Исследование черных дыр, испускающих гравитационные волны - Черные дыры во Вселенной

Квантовый распад первичных черных дыр является прямым следствием существования горизонта событий и, следовательно, его наблюдение могло бы непосредственно подтвердить существование небольших черных дыр. К сожалению, таких данных до сих пор нет. Наблюдения звездных и массивных черных дыр в оптике, рентгеновском и гамма-диапазонах не дают прямой информации об областях пространства-времени, близких к черной дыре, так как излучение образуется в областях, далеких от горизонта. Для детальных исследований области, близкой к горизонту, вполне возможно, потребуется новый источник информации в астрофизике: гравитационные волны. Когда будут построены новые гравитационно-волновые обсерватории, этот способ исследований станет очень важным.

Одни из наиболее многообещающих источников гравитационных волн, которые могли бы быть исследованы гравитационно-волновыми детекторами -- это астрофизические компактные двойные объекты. Обсуждаются, главным образом, три типа компактных двойных систем: состоящие из двух нейтронных звезд (НЗ/НЗ), из черной дыры и нейтронной звезды (НЗ/ЧД) и из двух черных дыр (ЧД/ЧД). Поскольку на некоторой стадии эволюции таких двойных систем происходит излучение гравитационных волн, компактные двойные входят в стадию взаимного сближения, которая заканчивается слиянием. В течение этих конечных стадий эволюции двойные системы испускают мощные гравитационные волны.

В настоящее время создается международная сеть наземных гравитационно-волновых детекторов. Она включает в себя два американских гравитационно-волновых лазерных интерферометра LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) [83], франко-итальянский интерферометр VIRGO близ Пизы (Италия), плечи которого составляют 3 км [84], и британо-германский 600-метровый интерферометр GEO-600 близ Ганновера (Германия) [85].

Детектор LIGO, который сейчас строится, состоит из двух вакуумных установок с 4-километровыми ортогональными плечами. Одна из них расположена в Хенфорде (штат Вашингтон), а другая -- в Ливингстоне (штат Луизиана). Их совместное функционирование начнется в 2002 г. Гравитационные волны, приходящие от далеких источников, эффективно изменяют относительную длину плеч, которая может быть измерена по сдвигу фазы между двумя лазерными пучками в двух ортогональных плечах. При ожидаемой точности измерения разности между длинами плеч ДL ~ 10 -16 см чувствительность детектора должна составлять ДL ~ 10 -21 -- 10 -22. Такая чувствительность будет реализована в детекторе LIGO в диапазоне частот от 40 до 120 Гц. Эффективность LIGO существенно понижается статистикой подсчета фотонов ("дробовой шум") на высоких частотах и сейсмическим шумом на низких частотах. Установка LIGO создается таким образом, чтобы она могла вместить последующие поколения усовершенствованных интерферометров. Второе поколение интерферометров LIGO-II планируется начать конструировать в 2005 г. и начать наблюдения с его помощью до 2007 г. Работая в том же диапазоне частот, он будет иметь чувствительность примерно на два порядка выше. В таблице 3 приводятся расстояния до двойных систем различных типов, которые являются предельными для их наблюдения с помощью детекторов LIGO.

Эволюция двойной системы черных дыр и формы испускаемых этой системой гравитационных волн могут быть отнесены к следующим трем стадиям: сближение, слияние и конечная стадия. Для описания стадии сближения двойных систем черных дыр необходим анализ постньютоновских разложений, и качественно картина та же самая, как и для других компактных двойных. Гравитационное излучение при слиянии и на конечной стадии содержит информацию, которая позволяет выделить случай двойной системы ЧД/ЧД. Для того, чтобы рассчитать динамику двух сливающихся черных дыр и численно воспроизвести образцы профилей гравитационных волн, которые можно будет использовать для расшифровки информации, закодированной в испущенных гравитационных волнах, необходимо численное моделирование на суперкомпьютерах. Финальная стадия эволюции известна значительно лучше. На этой стадии две исходных черных дыры образуют одну новую черную дыру, которая находится в очень возбужденном состоянии. Ее дальнейшая эволюция заключается в затухании возбуждений. Эти возбуждения представляют собой нелинейную суперпозицию квазинормальных мод. Затухание квазинормальных мод создает характерную "звенящую" форму профиля гравитационных волн.

