RIPPLE — TECHNICAL FIELD GUIDE / ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК
PHASESPACETIME STRETCHES
STRAIN—
FREQUENCY—
← ОГЛАВЛЕНИЕ — РИС. 00 — GW150914, 14 СЕНТЯБРЯ 2015, 09:50:45 UTC h = 1.0 × 10⁻²¹

РЯБЬ
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ: LIGO, VIRGO, KAGRA И LISA

Две чёрные дыры слились на расстоянии более миллиарда световых лет, и на пятую долю секунды пространство внутри двух зданий в Луизиане и штате Вашингтон растянулось и сжалось примерно на 10⁻²¹ своей длины. Девять глав и четыре прибора: уменьшите деформацию до доли протона, проиграйте «чирп» и извлеките из него массы, посмотрите, как орбита пульсара сокращается по теории Эйнштейна с точностью до 0,2 %, и узнайте, почему детектор с плечами в миллионы километров услышит совсем другое небо.

НАЧАТЬ — ГЛАВА 01 →
CH.01 / 09 — ЧТО ТАКОЕ ГРАВИТАЦИОННАЯ ВОЛНА

Пространство, которое растягивается в одну сторону и сжимается в другую

В 1916 году, через год после завершения общей теории относительности, Эйнштейн обнаружил, что её уравнения допускают волны — рябь деформации самого пространства, бегущую со скоростью света и возникающую, когда меняется квадрупольный момент масс: например, у двух звёзд, кружащих друг вокруг друга, но не у сферы, которая пульсирует на месте [1]. Он считал их слишком слабыми для измерения, а до конференции в Чапел-Хилле в 1957 году физики спорили, реальны ли они вообще [1].

Проходящая волна меняет расстояния на долю h — относительную деформацию (безразмерную амплитуду волны): линейка длиной L удлиняется примерно на hL/2 в одном направлении, а перпендикулярная ей укорачивается на столько же. Детекторы LIGO сравнивают два плеча по 4 км, поэтому измеряемый сигнал — ΔL = hL [1]. В самый сильный момент первой зарегистрированной волны h = 1,0 × 10⁻²¹ [1]: каждое плечо сместилось примерно на ±0,002 фемтометра [2]. Подвигайте деформацию и смените длину плеча, чтобы понять, что это значит.

ИЗМЕНЕНИЕ ДЛИНЫ ПЛЕЧА ПРИ ДЕФОРМАЦИИ
ΔL = δLx − δLy = h · L   ·   δLx = −δLy ≈ h · L / 2
Для волны, падающей на детектор сверху и поляризованной вдоль плеч (наилучший случай) [1]. Диаметр протона = 2 × 0,84075 фм — зарядовый радиус по CODATA 2022 [3].
—

Деформация кольца преувеличена примерно в 10²⁰ раз, чтобы её вообще можно было увидеть; показана только поляризация «плюс». LIGO — 4 км [1]; Virgo — 3 км, около Пизы [4]; KAGRA — 3 км, в шахте Камиока, с сапфировыми зеркалами, охлаждёнными до 20 К [5]; LISA — 2,5 млн км между аппаратами [6].

CH.02 / 09 — ОТ БРУСКОВ К ЛАЗЕРАМ

Пятьдесят лет создания «уха» для пространства-времени

Поиски начались в 1960-х годах с резонансных брусков Джозефа Вебера — металлических цилиндров, которые должны были «зазвенеть» при прохождении волны [1]. В 1969 году он опубликовал статью «Свидетельства открытия гравитационного излучения» [7]; регистрации, выдержавшей проверку, пришлось ждать до 2015 года. Затем появились криогенные бруски, а потом лазерные интерферометры, впервые предложенные Михаилом Герценштейном и Владиславом Пустовойтом в 1962 году и снова в 1970-х; расчёт шумов, выполненный Райнером Вайссом в 1972 году, и идеи Рональда Древера по их улучшению привели к проекту LIGO 1989 года, который предложили Древер, Рааб, Торн, Фогт и Вайсс [1]. К началу 2000-х TAMA 300 в Японии, GEO 600 в Германии, LIGO в США и Virgo в Италии наблюдали вместе и с 2002 по 2011 год устанавливали верхние пределы [1].

Advanced LIGO — это интерферометр Майкельсона, доведённый до предела: 20 Вт лазерного света с длиной волны 1064 нм накапливаются до 700 Вт на светоделителе и примерно до 100 кВт в каждом 4-километровом плече, между зеркалами, подвешенными как маятники, которые изолируют их от колебаний грунта на частотах выше 10 Гц [1]. Выше примерно 150 Гц предел задаёт зернистость самого света — дробовой шум фотонов; наилучшая полоса — 100–300 Гц [1]. Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн разделили Нобелевскую премию по физике 2017 года «за решающий вклад в создание детектора LIGO и наблюдение гравитационных волн» [8].

ADVANCED LIGO В ЦИФРАХ [1]
2 площадки · плечи 4 км · лазер 1064 нм · 20 Вт → 700 Вт → 100 кВт · изоляция выше 10 Гц · лучше всего на 100–300 Гц
Две площадки — в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (Луизиана): свету нужно около 10 мс, чтобы пройти между ними, поэтому настоящая волна появляется в обоих детекторах в пределах этого окна, а местные помехи — нет [1].
CH.03 / 09 — GW150914

Пятая доля секунды, которая взвесила две чёрные дыры

14 сентября 2015 года в 09:50:45 UTC оба детектора LIGO записали сигнал, частота которого поднялась с 35 до 250 Гц; в Ливингстон он пришёл на 6,9 мс раньше, чем в Хэнфорд [1]. За 0,2 с он примерно за 8 периодов вырос с 35 до 150 Гц, становясь всё громче, — «чирп» [1]. Отношение сигнал/шум составило 24, и ни одно фоновое событие в поисках с ним не сравнилось: частота ложных тревог ниже одной за 203 000 лет, что соответствует значимости выше 5,1σ [1].

Скорость нарастания тона почти целиком зависит от одной комбинации двух масс — чирп-массы. По частоте и скорости её изменения коллаборации LIGO и Virgo определили около 30 масс Солнца — значит, суммарная масса пары не меньше 70 солнечных, а чтобы обращаться 75 раз в секунду, они должны были находиться всего в ~350 км друг от друга: это чёрные дыры [1][9]. Полный анализ дал 36 и 29 масс Солнца, слившихся в одну дыру массой 62 [1]. Выберите чирп-массу и начальную частоту; кривая построена по формуле главного порядка и обрывается там, где орбита перестаёт быть устойчивой.

ЧИРП-МАССА И ВРЕМЯ ДО СЛИЯНИЯ (ГЛАВНЫЙ ПОРЯДОК) [1][9]
𝓜 = (m₁m₂)3/5/(m₁+m₂)1/5 = (c³/G)·[(5/96)·π−8/3·f−11/3·ḟ]3/5   ·   tc − t = (5/256)·(G𝓜/c³)−5/3·(πf)−8/3
f — частота гравитационной волны, вдвое больше орбитальной. Модель заканчивается на последней устойчивой круговой орбите для суммарной массы, f ≈ 4,4 кГц × (M☉/M), при равных массах (M = 2^(6/5)·𝓜) [9]; настоящее слияние и затухание идут выше — до ~250 Гц у GW150914 [1]. Массы здесь — измеренные в системе детектора; космологическое красное смещение делает их больше, чем в системе источника.
—
—

Предустановки: GW150914, 𝓜 ≈ 30 M☉ от 35 Гц [1]; GW170817 — пара нейтронных звёзд, 𝓜 = 1,1977 M☉ в системе детектора, около 100 с в полосе от 24 Гц [10]; в статье насчитано около 3000 циклов, модель главного порядка до последней устойчивой орбиты даёт около 3800. Звук — это собственная частота волны: гравитационные волны в этой полосе как раз звуковой частоты; воспроизводится не дольше 4 секунд и только по нажатию кнопки. 35–64 Гц у GW150914 слишком низко для динамиков телефона и большинства ноутбуков (ниже ~150 Гц они почти ничего не воспроизводят): лучше в наушниках или с кнопкой «на 4 октавы выше», которая умножает все частоты на 16.

CH.04 / 09 — ЭНЕРГИЯ ТРЁХ СОЛНЦ

Три Солнца, ушедшие в рябь, — и ничего не видно

Две чёрные дыры вместе весили около 65 масс Солнца, а оставшаяся — около 62. Разница, 3,0 ± 0,5 массы Солнца, ушла в гравитационные волны [1]. В пике слияние излучало 3,6 × 10⁴⁹ ватт — энергию 200 масс Солнца в секунду [1]. Чёрные дыры сами не светятся, поэтому всё это ушло в рябь пространства; на расстоянии 410 мегапарсек, около 1,3 млрд световых лет, она пришла к нам деформацией 10⁻²¹ [1].

В привычных единицах, с собственными данными Солнца — 1,9885 × 10³⁰ кг и 3,828 × 10²⁶ Вт [11], — числа ниже следуют из E = mc². Три массы Солнца — это во много раз больше энергии, чем Солнце выделит за всю жизнь, а в пике слияние превзошло Солнце примерно в 10²³ раз — в форме, которую не увидит ни один телескоп. С тех пор услышаны и более мощные слияния: GW190521, записанное в 2019 году, излучило около 7,6 массы Солнца [20].

ЭНЕРГИЯ GW150914, РАСЧЁТ ПО [1] И [11]
—
Полная отдача Солнца взята как 10 млрд лет при сегодняшней светимости — круглое число, только для масштаба.
CH.05 / 09 — PSR B1913+16

Свидетельство, пришедшее на десятилетия раньше

В 1974 году Рассел Халс и Джозеф Тейлор с помощью 300-метрового радиотелескопа Аресибо нашли первый пульсар в двойной системе — PSR 1913+16: вращающуюся нейтронную звезду, которая тикает как часы, обращаясь вокруг другой нейтронной звезды каждые 7¾ часа; они разделили Нобелевскую премию по физике 1993 года [12]. Если пара теряет энергию на гравитационные волны, орбита должна сжиматься и ускоряться, а импульсы — приходить всё раньше, чем при неизменной орбите.

Вайсберг и Хуан обработали 9257 моментов прихода импульсов, накопленных за 35 лет [13]. Массы получаются 1,438 и 1,390 массы Солнца, орбита — e = 0,6171340 и Pb = 0,322997448918 сут; период сокращается на 2,398 × 10⁻¹² секунды за секунду (с поправкой на ускорение в Галактике) против 2,40263 × 10⁻¹² по общей теории относительности — отношение 0,9983 ± 0,0016, вычисленное по неокруглённым значениям [13]. Измените эксцентриситет, чтобы понять, почему эта орбита так сильно излучает, и пройдите по годам, чтобы увидеть, как накапливается сдвиг.

ЗАТУХАНИЕ ОРБИТЫ ИЗ-ЗА ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН (ПИТЕРС — МЭТЬЮЗ) [13]
Ṗb = −(192π/5)·(2πT☉/Pb)5/3·f(e)·mpmc/(mp+mc)1/3   ·   f(e) = (1 + 73e²/24 + 37e⁴/96)/(1 − e²)7/2
T☉ = GM☉/c³ = 4,9255 мкс по GM Солнца [11]; массы — в массах Солнца. Сдвиг момента периастра через время t равен ½·(Ṗb/Pb)·t².
—
—

Кривая — предсказание общей теории относительности по массам и орбите из [13], отсчёт с 1975 года; измеренные точки Вайсберга и Хуана ложатся на неё (их рисунок 2), что и даёт отношение 0,9983. Их данные заканчиваются около 2013 года; дальше кривая — только предсказание. При изменении e массы и период B1913+16 не меняются.

CH.06 / 09 — ДЛИНА ПЛЕЧА ЗАДАЁТ ПОЛОСУ

Чем тяжелее пара, тем ниже голос

Самая высокая «нота» двойной системы перед слиянием обратно пропорциональна её массе: примерно 4,4 кГц, делённые на суммарную массу в массах Солнца [9]. Наземные детекторы слушают примерно от 10 Гц, где начинает работать маятниковая изоляция [1], и до килогерцевого диапазона — это диапазон чёрных дыр звёздной массы и нейтронных звёзд. Чёрные дыры в миллионы масс Солнца в центрах галактик сливаются на миллигерцах — гораздо ниже, чем может достать детектор на дрожащей Земле.

LISA ЕКА — три аппарата в треугольнике со стороной 2,5 млн км — рассчитана примерно на 0,1 мГц — 0,1 Гц [6][14]. Свету нужно больше 8 секунд, чтобы пройти одно её плечо, поэтому она глуха к быстрым волнам и настроена на медленные. Ещё ниже по частоте коллаборация NANOGrav 15 лет измеряла 67 пульсаров и в 2023 году сообщила о свидетельствах наногерцевого гравитационно-волнового фона, вероятно, от пар сверхмассивных чёрных дыр [15]. Сдвиньте массу и посмотрите, какой детектор услышит слияние.

—

Полосы приблизительные: наземные — от 10 Гц [1], нарисованы до 2 кГц — верхней границы графика данных GW170817 [10] (выше чувствительность есть, но меньше), LISA 0,1 мГц — 0,1 Гц [14], хронометраж пульсаров (пульсарный тайминг) — наногерцевый диапазон, от 1/(15 лет) ≈ 2 нГц — самого длинного периода, который вмещают 15 лет данных, — и выше (верхняя граница нарисована лишь примерно) [15]. Отмеченная нота — частота последней устойчивой орбиты для невращающегося остатка [9]; сближение идёт к ней снизу, поэтому слияние слышно в полосе, если эта нота попадает в неё или выше, а предшествующее сближение проходит через неё. Попасть в частотный диапазон полосы необходимо, но недостаточно: сигнал должен быть ещё и достаточно громким. Суммарные массы: GW170817 — 2,74 M☉ [10], GW150914 — 36 + 29 = 65 M☉ в системе источника [1] (в системе детектора из-за красного смещения ≈ 69 — это значение использует прибор с чирпом).

CH.07 / 09 — GW170817 И СЕТЬ СЕГОДНЯ

Услышали — и через 1,7 секунды увидели

17 августа 2017 года LIGO и Virgo поймали две нейтронные звезды, сближавшиеся по спирали около 100 секунд, до 12:41:04 UTC; отношение сигнал/шум 32,4, расстояние 40 мегапарсек [10]. Гамма-монитор Fermi зарегистрировал короткую вспышку GRB 170817A через 1,74 секунды — после пути длиной 130 млн лет, что показывает: скорость гравитации совпадает со скоростью света с точностью до нескольких единиц на 10¹⁵ [16]. Телескопы нашли светящийся выброс вещества — килоновую — в галактике NGC 4993 менее чем через 11 часов после слияния и наблюдали его от ультрафиолета до радио [17].

Статус на октябрь 2026 года: четвёртый цикл наблюдений O4 шёл с 24 мая 2023 по 18 ноября 2025 года (UTC) и дал около 300 значимых сигналов [18]. Сейчас детекторы модернизируются; коллаборация нацелена на шестимесячный цикл IR1 с середины января 2027 года (до пересмотра плана 16 октября его намечали на ноябрь 2026 года) — с обоими детекторами LIGO, Virgo с возможными перерывами и KAGRA, который подключится позже; план O5 пока обсуждается [19]. В космосе ЕКА утвердило LISA 25 января 2024 года с запуском, запланированным на 2035 год [6]; NASA — партнёр, но проекты бюджета США поставили его вклад под сомнение, и в мае 2026 года ЕКА начало финансировать европейскую замену части американских узлов, начиная с телескопов [21].

С КАКОЙ СКОРОСТЬЮ РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ ГРАВИТАЦИЯ? [10][16]
—
Опубликованное ограничение −3 × 10⁻¹⁵ ≤ Δv/c ≤ +7 × 10⁻¹⁶ использует консервативное расстояние 26 Мпк и учитывает, что гамма-излучение могло выйти до 10 с после слияния [16]; строка выше воспроизводит его верхнюю границу.

Статус на 22 октября 2026 года по странице планов наблюдений коллаборации, обновлённой 16 октября 2026 года и обещающей следующее обновление к 15 ноября 2026 года [19], и по [21] для LISA. Проверить снова после этого обновления и после запланированного на январь начала IR1.

CH.08 / 09 — НАСЛЕДИЕ

Столетие от предсказания до нового органа чувств

Каждый телескоп до 2015 года ловил свет. С тех пор мы ловим и дрожь самого пространства — от мгновений, когда сталкиваются чёрные дыры, которые не излучают света вовсе.

CH.09 / 09 — ИСТОЧНИКИ

Источники, на которые ссылается этот справочник