Кратко и по делу — методы детекции, физическое содержание ключевых сигналов LIGO/Virgo и полученные новые сведения.
1) Методы детекции (общая идея и реализации)
- Интерферометры усиленной лазерной интерферометрии (LIGO, Virgo, KAGRA): измеряют разность длин плеч с чувствительностью порядка $10^{-21}$–$10^{-23}$ в полосе примерно $\sim 10$–$5000$ Гц. Основные приёмы:
- матчинговая фильтрация (matched filtering) с шаблонами из решения ОТО и численной релятивистской гидродинамики для поиска сигналов от бинарных компактых объектов;
- ненаправленные «burst»-поиски для немодельных/коротких сигналов;
- сетевой анализ (коинцидентность по времени, когерентная реконструкция, null‑streams) для локализации и повышения достоверности.
- Пульсартайминги (PTA): мониторинг фаз радиопульсов множества миллисекундных пульсаров для поиска стохастической фона гравитационных волн на частотах $10^{-9}$–$10^{-7}$ Гц.
- Космическая интерферометрия (проект LISA): планируемый диапазон мГц, чувствителен к супер- и промежуточномассивным бинарным чёрным дырам и экстремально массовым системам.
- Резонансные бар‑детекторы (исторически) и методы поиска в КМ/КП (кредит доверия).
- Анализ данных: байесовская оценка параметров, тесты общей теории относительности, оценка скоростей/массы гравитона, верхние пределы на экзотические источники.
2) Физическое содержание наиболее значимых сигналов LIGO/Virgo
a) Слияния чёрная дыра — чёрная дыра (BH–BH)
- Типичное поведение: фаза «инспирал» (медленное сближение; сигнал растёт по частоте и амплитуде — «чирп»), затем быстропадающий мердж и релаксация (ringdown) модами новой BH.
- Пример GW150914: компоненты примерно $m_1\approx 36M_{\odot },m_2\approx 29M_{\odot }$, итоговый BH $\approx 62M_{\odot }$, радиопотеря энергии $\sim 3M_{\odot }{c}^2$, дистанция $\sim 410$ Мпк. Эти события дают:
- оценку масс и спинов компонент и итоговой BH;
- проверку ОТО в сильнополевой, динамической области (совпадение формы сигнала с моделями ОТО, отсутствие значимых отклонений);
- предел на массу гравитона (примерно $m_g\lesssim 10^{-22}$ эВ/$c^2$) и ограничения на дипольное излучение/альтернативные теории гравитации.
- Популяционные выводы: существование тяжёлых звёздных BH ($\sim 20$–$50M_{\odot }$), более высокая частота слияний, чем ожидалось; распределения масс/спинов дают подсказки о путях формирования (полевая эволюция vs динамическое взаимодействие в скоплениях).
b) Нейтронная звезда — нейтронная звезда (NS–NS)
- Ключевой пример GW170817: компоненты $m_1,m_2$ порядка $\sim 1.17$–$1.6M_{\odot }$, расстояние $\sim 40$ Мпк; сигнал сопровождался коротким гамма‑всплеском через $\sim 1.7$ с и оптическим/инфракрасным килоновойским подсветом (AT2017gfo).
- Физическая информация из сигнала и сопровождения:
- приливные деформации в фазе инспирала дают ограничения на уравнение состояния нейтронных звёзд (параметр «tidal deformability» $\Lambda$), что даёт пределы на радиусы NS ($R$ порядка $\sim 11$–$13$ км в зависимости от анализа).
- наблюдение килоновой вспышки — прямая подтверждение синтеза тяжёлых элементов r‑процесса в слияниях NS; оценка выноса вещества $\sim 0.01$–$0.05M_{\odot }$.
- мультимессенжерность: подтверждена связь коротких GRB со слияниями NS, локализация хоста позволила измерить значение постоянной Хаббла независимо от «стандартных свечей» ($H_0$ примерно $\sim 70_{-8}^{+12}$ км·с${}^{-1}$·Мпк${}^{-1}$ из первого результата).
- жёсткость скорости гравитации: совпадение прихода GWs и света в пределах $|v_{gw}-c|/c\lesssim 10^{-15}$, что исключило многие модификации гравитации.
3) Основные новые сведения о Вселенной от LIGO/Virgo
- Открытие популяции тяжёлых звёздных BH и измерение частот слияний компактных объектов (популяционная астрофизика).
- Подтверждение сценария мульти‑мессенджера: слияния NS — источник коротких GRB и r‑процесса (формирование тяжелых элементов, «килонова»).
- Ограничения на уравнение состояния нейтронной материи через приливные эффекты ($\Lambda$ → радиусы и внутреннее строение NS).
- Новые тесты общей теории относительности в сильном поле; пока ОТО подтверждается в наблюдаемых событиях.
- Космология независимым методом («стандартные сирены») — измерение $H_0$ без лестницы расстояний.
- Ограничения на фундаментальные параметры: масса гравитона, скорость гравитации, отсутствие значимой поляризации кроме двух тензорных.
- Открытие пути к изучению стохастического фонового излучения от суммарного населения бинаров; параллельно PTA и будущая LISA расширяют охват частот.
4) Ключевые формулы (кратко, физический смысл)
- хирп‑масса (определяет частотную эволюцию):
$$\mathcal{M}=\frac{(m_1{m}_2{)}^{3/5}}{(m_1+m_2{)}^{1/5}}.$$ - закон нарастания частоты в порядке пост‑Ньютона:
$$\dot{f}=\frac{96}{5}{\pi }^{8/3}{\left(\frac{G\mathcal{M}}{c^3}\right)}^{5/3}{f}^{11/3}.$$ - приближённая амплитуда тензорной волны от бинара на дистанции $D$:
$$h\sim \frac{G^{5/3}}{c^4}\frac{{\mathcal{M}}^{5/3}{f}^{2/3}}{D}\propto \frac{{\mathcal{M}}^{5/3}{f}^{2/3}}{D}.$$
Заключение (в одну фразу): LIGO/Virgo дали инструменты открывать динамическую сильнополевую гравитационную астрономию — от подтверждения существования массивных звёздных чёрных дыр и формирования тяжёлых элементов до независимой космологии и строгих тестов ОТО; методы основаны на сверхчувствительной интерферометрии, матчинговой фильтрации и сетевом анализе, а дальнейшие открытия ожидаются с ростом числа детекций и расширением диапазона частот (PTA, LISA).