Конечное многопосыльное астрономическое событие будет иметь гравитационные волны, частицы и свет, прибывающие все одновременно. Это только что произошло?
фото: Кредит : Сотрудничество SXS. Математическое моделирование искривленного пространства-времени вблизи двух сливающихся нейтронных звезд, что приводит к созданию черной дыры. Цветные полосы — это пики и провалы гравитационных волн, причем цвета становятся ярче по мере увеличения амплитуды волны. Самые сильные волны, несущие наибольшее количество энергии, возникают непосредственно перед и во время самого события слияния. То, что происходит за пределами горизонта событий, практически не зависит от того, есть ли в центре кольцевая сингулярность или какой-либо другой протяженный объект, который не является сингулярным.
- Еще в 2015 году передовой LIGO начал собирать данные, обнаружив свою первую гравитационную волну всего через несколько дней после начала работы. За прошедшее время были замечены сотни событий гравитационных волн.
- Но только один раз, в 2017 году, мы получили так называемое многофакторное событие: когда в одном и том же событии были обнаружены два или более источника света, частиц и гравитационных волн.
- Самый информативный сигнал, который мы могли бы обнаружить, был бы трифектом: когда все три вида сигнала обнаружены из одного и того же события. С нейтрино и гравитационными волнами, замеченными в событии 6 февраля 2025 года, мы уже находимся на неизведанной территории.
Трудно поверить, но в 2025 году мы находимся менее чем в десятилетии от начала эпохи гравитационно-волновой астрономии. Только в сентябре 2015 года Advanced LIGO, первая гравитационно-волновая обсерватория человечества, способная обнаруживать реалистичные гравитационные волны, создаваемые во Вселенной, вышла в эксплуатацию. В течение нескольких дней был обнаружен первый астрофизический сигнал — от двух сливающихся черных дыр. В последующие десятилетия мы уже видели сотни гравитационно-волновых событий: событий, которые означают слияние массивных, компактных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды. К LIGO также присоединились дополнительные детекторы гравитационных волн, включая детектор Virgo в Европе и детектор KAGRA в Японии. Вместе они позволяют нам не только обнаруживать гравитационные волны, но и локализовать их в небе.
Одно гравитационно-волновое событие в 2017 году даже сопровождалось электромагнитным аналогом: гамма-всплеском, который был обнаружен всего через 1,7 секунды после прекращения гравитационно-волнового сигнала. Это оказалась килоновая, или слияние двух нейтронных звезд, в соседней галактике, расположенной всего в 140 миллионах световых лет от нас. Наблюдение электромагнитных и гравитационных волновых сигналов от одного и того же астрофизического события возвестило о революции в многоканальной астрономии: впервые было замечено, что гравитационно-волновое событие сопровождалось световым сигналом. 6 февраля 2025 года произошло нечто беспрецедентное: гравитационно-волновой сигнал , который сопровождался прибытием частиц : в данном случае нейтрино. Это может оказаться самым важным событием гравитационной волны, когда-либо наблюдавшимся. Вот наука, стоящая за тем, что все еще разворачивается.
Кредит : ESA–C.Carreau
Когда гравитационная волна проходит через место в пространстве, она вызывает расширение и сжатие в попеременное время в попеременных направлениях, заставляя длины лазерных плеч изменяться во взаимно перпендикулярных ориентациях. Используя это физическое изменение, мы разработали успешные детекторы гравитационных волн, такие как LIGO и Virgo. Однако, в отличие от этой иллюстрации, гравитационные волны не просто распространяются в «трубке», а скорее распространяются по всему трехмерному пространству.
Идея многоканальной астрономии существует уже давно и основана на трех различных способах рассмотрения Вселенной.
- Мы можем искать свет или электромагнитные сигналы, что является «классическим» способом выполнения астрономических исследований: с помощью телескопов. Хотя мы обычно думаем о свете как об оптическом свете, к которому чувствительны наши глаза, большая часть электромагнитного спектра невидима для людей и требует специализированных телескопов, от сверхэнергетических гамма-лучей вплоть до радиоволн с самой низкой энергией, чтобы обнаружить их полный набор.
- Мы также можем искать частицы: космические лучи, такие как протоны, ядра, электроны или позитроны, а также призрачный сигнал нейтрино. Хотя нейтрино впервые было предложено в 1930 году и не было обнаружено до 1950-х годов, теперь мы видим нейтрино из ряда астрофизических источников : Солнца, по всему небу и даже иногда из идентифицируемых внегалактических источников , таких как блазары.
