 10 000 раз меньше размера протона. Лазерный луч расщепляется, проходит по плечам, отражается от зеркал и возвращается. При прохождении волны световые лучи приходят в разное время, что регистрируется детектором.
Первые открытия. GW150914 — сигнал от слияния чёрных дыр массами 36 и 29 солнечных масс на расстоянии 1,3 млрд световых лет — стал первым прямым детектированием. За 0,2 секунды система излучила энергию, эквивалентную 3 солнечным массам, в виде гравитационных волн.
Многомессенджерная астрономия. Событие GW170817 — слияние нейтронных звёзд — наблюдалось одновременно в гравитационных волнах, гамма-лучах, рентгене, оптике и радио. Это позволило измерить постоянную Хаббла (70±10 км/с·Мпк) независимым методом и подтвердить происхождение коротких гамма-всплесков.
Спектр гравитационных волн. Различные частотные диапазоны открывают разные явления:
- Высокие частоты (10-1000 Гц): слияния звёздных чёрных дыр и нейтронных звёзд — LIGO/Virgo
- Средние частоты (0,1 мГц - 1 Гц): сверхмассивные чёрные дыры — будущий детектор LISA
- Низкие частоты (наногерцы): пульсарный тайминг-массив детектирует фон от сверхмассивных двойных
Детекторы третьего поколения. Einstein Telescope и Cosmic Explorer увеличат чувствительность в 10 раз, позволив наблюдать слияния чёрных дыр во всей видимой Вселенной. Они смогут детектировать «тихие» коллапсы звёзд без сверхновых — варп-объекты.
Космическая интерферометрия. Миссия LISA (запуск ~2034) разместит три спутника в треугольнике со сторонами 2,5 млн км. Она будет чувствительна к слияниям сверхмассивных чёрных дыр, инспиралям белых карликов и экзотическим источникам типа космических струн.
Первичные гравитационные волны. Реликтовые волны от инфляции Вселенной могут нести информацию о квантовых флуктуациях в момент рождения пространства-времени. Их амплитуда связана с энергетическим масштабом инфляции — 10¹⁶ ГэВ.
Тёмная материя и экзотика. Некоторые модели тёмной материи предсказывают специфические сигнатуры в гравитационных волнах от фазовых переходов в раннем космосе или от аннигиляции первичных чёрных дыр. Поиск таких сигналов может выявить новую физику.
Будущее направления. Планируются квантовые детекторы с выжимаемым светом, подземные лаборатории с сейсмической изоляцией и атомные интерферометры в космосе. К 2040 году сеть из 10+ детекторов обеспечит точную локализацию источников и проверку общей теории относительности с беспрецедентной точностью.
Звучание Вселенной открывает новую эру астрономии, где мы не только видим свет далёких объектов, но и ощущаем вибрации самого пространства-времени.