Подвійні системи двох масивних об'єктів, що обертаються одне навколо одного, важливе джерело для гравітаційно-хвильової астрономії. Система випромінює гравітаційні хвилі під час обертання, які зменшують , спричинюючи зменшення орбіти. Тут показана подвійна система білих карликів, важливе джерело для космічних детекторів, як eLISA. Можливе злиття білих карликів може привести до наднової, представлене вибухом на третьому малюнку.

Гравітаційно-хвильова астрономія є галуззю спостережної астрономії, що розвивається і прагне використовувати гравітаційні хвилі (найдрібніші викривлення простору-часу передбачені загальною теорією відносності Ейнштейна) для збору даних спостережень про об'єкти, такі як нейтронні зорі й чорні діри, про такі події, як вибухи наднових і процесів, включаючи властивості раннього всесвіту незабаром після того, як стався великий вибух.

Гравітаційні хвилі мають теоретичну базу, засновану на теорії відносності. Вони були вперше передбачені Ейнштейном 1916 року; навіть хоча вони лише конкретний наслідок загальної теорії відносності, та вони є спільною рисою всіх теорій гравітації, які підкоряються спеціальній теорії відносності. Непрямі дані підтвердження їх існування вперше з'явилися 1974 року з вимірювань подвійної зоряної системи Галса-Тейлора PSR B1913+16, чия орбіта змінюється саме так, як і слід було очікувати у випадку випромінювання гравітаційних хвиль. Рассел Галс і Джозеф Тейлор були нагороджені 1993 року Нобелівською премією з фізики за це відкриття. Згодом спостерігалося багато пульсарів у подвійних системах (включаючи одну систему подвійних пульсарів PSR J0737−3039), і поведінка їх усіх узгоджувалася з передбаченою теорією гравітаційних хвиль.

11 лютого 2016 року було оголошено, що LIGO вперше безпосередньо спостерігав гравітаційні хвилі у вересні 2015 року.

Огляд Загальна теорія відносності передбачає, що джерелами гравітаційних хвиль є астрономічні або космологічні об'єкти з потужними гравітаційними полями. Дослідження в галузі астрофізики протягом останніх пів століття свідчать про надзвичайне різноманіття джерел гравітаційного випромінювання в космічних системах. Серед потенційних джерел виділяють подвійні системи в межах нашої Галактики (складені з компактних об'єктів, як-от білі карлики, нейтронні зорі або чорні діри), злиття надмасивних чорних дір в інших галактиках, власне обертання пульсарів, вибухи наднових, гравітаційно-хвильовий фон від Великого вибуху тощо. Значення спостережень гравітаційних хвиль полягає не лише в прямій перевірці загальної теорії відносності, а й у створенні нового способу вивчення Всесвіту. Подібно до того, як перехід від оптичних спостережень до спостережень в усіх діапазонах електромагнітних хвиль розширив знання астрономів, гравітаційні хвилі дозволили вийти за межі електромагнітного діапазону й виявити раніше недоступну інформацію про астрономічні об'єкти.

Астрономи можуть поєднувати спостереження за допомогою електромагнітних хвиль, нейтрино та гравітаційних хвиль (подібно до того, як людина одночасно використовує зір, слух і дотик для дослідження навколишнього світу). Такий підхід називають багатоканальною астрономією.

Особливості На відміну від класичної астрономії, що ґрунтується на спостереженні електромагнітних хвиль, гравітаційно-хвильова астрономія має такі особливості:

Гравітаційні хвилі виникають внаслідок макроскопічного когерентного руху джерела загалом, а не через накладання руху окремих атомів чи електронів, як це властиво електромагнітним хвилям. Тому інформація, яку несе гравітаційне випромінювання, докорінно відрізняється від даних електромагнітних спостережень. Наприклад, поляризація гравітаційних хвиль від подвійної системи вказує на нахил її орбіти — таку макроскопічну інформацію про рух джерела зазвичай неможливо отримати за допомогою електромагнітних методів. Довжини гравітаційних хвиль зазвичай мають той саме порядок, що й розмір джерела (на відміну від значно коротших електромагнітних хвиль). Тому гравітаційно-хвильова астрономія зазвичай не може створювати прямих зображень («фотографій») джерел, хоча форма хвилі дозволяє визначати низку властивостей об'єкта. Багато джерел гравітаційних хвиль важко або неможливо дослідити через електромагнітне випромінювання (наприклад, чорні діри), і навпаки, більшість джерел електромагнітних хвиль невидимі для детекторів гравітаційних хвиль. Гравітаційні хвилі дуже слабко взаємодіють з речовиною. Під час поширення вони майже не зазнають поглинання, розсіяння чи дисперсії, на відміну від електромагнітних хвиль. Це означає, що вони можуть донести інформацію з найвіддаленіших куточків космосу. Наприклад, гравітаційне випромінювання, що виникло під час народження Всесвіту, досі поширюється практично без згасання, що дає єдину можливість для прямого спостереження Великого вибуху.

Сучасна гравітаційно-хвильова астрофізика Гравітаційне випромінювання суттєво впливає на динаміку багатьох відомих астрономічних систем. Нижче наведено кілька прикладів застосування теорії гравітаційного випромінювання. Деякі з них, як-от подвійний пульсар PSR1913+16, стали класичними прикладами непрямого виявлення гравітаційних хвиль, проте більшість інших поки що залишаються на рівні теоретичних пояснень.

Спостереження

Звичайні частоти гравітаційних хвиль дуже низькі і тому їх набагато важче виявити, у той час як хвилі з вищими частотами трапляються під час драматичніших подій, і, таким чином, вони стали першими спостережуваними хвилями.

Високочастотні

У 2015—2016 роках, проект LIGO був першим, в якому безпосередньо спостерігалися гравітаційні хвилі за допомогою лазерних інтерферометрів. Детектори LIGO спостерігали гравітаційні хвилі від злиття двох чорних дір зоряної маси, що узгоджувалися з передбаченнями загальної теорії відносності. Ці спостереження показали існування подвійних систем чорних дір зоряної маси, і стали першим прямим виявленням гравітаційних хвиль і першим спостереженням процесу злиття подвійної системи чорних дір. Це відкриття було охарактеризоване як революційне для науки через перевірку нашої здатності використовувати гравітаційно-хвильову астрономію для прогресу в нашому пошуку і дослідженні темної матерії і Великого вибуху.

Існують декілька поточних наукових співробітництв для спостереження гравітаційних хвиль. Існує всесвітня мережа наземних детекторів, це кілометрових лазерних інтерферометрів в тому числі: лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO), спільний проект Массачусетського технологічного інституту, Каліфорнійського технологічного інституту і вчених Наукового співробітництва LIGO з детекторами в Лівінгстоні, штат Луїзіана і на місці Генфордського комплексу; Virgo, в Європейській гравітаційній обсерваторії, в муніципалітеті Кашина поблизу Пізи в Італії; GEO600 в Зарштедті, поблизу Ганновера в Німеччині, і Каміокський детектор гравітаційних хвиль (KAGRA), яким керує Токійський університет в Каміокській обсерваторії, в підземеллі шахти Мозумі в Каміокській частині міста Хіда (Ґіфу) у префектурі Ґіфу в Японії. LIGO і Virgo модернізують 2016 року до їх поліпшених конфігурацій. Поліпшений детектор LIGO почав спостереження 2015 року, виявивши гравітаційні хвилі попри те, що на той час ще не досяг максимуму своєї чутливості; очікується, що поліпшений детектор Virgo почне спостереження 2016 року. Модернізацію детектора KAGRA заплановано на 2018 рік. GEO600 в даний час працює, але його чутливість робить малоймовірним можливість детектування хвиль; його основною метою є випробування технології.

Низькочастотні Альтернативний засіб спостереження — це використання масивів пульсацій пульсару. Є три консорціуми, європейський масив пульсацій пульсарів (EPTA), Північноамериканська наногерцева обсерваторія гравітаційних хвиль (NANOGrav) і Радіотелескоп Parkes, які всі разом співпрацюють як міжнародний масив пульсацій пульсарів (IPTA). Вони використовують існуючі радіотелескопи, але оскільки вони чутливі до частот в наногерцевому діапазоні, для виявлення сигналу потрібно багато років спостереження, а чутливість детектора поліпшується поступово. Поточні оцінки наближаються до очікуваних для астрофізичних джерел

Середньочастотні Крім того, в майбутньому, існує можливість застосування космічних детекторів. Європейське космічне агентство вибрало гравітаційно-хвильову місію як її місію L3, із запуском 2034 року, поточною концепцією є розвинута космічна антена лазерного інтерферометра — РКАЛІ (eLISA). Також на стадії розробки перебуває японська децигерцево-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (DECIGO).

Науковий потенціал Астрономія традиційно покладалася на електромагнітне випромінювання. Астрономія виникла з астрономії видимого світла і з того, що можна було побачити неозброєним оком. Із розвитком технологій, стало можливим спостерігати інші частини електромагнітного спектра, починаючи з радіо випромінювання аж до гамма-променів. Кожна нова смуга частот давала новий погляд на Всесвіт і провіщувала нові відкриття. Наприкінці 20-го століття, реєстрація сонячних нейтрино заснувало нову галузь нейтринної астрономії, що дає уявлення про раніше невидимі явища, такі, як внутрішні процеси, які відбуваються всередині Сонця. Спостереження гравітаційних хвиль забезпечують додаткові способи проведення астрофізичних спостережень.

Гравітаційні хвилі забезпечують доповнювальну інформацію до тієї, яка отримана іншими засобами. Комбінуючи спостереження однієї події з використанням різних засобів, можна отримати більш повне уявлення про властивості джерела. Це відоме як багато-передавачна астрономія. Гравітаційні хвилі також можна використовувати для спостереження систем, які є невидимими (або які майже неможливо виявити), щоб виміряти їх будь-якими іншими засобами, наприклад, вони забезпечують унікальний метод вимірювання властивостей чорних дір.

Гравітаційні хвилі можуть випромінюватися багатьма системами, але, для того, щоб створити сигнал, який можна виявити, джерело має складатися з дуже масивних об'єктів, що рухаються із швидкістю, близькою до швидкості світла. Основним джерелом є подвійні системи з двох компактних об'єктів. Приклади таких систем: Компактні подвійні системи, що складаються з двох об'єктів зоряних мас, що обертаються близько один до одного, такі як білі карлики, нейтронні зорі або чорні діри. Ширші подвійні системи, які мають нижчі орбітальні частоти, є джерелом для детекторів, таких як LISA. Ближчі подвійні системи формують сигнал для наземних детекторів, таких як LIGO. Наземні детектори потенційно можуть виявити подвійні системи, що містять чорну діру середньої маси або кілька сотень сонячних мас. Подвійні системи надмасивних чорних дір, що складаються з двох чорних дір з масами 105–109 мас Сонця. Надмасивні чорні діри перебувають у центрах галактик. Коли галактики зливаються, то очікується, що їхні центральні надмасивні чорні діри теж зливаються. Вони є потенційно найгучнішими гравітаційно-хвильовими сигналами. Наймасивніші подвійні системи є джерелом для масивів пульсацій пульсарів. Менш масивні подвійні системи (близько мільйона мас Сонця) є джерелом для космічних детекторів, таких як LISA. Системи екстремального масового співвідношення компактного об'єкта зоряної маси, що обертається навколо надмасивної чорної діри. Вони є джерелами для детекторів, таких як LISA. Системи з високим ексцентриситетом орбіти створюють вибух гравітаційного випромінювання, оскільки вони проходять через перицентр; Системи з майже круговими орбітами, які, як очікується, будуть спостерігатися в кінці орбітального зближення, випромінюють неперервний спектр у межах смуги частот детектора LISA. Орбітальне зближення екстремального масового співвідношення можна спостерігати на прикладі багатьох орбіт. Це робить їх чудовими зондами фонової геометрії простору-часу, що дозволяють виконати точні випробування загальної теорії відносності.

На додачу до подвійних систем, є й інші потенційні джерела: