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

ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ • Большая российская энциклопедия

Авторы: В. Б. Брагинский, Е. Ю. Меренкова

ГРАВИТАЦИО́ННЫЕ ВО́ЛНЫ (гравитационное излучение), колебательное изменение гравитационного поля, распространяющееся от источника в пространстве с фундаментальной скоростью $c$, равной скорости распространения света. Источником Г. в. являются любые массы, движущиеся с переменным ускорением. Подобно электродинамике, предсказывающей существование не связанного с зарядами свободного электромагнитного поля – электромагнитных волн, релятивистская теория гравитации – общая теория относительности (ОТО) – предсказывает существование не связанного с массами свободного гравитационного поля – Г. в. Воздействуя на тела, Г. в., имеющие энергию и импульс, должны вызывать относительное смещение их частей (деформацию). На этом явлении основаны эксперименты по их обнаружению, однако они очень сложны из-за чрезвычайно малой интенсивности Г. в. и их очень слабого взаимодействия с веществом.

В отличие от электродинамики, в ОТО нет положительных и отрицательных зарядов [все гравитационные заряды (массы) притягиваются друг к другу], причём гравитационная масса равна инертной для всех тел (этот опытный факт называется эквивалентности принципом). 5,\tag{1}$$ где $G$ – гравитационная постоянная, $D_{ik}$ – компоненты квадрупольного момента масс.

В лаборатории на Земле можно создать лишь источники Г. в. весьма малой мощности. Например, если вращать стальной цилиндр массой 1 т вокруг оси, перпендикулярной оси цилиндра, со скоростью, при которой центробежные натяжения близки к разрывным, то мощность гравитационного излучения не превысит 10^–30 Вт.

Основными источниками Г. в. являются астрофизические объекты и явления, такие как тесные двойные звёздные системы, быстровращающиеся пульсары, столкновения нейтронных звёзд или чёрных дыр, взрывы сверхновых звёзд и др. Движущиеся близко друг к другу массивные астрофизические объекты могут быть источником мощного гравитационного излучения. Так, например, двойная звезда $ι$ Волопаса, две компоненты которой имеют массы порядка массы Солнца, испускает гравитационное излучение мощностью порядка 2·10²³ Вт с периодом ок. 3 ч. Эта мощность равна примерно 0,1% мощности всего электромагнитного излучения Солнца. Звезда $ι$ Волопаса находится на расстоянии 4·10¹⁷ м от Солнца, и плотность потока мощности гравитационного излучения от неё вблизи Земли составляет порядка 10^–15 Вт/м².

Открытие в 1972 двойных нейтронных звёзд (компактных звёзд радиусом ок. 10 км и массой порядка массы Солнца) позволило проверить справедливость формулы (1): энергия на гравитационное излучение черпается парой звёзд из статической энергии их ньютоновского притяжения. В результате звёзды сближаются и, соответственно, сокращается период обращения вокруг общего центра масс звёзд. Прецизионные измерения темпа сокращения периода обращения этих нейтронных звёзд подтвердили справедливость формулы (1) с точностью ±2% (Дж. Тейлор, Р. Халс, Нобелевская премия, 1993).

Ещё более мощным источником гравитационного излучения должны быть астрофизические катастрофы. Например, при слиянии двух нейтронных звёзд всплеск гравитационного излучения должен иметь полную энергию ок. 10^–2Mc² (где M – масса звезды), т. е. ок. 10⁴⁵ Дж. Продолжительность такого всплеска – несколько секунд, в течение которых частота Г. в. изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен герц, а амплитуда сначала плавно нарастает, достигая максимума на частоте ок. 500 Гц, а затем резко убывает. Астрофизический прогноз таких событий – одно слияние примерно 1 раз в 10⁴ лет в одной галактике. В сфере радиусом R=10²⁴ м (т. е. ок. 100 млн. световых лет) содержится в среднем 10⁵ галактик. Поэтому наземный наблюдатель может ожидать прохождение вблизи Земли одного всплеска гравитационного излучения от слияния нейтронных звёзд примерно 1 раз в месяц.

Регистрация всплеска Г. в. – одна из целей программы нескольких проектов наземных гравитационных антенн, разрабатываемых в более чем 20 лабораториях разных стран. Кроме обнаружения и изучения формы всплесков, предполагается обнаружить и другие гравитационно-волновые сигналы. Основной элемент гравитационной антенны – две пробные массы, разнесённые на значительное расстояние L. Градиент ускорений создаёт разницу ускорений одной массы относительно другой. Эта разница ускорений порождает колебания одной массы относительно другой. Амплитуда этих колебаний ΔL≈hL/2, где h – безразмерная амплитуда волны, которая может быть рассчитана из плотности потока мощности. Для приведённого выше примера всплеска излучения от слияния нейтронных звёзд, произошедшего на расстоянии 100 млн. световых лет от Земли, величина h≈10^–21.

Проект LIGO

Гравитационно-волновой детектор в Ханфорде – один из двух детекторов обсерватории LIGO.

Крупнейшим проектом по экспериментальному обнаружению Г. в. стал международный проект LIGO – Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Проект предложен в 1992 учёными из Калифорнийского технологического института и Массачусетского технологического института. Международное научное сообщество LIGO включает ок. 40 научно-исследовательских институтов и ок. 600 отдельных учёных. В составе сообщества две научные группы из России – группа под руководством В. П. Митрофанова (МГУ им. М. В. Ломоносова, Москва) и группа под руководством А. М. Сергеева (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород). LIGO включает в себя два одинаковых детектора, расположенных в Ханфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана) и разнесённых друг от друга на 3002 км. Наличие двух установок важно по двум причинам. Во-первых, сигнал будет считаться зарегистрированным, только если его «увидят» оба детектора. Во-вторых, по разности прихода гравитационно-волнового всплеска на две установки (ок. 10 миллисекунд) можно определить направление сигнала. Основной элемент каждого детектора – Г-образная система, состоящая из двух 4-километровых плеч (L= 4 км) с высоким вакуумом внутри. Роль пробных масс играют оптические зеркала массой 20 кг, свободно подвешенные в вакууме. Эти зеркала образуют оптические резонаторы Фабри – Перо, входящие в состав высокочувствительного лазерного интерферометра.

Обсерватория LIGO вступила в строй в 2002, и вплоть до 2010 на ней прошло 6 научных сеансов наблюдений. Однако гравитационно-волновых всплесков достоверно обнаружено не было. В 2010–15 коллаборация LIGO кардинально модернизировала аппаратуру и была готова регистрировать гравитационно-волновые всплески, порождённые нейтронными звёздами, на расстоянии 60 мегапарсеков, а чёрными дырами – в сотни мегапарсеков.

11.2.2016 коллаборация LIGO объявила об экспериментальном открытии Г. в. Сигнал с амплитудой в максимуме ок. 10⁻²¹ был зарегистрирован 14.9.2015 в 9:51 по всемирному времени двумя детекторами LIGO в Ханфорде и Ливингстоне с промежутком в 7 миллисекунд. Форма сигнала совпадает с предсказанием ОТО для слияния двух чёрных дыр массами 36 и 29 масс Солнца. Образовавшаяся в результате слияния чёрная дыра должна иметь массу в 62 массы Солнца. Расстояние до источника Г. в. составило ок. 1,3 млрд. световых лет. Энергия, излучённая в виде Г. в. за примерно 20 миллисекунд, эквивалентна 3±0,5 массам Солнца.

Проект LISA

В 2004 начались предварительные исследования по созданию космической лазерной гравитационной антенны – международный проект LISA (Laser Interferometer Space Antenna; Лазерная интерферометрическая космическая антенна). LISA – планируемый совместный эксперимент НАСА и Европейского космического агентства для регистрации и исследования Г. в. от источников с расстояний, близких к космологическим (т. е. R ≈ 3·10²⁶ м). Предполагаемый год запуска космической антенны – 2029. Измерения будут проводиться при помощи трёх космических аппаратов, расположенных в вершинах правильного треугольника. Две стороны этого треугольника длиной 1 млн. км будут образовывать плечи гигантского интерферометра Майкельсона. Измерения относительных изменений длин плеч интерферометра по сдвигу фазы лазерного луча позволят обнаружить прохождение Г. в. Предполагается осуществить этот проект в частотном диапазоне от 10^–2 до 10^–5 Гц. Цель проекта – не только детектирование Г. в., но и измерение их поляризации и направления на их источник, а в конечном итоге – построение карты неба с угловым разрешением порядка нескольких градусов путём исследования низкочастотного гравитационного излучения. В декабре 2015 был запущен спутник LISA Pathfinder для тестирования оборудования будущего проекта LISA.

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.

Гравитационные волны — что это такое, картинки, интересные факты

Гравитационные волны были описаны Альбертом Эйнштейном еще в 1916 году, но для того, чтобы зафиксировать их, ученым потребовалось почти целое столетие. Их изучение может пролить свет на многие загадки космоса — о том, способны ли они рассказать о скорости расширения Вселенной, читайте в нашем специальном материале.

Первое прямое обнаружение гравитационных волн было открыто миру 11 февраля 2016 года и породило заголовки по всему миру. За это открытие в 2017 году физики получили Нобелевскую премию и официально запустили новую эпоху гравитационной астрономии.

Самое обсуждаемое по теме Гравитационные волны

Осенью 2017 года наши знания о Вселенной изменились навсегда. И хотя существование гравитационных волн предсказывал Альберт Эйнштейн еще в 1916 году (при этом сомневаясь, что их вообще можно обнаружить), ученые все же смогли это сделать. Физики международных коллабораций LIGO и VIRGO впервые зафиксировали гравитационные волны в 2015 году, а два года спустя стали лауреатами Нобелевской премии по физике. Источником небольших искажений пространства и времени (то есть гравитационных волн) стало столкновение двух сверхмассивных черных дыр. Поиски так называемой ряби во Вселенной продолжаются и недавно ученые опубликовали свежие данные – оказывается, сверхмассивный черные дыры могут захватывать несколько черных дыр, значительно уступающих ей в размерах.

Читать далее

100 лет назад Альберт Эйнштейн впервые предположил, что на просторах Вселенной существует так называемая рябь – рябь пространства-времени или гравитационные волны. Сам физик, правда, сомневался что их когда-нибудь удастся обнаружить. Однако в 1960-х годах ученые стали всерьез работать над поиском гравитационных волн, так как помимо медленного расширения Вселенной, в пространстве-времени должны происходить более быстрые динамические процессы. И они не ошиблись – 14 апреля 2015 года с помощью детекторов гравитационных волн LIGO и VIRGO ученым уловить ту самую рябь пространства-времени. Источником волн, которые удалось зафиксировать, стало столкновение двух черных дыр, слившихся в одну 1,3 млрд лет тому назад. Волны уловили обе обсерватории, принимавшие участие в исследовании. Они оснащены суперчувствительными детекторами, самыми точными из когда-либо созданных. Теперь же новый детектор гравитационных волн зарегистрировал два таинственных сигнала за первые 153 дня своей работы. Вот только неясно, что именно представляют собой эти сигналы, так как могут быть вызваны целым рядом явлений. Одно из таких явлений – именно то, для чего предназначен детектор – высокочастотные гравитационные волны, которые никогда раньше не регистрировались.

Читать далее

Когда кто-то говорит что-то про гравитационные волны, многим остается только недоумевать и не понимать, что это вообще такое. Если вы этого не знали, расслабьтесь — даже ученые не могут дать на это развернутый ответ. Конечно, в целом они понимают, что это такое и откуда берется, но белые пятна в этой истории все равно еще остаются. Даже то, что несколько лет назад их смогли зафиксировать, не дает развернутого ответа на вопрос, что же это такое. Все из-за того, что они появляются в далеком космосе и уже потом доходят до нас. Примечательно, что предсказал их существование еще Альберт Эйнштейн, а современные ученые только сейчас начинают подбираться к их разгадке. Понимание того, откуда они берутся и что из себя представляют, пусть и примерное, очень интересно. Попробуем рассказать об этом попроще и без лишних сложных формул.

Читать далее

Исследователи из проекта LIGO продемонстрировали, как сверхтонкая настройка приборов позволяет им раздвигать границы фундаментальных законов физики. Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) обнаруживает гравитационные волны, возникающие в результате катастрофических событий во Вселенной, таких как слияние нейтронных звезд и черных дыр. Эти пространственно-временные колебания позволяют ученым наблюдать гравитационные эффекты в экстремальных условиях и исследовать фундаментальные вопросы о Вселенной и ее истории. Недавно ученые зарегистрировали движение массивного объекта — зеркала детектора — под действием квантовых эффектов. Но что это означает?

Читать далее

Астрономы впервые увидели всплеск света от столкновения двух черных дыр. Объекты встретились находясь на расстоянии 7,5 миллиардов световых лет от Земли. В момент их встречи в вихре горячей материи, вращающейся вокруг более крупной, сверхмассивной черной дыры, началось слияние. Этот водоворот называется аккреционным диском и вращается вокруг горизонта событий черной дыры – места в космосе, в котором сила гравитация настолько сильна, что даже фотоны света не могут ее покинуть. Вот почему ученые никогда не видели столкновения двух черных дыр. В отсутствие света идентифицировать такие слияния можно только обнаружив гравитационные волны – рябь в пространстве-времени, создаваемой столкновениями массивных объектов.

Читать далее

В 2016 году Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) подтвердила существование гравитационных волн — изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Причиной их возникновения послужило столкновение двух черных дыр, о чем исследователи рассказали во время официальной пресс-конференции. Недавно стало известно о новом, непредвиденном всплеске гравитационных волн, источник которых находится где-то в глубинах космоса. Однако что именно могло послужить причиной всплеска сейчас не известно.

Читать далее

Одни из самых таинственных объектов во Вселенной — черные дыры, скрывают в себе невероятное количество тайн. Ученые всего мира ломают голову над такими вопросами, как и почему сверхмассивные черные дыры существуют в центре галактик, что находится за горизонтом событий, а также могут ли черные дыры быть порталом в другие Вселенные. Однако сегодня ученым известно об этих космических объектах больше, чем когда-либо в истории. Недавно мы писали о том, что NASA представили миру визуализацию черной дыры. Сегодня мы расскажем вам о новом исследовании астрономов. Ученые обнаружили нечто удивительное — сразу три черных дыры могут столкнуться друг с другом.

Читать далее

Одни из самых загадочных объектов во Вселенной, черные дыры, регулярно привлекают к себе внимание. Мы знаем, что они сталкиваются, сливаются, меняют яркость, и даже испаряются. А еще, в теории, черные дыры могут связывать между собой Вселенные с помощью червоточин. Однако, все наши знания и предположения об этих массивных объектах могут оказаться неточными. Недавно в научном сообществе появились слухи о том, что ученые получили сигнал, исходящий от черной дыры, размер и масса которой настолько огромны, что ее существование физически невозможно.

Читать далее

В 2016 году Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) впервые подтвердила существование гравитационных волн, вызванных столкновением двух черных дыр. В апреле этого года эта же обсерватория позволила совершить очередной «первое» документальное подтверждение другого катаклизмического явления. На этот раз LIGO зафиксировала как черная дыра пожирает нейтронную звезду, что также породило гравитационные волны.

Читать далее

В 2017 году основатели лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO были удостоены Нобелевской премии. Она была дана им за обнаружение гравитационных волн, которые образуются при столкновении двух массивных космических объектов вроде черных дыр и нейтронных звезд. В ходе двух первых циклов их поиска были зафиксированы волны, образованные от слияния двух черных дыр и еще девять подобных событий. С тех пор исследователи улучшили свое оборудование, и с 1 апреля 2019 года намерены запустить третий цикл поиска.

Читать далее

Объяснение гравитационных волн — Университет Бирмингема

Бирмингемские исследователи в рамках глобального сотрудничества подтвердили главное предсказание общей теории относительности Альберта Эйнштейна 1915 года посредством обнаружения гравитационных волн.

Профессор Альберто Веккьо и профессор Андреас Фрайзе были в авангарде разработки новой области гравитационно-волновой астрономии. Вместе со своими коллегами из университетов Кардиффа и Глазго они разработали и построили инструменты для Advanced LIGO и впервые применили методы, которые позволили им извлекать свойства источников из сигнатур гравитационных волн.

Доктор Кэт Гровер (сотрудник по связям с общественностью Бирмингемского университета), которая недавно получила докторскую степень по гравитационным волнам, встретилась с профессорами Андреасом Фрайзе и Альберто Веккьо, чтобы обсудить гравитационные волны и их значение для будущего астрономии и астрофизики.

Обнаружены гравитационные волны

Кэт: Что было открыто?

«LIGO наблюдал гравитационные волны от двух черных дыр, которые вращались вокруг друг друга, а затем сливались, образуя большую черную дыру. Последняя черная дыра имеет массу примерно в 60 раз больше массы нашего Солнца. Это событие произошло примерно в миллиарде световых лет от Земли. Слияние было чрезвычайно энергичным (за доли секунды событие высвободило в 50 раз больше энергии в гравитационных волнах, чем все звезды во всей Вселенной в свету), но к тому времени, как волны достигли нас, они были настолько слабыми, что изменение длины плеч LIGO составило менее одной тысячной диаметра ядра атома».

Ответы Альберто Веккио, профессора астрофизики
, и Андреаса Фрайзе, профессора экспериментальной физики

Кэт: Что это означает для общей теории относительности?

«Измеренный сигнал совпал с предсказаниями формы волны теории Эйнштейна; мы никогда раньше не проверяли теорию в таких экстремальных условиях, так что она выдержала самое жесткое испытание!»

Кэт: Что это значит для астрофизики?

«Это говорит нам о том, что двойные черные дыры существуют. Это также говорит нам о том, что они формируются, развиваются и умирают в течение периода, меньшего, чем возраст Вселенной. Мы никогда раньше не видели бинарных черных дыр. Мы никогда раньше не находили черные дыры такой массы. Похоже, что эти слияния должны быть достаточно распространены, и мы увидим больше в будущих наблюдениях с LIGO. Тогда мы сможем начать понимать, что именно там находится и как создаются эти бинарные файлы».

Кэт: Что такое «бинарные черные дыры»?

«Большинство звезд имеют спутника и вращаются вокруг друг друга, как Земля вращается вокруг Солнца. Двойная черная дыра — это система, в которой две черные дыры вращаются вокруг друг друга».

История гравитационно-волновой астрономии

Кэт: Что такое общая теория относительности Эйнштейна?

«Общая теория относительности — наша лучшая теория гравитации. В общей теории относительности гравитацию можно рассматривать как эффект искривления пространства-времени. Массивные объекты искривляют пространство и время; искривление пространства-времени меняет то, как все движется».

Kat: Что такое гравитационные волны?

«Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени. Когда объекты движутся, кривизна пространства-времени изменяется, и эти изменения распространяются наружу (как рябь на пруду) в виде гравитационных волн. Гравитационная волна — это растяжение и сжатие пространства, поэтому ее можно найти, измерив изменение длины между двумя объектами».

Kat: Что такое пространство-время?

«В повседневной жизни мы думаем о трехмерном пространстве (вверху/внизу, влево/вправо, вперед/назад) и о времени как о совершенно разных вещах. Но специальная теория относительности Эйнштейна показала, что три пространственных измерения плюс время на самом деле являются частью одного и того же: четырех измерений пространства-времени.

«В общей теории относительности Эйнштейн пошел дальше. Мало того, что пространство и время являются частью одного и того же, но они оба искривлены массой или энергией, вызывая искривление пространства-времени. Вещи любят двигаться по кратчайшему доступному маршруту; когда пространство-время плоское, это выглядит как прямая линия. Но когда пространство-время искривлено, кратчайший маршрут может больше не выглядеть прямым. Например, когда вы летите над искривленной землей, траектория полета вашего самолета будет выглядеть искривленной, даже если вы летите «прямо» из точки А в точку Б. Мы можем увидеть и измерить эффект искривления пространства-времени; например, масса Солнца искривляет пространство-время, поэтому Земля движется по круговой орбите вокруг Солнца».

Кэт: Что означает искривление пространства-времени?

«Трудно представить себе четырехмерное пространство-время, не говоря уже о том, как выглядит его искривленная версия, поэтому мы часто упрощаем это, думая о примере в двух измерениях. Мы можем представить двумерное пространство-время в виде резинового листа; падение тяжелого предмета на лист приведет к изгибу и деформации листа. Точно так же масса или энергия искажают пространство-время вокруг себя».

Кэт: Что такое черные дыры?

«Черные дыры — это области с самой сильной гравитацией во Вселенной. Они там, где кривизна пространства-времени настолько крута, что все пути ведут внутрь. В конце концов ничто не сможет взобраться по кривизне, как бы быстро она ни двигалась; даже свет, самая быстрая вещь во Вселенной, не сможет убежать, если окажется слишком близко к черной дыре».

Кэт: Что означает обнаружение гравитационных волн?

«Эйнштейн впервые предсказал гравитационные волны 100 лет назад. У нас есть веские доказательства их существования благодаря наблюдению за двойными пульсарами (которые выиграли 19-й конкурс).93 Нобелевская премия). Мы видим, как орбита двойной звезды сжимается на величину, предсказываемую излучением гравитационных волн, но мы не видим самих волн. Измерение самих волн станет последним доказательством предсказаний общей теории относительности Эйнштейна».

Кэт: Что такое «двойные пульсары»?

«Нейтронные звезды — это старые мертвые звезды, которые коллапсировали в чрезвычайно плотный объект. Примерно масса нашего солнца сжата до размера города. Пульсары — это вращающиеся нейтронные звезды, испускающие пучок излучения. Когда пульсар вращается, луч излучения проносится по Земле, как космический маяк. Двойной пульсар — это когда пульсар вращается вокруг другой звезды или иногда другого пульсара».

Кэт: Что мы можем узнать из гравитационных волн?

«Гравитационные волны — это новый способ наблюдения за Вселенной. Астрономия традиционно использует свет для исследования космоса, но есть много вещей, которые вы можете пропустить, потому что большая часть Вселенной темна, включая черные дыры. Одним из источников гравитационных волн являются два плотных объекта (например, черные дыры или нейтронные звезды), вращающиеся вокруг друг друга».

Кэт: Что такое LIGO?

«Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) состоит из двух детекторов гравитационных волн в США, разработанных и эксплуатируемых Калифорнийским технологическим институтом и Массачусетским технологическим институтом. Кроме того, научное сотрудничество LIGO с 1000 учеными со всего мира обеспечивает важную поддержку науки LIGO от разработки инструментов до анализа данных и астрономии. Одна обсерватория LIGO расположена в Ливингстоне, штат Луизиана, а другая — в Хэнфорде, штат Вашингтон. В каждой обсерватории есть огромная, чрезвычайно чувствительная лазерная линейка. Мы отбрасываем лазеры по двум 4-километровым путям или «рукам», которые проходят под прямым углом друг к другу, а затем сравниваем длину каждой дорожки. Гравитационная волна может изменить длину плеч, но эффект чрезвычайно мал (одна часть на 1 000 000 000 000 000 000 000 для самых сильных волн), поэтому приборы должны быть чрезвычайно чувствительными, что стало возможным благодаря использованию совершенно новых технологий и новой концепции интерферометра. ”

Кэт: Что ждет науку о гравитационных волнах в будущем?

«LIGO только что завершил свои первые наблюдения с использованием новой «продвинутой» чувствительности. В течение следующих пяти лет он будет постепенно улучшаться, что сделает его еще более чувствительным. В следующем году к ней также должен присоединиться Virgo, детектор из Италии. В Японии также строится еще один детектор под названием KAGRA. Есть также план установки детектора LIGO в Индии. Разрабатываются планы создания сети обсерваторий третьего поколения, таких как Телескоп Эйнштейна. Улучшение всемирной сети детекторов поможет нам измерять свойства сигналов, особенно помогая нам выяснить положение на небе источника волн. В то же время массивы Pulsar Timing Array собирают данные для наблюдения за гигантскими черными дырами в центрах галактик.

«В будущем будет космическая миссия под названием eLISA. Он будет намного больше (в 100 раз больше Земли) и будет искать гравитационные волны от гораздо более массивных объектов».

Здесь также есть ресурсы: http://www.ligo.org/science/faq.php

Что такое гравитационные волны и почему они важны?

• Объяснитель

Узнайте все об этой неуловимой ряби в пространстве-времени и о том, почему астрономы празднуют последнее открытие.

Гравитационные волны 101

Что такое гравитационные волны и как их обнаружить? Эта рябь в пространстве-времени, иногда вызванная столкновением нейтронных звезд, была недавно зарегистрирована в революционном наблюдении LIGO-Virgo.

16 октября ученые объявили о первом в своем роде наблюдении: об обнаружении гравитационных волн, складок в пространстве-времени, предсказанных Эйнштейном более века назад, вызванных столкновением двух нейтронных звезд.

Звездная катастрофа, которая произошла 130 миллионов лет назад в созвездии Гидры, знаменует собой первый случай, когда астрономы сопоставили гравитационные волны с видимым источником, демонстрируя новую эру в астрономии.

Открытие является последним успехом одного из самых амбициозных (и дорогостоящих) физических экспериментов за последние десятилетия: лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, или сокращенно LIGO.

НГ Персонал. Источник: коллаборация LIGO-Virgo

«Впервые космос предоставил нам то, что я бы назвал «говорящим фильмом», — сказал сегодня исполнительный директор лаборатории LIGO Дэвид Рейтце во время мероприятия в Национальном Пресс-клуб в Вашингтоне, округ Колумбия. «В этом случае «звук» саундтрека исходит из [гравитационных волн] чириканья нейтронных звезд, когда они закручиваются и сталкиваются; видео — это свет, который мы увидели».

Несколько недель для гравитационных волн были очень важными. Астрономы только недавно обнародовали четвертое подтвержденное обнаружение, вызванное столкновением черных дыр. А 3 октября основатели LIGO Рай Вайс, Кип Торн и Барри Бэриш получили Нобелевскую премию по физике 2017 года за свою работу по обнаружению гравитационных волн.

«В течение 40 лет люди думали об этом, пытаясь обнаружить, иногда терпя неудачу в первые дни, а затем медленно, но верно собирая технологии, чтобы сделать это», — сказал Вайс. «Очень, очень интересно, что в конце концов выяснилось, что мы действительно обнаруживаем вещи и фактически добавляем к знаниям о том, что происходит во Вселенной, с помощью гравитационных волн».

Но что же представляют собой эти неуловимые волны и почему астрономы так взволнованы этим последним открытием?

Что такое гравитационные волны?

Проще говоря, гравитационные волны — это рябь в прочной, жесткой ткани пространства-времени, вызванная самыми жестокими явлениями, которые может предложить космос, такими как взрывы звезд и столкновения сверхплотных нейтронных звезд или слияние черных дыр. Гравитационные волны постоянно омывают Землю, но до недавнего времени наши приборы не были достаточно чувствительными, чтобы обнаружить их.

Кто первым придумал гравитационные волны?

В 1916 году Альберт Эйнштейн предположил, что гравитационные волны могут быть естественным следствием его общей теории относительности, согласно которой очень массивные объекты искажают ткань времени и пространства — эффект, который мы воспринимаем как гравитацию. Соответственно, очень массивные объекты, движущиеся по спирали навстречу друг другу, должны сморщивать пространство-время и распространять эти искажения по всему космосу, как рябь, распространяющаяся по пруду со скоростью света.

По сути, гравитационные волны «представляют собой распространяющиеся возмущения формы пространства-времени», — говорит Шейн Ларсон, астрофизик из Северо-Западного университета и член научного сообщества LIGO.

Хотя многие другие ученые согласились с предсказанием Эйнштейна, сам Эйнштейн не был полностью уверен в своей правоте; в течение следующих нескольких десятилетий он постоянно болтал о гравитационных волнах и время от времени публиковал статьи, опровергающие его первоначальную идею.

Почему эти волны так трудно обнаружить?

К тому времени, как гравитационные волны достигают нас от далеких событий, породивших их, они искажают пространство-время совершенно незначительно. Искажение во много раз меньше, чем ширина протона, одной из частиц в ядре атома. Измерение таких мельчайших изменений длины практически невозможно для большинства инструментов.

Когда астрономы напрямую обнаружили гравитационные волны?

В 1970-х годах ученые, наблюдавшие за парой пульсаров, вращающихся вокруг друг друга, впервые косвенно обнаружили гравитационные волны. Используя гигантский радиотелескоп в Аресибо, Пуэрто-Рико, команда измерила орбиты двух пульсаров и определила, что пульсары сближаются.

Чтобы это произошло, система должна была излучать энергию в виде гравитационных волн — открытие, которое принесло Джо Тейлору и Расселу Халсу Нобелевскую премию по физике 1993 года.

Но только в 2015 году команда LIGO напрямую обнаружила гравитационные волны, используя пару сверхчувствительных детекторов. Открытие положило конец веку спекуляций и подтвердило первоначальное предсказание Эйнштейна.

Так как же работает LIGO?

Установка LIGO состоит из двух идентичных L-образных детекторов в штатах Вашингтон и Луизиана, каждый из которых использует лазеры и зеркала для измерения крошечных изменений в пространстве-времени, вызванных прохождением гравитационного излучения. Название игры в каждом месте состоит в том, чтобы записать изменение расстояния между зеркалами, припаркованными на каждом конце двух перпендикулярных рукавов длиной 2,5 мили.

Лазер, прыгающий туда-сюда между зеркалами, отслеживает их расстояние друг от друга с почти невозможной точностью. Важно отметить, что детекторы чувствительны к таким вещам, как проезжающие грузовики, удары молнии, океанские волны и землетрясения. Чтобы сигнал был реальным, он должен появиться на обоих детекторах.

Теперь работает детектор Virgo Европейской гравитационной обсерватории, аналогичный по конструкции LIGO. С тремя работающими обсерваториями на земле ученые могут более точно определить область на небе, где находится источник гравитационных волн. Ожидается, что вскоре аналогичные эксперименты начнутся в Японии и Индии.

Почему мы должны заботиться об этих вещах?

С момента первого обнаружения LIGO мы получили неожиданное представление о космосе. Это потому, что гравитационные волны — это новый способ «видеть» то, что происходит в космосе: теперь мы можем обнаруживать события, которые в противном случае почти не оставили бы наблюдаемого света, например, столкновения черных дыр. И с этим последним открытием астрономы смогли объединить гравитационные волны с более традиционными способами наблюдения за Вселенной, помогая распутать тайны плотных мертвых объектов, известных как нейтронные звезды.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Используя телескопы Swope и Magellan в Чили, астрономы зафиксировали взрыв нейтронной звезды, когда она внезапно появилась в виде яркого пятна в видимом свете, а затем исчезла. Примерно через семь дней пятно больше не обнаруживалось в видимом диапазоне длин волн.

Фотографии команды 1M2H/UC Santa Cruz & Carnegie Observatories/Ryan Foley

«Большинство из нас полностью ожидают, что мы узнаем то, о чем не знали», — говорит Вайс. «Мы знали о черных дырах по-другому, и мы знали о нейтронных звездах… но мы надеемся, что есть множество других явлений, которые вы можете наблюдать в основном из-за испускаемых ими гравитационных волн. Это откроет новую науку».

Подождите. Что такое нейтронная звезда?

Как следует из названия, нейтронные звезды почти полностью состоят из нейтронов или незаряженных субатомных частиц. Они формируются, когда звезда, намного крупнее и ярче Солнца, исчерпывает свой запас термоядерного топлива и взрывается, превращаясь в мощную сверхновую.

Ткань пространства-времени искажается, когда две нейтронные звезды движутся по спирали к своей гибели, что является иллюстрацией события, породившего последнее обнаружение гравитационных волн.

Иллюстрация NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Хотя внешние слои звезды выбрасываются в космос, ее ядро ​​схлопывается внутрь и образует сферу размером с район залива Сан-Франциско, но с массой не меньше нашего Солнца. Эти звезды, которые быстро вращаются, являются самыми компактными объектами за пределами черных дыр — кубик сахара весит миллиард тонн.

И это еще более экзотично. Нейтронные звезды мертвы в том смысле, что в их ядрах больше не происходит синтез элементов, поэтому они не сияют, как солнце.

Но это не значит, что они безмятежны. Магнитное поле нейтронной звезды может быть более чем в квадриллион раз сильнее, чем у Земли, а ее гравитационное поле может быть примерно в сто миллиардов раз сильнее. Другими словами, вы не хотите приближаться ни к одной из этих вещей, если вам нравится быть единым целым.

Что мы только что узнали об этих странных звездах?

Благодаря гравитационным волнам, действовавшим как своего рода космический сигнал тревоги, астрономы смогли тщательно изучить останки этих нейтронных звезд и, среди прочего, помочь разрешить давний спор о происхождении драгоценных металлов, таких как золото и серебро, а также другие тяжелые металлы.

Раньше мы думали, что большая часть золота во Вселенной образовалась в результате взрыва сверхновых — взрывов гигантских звезд. Однако теперь ученые обнаружили, что слияние нейтронных звезд закончилось взрывом, называемым килоновой, который извергнул облако атомных ядер и породил производство тяжелых металлов на 16 000 земных масс. Находка предполагает, что большинство этих металлов на самом деле выкованы в результате столкновения нейтронных звезд.

«Вероятно, золото в этих часах образовано нейтронными звездами, столкнувшимися миллиарды лет назад», — объявил Рейтце, демонстрируя золотые карманные часы своего прадедушки.

Читать дальше

Знакомство с последними каменщиками соборов Англии

• Путешествия

Знакомство с последними каменщиками соборов Англии

Работа каменщика далеко не одномерна.

Эксклюзивный контент для подписчиков

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу будет исследовать красную планету

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории

Узнайте, как новый марсоход НАСА будет исследовать Марс красная планета

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории

Узнайте, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету

Подробнее

EarthSky | Что такое гравитационные волны?

Исследователи Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) впервые в истории обнаружили гравитационные волны 14 сентября 2015 года. Здесь техник работает над частью оптики для детектора LIGO. Изображение через LIGO.

Гравитационные волны — это рябь в структуре пространства-времени. Подобно тому, как корабль, плывущий по поверхности спокойного моря, оставляет за собой след, так и движущиеся объекты во Вселенной создают гравитационные волны. «Корабли» в случае с гравитационными волнами — чрезвычайно сильные и катастрофические события далеко в космосе: слияния черных дыр, столкновения нейтронных звезд, сверхновые. Все это порождает волны в структуре пространства-времени, растягивая и сжимая его по мере того, как рябь распространяется по Вселенной.

Поскольку гравитационные волны чрезвычайно слабы с нашей земной точки зрения, технология их обнаружения стала доступной только в последние годы. Как и все волны, гравитационные волны уменьшаются в размерах с расстоянием, сжимаясь до слабого эха далеких «кораблекрушений» — этих далеких жестоких событий в космосе — к тому времени, когда они достигают нас. От нашего местоположения, за много световых лет от слияния черных дыр или столкновения нейтронных звезд, волны сжимают и растягивают пространство и все, что в нем, на тысячную часть диаметра протона, когда они проходят через Землю. Это миллиардная часть миллиардной метра. Нам действительно нужны очень передовые технологии, чтобы увидеть эти изменения. Это похоже на то, как расстояние между Солнцем и его ближайшим соседом среди звезд — Альфой Центавра, удаленной на 4,3 световых года, — изменяется на толщину человеческого волоса.

Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности 1915 года впервые постулировал существование гравитационных волн. Его предположение, что гравитация распространяется волнами, казалось логичным: все типы света в электромагнитном спектре, от ультрафиолетового до видимого и радио, распространяются волнами. Звук распространяется волнами. Почему гравитация не должна распространяться таким же образом? Эйнштейн подсчитал, что чрезвычайно жестокие события в космосе заставят пространство звенеть, как колокол . Это отличалось от идеи статических, неизменных гравитационных полей, создаваемых любым объектом, имеющим массу, например, звездой или планетой.

Однако в течение десятилетий после 1915 года сам Эйнштейн не был убежден в существовании гравитационных волн. В 1936 году он и его коллега Натан Розен опубликовали статью под названием Существуют ли гравитационные волны? , который изначально был отклонен одним журналом из-за математической ошибки.

Именно из-за ошибки авторы пришли к выводу, что гравитационных волн не существует. Когда Эйнштейн исправил ошибку, вывод статьи стал прямо противоположным! Хотя доказательства теперь указывали на их существование, Эйнштейн оставался неубежденным и считал, что даже если бы гравитационные волны действительно существовали, они были бы настолько слабыми, что люди никогда не смогли бы разработать технологию для их обнаружения.

Альберт Эйнштейн в 1912 году. Его общая теория относительности является фундаментальной для современной космологии. Именно Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности 1915 года впервые постулировал существование гравитационных волн.

Следует отметить, что Эйнштейн был не единственным теоретиком, работавшим над гравитационными волнами. Важный вклад внесли и другие известные ученые, среди них Роберт Оппенгеймер, Роджер Пенроуз, Карл Шварцшильд, Артур Эддингтон, Кип Торн и Ричард Фейнман. Но именно Фейнман 19 января57, окончательно убедил сомневающихся в том, что гравитационные волны не только существуют, но и могут переносить энергию, объяснив это тем, что он назвал аргументом Sticky Bead.

Работа Фейнмана проложила путь к сегодняшним детекторам гравитационных волн.

Однако прошло еще 50 лет, прежде чем были обнаружены первые гравитационные волны. Разработка концепций и технологий для этого потребовала десятилетий напряженной работы многих ученых. Наконец, LIGO, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, расположенная в двух местах в Соединенных Штатах, начала наблюдения в 2002 году. В период с 2002 по 2015 год LIGO потребовалось несколько обновлений, чтобы придать ей чувствительность для первого исторического обнаружения.

Первое обнаружение двух черных дыр, сливающихся на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет, произошло в сентябре 2015 года и было объявлено миру в феврале 2016 года после нескольких месяцев работы по проверке того, что сигнал, который длился всего лишь десятую долю секунды в полное совпадение с предсказаниями Эйнштейна было реальным. Невероятно, но LIGO еще не начал свои официальные наблюдения, когда произошло обнаружение: после последней из серии обновлений, направленных на улучшение дальности действия и чувствительности, LIGO был включен для инженерных испытаний. Слияние черных дыр было обнаружено почти сразу же, когда детектор заработал.

Еще одним ключевым предсказанием Эйнштейна было то, что гравитационные волны будут распространяться со скоростью света. Измерив разницу во времени между моментом, когда сигнал гравитационной волны поступил в две обсерватории LIGO — в Хэнфорде, штат Вашингтон, и в Ливингстоне, штат Луизиана, разделенные почти 2000 миль (3000 км), — ученые смогли определить, что предсказание Эйнштейна было полностью верным. . Гравитационные волны действительно распространяются со скоростью света.

В 2018 году к LIGO присоединился европейский детектор Virgo в Италии, что значительно улучшило способность ученых точно определять место на небе, где возникли гравитационные волны. С тех пор LIGO/Virgo зафиксировали около 50 слияний черных дыр, а также восемь столкновений нейтронных звезд и шесть столкновений нейтронных звезд с черными дырами. Некоторые из них могут быть вызваны так называемыми «наземными помехами»: вибрации от проходящего транспорта и даже далеких океанских волн могут вызывать ложные срабатывания.

14 января 2020 года LIGO также зафиксировала событие совершенно неизвестного происхождения, не укладывающееся ни в какие модели или предсказания, возможно, возбуждающе указывающие на существование неизвестного доселе космического явления.

Очень скоро японская обсерватория KAGRA присоединится к Virgo и LIGO в обнаружении гравитационных волн. В 2030-х годах Европейское космическое агентство запустит LISA, космический детектор гравитационных волн, который позволит обнаруживать низкочастотные гравитационные волны, исходящие от сверхмассивных черных дыр и взрывов сверхновых. Китай начал работу по строительству трех обсерваторий гравитационных волн, демонстрируя намерение стать мировым лидером в области обнаружения гравитационных волн на Земле и в космосе.

Все обнаруженные до сих пор явления гравитационных волн полностью согласуются с предсказаниями Эйнштейна и с компьютерным моделированием, полученным на основе его расчетов. Эйнштейн, несомненно, был бы поражен тем, что он ошибался, что человеческий интеллект и изобретательность действительно восторжествовали и создали технологию, которую он считал невозможной. Он также, вероятно, пожалел бы, что усомнился в своей собственной работе по предсказанию существования гравитационных волн. Но он также, несомненно, был бы счастлив, что обнаружение гравитационных волн также является подтверждением его теории относительности. Теперь осталось мало мест для тех, кто сомневается в величайшем триумфе Эйнштейна.

Гравитационно-волновая астрономия — совершенно новая наука, которая обещает раскрыть многие тайны Вселенной. Не будет преувеличением сказать, что революция в нашем взгляде на вселенную идет полным ходом. В будущем, возможно, даже удастся обнаружить гравитационные волны самого Большого Взрыва, чтобы услышать звук Творения, разносящийся через миллиарды лет.

Если вы хотите быть в курсе последних событий гравитационных волн, Бирмингемский университет в Великобритании создал эту страницу, которая представляет собой базу данных об обнаружениях LIGO и Virgo во время их текущего цикла наблюдений. База данных также доступна в виде бесплатного приложения для телефонов Android/Apple, которое можно загрузить в соответствующих магазинах.

Компьютерное моделирование двух сливающихся черных дыр, производящих гравитационные волны. Изображение предоставлено Вернером Бенгером/Викискладом.

Итог: впервые постулированные Альбертом Эйнштейном в 1916 году, но не наблюдаемые напрямую до сентября 2015 года, гравитационные волны представляют собой рябь в пространстве-времени.

Узнайте больше и посмотрите видео с объяснением: Что такое гравитационные волны?

Энди Бриггс

Просмотр статей

Об авторе:

Энди Бриггс провел последние 30 лет, знакомя людей с астрономией, астрофизикой и информационными технологиями. Вы можете услышать его еженедельные обновления астрономических и космических новостей по понедельникам на глобальном интернет-радиоканале AstroRadio (http://www.astroradio.earth), где он также участвует в других программах.