Гравитационные волны, испускаемые на стадии слияния черных дыр и конечной стадии (стадии "последнего звонка"), несут информацию о сильно нелинейной, крупномасштабной динамике кривизны пространства-времени, и потому изучение этих сигналов позволяет проверить эйнштейновские гравитационные уравнения во всей их сложности.

Временной масштаб и масштаб длины для динамики двух черных дыр (включая гравитационное излучение таких систем) пропорциональны их полной массе. Другие параметры (например, отношение масс черных дыр, угловой момент черных дыр и т. д.) входят в виде безразмерных комбинаций. Полное число оборотов, проводимых системой ЧД/ЧД с массами 10 в диапазоне частот, соответствующем детекторам LIGO/ VIRGO, составляет около 600. Эти детекторы будут способны обнаружить и исследовать гравитационные волны, испущенные в последние несколько минут эволюции двойных черных дыр с полной массой до 10 3. Для больших масс гравитационно-волновой детектор должен иметь более низкий диапазон частот. Будущие гравитационно-волновые интерферометры, которые планируется расположить в космосе, будут работать в этом диапазоне частот. Примером такого проекта является LISA.

Космический лазерный интерферометр LISA (Laser Interferometer Space Antenna) будет состоять из трех космических аппаратов, образующих правильный треугольник со стороной 5 Ч 10 6 км. Центр треугольника будет расположен в плоскости эклиптики на таком же расстоянии от Солнца, что и Земля, и на 20° позади Земли на орбите.

Эти три космических аппарата будут действовать как гигантский интерферометр, измеряющий искажения в пространстве, вызываемые гравитационными волнами. Создание LISA было предложено в 1993 г. американскими и европейскими учеными как совместный проект NASA/ESA (National Aeronautics and Space Administration/European Space Agency -- Национальное управление США по аэронавтике и космосу/Европейское космическое агентство). Если проект будет утвержден, то работы по нему начнутся в 2005 г., а запуск запланирован на 2008 г. [86].

Диапазон частот детектора LISA 10 -4-1 Гц, что в 10000 раз ниже, чем диапазон частот LIGO/VIRGO. Его чувствительность в этом диапазоне частот планируется на уровне 10 -23. Детектор LISA позволит регистрировать гравитационные волны, испущенные двойными системами ЧД/ЧД с полной массой в интервале 10 3-10 8 (массивные и сверхмассивные черные дыры), удаленными на расстояния, соответствующие значениям красного смещения z ~ 3000.

Так как совершенно невероятно, что массивные и сверхмассивные черные дыры образуются столь рано (пока они являются первичными), это означает, что детектор LISA позволит наблюдать практически все сливающиеся двойные черные дыры в видимой Вселенной в указанном диапазоне масс.

Для обсуждения гравитационно-волнового излучения от сталкивающихся черных дыр очень важно знать, как много двойных систем ЧД/ЧД существует во Вселенной. К сожалению, это неизвестно. Разброс между наиболее оптимистичными и наиболее пессимистичными оценками довольно широк. Однако для двойных систем ЧД/ЧД с полной массой 5-50, которые образуются из звезд-прародителей, принадлежащих к главной последовательности, можно оценить темп их слияния в нашей Галактике как 1 слияние за 1-30 млн лет [87-89]. Если эти оценки правильны, детекторы LIGO/VIRGO будут регистрировать одно слияние в год для таких двойных вплоть до расстояний 300-900 Мпк. Частота событий для слияний сверхмассивных черных дыр является гораздо более неопределенной: от 0,1 до 1000 в год. Но даже в случае пессимистической оценки детектор LISA будет способен наблюдать 3 системы ЧД/ЧД с полной массой 3000-10 5, которые удалены на 30 лет от их окончательного слияния [89, 90].

В заключение заметим, что есть хорошие шансы обнаружить в самом ближайшем будущем гравитационные волны от сливающихся черных дыр, и, следовательно, впервые появится возможность практически непосредственно проверить наши теоретические предсказания относительно черных дыр.

Похожие статьи




Исследование черных дыр, испускающих гравитационные волны - Черные дыры во Вселенной

Предыдущая | Следующая