Гравитационные волны, что это?

Эта статья о явлении общей теории относительности. Для движения классических жидкостей см гравитационных волн . Моделирование столкновения двух черных дыр. В дополнение к образованию глубоких скважин и гравитационных сливающихся в один большой черной дыры, гравитационные волны будут распространяться наружу , как черные дыры вращаются друг относительно друга.

Часть серии статей о

Общая теория относительности
  • Математическая формулировка

  • уравнения
  • формализмы

Гравитационные волны являются нарушением в кривизне (ткань) из пространства — времени , генерируемое ускоренных массами, которые распространяются в виде волн наружу от их источника на скорости света . Они были предложены Анри Пуанкаре в 1905 году и впоследствии предсказал в 1916 на Альберта Эйнштейна на основе его общей теории относительности . Гравитационная волны перенос энергия в качестве гравитационного излучения , в виде лучистой энергии , аналогичный электромагнитное излучение . Закон Ньютона всемирного тяготения , часть классической механики , не обеспечивает их существование, так как этот закон основывается на предположении , что физические взаимодействия распространяются мгновенно (при бесконечной скорости) -showing один из способов методы классической физики не в состоянии объяснить явления , связанные с теорией относительности.

Гравитационное-волновая астрономия является филиалом наблюдательной астрономии , использующей гравитационные волны для сбора данных наблюдений об источниках обнаруживаемых гравитационных волн , таких как двойных звездных систем , состоящих из белых карликов , нейтронных звезд и черных дыр ; и такие события, как сверхновые , и формирование ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва .

В 1993 год Рассел А. Халс и Джозеф Х. Тейлор, младший получили Нобелевскую премию по физике за открытие и наблюдение двойного пульсара Халса-Тейлор , который предложил первое косвенное доказательство существования гравитационных волн.

На 11 февраля 2016 года LIGO и Virgo Научное сотрудничество объявили , что они сделали первое прямое наблюдение гравитационных волн . Наблюдение было сделано за пять месяцев до 14 сентября 2015 года, используя Advanced LIGO детекторов. Гравитационные волны возникли из пары из слияния черных дыр. После первоначального объявления инструменты LIGO обнаружены еще два подтвердил и один потенциал, гравитационные волны события . В августе 2017 года, два LIGO приборы и инструмент Дева наблюдали четвертую гравитационную волну от слияния черных дыр, и пятая гравитационная волной из двух нейтронных звезд слияния . Некоторые другие детекторы гравитационной волны планируются или в стадии строительства.

В 2017 году Нобелевская премия по физике была присуждена Райнер Вайс , Кип Торн и Барри БАРИШ за их роль в прямом обнаружения гравитационных волн.

След начала Вселенной

В начале девяностых космологи поняли, что эти гравитационные волны длиной в миллиарды световых лет должны были оставить уникальный след в электромагнитных волнах, наполняющих Вселенную, — в так называемом космическом микроволновом фоне, или реликтовом излучении. Это положило начало поискам святого Грааля. Ведь если обнаружить этот след и вывести из него свойства изначальных гравитационных волн, можно узнать, как зарождалась Вселенная.

В марте 2014 года, когда Кип Торн писал эту книгу, команда Джеми Бока, космолога из Калтеха, кабинет которого находится рядом с кабинетом Торна, наконец обнаружила этот след в реликтовом излучении.

Это совершенно потрясающее открытие, но есть один спорный момент: след, найденный командой Джеми, мог быть вызван не гравитационными волнами, а чем-то еще.

Если действительно найден след гравитационных волн, возникших при Большом взрыве, значит, произошло космологическое открытие такого уровня, какие случаются, быть может, раз в полвека. Оно дает шанс прикоснуться к событиям, которые происходили спустя триллионную от триллионной от триллионной доли секунды после рождения Вселенной.

Это открытие подтверждает теории, гласящие, что расширение Вселенной в тот миг было чрезвычайно быстрым, на сленге космологов — инфляционно быстрым. И возвещает наступление новой эры в космологии.

