Первое прямое наблюдение гравитационных волн было сделано 14 сентября 2015 года и было объявлено коллаборациями LIGO и Virgo 11 февраля 2016 года . [3] [4] [5] Ранее о гравитационных волнах поступали лишь косвенно, через их влияние на время появления пульсаров в двойных звездных системах. Форма волны , обнаруженная обеими обсерваториями LIGO, [6] соответствовала предсказаниям общей теории относительности [7] [8] [9] для гравитационной волны , исходящей из внутренней спирали и слияния пары черных дыр около 36 и 29 солнечных масс и последующий «звонок» единственной образовавшейся черной дыры. [примечание 2] Сигнал получил название GW150914 (от гравитационной волны и даты наблюдения 14 сентября 2015 г.). [3] [11] Это было также первое наблюдение слияния двойных черных дыр, демонстрирующее как существование двойных систем черных дыр звездной массы, так и тот факт, что такие слияния могут происходить в нынешнем возрасте Вселенной .
Это первое прямое наблюдение было отмечено во всем мире как выдающееся достижение по многим причинам. Попытки напрямую доказать существование таких волн продолжались уже более пятидесяти лет, а волны настолько малы, что сам Альберт Эйнштейн сомневался, что их когда-либо можно будет обнаружить. [12] [13] Волны, испускаемые катастрофическим слиянием GW150914, достигли Земли как рябь в пространстве-времени , которая изменила длину 4-километрового рукава LIGO на тысячную долю ширины протона , [ 11] пропорционально эквивалентно изменению расстояние до ближайшей звезды за пределами Солнечной системы на ширину одного волоса. [14] [примечание 3] Энергия, выделяемая двойной системой, когда она спирально вращалась и сливалась, была огромной, с энергией3.0+0,5
−0,5 c 2 солнечных массы (5.3+0,9
−0,8× 1047 джоулей или5300+900
−800 противников ) в общей сложности излучаются как гравитационные волны, достигая пиковой скорости излучения в последние несколько миллисекунд около3.6+0,5
−0,4× 1049 Вт – уровень, превышающий совокупную мощность всего света, излучаемого всеми звездами в наблюдаемой Вселенной . [3] [4] [15] [16] [примечание 4]
Наблюдение подтверждает последнее оставшееся незамеченным предсказание общей теории относительности и подтверждает ее предсказания об искажении пространства-времени в контексте крупномасштабных космических событий (известных как испытания сильного поля ). Это также было провозглашено началом новой эры гравитационно-волновой астрономии , которая позволит наблюдать жестокие астрофизические события, которые ранее были невозможны, и потенциально позволит напрямую наблюдать самую раннюю историю Вселенной . [3] [18] [19] [20] [21] 15 июня 2016 года было объявлено о еще двух обнаружениях гравитационных волн, сделанных в конце 2015 года. [22] В 2017 году было сделано ещё восемь наблюдений , в том числе GW170817 — первое наблюдаемое слияние двойных нейтронных звёзд , которое также наблюдалось в электромагнитном излучении .
Альберт Эйнштейн первоначально предсказал существование гравитационных волн в 1916 году [24] [25] на основе своей теории общей относительности . [26] Общая теория относительности интерпретирует гравитацию как следствие искажений пространства-времени , вызванных массой . Поэтому Эйнштейн также предсказал, что события в космосе вызовут «рябь» в пространстве-времени – искажения самого пространства-времени – которые будут распространяться наружу, хотя они будут настолько незначительными, что их будет почти невозможно обнаружить с помощью любой предусмотренной технологии. в это время. [13] Также было предсказано, что объекты, движущиеся по орбите, будут терять энергию по этой причине (следствие закона сохранения энергии ), так как некоторая энергия будет выделяться в виде гравитационных волн, хотя во всех случаях она будет ничтожно малой. но самые крайние случаи. [27]
Одним из случаев, когда гравитационные волны будут самыми сильными, являются последние моменты слияния двух компактных объектов , таких как нейтронные звезды или черные дыры . В течение миллионов лет двойные нейтронные звезды и двойные черные дыры теряют энергию, в основном за счет гравитационных волн, и в результате они сближаются друг с другом. В самом конце этого процесса два объекта достигнут экстремальных скоростей, и в последнюю долю секунды их слияния значительная часть их массы теоретически будет преобразована в гравитационную энергию и распространится наружу в виде гравитационных волн [28]. ] что дает больший, чем обычно, шанс обнаружения. Однако, поскольку о количестве компактных двойных систем во Вселенной было мало что известно, а достижение этой финальной стадии может быть очень медленным, было мало уверенности в том, как часто могут происходить такие события. [29]
Гравитационные волны можно обнаружить косвенно – путем наблюдения за небесными явлениями, вызванными гравитационными волнами – или более напрямую с помощью таких инструментов, как наземный LIGO или запланированный космический прибор LISA . [30]
Доказательства существования гравитационных волн были впервые получены в 1974 году благодаря движению двойной нейтронной звездной системы PSR B1913+16 , в которой одна из звезд представляет собой пульсар , излучающий электромагнитные импульсы на радиочастотах через точные, регулярные промежутки времени при своем вращении. Рассел Халс и Джозеф Тейлор , открывшие звезды, также показали, что со временем частота импульсов сокращалась и что звезды постепенно двигались по спирали навстречу друг другу с потерей энергии, которая близко соответствовала предсказанной энергии, которая будет излучаться гравитационными силами. волны. [31] [32] За эту работу Халс и Тейлор были удостоены Нобелевской премии по физике в 1993 году. [33] Дальнейшие наблюдения этого и других пульсаров в кратных системах (таких как система двойных пульсаров PSR J0737-3039 ) также согласуются. с общей теорией относительности с высокой точностью. [34] [35]
Прямое наблюдение гравитационных волн было невозможно в течение многих десятилетий после того, как они были предсказаны из-за незначительного эффекта, который необходимо было обнаружить и отделить от фона вибраций, присутствующих повсюду на Земле. Метод, называемый интерферометрией , был предложен в 1960-х годах, и со временем технология развилась настолько, что этот метод стал возможным.
В нынешнем подходе, используемом LIGO, лазерный луч разделяется, и две половины воссоединяются после прохождения разных путей. Изменения длины пути или времени, необходимого двум разделенным лучам, вызванные эффектом прохождения гравитационных волн, чтобы достичь точки, где они рекомбинируются, проявляются как « биения ». Подобный метод чрезвычайно чувствителен к малейшим изменениям расстояния или времени, необходимого для прохождения двух путей. Теоретически интерферометр с длиной плеч около 4 км был бы способен выявить изменение пространства-времени (крошечную долю размера одного протона ) при прохождении гравитационной волны достаточной силы через Землю из другого места. Этот эффект будет заметен только для других интерферометров аналогичного размера, таких как Virgo , GEO 600 и запланированные детекторы KAGRA и INDIGO . На практике потребуются как минимум два интерферометра, поскольку любая гравитационная волна будет обнаружена в обоих из них, но другие виды возмущений обычно не будут присутствовать в обоих. Этот прием позволяет отличить искомый сигнал от шума . В конечном итоге этот проект был основан в 1992 году как Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) . Оригинальные инструменты были модернизированы в период с 2010 по 2015 год (до Advanced LIGO), что дало увеличение примерно в 10 раз их первоначальной чувствительности. [36]
LIGO управляет двумя гравитационно-волновыми обсерваториями в унисон, расположенными на расстоянии 3002 км (1865 миль) друг от друга: LIGO Ливингстонская обсерватория ( 30 ° 33'46,42 "N 90 ° 46'27,27" W / 30,5628944 ° N 90,7742417 ° W / 30,562 8944 ; -90,7742417 ) в Ливингстоне, штат Луизиана , и обсерватории LIGO в Хэнфорде, на территории Министерства энергетики США в Хэнфорде ( 46 ° 27'18,52 "N 119 ° 24'27,56" W / 46,4551444 ° N 119,4076556 ° W / 46,455144 4;-119,4076556 ) недалеко от Ричленда, штат Вашингтон . Крошечные изменения в длине их рукавов постоянно сравниваются, и важные закономерности, которые, по-видимому, возникают синхронно, отслеживаются, чтобы определить, могла ли быть обнаружена гравитационная волна или виновата какая-то другая причина.
Первоначальные операции LIGO в период с 2002 по 2010 год не обнаружили никаких статистически значимых событий, которые можно было бы подтвердить как гравитационные волны. За этим последовало многолетнее закрытие, а детекторы были заменены значительно улучшенными версиями «Advanced LIGO». [37] В феврале 2015 года два усовершенствованных детектора были переведены в инженерный режим, в котором инструменты работают в полную силу с целью тестирования и подтверждения их правильного функционирования перед использованием для исследований, [38] с формальными научными наблюдениями из-за начнутся 18 сентября 2015 г. [39]
На протяжении всей разработки и первоначальных наблюдений LIGO было введено несколько «слепых инъекций» поддельных сигналов гравитационных волн, чтобы проверить способность исследователей идентифицировать такие сигналы. Чтобы защитить эффективность слепых инъекций, только четыре ученых LIGO знали, когда такие инъекции происходили, и эта информация была раскрыта только после того, как сигнал был тщательно проанализирован исследователями. [40] 14 сентября 2015 года, когда LIGO работал в инженерном режиме, но без каких-либо слепых вводов данных, прибор сообщил о возможном обнаружении гравитационных волн. Обнаруженному событию было присвоено имя GW150914. [41]
GW150914 был обнаружен детекторами LIGO в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана , США, в 09:50:45 UTC 14 сентября 2015 года . [4] [11] Детекторы LIGO работали в «инженерном режиме», то есть что они работали в полную силу, но еще не приступили к официальной фазе «исследований» (которая должна была начаться через три дня, 18 сентября), поэтому первоначально возник вопрос, были ли сигналы реальными обнаружениями или смоделированными данными для тестирования. целей до того, как было установлено, что это не были испытания. [42]
Чирп- сигнал длился более 0,2 секунды, а частота и амплитуда увеличивались примерно за 8 циклов с 35 Гц до 250 Гц. [3] Сигнал находится в слышимом диапазоне и напоминает птичье щебетание ; [4] Астрофизики и другие заинтересованные стороны во всем мире с энтузиазмом отреагировали, подражая сигналу в социальных сетях после объявления об открытии. [4] [43] [44] [45] (Частота увеличивается, потому что каждая орбита происходит заметно быстрее, чем предыдущая, в последние моменты перед слиянием.)
Триггер, указывающий на возможное обнаружение, был сообщен в течение трех минут после получения сигнала с использованием методов быстрого («онлайн») поиска, которые обеспечивают быстрый первоначальный анализ данных от детекторов. [3] После первого автоматического оповещения в 09:54 UTC серия внутренних электронных писем подтвердила, что никаких запланированных или внеплановых инъекций не было и что данные выглядели чистыми. [40] [46] После этого остальная часть сотрудничающей команды была быстро проинформирована о предварительном обнаружении и его параметрах. [47]
Более подробный статистический анализ сигнала и сопутствующих данных за 16 дней с 12 сентября по 20 октября 2015 г. выявил GW150914 как реальное событие с оценочной значимостью не менее 5,1 сигма [3] или уровнем достоверности 99,99994%. [48] Соответствующие пики волн были замечены в Ливингстоне за семь миллисекунд до того, как они достигли Хэнфорда. Гравитационные волны распространяются со скоростью света , и это различие соответствует времени прохождения света между двумя точками. [3] Волны путешествовали со скоростью света более миллиарда лет. [49]
На момент мероприятия детектор гравитационных волн Virgo (недалеко от Пизы, Италия) был отключен и находился на стадии модернизации; если бы он был онлайн, он, вероятно, был бы достаточно чувствителен, чтобы обнаружить сигнал, что значительно улучшило бы позиционирование события. [4] GEO600 (недалеко от Ганновера , Германия) не был достаточно чувствителен, чтобы обнаружить сигнал. [3] Следовательно, ни один из этих детекторов не смог подтвердить сигнал, измеренный детекторами LIGO. [4]
Событие произошло на расстоянии светимости440+160
−180 мегапарсек [1] : 6 (определяется по амплитуде сигнала), [4] или1,4 ± 0,6 миллиарда световых лет , что соответствует космологическому красному смещению0,093+0,030
−0,036(90% достоверных интервалов ). Анализ сигнала вместе с предполагаемым красным смещением показал, что он возник в результате слияния двух черных дыр с массами35+5
−3раз и30+3
−4раз больше массы Солнца ( в исходном кадре), в результате чего после слияния образовалась черная дыра размером62+4
−3солнечные массы. [1] : 6 Масса -энергия недостающего3,0 ± 0,5 солнечных масс было излучено в виде гравитационных волн. [3]
В течение последних 20 миллисекунд слияния мощность излучаемых гравитационных волн достигла пика примерно на3,6 × 10 49 Вт или 526 дБм – в 50 раз больше [50] , чем совокупная мощность всего света, излучаемого всеми звездами в наблюдаемой Вселенной . [3] [4] [15] [16] Количество этой энергии, полученной всей планетой Земля, составило около 36 миллиардов Джоулей, из которых было поглощено лишь небольшое количество. [51]
В течение 0,2-секундной продолжительности обнаруживаемого сигнала относительная тангенциальная (орбитальная) скорость черных дыр увеличилась с 30% до 60% скорости света . Орбитальная частота 75 Гц (половина частоты гравитационных волн) означает, что к моменту слияния объекты вращались вокруг друг друга на расстоянии всего 350 км. Фазовые изменения поляризации сигнала позволили вычислить орбитальную частоту объектов, а вместе с амплитудой и характером сигнала позволили рассчитать их массы и, следовательно, их экстремальные конечные скорости и орбитальное разделение (расстояние друг от друга) при их слиянии . Эта информация показала, что объекты должны были быть черными дырами, поскольку любой другой тип известных объектов с такими массами был бы физически больше и, следовательно, слился бы до этой точки или не достиг бы таких скоростей на такой маленькой орбите. Наивысшая наблюдаемая масса нейтронной звезды составляет две массы Солнца, с консервативным верхним пределом массы стабильной нейтронной звезды в три массы Солнца, так что пара нейтронных звезд не имела бы достаточной массы, чтобы объяснить слияние (если только не экзотические существуют альтернативы, например, бозонные звезды ), [2] [3], в то время как пара черная дыра- нейтронная звезда слились бы раньше, в результате чего конечная орбитальная частота была бы не такой высокой. [3]
Затухание формы волны после достижения пика соответствовало затухающим колебаниям черной дыры, когда она релаксировала до окончательной слившейся конфигурации. [3] Хотя спиральное движение компактных двойных систем может быть хорошо описано с помощью постньютоновских вычислений , [52] стадия слияния в сильном гравитационном поле может быть решена в полной общности только с помощью крупномасштабного численного моделирования относительности. [53] [54] [55]
В улучшенной модели и анализе объект после слияния оказался вращающейся черной дырой Керра с параметром вращения0,68+0,05
−0,06, [1] т.е. тот, у которого 2/3 максимально возможного углового момента для его массы.
Две звезды, образовавшие две черные дыры, вероятно, образовались примерно через 2 миллиарда лет после Большого взрыва и имели массы от 40 до 100 раз больше массы Солнца . [56] [57]
Гравитационно-волновые приборы представляют собой мониторы всего неба с небольшой способностью пространственного разрешения сигналов. Сеть таких инструментов необходима для определения местоположения источника на небе посредством триангуляции . Поскольку в режиме наблюдения находились только два инструмента LIGO, местоположение источника GW150914 можно было ограничить только дугой на небе. Это было сделано посредством анализа6,9+0,5
−0,4временная задержка в мс, а также согласованность амплитуды и фазы на обоих детекторах. Этот анализ дал достоверную область 150 град 2 с вероятностью 50 % или 610 град 2 с вероятностью 90 %, расположенную в основном в Южном небесном полушарии , [2] : 7 : рис . дальше, чем) Магеллановы Облака . [4] [11]
Для сравнения, площадь созвездия Ориона равна 594 градуса 2 . [58]
Космический гамма-телескоп Ферми сообщил , что его прибор монитора гамма-всплесков (GBM) обнаружил слабый гамма-всплеск с энергией выше 50 кэВ, начавшийся через 0,4 секунды после события LIGO и с областью позиционной неопределенности, перекрывающей область наблюдения LIGO. Команда Ферми рассчитала вероятность того, что такое событие станет результатом совпадения или шума, на уровне 0,22%. [59] Однако гамма-всплеск не ожидался, и наблюдения с помощью инструмента SPI-ACS всего неба телескопа ИНТЕГРАЛ показали, что любое энергетическое излучение в гамма-лучах и жестком рентгеновском излучении от этого события составляло менее одной миллионной доли энергия, излучаемая в виде гравитационных волн, что «исключает возможность того, что событие связано с существенным гамма-излучением, направленным на наблюдателя». Если бы сигнал, наблюдаемый Ферми-ГБМ, был действительно астрофизическим, ИНТЕГРАЛ указал бы на четкое обнаружение со значимостью на 15 сигм выше фонового излучения. [60] Космический телескоп AGILE также не обнаружил гамма-двойника этого события. [61]
Последующий анализ независимой группы, опубликованный в июне 2016 года, разработал другой статистический подход для оценки спектра гамма-переходного процесса. Он пришел к выводу, что данные Fermi GBM не содержат доказательств гамма-всплеска и представляют собой либо фоновое излучение, либо переходное альбедо Земли в масштабе времени в 1 секунду. [62] [63] Однако в опровержении этого последующего анализа было указано, что независимая группа исказила анализ оригинального документа группы Fermi GBM Team и, следовательно, неверно истолковала результаты первоначального анализа. В опровержении подтверждено, что вероятность ложного совпадения рассчитывается эмпирически и не опровергается независимым анализом. [64] [65]
Слияния черных дыр того типа, который, как считается, вызвал гравитационное событие, не должны приводить к гамма-всплескам, поскольку не ожидается, что двойные черные дыры звездной массы будут иметь большое количество вращающейся материи. Ави Леб предположил, что если массивная звезда быстро вращается, то центробежная сила, возникающая во время ее коллапса, приведет к образованию вращающегося стержня, который распадается на два плотных сгустка материи с конфигурацией гантели, которые становятся двойной черной дырой. В конце коллапса звезды происходит гамма-всплеск. [66] [67] Леб предполагает, что задержка в 0,4 секунды — это время, необходимое гамма-всплеску для пересечения звезды относительно гравитационных волн. [67] [68]
В зоне реконструированного источника проводились последующие наблюдения, охватывающие радио- , оптические , ближние инфракрасные , рентгеновские и гамма- диапазоны, а также поиски совпадающих нейтрино . [2] Однако, поскольку LIGO еще не начала свою научную деятельность, уведомление других телескопов было отложено. [ нужна цитата ]
Телескоп АНТАРЕС не обнаружил ни одного кандидата на нейтрино в пределах ±500 секунд от GW150914. Нейтринная обсерватория IceCube обнаружила трех кандидатов-нейтрино в пределах ±500 секунд от GW150914. Одно событие было обнаружено в южном небе, а два — в северном. Это соответствовало ожидаемому уровню фонового обнаружения. Ни один из кандидатов не соответствовал 90% доверительной зоне слияния. [69] Хотя нейтрино не было обнаружено, отсутствие таких наблюдений ограничивало эмиссию нейтрино в результате этого типа гравитационно-волновых событий. [69]
Наблюдения миссии Swift Gamma-Ray Burst за близлежащими галактиками в районе обнаружения через два дня после события не обнаружили никаких новых источников рентгеновского, оптического или ультрафиолетового излучения. [70]
Объявление об обнаружении было сделано 11 февраля 2016 года [4] на пресс-конференции в Вашингтоне, округ Колумбия, Дэвидом Рейце , исполнительным директором LIGO, [6] с группой экспертов, в которую входили Габриэла Гонсалес , Райнер Вайс и Кип Торн из LIGO. и Франция А. Кордова , директор NSF . [4] Барри Бэриш провел первую презентацию этого открытия перед научной аудиторией одновременно с публичным объявлением. [71]
Первоначальный анонс был опубликован во время пресс-конференции в журнале Physical Review Letters [3] , а дальнейшие статьи были либо опубликованы вскоре после этого [19] , либо сразу же доступны в виде препринта . [72]
В мае 2016 года вся коллаборация, а в частности Рональд Древер , Кип Торн и Райнер Вайс , получили Специальную премию за прорыв в фундаментальной физике за наблюдение гравитационных волн. [73] Древер, Торн, Вайс и команда исследователей LIGO также получили премию Грубера в области космологии . [74] Древер, Торн и Вайс также были удостоены премии Шоу 2016 года по астрономии [75] [76] и премии Кавли 2016 года по астрофизике. [77] Бариш был награжден премией Энрико Ферми 2016 года от Итальянского физического общества (Società Italiana di Fisica). [78] В январе 2017 года представитель LIGO Габриэла Гонсалес и команда LIGO были награждены Премией Бруно Росси 2017 года . [79]
Нобелевская премия по физике 2017 года была присуждена Райнеру Вайсу, Барри Баришу и Кипу Торну «за решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн». [80]
Это наблюдение было провозглашено началом революционной эры гравитационно-волновой астрономии . [81] До этого открытия астрофизики и космологи могли проводить наблюдения на основе электромагнитного излучения (включая видимый свет, рентгеновские лучи, микроволны, радиоволны, гамма-лучи) и частицоподобных объектов ( космические лучи , звездные ветры , нейтрино) . , и так далее). У них есть существенные ограничения: свет и другое излучение не могут излучаться многими видами объектов, а также могут быть затемнены или скрыты за другими объектами. Такие объекты, как галактики и туманности, также могут поглощать, переизлучать или изменять свет, генерируемый внутри или позади них, а компактные звезды или экзотические звезды могут содержать темный и радиомолчащий материал, и в результате свидетельств их присутствия мало. иначе как через их гравитационное взаимодействие. [82] [83]
15 июня 2016 года группа LIGO объявила о наблюдении еще одного гравитационно-волнового сигнала, названного GW151226 . [84] Было предсказано, что Advanced LIGO обнаружит еще пять слияний черных дыр, таких как GW150914, в своей следующей наблюдательной кампании с ноября 2016 года по август 2017 года (их оказалось семь ), а затем 40 слияний двойных звезд каждый год, в дополнение к неизвестное количество более экзотических источников гравитационных волн, некоторые из которых не могут быть предсказаны современной теорией. [11]
Ожидается, что запланированные обновления удвоят соотношение сигнал/шум , увеличив объем пространства, в котором могут быть обнаружены такие события, как GW150914, в десять раз. Кроме того, Advanced Virgo, KAGRA и, возможно, третий детектор LIGO в Индии расширят сеть и значительно улучшат реконструкцию положения и оценку параметров источников. [3]
Космическая антенна лазерного интерферометра (LISA) — это предлагаемая миссия космического базирования для обнаружения гравитационных волн. С предложенным диапазоном чувствительности LISA слияние двойных систем, таких как GW150914, можно будет обнаружить примерно за 1000 лет до их слияния, что обеспечивает класс ранее неизвестных источников для этой обсерватории, если они существуют в пределах примерно 10 мегапарсек. [19] LISA Pathfinder , миссия LISA по развитию технологий, была запущена в декабре 2015 года и продемонстрировала, что миссия LISA осуществима. [85]
Текущая модель предсказывает, что LIGO будет обнаруживать примерно 1000 слияний черных дыр в год после того, как достигнет полной чувствительности, запланированной на 2020 год. [56] [57]
Массы двух черных дыр до слияния дают информацию о звездной эволюции . Обе черные дыры были более массивными, чем ранее обнаруженные черные дыры звездной массы , которые были получены на основе рентгеновских двойных наблюдений. Это означает, что звездные ветры от звезд-прародителей должны были быть относительно слабыми, и, следовательно, металличность ( массовая доля химических элементов, тяжелее водорода и гелия) должна была быть менее половины солнечной величины. [19]
Тот факт, что черные дыры до слияния присутствовали в двойной звездной системе, а также тот факт, что система была достаточно компактной, чтобы слиться в течение возраста Вселенной, ограничивает либо развитие двойных звезд, либо сценарии динамического формирования , в зависимости от того, как образовалась двойная черная дыра. Значительное количество черных дыр должно получить низкие натальные удары (скорость, которую черная дыра приобретает при своем образовании в результате коллапса ядра сверхновой ), в противном случае черная дыра, образующаяся в двойной звездной системе, будет выброшена, и событие, подобное GW, будет исключено. предотвращено. [19] Выживание таких двойных систем через общие фазы высокого вращения в массивных звездах-прародителях может быть необходимо для их выживания. [ нужны разъяснения ] Большинство последних предсказаний модели черной дыры соответствуют этим дополнительным ограничениям. [ нужна цитата ]
Открытие события слияния GW увеличивает нижний предел частоты таких событий и исключает некоторые теоретические модели, которые предсказывали очень низкие скорости - менее 1 Гпк -3 год -1 (одно событие на кубический гигапарсек в год). [3] [19] Анализ привел к снижению предыдущего верхнего предела скорости для таких событий, как GW150914, с ~ 140 Гпк -3 год -1 до17+39
−13 Гпк -3 год- 1 . [86]
Измерение формы и амплитуды гравитационных волн от слияния черной дыры позволяет точно определить расстояние до нее. Накопление данных о слиянии черных дыр в результате космологически далеких событий может помочь создать более точные модели истории расширения Вселенной и природы темной энергии , которая на нее влияет. [87] [88]
Самая ранняя Вселенная непрозрачна, поскольку тогда космос был настолько энергичным, что большая часть материи была ионизирована, а фотоны рассеивались свободными электронами. [89] Однако эта непрозрачность не повлияла бы на гравитационные волны того времени, поэтому, если бы они возникали на уровнях, достаточно сильных, чтобы их можно было обнаружить на таком расстоянии, это позволило бы открыть окно для наблюдения за космосом за пределами нынешней видимой Вселенной . Поэтому гравитационно-волновая астрономия когда-нибудь может позволить осуществить прямое наблюдение самой ранней истории Вселенной . [3] [18] [19] [20] [21]
Предполагаемые фундаментальные свойства, масса и спин, черной дыры после слияния соответствовали свойствам двух черных дыр до слияния, что соответствовало предсказаниям общей теории относительности. [7] [8] [9] Это первое испытание общей теории относительности в режиме очень сильного поля . [3] [18] Никакие доказательства не могут быть установлены против предсказаний общей теории относительности. [18]
В этом сигнале была ограничена возможность исследовать более сложные взаимодействия общей теории относительности, такие как хвосты, возникающие в результате взаимодействия между гравитационной волной и искривленным пространственно-временным фоном. Хотя это умеренно сильный сигнал, он намного меньше, чем сигнал, создаваемый системами двойных пульсаров. В будущем более сильные сигналы в сочетании с более чувствительными детекторами можно будет использовать для исследования сложных взаимодействий гравитационных волн, а также для улучшения ограничений на отклонения от общей теории относительности. [18]
Общая теория относительности предсказывает , что скорость гравитационных волн ( vg ) равна скорости света ( c ). [90] Степень любого отклонения от этого соотношения может быть параметризована через массу гипотетического гравитона . Гравитон — это имя, данное элементарной частице , которая в квантовых теориях гравитации выступает в качестве носителя силы гравитации . Ожидается, что он будет безмассовым, если, как оказывается, гравитация имеет бесконечный радиус действия. (Это потому, что чем массивнее калибровочный бозон , тем короче радиус действия связанной с ним силы; как и в случае с бесконечным диапазоном электромагнетизма , который обусловлен безмассовым фотоном , бесконечный диапазон гравитации подразумевает, что любая связанная с ним сила, несущая частица также была бы безмассовой.) Если бы гравитон не был безмассовым, гравитационные волны распространялись бы со скоростью ниже скорости света, причем более низкие частоты ( ƒ ) были бы медленнее, чем более высокие частоты, что приводило бы к дисперсии волн в результате слияния. [18] Такой дисперсии не наблюдалось. [18] [28] Наблюдения за спиралью немного улучшают (понижают) верхний предел массы гравитона по данным наблюдений Солнечной системы до2,1 × 10 −58 кг , что соответствует1,2 × 10 −22 эВ / c 2 или комптоновская длина волны ( λ g ) более 1013 км, примерно 1 световой год. [3] [18] Используя самую низкую наблюдаемую частоту 35 Гц, это соответствует нижнему пределу v g , так что верхний предел 1- v g / c составляет ~ 4 × 10 -19 . [примечание 5]
... Теперь предположим, что мы ростом 2 м (~ 6,5 футов) и плывем вне черной дыры на расстоянии, равном расстоянию Земли до Солнца. По моим оценкам, вы попеременно будете чувствовать себя сдавленным и растянутым примерно на 165 нм (ваш рост меняется в большей степени в течение дня из-за сжатия позвонков, когда вы находитесь в вертикальном положении)...
Учитывая гравитационные волны, мы ожидаем, что в конечном итоге увидим сам Большой Взрыв.
Мы сможем измерить скорость расширения Вселенной или количество темной энергии во Вселенной с необычайной точностью.