Перше пряме спостереження гравітаційних хвиль відбулося 14 вересня 2015 року й було оголошено 11 лютого 2016 року дослідницькими групами американської гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO та європейської обсерваторії Virgo.
До цього існування гравітаційних хвиль підтверджували лише опосередковано — за змінами періоду імпульсів, які випромінюють подвійні системи пульсарів. Форма сигналу гравітаційної хвилі, зареєстрованої LIGO, добре узгоджується з передбаченнями загальної теорії відносності: її створила система з двох чорних дір масами 36 і 29 мас Сонця, що оберталися одна навколо одної та злилися в одну чорну діру. Цю подію назвали GW150914 (від перших літер і дати спостереження — 2015-09-14). Це було перше безпосереднє спостереження злиття подвійної системи чорних дір, яке довело існування чорних дір зоряної маси в подвійних системах і те, що вони можуть зливатися протягом віку Всесвіту.
Перше пряме виявлення гравітаційних хвиль широко висвітлювали у світових ЗМІ як визначне досягнення. Дослідники понад 50 років прагнули знайти прямий доказ їхнього існування, причому навіть Альберт Айнштайн сумнівався в можливості їхнього виявлення. Гравітаційні хвилі, створені злиттям чорних дір, досягли Землі як брижі простору-часу. Унаслідок цього плечі інтерферометра LIGO завдовжки 4 км змінювалися на величину, що становить лише одну тисячну розміру протона. Реєстрація цих змін вимагала вимірювання довжини плечей інтерферометра з такою самою відносною точністю, як вимірювання відстані до Проксими Центавра з точністю до товщини волосини.
Енергія, що вивільнилася під час злиття двох чорних дір, була колосальною: у вигляді гравітаційних хвиль випромінилася маса спокою мас Сонця, тобто енергія джоулів. Пік випромінювання припав на останні кілька мілісекунд процесу й становив ватів — більше, ніж сумарна світність усіх зір у спостережуваному Всесвіті.
Хоча загальна теорія відносності передбачала існування гравітаційних хвиль, їх довго не вдавалося безпосередньо зафіксувати. Подія GW150914 уперше експериментально підтвердила реальність викривлень простору-часу, спричинених масштабними астрофізичними явищами. Вона також започаткувала гравітаційно-хвильову астрономію, яка за допомогою детекторів гравітаційних хвиль досліджує явища, недоступні для телескопів електромагнітного діапазону. Згодом, 15 червня 2016 року, оголосили про друге виявлення гравітаційної хвилі, GW151226, а в наступні роки виявили ще сотні гравітаційних хвиль.
Гравітаційні хвилі
Альберт Айнштайн на основі створеної ним загальної теорії відносності у 1916 році передбачив існування гравітаційних хвиль. У межах цієї теорії гравітація виникає внаслідок викривлення простору-часу, спричиненого масою. Відповідно, Айнштайн припустив, що ці викривлення можуть поширюватися Всесвітом у вигляді хвиль. Водночас він вважав, що ці хвилі настільки слабкі, що їх буде майже неможливо зареєструвати експериментально. Також теорія передбачає, що тіла, які рухаються по орбітах, випромінюють гравітаційні хвилі та поступово втрачають енергію згідно з законом збереження енергії. Однак здебільшого ці втрати надзвичайно малі й помітні лише в особливих умовах.
Найпотужніші гравітаційні хвилі у Всесвіті виникають під час злиття надщільніших і найкомпактніших об'єктів, зокрема нейтронних зір і чорних дір, особливо в останні миті перед їхнім об'єднанням. Подвійні системи таких об'єктів упродовж мільйонів років випромінюють гравітаційні хвилі, поступово втрачаючи енергію, що зрештою призводить до їхнього зближення й зіткнення. Безпосередньо перед злиттям швидкість руху тіл стрімко зростає, а в момент злиття значна частина маси перетворюється на гравітаційну енергію, яка випромінюється у вигляді гравітаційних хвиль. Однак через обмежені знання про кількість таких систем у Всесвіті та велику тривалість процесу їхнього зближення довгий час не існувало надійних оцінок частоти виникнення гравітаційних хвиль.
Спостереження
Гравітаційні хвилі спостерігають як опосередковано (через аналіз спричинених ними астрофізичних явищ), так і безпосередньо (за допомогою спеціалізованих детекторів, таких як LIGO).
Непрямі спостереження Перші докази існування гравітаційних хвиль отримали у 1974 році під час спостережень за рухом подвійної системи нейтронних зір PSR B1913+16, одна з яких є пульсаром (так званий пульсар Галса — Тейлора). Рассел Галс і Джозеф Тейлор, які відкрили цю систему, встановили, що частота пульсацій періодично змінюється через доплерівський зсув внаслідок орбітального руху пульсара, а період цього орбітального руху з часом скорочується, тобто орбіти двох нейтронних зір поступово наближаються одна до одної. Пов'язана зі скороченням орбіти зміна енергії системи дуже добре узгоджувалася з втратами енергії, які очікуються у разі випромінювання гравітаційних хвиль. За це відкриття Галс і Тейлор отримали Нобелівську премію з фізики 1993 року. Подальші детальні спостереження системи PSR B1913+16 та інших подвійних систем (наприклад, подвійного пульсара PSR J0737-3039) з високою точністю підтвердили передбачення загальної теорії відносності.
Прямі спостереження
Для прямого виявлення гравітаційних хвиль потрібні надзвичайно точні прилади, здатні відрізнити їхній сигнал від інших коливань, які неминуче виникають у лабораторіях. Створення таких приладів тривало десятиліттями. У 1960-х роках запропонували використовувати інтерферометри, і саме розвиток цієї технології згодом уможливив практичне виявлення гравітаційних хвиль.
У сучасних детекторах, зокрема в LIGO (від , «Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія»), лазерний промінь розділяють на два й пускають різними шляхами, після чого знову поєднують. Коли гравітаційна хвиля проходить через детектор, довжина оптичних шляхів незначно змінюється (або змінюється час проходження світла), що призводить до появи інтерференційного сигналу (биття). Така схема надзвичайно чутлива до дуже малих змін відстані. Теоретично інтерферометр із плечима завдовжки близько 4 км здатний зафіксувати викривлення простору-часу, менші за діаметр протона. Щоб уникнути помилкового сприйняття шуму як сигналу, спостереження координують з іншими подібними установками, зокрема інтерферометром Virgo, GEO600, KAGRA та INDIGO. Бажано, щоб сигнал одночасно зафіксували щонайменше дві обсерваторії, бо малоймовірно, що в двох незалежних обсерваторіях одночасно виникне однаковий шум. Обсерваторію LIGO заснували 1992 року, а модернізація 2010—2015 років підвищила її чутливість приблизно в 10 разів (Advanced LIGO).
LIGO здійснює спостереження синхронно на двох окремих інтерферометрах, розташованих на відстані близько 3000 км один від одного: у Лівінгстоні в штаті Луїзіана й у Генфордському комплексі в штаті Вашингтон. Сигнали з обох установ постійно порівнюють: якщо вони збігаються за часом і характеристиками, їх розглядають як можливий сигнал гравітаційних хвиль, а не шум.
Під час спостережень LIGO у 2002—2010 роках не вдалося зафіксувати жодного достовірного сигналу гравітаційних хвиль. Після цього обсерваторію на кілька років зупинили для модернізації та підвищення чутливості, створивши Advanced LIGO. У лютому 2015 року модернізовані детектори розпочали тестові спостереження для перевірки роботи перед повноцінним запуском. Повноцінну наукову програму планували розпочати 18 вересня 2015 року.
Під час будівництва та ранніх етапів роботи LIGO дослідники кілька разів таємно вводили штучні сигнали для імітації гравітаційних хвиль, щоб перевірити здатність наукової команди їх виявляти. Час введення таких сигналів знали лише четверо дослідників, які розкривали цю інформацію тільки після завершення всіх перевірок. 14 вересня 2015 року під час тестових спостережень LIGO зафіксував сигнал, який виявився не штучним. Його позначили як GW150914.
Подія GW150914
Виявлення події
Подію GW150914 зареєстрували 14 вересня 2015 року о 09:50:45 за всесвітнім часом в обох обсерваторіях LIGO — у Генфорді та Лівінгстоні. На той момент LIGO працювала в інженерному режимі: детектори були ввімкнені, але офіційні наукові спостереження ще не розпочалися (їхній старт був запланований на 18 вересня, через три дні). Тому спершу було складно визначити, чи зафіксовано реальний сигнал, чи штучно вставлені імітаційні дані. Згодом з'ясувалося, що жодного штучного сигналу не вводили, і таким чином підтвердилося успішне виявлення гравітаційних хвиль.
Сигнал тривав протягом 0,2 секунди; за 8 коливальних циклів його частота зросла з 35 герц до 250 герц, а амплітуда також збільшилася. Ця частота перебуває в межах діапазону чутливості людського вуха, а сигнал нагадує за звучанням пташиний спів. Після оголошення про виявлення сигналу в соціальних мережах з'явилися астрофізики й інші люди, які наслідували це «щебетання». (Зростання частоти протягом сигналу пояснюється тим, що перед злиттям орбітальний рух двох тіл дедалі сильніше прискорюється.)
О 09:54 за всесвітнім часом, за три хвилини після надходження сигналу, було надіслано автоматичне сповіщення про можливе виявлення гравітаційних хвиль, щоб привернути увагу дослідників до аналізу даних для перевірки відкриття. Після автоматичного сповіщення внутрішньою електронною поштою розіслали повідомлення з підтвердженням, що штучний сигнал у дані не вводився. Після цього члени команди LIGO зрозуміли, що ймовірність реального виявлення гравітаційних хвиль дуже висока, і почали визначати фізичні параметри джерела.
Детальніший статистичний аналіз сигналу та його порівняння з даними за період від 12 вересня до 20 жовтня 2015 року показали, що GW150914 справді є виявленням гравітаційних хвиль, а статистична значущість результату становить щонайменше 5,1 сигма (рівень значущості 99,99994 %). Також з'ясувалося, що Лівінгстонська обсерваторія LIGO зафіксувала сигнал на 7 мілісекунд раніше за Генфордську. Гравітаційні хвилі поширюються зі швидкістю світла, і ця різниця узгоджується з часом проходження світла між двома пунктами. Загалом ця гравітаційна хвиля йшла до Землі понад мільярд років.
Коли гравітаційна хвиля досягла Землі, інтерферометр Virgo в Італії перебував у процесі модернізації й не проводив спостережень. Якби він працював, то також упевнено зареєстрував би сигнал, а точність визначення положення джерела значно зросла б. Чутливості GEO600, розташованого поблизу Ганновера в Німеччині, було недостатньо для виявлення сигналу, а японський детектор KAGRA ще будували. Тому на той час, окрім LIGO, не існувало інших детекторів, здатних зареєструвати гравітаційно-хвильовий сигнал GW150914.
Астрофізичне походження
Теоретичне моделювання сигналу показало, що зареєстрована гравітаційна хвиля виникла внаслідок злиття двох чорних дір масою і , після чого утворилася чорна діра масою . Різниця між сумарною масою до та після злиття ( ) відповідно до еквівалентності маси й енергії була випромінена у формі гравітаційних хвиль. За амплітудою зареєстрованого сигналу гравітаційної хвилі обчислили, що вона прийшла з фотометричної відстані мегапарсеків, що відповідає мільярда світлових років або червоному зміщенню (90 % довірчий інтервал).
Упродовж останніх 20 мілісекунд перед злиттям потужність випромінювання гравітаційних хвиль досягла максимуму — (526 dBm), приблизно в 50 разів більше за сумарну потужність випромінювання всіх зір у спостережуваному Всесвіті. (Попри величезну енергію, навіть на відстані 1 а. о. від джерела вплив цієї гравітаційної хвилі на людину був би мізерним і не становив би загрози для життя.)