Астрофизики из Университета Глазго сообщили о выпуске нового обширного каталога гравитационно-волновых событий, который уже признан важной вехой в развитии гравитационной астрономии. Исследователи из Института гравитационных исследований представили обновленный Gravitational Wave Transient Catalogue-5.0 (GWTC-5). Этот каталог доступен онлайн, а научные статьи, основанные на его данных, опубликованы в журналах Astrophysical Journal и Astrophysical Journal Letters.
Каталог включает информацию о 161 новом сигнале, зафиксированном в результате столкновений черных дыр в период с апреля 2024 года по конец января 2025 года. Сигналы были зарегистрированы детекторами LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии в рамках коллаборации LVK. С учетом этого обновления общее количество зарегистрированных гравитационно-волновых сигналов достигло 390.
Среди ключевых открытий, представленных в каталоге, — доказательства существования черных дыр второго поколения, самая точная локализация источника гравитационных волн на небе, когда-либо достигнутая, а также первое измерение трех колебательных мод черной дыры.
Астрофизики из Университета Глазго активно участвуют в исследованиях гравитационных волн с 1970-х годов. Они сыграли ключевую роль в разработке чувствительных подвесок зеркал для детекторов американской лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории NSF LIGO. С момента исторического открытия первого сигнала в сентябре 2015 года ученые сотрудничают с международной коллаборацией LVK, улучшая работу детекторов и анализ данных. Частота обнаружений растет по мере повышения чувствительности оборудования.
Во время сеансов наблюдений детекторы коллаборации фиксируют от трех до четырех сигналов в неделю, и ожидается, что будущие сеансы принесут еще больше открытий. Коллаборация чередует периоды сбора данных (сеансы наблюдений) с фазами модернизации и настройки детекторов. Именно поэтому каталог гравитационно-волновых событий, включающий проверенные данные и физические параметры источников, обновляется и публикуется для научного сообщества примерно каждые шесть месяцев.
Доктор Дэниел Уильямс из Института гравитационных исследований и сопредседатель рабочей группы по компактным двойным системам коллаборации LSC отметил, что это рекордное обновление расширило и углубило знания о Вселенной, позволив заглянуть в самые неуловимые объекты — сталкивающиеся черные дыры. Первое обнаружение гравитационных волн от такого события было сделано десять лет назад, и сегодня ученые регистрируют и анализируют сотни сигналов, что свидетельствует о работе сотен исследователей по всему миру.
Ученые из Университета Глазго лидируют в разработке технологий, повышающих чувствительность детекторов и позволяющих видеть больше сигналов от столкновений, происходящих гораздо дальше, чем десятилетие назад. Они также возглавляют разработку методов анализа, позволяющих извлекать огромный объем информации из каждого сигнала и расшифровывать свойства черных дыр, сталкивающихся за миллиарды световых лет от Земли, на основе измерений, которые смещают детекторы на долю размера атомного ядра.
Новый каталог включает несколько исключительных детектирований, устанавливающих новые рекорды в гравитационно-волновой астрономии. Среди них — лучшая локализация источника, самый четкий сигнал и доказательства существования черных дыр второго поколения.
Сигнал GW240615, обнаруженный 15 июня 2024 года двумя детекторами LIGO в США и Virgo в Италии, установил рекорд по точности определения положения источника на небе среди всех наблюдавшихся событий.
Источник был локализован в области всего в шесть квадратных градусов, что является небольшой частью небесной сферы. Событие представляло собой слияние двух черных дыр с массами около 26 и 30 масс Солнца, которые столкнулись более чем в трех миллиардах световых лет от Земли.
Алекс Пападопулос из Института гравитационных исследований пояснил, что обновленный каталог GWTC-5 предоставляет обширную коллекцию сигналов для ответа на главный вопрос космологии — скорость расширения Вселенной, описываемую постоянной Хаббла. Гравитационные волны позволяют измерять эту величину, оценивая расстояние до сливающихся объектов либо по сигналу, либо через идентификацию галактики.
Одним из улучшений GWTC-5 является включение наблюдений детектора Virgo, вернувшегося к работе после пропуска. С его помощью можно точнее определять местоположение сигналов на небе и упрощать идентификацию родительской галактики. Расширенная библиотека сигналов позволила использовать в анализе 236 событий, что вдвое больше предыдущего числа.
В Глазго разработали программное обеспечение, ускоряющее анализ сигналов более чем в тысячу раз. Обнаружение гравитационных волн включает не только захват сигнала, но и его извлечение из шумов, что требует сложного анализа данных. Четкость сигнала выражается через отношение сигнал-шум. Опубликованный каталог включает самый четкий сигнал (GW250114) с отношением сигнал-шум 76,9, достигнувший Земли 14 января 2025 года. Сигнал был порожден слиянием двух черных дыр с массами 32 и 34 массы Солнца, произошедшим на расстоянии более миллиарда световых лет.
Четкость сигнала позволила провести точные испытания общей теории относительности и подтвердить теорему Стивена Хокинга о площади горизонта событий. Анализ волн показал, что при слиянии энергия уносится волнами, но полная энтропия черных дыр возрастает в соответствии со вторым законом термодинамики.
В октябре и ноябре 2024 года были обнаружены два уникальных слияния черных дыр: GW241011 (700 миллионов световых лет) и GW241110 (2,4 миллиарда световых лет). Характеристики этих слияний указывают на черные дыры второго поколения, сформировавшиеся в плотных космических средах, где черные дыры чаще сталкиваются.
Растущее число событий позволило исследователям изучать свойства популяций черных дыр. Сторм Колломс из Института гравитационных исследований рассказала, что команда изучала процессы создания сливающихся черных дыр и нейтронных звезд на основе новейших наблюдений. Из 267 изученных источников 104 были новыми.
Наблюдения показали, что черные дыры с разными массами имеют разные спины, что указывает на различные пути формирования. Пары GW241011 и GW241110 показали признаки того, что более крупные черные дыры образовались не из массивных звезд, а в результате предыдущих слияний. Признаки черных дыр, сформированных в результате слияний, сохраняются в популяции, что указывает на их общую тенденцию.
Новые измерения приближают к пониманию происхождения двойных черных дыр и нейтронных звезд. С более чувствительными детекторами и предстоящими наблюдениями будут получены более точные измерения и увеличение числа источников в каталогах, что позволит изучать детальные аспекты астрофизики формирования компактных объектов.
Доктор Уильямс отметил, что сегодня регистрируется так много сигналов, что ученые узнают не только об отдельных столкновениях, но и о структуре целых потерянных миров. Исследование опубликовано в журналах Astrophysical Journal и Astrophysical Journal Letters.
