LIGO сообщила о четырех новых гравитационных волнах
Группа LIGO/Virgo обнаружила в данных второго сезона наблюдений еще четыре гравитационные волны, излученные при слиянии черных дыр, — события GW170729, GW170809, GW170818 и GW170823. Таким образом, общее число зарегистрированных гравитационных волн достигло одиннадцати. Об этом физики сообщили на Конференции по гравитационно-волновой физике и астрономии (Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop), препринт работы выложен на сайт arXiv.org. Кроме того, ученые опубликовали первый каталог гравитационных волн.
Несмотря на то, что гравитационные волны были предложены Альбертом Эйнштейном в 1916 году, долгое время астрономы не могли их зарегистрировать из-за слабости сигнала. О первом достоверном экспериментальном обнаружении гравитационных волн группа LIGO объявила всего три года назад (ложные заявления поступали и раньше). Чтобы почувствовать слабые колебания геометрии пространства-времени, сопровождающие гравитационную волну, ученые использовали пару лазерных интерферометров, разделенных расстоянием около трех тысяч километров. Когда гравитационная волна проходит через такой интерферометр, длина его плеч изменяется, и интерференционная картина «плывет». Отслеживая корреляции между сдвигами интерференционных картин на обоих детекторах, ученые могут выделить сигнал из теплового шума, рассчитать параметры гравитационной волны и примерно определить направление на ее источник. Подробнее про регистрацию гравитационных волн можно прочитать в материалах «На гребне метрического тензора», «Точилка для квантового карандаша» и «Тоньше протона».
Впрочем, отделить сигнал из фонового шума очень сложно, а потому физики всегда тщательно проверяют данные и рассчитывают статистическую значимость сигнала, прежде чем сообщить о новом событии. Например, о первой в истории регистрации гравитационной волны ученые рассказали через пять месяцев после сбора данных (событие произошло в сентябре 2015, а рассказали о нем в феврале 2016). Методика, с помощью которой исследователи отсеивают шум, настолько сложна, что им приходится проводить конференции, целиком посвященные ее разбору. Поэтому некоторые ученые считали, что LIGO переоценила статистическую значимость сигнала GW150914, и открытие на самом деле не состоялось. Тем не менее, в августе прошлого года последние сомнения были рассеяны, когда астрономы практически одновременно зарегистрировали гравитационные и электромагнитные волны, сопровождающие слияние двух нейтронных звезд (так называемая килоновая). К настоящему времени группа LIGO сообщила о семи гравитационных волнах (шесть волн от слияния черных дыр и одна от нейтронных звезд), а ученые, руководившие экспериментом, получили Нобелевскую премию по физике. Чтобы еще больше увеличить частоту регистраций, ученые модернизировали детектор и объединились с европейским детектором Virgo, который начал работать в августе 2017 года.
На этот раз ученые сообщили о еще четырех гравитационных волнах, излученных при слиянии двойных систем черных дыр и зарегистрированных в ходе второго этапа наблюдений (O2 run). Эти события получили названия GW170729, GW170809, GW170818 и GW170823 (цифры обозначают дату регистрации). Две гравитационные волны оказались рекордными. Так, гравитационные волны события GW170729 были испущены при слиянии черных дыр с массами около 51 и 34 масс Солнца (общая масса 85 масс Солнца); в энергию волн при этом перешло около пяти масс Солнца. Красное смещение системы составляет z ≈ 0,5, то есть волны шли до Земли не менее 5 миллиардов лет. Это самое далекая и массивная двойная система, обнаруженная на данный момент. С другой стороны, событие GW170818, произошедшее на следующий день после знаменитой килоновой, не выделяется массой или расстоянием. Тем не менее, на момент его регистрации детектор Virgo уже присоединился к LIGO, а потому ученые смогли ограничить область, в которой находится источник, 39 квадратными градусами. Не считая событие GW170817, дополненное данными обычных телескопов (наблюдавших электромагнитную компоненту), на данный момент это измерение самое точное.
Чтобы упростить дальнейший анализ данных, собранных о гравитационных волнах, группа LIGO/Virgo опубликовала каталог событий, включающий в себя результаты первого и второго этапа наблюдений. Этот каталог содержит данные о массе компонент двойных систем, скорости их вращения, излученной энергии, удаленности от Земли, примерном расположении на небесной сфере и многие другие данные (наиболее важные параметры собраны в таблице III на странице 12 препринта). Кроме того, в нем подробно описано устройство детекторов и методы отделения сигнала от шума.
Сообщение ученых показывает, что гравитационная астрономия, зародившаяся всего три года назад, уже может использоваться для полноценных наблюдений за Вселенной. В частности, оно подкрепляет заявления теоретиков, предлагающих использовать гравитационные волны от черных дыр или нейтронных звезд для измерения постоянной Хабла. В самом деле, расчеты показывают, что погрешность этой постоянной можно уменьшить до восьми процентов всего за 25 регистраций — скорее всего, такая статистика наберется уже в течение следующих нескольких лет.
В настоящее время детектор LIGO находится на модернизации, которая закончится в феврале 2019 года. Когда модернизация закончится, чувствительность детектора вырастет еще сильнее — по оценкам ученым, в течение года обсерватория увидит около пяти слияний нейтронных звезд (аналогичных событий GW170817) и
Дмитрий Трунин
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.