Гравитационные волны и «Интерстеллар»

Вчера на конференции по поводу открытия гравитационных волн Валерий Митрофанов, руководитель московской коллаборации ученых LIGO, в которую входят 8 ученых из МГУ, отметил, что сюжет фильма «Интерстеллар» хоть и фантастичен, но не так далек от действительности. А все потому, что научным консультантом был Кип Торн. Сам же Торн выразил надежду, что верит в будущие пилотируемые полеты человека к черной дыре. Пусть они случатся не так скоро, как хотелось бы, и все же сегодня это намного реальнее, чем было раньше.

Не так уж и далек день, когда люди покинут пределы нашей галактики.

Событие всколыхнуло умы миллионов людей. Небезызвестный Марк Цукерберг написал: «Обнаружение гравитационных волн — самое большое открытие в современной науке. Альберт Эйнштейн — один из моих героев, поэтому я воспринял открытие так близко. Столетие назад в рамках Общей Теории Относительности (ОТО) он предсказал существование гравитационных волн. А ведь они так малы, чтобы их обнаружить, что пришло искать их в истоках таких событий, как Большой взрыв, взрывы звезд и столкновения черных дыр. Когда ученые проанализируют полученные данные, перед нами откроется совершенной новый взгляд на космос. И, возможно, это прольет свет на происхождение Вселенной, рождение и процесс развития черных дыр. Это очень вдохновляет — думать о том, сколько жизней и усилий было положено на то, чтобы сорвать покров с этой тайны Вселенной. Этот прорыв стал возможным благодаря таланту блистательных ученых и инженеров, людей разных национальностей, а также новейшим компьютерным технологиям, которые появились только недавно. Поздравляю всех причастных. Эйнштейн бы вами гордился».

Такая вот речь. И это человек, который просто интересуется наукой. Можно себе представить, какая буря эмоций захлестнула ученых, которые внесли свою лепту в открытие. Кажется, мы стали свидетелями новой эры, друзья. Это поразительно.

P.S.: Понравилось? Подписывайтесь на нашу . Раз в неделю присылаем познавательные письма и дарим скидки на книги МИФа.

Гравитационные волны, детекторы волн и LIGO

В книге «Интерстеллар. Наука за кадром» Кип Торн рассказывает: «Я был одним из основателей проекта ЛИГО в 1983 году (вместе с Райнером Вайсом из Массачусетского технологического института и Рональдом Дривером из Калтеха). Я сформулировал научные позиции ЛИГО и два десятка лет упорно работал, помогая воплотить этот проект в жизнь. Сейчас проект ЛИГО близок к готовности, и уже в этом десятилетии ожидается первая регистрация гравитационных волн». А ведь это — ожидание больших открытий — было совсем недавно. Сегодня это свершилось.

Аэрофотоснимок детектора гравитационных волн ЛИГО в Хэнфорде, Вашингтон. Фотография из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

Что ж, а теперь немного физики. Для тех, кто действительно хочется разобраться в том, что такое гравитационные волны. Вот художественное изображение тендекс-линий двух черных дыр, которые вращаются по орбитам друг вокруг друга, против часовой стрелки, и затем сталкиваются. Тендекс-линии порождают приливную гравитацию. Идем дальше. Линии, которые исходят из двух наиболее удаленных друг от друга точек на поверхностях пары черных дыр, растягивают все на своем пути, включая попавшую на рисунок подругу художницы. Линии же, исходящие из области столкновения, все сжимают.

Когда дыры вращаются одна вокруг другой, они увлекают следом свои тендекс-линии, которые походят на струи воды из крутящейся поливалки на газоне. На рисунке из книги «Интерстеллар. Наука за кадром» — пара черных дыр, которые сталкиваются, вращаясь одна вокруг другой против часовой стрелки, и их тендекс-линии.

Черные дыры объединяются в одну большую дыру; она деформирована и вращается против часовой стрелки, увлекая за собой тендекс-линии. Неподвижный наблюдатель, находящийся вдали от дыры, почувствует колебания, когда через него будут проходить тендекс-линии: растяжение, затем сжатие, затем растяжение — тендекс-линии стали гравитационной волной. По мере распространения волн деформация черной дыры постепенно уменьшается, и волны также ослабевают.

