Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени - от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Осенью 2015 г. после очередного запланированного обновления установок LIGO с целью повышения чувствительности установки заработали, и к январю 2016 г. удалось зарегистрировать три сигнала от слияния черных дыр звездных масс. Началась эра гравитационно-волновой астрономии.

Чтобы регистрировать слияния сверхмассивных черных дыр, нужны детекторы большого размера, поскольку длина гравитационных волн в этом случае крайне велика (она соответствует суммарному размеру сливающихся объектов). Для этого разрабатываются проекты космических лазерных интерферометров. В общих чертах идея метода регистрации похожа на используемые в установках LIGO и Virgo, но теперь интерферометр имеет размеры в миллионы километров и вращается вокруг Солнца. Интерференция лазерных лучей позволяет измерить изменение расстояния между тремя космическими аппаратами (одиночный прототип такого аппарата, европейский спутник LISA Pathfinder, в конце 2015 г. был успешно выведен на орбиту для отработки и проверки некоторых технологий). Такой проект одобрен Европейским космическим агентством, запуск его предварительно назначен на 2034 г.

Гравитационные волны были открыты осенью 2015 г., когда на установках LIGO обнаружили первые слияния черных дыр.

Для косвенной регистрации гравитационных волн от сверхмассивных черных дыр был разработан косвенный астрофизический метод, предложенный в 1978 г. Михаилом Сажиным. Этот метод основан на мониторинге нескольких радиопульсаров: если гравитационная волна проходит в месте наблюдения, то сразу для всех наблюдаемых пульсаров будет зарегистрировано отклонение во времени прихода импульсов (которое в случае миллисекундных радиопульсаров измеряется с точностью, сравнимой с точностью лучших атомных часов). Сейчас существуют три проекта по поиску таких сбоев: европейский EPTA (European Pulsar Timing Array, Европейский проект по наблюдению массива [миллисекундных] пульсаров), австралийский PPTA (Parkes Pulsar Timing Array, Проект по наблюдению массива [миллисекундных] пульсаров с помощью радиотелескопа Паркс) и американский NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, Североамериканская наногерцевая обсерватория для обнаружения гравитационных волн). Ввод в эксплуатацию новых крупных радиотелескопов (FAST, SKA) позволит сделать этот метод еще более точным и эффективным.

Для регистрации гравитационных волн от пар сверхмассивных черных дыр, а также космологических гравитационных волн используются косвенные астрофизические методы.

Второй косвенный метод, предложенный в 1990 г. Владимиром Брагинским и его коллегами, связан с высокоточными астрометрическими наблюдениями большого числа звезд. При прохождении через наблюдателя гравитационной волны (речь идет о периодах от недель до месяцев, т. е. источниками таких волн должны быть в основном сверхмассивные черные дыры, как и в случае мониторинга пульсаров) измеряемые положения звезд на небе будут определенным образом изменяться на крайне небольшую величину. Современный анализ показывает, что полных данных космического телескопа Gaia может быть достаточно для обнаружения сигнала.

Наконец, для поисков космологических (первичных) гравитационных волн применяется совсем другой подход. Единственная надежда хотя бы косвенно узнать что-то об этом феномене в ближайшем будущем – это зарегистрировать определенные отклонения в картах поляризации реликтового излучения. Первичные гравитационные волны воздействовали на вещество в ранней Вселенной, и это воздействие «отпечаталось» в свойствах реликтового излучения, испущенного в эпоху рекомбинации – примерно спустя 380 000 лет после начала расширения. Анализ результатов, полученных с помощью приборов спутника Planck, не позволил обнаружить этот сигнал. Сейчас надежды возлагаются на ряд наземных проектов (в основном наблюдения проводятся из Антарктиды с помощью установок BICEP3, Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization – Прибор для измерения поляризации космического реликтового излучения, Keck Array – Массив радиотелескопов Кека, South Pole Telescope – Радиотелескоп на Южном полюсе), которые изучают поляризацию реликтового микроволнового фона. Некоторые инфляционные космологические модели предсказывают, что сигнал может быть достаточно сильным, чтобы быть зарегистрированным уже в ближайшие годы.