Тёмная материя проявляет себя лишь в гравитационном взаимодействии, что делает её невидимой в электромагнитном спектре. Можно ли раскрыть её секреты, не получая данных о тёмном веществе напрямую? В этом могут помочь пульсары, уверены учёные. Радиоволновые импульсы от этих природных часов распространяются по кривизне пространства-времени и реагируют на гравитационные возмущения от сгустков тёмной материи.

Художественное представление пульсара. Источник изображения: NASA Goddard/Walt Feimer

Исследователи из Университета Нотр-Дам (США) изучили 65 пульсаров из каталога Parkes Pulsar Timing Array, данные по которым собирает одноимённая радиообсерватория в Австралии. Идея заключалась в том, что искривление пространства-времени под воздействием сгустка тёмной материи внесёт задержку в радиоимпульс какого-либо пульсара. Эту задержку длительностью в несколько наносекунд мы можем измерить с использованием атомных часов на Земле и собранных данных о пульсарах, которые служат своеобразными маяками во Вселенной и невообразимо точны для нашего масштаба времени.

Пульсары — это нейтронные звёзды, ядра умерших массивных звёзд, многократно больше нашего Солнца. Если они при осевом вращении направляют полюса в сторону Земли, то мы фиксируем радиоимпульс от выброса энергии. Массы вещества на пути радиоимпульсов — обычного и тёмного — искривляют пространство-время и делают путь радиолуча длиннее, как если бы он двигался не по прямой, а по окольному пути. В приходе импульса возникает задержка, которая позволяет судить о массе, вызвавшей возмущение пространства-времени. И если в том месте пространства нет видимого объекта, например, звезды или скопления звёзд, то там может скрываться невидимая тёмная материя.

В данных о 65 пульсарах учёные обнаружили 12 обнадёживающих аномалий, которые указывали на изменения и задержки во времени пульсаров, ранее зафиксированные радиотелескопом. Земля, Солнце и пульсары очевидным образом постоянно движутся в пространстве, создавая всё новые и новые условия для наблюдений. Все изменения в длительности импульсов пульсаров создают образ пространства-времени между этими объектами, который учёные пытаются расшифровать.

Визуализация гравитационных волн, производимых сверхмассивными чёрными дырами. Источник изображения: nanograv.org

Данная работа имеет также другое значение. Примерно год назад впервые была подтверждена регистрация низкочастотных гравитационных волн — своеобразной ряби пространства-времени во Вселенной. Это почти как решётка пространства-времени, которая как и реликтовое излучение может дать информацию о процессах вскоре после Большого взрыва и более поздних. Данные о задержках сигналов пульсаров могут помочь исключить гравитационный шум — помехообразующее воздействие тёмной материи на эту рябь, что повысит точность измерений других явлений, таких как слияние чёрных дыр на заре Вселенной и процессы с первичными чёрными дырами.

Группа учёных из Германии и Великобритании доказала возможность обнаружения инопланетных кораблей по сбоям в работе варп-двигателей, причём чем сильнее будут сбои, тем лучше. Авария или нестабильная работа ведёт к схлопыванию варп-пузыря вокруг корабля и порождает специфические гравитационные волны. Обнаружение подобных волн однозначно укажет на их искусственное происхождение и станет неопровержимым доказательством развитой инопланетной цивилизации.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Впервые на Земле гравитационные волны были детектированы 14 сентября 2015 года. Во Вселенной они порождаются в результате слияния сверхмассивных компактных объектов: самих чёрных дыр, чёрных дыр и нейтронных звёзд, и самих нейтронных звёзд. Волны возникают в момент сближения объектов в ходе их ускорения. От размеров детекторов (сейчас у них плечо около 3 км) зависят длины волн и размеры объектов, которые таким способом можно детектировать. Если длина волны превышает длину датчика, то она не оставит на нём свой след. Также, расчёты показывают, что современные детекторы не смогут уловить гравитационные волны от корабля размерами около километра и меньше. Его двигатели создадут гравитационную волну с частотой, которая выше регистрируемой.

Варп-двигатели, или двигатели искажающие пространство-время — сжимающие его по курсу корабля и расширяющие за кормой, чем достигаются околосветовые скорости и выше — это безоговорочная фантастика. И всё же, эта фантастика не противоречит общей теории относительности Эйнштейна. Используя уравнения ОТО мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре в 1994 году доказал теоретическую возможность реализации варп-двигателя для межзвёздного корабля. Главным недостатком выкладок Алькубьерре признаётся необходимость отрицательной энергии/массы в составе двигателя, которых в современной физике нет. Но совсем недавно учёные теоретически доказали возможность создания варп-двигателя в рамках известной физики.

Новая работа исследует работу этого двигателя с постоянной субсветовой скоростью в нештатных режимах, когда варп-пузырь вокруг корабля может исчезать. Учёные не верят в способность инопланетян добиться стабильной работы варп-двигателя. Пусть даже на первых этапах реализации технологии она будет вести себя нестабильно. В условиях нестабильности варп-двигатель начнёт искажать пространство-время с образованием характерных гравитационных волн. Расчёты показывают, что искусственные гравитационные волны будут отличаться от гравитационных волн, появившихся в результате слияния компактных объектов.

«Помимо своего довольно умозрительного применения для поиска внеземной жизни по данным гравитационно-волнового детектора, эта работа интересна как исследование динамической эволюции и стабильности пространства-времени, которые нарушают условие нулевой энергии. Наша работа подчёркивает важность изучения странных новых пространственно-временных областей, чтобы (смело) имитировать то, чего никто раньше не видел», — сообщают авторы работы, появившейся недавно на сайте препринтов arXiv.

5 апреля опубликованы первые данные нового цикла наблюдений коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA, стартовавшего год назад. Первым достоверно подтверждённым событием стал гравитационно-волновой сигнал GW230529. Это событие оказалось уникальным и вторым подобным за всю историю работы детекторов. Один из объектов гравитационного взаимодействия оказался из так называемого разрыва масс между нейтронными звёздами и лёгкими чёрными дырами, а это новая загадка.

Художественное представление разрыва нейтронной звезды чёрной дырой. Источник изображения: Max Planck Institute for Gravitational Physics

Согласно данным гравитационно-волновых детекторов LIGO, событие GW230529 представляет собой взаимодействие двух объектов — одного массой 1,2–2,0 солнечных масс, а второго — более чем в два раза массивнее (2,5–4,5 солнечных масс). Первый компактный объект определён как нейтронная звезда, а второй попал в диапазон масс, в котором ничего не должно находиться. Выше разрыва учёные находили лёгкие чёрные дыры, а ниже — нет. Также в этот диапазон не могут попасть нейтронные звёзды. Остаётся предположить, что учёные открыли легчайшую чёрную дыру, что стало вызовом для современной астрофизики.

В одно из предыдущих наблюдений детекторами LIGO-Virgo подобный объект промежуточной массы уже наблюдался — это сигнал GW190814. Но тогда, в 2019 году, был получен сигнал об объекте из нижнего диапазона разрыва масс, что заставило заподозрить в нём тяжелейшую нейтронную звезду. Сигнал GW230529 подбросил новую загадку, но одна только гравитационно-волновая обсерватория её не решит. Для этого нужны наблюдения в других диапазонах.

Кстати, сигнал GW230529 был обнаружен только обсерваторией LIGO. Обсерватория Virgo в Италии и KAGRA в Японии данных не увидели, поэтому определение направления на событие затруднено. В то же время обнаружение сигнала на одном детекторе стало проверкой нового программного обеспечения, которое успешно отфильтровало шум и вычленило полезный и, как оказалось, уникальный сигнал.

В январе обсерватории были остановлены на плановое обслуживание и модернизацию. Обсерватория в Японии подверглась землетрясению и вынуждена была встать на ремонт. Новый сеанс наблюдения начнётся 10 апреля и продлится до февраля 2025 года. В первый цикл было зафиксировано 81 событие, данные по первому из них — GW230529 — опубликованы. Всего по окончанию цикла ожидается регистрация свыше 200 гравитационно-волновых событий.

В четверг Комитет научных программ Европейского космического агентства дал добро на подготовку к производству оборудования по созданию космической лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории проекта LISA. Изготовление трёх детекторов начнётся примерно через год. В космос установка будет выведена гораздо позже, но это будет невероятный рывок в изучении Вселенной.

Источник изображения: ESA

До недавнего времени люди могли изучать космос в целом спектре электромагнитных излучений от радиодиапазона до оптического и заканчивая гамма-лучами. После запуска в работу в 2015 году лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO в США у людей появилась возможность улавливать гравитационные волны. Благодаря этому Вселенная предстала для учёных в новом свете, что невозможно переоценить.

Например, вместе с LIGO мы получили возможность напрямую уловить сигналы от чёрных дыр — невидимых и поэтому пока гипотетических объектов. Проект LISA в космосе позволит улавливать подобные сигналы в намного большем диапазоне явлений вплоть до ожидания детектирования «реликтовых» гравитационных волн.

Гравитационно-волновые обсерватории на Земле — два детектора LIGO в США, один Virgo в Италии и один KAGRA в Японии — ограничены протяжённостью и воздействием разного рода помех. Каждое из плеч земных интерферометров имеет длину около 3 км. По каждому из них благодаря зеркалам многократно курсирует лазерный луч. Если через детектор проходит гравитационная волна, то один из коридоров растягивается или сжимается в процессе искажения геометрии пространства-времени. Тогда луч в этом коридоре проходит с задержкой или опережением луча в соседнем коридоре (коридоры соединены буквой «Г»). В детекторе происходит наложение одного луча на другой и разница в сдвиге фаз расскажет о масштабе события.

Сравнительно небольшая длина коридоров позволяет фиксировать гравитационные волны только большой частоты. Во-первых, это ограничивает нас по массе объектов — LIGO и другие датчики фиксируют волны только от слияний компактных объектов, таких как нейтронные звёзды и небольшие чёрные дыры. Во-вторых, частота гравитационных волн повышается только перед слиянием таких объектов, когда гравитация заставляет их бешено вращаться вокруг общего центра масс.

Чтобы улавливать низкочастотные гравитационные волны, датчики должны быть разнесены далеко-далеко друг от друга, тогда появится возможность следить за гравитацией парных объектов за год до слияния, а также улавливать слияние сверхмассивных чёрных дыр, которые никуда не торопятся и поэтому излучают гравитационные волны в длинноволновом диапазоне.

Согласно проекту LISA, в космос будет выведено три космических аппарата. Каждый из них будет представлять собой лазерный интерферометр, построенный на основе детекторов, уже опробованных на проекте LIGO. Космические детекторы расположат треугольником, в составе которого каждый из них будет направлять луч в сторону двух других. Длина каждого плеча составит 2,5 млн км. Это будет невероятный по своим возможностям инструмент, которого буквально ещё не было в руках учёных. Мы сможем увидеть Вселенную в гравитационном спектре, если так можно сказать. Выше на видео, например, NASA показало, как это может быть на примере Млечного Пути, где каждый источник гравитационных волн привязан к тому или иному событию или объекту. Это почти как заглянуть в суть вещей.

А ведь это не всё! Группа европейских учёных предложила лёгким движением руки превратить проект LISA в LISAmax. Технически нам ничего не мешает разместить в космосе детекторы на другом расстоянии, чтобы повысить их чувствительность к гравитационным явлениям. Поэтому учёные обосновали возможность разнести детекторы на 295 млн километров! Не исключено, что к 2034 году, когда начнётся вывод детекторов LISA в космос, у нас появится возможность сделать этот проект ещё более революционным.

Сообщается, что произошедшее 1 января 2024 года землетрясение в Японии повредило уникальную установку — детектор гравитационных волн. Всего в мире три таких установки — одна в США, одна в Европе и одна в Японии. Причём японский детектор впервые начал наблюдения в мае 2023 года. И ему не судьба начать новый научный сезон — на починку повреждений уйдут месяцы.

Художественное представление о гравитационных волнах. Источник изображения: personal.soton.ac.uk

Японский детектор гравитационных волн — установка Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) — развёрнут в бывших шахтах Камиока на глубине 200 м. Это два туннеля по 3 км каждый, соединённые под прямым углом. По каждому из тоннелей благодаря зеркалам многократно курсирует луч лазера. При прохождении гравитационной волны через детектор происходит искажение пространства-времени — тоннели укорачиваются и удлиняются — и лазеры это фиксируют.

Открытие гравитационных волн, за что в 2017 году присудили Нобелевскую премию, принадлежит сотрудникам американского детектора LIGO и итальянского Virgo. Японская гравиметрическая обсерватория KAGRA присоединилась к научным наблюдениям в мае 2023 года. Начало работы третьей обсерватории на другом конце Земли позволило надеяться на повышение точности локализации гравитационных событий. Благодаря данным далеко разнесённых детекторов повышается шанс привязать детектируемые волны к участку неба и даже явлению. Это бы значительно повысило ценность наблюдений. Пока, если мы ничего не упустили, из нескольких сотен уловленных гравитационных волн только одно событие определено с точностью до объекта на небе.

Случившееся в Японии землетрясение вновь вернуло науку к паре детекторов. К счастью, человеческих жертв и обрушения тоннелей не было. Повреждения выявлены в виброизоляторах установки, на починку которых уйдёт несколько месяцев, поэтому новый научный цикл гравиметрических работ в марте начнётся без японского детектора.

Создание детекторов гравитационных волн и открытие этих волн даёт в руки земной науке новый инструмент для наблюдения за Вселенной. С его помощью учёные смогут определять далёкие и обычно неразличимые во всех других диапазонах события, к которым, например, относятся слияния нейтронных звёзд, чёрных дыр, белых карликов и других компактных объектов. Наземные детекторы показали в этом свои возможности, но будущие космические проекты их просто затмят.

Источник изображения: Pixabay

В середине 30-х годов Европейское космическое агентство вместе с NASA планирует развернуть в космосе лазерный интерферометр LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Плечо между детекторами будет достигать 2,5 млн км. Наземный детектор гравитационных волн LIGO, к примеру, имеет плечо длиной 3 км. Чем дальше разнесены детекторы, тем более длинную гравитационную волну можно будет определить. Это тем более важно, что низкочастотные гравитационные волны, как выяснилось, создают особую сетку гравитационных пульсаций Вселенной.

Более того, появилось предложение развить проект LISA до проекта LISAmax, чтобы детекторы гравитационных волн разнести на удаление до 295 млн км, что на два порядка улучшило бы их чувствительность. Технически это осуществимо и даже без особенного повышения затрат.

Как будет выглядеть Вселенная и наша галактика Млечный Путь для подобных детекторов, показали специалисты NASA. Они провели моделирование излучения гравитационных волн от компактных двойных систем в нашей галактике: тесных орбитальных пар из таких объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры. Такие объекты в своём орбитальном кружении за счёт колоссальных ускорений формируют значительную рябь пространства-времени, которая и есть суть гравитационной волны.

На видео более светлые объекты обозначают события с большей частотой (меньшей длиной гравитационной волны) и чем ярче пятно, тем сильнее сигнал (его амплитуда). Отдельно во врезке показано соотношение амплитуды к частоте гравитационных волн, а также ожидаемая граница чувствительности будущего интерферометра LISA. На этой страничке можно найти графики и анимацию моделирования в высоком разрешении. Все данные, повторим, синтетические, но они наложены на настоящую карту Млечного Пути и, в целом, со временем мы увидим нечто подобное в настоящих наблюдениях.

Группы учёных из Австралии, США, Европы, Китая и Индии независимо друг от друга опубликовали материалы об обнаружении признаков низкочастотных гравитационных волн — это ещё не совсем их открытие, но результаты наблюдений с высокой вероятностью свидетельствуют о том, что зафиксировано нечто значимое. Астрономам удалось «услышать» низкочастотные гравитационные волны — слабую рябь ткани Вселенной, вызванную движением сверхмассивных объектов, которые растягивают и сжимают пространство.

Визуализация гравитационных волн, производимых сверхмассивными чёрными дырами. Источник изображения: nanograv.org

Ещё Эйнштейн предсказал, что по мере своего движения в пространстве и времени сверхтяжёлые объекты создают рябь, которая проходит по ткани Вселенной — иногда эту рябь называют фоновой музыкой Вселенной. В 2015 году эксперимент LIGO помог обнаружить гравитационные волны и доказать правоту Эйнштейна, но до сих пор они фиксировались лишь на высоких частотах. То были отдельные быстрые «щебетания», которые происходят только в определённые моменты, например, когда друг с другом сталкиваются относительно небольшие чёрные дыры и мёртвые звезды.

В последнем исследовательском проекте учёные пытались обнаружить гравитационные волны на гораздо более низких наногерцовых частотах — периоды этой медленной ряби могут составлять годы и даже десятилетия. Исходит она, вероятно, из самых больших объектов Вселенной — сверхмассивных чёрных дыр массой в миллиарды солнечных. Но есть и другие «подозреваемые»: космические струны, фазовые изменения Вселенной, быстрое расширение пространства после Большого Взрыва. Возможно, и сам Большой Взрыв, но длина гравитационной волны от него была бы размером во Вселенную, и для неё потребовался бы детектор сравнимых масштабов.

Галактики во Вселенной постоянно сталкиваются и сливаются. Схожие процессы наблюдаются и у сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик. Они сближаются, вращаются вокруг друг друга и в итоге тоже сливаются, испуская во время взаимодействия гравитационные волны. Если сравнить столкновение сверхмассивных чёрных дыр с брошенным в пруд камнем, то создаваемая им рябь на поверхности пруда — это низкочастотные гравитационные волны. Они расходятся одновременно во все стороны со скоростью света, сжимая и растягивая пространство и время. Зафиксировать эту рябь напрямую доступными человеку инструментами невозможно — длина такой наногерцовой волны может измеряться световыми годами. Проще говоря, Земля слишком мала, и понадобился бы детектор галактических масштабов. На их обнаружение непрямыми методами у учёных NANOGrav ушло 15 лет, и в своей работе они использовали оборудование, установленное по всей Северной Америке. Астрономы других стран опирались на результаты исследований, продолжавшихся до 18 лет.

Обсерватория Very Large Array. Источник изображения: nrao.edu

Мы живём в галактике, которая намного больше Земли, и в ней есть объекты, при помощи которых можно непрямыми методами зафиксировать признаки низкочастотных гравитационных волн. Это радиопульсары — мёртвые звёзды, которые при вращении испускают всплески электромагнитного излучения в радиочастотном диапазоне. Эти всплески отличаются строгой периодичностью как своего рода идеально точные часы, расположенные далеко в космосе. Но по мере того как гравитационные волны искажают ткань пространства и времени, они изменяют расстояние между Землёй и этими пульсарами, искажая тем самым этот чрезвычайно стабильный ритм. Одного мелкого сбоя в периодическом событии, конечно, недостаточно. Но если отслеживать множество пульсаров в течение долгого времени и отмечать связанные сбои в частоте радиовсплесков, действительно можно зафиксировать признаки низкочастотной гравитационной волны.

В рамках исследовательского проекта астрономы NANOGrav наблюдали за 68 пульсарами при помощи радиотелескопов «Грин-Бэнк» (США, Западная Вирджиния), «Аресибо» (Пуэрто-Рико) и Very Large Array (США, Нью-Мексико). Аналогичные свидетельства нашли другие команды учёных, следившие за другими пульсарами при помощи телескопов по всему миру. Всего было собрано материала по 115 пульсарам за 18 лет. Астрономия временных массивов пульсаров — долгосрочный проект, но учёные уже максимально близки к подтверждению открытия. Исследователи объединили данные своих наблюдений — окончательный результат должен быть получен в течение года или двух.

К сожалению, этот метод не позволяет отследить, откуда именно исходят те или иные низкочастотные гравитационные волны — он просто раскрывает постоянный гул, окружающий нас. Аналогичным образом человек на шумной вечеринке слышит, что множество людей разговаривает, но не может расслышать ничего конкретного.

Уже сейчас есть причины утверждать, что обнаруженный учёными фоновый шум низкочастотных гравитационных волн оказался «громче», чем ожидалось. Это может означать, что слияния чёрных дыр происходят чаще, чем считалось, или наше представление о природе Вселенной не вполне соответствует действительности. Исследователи надеются, что открытие поможет нам узнать больше о сверхмассивных объектах Вселенной, открыть новые двери «космической археологии» и отследить историю слияния чёрных дыр и галактик вокруг нас.

Уникальный в своём роде прибор — лазерный интерферометр LIGO — приступил к четвёртой по счёту научной вахте. Он будет вести наблюдения рекордно долго — полтора года, что почти в два раза дольше предыдущего цикла работы. LIGO построен для детектирования гравитационных волн, которые он же и открыл, хотя эти явления были предсказаны Эйнштейном более 100 лет назад. Теперь таких событий будет регистрироваться ещё больше.

Художественное представление о гравитационных волнах. Источник изображения: personal.soton.ac.uk

Модернизация позволила значительно повысить чувствительность интерферометра. Сделаны как аппаратные улучшения — построен дополнительный резонатор длиной 300 м, так и программные. Резонатор снизит уровень шумов детектора, а новый алгоритм станет ещё лучше выискивать полезный сигнал среди шума. В совокупности улучшения позволят детектировать ещё более слабые гравитационные волны — либо от слияния объектов меньшей массы, либо расположенные ещё дальше от нас.

Следует сказать, что алгоритм поиска гравитационного события — это само по себе произведение искусства. Программе необходимо перебрать миллионы комбинаций теоретически возможных трактовок зарегистрированного сигнала, чтобы понять, что именно уловил детектор. Это необходимо сделать достаточно быстро, чтобы в режиме реального времени попытаться отыскать на небе источник события. Обсерватория LIGO может лишь приблизительно указать участок неба, откуда пришли гравитационные волны и он очень большой — примерно как 400 полных лун.

Вместе с LIGO искать источники событий будет комплекс телескопов BlackGEM в Европейской южной обсерватории в Чили. Недавно для этого запущены три роботизированных телескопа, а всего их будет 15. Привязать к гравитационному сигналу наблюдения объектов в видимом диапазоне и в радиодиапазоне — это высший пилотаж в астрономии. За прошедшие годы с момента открытия гравитационных волн восемь лет назад было зарегистрировано только одно такое событие, хотя всего было зарегистрировано до 100 гравитационных явлений.

«Сбор информации по нескольким каналам об одном событии — астрофизика нескольких сообщений — подобен добавлению цвета и звука к чёрно-белому немому фильму и может обеспечить гораздо более глубокое понимание астрофизических явлений», — заявляют астрономы.

Повысить точность детектирования направления на гравитационное явление может работа нескольких интерферометрических лабораторий одновременно. С 2015 года вместе с двумя детекторами LIGO в США начала работать гравиметрическая обсерватория Virgo в Италии. Именно коллаборация LIGO-Virgo первой зафиксировала гравитационные волны, за что была дана Нобелевская премия. С началом нового цикла наблюдений, который официально стартует 24 мая, вместе с LIGO и Virgo начнёт работать обсерватория Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) в Японии, что ещё сильнее повысит точность регистрации, хотя японский детектор сам по себе не такой чувствительный.

К 2030 году, о чём рано говорить, но всё же, должна быть построена установка-близнец LIGO в Индии. Это даст ещё более широкую базу для детектирования направления на гравитационные события.

Сам по себе детектор LIGO — это строение в виде буквы L с каждым плечом около 4 км. По каждому из плеч циркулирует лазерный луч с многократным отражением. Если через объект проходит гравитационная волна, то она, как положено искажающему пространство-время сигналу, делает одно плечо короче, а другое — длиннее. В результате лазерный импульс в каждом плече пролетит разное расстояние и детекторы это зафиксируют. По разнице можно будет понять, что произошло и примерно в каком участке неба. Появление этого инструмента сродни такой революции в астрономии, как внедрение радиотелескопов. Теперь нам есть чем «пощупать» Вселенную кроме оптики и радио. И это уже принесло и ещё принесёт свои плоды.

Детектирование гравитационных волн стало важным открытием прошлого десятилетия. Сделала это в 2015 году наземная обсерватория-интерферометр LIGO. Тем самым у учёных появился новый инструмент для изучения объектов во Вселенной кроме традиционных оптики и радио. Следующим шагом на этом пути должен стать космический детектор гравитационных волн LISA. Однако группа европейских учёных предложила на порядки более чувствительный прибор LISAmax.

Проект LISA. Источник изображений: ЕКА

Каждое из двух плеч наземных обсерваторий LIGO (США) и VIRGO (Италия) имеет длину примерно 3 км. Это накладывает ограничение на регистрируемые гравитационные волны — детекторы могут определить события от слияния объектов в несколько десятков солнечных масс. Ограничение обусловлено тем, что длина плеча интерферометра — это чувствительность к определённой длине волны (частоте). Для регистрации событий с участием сверхмассивных чёрных дыр от миллиона солнечных масс и больше требуется длина плеча интерферометра в несколько миллионов километров. Это проект не для Земли.

Такой космический проект под названием LISA разрабатывается Европейским космическим агентством в рамках многоэтапной программы космических исследований Voyage 2050. Проект утверждён в 2017 году и находится в стадии проектирования с целью запустить комплекс LISA в космос где-то в середине 30-х годов. Каждое из плеч космического интерферометра будет длиной 2,5 млн км. Это станет настоящим рывком вперёд по изучению Вселенной с помощью нового типа детекторов. Но всё можно сделать ещё лучше, считает группа учёных, подготовивших статью для журнала Classical and Quantum Gravity (она пока вышла на arxiv.org), если интерферометры развести на удаление до 295 млн км и такая возможность потенциально есть.

Учёные рассказали, что развитием проекта LISA может стать проект LISAmax. Для этого космические интерферометры необходимо подвесить в точках Лагранжа в системе Солнце-Земля. Это даст плечо длиною 295 млн км, что позволит детектировать события в диапазоне волн менее 1 мГц. Это сделает детекторы на два порядка чувствительнее почти за те же ресурсы и приведёт к настоящему цунами открытий от детектирования слияний чёрных дыр, нейтронных звёзд в широком диапазоне масс до поиска «реликтовых» гравитационных волн, образовавшихся в процессе Большого взрыва.

Отдельный интерферометр. Таких будет три — по одному в вершинах равносторонненго треугольника в космосе

Также такой большой детектор позволит с невероятной точностью обнаруживать на небе гравитационные события, которые он регистрирует. Будет ли этот проект серьёзно воспринят европейским научным сообществом, нам ещё предстоит узнать. А пока Индия взяла на себя обязательство построить к 2030 году близнеца детектора LIGO. Это приведёт к появлению ещё одной точки детектирования гравитационных волн на Земле и вместе с другими детекторами на порядок увеличит чувствительность сети детекторов.

Кабинет министров Индии одобрил строительство в стране собственного детектора гравитационных волн. Объект будет построен по проекту американского детектора LIGO, который в 2015 году первым обнаружил гравитационные волны, предсказанные Эйнштейном 100 лет назад. Индийский детектор LIGO закроет слепые зоны для гравитационных наблюдений на небе и в целом на порядок повысит точность локализации событий во Вселенной международной сетью детекторов.

Художественное представление о гравитационных волнах. Источник изображения: personal.soton.ac.uk

Власти Индии выделят на реализацию проекта около $320 млн. Строительство будет вестись недалеко от города Аундха в индийском штате Махараштра. Это будет комплекс зданий, включая L-образный интерферометр с 4-километровыми рукавами. Проекты зданий уже завершены, дороги к объекту подведены, часть оборудования — вакуумные камеры — испытаны в лаборатории. Поскольку проект LIGO-India станет калькой с проекта LIGO-USA, то с передачей технологий и проектной документацией всё хорошо. Индийская сторона просто должна следовать проверенным рекомендациям и повторить уже реализованный проект.

Фактически LIGO-India — это сотрудничество между лабораторией LIGO, которая работает под руководством Калтеха и Массачусетского технологического института и финансируется Национальным научным фондом (NSF), и индийскими Центром передовых технологий им. Раджи Раманны (RRCAT), Институтом исследования плазмы (IPR), Межуниверситетским центром астрономии и астрофизики (IUCAA) и Управлением строительных услуг и управления недвижимостью (DCSEM) Министерства атомной энергии. Данная новость, к слову, опубликована на сайте Калтеха (Калифорнийского технологического института).

Интерферометр LIGO способен различить разность фаз в двух опорных лазерных лучах, что укажет на искривление пространства-времени. Это будет означать, что через детектор прошла гравитационная волна, которая изменила длину пробега лазерных лучей. Чем выше точность наблюдений, тем точнее можно определить на каком участке неба произошло гравитационное событие — слияние массивных чёрных дыр или нейтронных звёзд. Точная локализация явления позволит направить туда другие телескопы — оптические, рентгеновские и радио и воочию убедиться, что там произошло ровно то, что зафиксировали детекторы.

Проект установки. Источник изображения: Caltech

Детектор LIGO-India только за счёт своего географического положения на порядок увеличит точность локализации гравитационных явлений. Он дополнит существующую сеть гравитационных детекторов из двух американских установок LIGO, итальянской Virgo и японской KAGRA. Первые измерения на детекторе LIGO-India ожидаются к 2030 году.

Анализируя данные, полученные обсерваториями LIGO и VIRGO, которые изучают гравитационные волны, а также проектом CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment), исследователи, вероятно, нашли доказательства первого в истории наблюдения блицара.

Источник изображения: Aman Pal / unsplash.com

Блицар — считающееся гипотетическим астрономическое событие, вызванное коллапсом чрезмерно массивной нейтронной звезды в чёрную дыру. Событие происходит в результате случившегося ранее слияния двух нейтронных звёзд — они порождают нестабильную промежуточную нейтронную звезду, которая вращается настолько быстро, что только центробежные силы удерживают её от немедленного превращения в чёрную дыру. Однако сильные магнитные поля со временем замедляют её вращение, она всё-таки становится чёрной дырой и уходит за горизонт событий. В результате этого коллапса космическая «динамо-машина» уничтожается, и энергия магнитных полей высвобождается в виде быстрого радиовсплеска в широком диапазоне — это и есть блицар.

Учёные предположили, что такое событие, возможно, уже было зафиксировано ранее. Повторяющиеся быстрые радиовсплески обычно связываются с магнетарами — нейтронными звёздами с чрезвычайно сильными магнитными полями. Но если событие носит единичный характер, можно предположить, что породившие его условия уничтожили источник. Поэтому было решено объединить данные обсерваторий LIGO и VIRGO, наблюдающих гравитационные волны, и проекта CHIME, который эффективно фиксирует быстрые радиовсплески. Данные отфильтровали по относительно простому принципу: искомое событие должно было произойти в одной области неба примерно в одно время, причём гравитационная активность должна была быть зафиксирована раньше, чем радиоизлучение. Из 21 слияния нейтронных звёзд, обнаруженного в гравитационных волнах, одно совпало с быстрым радиовсплеском. Причём событие GW190425 (гравитационные волны) произошло за 2,5 часа до FRB 20190425A (быстрый радиовсплеск).

К сожалению, изучающих гравитационные волны обсерваторий пока недостаточно много, и учёные пока не берутся заявлять с полной уверенностью, что это был блицар — они утверждают, что быстрый радиовсплеск с 70-процентной вероятностью произошёл в области слияния нейтронных звёзд. Вероятность случайного совпадения двух этих событий оценивается как 0,004. По данным детекторов гравитационных волн, до слияния нейтронные звезды имели 1,35 и 2,0 масс Солнца, а после него образовался объект в 3,2 массы Солнца. При этом невращающаяся нейтронная звезда должна быть не тяжелее, чем 2,6–3,0 массы Солнца, чтобы не коллапсировать в чёрную дыру. Дальнейшее изучение подобных объектов и событий поможет уточнить теоретические значения этих величин.

Американские учёные рассказали о двух сверхтяжёлых нейтронных звёздах, продолжительность жизни которых составила считанные доли секунды, после чего они превратились в чёрные дыры. Данные об этом обнаружились в архивах данных, собранных космической гамма-обсерваторией «Комптон» ), выведенной из эксплуатации ещё в 2000 году.

Источник изображения: nasa.gov

Когда звезды в определённом диапазоне масс взрываются и формируют сверхновые, они оставляют после себя сверхплотное ядро — нейтронную звезду с диаметром в десятки километров при массе, близкой к солнечной. Часто такое бывает в двойных системах — в конечном итоге две нейтронные звезды формируют один объект. Характер этого объекта зависит от его массы: если она немногим превышает две солнечных, то объект под действием собственной гравитации схлопывается в чёрную дыру, в противном случае остаётся нейтронная звезда.

В новом исследовании американским учёным удалось обнаружить сигналы объектов промежуточной стадии — сверхтяжёлых нейтронных звёзд, которые существуют менее секунды. Согласно компьютерному моделированию, при образовании сверхтяжёлой нейтронной звезды в её гравитационных волнах возникают квазипериодические колебания, зафиксировать которые пока не может ни одна современная обсерватория. Тогда учёные предположили, что их след можно обнаружить и в гамма-диапазоне.

Для проверки этой идеи исследователи изучили данные 700 коротких гамма-всплесков, зафиксированных за последние десятилетия, и обнаружили в архивах космической гамма-обсерватории «Комптон» два события с квазипериодическими колебаниями — одно произошло в июле 1991 года, а второе пришлось на ноябрь 1993 года. По подсчётам учёных, обнаруженные сверхтяжёлые нейтронные звёзды имели массу, в 2,5 раза превышающую солнечную, и существовали не более 300 мс, после чего схлопывались в чёрные дыры. И вращались они со скоростью почти 78 000 об/мин — для сравнения, самый быстрый пульсар показывает около 43 000 об/мин.

Авторы исследования надеются, что будущие детекторы гравитационных волн будут достаточно чувствительными, чтобы собственными силами обнаруживать признаки сверхтяжёлых нейтронных звёзд — можно будет лучше изучить эти недолговечные объекты.