Содержание
Гравитационные волны. Почему их обнаружение имело такой резонанс?
Международная команда ученых Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США впервые путем прямого детектирования заявила об открытии гравитационных волн 11 февраля 2016 года. Тогда было выявлено первое прямое доказательство существования гравитационных волн, предусмотренных основателем общей теории относительности Альбертом Эйнштейном, путем искажения пространства-времени. Он предсказал существование этих искажений пространства-времени еще сто лет назад. И сейчас его предсказание подтвердилось.
Прямое доказательство существования гравитационных волн заметили два детектора проекта LIGO. Им удалось зафиксировать сигнал, который исходил около 1,3 млрд световых лет от Земли, при этом три солнечных массы ушли на излучение, что запустило волну колебаний во Вселенной. Именно эта волна докатилась до Земли 14 сентября 2014 года, когда была зафиксирована на детекторах впервые. Но на подтверждение этого открытия ушло ряд месяцев.
Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал, 15 сентября 2014Второй зафиксированный гравитационно-волновой сигнал, 25 декабря 2015Принцип детектирования. Фактические данные на 2015 год
Что такое гравитационные волны?
Гравитационные волны (или искривление пространства-времени) являются следствием движения тел с большой массой, которые растягивают «материю» Вселенной, некий континуум «пространство-время». Их можно описать на примере простой модели:
Представьте себе теннисный мячик на батуте. Он спокойно лежит и практически не двигается. Теперь посадим на батут маленького ребенка. Сразу будет видно, что на поверхности батута образовалась вмятина.
Что происходит дальше? Теннисный мячик медленно начинает катиться в направлении вмятины, образованной ребенком. Чем ближе малыш будет сидеть к мячику, тем глубже во вмятину катится шарик. Его тянет к этому углублению.
Чем больше масса движущегося тела, тем больше сила его притяжения.
В этом заключается идея гравитации — примерно так можно представить себе гравитационные волны во Вселенной.
Гравитационные волны возникают, когда происходит ускорение массы. Например, при взрыве звезды в конце ее жизни, с драматическими событиями в Космосе (к примеру, Большой взрыв), или при слиянии двух черных дыр. Гравитационные волны «сжимают» и «растягивают» пространство. Таким образом, они изменяют структуру пространства-времени.
Физик Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн сто лет назад как часть своей общей теории относительности.
Гравитационные волны распространяются Вселенной абсолютно беспрепятственно. Неважно, что встретится им на пути. Этим они отличаются от световых или звуковых волн. По своей сути гравитационные волны — искривление геометрии, искривление самого пространства.
С момента теоретического открытия гравитационных волн ученые пытались «поймать» их на практике. Однако только сейчас появился прямое доказательство их существования.
Почему это важно?
Эйнштейн описал, как гравитационные волны сжимают и растягивают пространство-время, как оно искривляется и как определенные объекты (нейтронные звезды или черные дыры) перемещаются в нем. До сих пор не существовало доказательств этой теории, поскольку не хватало необходимых технологий, чтобы зафиксировать такое явление.
Многие ученые и раньше пытались доказать существование гравитационных волн, но эти попытки не были успешными. Предыдущие поиски были полны скорее поражениями и ложными толкованиями, чем успехом, поскольку гравитационные волны чрезвычайно трудно обнаружить и измерить.
Чтобы засечь гравитационные волны, нужен удивительно чувствительный детектор. Когда такие колебания достигают Земли, у них очень малая амплитуда (в тысячи раз меньше атомного ядра).
За это экспериментальное обнаружение гравитационных волн в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике трем ученым США,членам обсерваторий LIGO-Virgo, которые были ответственны за прорыв: Райнеру Вайс, Кипу Торну и Барри Бэришу.
Наиболее интересные детали детектирования (регистрации) гравитационных волн: как это происходило.
Рассмотрим вначале простой пример, основанный на том же принципе, как и регистрация гравитационных волн. Представьте себе, что вам нужно найти подводную лодку противника в нейтральных водах. Как это сделать? Располагаются микрофоны по определённой области. Безусловно, эти микрофоны очень чувствительные, так как необходимо зафиксировать подводную лодку на как можно дальнем расстоянии от микрофонов (невозможно всё море покрыть микрофонами, поэтому покрывают только какую-то область, но такого уровня чувствительными микрофонами, что они фиксируют на как можно дальних расстояниях).
Понятно, что такие микрофоны улавливают достаточно много всего: и корабли, и дельфинов, и китов — по сути всё, что издаёт звуки под водой, они «слышат». Нередко эти звуки бывают сильнее, чем прошедшая где-то там далеко подводная лодка. Возникает вопрос: как тогда можно «увидеть» эту подводную лодку? Дело в том, что военные из «х»-периментальных данных знают, как «звучит» двигатель той или иной подводной лодки.
Подводная лодка «оставляет» характерный звук. Соответственно, они просто знают характерную кривую, которую «выдаст» подводная лодка на микрофоне. Это первый момент, который важно понимать – имеется характерная кривая обьекта.
Во-вторых, микрофоны располагаются на каком-то расстоянии друг от друга. Следовательно, сигнал, который «услышат» микрофоны и выдадут на специальный компьютер в виде кривой, должен быть один и тот же. Тот человек, кто сидит за компьютером, должен «увидеть» одну и ту же «кривую» с такой же точностью на всех или на каком-то количестве микрофонов.
Также сигналы, пришедшие в микрофонов, должны быть разделены каким-то промежутком времени, равным, по крайней мере, не больше, чем расстояние между микрофонами, деленное на скорость звука. Если, например, один микрофон услышал какой-то звук, а другой — такую же кривую увидел на расстоянии, которое превышает по времени расстояние между этими двумя сигналами, то это будет зафиксирована скорее какая-то случайность, а не реальная ситуация нахождения подводной лодки.
Если подводная лодка проходит далеко, то ее звук на двух микрофонах будет зарегистрирован в виде некой ряби на фоне большой волны, которая там со всех сторон идёт. Все сигналы от микрофонов подаются на компьютер и он их анализирует. На компьютере стоит специальная программа, которая распознаёт согласие между этими кривыми, и разность времени между ними находиться в разумных рамках. Соответственно, если такая сетка микрофонов распределена определённым образом, то можно даже определить, на каком расстоянии, в каком направлении и где прошла подводная лодка.
Так детектируют подводную лодку. Гравитационные волны детектирует таким же образом. Нужны, как минимум, два микрофона, но желательно больше. Несмотря на то, что сейчас гравитационных детекторов строится больше, на данный момент функционирует только два. И именно благодаря этим детекторам и была зарегистрированы впервые гравитационные волны.
Расположены гравитационные детекторы в США (проект LIGO) на разных концах страны на расстоянии 3500-4000 км друг от друга (одна обсерватория располагается в в Ливингстоне (штат Луизиана), а вторая — в Хэнфорде (штат Вашингтон).
И эти «микрофоны» должны услышать сигнал. Необходимо заметить, что сигнал тот же самый, и между этими кривыми должно быть согласие. И разделены они должны быть определенным промежутком времени, не больше, чем расстояние между этими двумя детекторами, делёными на скорость света.
Наибольшее время получается в том случае, если волна пришла к одному детектору сначала, и затем шла прямо по линии между этими детекторами. Но волна может прийти и одновременно к ним – как бы «приходит сверху», падает на обоих.
Центр управления LIGO в Хэнфорде, штат ВашингтонСеверный детектор (х-рукав) интерферометра в Хэнфорде
Так, в основу гравитационного детектора положена схема интерферометра Майкельсона. Пучок света от источника направляется на полупрозрачную пластинку – светоделитель СД, расщепляющий пучок на два луча 1 и 2, которые приходят к зеркалам М1 и М2. После отражения они вновь возвращаются к светоделителю, который повторно делит каждый из них на две части.
Отраженная часть пучка 1 возвращается к источнику, а прошедшая – поступает на фотоприемник; прошедшая часть пучка 2, наоборот, возвращается к источнику, а отраженная – поступает на приемник. Таким образом, на приемнике совмещаются (рекомбинируют) два пучка, прошедшие различные расстояния (до зеркал М1 и М2 и обратно). В плоскости фотоприемника возникает интерференционная картина, вид которой зависит от степени параллельности совмещенных пучков. Если пучки строго параллельны, картина имеет вид одного светлого или темного пятна (в зависимости от разности хода пучков). При небольшом угле между пучками (более реальный случай) картина представляет собой систему светлых и темных полос. В тех местах, для которых разность хода оказывается равной четному числу полуволн света (фазы колебаний в пучках совпадают), волны усиливают одна другую, и образуется светлая полоса, а там, где разность хода равна нечетному числу полуволн (фазы отличаются на 180°), пучки «гасят» друг друга, и образуется темная полоса.
Если одно из зеркал перемещать вдоль луча света, разность хода начнет изменяться, а вся система интерференционных полос – двигаться в плоскости приемника. Ограничив «поле зрения» приемника диафрагмой шириной немного менее одной полосы, получим, что при перемещении зеркала на приемник поступит то светлая, то темная полоса, т. е. станет периодически меняться интенсивность света от максимума до минимума, а на выходе фотоприемника появится синусоидальный электрический сигнал. Максимумы или минимумы сигнала будут повторяться при изменении разности хода на длину волны света.
Схема интерферометра Майкельсона. Светоделительная пластинка делит лазерный луч на два пучка, которые проходят по путям 1 и 2 разной длины, отражаются от зеркал, пластинки и, складываясь на фотоприемнике, образуют интерференционную картину.
Фактически это Г-образная система, состоящая из двух четырёхкилометровых плеч с высоким вакуумом внутри. Внутри такой системы и устанавливается модифицированный интерферометр Майкельсона, в каждом из плеч которого благодаря дополнительным зеркалам из кварцевого стекла образуются резонаторы Фабри-Перо.
Эти зеркала на особом подвесе являются пробными массами, расстояние между которыми меняет пришедшая гравитационная волна. Она удлиняет одно плечо и одновременно укорачивает второе. И если гравитационная волна падает прямо на этот детектор (вертикально), то плечи этого детектора начинают ходить ходуном: одно плечо удлиняется, а второе – сужается. Важно именно то, что происходит такого рода физическое изменение (одно удлиняются, а второе – сужается; потом наоборот). Это еще одна вещь, которая должна быть при регистрации гравитационных волн.
Как увидеть, что плечи «ходят»? Детектор наблюдает интерференцию: по двум плечам идут электромагнитные волны, а потом в детекторе собирается сигнал от двух этих плечей. И важно добиться практически полного «сокращения» волн от обоих плеч (устанавливается ситуация такого рода, что на детекторе сигнал практически равен нулю). Условно примем его за ноль, хотя на самом деле по техническим причинам там нужен не совсем ноль. С чем это связано — это отдельный разговор, слишком сложные технические детали (проще говоря, для линейного отклика системы нужен сигнал не ноль), но проще всего объяснить, что ноль (когда объясняется сам принцип устройства детектирования, и это проще для понимания).
В каждом плече стоит целое число полуволн, когда на детектор ничего не действует. И они полностью друг друга гасят на детекторе. И если плечи на детекторе стали ходить – значит, волны стали не гаситься полностью, и плечи начинают смещаться, и появляется сигнал на детекторе.
Соответственно, должен быть возвратный механизм, который подстраивает зеркала, которые отражают свет, так чтоб сигнал был ноль. Так фактически оказывается, что они меряют ток в этом механизме, который подстраивает. А ток меряется с огромной точностью (фактически пролёт одного электрона).
Плечи — это система зеркал. Эти зеркала висят, и они очень чувствительные. К примеру, если рядом что-то проехало, то есть сведения, что зеркала начинают трястись и это видно. Эти колебания стараются погасить, но полностью это сделать сложно.
Сигнал от гравитационных волн выглядит в виде «ряби», насколько это можно описать, которая видна на фоне вот таких вот колебаний. Более того, оказывается, что та гравитационная волна, которую зарегистрировали первой, имела амплитуду 10−21.
Это значит, что размеры этих плечей (если умножить 10−21на длину плеча в 4 км), ходили на расстояние 0,001 от размера протона. Это невероятно, поскольку мы даже определить его с такой точностью не можем, но мы можем померить ток и световой сигнал (время прохождения светового сигнала с такой высокой точностью). Именно это и меряется.
Что происходило в космосе?
Двойные системы массивных объектов, например нейтронных звёзд или чёрных дыр, постоянно излучают гравитационные волны. Излучение постепенно сокращает их орбиты, и в конечном счёте приводит к их слиянию, порождающему в этот момент особенно мощную гравитационную волну, буквально «прокатывающуюся» по Вселенной. Именно гравитационные волны такой силы способны зарегистрировать детекторы гравитационных волн.
Визуализация моделирования сливающихся чёрных дыр, излучающих гравитационные волны
Утверждается, что при первом детектировании гравитационных волн ученые «увидели» слияние двух черных дыр. Одна дыра имела 29 солнечных масс, а другая черная дыра — 36 солнечных масс.
В момент слияния было 62 массы Солнца результирующие, а 3 солнечные массы ушли в излучение, которое дошло и до планеты Земля. Объем в 3 солнечных массы – это колоссальная энергия, которая ушла в гравитационное излучение.
Давайте сделаем оценки. Так, чёрная дыра порядка массы солнца имеет радиус 3 км (на самом деле немного меньше — 2,7 км, но это неважно для оценок). Для объяснения достаточно удобно взять 3 километра. Значит, чёрная дыра с массой порядка 30 масс Солнца имеет радиус 90 км. Для оценки будем считать 100 км.
Две чёрные дыры в момент слияния имели размер порядка 200 км (по 100 км приблизительно каждая). Именно в этой области было сосредоточена та энергия, которая ушла в гравитационное излучение. И эта цифра размер в 200 км говорит приблизительно о том, что размер длины гравитационной волны был приблизительно 200 км. В 200-х километрах была сосредоточена энергия в 3 массы Солнца, которая вышла в виде гравитационных волн, и лишь часть её дошла до Земли. Можно только представить себе колоссальность этого явления вблизи, и то, что происходило, так как до нас на расстоянии 1,3 млрд световых лет дошли уже минимальные изменения.
Откуда ученые знали сигнал, который надо увидеть? Так как по даному явлению нет никаких «х»-периментальных данных… исследователи знают о таком типе сигнала из тех же компьютерных симуляций. На компьютере были просимулированы так называемые «сэмплы» (относительно небольшие оцифрованные звуковые фрагменты), много десятков и даже, наверное, сотен семплов (просто разные слияния черных дыр, разных размеров, с разным углом вращения, с разных расстояний, друг к другу приближающихся, сливающихся, нейтронных звёзд, нейтронных звёзд и чёрных дыр и многое другое). На компьютере уже были всевозможные варианты. Поэтому ученые знали приблизительно-характерный вид кривой гравитационной волны, какую должны были увидеть.
И в какой-то момент они увидели кривую, которая, во-первых, совпадает с характерным видом кривой. Во-вторых, две кривые на двух детекторах похожи. Похожи не просто на взгляд, а именно программа с математической строгостью показывает, что эти две кривые похожи. И разделение сигнала по времени не превышает соответствующего времени, о котором более подробно было рассмотрено выше (расстояние делить на скорость света).
После этого ученые с достоверностью сказали, что увидели гравитационную волну, а по характеру кривой определили, что было слияние именно черных дыр.
Гравитационная волна действительно имеет характерный вид. Она устроена так: нарастает амплитуда и уменьшается длина волны, что говорит о том, что был какой-то процесс (когда черные дыры медленно, относительно медленно, теряли энергию, вращаясь друг вокруг друга за счет гравитационного излучения). Гравитационное излучение было настолько слабое, что наши детекторы его не видели изначально. В какой-то момент дыры уже сблизились настолько в результате этой потери, при этом ускорились при вращении настолько, что в результате амплитуду гравитационных волн детекторы с Земли стали ее чувствовать. Именно в момент (сам момент слияния), когда они уже совсем близко друг к другу находились дыры. По сути, процесс слияния происходил какие-то микродоли секунды. И эти две черные дыры с огромными скоростями, со своими огромными ускорениями друг вокруг друга вращались, теряли энергию.
Соответственно частота вращения увеличилась, потому что они друг на друга падали, и амплитуда росла. После этого они слились, а на детекторах это было видно в виде затухания сигнала (подчинение закону минимальной площади, как «wavedown») — затухание волны.
Новое доказательство существования гравитационных волн — еще одна проверка общей теории относительности Альберта Эйнштейна
Получены самые веские на сегодняшний день доказательства существования гравитационных волн. Таким образом, выполнена еще одна проверка общей теории относительности Альберта Эйнштейна.
«Опыт для будущих учебников физики»
Первое прямое экспериментальное подтверждение второго постулата специальной теории относительности осуществили…
17 сентября 13:52
Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) предсказывает, что движущиеся объекты создают тонкую «рябь» на ткани пространства-времени, которую называют гравитационными волнами. Ввиду чрезвычайной малости этой «ряби», непосредственное наблюдение гравитационных волн сильно затруднено, поэтому напрямую они пока не зарегистрированы, хотя ищут их с конца 1960-х.
Согласно ОТО, оптимальными объектами для обнаружения гравитационных волн являются двойные звёзды, компоненты которых при движении вокруг общего центра масс теряют энергию за счёт излучения гравитационных волн.
Потеря энергии приводит к тому, что звёзды сближаются друг с другом, вращаются вокруг общего центра масс всё быстрее и быстрее и в конечном итоге сливаются.
Темпы сближения звёзд в тесных двойных системах, предсказанные ОТО, совпадают с теми, которые наблюдают астрономы в различных двойных звёздных системах. Такое совпадение является весомым косвенным доказательством существования гравитационных волн.
В начале были дыры
Результаты моделирования показали, каким образом 13 млрд лет назад во Вселенной появились первые…
03 сентября 11:50
За первое косвенное свидетельство наличия «ряби» в ткани пространства-времени в 1993 году американским астрономам Расселу Халсу и Джозефу Тейлору-младшему была присуждена Нобелевская премия по физике. Тогда открытие было сделано при изучении радиосигналов, приходящих от двойной системы пульсар — нейтронная звезда.
Теперь же команда американских астрономов обнаружила аналогичный эффект, но уже в оптическом диапазоне.
Результаты вскоре будут опубликованы в научном журнале Astrophysical Journal Letters.
Они изучали затмения, происходящие в системе пары белых карликов — звёзд типа нашего Солнца, находящихся на конечной стадии своей эволюции.
Команда астрономов обнаружила эту удивительную пару белых карликов в прошлом году, их суммарная масса меньше, чем масса нашего Солнца: у одной звезды она составляет половину солнечной, а у другой — четверть. Система, названная SDSS J065133.338 284423,37 (для краткости – J0651), уникальна тем, что её компоненты расположены очень близко друг к другу. Расстояние между звёздами составляет всего треть расстояния между Землёй и Луной, поэтому они делают полный оборот вокруг общего центра масс менее чем за 13 минут.
До недавнего времени астрономы знали всего четыре двойные системы с орбитальными периодами, не превышающими 15 минут, и во всех этих системах происходит передача массы от одной звезды к другой.
Такой обмен массой затрудняет наблюдения за изменением орбитального периода звёздной системы и интерпретацию этих изменений с точки зрения гравитационных волн.
В системе J0651 ничего подобного не происходит.
Именно поэтому, как отмечает член команды Уоррен Браун из Смитсоновской астрофизической обсерватории, полученный американскими учёными результат является на сегодняшний день одним из самых веских аргументов в пользу существования гравитационных волн.
Картины жизни на Луне
Проанализировать сотни тысяч фотографий Луны предлагают американские ученые. Формальная цель этой работы…
27 декабря 12:05
При движении по орбите компоненты системы J0651 затмевают друг друга, и это наблюдается с Земли. Такие затмения происходят каждые шесть минут. Согласно теории Эйнштейна, при сближении звёзд вследствие излучения гравитационных волн интервал времени между затмениями должен сокращаться, а орбитальный период этой двойной системы — уменьшаться.
Команда американских учёных оказалась в состоянии обнаружить этот эффект в J0651.
Член команды Мукремин Килич из университета Оклахомы говорит, что по сравнению с апрелем 2011 года, когда были проведены первые наблюдения этого объекта, интервал между затмениями уменьшился на шесть секунд. Этот факт является неоспоримым свидетельством того, что две звезды становятся ближе друг к другу и что орбитальный период системы сокращается в соответствии с ОТО.
Команда американских астрономов надеется, что период обращения двойной системы будет сокращаться с каждым годом всё больше и больше. За два года (к апрелю 2013 г.) интервал между затмениями, предположительно, уменьшится на 20 секунд, а через два миллиона лет звёзды сольются.
Дальнейшие наблюдения и измерения орбитального периода этой системы помогут понять механизм слияния таких звёзд.
Наблюдения (более 200 часов) проводились на нескольких телескопах, самый большой из которых (10,4 м) расположен на Канарских островах в Испании, а самый маленький (2,1 м) и старый — телескоп Отто Струве обсерватории Макдональда («Газета. Ru» в среду рассказывала об этой обсерватории). Отметим, что телескоп, который использован в данной работе, вступил в строй в конце 1930 годов и назван в честь российского астронома Отто Яковлевича Струве, который в разгар гражданской войны эмигрировал из России в США.
Гало показало пару
Некоторые звезды, образовавшиеся сразу после Большого взрыва, могли быть двойными и являться источниками…
10 июля 11:37
«Эти компактные звезды вращаются друг вокруг друга так близко, что мы смогли наблюдать обычно незначительное влияние гравитационных волн с помощью относительно простой камеры на 75-летнем телескопе всего за 13 месяцев», — отметил ведущий автор исследования Джей Джей Гермес.
Для прямого обнаружения гравитационных волн требуется проведение дорогостоящих программ. Например, их можно было бы обнаружить при помощи спутников, расположенных на расстоянии нескольких миллионов километров друг от друга и обстреливающих друг друга из лазерных пушек. Над проектом такого интерферометра (LISA — Laser Interferometer Space Antenna — Лазерная интерферометрическая космическая антенна) совместно работали NASA и ESA (Европейское космическое агентство), однако из-за финансовых проблем он отложен на неопределенный срок. «Зато у нас есть более простой способ обнаружить эффект гравитационных волн, хотя и косвенно», — говорит один из авторов статьи, Карлос Альенде Прието из Института астрофизики Канарских островов.
Наблюдения системы J0651 вносят важный вклад в наше понимание того, как работает гравитация. «Это так захватывающе — подтвердить предсказания Эйнштейна, сделанные почти сто лет назад, наблюдая за двумя звездами, которые покачиваются на волне, созданной их собственными массами», — сказал Гермес.
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 дорогих) 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 Рейце 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 иметь возможность это сделать», — сказал Вайс. «Очень, очень интересно, что в конце концов выяснилось, что мы на самом деле 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, когда 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 много 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 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 остатки 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 далее
Голодный кризис на Африканском Роге
- Окружающая среда
Голодный кризис на Африканском Роге
Засуха, конфликты, нестабильность и рост цен создают беспрецедентный уровень отсутствия продовольственной безопасности и надвигающийся голод, сообщает фотожурналист.
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 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 жизнь на Марсе на протяжении истории
Узнайте, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету
Подробнее Брукс
Детекторы LIGO
Энрико Саккетти
Никогда не было особых сомнений, что рано или поздно мы обнаружим гравитационные волны.
Это ритмичное сжатие и растяжение пространства и времени является естественным следствием одной из самых устоявшихся научных теорий — общей теории относительности Эйнштейна. Поэтому, когда мы построили машину, способную наблюдать за волнами, казалось, что их обнаружение будет лишь вопросом времени.
На самом деле это заняло два дня. Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, более известная как LIGO, включила свои модернизированные детекторы 12 сентября 2015 года. В течение 48 часов она сделала свое первое обнаружение. Прошло несколько месяцев, прежде чем исследователи были достаточно уверены в сигнале, чтобы объявить об открытии. Заголовки во всем мире вскоре возвестили об одном из величайших научных открытий прошлого века. В 2017 году последовала Нобелевская премия. С тех пор было замечено еще пять волн.
Видео: Поиск гравитационных волн
Физик Стивен Фэйрхерст рассказывает, как он ищет сигналы от слияния черных дыр и нейтронных звезд.
Или есть? Это вопрос, заданный группой физиков, которые провели собственный анализ данных. «Мы считаем, что LIGO не удалось убедительно доказать обнаружение какого-либо события гравитационных волн», — говорит Эндрю Джексон, представитель группы. По их словам, в прорыве не было ничего подобного: все это было иллюзией.
Реклама
11 февраля 2016 года стало известно о первом наблюдении. На пресс-конференции старшие члены коллаборации объявили, что их детекторы уловили сигнатуру гравитационных волн, испускаемых парой далеких черных дыр. переплелись друг с другом.
С этой пресс-конференции начались опасения группы Джексона, базирующейся в Институте Нильса Бора в Копенгагене, Дания. Исследователи были удивлены уверенным языком, с которым было провозглашено открытие, и решили изучить ситуацию более внимательно.
Их претензии не досадные и не исходят от плохо информированных нарушителей спокойствия. Хотя исследователи не работают с гравитационными волнами, у них есть опыт в анализе сигналов и опыт работы с большими наборами данных, такими как космическое микроволновое фоновое излучение, послесвечение Большого взрыва, которое распространяется по небу тонким узором.
. «Эти ребята — заслуживающие доверия ученые», — говорит Дункан Браун из Сиракузского университета в Нью-Йорке, эксперт по гравитационным волнам, недавно покинувший коллаборацию LIGO.
О первом открытии гравитационных волн миру было объявлено 11 февраля 2016 года. Они путешествуют миллиарды лет, попеременно сжимая и растягивая пространство-время на своем пути. Распространяясь во все стороны, они по мере продвижения слабеют, но их можно обнаружить на Земле с помощью достаточно чувствительного прибора.
Коллаборация LIGO создала два таких прибора: детектор Хэнфорда в штате Вашингтон и детектор Ливингстона в Луизиане. Третий, независимый инструмент под названием Virgo, расположенный недалеко от Пизы, Италия, присоединился к другим в 2017 году. Эти «интерферометры» направляют лазеры по двум длинным туннелям, а затем отражают их обратно таким образом, чтобы импульсы поступали одновременно. Проходящие гравитационные волны будут искажать пространство-время, делая один туннель длиннее другого и нарушая синхронизацию.
К тому времени, когда волны омывают Землю, они становятся чрезвычайно слабыми, и ожидаемое нами изменение длины туннеля эквивалентно примерно одной тысячной диаметра протона. Это намного меньше, чем возмущения, вызванные фоновыми сейсмическими толчками и даже естественными тепловыми колебаниями оборудования детектора. Шум является огромной проблемой при обнаружении гравитационных волн.
Отсюда и детекторы в разных местах. Мы знаем, что гравитационные волны распространяются со скоростью света, поэтому любой сигнал является законным только в том случае, если он появляется на всех детекторах в нужный интервал времени. Вычтите этот общий сигнал, и останется остаточный шум, уникальный для каждого детектора в любой момент, потому что его сейсмические колебания и т. д. постоянно меняются.
Это основная уловка LIGO для извлечения сигнала гравитационной волны из шума. Но когда Джексон и его команда посмотрели на данные первого обнаружения, их сомнения возросли. Сначала Джексон распечатал графики двух необработанных сигналов и поднес их к окну, один поверх другого.
Он думал, что между ними есть какая-то корреляция. Позже он и его команда получили исходные данные, опубликованные исследователями LIGO, и провели расчеты. Они проверяли и еще раз проверяли. Но все же они обнаружили, что остаточный шум в детекторах Хэнфорда и Ливингстона имеет общие характеристики. «Мы пришли к очень тревожному выводу, — говорит Джексон. «Они не отделяли сигнал от шума».
Датская команда опубликовала результаты своего исследования в Интернете. Не получив ответа от коллаборации LIGO, они отправили его в Журнал космологии и физики астрофизики . Редактор журнала Вячеслав Муханов из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене, Германия, является всемирно известным космологом. В состав редакционного и консультативного советов входят ведущие физики, такие как Мартин Рис из Кембриджского университета, Джоанна Данкли из Оксфордского университета и Андрей Линде из Стэнфордского университета в Калифорнии.
Муханов отправил статью на рассмотрение специалистам соответствующей квалификации.
Личности рецензентов обычно держатся в секрете, поэтому они могут свободно комментировать рукописи, но это были люди с «высокой репутацией», говорит Муханов. «Никто не смог указать на конкретную ошибку в датском анализе, — говорит он. «Ошибки нет».
Буря в стакане воды, по-прежнему? В конце концов, общая теория относительности — одна из наших наиболее хорошо проверенных теорий, так что есть все основания полагать, что ее предсказания гравитационных волн верны. Мы знаем, что LIGO должен быть достаточно чувствительным, чтобы обнаруживать их. Приборы находят волны именно с той скоростью, которая предсказана теорией. Так зачем беспокоиться об этом шуме?
Ищите и найдете
На этот вопрос есть простой ответ. Физики и раньше совершали ошибки, ошибки, которые обнаруживались только благодаря пристальному вниманию к экспериментальному шуму (см. «Неприятные шумы»).
Первый шаг к разрешению спора о гравитационных волнах — спросить, откуда исследователи LIGO знают, что искать.
Способ, которым они извлекают сигнал из шума, состоит в том, чтобы рассчитать, как должен выглядеть сигнал, а затем вычесть его из обнаруженных данных. Если результат выглядит как чистый остаточный шум, они отмечают это как обнаружение.
Чтобы определить, как должен выглядеть сигнал, нужно решить уравнения общей теории относительности Эйнштейна, которые объясняют нам, как гравитационные силы деформируют пространство-время. Или, по крайней мере, было бы, если бы мы могли заниматься математикой. «Мы не можем точно решить уравнения Эйнштейна для случая слияния двух черных дыр», — говорит Нил Корниш из Университета штата Монтана, старший специалист по анализу данных LIGO. Вместо этого аналитики используют несколько методов для аппроксимации сигналов, которые они ожидают увидеть.
Первый, известный как численный метод, включает в себя разрезание пространства-времени на куски. Вместо того, чтобы решать уравнения для непрерывного куска пространства, вы решаете их для ограниченного числа частей.
Это проще, но все же требует огромной вычислительной мощности, а это означает, что это невозможно сделать для каждого возможного источника гравитационных волн.
Более общий подход, известный как аналитический метод, использует аппроксимацию уравнений Эйнштейна для создания шаблонов для сигналов гравитационных волн, которые будут создаваться различными источниками, такими как черные дыры с разными массами. На их вычисление уходит доля секунды, но они недостаточно точны, чтобы смоделировать окончательное слияние двух черных дыр. Этот эндшпиль моделируется дополнительным расчетом, в котором исследователи настраивают параметры, чтобы они соответствовали результатам исходного аналитического решения.
Чтобы отслеживать гравитационные волны, детекторам LIGO нужна тихая среда. «С поиском по шаблону вы всегда сможете найти только то, что ищете». Более того, есть некоторые шаблоны, например волны, создаваемые взрывами сверхновых определенных типов, которые исследователи LIGO создать не могут.
