Черные дыры ходят парой!

Подтверждается существование новой популяции черных дыр

Алексей Щербаков

1 июня, 2017 21:30

7 мин

Группа ученых физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова в составе международной Научной коллаборации LIGO приняла участие в регистрации гравитационных волн. Это произошло уже в третий раз в истории исследований LIGO. Гравитационный сигнал был зарегистрирован на двух детекторах LIGO в США.

Ученые сообщают, что ни один из экспериментов по детектированию гравитационных волн не опроверг общую теорию относительности Эйнштейна. Особенность слившейся пары черных дыр, зарегистрированной LIGO в третий раз, заключается в том, что, по крайней мере, у одной черной дыры из пары собственный момент вращения, спин, не совпадает по направлению с полным моментом орбитального движения пары. Это говорит в пользу гипотезы, что черные дыры, составляющие пару, образовались далеко друг от друга. Результаты исследования описаны в статье, принятой к публикации журналом Physical Review Letters 118, 221101 (2017).

Детекторы Лазерной-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в третий раз зарегистрировали гравитационные волны, подтвердив, что новый канал получения астрофизической информации вступил в действие. Как и в первых двух случаях, волны были порождены столкнувшимися черными дырами, в результате слияния которых образовалась новая черная дыра массой, составляющей около 49 солнечных масс.

В предыдущих двух зарегистрированных событиях массы образовавшихся черных дыр составили 61 и 21 масс Солнца соответственно, которые расположены на расстоянии 1,3 и 1,4 миллиарда световых лет от Земли. В случае третьего события источник находился на расстоянии около 3 миллиардов световых лет. Энергия, выделяющаяся при слиянии этих черных дыр, превышает световую энергию, излучаемую за это же время всеми звездами и галактиками во Вселенной.

«Интересно то, где находились черные дыры во время столкновения, а это было миллиарды лет назад. Если в первых зарегистрированных событиях они находились на расстояниях 1,3 – 1,4 миллиарда световых лет, то в третьем событии – около 3 миллиардов, примерно в два раза дальше. Два детектора в США зафиксировали сигналы, между которыми есть небольшой временной сдвиг, около 3 миллисекунд, который дает информацию о направлении, откуда пришел этот сигнал. В целом, природа всех трех событий одинаковая: слияние двух черных дыр», — сообщает профессор физического факультета МГУ, доктор физико-математических наук Валерий Митрофанов.

«Масса черной дыры определяется по форме гравитационного сигнала. По частоте вращения оценивается расстояние между ними, а значит, и размеры, — комментирует соавтор исследования Сергей Вятчанин, заведующий кафедрой физики колебаний физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. — Ученые хотят выжать из этих трех сигналов от гравитационных волн максимум возможного. В том числе посмотреть, как соотносятся эти сигналы, и нет ли нарушений общей теории относительности по этим событиям».

В результате анализа сигналов, зарегистрированных детекторами обсерватории LIGO, было обнаружено, что с большой вероятностью у вновь обнаруженной пары черных дыр направления собственного вращения (спины) не совпадают, то есть они вращаются в разных направлениях, а значит, эти объекты, по-видимому, сформировались в плотном звездном скоплении отдельно друг от друга, а уже затем образовали двойную систему.

«Теоретики, тоже работающие в коллаборации LIGO, научились более точно говорить о направлении собственного вращения (спине) черных дыр. Они вращаются и вокруг своей оси, и относительно друг друга, около общего центра масс. И в этом третьем событии регистрации гравитационных волн очень внимательно исследовался процесс собственного вращения черных дыр. Было показано, что оси вращения у них вообще не совпадают.

Это позволяет говорить в пользу гипотезы образования этих черных дыр, предполагающей, что сначала они были как бы отдельно в звездном скоплении, каждая черная дыра образовалась сама по себе, а потом они подошли близко друг к другу, образовали двойную систему и, наконец, столкнулись и слились. Есть альтернативная гипотеза, что две черные дыры образовались из двойной системы звезд. Но в таком случае более вероятно, что направления собственного вращения (спина) были бы одинаковые», — объясняет Валерий Митрофанов.

Один из важных вопросов, относящихся к распространению гравитационных волн: проявляют ли они дисперсию, то есть зависит ли их скорость распространения от их частоты? Частоты гравитационных волн, зарегистрированных в третьем событии, лежат в диапазоне примерно от 30 до 350 Гц. Ученые сообщают, что гравитационные волны с разными частотами в исследуемом диапазоне распространяются от своего источника до Земли с одной и той же скоростью, скоростью света, и дисперсия отсутствует. Даже небольшого нарушения между разными частотными компонентами ученые не видят. Таким образом, ничто не ставит под сомнение общую теорию относительности.

Исследователи ждут новых событий — регистраций гравитационных волн не только от слияния черных дыр, но и нейтронных звезд, а также от других источников, на которые нацелены детекторы LIGO.

«Детекторы LIGO смотрят на все небо, охватывают практически всю сферу одновременно. Слияния нейтронных звезд зарегистрировано еще не было, потому что считается, что нейтронные звезды поменьше», — говорит Сергей Вятчанин.

Конечно, по мере увеличения чувствительности детекторов такие события будут происходить чаще. Ученые МГУ участвуют в исследованиях, направленных на увеличение чувствительности гравитационных антенн.

«В настоящее время основные усилия научной группы из МГУ направлены на разработку криогенных гравитационно-волновых детекторов нового поколения, на использование новых методов квантовых измерений, которые позволят значительно улучшить их чувствительность», — говорит Валерий Митрофанов.

Обсерватория LIGO финансируется Национальным научным фондом США (NSF). Она построена и эксплуатируется Калифорнийским и Массачусетским технологическими институтами (Caltech и MIT). Финансовая поддержка проекта Advanced LIGO осуществляется Национальным научным фондом США вместе с Обществом Макса Планка Германии, Советом по обеспечению науки и технологии Великобритании и Австралийским советом по исследованиям, которые вносят значительный вклад в проект.

Более 1000 ученых из различных стран участвуют в проекте, объединившись в Научную коллаборацию LIGO – LSC, которая включает в себя коллаборацию GEО. Партнером LIGO является коллаборация Virgo, в которой работают еще 280 европейских ученых, поддерживаемых Национальным центром научных исследований Франции (CNRS), Национальным институтом ядерной физики Италии (INFN), Нидерландским Nikhef, а также основными институтами, входящими в Virgo и Европейскую гравитационную лабораторию.

Третья регистрация гравитационных волн двумя детекторами LIGO, расположенными в Ливингстоне, штат Луизиана, и в Хэнфорде, штат Вашингтон, США, произошла 4 января 2017 года в цикле наблюдений, который начался 30 ноября 2016 года и продолжается до настоящего времени.

Россия представлена в LSC двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и группой Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).

Московскую группу создал и вплоть до последнего времени возглавлял член-корреспондент РАН Владимир Брагинский — всемирно известный ученый, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире. В состав научной группы, также входят профессора кафедры физики колебаний: Игорь Биленко, Михаил Городецкий, Фарит Халили, доцент Сергей Стрыгин и старший преподаватель Леонид Прохоров. Неоценимый вклад в исследования вносят студенты, аспиранты и технический персонал кафедры.