Событие GW150914

GW150914 — это первое прямое наблюдение гравитационных волн, зарегистрированное 14 сентября 2015 года детекторами LIGO в США. Событие стало ключевым подтверждением общей теории относительности Эйнштейна в динамических условиях и открыло новую эру гравитационно-волновой астрономии.

Источник сигнала — слияние двух черных дыр массами примерно 36 и 29 масс Солнца. Система располагалась на расстоянии около 410 Мпк (~1,3 млрд световых лет). В результате слияния образовалась черная дыра массой около 62 солнечных масс, а около 3 солнечных масс было преобразовано в энергию, излученную в форме гравитационных волн.

Детекторы LIGO, расположенные в Ливингстоне и Хэнфорде, зарегистрировали сигнал практически синхронно с задержкой около 7 миллисекунд, что позволило локализовать источник и подтвердить природу события.

Характеристики гравитационного сигнала

Сигнал GW150914 представляет собой “чирп” — характерный рост частоты и амплитуды волны по мере сближения черных дыр. Основные фазы:

  1. Инспирация: на больших расстояниях черные дыры вращаются вокруг общего центра масс, излучая слабые гравитационные волны. Частота сигнала постепенно увеличивается.
  2. Слияние: когда черные дыры сближаются до нескольких радиусов Шварцшильда, амплитуда волн резко растет. Происходит образование единой черной дыры.
  3. Рингдаун: новая черная дыра излучает колебания собственных мод, которые затухают со временем, приводя систему в устойчивое состояние.

Амплитуда гравитационной волны при прибытии на Землю была крайне мала, порядка 10⁻²¹, что эквивалентно изменению длины детектора LIGO на доли протона.

Анализ данных и выделение сигнала

Обнаружение GW150914 требовало высокой чувствительности и сложной обработки данных. Основные методы:

  • Корреляционный анализ между детекторами: проверка синхронности сигнала в Ливингстоне и Хэнфорде с учетом задержки распространения.
  • Шаблонный метод (matched filtering): сравнение наблюдаемого сигнала с теоретическими моделями, построенными на решениях уравнений Эйнштейна в постньютоновских приближениях и численной релятивистской гравитации.
  • Статистическая оценка значимости: вероятность ложного срабатывания была менее 1 на 203 000 лет, что подтверждает достоверность обнаружения.

Физические параметры системы

Анализ сигнала позволил восстановить ключевые характеристики системы:

Параметр Значение
Масса первой черной дыры 36 M☉
Масса второй черной дыры 29 M☉
Масса образовавшейся черной дыры 62 M☉
Энергия, излученная в виде гравитационных волн 3 M☉c²
Расстояние до источника 410 Мпк
Временная задержка между детекторами 7 мс

Эти параметры были получены путем постньютоновского моделирования инспирации и численного моделирования слияния.

Теоретическое значение события

  1. Подтверждение общей теории относительности: сигнал GW150914 согласуется с предсказаниями ОТО для динамических сильных гравитационных полей.
  2. Доказательство существования звездных черных дыр больших масс: до этого момента черные дыры с массой >20 M☉ считались редкостью.
  3. Энергетические масштабы: выделение энергии в 3 солнечных массы за доли секунды делает GW150914 одним из самых мощных известных событий во Вселенной.

Влияние на развитие гравитационно-волновой астрономии

  • Открытие нового канала наблюдения космоса, независимого от электромагнитного излучения.
  • Возможность изучать слияния черных дыр, проверять сильные гравитационные эффекты, а также оценивать космологические параметры, такие как постоянная Хаббла, с использованием так называемых стандартных сирен.
  • Появление новых проектов по расширению сети детекторов (Virgo, KAGRA, LIGO-India) для точного локализования источников.
Оглавление