Последующие детектирования LIGO-Virgo

Эволюция детекторов и повышение чувствительности

После первого исторического обнаружения гравитационных волн GW150914 в 2015 году, детекторы LIGO и Virgo продолжили активное совершенствование своих инструментов и методов анализа данных. Основной целью было повышение чувствительности до пределов, позволяющих регистрировать слабые сигналы от более отдалённых и менее массивных источников.

Увеличение чувствительности достигалось за счёт:

  • Улучшения лазеров и оптических систем: использование более мощных и стабильных лазеров снижало шум на высоких частотах. Оптические элементы с уменьшенными потерями позволяли продлить время задержки света в резонаторах, повышая точность измерений.
  • Снижения сейсмического шума: новые системы активной и пассивной изоляции от вибраций позволяли уменьшить влияние земных колебаний на низких частотах.
  • Оптимизации алгоритмов обработки данных: внедрение методов matched filtering и машинного обучения повышало вероятность выделения слабых сигналов на фоне шума.

Эти меры сделали возможным регистрацию не только слияний чёрных дыр, но и слияний нейтронных звёзд и смешанных систем.

Основные события последующих наблюдений

С начала второго и третьего наблюдательных периодов LIGO-Virgo были зарегистрированы десятки гравитационно-волновых событий. Среди них выделяются несколько ключевых категорий:

  1. Слияния двойных чёрных дыр (BBH): Большинство событий, обнаруженных после GW150914, относятся к этой категории. Они демонстрируют широкий диапазон масс (от ~10 до более 80 масс Солнца), что позволило исследовать массу и спины компонент и проверить прогнозы астрофизических моделей.

  2. Слияния двойных нейтронных звёзд (BNS): Ключевым событием стал GW170817 — первое зарегистрированное слияние нейтронных звёзд с сопутствующим электромагнитным излучением в гамма-диапазоне и последующим наблюдением во всех диапазонах спектра. Это событие дало уникальные данные о ядерной физике плотной материи и позволило измерить скорость расширения Вселенной через независимый метод «гравитационно-волнового расстояния».

  3. Смешанные системы чёрной дыры и нейтронной звезды (NSBH): Обнаружение таких систем подтвердило существование смешанных бинарных систем и позволило изучать процессы аккреции и приливного взаимодействия при слиянии компонентов с различной массой.

Вклад совместной работы LIGO и Virgo

Совместная работа детекторов LIGO (США) и Virgo (Италия) существенно улучшила локализацию источников. Использование триангуляции времени прибытия сигналов на разных интерферометрах позволило уменьшить область поиска электромагнитного сопровождения с тысяч до десятков квадратных градусов.

Ключевые моменты:

  • Расширение сети детекторов повысило вероятность раннего обнаружения сигналов слабой амплитуды.
  • Совместные наблюдения позволили изучать поляризацию гравитационных волн, что важно для проверки теорий гравитации за пределами общей теории относительности.

Анализ статистики событий

С увеличением числа зарегистрированных событий появилась возможность проводить статистический анализ популяции компактных объектов. Основные выводы:

  • Распределение масс чёрных дыр в бинарных системах не является однородным — наблюдается «массивная пустота» в диапазоне 50–120 масс Солнца, вероятно, связанная с параметрами коллапса массивных звёзд.
  • Частота слияний нейтронных звёзд оценивается на уровне нескольких сотен на кубический гигапарсек в год, что согласуется с прогнозами, выведенными из наблюдений рентгеновских двойных систем.
  • Совместный анализ сигналов позволяет строить ограничения на спины объектов и выявлять корреляции между массой и спиновым параметром.

Методические улучшения

В процессе последующих наблюдений активно применялись новые методы:

  • Бейесовский анализ сигналов: позволяет строить распределения вероятности физических параметров источников и их неопределённостей.
  • Сети машинного обучения: ускоряют первичный поиск событий и фильтрацию ложных срабатываний, особенно при слабых сигналах.
  • Многомодальные данные: объединение данных гравитационных волн и электромагнитного излучения усиливает точность определения расстояния и физической природы источника.

Перспективы и дальнейшее развитие

Планируется расширение сети детекторов за счёт KAGRA (Япония) и LIGO-India, что позволит:

  • Существенно улучшить локализацию источников.
  • Повысить чувствительность к слабым сигналам слияний малых масс.
  • Получать более точные данные для космологических исследований, включая измерение постоянной Хаббла через независимые методы.

Инновационные технологии, такие как интерферометры третьего поколения (например, Einstein Telescope), позволят расширить диапазон наблюдений до частот, ранее недоступных, и увеличить чувствительность на порядок.

Эти достижения открывают новую эру гравитационно-волновой астрономии, превращая её в полноценный инструмент для изучения происхождения и эволюции компактных объектов, проверки фундаментальных законов физики и расширения понимания космологии.

Оглавление