Когда эти волны достигают Земли, они имеют вид, показанный в верхней части рисунка ниже. Они растягивают в одном направлении и сжимают в другом. Растяжения и сжатия колеблются (от красного вправо-влево, к синему вправо-влево, к красному вправо-влево и т. д.) по мере того, как волны проходят через детектор в нижней части рисунка.

Гравитационные волны, проходящие через детектор ЛИГО.

Детектор представляет собой четыре больших зеркала (40 килограммов, 34 сантиметра в диаметре), которые закреплены на концах двух перпендикулярных труб, называемых плечами детектора. Тендекс-линии гравитационных волн растягивают одно плечо, сжимая при этом второе, а затем, наоборот, сжимают первое и растягивают второе. И так снова и снова. При периодическом изменении длины плеч зеркала смещаются друг относительно друга, и эти смещения отслеживаются с помощью лазерных лучей способом, который называется интерферометрией. Отсюда и название ЛИГО: Лазерно-интерферометрическая гравитационноволновая обсерватория.

Центр управления ЛИГО, откуда отправляют команды детектору и следят за полученными сигналами. Гравитационные детекторы ЛИГО расположены в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана. Фото из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

Сейчас ЛИГО — интернациональный проект, в котором участвует 900 ученых из разных стран, со штабом, расположенным в Калифорнийском технологическом институте.

Искривленная сторона Вселенной

Черные дыры, червоточины, сингулярности, гравитационные аномалии и измерения высшего порядка связаны с искривлениями пространства и времени. Поэтому Кип Торн называет их «искривленной стороной Вселенной». У человечества до сих пор очень мало экспериментальных и наблюдательных данных с искривленной стороны Вселенной. Вот почему мы столько внимания отдаем гравитационным волнам: они состоят из искривленного пространства и предоставляют наиболее доступный для нас способ исследовать искривленную сторону.

Представьте, что вам приходилось видеть океан, только когда он спокоен. Вы бы знать не знали о течениях, водоворотах и штормовых волнах. Это напоминает наши сегодняшние знания об искривлении пространства и времени.

Мы почти ничего не знаем о том, как искривленное пространство и искривленное время ведут себя «в шторм» — когда форма пространства бурно колеблется и когда колеблется скорость течения времени. Это необыкновенно манящий рубеж знаний. Ученый Джон Уилер придумал для этих изменений термин «геометродинамика»

Особый интерес в области геометродинамики представляет столкновение двух черных дыр.

Столкновение двух невращающихся черных дыр. Модель из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

На рисунке выше изображен момент столкновения двух черных дыр. Как раз такое событие позволило ученым зафиксировать гравитационные волны. Эта модель построена для невращающихся черных дыр. Сверху: орбиты и тени дыр, вид из нашей Вселенной. Посередине: искривленное пространство и время, вид из балка (многомерного гиперпространства); стрелками показано, как пространство вовлекается в движение, а изменяющимися цветами — как искривляется время. Снизу: форма испускаемых гравитационных волн.

Обсерватория LIGO была построена в 2002 году по проекту Кипа Торна, Райнера Вайсса и Рональда Древера, которые в 2018 году стали нобелевскими лауреатами. На первой стадии своей работы, которая длилась 8 лет, LIGO не удалось обнаружить колебания пространства-времени, которые предсказывала теория относительности Эйнштейна. После этого ученые отключили оба его детектора. Последующие четыре года ученые потратили на его обновление и повышение чувствительности.

В сентябре 2015 года, фактически сразу после включения обновленного LIGO, научный коллектив обсерватории обнаружил всплеск гравитационных волн, источником которых были две столкнувшиеся черные дыры общей массой в 53 солнечных. Впоследствии LIGO зафиксировал еще десять подобных событий за второй цикл работы.

В апреле этого года LIGO и его итальянский собрат VIRGO возобновили наблюдения после очередного обновления. Благодаря резкому росту чувствительности эти обсерватории смогли зафиксировать больше трех десятков новых всплесков гравитационных волн за полгода наблюдений. В их число вошли и колебания от экзотических источников — парой из нейтронной звезды и черной дыры, а также парой из черной дыры и неизвестного компактного объекта необычно малой массы.

