Что такое гравитационные волны: история изучения и открытие LIGO — все самое интересное на ПостНауке

Содержание

дорога к открытию — Троицкий вариант — Наука

11 февраля 2016 года на пресс-конференциях в США и Европе было одновременно объявлено о крупнейшем научном достижении — первой прямой регистрации волн тяготения. Эпохальное открытие сделали члены международной коллаборации LIGO, объединяющей более тысячи ученых из пятнадцати стран. Этот проект был предложен в 1980-е годы профессорами Калифорнийского технологического института Кипом Торном (Kip Thorne) и Рональдом Древером (Ronald Drever) и профессором Массачусетского технологического института Рейнером Вейссом (Rainer Weiss). Открытие гравитационных волн произошло почти что ровно через сто лет после публикации статьи Альберта Эйнштейна Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation, Preussische Akademie der Wissenschaften, Sitzungsberichte, 1916 (part 1), 688–696, где было предсказано их существование.

Несостоявшаяся сенсация

Джозеф Вебер в униформе Военно-морской академии США (1940 год). Фото из «Википедии» 

Гравитационные волны уже «открывали», правда, неудачно. В конце 1969 года профессор физики Мэрилендского университета Джозеф Вебер (Joseph Weber) заявил, что обнаружил волны тяготения космического происхождения. До того времени ни один ученый не выступал с подобным заявлением, да и сама возможность детектирования таких волн считалась далеко не очевидной. Однако Вебер слыл авторитетом в своей области, поиском гравитационных волн он занимался более десяти лет, и посему коллеги восприняли его сообщение (вскоре последовали и другие) с полной серьезностью.

Однако вскоре наступило отрезвление. Амплитуды волн, якобы зарегистрированных Вебером, в миллионы раз превышали теоретически разумную величину. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрофизики тут же предположили, что там скрывается гигантская черная дыра, которая ежегодно пожирает тысячи звезд и выбрасывает часть поглощенной энергии в виде гравитационного излучения, а астрономы занялись тщетным поиском более явственных следов этого космического каннибализма (сейчас доказано, что хотя дыра там и имеется, ведет она себя вполне скромно). Физики из США, СССР, Франции, Германии, Англии и Италии приступили к экспериментам на детекторах того же типа и ничего не добились. К концу 1972 года мало кто сомневался в том, что веберовские результаты можно объяснить чем угодно, но только не воздействием гравитационных волн.

Ученые и доселе не знают, чему приписать странные показания приборов Вебера. Однако его усилия стимулировали создание более чувствительных детекторов волн тяготения, к числу которых принадлежит LIGO, MiniGrail и др. К сожалению, Джозеф Вебер не дожил даже до начала работы LIGO — в сентябре 2000 года он скончался от рака.

Природа гравитационных волн

Часто говорят, что гравитационные волны — это распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения. Такое определение правильно, но неполно. Согласно Общей теории относительности, тяготение возникает из-за искривления пространственно-временного континуума. Его структура описывается метрическим тензором, определяющим расстояния между бесконечно близкими точками пространства-времени по всем возможным направлениям. Волны тяготения — это флуктуации пространственно-временной метрики, которые проявляют себя как колебания гравитационного поля. По этой-то причине их часто называют пространственно-временной рябью — сравнение образное, хотя и сильно заезженное.

Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания волн тяготения необходимо ускорение, однако отнюдь не всякое. Цилиндр, который вращается вокруг своей главной оси, испытывает ускорение (вспомним школьный курс физики), однако его гравитационное поле остается повсюду однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле начнет осциллировать, и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.

Тот, кто помнит, что такое квадрупольный момент, сразу догадается, что в этой ситуации он не останется постоянным. Таково проявление общего правила — система масс, квадрупольный момент которой меняется со временем, всегда излучает гравитационные волны. Поэтому, в частности, гравитационные волны излучают любые два космических объекта, обращающиеся вокруг общего центра тяжести.

