Настъпи "Ерата на гравитационната астрономия"

Рекордна колекция от прецизно измерени гравитационни вълни разкрива нова информация за това как се държат и еволюират черните дупки.

Преди малко повече от десетилетие, Лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) улови сигнала за нещо съвсем ново: вълна в тъканта на пространство-времето. На около 1,3 милиарда светлинни години разстояние две масивни черни дупки са се слели и получената ударна вълна – гравитационна вълна – е достатъчно силна, за да може LIGO да засече момента, в който тя премина над Земята.

Оттогава изследователите на гравитационните вълни се фокусират върху усъвършенстването на инструментите си, за да откриват повече от тези мимолетни вълнички. Всяко потвърдено или висококачествено кандидат-събитие се добавя към текущ списък в каталог, поддържан от колаборацията LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), мрежа от четири детектора на гравитационни вълни: двете станции LIGO в САЩ, станцията Virgo в Италия и детекторът на гравитационни вълни Kamioka (KAGRA) в Япония. Най-новите записи в списъка на колаборацията – рекордните 161 събития, забелязани между април 2024 г. и януари 2025 г. – карат изследователите да предвиждат нова ера на открития, "ера на гравитационната астрономия".

"Изключителната чувствителност на нашите детектори сега ни позволява да улавяме три или четири сигнала на гравитационни вълни всяка седмица", заявява Ед Портър (Ed Porter), изследовател в Лабораторията за астрочастици и космология, ръководена от Френския национален център за научни изследвания (CNRS) и Парижкия градски университет. "Това постоянно нарастващо богатство от данни, върху чието анализиране и изучаване работи цяла общност от учени и астрономи, ни преведе от ерата на първоначалните открития в тази на прецизната гравитационна астрономия."

Тези скорошни седмични сигнали формират около 75% от общия брой потвърдени събития на гравитационни вълни, наблюдавани от мрежата LVK; общият брой вече е достигнал 390. Повече наблюдения на тези необичайни космически събития дават възможност на изследователите да изучават явления и местоположения на Вселената, които са твърде слаби или далечни, за да бъдат открити чрез други методи, както и да разберат по-добре природата и еволюцията на черните дупки и разнообразен асортимент от други фундаментални въпроси в астрофизиката.

EPO графика за масите на обявените гравитационни вълни, черни дупки и неутронни звезди, определени преди това чрез електромагнитни наблюдения, чрез GWTC-5.0. Кредит: LIGO-Virgo-KAGRA / Aaron Geller / Northwestern/University of Glasgow

Каталогът на преходните гравитационни вълни 5.0, или GWTC-5, бе публикуван онлайн за първи път на 26 май, заедно с придружаващите го научни статии, изпратени в Astrophysical Journal и Astrophysical Journal Letters.

Тази последна актуализация описва общо 161 нови сигнала от сблъскващи се черни дупки, засечени между април 2024 г. и края на януари 2025 г. от детекторите за гравитационни вълни LIGO в Съединените щати, Virgo в Италия и KAGRA в Япония, известни като колаборацията LIFC. С тази публикация общият брой на засечените до момента сигнали за гравитационни вълни достига 390.

Какъв е звукът от сливането на две черни дупки в дълбокия космос? Звуковите вълни не се разпространяват във вакуум, но гравитационните вълни се разпространяват. През 2015 г. успяхме да ги "чуем" за първи път и да потвърдим едно от теоретичните предсказания на Алберт Айнщайн. Всеки квадрат в мрежата на представеното изображение представлява едно от засичанията на гравитационни вълни, обявени досега от колаборацията LIGO-VIRGO-KAGRA. Тези графики показват как двойната звезда се ускорява в орбитата си една около друга към сливане: ефектът на нарастващата честота астрофизиците наричат "чуруликане". Въпреки че има значително повече неутронни звезди от черните дупки, повечето от засичанията са сливания на двойни черни дупки. Това се случва, защото черните дупки са по-тежки и техните сигнали са по-силни и могат да се видят по-далеч, което води до повече засичания. Тези събития са редки и не очакваме скоро да видим такова наблизо в нашата Галактика. Но те се случват непрекъснато в целия космос. Кредит: The University of Glasgow

Сред вълнуващите открития от последната серия от засичания на гравитационни вълни са:

• доказателства за съществуването на черни дупки от второ поколение: GW241011 и GW241110, които според учените колективно подкрепят съществуването на "черни дупки от второ поколение", които се образуват единствено от сливания на по-малки черни дупки.
• най-прецизната небесна локализация, постигана някога за източник на гравитационни вълниGW240615, за която учените успяват да триангулират точното местоположение на източника на събитието и
• GW250114, която демонстрира най-ясния сигнал, регистриран някога, със съотношение сигнал/шум от 76,9 и първото измерване на три режима на трептене на черна дупка

Сътрудничеството редува периоди на събиране на данни с фази, посветени на надграждане и въвеждане в експлоатация на детекторите. Това е и причината каталогът на гравитационно-вълнови събития, включително валидирани данни и физически параметри на източниците, да се актуализира приблизително на всеки шест месеца и да се споделя с по-широката научна общност.

Диаграма "Маси в звездното гробище" е препълнена с добавянето на най-новите проверени засичания на гравитационни вълни (GW) от сътрудничеството LIGO-Virgo-KAGRA (LVK). Диаграмата показва масите на обявените засичания на GW (сини и оранжеви точки), редом с тези на черни дупки и неутронни звезди, наблюдавани или засечени чрез електромагнитни (EM) наблюдения, до януари 2025 г. Тук те са сортирани от най-ниската до най-високата маса, което ясно показва как LVK и GW детекторите могат да наблюдават обекти във Вселената, които до голяма степен са ненаблюдаеми чрез EM методи. Тя също така илюстрира колко ефективни са GW интерферометрите при извършване на такива наблюдения: LVK е направил тези засечки за 9,5 години; EM наблюденията представляват приблизително 60 години изследвания. Кредит: LIGO-Virgo-KAGRA / Aaron Geller / Northwestern. Връзка към интерактивната диаграма: https://ligo.northwestern.edu/media/mass-plot/index.html

Най-ясният сигнал, наблюдаван някога

Откриването на гравитационни вълни означава не само улавяне на сигнал, но и извличането му от шума, който смущава детекторите. Това изисква висококачествен анализ на данните, поради което "силата" или "яснотата" на сигнала се изразява чрез съотношението сигнал/шум (SNR). Публикуваният каталог съдържа "най-ясния" сигнал на гравитационна вълна, наблюдаван някога, със съотношение сигнал/шум 76,9.

Този сигнал, GW250114, достигна Земята на 14 януари 2025 г. и е генериран от сливането на две черни дупки с почти идентични маси (съответно 32 и 34 пъти масата на Слънцето), разположени на повече от милиард светлинни години от Земята. "Яркостта" на сигнала прави възможно постигането на редица забележителни научни резултати, включително най-точния тест на Общата теория на относителността, извършван някога, и потвърждението на теоремата на Стивън Хокинг за повърхността на черните дупки.

"Благодарение на силата на звука на GW250114, успяхме да сравним изкривеното пространство-време преди и след сливането на черните дупки и открихме, че общата площ на хоризонта на събитията (зоната "без връщане") се е увеличила в съответствие със законите на Хокинг за механиката на черните дупки", обяснява д-р Джон Вейч (John Veitch) от Университета в Глазгоу, който анализира сигналите от черни дупки.

"След сливането, последната черна дупка звъни като камбана и излъчва гравитационни вълни вместо звук."

Анализът на тези вълни потвърждава, макар че по време на сливането се освобождава енергия под формата на гравитационни вълни, общата ентропия на черните дупки се увеличава в съответствие с втория закон на термодинамиката. Това показва, че законите на термодинамиката все още важат дори за черните дупки, но за разлика от нормалните обекти, колкото повече енергия съдържат, толкова по-студени стават.

Това изображение показва всички значими събития на гравитационни вълни (GW), засечени от LVK от O1 до O4a, като тяхното време, разстояние, маса и съотношение сигнал/шум (SNR) са представени от различни елементи в изображението. SNR е мярка за "силата" на сигнала в детекторите. Колкото по-високо е SNR, толкова по-добре. Този метод за показване на засечените данни подчертава как нашата чувствителност към гравитационни вълни се е подобрила с течение на времето (тъй като частта O4a от изображението е много по-гъсто населена от O1). Кредит: The University of Glasgow

През октомври и ноември 2024 г., само с един месец разлика между тях, са наблюдавани две допълнителни, много специални сливания на черни дупки: GW241011 и GW241110, които се случиха съответно на приблизително 700 милиона и 2,4 милиарда светлинни години от Земята.

Някои характеристики на тези сливания – по-специално въртенето на черните дупки (тоест ориентацията и скоростта на тяхното въртене) – предполагат, че въпросните обекти биха могли да бъдат "черни дупки от второ поколение".

Справка:

• https://arxiv.org/abs/2605.27227: Constraints on the Cosmic Expansion Rate and Modified Gravitational-wave Propagation
• https://arxiv.org/abs/2605.27226: Population Properties of Merging Compact Binaries
• https://arxiv.org/abs/2605.27225: Observations from the Second Part of the Fourth LIGO-Virgo-KAGRA Observing Run and Updates to the Gravitational-Wave Transient Catalog
• https://arxiv.org/abs/2605.27224: Methods for Identifying and Characterizing Gravitational-wave Transients
• https://arxiv.org/abs/2605.27223: An Introduction to Version 5.0 of the Gravitational-Wave Transient Catalog

Източници:

The ‘age of gravitational astronomy’ is here, Scientific American

Astrophysicists strike black gold with treasure trove of gravitational wave detections, The University of Glasgow

Още по темата

20/05/2026

Физика

Странни вълни в пространство-времето може да са първият отпечатък от тъмната материя

04/05/2026

Физика

Замразена гравитация: Нов начин за разбиране на еволюцията на динамиката на пространство-времето

14/04/2026

Космос

Открити са доказателства за три субпопулации от сливащи се черни дупки

30/03/2026

Физика

Възможно е, да е засечена първична черна дупка от началото на времето