Волны космического одиночества

Вчера вечером, как отметил Берри, детекторы LIGO и VIRGO столкнулись с крайне необычным феноменом — аномально коротким всплеском гравитационных волн, S191110af. Он не укладывался ни в один шаблон, подготовленный для всех известных источников «эйнштейновских» колебаний пространства-времени, которые или уже были открыты астрономами или которые они ожидают найти в ближайшие месяцы и годы.

Изначально ученые подозревали, что имеют дело со случайными помехами, однако последующие проверки показали, что этот всплеск, скорее всего, имеет космическое происхождение. Его источник находится в южной части небесной сферы, однако точное положение, как и расстояние до него, невозможно вычислить из-за отсутствия понимания его природы. Единственное, что пока могут сказать ученые — S191110af породила не пара объектов, а некий одиночный источник гравитационных волн.

«На эту роль претендуют асимметричные вспышки сверхновых, испаряющиеся первичные черные дыры, «лопающиеся» космические струны, а также аккрецирующие системы. Мы можем попытаться сузить число кандидатов, реконструировав волну и попытавшись воспроизвести ее при помощи моделирования», — продолжил астрофизик.

Как отметил Берри в беседе с корреспондентом ТАСС, он сомневается в том, что источником данных колебаний могли послужить сверхновые, так как остальные земные и космические обсерватории не зафиксировали ни одной подобной вспышки в момент прохождения гравитационных волн через Землю.

Другой ученый, астрофизик Стайн Сигурдссон из Пенсильванского университета (США), считает, что подобную вспышку вряд ли могла породить так называемая парно-нестабильная сверхновая, самый мощный «природный» термоядерный взрыв во Вселенной. Это связано с тем, что источник гравитационных волн, судя по данным с LIGO, был очень компактным объектом, а не крупной звездой, чья масса превышала солнечную в 130-250 раз.

Что интересно, открытие новых типов источников гравитационных волн, которые не вписываются в общепринятые теории, должно было стать одной из главных задач LIGO в 2024 году, когда обсерватория должна пережить еще одно крупное обновление. Если результаты наблюдений за S191110af подтвердятся, то астрономы могли решить эту задачу на пять лет раньше задуманного.

Разочарование

Через три дня после обнаружения необычного сигнала, по результатам тщательной проверки астрономы пришли к выводу, что сигнал S191110af ложный. «На частотах, которые нас заинтересовали, оказалось несколько дополнительных помех, — прокомментировал Берри. — К счастью, у нас есть много контролирующих приборов, которые могут проверить работу друг друга».

Обновление от 15 ноября: добавлена информация о том, что явление оказалось ложным срабатыванием приборов LIGO.

Ученые считают, что они обнаружили «неожиданный» всплеск гравитационных волн, идущих из неопределенного участка космоса. Профессор астрономии в Ноттингемском университете Майкл Меррифилд назвал это событие «странным». Cигнал зафиксировало устройство обсерватории LIGO — самый чувствительный детектор искажений в ткани пространства-времени.

У астрономов есть только примерное представление о том, из какой части космоса произошел этот всплеск, и они будут искать дополнительную информацию, изучая эту область. Но на данный момент мало информации указывает на то, что могло вызвать взрыв, который посылал пульсации через ткань Вселенной. Исследователи выдвинут свою гипотезу лишь после предварительных исследований.

Астрономы отмечает, что успешное обнаружение гравитационных волн позволит им изучить Вселенную совершенно по-другому. Эти всплески покажут какие процессы происходят в разных частях космоса.

12 ноября стало известно, что ученые из миссий LIGO/Virgo впервые зафиксировали гравитационные волны, источником которых является один объект. До сих пор исследователи наблюдали только колебания пространства-времени, причиной которых становилось слияние черных дыр, нейтронных звезд или других парных объектов. Странный космический одиночный сигнал S191110af позже оказался помехами в частотах, которые фиксировали приборы гравитационно-волновой обсерватории LIGO.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *