Гравитационные волны доклад по астрономии

Обновлено: 04.07.2024

Самые сильные гравитационные волны возникают в результате катастрофических событий, таких как сталкивающиеся черные дыры, сверхновые звезды (массивные звезды, взрывающиеся в конце своего времени жизни) и сталкивающиеся нейтронные звезды. Другие волны, как предсказывают, вызваны вращением нейтронных звезд, которые не являются идеальными сферами, и, возможно, даже остатками гравитационного излучения, созданного Большим взрывом.

Иллюстрация ниже показывает, как гравитационные волны испускаются двумя нейтронными звездами, когда они вращаются вокруг друг друга, а затем объединяются. Обратите внимание, что сами гравитационные волны невидимы. Они сделаны видимыми здесь, чтобы проиллюстрировать их распространение вдали от источника.

Хотя Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в 1916 году, первое доказательство их существования появилось только в 1974 году, через 20 лет после его смерти. В том же году два астронома, использующие радиообсерваторию Аресибо в Пуэрто-Рико, обнаружили бинарный пульсар , именно тот тип системы, который, как предсказывает общая теория относительности, должен излучать гравитационные волны. Зная, что это открытие может быть использовано для проверки смелых предсказаний Эйнштейна, астрономы начали измерять, как орбиты звезд со временем менялись. После восьми лет наблюдений, они определили, что звезды становятся ближе друг к другу в точно скоростях предсказанных общей теорией относительности, если они излучали гравитационные волны.

С тех пор многие астрономы изучали радиоизлучение пульсаров (пульсары - это нейтронные звезды, испускающие пучки радиоволн) и обнаружили аналогичные эффекты, еще раз подтверждая существование гравитационных волн. Но эти подтверждения всегда приходили косвенно или математически, а не через прямой контакт.

Все это изменилось 14 сентября 2015 года, когда LIGO (лазерный интерферометр – гравитационно-волновая обсерватория MIT) физически обнаружил колебания в пространстве-времени, вызванные гравитационными волнами, создаваемыми двумя сталкивающимися черными дырами на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Открытие LIGO войдет в историю как одно из величайших научных достижений человечества.

В то время как процессы, которые генерируют гравитационные волны, могут быть чрезвычайно сильными и разрушительными, к тому времени, когда волны достигают Земли, они в тысячи миллиардов раз меньше! Фактически, к тому времени, когда гравитационные волны от первого обнаружения LIGO достигли нас, количество колебания пространства-времени, которое они генерировали, было в 1000 раз меньше, чем ядро атома! Такие невероятно маленькие измерения - это то, для чего LIGO был разработан.

Зачем их обнаруживать?

Что еще более важно, поскольку гравитационные волны очень слабо взаимодействуют с веществом (в отличие от электромагнитного излучения, которое может поглощаться, отражаться, преломляться или изгибаться), они проходят через Вселенную практически беспрепятственно, что дает нам четкое представление о Вселенной гравитационных волн. Волны несут информацию об их происхождении, свободную от искажений или изменений, испытываемых электромагнитным излучением при прохождении через межгалактическое пространство.

Гравитационные волны не только представляют собой окончательное подтверждение общей теории относительности, они предоставят нам новый способ увидеть космос. Но что это за рябь в пространстве-времени и откуда они берутся?

Несмотря на то, что событие GW150914 имеет не самое броское название, оно довольно значимо для нашего понимания Вселенной. Это событие, название которого включает в себя приставку "GW", что является сокращением от "Gravitational Wave", и дату наблюдения - 15/09/14 - ознаменовало первое в истории человечества прямое обнаружение гравитационных волн.

Это событие стало революционным по двум направлениям: во-первых, оно успешно подтвердило предсказание, сделанное в общей теории относительности Альберта Эйнштейна почти за столетие до этого. Предсказание о том, что указанные события, происходящие во Вселенной, не только искривляют пространство-время, но в некоторых случаях действительно могут вызывать рябь в этой космической ткани.

Второй важный аспект этого наблюдения заключался в том, что оно представляло собой совершенно новый способ "увидеть" Вселенную, ее события и объекты. Этот новый метод исследования космоса привел к появлению совершенно новой формы астрономии - многоканальная астрономия. Она сочетает "традиционные" наблюдения Вселенной в электромагнитном спектре с обнаружением гравитационных волн, что позволяет нам наблюдать объекты, которые ранее были невидимы для нас.

Таким образом, открытие гравитационных волн действительно открыло совершенно новое окно в космос, но что такое гравитационные волны, что они говорят об объектах, которые их создают, и как мы обнаруживаем такие крошечные колебания в самой реальности?

Гравитационные волны: Основы

Гравитационные волны - это рябь в ткани пространства-времени.
Эта рябь движется от своего источника со скоростью света.
Прохождение гравитационных волн сжимает и растягивает само пространство.
Гравитационные волны можно обнаружить, измерив эти бесконечно малые изменения расстояния между объектами.
Они создаются, когда объект или событие, искривляющее пространство-время, заставляет эту кривизну изменять форму.
Среди причин гравитационных волн - сталкивающиеся черные дыры и нейтронные звезды, сверхновые и звезды, испытывающие гравитационный коллапс.

Теоретические основы

Представьте, что вы сидите на берегу озера, спокойно наблюдая за безмятежной поверхностью воды, ненарушаемой ни природой, ни ветром, ни даже малейшим дуновением ветерка. Вдруг мимо пробегает маленький ребенок и бросает камешек в озеро. Спокойствие на мгновение нарушается. Но, даже когда спокойствие возвращается, вы наблюдаете, как рябь распространяется от центра озера, уменьшаясь по мере того, как они достигают берегов, часто расходясь или отражаясь обратно, когда они сталкиваются с препятствием.

Поверхность озера - это вольная двухмерная аналогия ткани пространства-времени, камешек представляет событие, подобное столкновению двух черных дыр, а наше положение на Земле эквивалентно травинке на берегу, едва ощущающей рябь, которая сильно уменьшилась на пути к нам.

И Пуанкаре, и Эйнштейн видели возможность распространения гравитационных волн в пространстве-времени со скоростью света

Гравитационные волны были впервые предсказаны Анри Пуанкаре в 1905 году как возмущения в ткани пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света, но потребовалось еще десять лет, чтобы эта концепция действительно была воспринята физиками. Это произошло, когда Альберт Эйнштейн предсказал то же явление как часть своей революционной геометрической теории гравитации 1916 года, более известной как общая теория относительности.

Хотя эта теория наиболее известна тем, что предполагала, что объекты с массой будут вызывать искривление пространства-времени, она также пошла дальше, предположив, что ускоряющийся объект должен изменить эту кривизну и вызвать пульсацию в пространстве-времени. Такие нарушения в пространстве-времени были бы недопустимы при ньютоновском представлении о гравитации, которое рассматривало ткань пространства и времени как отдельные сущности, на которых просто разыгрываются события Вселенной.

Но на динамичной и изменчивой стадии единого пространства-времени Эйнштейна такие колебания были допустимы.

Гравитационные волны возникли из возможности найти волнообразное решение тензорных уравнений, лежащих в основе общей теории относительности. Эйнштейн считал, что гравитационные волны должны массово генерироваться при взаимодействии массивных тел, таких как двойные системы сверхплотных нейтронных звезд и сливающиеся черные дыры.

На самом деле такая рябь в пространстве-времени должна создаваться любыми ускоряющимися объектами, но связанные с Землей ускоряющиеся объекты вызывают возмущения, которые слишком малы, чтобы их можно было обнаружить. Вот почему наши исследования должны быть обращены к областям космоса, где природа предоставляет нам гораздо более массивные объекты.

Поскольку эти пульсации распространяются от своего источника во всех направлениях со скоростью света, они несут информацию о событии или объекте, который их создал. Но не только это, гравитационные волны могут многое рассказать нам о природе самого пространства-времени.

Откуда берутся гравитационные волны?

Существует ряд событий, которые могут запустить гравитационные волны, достаточно мощные для того, чтобы мы могли обнаружить их с помощью невероятно точного оборудования здесь, на Земле. Эти события являются одними из самых мощных и бурных, какие только может предложить Вселенная. Например, самые сильные волнения в пространстве-времени, вероятно, вызваны столкновением черных дыр.