Волны тяготения обладают множеством интереснейших свойств, ограничимся основными.

  1. В пустом пространстве они распространяются со скоростью света. Более того, эта скорость практически всегда сохраняется при встрече с материальными объектами, так что гравитационные волны не претерпевают преломления. Экстремально сверхплотное вещество способно уменьшить скорость гравитационных волн, но в прочих случаях этот эффект пренебрежимо мал. Амплитуды волн тяготения угасают при удалении от источника, однако вовсе не падают до нуля. Можно сказать, что единожды возникшая волна тяготения обречена на вечную жизнь. В частности, Вселенная должна быть пронизана реликтовыми волнами тяготения, унаследованными от инфляционной фазы. В них закодирована информация о строении «зародышевой» Вселенной, которую, правда, еще надо умудриться расшифровать.
  2. Волны тяготения поперечны. Это означает, что такая волна искажает структуру пространства в плоскости, перпендикулярной вектору ее распространения. Твердое тело, попавшее в область волнового гравитационного фронта, будет испытывать деформации именно в этой плоскости (какие именно, зависит от характера волны). В простейшем случае пространство периодически растягивается и сжимается вдоль двух взаимно перпендикулярных направлений, лежащих в этой плоскости.
  3. Гравитационные волны уносят энергию, которую они отбирают у излучающей материи. Поэтому со временем звезды двойной системы сближаются друг с другом, и продолжительность их оборотов вокруг общего центра уменьшается.

Гравитационное излучение от земных источников чрезвычайно слабо. Возьмем стальную колонну массой 10 тыс. тонн, подвесим за центр в горизонтальной плоскости и раскрутим вокруг вертикальной оси до десяти оборотов в секунду (намного быстрее не получится — сталь начнет рваться). Мощность гравитационного излучения такой гигантской вертушки составит примерно 10–24 ватта. Поэтому единственная надежда обнаружить волны тяготения в сколько-нибудь близком будущем — это найти источник гравитационного излучения, пришедшего из космоса.

В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды, пары звезд, разделенных небольшой дистанцией. Причина проста: мощность гравитационного излучения такой системы растет в обратной пропорции к пятой степени ее поперечника. Еще лучше, если траектории звезд сильно вытянуты, так как при этом возрастает скорость изменения квадрупольного момента. Совсем хорошо, если двойная система состоит из компактных релятивистских объектов — белых карликов, нейтронных звезд или черных дыр.

Черные дыры искажают пространство-время (желтые линии) и излучают гравитационные волны (изображение: Henze/NASA)

Гравитационное излучение также порождается коллапсом массивной звезды, исчерпавшей свое термоядерное топливо. Однако деформация звезды должна быть асимметричной, иначе излучение не возникнет. Во время коллапса гравитационные волны могут унести с собой до десятой части полной энергии светила, той, которая определяется эйнштейновской формулой E=mс2. Мощность гравитационного излучения в этом случае по порядку величины составляет 1050 ватт. Много больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд, здесь пиковая мощность достигает 1052 ватт. Но самый лучший источник излучения — столкновение черных дыр, поскольку их массы могут превышать массы нейтронных звезд не только в разы, но и в миллионы и даже миллиарды раз. В марте 2006 года американские астрофизики опубликовали очень впечатляющие результаты компьютерной симуляции гравитационных волн, порожденных при таком слиянии (www.newscientist.com/article/dn9012-black-holes-collide-in-the-best-simulation-yet), которые теперь были использованы первооткрывателями гравитационных волн. Необходимо отметить, что гравитационное излучение двойной системы имеет периодический характер, а при коллапсах и столкновениях оно высвобождается в виде коротких всплесков.

Гравитационные резонаторы: Вебер и другие

В первой половине прошлого века физики, включая Эйнштейна, не верили в возможность детектирования гравитационных волн. Впервые ее обосновал в 1957 году английский физик Феликс Пирани (Felix Pirani), на работы которого опирался Вебер. Он скончался 31 декабря 2015 года, возможно, так и не успев узнать о торжестве своей идеи.

Вебер использовал в качестве детекторов сплошные алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезоэлектрическими датчиками на торцах. Их помещали в вакуумную камеру и с максимальной тщательностью изолировали от внешних механических воздействий. Два таких цилиндра Вебер установил в бункере на поле для гольфа Мэрилендского университета и один в Аргоннской национальной лаборатории неподалеку от Чикаго.

Идея этого эксперимента предельно проста. Пространство под действием гравитационных волн сжимается и растягивается, так что цилиндр вибрирует в продольном направлении, выступая в качестве гравитационно-волновой антенны. Пьезоэлектрические кристаллы отвечают на вибрацию электрической поляризацией, которую не слишком сложно измерить. Любое прохождение цуга космических волн тяготения одновременно действует на детекторы, разнесенные на тысячу километров, что позволяет отфильтровать гравитационные импульсы от различного рода шумов. И измерения, и обработку результатов можно производить по нескольким схемам (что Вебер и делал), однако общий принцип остается неизменным.

Веберовские датчики были в состоянии заметить смещения торцов цилиндра, равные всего 10–15 его длины — в данном случае 10–13 см. Именно такие колебания Веберу удалось обнаружить, о чем он впервые и сообщил в 1969 году на страницах Physical Review Letters. Все попытки повторить эти результаты оказались тщетными. Данные Вебера к тому же противоречили теоретическим выкладкам, которые практически не позволяли ожидать относительных смещений выше 10–18 (причем гораздо вероятней значения менее 10–20). Не исключено, что Вебер напутал при статистической обработке результатов, но это всего лишь гипотеза. Короче говоря, первая попытка обнаружить гравитационное излучение закончилась неудачей.

В дальнейшем гравитационно-волновые антенны значительно усовершенствовали. В 1967 году американский физик Уильям Фэрбенк (William Martin Fairbank) предложил охлаждать их в жидком гелии. Это не только позволило избавиться от большей части тепловых шумов, но и открыло возможность применения сквидов — точнейших сверхпроводящих датчиков электрического тока, использующих эффект Джозефсона. Реализация этой идеи оказалась сопряжена со множеством технических сложностей, и сам Фэрбенк до нее не дожил. К началу 1980-х годов физики из Стэнфордского университета построили установку с чувствительностью порядка 10–18, однако волн не зарегистрировали. Сейчас в ряде стран действуют ультракриогенные вибрационные детекторы волн тяготения, работающие при температурах, лишь на десятые и сотые доли градуса выше абсолютного нуля. Такова, например, установка AURIGA (Antenna Ultracriogenica Risonante per l’Indagine Gravitazionale Astronomica) в итальянском городе Падуе. Антенной для нее служит трехметровый цилиндр из алюминиево-магниевого сплава, диаметр которого составляет 60 см, а вес 2,3 тонны. Он подвешен в вакуумной камере, охлаждаемой до 0,1 кельвина. Его сотрясения (с частотой порядка 1000 герц) передаются на вспомогательный резонатор массой в 1 кг, который колеблется с такой же частотой, но много большей амплитудой. Эти вибрации регистрируются измерительной аппаратурой и анализируются с помощью компьютера. Чувствительность комплекса AURIGA лежит в интервале 10–20–10–21.

Астрономы не дремлют

Рассел Халс в своей лаборатории в Принстоне («Википедия»)

Первое — и еще только косвенное — доказательство существования волн тяготения связано с работами американского радиоастронома Джозефа Тейлора (Joseph Hooton Taylor) и его студента Рассела Халса (Russell Alan Hulse). В 1974 году они впервые обнаружили пару обращающихся друг вокруг друга нейтронных звезд PSR B1913+16, что само по себе было серьезным астрономическим открытием. Точнее, сначала они выявили излучающую в радиодиапазоне нейтронную звезду (радиопульсар), а потом нашли у нее молчаливую компаньонку. Пульсар вращается вокруг своей оси со стабильной угловой скоростью (что бывает далеко не всегда) и поэтому служит исключительно точными часами. Эта особенность и позволила чрезвычайно точно измерить массы обеих звезд и выяснить характер их орбитального движения. Оказалось, что период этой двойной системы, который сейчас составляет 3 часа 45 мин, ежегодно сокращается на 70 микросекунд. Эта величина хорошо согласуется с решениями уравнений Общей теории относительности, описывающих потерю энергии звездной пары, обусловленную гравитационным излучением. Впрочем, столкновение звезд случится не скоро, через 300 млн лет. В 1993 году Тейлор и Халс были удостоены за это открытие Нобелевской премии. Любопытно, что открытия первого двойного радиопульсара пришлось ждать еще долго, он был обнаружен учеными из Австралии, Британии, Италии и США лишь в конце 2003 года. Ему осталось жить «всего ничего», каких-нибудь 85 млн лет.

Интерферометры

Еще один способ детектирования волн тяготения основан на отказе от массивных резонаторов в пользу световых лучей. Первыми в 1962 году его предложили советские физики М.Е. Герценштейн и В.И. Пустовойт, а двумя годами позже и Вебер. В начале 1970-х сотрудник исследовательских лабораторий корпорации «Хьюз Эйркрафт» Роберт Форвард (Robert L. Forward), в прошлом аспирант Вебера, в дальнейшем весьма известный писатель-фантаст, построил первый такой детектор с вполне приличной чувствительностью. Тогда же Райнер Вайсс выполнил очень глубокий теоретический анализ возможностей оптических методов регистрации гравитационных волн.

Эти методы предполагают использование аналогов вошедшего в историю физики прибора, с помощью которого 125 лет назад американский физик Альберт Майкельсон доказал, что скорость света строго одинакова по всем направлениям. В этой установке, интерферометре Майкельсона, параллельный пучок света попадает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластинки. Затем световые пучки опять сливаются и падают на экран, где возникает интерференционная картина (светлые и темные полосы и линии). Если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картинка должна измениться, если нет — остаться такой же, что и раньше.

Владислав Иванович Пустовойт читает лекцию-доклад «О проблеме обнаружения гравитационных волн» (МИЭТ, 10 февраля 2009 года). Фото из «Википедии» 

Интерференционный детектор волн тяготения работает сходным образом. Проходящая волна деформирует пространство и тем изменяет длину каждого плеча интерферометра (пути, по которому свет идет от делителя до зеркала), растягивая одно и сжимая другое. В результате интерференционная картинка меняется, и это-то изменение и нужно зарегистрировать. К сожалению, практическое воплощение этой идеи сопряжено с гигантскими техническими трудностями. Вот одна из них, причем не главная. Если ожидаемое относительное изменение длины плеч интерферометра составляет 10–20, то при настольных размерах прибора (как у Майкельсона) оно оборачивается осцилляциями протяженностью порядка 10–18 см (волны видимого света в 10 трлн раз длиннее). Можно увеличить протяженность плеч до нескольких километров, однако проблемы всё равно остаются. Лазерный источник света должен быть одновременно и достаточно мощным, и чрезвычайно стабильным по частоте, зеркала — идеально плоскими и идеально отражающими, вакуум в трубах, по которым распространяется свет, — максимально глубоким, механическая стабилизация всей системы — воистину совершенной. Короче говоря, интерференционный детектор гравитационных волн — прибор дорогой и громоздкий.

Сегодня самая большая установка этого рода — американский комплекс LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Он состоит из двух обсерваторий, разнесенных на 3 тыс. км. Одна из них находится на Тихоокеанском побережье США в Ханфорде в штате Вашингтон, а другая — в Ливингстоне в штате Луизиана. Измерения производят с помощью трех интерферометров (два в Ханфорде, один в Ливингстоне) с плечами четырехкилометровой длины. Установка снабжена зеркальными накопителями света, которые увеличивают ее чувствительность.

Парный детекторный комплекс LIGO начал действовать в 2002 году и работал до 2010 года. Он был в состоянии регистрировать смещения зеркал на фантастически малые расстояния — примерно 4 х 10–16 см. Однако тогда сигналов от гравитационных волн зарегистрировать не удалось. Затем эксперимент был остановлен для глубокой модернизации комплекса, которая обошлась в 205 млн долл. Там были установлены твердотельные лазеры, излучающие на длине волны в 1 микрометр, новые системы гидравлической и электромагнитной стабилизации зеркал и усовершенствованные детекторы. Это позволило существенно снизить уровень низкочастотных шумов и привело к многократному увеличению чувствительности приборов (в 3–5 раз для колебаний в диапазоне 100–300 герц, и более чем в 10 раз для колебаний с частотой менее 60 герц). До модернизации предел чувствительности на частотах порядка 100 герц составлял 10–21, а после нее снизился менее чем до 10–22. Это позволило регистрировать смещения зеркал на 10–17 см, что в 10 тыс. раз меньше диаметра протона.

Усовершенствованный комплекс, Advanced LIGO, приступил к работе в начале осени 2015 года. Всего через три дня, ранним утром 14 сентября, на нем был детектирован сигнал, который участники коллаборации после тщательного анализа и отсечки альтернативных интерпретаций интерпретировали как всплеск гравитационного излучения, рожденный слиянием двух черных дыр. Его начальная частота равнялась 35 герц, а максимальная — 250 герц. Разница во времени между приходом сигнала на детекторы составила 7 миллисекунд. Примерно этого и надо было ожидать, принимая во внимание дистанцию между интерферометрами и то обстоятельство, что гравитационные волны согласно ОТО распространяются со скоростью света. Достоверность сделанных выводов очень высока — более 5,1σ.

Два наложенных сигнала от двух установок. Картинка из презентации

Собранные данные позволили определить массы столкнувшихся дыр, 29 и 36 масс Солнца, и их удаленность от Земли — около 1,3 млрд световых лет. В результате этого катаклизма образовалась быстро вращающаяся черная дыра в 62 солнечных массы. Энергетический эквивалент трех солнечных масс унесло гравитационное излучение, которое через 1300 млн лет дошло до Земли.

Участники коллаборации LIGO получили и другие важные результаты. Они заново оценили комптоновскую длину волны гравитона, кванта гравитационного поля. Согласно этой оценке, она превышает 1013 км. Отсюда следует, что верхняя граница массы гравитона составляет 1,2 х 10–22 эВ. Этот результат уточняет аналогичные оценки, сделанные на основе изучения двойных пульсаров. Кроме того, теперь доказано существование черных дыр звездного происхождения (то есть возникших в результате коллапса звезд, израсходовавших свое термоядерное топливо), чьи массы превышают 25 солнечных масс. Теперь также можно с уверенностью сказать, что за время существования нашей Вселенной в ней возникло множество двойных черных дыр, что раньше было не вполне очевидно. Наконец, исследователи подсчитали, что за год в области пространства объемом в один кубический гигапарсек происходит от двух до четырехсот слияний спаренных черных дыр. Все эти выводы представлены в статье B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (published 11 February 2016).

А что дальше?

Advanced LIGO скоро обретет достойного партнера. Во второй половине нынешнего года предполагается запуск модифицированной версии детектора Virgo, расположенного в Италии неподалеку от Пизы. Это тоже интерферометр с трехкилометровыми плечами, аналогичный LIGO. Он действовал с 2007 по 2011 годы, после чего был остановлен для модернизации. В 2018 году в Японии может приступить к работе интерферометр KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector), заточенный на регистрацию гравитационных волн, возникающих при слиянии нейтронных звезд; предполагается также создание еще одного детектора проекта LIGO в Индии. Европейское космическое агентство рассматривает проект космической обсерватории для поиска гравитационных волн eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna) с длиной плеч в 5 млн км, однако ее запуск, по последним данным, может состояться не ранее середины 2030-х годов.

Алексей Левин

См. также:

Что такое гравитационные волны? | New-Science.ru

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.

Обнаружение гравитационных волн — Научная школа Массачусетского технологического института

Пауза видео

Спустя столетие после первого предсказания ученые подтвердили Эйнштейна, прислушиваясь к невидимой ряби во Вселенной.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказала существование гравитационных волн — искажений пространства-времени — но предполагала, что их практически невозможно обнаружить с Земли.

14 сентября 2015 г., примерно в 5:51 утра по восточному поясному времени, гравитационная волна — рябь из далекой части Вселенной — прошла через Землю, вызвав почти незаметное мимолетное колебание, которое осталось бы совершенно незамеченным, если бы не для двух массивных одинаковых инструментов, предназначенных для прослушивания таких космических искажений.

После этого первого открытия LIGO обнаружила другие сигналы гравитационных волн, также генерируемые парами спиралевидных сталкивающихся черных дыр. Последнее открытие нейтронно-нейтронного слияния звезд, порождающего гравитационные волны, открывает поле для долгожданной «астрономии с несколькими посланниками» для понимания астрофизических явлений как в гравитационных, так и в электромагнитных волнах — наших космических посланниках.

Основные моменты

Звук гравитации

У Альберта Эйнштейна была теория. Ученые Массачусетского технологического института помогают доказать это столетие спустя. Режиссер Сара Кляйн и Том Мейсон из Redglass Pictures для Школы наук Массачусетского технологического института. 2020.

Ваш браузер не поддерживает встраивание видео, перейдите по ссылке ниже, чтобы посмотреть видео.

https://youtube.com/watch?v=UMP3ZSVclmg%3Ffeature%3Doembed%26controls%3D1%26hd%3D1%26autohide%3D1%26showinfo%3D0%26modestbranding%3D1%26rel%3D0%26color%3Dwhite

«Взрыв» в детекторах LIGO и Virgo сигнализирует о самом массивном источнике гравитационных волн.

САМОЕ БОЛЬШОЕ СЛИЯНИЕ ЧЕРНЫХ ДЫР

миллиардов лет назад, признаки которого только что дошли до нас. Катастрофическое событие предложило исследователям место в первом ряду для рождения одного из самых неуловимых объектов Вселенной.

В удаленном шоу участвовали два основных игрока: одна черная дыра примерно в 66 раз больше массы нашего Солнца, а другая черная дыра примерно в 85 раз больше массы нашего Солнца. Эти двое подошли близко друг к другу, быстро вращаясь вокруг друг друга несколько раз в секунду, прежде чем в конечном итоге столкнуться вместе в сильном взрыве энергии, который послал ударные волны по всей Вселенной. Результат их слияния? Одна-единственная черная дыра примерно в 142 раза больше массы нашего Солнца.

«На каждое событие, подобное этому, приходится примерно 500 слияний черных дыр меньшего размера, так что это очень редко», — рассказывает The Verge Сальваторе Витале, доцент лаборатории LIGO в Массачусетском технологическом институте, изучающей гравитационные волны.0003

Грань →

Цитата из MIT News Неожиданная история происхождения однобокого слияния черных дыр

«Это событие — нечто странное, подброшенное нам Вселенной — мы этого не ожидали», — говорит соавтор исследования Сальваторе Витале, доцент физики Массачусетского технологического института и член LIGO. «Но ничего не происходит во Вселенной только один раз. И что-то подобное, пусть и редкое, мы еще увидим и сможем больше сказать о Вселенной».

Новости Массачусетского технологического института

Неожиданная история происхождения одностороннего слияния черных дыр

Цитата из неба и телескопа Наблюдение гравитационных волн от второго столкновения нейтронных звезд

«Вывод, — говорит исполнительный директор LIGO Дэвид Рейтце (Калифорнийский технологический институт), — заключается в том, чтобы пристегнуть ремни!»

Небо и Телескоп

Наблюдены гравитационные волны от второго столкновения нейтронных звезд

Квантовый «выжимной» улучшает возможности обнаружения

New Instrumentation

«Этот квантовый шум похож на треск попкорна на заднем плане, который проникает в наш интерферометр, и его очень трудно измерить», — добавляет Нергис Мавалвала, профессор астрофизики Мрамора и заместитель заведующего кафедрой физики в Массачусетский технологический институт.

Благодаря новой технологии сжимателя LIGO уменьшила этот мешающий квантовый треск, расширив диапазон детекторов на 15 процентов. В сочетании с увеличением мощности лазера LIGO это означает, что детекторы могут уловить гравитационную волну, генерируемую источником во Вселенной, на расстоянии до 140 мегапарсеков, или на расстоянии более 400 миллионов световых лет. Этот расширенный диапазон позволил LIGO обнаруживать гравитационные волны почти еженедельно.

Прочтите в новостях Массачусетского технологического института →

Цитата Нергиса Мавальвалы из журнала Scientific American Гравитационно-волновая «революция» происходит

«Я действительно поражен тем, чего мы смогли достичь. Это ошеломляет как с точки зрения астрофизики, так и с точки зрения огромных улучшений инструментов».

Нергис Мавальвала в журнале Scientific American

Гравитационно-волновая «революция» идет полным ходом

Ученые впервые обнаружили звуки в звоне новорожденной черной дыры

Вибрации черной дыры

Теперь физики из Массачусетского технологического института и других стран изучили звон новорожденной черной дыры и обнаружили, что характер этого звона не , на самом деле, предсказывают массу и вращение черной дыры — еще одно доказательство того, что Эйнштейн был прав с самого начала. «Мы все ожидаем, что общая теория относительности верна, но мы впервые подтвердили ее таким образом», — говорит ведущий автор исследования Максимилиано Иси, научный сотрудник НАСА имени Эйнштейна в Институте астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института.

Прочтите в новостях Массачусетского технологического института →

Гравитационные волны могут показать, насколько быстро расширяется наша Вселенная единица измерения, описывающая скорость расширения Вселенной. Использование гравитационных волн, излучаемых относительно редкой системой: двойной системой черная дыра-нейтронная звезда, чрезвычайно энергичной парой спиральной черной дыры и нейтронной звезды, должно дать самое точное значение постоянной Хаббла.

Прочтите в новостях Массачусетского технологического института →

Почему гравитационные волны имеют значение?

Наука в свете и звуке

С тех пор, как LIGO впервые обнаружила гравитационные волны, мы получили неожиданное представление о космосе. Теоретики предсказали, что то, что следует за первоначальным огненным шаром слияния нейтронных звезд, представляет собой «килонову» — явление, при котором остаточный материал от столкновения светится светом. Используя гравитационные волны, ученые могли точно определить, а затем записать новые наблюдения на основе света, указывающие на то, что тяжелые элементы, такие как свинец и золото, создаются в этих килоновых и впоследствии распределяются по Вселенной, открывая окно долгожданного «мульти-мессенджера». астрономия.

Прочтите это в Washington Post →

Столкновение нейтронных звезд

Громкое открытие новой эры мультимессенджерной астрономии

Ваш браузер не поддерживает встраивание видео, пожалуйста, перейдите по ссылке ниже, чтобы посмотреть видео.

https://youtube.com/watch?v=sgkDoSbHHVU%3Ffeature%3Doembed%26controls%3D1%26hd%3D1%26autohide%3D1%26showinfo%3D0%26modestbranding%3D1%26rel%3D0%26color%3Dwhite

Выдержка из The Boston Globe

Сверстники сравнивают Рай Вайса с Галилеем, который навел подзорную трубу на небо и изобрел современную астрономию.

Бостон глобус

Физик Массачусетского технологического института, начавший новую революцию в астрономии

Сигнал LIGO показал первое наблюдение столкновения двух массивных черных дыр

Первое обнаружение

Гравитационные волны, возникающие в результате столкновения двух черных дыр, впервые обнаружены LIGO. Это компьютерное моделирование показывает две черные дыры, каждая примерно в 30 раз больше массы Солнца, которые вот-вот сольются вместе 1,3 миллиарда лет назад.

Прочтите это в новостях Массачусетского технологического института →

Один маленький щебет для человечества

Послушайте столкновение двух черных дыр

И все же, несмотря на сумасшествие, Мэтт Эванс и его коллеги сделали это. Команда LIGO использовала эти L-образные здания для обнаружения гравитационных волн, возникших в результате столкновения двух черных дыр на расстоянии более миллиарда световых лет.

Слушайте в PRI →

Команда

  • Райнер Вайс

    Почетный профессор

  • Нергис Мавалвала

    Профессор

  • Дэвид Шумейкер

    Лидер, Advanced LIGO

  • Мэтью Эванс

    Ассоциированный профессор

  • Сальваторе Витале

    Доцент

  • Эрик Катсавунидис

    Старший научный сотрудник

Новости

Пожалуйста, свяжитесь с Элизабет Чадис, если вы рассматриваете возможность подарка Школе наук.

Дайте сейчас

Что такое гравитационные волны? — Эмбер Л. Стувер

У вас отключен JavaScript
Для оптимальной работы включите JavaScript. Вот как

Перейти к основному содержанию
Поиск

Зарегистрируйтесь или войдите

Хотите ежедневно получать по электронной почте планы уроков, охватывающие все предметы и возрастные группы?

Узнать больше

Давайте начнем…

В сентябре 2015 года ученые стали свидетелями невиданного ранее явления: двух
столкновение черных дыр. Оба примерно в 30 раз больше нашего Солнца.
вращаются вокруг друг друга миллионы лет. Доля секунды
перед крушением они послали по вселенной вибрацию со скоростью
света, уловленного детектором LIGO. Так что же это
рябь в космосе? Эмбер Л. Стувер объясняет.

Дополнительные ресурсы для изучения

Делиться:

Настройте этот урок

Создайте и поделитесь новым уроком на основе этого.

Об анимации TED-Ed

Анимации TED-Ed содержат слова и идеи педагогов, воплощенные в жизнь профессиональными аниматорами. Вы педагог или аниматор, заинтересованный в создании анимации TED-Ed? Назовите себя здесь »

Познакомьтесь с создателями

  • Педагог Эмбер Л. Стувер
  • Режиссер Эоин Даффи
  • Редактор сценария Элеонора Нельсен
  • Аниматор Эоин Даффи
  • Звукорежиссер Уэстон Фонгер

  • Ассоциированный продюсер Джессика Руби
  • Контент-продюсер Герта Ксело
  • Редакционный продюсер Алекс Розенталь
  • Рассказчик Юлианна Зажицки

Другие работы до и после Эйнштейна

04:59

Наука и технологии

продолжительность урока 04:59

278 244 просмотров

06:16

Математика

продолжительность урока 06:16

4 752 617 просмотров

05:36

Наука и технологии

продолжительность урока 05:36

4 241 375 просмотров

04:26

Наука и технологии

продолжительность урока 04:26

1 392 524 просмотров

Модальный вход

Нажмите «Зарегистрироваться», если вам нужно создать бесплатную учетную запись TED-Ed.