- И хотя гравитационные волны были следствием общей теории относительности Эйнштейна с момента ее создания в 1915 году, мы могли сделать вывод об их существовании только косвенно — из гравитационного распада орбит нейтронных звезд — до тех пор, пока в 2015 году не появился Advanced LIGO и не начал напрямую обнаруживать гравитационные волны.
Даже не гравитационно-волновая астрономия привела нас в эру многоканальной астрономии; все началось со сверхновой в соседней галактике в далеком 1987 году .
Авторы и права : НАСА, ЕКА, ККА, Микако Мацуура (Кардиффский университет), Ричард Арендт (НАСА-GSFC, UMBC), Клас Франссон (Стокгольмский университет), Джозефин Ларссон (КТН); Обработка: Алисса Пэган (STScI)
Камера NIRCam (Near-Infrared Camera) Уэбба запечатлела это детальное изображение SN 1987A, которое было аннотировано для выделения ключевых структур. В центре материал, выброшенный из сверхновой, образует форму замочной скважины. Слева и справа от него находятся слабые полумесяцы, недавно обнаруженные Уэббом. За ними экваториальное кольцо, образованное из материала, выброшенного за десятки тысяч лет до взрыва сверхновой, содержит яркие горячие точки. Снаружи этого находится диффузное излучение и два слабых внешних кольца.
Это событие, известное как сверхновая 1987A , было сверхновой с коллапсом ядра, которая, насколько нам известно, была единственной сверхновой нашей Местной группы за весь 20-й век, пришедшей из галактики всего в 165 000 световых лет от нас: Большого Магелланова Облака. Примечательно, что первым прибыл не свет: это был поток нейтрино , произведенный за считанные секунды в ядре коллапсирующей звезды, который разлился по всей Вселенной, и несколько десятков нейтрино прибыли в инструменты, которые у нас были и которые были способны обнаружить их в то время. Несколько часов спустя начали прибывать первые световые сигналы от сверхновой, оставившие сигнатуры, которые все еще можно наблюдать даже сегодня, почти 40 лет спустя. За все время с тех пор в нашей Местной группе не было ни одной сверхновой, что не позволяет нам снова наблюдать такое счастливое событие. Однако в это время появился новый класс научных приборов — детекторы гравитационных волн. В частности, наземная система детекторов, которая у нас есть сегодня, наиболее заметно (и наиболее чувствительно) включает в себя два интерферометра LIGO в Ханфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана, которые стали чувствительны к спирали, слиянию и кольцу маломассивных, со-орбитальных, двойных компактных объектов.
Это означает, что теперь мы можем обнаружить слияния
- черная дыра-черная дыра,
- черная дыра-нейтронная звезда,
- и нейтронная звезда-нейтронная звезда
системы, в частности, если массы двух компонентов относительно близки друг к другу и меньше примерно 100 солнечных масс у каждого.
Кредит : Caltech/MIT/LIGO Lab
Детекторы LIGO во многих отношениях являются жемчужиной наземных детекторов гравитационных волн и одним из самых успешных объектов и программ Национального научного фонда . С тех пор, как они начали искать гравитационные волны, они были модернизированы и их чувствительность несколько раз повышалась, попутно разрабатывая и используя новые квантовые технологии . С 2015 по 2017 год было замечено всего около десяти событий гравитационных волн; с тех пор, как LIGO начал свой четвертый (и текущий) цикл данных в мае 2023 года — включая четырехмесячную паузу с января по апрель 2024 года — по состоянию на 10 февраля 2025 года было замечено в общей сложности 193 кандидата на обнаружение с высокой степенью значимости.
Большинство гравитационно-волновых событий, которые видит LIGO (и другие детекторы гравитационных волн, Virgo и KAGRA), представляют собой двойные черные дыры: трупы крупных, массивных звезд, которые все еще вращаются друг вокруг друга, медленно излучая свою орбитальную энергию в виде гравитационных волн. Когда эти орбиты становятся плотными, близкими и достаточно быстрыми, они попадают в диапазон обнаружения этих обсерваторий: с достаточно большими амплитудами и достаточно быстрыми частотами, чтобы их можно было обнаружить. Мы можем обнаружить объекты с большей массой, которые участвуют в этом гравитационном танце, издалека, но объекты с меньшей массой можно увидеть только если они находятся близко, поскольку амплитуда сигнала гравитационной волны зависит от массы.
Кредит : Научное сотрудничество LIGO/Беверли Бергер, NSF
- они вдохновлялись все быстрее и быстрее,
- причем амплитуда увеличивалась по мере их сближения,
- пока не произошло событие слияния,
- где сигнал гравитационной волны затем быстро затух и прекратился.
Одно это событие было бы монументальным, поскольку оно представляло бы собой самый маломассивный и близкий гравитационный волновой сигнал из когда-либо наблюдавшихся, и стало бы первым случаем, когда мы увидели бы слияние нейтронных звезд в гравитационных волнах. Но он был совсем не один. Всего через 1,7 секунды после того, как сигнал гравитационной волны закончился, совершенно другая обсерватория, спутник НАСА Fermi, зафиксировала сигнатуру гамма-излучения, исходящую от галактики NGC 4993: перекрывающуюся с тем же местом, откуда, как было замечено, пришел сигнал гравитационной волны. Последующие наблюдения из десятков обсерваторий, как на земле, так и в космосе, позволили астрономам сложить все части воедино: это событие было килоновой, слиянием нейтронных звезд, всплеском гамма-излучения и местом, где было произведено обильное производство самых тяжелых элементов из всех.
Всего через несколько часов после поступления сигналов гравитационной волны и гамма-излучения оптические телескопы смогли нацелиться на галактику, где произошло слияние, наблюдая, как место взрыва становится ярче и гаснет практически в реальном времени. Это событие 2017 года позволило нам наложить огромные ограничения на альтернативные сценарии как для гравитации, так и для электромагнетизма, особенно учитывая, что первые световые сигналы в гамма-лучах прибыли всего через 1,7 секунды после завершения сигнала гравитационной волны, на расстоянии около ~130 000 000 световых лет.
Авторы и права : П.С. Каупертуэйт/Э. Бергер/DECAm/CTIO
Только из этого одного многопосылочного события мы смогли узнать о Вселенной так много, чего мы никогда не знали раньше. И все же, несмотря на усовершенствование наших детекторов гравитационных волн, несмотря на то, что мы сейчас приближаемся к 300 подтвержденным обнаружениям гравитационных волн, и несмотря на то, что с точки зрения наблюдений гравитационно-волновая астрономия существует почти десятилетие, насколько это касается науки, с тех пор не было никаких других многопосылочных гравитационно-волновых событий. Конечно, мы видели другие слияния нейтронных звезд и нейтронных звезд в гравитационных волнах, но их совокупные массы (и их расстояния) значительно больше, чем в событии 2017 года. Возможно, мы были просто слишком далеко, чтобы увидеть электромагнитные аналоги, созданные ими, или, возможно, с ними не было никакой килоновой, поскольку они коллапсировали непосредственно в черную дыру вместо того, чтобы временно образовать остаток нейтронной звезды. Мы также наблюдали слияния нейтронных звезд и черных дыр, но ни одно из них не породило электромагнитного или основанного на частицах аналога. Возможно, они также направлялись прямо в черную дыру, не сумев произвести какой-либо сигнал, который детектор на основе света или частиц мог бы надеяться увидеть.
Кредит : Национальный научный фонд/LIGO/Университет штата Сонома/А. Симоннет
Когда две нейтронные звезды сливаются, они всегда производят гравитационно-волновой сигнал. Однако, в зависимости от множества факторов, среди которых особенно важна масса, эти слияния нейтронных звезд могут или не могут производить также электромагнитный сигнал. Когда это происходит, он приходит не одновременно с гравитационными волнами, а немного позже.
Но есть заманчивые возможности для конечной цели многопосылочной астрономии: событие «трифекта». Возможно, что при наличии достаточно хороших обсерваторий и достаточно удачного (т. е. достаточно близкого) события релевантности мы могли бы обнаружить событие, которое произвело:
- гравитационные волны,
- частицы (включая нейтрино),
- и электромагнитные сигналы (т.е. свет любой длины волны),
все сразу. Это может произойти из ряда возможных астрофизических источников, и некоторые из наиболее многообещающих кандидатов:
- слияние нейтронной звезды с нейтронной звездой, в результате которого образуется килоновая, что подразумевает, что их общая масса меньше примерно трех масс Солнца,
- сверхновая с коллапсом ядра, возникающая в асимметричной системе, например, массивная звезда с коллапсирующим ядром, вращающаяся по орбите вокруг оставшейся звезды или ее компаньона,
- или нейтронная звезда, которая движется по спирали достаточно близко к черной дыре малой массы, чтобы подвергнуться приливному разрушению, вызвав реакции термоядерного синтеза (и рождение частиц), прежде чем ее поглотит горизонт событий черной дыры.
Помимо необходимости набора детекторов гравитационных волн и массива телескопов в широком диапазоне длин волн, нам также нужен достаточно большой и чувствительный детектор частиц. Поскольку нейтрино в изобилии производятся в килоновых, сверхновых и приливных событиях, они движутся со скоростью, неотличимой от скорости света, и очень редко поглощаются (или даже подвергаются воздействию) промежуточной материи.
Авторы и права : Николь Рейджер Фуллер/NSF/IceCube
Кредит : Совместная работа LIGO/Virgo/KAGRA; GraceDB
В общедоступной базе данных событий LIGO, помимо прочих параметров, указана локализация на небе гравитационно-волнового события S250206dm, которое может стать первым многофакторным событием, включающим гравитационные волны и нейтрино, а также, возможно, включающим в себя электромагнитный аналог.
И затем, всего лишь примерно через час после того, как это событие было автоматически сообщено, вместе с координатами локализации на небе, Коллаборация IceCube выпустила собственное последующее оповещение . Они искали любые возможные сигнатуры нейтрино, происходящие в течение 1000 секунд (около 17 минут) после события гравитационной волны, которые также соответствовали бы возможным местоположениям источника из наблюдений гравитационных волн. Совпадение в пространстве и во времени было бы очень многообещающим, особенно учитывая, что предполагаемое расстояние до этого события по гравитационным волнам довольно велико: около ~1,1 ± 0,3 миллиарда световых лет.
И вот, нашлось два кандидата, один из которых оказался выдающимся совпадением : он произошел менее чем через пять минут после окончания гравитационно-волнового события.
- Может ли это быть килоновой?
- Может ли это быть разрушенная нейтронная звезда?
- Может ли это быть что-то другое, например, нейтронная звезда после слияния, которая внезапно дрогнула и/или разрушилась?
Если это подтвердится, это будет первое многофакторное событие с участием гравитационных волн и частиц, но есть ли также какое-то послесвечение или электромагнитный сигнал любого типа?
Хотя о последующих попытках было сообщено очень мало, есть намек на то, что может произойти что-то впечатляющее: радиотелескоп Канадского эксперимента по картированию интенсивности водорода (CHIME) обнаружил быстрый радиовсплеск , совпадающий по времени (но, возможно, не по пространству) с событием, связанным с гравитационной волной.
Кредит : Сотрудничество CHIME
Недавно в рамках канадского эксперимента по картированию интенсивности водорода (CHIME) было объявлено об обнаружении быстрого радиовсплеска, совпадающего по времени (но не попространству) с сигналом гравитационной волны и, возможно, также с нейтринной сигнатурой IceCube, от 6 февраля 2025 года.
Если окажется, что есть послесвечение или любой тип остатка, который можно наблюдать на любой длине волны света, связанный с гравитационными волнами и нейтринными сигнатурами события, которое в настоящее время называется S250206dm , это будет означать величайшее обнаружение гравитационных волн в истории: наше первое событие тройного эффекта в истории многоканальной астрономии. Однако стоит помнить, что ученые, работающие над этим, действуют медленно и осторожно и тратят необходимое им время на то, чтобы правильно изложить научные данные и собрать полный набор соответствующих данных. Только после завершения анализа мы узнаем наверняка, что произошло во время этого события и каковы его космические последствия.
Стоит также подчеркнуть, что в то же время, когда американские ученые выступают за создание более совершенных объектов нового поколения, которые станут лидерами в области науки во всем мире :
- новые телескопы откроют эру наземных обсерваторий 30-метрового класса,
- новый массив радиотелескопов для лучшего поиска транзиентных радиоисточников и наблюдения массива пульсаров в целях изучения гравитационных волн,
- новая модернизация объекта IceCube,
- и наземный детектор гравитационных волн следующего поколения, широко известный как LIGO II,
есть угрозы урезать финансирование Национального научного фонда . Это не только убьет мечту о всех этих потенциальных научных начинаниях, но и может привести к ненужному и преждевременному закрытию тех самых объектов, которые позволяют в настоящее время обнаруживать эти невероятные космические события. Мы, возможно, только что стали свидетелями того, что станет самым важным гравитационно-волновым событием всех времен. Всего за несколько коротких месяцев, имея на руках соответствующие данные, ученые, работающие над обнаружением гравитационных волн, частиц и электромагнитных сигналов этого события, сложат воедино все детали, рассказав нам всем, что оно на самом деле значит для нас и нашего места в космосе.