Астрофизические перспективы исследования гравитационных волн

Гравитационные волны (ГВ) — «рябь» пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света — являются следствием уравнений Общей теории относительности (ОТО) А. Эйнштейна в пределе слабой гравитации, хотя о возможности распространения в пространстве «волн гравитации» писал еще А. Пуанкаре в 1905 г. Спустя сто лет после их теоретического предсказания в рамках ОТО, благодаря огромным усилиям большого международного коллектива ученых (коллаборация LIGO/Virgo), в который также входят наши коллеги из ИПФ РАН и группа физического факультета МГУ под руководством проф. В.П. Митрофанова, 14 сентября 2015 г. состоялась первая регистрация ГВ от астрофизического источника — слияния двух массивных черных дыр (ЧД) в тесной двойной системе. На начало октября 2017 г. таких надежно зарегистрированных и официально подтвержденных событий уже четыре (GW150914, GW151226, GW170104, GW170814), еще одно менее надежное (LVT151012). Все опубликованные события — тоже слияния двойных ЧД с массами компонент от примерно 10 до 30 масс Солнца, находящиеся на расстояниях порядка 500 Мпк (около миллиарда св. лет).

3 октября Нобелевский комитет объявил о присуждении Нобелевской премии по физике 2017 г. трем выдающимся ученым — Р.Вайсу, Б.Баришу, и К. Торну «за решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн». В середине октября ожидается новая «порция» открытий — на этот раз, возможно, от слияния двойных нейтронных звезд.

Чем же замечательны ГВ для астрофизики? Источником ГВ в ОТО являются не-сферически симметричные движения масс (в ньютоновском приближении должна быть отлична от нуля вторая производная по времени от квадрупольного момента системы).

Самые сильные астрофизические источники связаны с быстрым движением больших масс, которые наиболее естественно возникают при движении компактных объектов — белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр — в тесных двойных системах. До открытия ГВ в 2015 г. астрономам были известны тесные двойные белые карлики и нейтронные звезды, в системах которых было экспериментально измерено уменьшение орбитального периода за счет излучение ГВ в прекрасном соответствии с ОТО (Нобелевская премия по физике за 1993 г Р. Халсе и Дж. Тейлору). Двойные ЧД хотя и предсказывались уверенно теоретически, но экспериментально обнаружены не были.

Рис. 1. Вверху: схематически стадии слияния двойной системы из ЧД. В середине: форма ГВ сигнала. Внизу: изменение расстояния между компонентами и их относительная скорость в процессе слияния. Из работы Abbot et al. PRL 116, 061102 (2016).

Более того, интригой оставалась масса ЧД в тесных двойных системах. Из косвенных астрофизических наблюдений было известно, что масса ЧД в двойных системах — порядка 10 масс Солнца, поэтому открытие ЧД с массой втрое выше стало сюрпризом.

Рис. 2. Массы ЧД по наблюдениям ГВ детекторами LIGO/Virgo (данные на сентябрь 2017 г.). Рисунок с официального сайта LIGO https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20170927c.

Уже полученные результаты наблюдений слияний ЧД привели к следующим основным выводам:

1) Двойные ЧД существуют. Предложено несколько каналов их образования — а) естественная эволюция массивных двойных звезд; б) динамическое образование пар массивных ЧД в плотных звездных скоплениях; в) образование пар ЧД при несимметричном коллапсе ядра одиночных массивных быстровращающихся звезд; г) «экзотические» сценарии, включая образование пар первичных массивных ЧД. Пока не исключены различные каналы образования наблюдавшихся источников.

2) Кроме массы компонент, измерения ГВ сигнала при слияниях двойных ЧД позволяют положить ограничения на спины (собственные моменты вращения) компонент. Здесь сохранятся интересная ситуация — в трех из четырех источников эффективный спин системы до слияния (взвешенная по массе сумма проекции спинов компонент на орбитальный момент импульса) близок к нулю, т.е. не противоречит гипотезе слияния Шварцшильдовских (с нулевым моментом импульса) ЧД. «Астрофизические» ЧД, рождающиеся при коллапсе ядер массивных звезд, должны вращаться, а наблюдаемые ЧД в рентгеновских двойных системах косвенно имеют спин близкий к максимальному. С другой стороны, первичные ЧД должны быть Шварцшильдовскими. Требуются новые более точные измерения.

3) Свойства ГВ-сигнала от сливающихся двойных ЧД находятся в отличном согласии (с точностью до нескольких процентов) с ОТО. Следует отметить, что уже из существующих измерений получены новые ограничения на пост-ньютоновские поправки к теории, которые невозможно было получить ранее, а также новые феноменологические ограничения на возможную массу гравитона. Увеличение точности измерений ГВ при повышении чувствительности действующих и строящихся ГВ-интерферометров впервые позволит «напрямую» проверить тонкие эффекты образования горизонта событий при слиянии пары ЧД в одну вращающуюся ЧД, например, путем измерения ГВ «звона» горизонта событий (релаксацию возмущений при его образовании в виде излучения ГВ со специфической зависимостью амплитуды и частоты от времени).

4) Наблюдения слияний ЧД парой (и последнего опубликованного GW170814 — тремя: 2 LIGO+Virgo) интерферометров позволяет примерно очертить на небе участок, из которого мог прийти ГВ сигнал. Его площадь — от десятков квадратных градусов до тысячи квадратных градусов (полная площадь небесной сферы — свыше 40 тыс. кв. град.), что очень много по астрономическим меркам. Проводились усиленные поиски не-ГВ (в первую очередь, электромагнитных) сигналов из областей локализации событий, но положительных результатов от сливающихся двойных ЧД не дали. Новое детектирование события от двойных нейтронных звезд в августа 2017 г. дало положительный результат в рентгеновском и гамма-диапазонах и затем в оптике, но об этом пока официально не объявлено.

Таким образом, регистрация ГВ от астрофизических источников открыла совершенно новые возможности по измерению параметров остатков звездной эволюции — нейтронных звезд и черных дыр, путях их образования и эволюции, а также по проверке фундаментальных теорий гравитации. Впереди новые, возможно, самые неожиданные, открытия.

Подробнее о первых результатах проекта LIGO можно прочесть в статье Д. Райтце, УФН 187 884–891 (2017) (https://ufn.ru/ru/articles/2017/8/f/) и других статьях в августовском (2017) номере УФН.

Профессор К.А. Постнов

Назад