Другие столкновения связаны с производством сильных гравитационных волн; например, слияние черной дыры и нейтронной звезды или столкновение двух нейтронных звезд друг с другом.

Но космическому телу не всегда нужен партнер, чтобы создавать волны. Звездный коллапс в результате взрыва сверхновых - процесс, который оставляет после себя звездные остатки, такие как черные дыры и нейтронные звезды, - также приводит к образованию гравитационных волн.

Моделирование гравитационных волн, излучаемых двойным пульсаром, состоящим из двух нейтронных звезд.

Чтобы понять, как возникают гравитационные волны, стоит обратиться к пульсарам - двойным системам из двух нейтронных звезд, которые испускают регулярные импульсы электромагнитного излучения в радиочастотной области спектра.

Теория Эйнштейна предполагает, что подобная система должна терять энергию за счет излучения гравитационных волн. Это означает, что орбитальный период системы должен уменьшаться вполне предсказуемым образом.

Звезды сближаются, поскольку в системе остается меньше энергии для сопротивления их взаимному гравитационному притяжению, и в результате скорость их орбиты увеличивается, а значит, импульсы радиоволн излучаются через более короткие промежутки времени. Это означает, что время, необходимое для того, чтобы радиоволна оказалась непосредственно перед нашей линией видимости, уменьшится, что мы можем измерить.

Именно это и наблюдалось в системе Халса-Тейлора (PSR B1913±16), открытой в 1974 году и состоящей из двух быстро вращающихся нейтронных звезд. Это наблюдение принесло Расселу А. Халсу и Джозефу Х. Тейлору-младшему из Принстонского университета Нобелевскую премию по физике 1993 года. Нобелевский комитет объяснил это следующим образом: "за открытие нового типа пульсара, открытие, которое открыло новые возможности для изучения гравитации".

Хотя это, безусловно, впечатляющее и важное научное достижение, это все же было лишь косвенным доказательством существования гравитационных волн. В то время как предсказанный Эйнштейном эффект укорочения вращения пульсара определенно присутствовал, это не было фактическим прямым обнаружением.

Несмотря на то, что Эйнштейн не был свидетелем этого выдающегося достижения, он предсказал, что это единственный способ получить хоть какой-то намек на гравитационные волны. Великий физик считал, что эти пространственно-временные пульсации будут настолько слабыми, что их невозможно будет обнаружить никакими технологическими средствами, которые только можно было представить в то время.

К счастью, Эйнштейн ошибался.

Как обнаружить гравитационные волны?

Неудивительно, что для обнаружения гравитационных волн требуется оборудование с огромной чувствительностью. Хотя эффект гравитационных волн - сжимание и растяжение самого пространства - звучит как нечто, что должно быть прежде всего заметно, степень, в которой происходит это возмущение, настолько мала, что совершенно незаметна.

К счастью, существует отрасль физики, которая довольно хорошо разбирается в крошечных явлениях. Чтобы обнаружить гравитационные волны, исследователи используют эффект, называемый интерференцией, продемонстрированный в самом известном эксперименте квантовой физики всех времен - эксперименте с двойной щелью.

Физики поняли, что лазерный интерферометр может быть использован для измерения крошечного сжимания и растяжения пространства, поскольку это приведет к тому, что рукава оборудования сократятся на минутную величину. Это означает, что при разделении лазера и направлении его через рукава интерферометра сжатие пространства, вызванное прохождением гравитационной волны, приведет к тому, что один лазер придет немного раньше другого - это означает, что они находятся вне фазы и вызывают деструктивную интерференцию. Таким образом, эта разница во времени прихода вызывает интерференцию, которая указывает на то, что гравитационные волны прошли через один из рукавов.

Но не любой лазерный интерферометр подойдет. Физикам понадобится интерферометр настолько большой, что он станет настоящим достижением инженерной мысли. На помощь приходит лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO).

Схема, показывающая принцип работы LIGO.

Детектор LIGO использует два лазерных излучателя, расположенных в обсерваториях Хэнфорд и Ливингстон, которые разделены тысячами километров и образуют невероятно чувствительный интерферометр. От этих излучателей лазеры направляются вниз по "рукавам" интерферометра, которые на самом деле являются вакуумными камерами длиной 4 км.

В результате получилась настолько чувствительная система, что она может измерить отклонение в пространстве-времени размером в 1/10 000 размера атомного ядра. В астрономическом контексте это эквивалентно наблюдению звезды на расстоянии 4,2 световых лет и определению ее местоположения с точностью до ширины человеческого волоса! Это самое маленькое измерение, которое когда-либо практически пытались провести в каком-либо научном эксперименте.

И в 2015 году эта кропотливая работа окупилась.

14 сентября 2015 года коллаборация LIGO и Virgo заметила гравитационно-волновой сигнал, исходящий от спирального слияния двух черных дыр, одна из которых в 29 раз больше массы Солнца, а другая - в 36 раз больше массы нашей звезды. По изменениям в полученном сигнале ученые также смогли наблюдать образовавшуюся одиночную черную дыру.

Сигнал, названный GW150914, стал не только первым наблюдением гравитационных волн, но и первым случаем, когда человечество "увидело" двойную систему черных дыр со звездной массой, доказав, что такие слияния могут существовать в современную эпоху Вселенной.

Различные виды гравитационных волн

С момента первого обнаружения гравитационных волн исследователи сделали ряд важных и откровенных открытий. Они позволили ученым классифицировать различные типы гравитационных волн и объекты, которые могут их порождать.

Непрерывные гравитационные волны

Считается, что одиночный вращающийся массивный объект, такой как нейтронная звезда, может вызывать непрерывный сигнал гравитационных волн в результате несовершенства сферической формы этой звезды. Если скорость вращения остается постоянной, то и гравитационные волны, которые она излучает, будут постоянно одинаковой частоты и амплитуды, подобно тому, как певец держит одну ноту. Исследователи создали симуляцию того, как будет звучать приходящая непрерывная гравитационная волна, если сигнал, обнаруженный LIGO, преобразовать в звук.

Звук непрерывной гравитационной волны, подобной той, которую производит нейтронная звезда, можно услышать ниже.

Компактные бинарные спиральные гравитационные волны

Все сигналы, обнаруженные LIGO до сих пор, подпадают под эту категорию как гравитационные волны, создаваемые парами массивных вращающихся объектов, таких как черные дыры или нейтронные звезды.

Эти источники подразделяются на три отдельные подкатегории:

Бинарная черная дыра (BBH)
бинарная нейтронная звезда (BNS)
Бинарная нейтронная звезда-черная дыра (NSBH).

Каждый из этих типов бинарных пар создает свой собственный уникальный паттерн гравитационных волн, но имеет один и тот же общий механизм генерации волн - генерацию по спирали. Этот процесс происходит в течение миллионов лет, гравитационные волны уносят энергию из системы и заставляют объекты двигаться по спирали все ближе и ближе, пока они не встретятся. Это также приводит к тому, что объекты движутся все быстрее и, таким образом, создают гравитационные волны все большей силы.

"Стрекот" возможного слияния нейтронных звезд был переведен в звуковые волны, которые можно услышать ниже.

Стохастические гравитационные волны

Небольшие гравитационные волны, которые даже LIGO не в состоянии точно определить, могут проходить над Землей со всех сторон в любое время. Эти волны известны как стохастические гравитационные волны из-за их случайного характера. По крайней мере, часть этого стохастического сигнала, вероятно, возникла во время Большого взрыва.

Если нам удастся обнаружить этот сигнал, он позволит нам "заглянуть" дальше в историю Вселенной, чем любой электромагнитный сигнал, вплоть до эпохи, когда фотоны еще не могли свободно перемещаться в пространстве.

Смоделированный звук этого стохастического сигнала можно услышать ниже.

Учитывая разнообразие объектов и событий во Вселенной, крайне вероятно, что существуют и другие типы сигналов гравитационных волн. Это означает, что поиск таких сигналов - это исследование неизвестного. К счастью, наши возможности по исследованию космоса значительно расширились благодаря способности обнаруживать гравитационные волны.

Новая эра астрономии

GW150914 точно соответствует предсказаниям общей теории относительности, подтверждая самую революционную теорию Эйнштейна почти ровно через шесть десятилетий после его смерти в 1955 году. Это не означает, что гравитационные волны больше не учат нас о Вселенной. На самом деле, эти пульсации в пространстве дали нам совершенно новый взгляд на космос.

До открытия гравитационных волн астрономы ограничивались представлением о Вселенной, окрашенной электромагнитным излучением, и поэтому наши наблюдения ограничивались только этим спектром.

Используя только электромагнитный спектр, астрономы смогли обнаружить астрономические тела и даже космический микроволновый фон (CMB) - "реликт" одного из самых первых событий в ранней Вселенной, эпохи рекомбинации, когда электроны соединялись с протонами, таким образом позволяя фотонам начать путешествовать, а не бесконечно рассеиваться. Таким образом, CMB является маркером того момента, когда Вселенная стала прозрачной для света.

Однако, несмотря на успехи, которые традиционная астрономия позволила нам сделать в понимании космоса, использование электромагнитного излучения сильно ограничено. Оно не позволяет нам непосредственно "увидеть" черные дыры, из которых свет не может выйти. Оно также не позволяет нам увидеть небарионовую, несветящуюся темную материю, преобладающую форму материи в галактиках, составляющую около 85% от общей массы Вселенной. Термин "несветящаяся" означает, что темная материя не взаимодействует с электромагнитным спектром, она не поглощает и не излучает свет. Это означает, что наблюдения только в электромагнитном спектре никогда не позволят нам увидеть большую часть материи во Вселенной.

Очевидно, что это проблема. Но ее можно избежать, используя спектр гравитационных волн, поскольку и черные дыры, и темная материя обладают значительным гравитационным эффектом.

Гравитационные волны также имеют еще одно значительное преимущество перед электромагнитным излучением.

Эта новая форма астрономии измеряет амплитуду бегущей волны, в то время как астрономия электромагнитных волн измеряет энергию волны, которая пропорциональна квадрату амплитуды волны.

Поэтому яркость объекта в традиционной астрономии определяется как 1/расстояние², в то время как "гравитационная яркость" уменьшается всего на 1/расстояние. Это означает, что видимость звезд сохраняется в гравитационных волнах на гораздо большем расстоянии, чем тот же фактор сохраняется в электромагнитном спектре.

Конечно, все это не означает, что гравитационно-волновая астрономия "заменит" традиционную астрономию электромагнитного спектра. На самом деле, эти два направления являются наиболее мощными, когда они объединены в новую захватывающую дисциплину - многоканальную астрономию.

В общей теории относительности и в большинстве других современных теорий гравитации гравитационные волны порождаются движением массивных тел с переменным ускорением. Гравитационные волны свободно распространяются в пространстве со скоростью света. Ввиду относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) эти волны имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Поляризованная гравитационная волна

В рамках ОТО гравитационные волны описываются решениями уравнений Эйнштейна волнового типа, представляющими собой движущееся со скоростью света (в линейном приближении) возмущение метрики пространства-времени. Проявлением этого возмущения должно быть, в частности, периодическое изменение расстояния между двумя свободно падающими (то есть не испытывающими влияния никаких сил) пробными массами. Амплитудой h гравитационной волны является безразмерная величина — относительное изменение расстояния. Предсказываемые максимальные амплитуды гравитационных волн от астрофизических объектов (например, компактных двойных систем) и явлений (взрывов сверхновых, слияний нейтронных звёзд, захватов звёзд чёрными дырами и т. п.) при измерениях в Солнечной системе весьма малы ( h =10 −18 —10 −23 ). Слабая (линейная) гравитационная волна согласно общей теории относительности переносит энергию и импульс, двигается со скоростью света, является поперечной, квадрупольной и описывается двумя независимыми компонентами, расположенными под углом 45° друг к другу (имеет два направления поляризации).

Различные теории по-разному предсказывают скорость распространения гравитационных волн. В общей теории относительности она равна скорости света (в линейном приближении). В других теориях гравитации она может принимать любые значения, в том числе до бесконечности. По данным первой регистрации гравитационных волн их дисперсия оказалась совместимой с безмассовым гравитоном, а скорость оценена как равная скорости света.

Генерация гравитационных волн

Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени

Гравитационную волну излучает любая материя, движущаяся с асимметричным ускорением . Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна первой производной ускорения и массе генератора, то есть ~ . Однако если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь, этот другой объект испытывает обратное действие (по 3-му закону Ньютона), при этом оказывается, что m₁a₁ = − m₂a₂ . Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они взаимно гасятся почти полностью. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения. Кроме того, для нерелятивистских излучателей в выражении для интенсивности излучения имеется малый параметр где — гравитационный радиус излучателя, r — его характерный размер, T — характерный период движения, c — скорость света в вакууме.

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:

сталкивающиеся галактики (гигантские массы, очень небольшие ускорения),
гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе). Как частный и наиболее интересный случай — слияние нейтронных звёзд. У такой системы гравитационно-волновая светимость близка к максимально возможной в природе планковской светимости.

Гравитационные волны, излучаемые системой двух тел

Два тела, движущиеся по круговым орбитам вокруг общего центра масс

Два гравитационно связанных тела с массами m₁ и m₂ , движущиеся нерелятивистски ( v ) по круговым орбитам вокруг их общего центра масс на расстоянии r друг от друга, излучают гравитационные волны следующей энергии, в среднем за период:

Вследствие этого система теряет энергию, что приводит к сближению тел, то есть к уменьшению расстояния между ними. Скорость сближения тел:

Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема Солнца и Юпитера. Мощность этого излучения примерно 5 киловатт. Таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел.

Гравитационный коллапс двойной системы

Любая двойная звезда при вращении её компонент вокруг общего центра масс теряет энергию (как предполагается — за счёт излучения гравитационных волн) и, в конце концов, сливается воедино. Но для обычных, некомпактных, двойных звёзд этот процесс занимает очень много времени, много большее настоящего возраста Вселенной. Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Затем на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая по некоторым оценкам более 50 % от массы системы.

Основные точные решения уравнений Эйнштейна для гравитационных волн

Объёмные волны Бонди — Пирани — Робинсона

Эти волны описываются метрикой вида . Если ввести переменную и функцию , то из уравнений ОТО получим уравнение

Метрика Такено

имеет вид , -функции, удовлетворяют тому же уравнению.

Метрика Розена

Метрика Переса

Цилиндрические волны Эйнштейна — Розена

В цилиндрических координатах такие волны имеют вид и выполняются

По оценкам наиболее сильными и достаточно частыми источниками гравитационных волн для гравитационных телескопов и антенн являются катастрофы, связанные с коллапсами двойных систем в ближайших галактиках. Ожидается, что в ближайшем будущем на усовершенствованных гравитационных детекторах будет регистрироваться несколько подобных событий в год, искажающих метрику в окрестности Земли на 10 −21 —10 −23 . Первые наблюдения сигнала оптико-метрического параметрического резонанса, позволяющего обнаружить воздействие гравитационных волн от периодических источников типа тесной двойной на излучение космических мазеров, возможно, были получены на радиоастрономической обсерватории РАН, Пущино.

Ещё одной возможностью детектирования фона гравитационных волн, заполняющих Вселенную, является высокоточный тайминг удалённых пульсаров — анализ времени прихода их импульсов, которое характерным образом изменяется под действием проходящих через пространство между Землёй и пульсаром гравитационных волн. По оценкам на 2013 год, точность тайминга необходимо поднять примерно на один порядок, чтобы можно было задетектировать фоновые волны от множества источников в нашей Вселенной, и эта задача может быть решена до конца десятилетия.

Экспериментальное подтверждение существования

Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал. Слева данные с детектора в Хэнфорде (H1), справа — в Ливингстоне (L1). Время отсчитывается от 14 сентября 2015, 09:50:45 UTC. Для визуализации сигнала он отфильтрован частотным фильтром с полосой пропускания 35—350 Герц для подавления больших флуктуаций вне диапазона высокой чувствительности детекторов, также были применены полосовые режекторные фильтры для подавления шума самих установок. Верхний ряд: напряжения h в детекторах. GW150914 сначала прибыл на L1 и через 6 9 +0 5 −0 4 мс на H1; для визуального сравнения данные с H1 показаны на графике L1 в обращённом и сдвинутом по времени виде (чтобы учесть относительную ориентацию детекторов). Второй ряд: напряжения h от гравитационно-волнового сигнала, пропущенные через такой же полосный фильтр 35—350 Гц. Сплошная линия — результат численной относительности для системы с параметрами, совместимыми с найденными на базе изучения сигнала GW150914, полученный двумя независимыми кодами с результирующим совпадением 99,9. Серые толстые линии — области 90 % доверительной вероятности формы сигнала, восстановленные из данных детекторов двумя различными методами. Тёмно-серая линия моделирует ожидаемые сигналы от слияния чёрных дыр, светло-серая не использует астрофизических моделей, а представляет сигнал линейной комбинацией синусоидально-гауссовых вэйвлетов. Реконструкции перекрываются на 94 %. Третий ряд: Остаточные ошибки после извлечения отфильтрованного предсказания сигнала численной относительности из отфильтрованного сигнала детекторов. Нижний ряд: представление частотной карты напряжений, показывающее возрастание доминирующей частоты сигнала со временем.

История

11 февраля 2016 года интернет взорвала новость — ученые научных объединений VIRGO и LIGO предоставили доказательства существования гравитационных волн! Ученые и журналисты утверждают, что открытие — это первый шаг на пути к фундаментальным сдвигам в физике, а впоследствии — и в технологиях. Однако что такое эти гравитационные волны, как они действуют, и, главное — что дает их открытие? Сегодня мы вместе разберемся в этом вопросе.

Гравитация, или сила во всем сущем

Прежде всего стоит выяснить, что на самом деле представляет собой гравитация. Да-да — это та сила тяготения, которая заставляет падать яблоки на головы ученых, а бутерброды маслом вниз, и не дает Земле оторваться от Солнца и улететь путешествовать по галактике. Однако в современной физике она разделяется на две важных и неотъемлемых части.

По Ньютону

Закон обратных квадратов. Чем больше расстояние — тем меньше интенсивность

Первая, более поверхностная и очевидная — это гравитация Ньютона. В ней все достаточно просто: чем тяжелее тело, тем сильнее оно притягивает к себе другие объекты. Луна, которая в разы легче Земли, вращается вокруг планеты, а не наоборот — этот принцип каждый наблюдал сам. При этом притяжение резко падает с расстоянием согласно закону обратных квадратов, который действует на любое излучение или распространение энергии. Поэтому выроненные космонавтами гаечные ключи начинают вращаться вокруг их космической станции, а сразу не вокруг Земли, а центр галактики, который намного массивнее Солнца, не перетягивает у нашего светила планеты.

Идеальной демонстрацией ньютоновской гравитации является обычный камень. Если бросить его вперед, он полетит по наклонной, устремляясь к земле по мере того, как приданный рукой импульс будет становиться слабее относительно гравитации. Чем сильнее бросать, тем дальше камень пролетит — а если придать ему достаточной скорости, он может выйти на орбиту Земли, или вовсе покинуть Солнечную систему.

Для того чтобы построить космическую ракету, запустить спутник и слетать на соседние планеты, изложения гравитации Ньютоном и его последователями, вроде Кеплера, достаточно. Более того, эти изложения успешно используются сегодня для определения масс астероидов и других планет, а также в других практических целях.

Даже класическая Ньютовская механика позволяла рассчитывать поражающие вещи. На картинке — схема гипотетического суборбитального самолета Москва-Караганда. Смотреть в полном размере.

По Эйнштейну и Теории Относительности

Для того чтобы понять, откуда берется гравитационная энергия, рассмотрим базовую формулу Специальной теории относительности Эйнштейна — E=mc². E тут — это кинетическая энергия тела; затраты силы, нужные для ускорения какого-либо объекта из состояния покоя. Однако в механике теории относительности оказалось, что энергия нужна даже для того, чтобы тело не двигалось! Соответственно этим положениям, любая масса подразумевает наличие в ней потенциальной энергии. Практический выход теории взаимовместимости энергии и массы нашелся в ядерной физике — относительно неподвижные, но зато тяжелые уран и плутоний создают громадное количество энергии в реакторах и бомбах.

Яблоко Ньютона искажает пространство-время Эйнштейна

Звучит невероятно, не так ли? Первоначально вся эта концепция существовала только в виде математических уравнений в тетрадях Эйнштейна. Тогда, в начале XX века, сложно было найти какие-то подтверждения этой теории, да и сейчас верится тяжело. Но сейчас теория гравитационного искажения пространства используется даже в быту. Навигационная технология GPS, вшитая во все современные телефоны, работает по принципу сверки высокоточных часов наземного устройства и спутника. Так как спутнике часы замедляются их искусственно корректируют на 38 микросекунд в день в сторону увеличения. А на телефоне, который находится на поверхности Земли, ближе к гравитационному центру, время идет заметно медленнее!

Гравитационные волны в двойной системе тел в представлении художника (анимированно). Световые столбы в центре — это так называемые релятивистские струи.

Волны относительности

Теперь, когда мы разобрались с основами гравитации, перейдем к гравитационным волнам — изюминке нашей программы. Как мы видим, предпосылки того, что гравитация имеет волновую природу, были еще в теории гравитации Ньютона — там она распространялась со скоростью света, как волна, и подпадала под действие закона обратных квадратов.

Однако Теория относительности добавляет большей наглядности волновой природе. Итак, мы уже знаем, что двигаясь и вращаясь, массивное тело создает искажение времени и пространства — и чем быстрее тело движется и/или вращается, тем сильнее итоговое искажение. Тут действует закон, характерный также для электрических и магнитных полей: если скорость движения будет непостоянной, будут создаваться волны. Только гравитационное волны — это не просто колебания энергии, но и колебания времени и пространства. Образно говоря, на гребне волны предметы и минуты сжимаются, становятся короче, а на скате — разглаживаются, приходят в порядок.

Эти пространственно-временные волны и есть выходом той гравитационной энергии, о которой мы упоминали выше. Однако для их появления остается одно необходимое условие — переменная, непостоянная скорость элементов гравитационной системы. А это встречается достаточно редко. Например, в Солнечной системе все планеты замедляются в афелии, самой дальней от Солнца точке орбиты, и ускоряются в перигелии. Однако массы планет по сравнению с массой Солнца слишком малы, а перепады скорости — ничтожны. Поэтому в виде гравитационных волн Солнце не теряет даже сотой доли той энергии, которую высвобождает своим излучением.

Иное дело двойные системы массивных объектов вроде звезд и черных дыр. Будучи относительно близко друг от друга, они вращаются одновременно в двух направлениях — вокруг общего центра тяжести между ними и вокруг собственной оси. Поскольку двойные системы имеют тенденцию к слиянию, они вращаются все ближе друг к другу, а оттого все интенсивнее. Такой танец гигантов, по мнению самого Эйнштейна, создает сильные гравитационные волны. Также источником колебаний могут служить мощные катаклизмы вроде вспышек сверхновых.

На видео ниже можно посмотреть, как выглядели бы большие гравитационные волны вблизи. А дальше мы узнаем, благодаря чему ученые сумели их обнаружить, и что это открытие принесет человечеству.

Услышать самый тихий звук

До 2015 года, большинство предсказанных Теорией относительности явлений были обнаружены. Одними из оставшихся в тени были гравитационные волны — самые неуловимые колебания, существующие в природе.

Поэтому ученым из LIGO, которые занялись поиском гравитационных волн, пришлось построить титаническую установку, представляющую две 4-километровые перпендикулярные трубы, внутри которых вакуум. Сквозь них пропускаются лазерные лучи, время прохождения которых четко фиксируются — вместе это так называемый гравитационно-волновой интерферометр. Когда гравитационная волна проходит через Землю, пространство искажается, и лазер сперва замедляется в первой трубе, а затем ускоряется во второй — или наоборот.

Чувствительность итогового устройства такова, что колебания способны фиксироваться даже на уровне протонов. Это, однако, создает проблемы для ученых — столь чуткий прибор фиксирует множество сторонних шумов. Исследователи LIGO учитывали движения глубоко под землей, особенности погоды, убежали от дорог и городов в пустыню — но даже там в сигнал порой примешивались звуки мотоцикла, который проезжал за несколько километров от вакуумных труб. Доходило до того, что интерферометр ловил телефонные звонки!

Компьютерная симуляция волн от столкновения двух черных дыр

Плоды открытия

Читайте также: