В новом исследовании астрономы из токийского Исследовательского института космических лучей в Японии предложили метод, при помощи которого космический телескоп Гайя, наблюдающий за звёздами нашей Галактики, сможет отслеживать фоновое гравитационное излучение Вселенной, используя эффект гравитационного линзирования. Препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Космический телескоп Гайя, удивительное достижение инженерного гения, в основном занимается составлением подробной карты распределения звёзд в Млечном Пути. И в процессе спутник собирает так много точных данных, что на их основе можно делать и другие открытия, выходящие далеко за рамки основной миссии. К примеру, изучая спектры излучения звёзд, астрономы могут измерять их массу с точностью до 25%. На основании движений звёзд можно делать выводы о распределении тёмной материи в Млечном Пути. Гайя даже может увидеть экзопланеты, проходящие перед звездой. Однако удивительнее всего то, что спутник может распознавать космические гравитационные волны.

В новом исследовании учёные из коллабораций LIGO и Virgo прочесали данные, полученные этими гравитационными обсерваториями, в поисках свидетельств гравитационного линзирования гравитационных волн. Хотя подтверждений этому эффекту в данных не нашлось, теория говорит, что гравитационные волны тоже должны быть подвержены воздействию крупных масс.

Астрономия, использующая гравитационные волны, отличается от той, что изучает электромагнитное излучение, в частности, видимый свет. Гравитационные волны слабы и их сложно обнаружить, зато они легко проходят сквозь массивные объекты. Благодаря этому гравитационная астрономия становится очень удобным инструментом изучения Вселенной. Правда, пока она ещё на самых ранних стадиях развития.


Гравитационное линзирование

Широко известен и многократно проверен эффект гравитационного линзирования света, предсказанный Эйнштейном. Свет от удалённого объекта отклоняется из-за гравитации другого массивного объекта – звезды, чёрной дыры, галактики. В результате массивный объект может фокусировать свет, как линза, и давать множество изображений одного объекта.

Вероятный процесс возникновения асимметрии во Вселенной. 1) Потенциал инфляции обретает форму, и начинает своё развития с минимума. 2) В конце инфляции поле начинает скатываться к минимуму. 3) В разных частях поля формируются комочки. 4) Комочки быстро распадаются, и практически исчезают. 5) Их резкое исчезновение порождает новые волны пространства-времени. Вероятно, эти волны можно уловить при помощи детекторов гравитационных волн.

Команда физиков-теоретиков обнаружила, что существует вероятность найти в гравитационных волнах Q-шары. Их обнаружение сможет ответить на вопрос, почему после Большого Взрыва осталось значительно больше материи, чем антиматерии. Работа «Detectable Gravitational Wave Signals from Affleck-Dine Baryogenesis» опубликована в журнале Physical Review Letters и на сайте arXiv.org.

Существование галактик, звёзд, планет и людей обусловлено тем, что в первые моменты существования Вселенной материи в ней образовалось больше, чем антиматерии. Совсем немного больше — на каждые десять миллиардов частиц антиматерии возникала всего одна «лишняя» частица материи. Однако и такую небольшую асимметрию современная физика убедительно объяснить не может. Согласно стандартным теориям материи и антиматерии должно было появиться строго поровну – следовательно, существование всего, что мы видим, говорит о наличии каких-то пока неизвестных нам физических законов.

В новой работе международной независимой группы учёных и инженеров, называющих себя Applied Physics, исследуется идея о поиске следов внеземной разумной жизни при помощи гравитационных волн. С их точки зрения, существующие наземные детекторы гравитационных волн – та же обсерватория LIGO – теоретически смогут засечь гравитационные волны, генерируемые технологическими мегаструктурами инопланетян. Работа ожидает рецензирования в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и доступна на препринт-сервере arXiv.

Хотя вопрос о том, одиноки ли мы во Вселенной, волнует многих учёных, существующие технологии поиска высокоразвитых соседей чрезвычайно ограничены. Электромагнитные волны, используемые нами для обмена данными, с расстоянием затухают, поэтому «прослушать» на этих волнах мы можем всего несколько десятков тысяч звёзд, расположенных в паре сотен световых лет от нас.

Гравитационные волны ведут себя по-другому. Они не затухают, и их можно обнаружить на гораздо больших расстояниях. Если существует развитая цивилизация, технологии которой генерируют мощные гравитационные волны, то мы, возможно, сможем их засечь.

17 марта Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики опубликовал результаты исследований проекта BICEP2, которые позволяют с уверенностью говорить о том, что учёным наконец удалось обнаружить следы гравитационных волн, возникших в момент Большого взрыва. Это открытие по значимости сравнимо с обнаружением бозона Хиггса — оно является прямым подтверждением инфляционной модели Вселенной, разработанной в начале 80-х годов Аланом Гутом и Андреем Линде. Эта модель предполагает, что расширение Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва происходило намного быстрее, чем предсказывает стандартная модель горячей Вселенной.


Поляризационные «завитки» в реликтовом излучении, вызванные гравитационными волнами Большого взрыва

42 йоктоньютона, или 42*10^-24 ньютона — сила, воздействовашая на облако из 1200 атомов рубидия, охлажденных почти до нуля кельвинов в ходе уникального эксперимента, проведённого учёными из национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Это самая слабая сила, когда либо измеренная человеком. Она всего в четыре раза превышает теоретический минимум (стандартный квантовый предел), ниже которого никакую силу измерить невозможно из-за фундаментальных ограничений квантовой механики. Предыдущий «рекорд слабости» (174 йоктоньютона) был поставлен в 2010 году.

Место расположения детектора LIGO

Приближаются к завершению работы по обновлению оборудования на лазерном детекторе гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). В этом году должны начаться испытания, а на полную мощность проект планируют вывести не позднее следующего года. Обновлённый детектор получит в 10 раз большую чувствительность, чем первая версия, и по заверениям учёных, обнаружение гравитационных волн с его помощью «практически гарантировано».

Франко-итальянский детектор Virgo, вид с воздуха на центральное здание, трёхкилометровое западное плечо и начало северного плеча (когда пространство-время сжимается, изменяется длина плеч: одно становится длиннее, а другое короче). Прочие здания — это офисы, мастерские, компьютерные залы и зал управления интерферометром. Фото: The Virgo collaboration/CCO 1.0

В августе три детектора на двух континентах зарегистрировали сигнал гравитационной волны — колебания ткани пространства-времени — от пары чёрных дыр в процессе слияния. Событие наблюдалось в районе GW170814, о нём 27 сентября 2017 года объявила конгломерация LIGO (пресс-релиз LIGO, пресс-релиз Национального научного фонда, научная статья о событии). Слияние чёрных дыр зарегистрировано 14 августа 2017 года в 10:30:43 UTC.

Это уже четвёртая гравитационная волна, которую зафиксировали обсерватории LIGO, но первый случай, когда гравитационные волны зарегистрированы сразу тремя разными детекторами, в том числе европейским Virgo. Работа показывает результат улучшенной локализации космических событий через глобальную систему объединённых в единую сеть обсерваторий гравитационных волн. В открытии участвовали два детектора конгломерации LIGO в штатах Луизиана и Вашингтон (США), а также детектор Virgo, размещённый возле Пизы (Италия). Он впервые участвовал в детектировании гравитационных волн.

Сегодня научная коллаборация LIGO-Virgo объявила об обнаружении гравитационных волн от второго источника и обнародовала результаты первого научного цикла наблюдений (всего три события за четыре месяца наблюдений). Статья опубликована в Physical Review Letters.

Радиотелескоп в Паркесе, прозванный местными «Тарелка»

Эксперимент по обнаружению гравитационных волн, длящийся уже одиннадцать лет, не смог обнаружить их присутствия. Использовавшиеся в эксперименте радиотелескопы не смогли зафиксировать ничего, что можно было бы интерпретировать в поддержку теории наличия этих волн.

О завершении текущей фазы эксперимента рассказали астрономы из обсерватории города Паркес, Австралия. Она входит Объединение австралийских национальных обсерваторий, и является ключевым звеном программы Parkes Pulsar Timing Array по поиску гравитационных волн при помощи временных пульсарных решёток. Эта программа, в свою очередь, является частью большой международной программы International Pulsar Timing Array, в которой, кроме PPTA, участвуют группы обсерваторий из Европы (EPTA) и Северной Америки (NANOGrav).

Задача программы – обнаружить низкочастотные (от 10^-9 до 10^-6 Гц) гравитационные волны, предсказанные ещё Эйнштейном в рамках общей теории относительности. Согласно гипотезе, такие волны могут излучать двойные системы из двух чёрных дыр, находящихся в центрах сливающихся галактик. В таких системах чёрные дыры массой в десятки миллионов солнечных вращаются вокруг общего центра масс с периодами от нескольких месяцев до нескольких лет.

Для поиска волн учёные использовали выборку из нескольких десятков миллисекундных пульсаров. Пульсары – это вращающиеся нейтронные звёзды, испускающие лучи электромагнитного излучения. Когда луч вращающегося пульсара проходит по планете Земля, мы можем засечь его при помощи радиотелескопов. Благодаря вращению пульсаров это событие случается с определёнными периодами – обычно от нескольких секунд до нескольких миллисекунд. В рамках проекта распределённых вычислений Einstein@Home на 2012 год было найдено 63 пульсара.

В этот четверг, в 18.30 по Москве состоится пресс-конференция научной коллаборации LIGO, посвященная прогрессу в детектировании гравитационных волн.


На официальной странице коллаборации появилось сообщение с подробностями о грядущем сообщении. Планируется также прямая трансляция в Youtube, и в Google Hangouts, где можно будет задать любые вопросы ученым и получить подробные ответы.

Сегодня на специальной пресс-коференции ученые международной коллаборации LVC (LIGO) объявили о первом прямом детектировании гравитационных волн от слияния двух черных дыр с достоверностью 5.1σ.

UPD Запись пресс-конференции — историческое видео теперь. Кстати, отлично объясняю, что к чему. Еще добавил в конец статьи больше ссылок на материалы.


Image Credit: Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel (see www.black-holes.org/lensing)

14 сентября 2015 год в 09:50:45 UTC два детектора LIGO (расположенные в США) одновременно наблюдали гравитационно-волновой сигнал GW150914. Сигнал с возрастающей частотой от 35 Гц до 250 Гц и амплитудой деформации метрики в 1x10^-21. Сигнал соответствует предсказаниям Общей Теории Относительности (ОТО) для слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечной.

Что еще интереснее, это открытие впервые позволяет с уверенностью сказать о существовании систем черных дыр, и характеризовать динамику системы черных дыр с позиций ОТО.

Результаты исследования опубликованы сегодня в Physical Review Letters.

11 февраля 2016 года навсегда войдёт в историю. В этот день состоялось одно из величайших научных открытий последнего времени — открытие гравитационных волн, предсказанных почти сто лет назад общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Рябь в ткани пространства-времени, которая искажает пространство и время вокруг себя, дошла до Земли и впервые была напрямую зарегистрирована.

«Мы открываем новую эру — эру гравитационно-волновой астрономии. Это можно сравнить с появлением телескопа или радиоастрономии. У нас появился новый инструмент для исследования Вселенной», — считает один из участников проекта LIGO, руководитель группы «Когерентная микрооптика и радиофотоника» Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Городецкий.

Международный проект LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, был запущен в 1992 году, сейчас в нём участвуют учёные из 15 стран. С самого начала в экспериментах участвовали российские физики, в том числе научные группы под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова.

Третье место в рейтинге топ-100 самых громких научных работ 2016 года заняла работа с результатами наблюдения гравитационных волн. Научные работы по физике очень редко привлекают внимание СМИ, выход на 3-е место по цитируемости — редчайшее событие. А ведь четвёртое место заняла ещё одна работа по астрофизике со свидетельствами существования Нибиру девятой планеты Солнечной системы. Так что этот год был по-настоящему уникальным для физики

Каждый год британская компания Altmetric составляет рейтинг Altmetric Top 100 со списком научных работ, которые получили наибольшее внимание публики в этом году. Компания отслеживает количество новостных статей, в которых цитируется научная работа, эхо в социальных сетях, количество упоминаний в Википедии, StackOverflow, Faculty1000 и некоторые другие параметры с определённым весом каждого.

Топ-100 по итогам 2016 года получился очень необычным.

Сегодня международная коллаборация LIGO-Virgo объявила о регистрации гравитационных волн в третий раз в истории. Источником, как и в предыдущие два раза, являлась пара черных дыр. О результатах исследования опубликована статья в Physical Review Letters.

Сегодня коллаборация LIGO & Virgo объявили (будет опубликована в PRL, статью можно почитать тут) о новом детектировании гравитационных волн (GW170814). Первые три события (раз, два, три) были зарегистрированы на двух детекторах LIGO в США. 1 августа к наблюдениям присоединился европейский детектор Advanced VIRGO, расположенный в Италии. А уже 14 августа гравитационные волны от слияния двух черных дыр были зарегистрированы всеми тремя детекторами.


Оценка расположения всех зарегистированных источников гравитационных волн. GW170814 определен с гораздо большей точностью за счет использования данных с трех детекторов.

Коллаборация LIGO-Virgo вместе с астрономами из 70 обсерваторий объявила сегодня о наблюдении слияния двух нейтронных звезд в гравитационном и электромагнитном диапазонах: увидели гамма-всплеск, а также рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное и радио излучение.


Иллюстрация столкновения нейтронных звезд. Узкий выброс по диагонали — поток гамма-лучей. Светящееся облако вокруг звезд — источник видимого света, который наблюдали телескопы после слияния. Credit: NSF/LIGO/Sonoma State University/Aurore Simonnet

Нейтронные звезды, самые маленькие и плотные из всех звезд, образуются при взрыве сверхновой. Когда две нейтронные звезды образуются в паре, они вращаются друг вокруг друга, и постепенно теряют энергию, сближаясь и излучая гравитационные волны, пока наконец не сталкиваются. Такое столкновение и наблюдали телескопы LIGO, а через две секунды после — гамма-вслеск достиг космического телескопа Ферми, и в последующие дни и недели астрономы могли наблюдать событие в других электромагнитных диапазонах.

Впервые гравитационные волны были зарегистрированы два года назад — от слияния черных дыр. С тех пор еще три сигнала от черных дыр были приняты детекторами, последний — всего за три дня до этого события.

Под катом — о сигнале и открытиях, с ним связанных: точной оценке на скорость гравитационных волн, независимой оценке на постоянную Хаббла и новых данных по физике нейтронных звезд.

UPD Краткое изложение главной статьи о детектировании ГВ на русском — здесь.

Нобелевская премия по физике за 2017 год ожидаемо досталась Кипу Торну, Райнеру Вайссу и Берри Беришу за экспериментальное обнаружение гравитационных волн на лазерно-интерферометрических приборах LIGO. Этот успех (а обнаружение гравитационных волн (ГВ) от двух сливающихся черных дыр первый раз произошло 14 сентября 2015 года) стал плодом примерно 50-летнего развития техники для детектирования ГВ. В результате этого развития инструмент LIGO обладает леденящими характеристиками, впрочем, никакие человеческие эпитеты не передают уровня прецизионности этой машины.


Лазерно-интерферометрическая гравитационная обсерватория LIGO в Ливингстоне, Луизиана, США.

Сегодня поговорим об инженерном устройстве LIGO. Но прежде — о гравитационных волнах вообще.