LIGO — крупнейшая гравитационно-волновая обсерватория, которая регистрирует едва заметные колебания пространства после слияний черных дыр и нейтронных звезд. Теперь ее хотят сделать в несколько раз результативнее: после модернизации установка сможет ежегодно находить тысячи слияний черных дыр и в некоторых случаях предупреждать о столкновении нейтронных звезд за несколько минут до финала.
Исследователи международной коллаборации LIGO представили сразу две работы о настоящем и будущем обсерватории. Команда под руководством Лин Сун описала проект следующей крупной модернизации — LIGO A♯, а Джейн Гланзер, Адриан Хелмлинг-Корнелл и их коллеги подвели технические итоги самого продолжительного и чувствительного цикла наблюдений O4.
Новую обсерваторию с нуля строить не придется. Ученые предлагают глубоко модернизировать существующие четырехкилометровые установки LIGO после следующего этапа A+. A♯ рассчитан на 2030-е годы и должен стать переходом к еще более мощным гравитационно-волновым обсерваториям будущего.
Что такое LIGO
LIGO — это не телескоп в привычном смысле. Он не фотографирует космос, а измеряет крошечные изменения самого пространства.
Две основные установки находятся в США и имеют форму гигантской буквы L. По их вакуумным плечам длиной около четырех километров проходит лазерный свет, отражаясь между зеркалами.
Когда две черные дыры или нейтронные звезды сталкиваются, они создают гравитационные волны. Дойдя до Земли, такие волны на невероятно малую величину меняют расстояние между зеркалами — LIGO как раз и пытается это заметить.
Первый такой сигнал обсерватория зарегистрировала в 2015 году при слиянии двух черных дыр. К концу этапа O4b число значимых кандидатов за все циклы наблюдений достигло 390. Теперь речь идет уже не о нескольких громких событиях, а о переходе к тысячам наблюдений.
LIGO при этом работает не в одиночку. Вместе с американскими установками гравитационные волны ищут европейский детектор Virgo в Италии и японский KAGRA. Несколько обсерваторий, расположенных в разных частях Земли, позволяют не только подтвердить сигнал, но и намного точнее определить, из какой области неба он пришел.
Тысячи столкновений черных дыр ежегодно
По расчетам авторов, будущая конфигурация A+ сможет регистрировать порядка 800 слияний двойных черных дыр в год. Для базового A♯ оценка возрастает примерно до 2800, а для оптимистичного варианта — до 6600 событий ежегодно.
Это модельные значения, а не точный прогноз: ученые пока не знают, насколько часто черные дыры сливаются во всей Вселенной. Но по общим оценкам A♯ может увеличить количество регистрируемых слияний примерно в четыре-восемь раз по сравнению с A+.
При таких объемах ученые смогут изучать не отдельные необычные черные дыры, а целые их популяции и прослеживать, как они менялись на протяжении миллиардов лет.
О столкновении нейтронных звезд можно будет узнать заранее
Еще одна впечатляющая возможность касается нейтронных звезд.
Перед столкновением две такие звезды долго вращаются друг вокруг друга, постепенно ускоряясь. Чем чувствительнее LIGO к низким частотам, тем раньше он способен услышать этот процесс.
Для рассмотренной авторами пары нейтронных звезд чувствительность уровня O4 дает около 30 секунд предупреждения до слияния. Для A+ — примерно 1,6 минуты. A♯ увеличивает это время до 6–7 минут.
За эти минуты другие обсерватории смогут получить сигнал тревоги и попытаться навести телескопы на нужную область неба еще до вспышки или сразу после нее. Это повышает шансы одновременно увидеть гравитационные волны, гамма-всплеск и килоновую.
Чем больше детекторов сети одновременно поймают сигнал, тем точнее удастся определить область неба, где происходит слияние. В расчетах A♯ авторы использовали сеть из двух установок LIGO и Virgo — именно совместная работа нескольких обсерваторий должна помочь быстрее передавать координаты обычным телескопам.
Авторы предупреждают, что шесть-семь минут — расчет для конкретного идеализированного события. В реальности все зависит от расстояния, положения источника и числа работающих детекторов.
Дальность приблизится к двум миллиардам световых лет
Увеличится и пространство, которое сможет контролировать LIGO. Для характерного слияния нейтронных звезд расчетная дальность A+ составляет около 280 мегапарсеков. Базовый A♯ увеличивает ее до 440 мегапарсеков, а оптимистичный вариант — примерно до 610 мегапарсеков, или почти 2 млрд световых лет.
Для пар черных дыр дальность тоже заметно возрастет. Это особенно важно потому, что увеличение радиуса наблюдений быстро расширяет доступный объем Вселенной — и вместе с ним количество потенциальных событий.
Черные дыры после столкновения продолжают «звенеть»
После слияния черная дыра не сразу приходит в спокойное состояние. Она некоторое время совершает затухающие гравитационные колебания — так называемый ringdown, который можно сравнить со звоном колокола после удара.
Частоты этого «звонка» зависят от массы и вращения образовавшейся черной дыры. Если измерить их достаточно точно, можно проверить, насколько хорошо реальные черные дыры соответствуют общей теории относительности.
В одном из модельных примеров нынешняя чувствительность O4 давала слишком слабый сигнал после слияния, A+ тоже не позволял хорошо определить параметры объекта. А у базового A♯ сигнал становился достаточно сильным для полноценного анализа.
То есть будущий LIGO сможет не просто сообщить: «две черные дыры столкнулись», — но и гораздо подробнее изучить то, что после этого образовалось.
A♯ поможет искать редкие черные дыры и новую физику
Более высокая чувствительность позволит лучше искать черные дыры промежуточных масс — редкий класс между обычными звездными и сверхмассивными черными дырами.
В одном из расчетов тяжелая система на большом расстоянии оставалась практически незаметной для A+, но становилась доступной A♯ благодаря улучшенной работе на низких частотах. Такой сигнал может дать подсказки о том, как массивные черные дыры росли в ранней Вселенной.
Ученые рассчитывают искать и сигналы, которых пока вообще никто не обнаруживал: постоянные гравитационные волны от слегка деформированных нейтронных звезд и общий слабый гравитационный «гул» множества далеких слияний.
Есть и еще более необычная возможность. Некоторые модели сверхлегкой темной материи предполагают, что она может создавать едва заметные периодические воздействия на зеркала или лазерный свет интерферометра. A♯ расширит диапазон таких поисков, хотя это, конечно, не означает гарантированного обнаружения темной материи.
Ради этого LIGO придется серьезно переделать
Четвертый цикл O4 уже стал самым продолжительным и чувствительным наземным поиском гравитационных волн. В лучшие периоды LIGO мог регистрировать характерные слияния нейтронных звезд примерно с расстояний около полумиллиарда световых лет.
Но дальнейшему росту мешают вибрации, движение грунта, рассеянный свет, тепловые эффекты и даже квантовый шум.
Поэтому A♯ получит значительно более массивные зеркала: вместо 40 кг — 105 кг. Мощность света, циркулирующего внутри каждого четырехкилометрового плеча, хотят увеличить примерно с 550 кВт до 1,5 МВт. Все это потребует новых подвесов, более тихих покрытий зеркал, улучшенной сейсмоизоляции и более эффективного подавления квантового шума.
Пока это проект, а не готовый детектор
A♯ пока остается концепцией следующей модернизации LIGO. Некоторые ключевые технологии еще предстоит довести до нужного уровня — прежде всего зеркальные покрытия и стабильную работу при очень высокой оптической мощности.
Но если проект удастся реализовать, гравитационно-волновая астрономия может заметно измениться. Слияния черных дыр перестанут быть редкими отдельными событиями и превратятся в поток из тысяч наблюдений, а LIGO сможет не только находить космические катастрофы, но и использовать их для проверки устройства черных дыр, сверхплотной материи и фундаментальных законов физики.
Читайте также: