>> << >>
Главная Выпуск 18 Conceptual News

New gravitational wave detection shows shape of ripples from black hole collision

The Guardian 

New gravitational wave detection shows shape of ripples from black hole collision

For the first time, astronomers have detail on the 3D pattern of warping that occurs when black holes with masses of 31 and 25 times that of the sun collide

 
 
Illustration of two black holes orbiting each other. Eventually the black holes will merge, producing gravitational waves.
 Illustration of two black holes orbiting each other. Eventually the black holes will merge, producing gravitational waves. Illustration: Alamy Stock Photo

Astronomers have made a new detection of gravitational waves and for the first time have been able to trace the shape of ripples sent through spacetime when black holes collide.

The announcement, made at a meeting of the G7 science ministers in Turin, marks the fourth cataclysmic black-hole merger that astronomers have spotted using Ligo, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. The latest detection is the first to have also been picked up by the Virgo detector, located near Pisa, Italy, providing a new layer of detail on the three dimensional pattern of warping that occurs during some of the most violent and energetic events in the universe.

 
 
Loaded: 0%
 
Progress: 0%
Mute
 
 
Pinterest
 Why discovering gravitational waves changes everything

A tiny wobble in the signal, picked up by Ligo’s twin instruments and the Virgo detector on 14 August, could be traced back to the final moments of the merger of two black holes about 1.8bn years ago. The black holes, with masses about 31 and 25 times the mass of the sun, combined to produce a newly spinning black hole with about 53 times the mass of the sun.

Q&A

What is a gravitational wave?

The remaining three solar masses were converted into pure energy that spilled out as deformations that spread outwards across spacetime like ripples across a pond. Detecting these tiny distortions has required detectors sensitive enough to measuring a discrepancy of just one thousandth of the diameter of an atomic nucleus across a 4km laser beam.

Ligo scientists’ historic observation of gravitational waves in September 2015, marked the first experimental proof of Einstein’s prediction a century ago that space itself can be stretched and squeezed. However, the parallel orientation of the two Ligo detectors, one in Hanford, Washington state, the other in Livingston, Louisiana, has meant that scientists are effectively observing one flat plane through space, rather than getting a 3D picture.

“It’s like if I give you just one slice of apple, you can’t guess what the fruit looks like,” said Prof Andreas Freise, a Ligo project scientist at the University of Birmingham.

This was intentional because it maximised the chances of detection – a discovery that is hotly tipped to be rewarded when the Physics Nobel Prize is announced next week. However, the configuration made it impossible to test a second crucial prediction of Einstein’s theory – the shape of the path that the waves travel along.

Virgo’s arms are angled differently than the two Ligo detectors, allowing astronomers to extract new information about the polarisation of gravitational waves – essentially the path traced out by the vibrations.

“When you see things from different angles, suddenly you can see the 3D shape as well,” he said. “Einstein’s theory of what [the waves] look like is pretty clear.”

Einstein’s theory predicts two polarisations of gravitational waves, but some competing theories of gravity predict up to six.

Prof Stefan Ballmer, a physics professor at Syracuse University, explains: “If you look at how you can bend the sheet of paper that spacetime is, there are many ways you can bend it. But if you look at [Einstein’s predictions], only two of those ways are present.”

The new data – albeit based on a single detection – already appear to strongly favour Einstein’s predictions of how spacetime is expected to crumple.

Combining results from three detectors has also allowed scientists to more accurately triangulate the area of sky from which the waves are emanating. In future, this could allow scientists to swing ground-based telescopes to the target locations to see whether there is any visible trace of the collision itself.

Dr John Veitch, of the University of Glasgow, who co-led a team working on determining the origins and properties of the source, said: “This was a very strong first. Having a third detector means that we can now triangulate the position of the source, and much more accurately determine the exact spot in the cosmos where the signal came from.”

In the case of black holes, theory predicts that there should be no optical signal – but astronomers are open-minded.

“They should be dark ... but black holes are a mystery still to some extent,” said Freise. “We’re only getting signals from them for the first time, the rest is just theory.”

Virgo has been collecting data since 2007, but the instrument was offline undergoing upgrades when Ligo made its first detections of gravitational waves in 2015. The revamped detector was switched on earlier this year, meaning it had a short overlap with Ligo’s observing run, which came to an end in August.

“This is just the beginning of observations with the network enabled by Virgo and Ligo working together,” said Ligo spokesman David Shoemaker of MIT. “With the next observing run planned for [autumn] 2018 we can expect such detections weekly or even more often.”

UK science minister Jo Johnson said: “The latest detection of gravitational waves is an excellent example of international collaboration, which was only made possible due to the breakthrough work undertaken by UK scientists and engineers.”

 

Регистрацию гравитационных волн поставили на поток

Коллаборация LIGO сообщила о регистрации гравитационных волн в третий раз.

 

Разумеется, первое обнаружение гравитационных волн, о котором было сообщено в начале 2016 года – более знаковое событие, вошедшее в историю физики, но и третья их регистрация, подробности которой описаны в новой статье в журнале Physical Review Letters, тоже по своему значима. 

Она означает, что детекторы гравитационных волн становятся стабильным инструментом исследования Вселенной, в котором принимают участие и два научных коллектива из России: группы физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).

В течение большей части прошлого года детекторы LIGO были отключены для обновления. Второй цикл наблюдений начался 30 ноября 2016 года и продолжается по сей день. Описанный сигнал зафиксирован 4 января 2017 года. Как и в первых двух случаях, гравитационные волны были порождены столкнувшимися черными дырами. Исследователи уверены в этом на 99,997%. Однако в данном случае это событие произошло примерно в два раза дальше, на расстоянии около 3 миллиардов световых лет. 

Масса и другие параметры черных дыр  определяются по форме принятого  гравитационного сигнала, который сравнивается с теоретическими моделями. По частоте их вращения можно так же оценить расстояние между ними, а значит, и размеры. Анализ показал, что средние массы столкнувшихся черных дыр составляли 31,2 и 19,4 солнечных масс, их диаметры порядка 190 км и 115 км. В результате слияния образовалась новая черная дыра с массой около 49 солнечных масс и диаметром 280 км. 

 Энергия, выделившаяся при этом слиянии, превысила световую энергию, излучаемую за это же время всеми звездами и галактиками Вселенной. Вся эта энергия была выпущена в мгновение ока, всего за 0,12 секунды. В момент столкновения черные дыры вращались вокруг друг друга со скоростью около 0,6 скорости света!

Два детектора в США зафиксировали сигналы, между которыми есть небольшой временной сдвиг, около 3 миллисекунд, который дает приблизительную информацию о направлении, откуда пришел этот сигнал. Возможное местоположение его источника  на небе занимает 1200 квадратных градусов (3% неба). По площади это соответствует 6000 дискам полной Луны. LIGO имеет партнерские отношения с 77 обсерваториями по всему миру, в том числе двумя на орбите, которые должны теперь попытаться обнаружить место слияния черных дыр своими инструментами.

Особенность нового исследования в пристальном внимании к процессу собственного вращения черных дыр. Они могут вращаться и вокруг своей оси, и относительно друг друга, и около общего центра масс. Грубо говоря, они могут вращаться как угодно. Теоретики LIGO научились более точно определять направление собственного вращения (спин) черных дыр. 

И в этом третьем событии анализ сигналов показал , что с большой вероятностью у столкнувшейся пары черных дыр направления собственного вращения не совпадали, то есть они вращались в разных направлениях. Более строго можно сказать, 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 представляет большой интерес, поскольку позволяет судить о том, как возникла эта пара. Есть две основные модели, объясняющие, как могут возникнуть двойные черные дыры. Первая модель предполагает, что черные дыры рождаются из двойной звезды, после того как обе звезды в паре взорвутся и коллапсируют.  В этом случае следует ожидать, что вращения звезд будут согласованы с орбитальным движением.  

По второй модели черные дыры формируются в плотном звездном скоплении отдельно друг от друга, а уже затем образуют двойную систему. В этом случае они могут вращаться в любом направлении относительно друг друга и орбитального движения. Результаты работы свидетельствуют в пользу второго варианта, в пользу гипотезы образования черных дыр далеко друг от друга. 

Еще один вопрос, рассмотренный в исследовании, это проверка справедливости современной теории гравитации – Общей теории относительности (ОТО). В соответствии с ней скорость гравитационных волн должна быть равна скорости света независимо от частоты, другими словами, они не обладают дисперсией - зависимостью скорости распространения волн от их частоты. 

Частоты гравитационных волн, зарегистрированных в третьем событии, лежат в диапазоне примерно от 30 до 350 Гц. Авторы работы 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. Они не видят даже небольшого нарушения. Таким образом, в пределах точности наблюдений общая теория относительности справедлива..

Теперь исследователи ждут регистраций гравитационных волн не только от слияния черных дыр, но и нейтронных звезд и других источников, сигнал от которых значительно слабее. Они надеются, что по мере увеличения чувствительности детекторов, над которым сейчас ведутся работы, такие события будут происходить чаще.  В частности, в исследованиях, направленных на увеличение чувствительности гравитационных антенн, участвуют физики МГУ. 

Сейчас их основные усилия направлены на разработку криогенных гравитационно-волновых детекторов нового поколения и на использование новых методов квантовых измерений. Старт следующего цикла наблюдений запланирован на конец 2018 года.


Подробнее см.: https://www.nkj.ru/news/31539/ (Наука и жизнь, Регистрацию гравитационных волн поставили на поток)

Добавить комментарий

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
Войдите в систему используя свою учетную запись на сайте:
Email: Пароль:

напомнить пароль

Регистрация