Вот почему Корниш предпочитает третий метод, который он помог разработать. Это включает в себя построение модели из того, что он называет вейвлетами. Это как крошечные части волнового сигнала, которые можно собирать различными способами. Вы меняете количество и форму частей, пока не найдете комбинацию, которая отделяет сигнал от шума. Поскольку вейвлет-анализ не делает предположений о том, что создало гравитационную волну, с его помощью можно сделать самые глубокие открытия. Вейвлеты «позволяют нам обнаруживать неизвестные неизвестные», говорит Корниш. Недостатком является то, что они ничего не говорят нам о физических характеристиках обнаруженного источника. Для этого мы должны сравнить построенный сигнал с шаблонами или численным анализом.
Проблема со всеми тремя методами заключается в том, что для точного удаления сигнала из данных необходимо знать, когда нужно остановиться. Другими словами, вы должны понимать, как должен выглядеть остаточный шум. Это чрезвычайно сложно.
Вы можете забыть запускать детектор в отсутствие гравитационных волн, чтобы получить показания фона. Шум меняется настолько сильно, что нет достоверного фона. Вместо этого LIGO полагается на характеристику шума в детекторах, поэтому они знают, как он должен выглядеть в любой момент времени. «Многое из того, что мы делаем, — это моделирование и изучение шума, — говорит Корниш.
«В документе о первом обнаружении использовался график данных, который был скорее «иллюстративным», чем точным»
Джексон с подозрением относится к анализу шума LIGO. Одна из проблем заключается в том, что нет независимой проверки результатов сотрудничества. Иначе обстояло дело с другим выдающимся физическим открытием последних лет — бозоном Хиггса. Существование частицы было подтверждено анализом нескольких хорошо контролируемых столкновений частиц в двух разных детекторах в ЦЕРН недалеко от Женевы, Швейцария. Обе группы детекторов хранили свои результаты друг от друга до тех пор, пока анализ не был завершен.
В отличие от этого, LIGO должна работать с одиночными, неконтролируемыми, неповторимыми событиями. Хотя детекторов три, работают они почти как один прибор. И несмотря на наличие четырех групп анализа данных, они не могут работать полностью по отдельности, потому что часть процесса обнаружения включает проверку того, что все инструменты увидели сигнал. Это создает ситуацию, в которой каждое положительное наблюдение является непроверенным выводом. Посторонние должны верить, что LIGO выполняет свою работу должным образом.
Чисто для иллюстрации
И есть законные вопросы по поводу этого доверия. Например, New Scientist узнал, что коллаборация решила опубликовать графики данных, которые не были получены в результате фактического анализа. По словам Корниша, в документе о первом обнаружении в Physical Review Letters использовался график данных, который был скорее «иллюстративным», чем точным. Некоторые результаты, представленные в этой статье, не были найдены с помощью алгоритмов анализа, а были сделаны «на глаз».
Браун, участник коллаборации LIGO в то время, объясняет это попыткой предоставить наглядную помощь. «Он был настроен вручную для педагогических целей». Он говорит, что сожалеет, что цифра не была помечена, чтобы указать на это.
Такое представление «отредактированных вручную» данных в рецензируемом научном отчете, подобном этому, безусловно, необычно. New Scientist спросил редактора, работавшего над статьей, Роберта Гаристо, знал ли он, что опубликованные графики данных не были получены непосредственно из данных LIGO, а были «педагогическими» и сделаны «на глаз», и является ли журнал в целом принимает иллюстративные рисунки. Гаристо отказался от комментариев.
Были также сомнительные ярлыки в данных LIGO, опубликованных для общего пользования. Сотрудничество приблизилось к вычитанию сигнала Ливингстона из сигнала Хэнфорда, оставив корреляции в данных — те самые корреляции, которые заметил Джексон. Теперь на веб-странице выпуска данных есть примечание, в котором говорится, что общедоступная форма сигнала «не была настроена для точного удаления сигнала».
Какими бы ни были недостатки отчетности и публикации данных, Корниш настаивает на том, что фактический анализ был выполнен с помощью инструментов обработки, на разработку которых ушли годы и значительные вычислительные мощности для внедрения, и они работали отлично.
Однако любой, кто не участвует в сотрудничестве, должен поверить ему на слово. «Это проблематично: недостаточно данных для независимого анализа», — говорит Джексон. «Похоже, что они открыты, но не открыты вообще».
Браун соглашается, что проблема есть. «LIGO добилась больших успехов и движется к открытым данным и воспроизводимой науке», — говорит он. — Но я не думаю, что они еще там.
Независимые проверки датской группы, опубликованные в трех рецензируемых статьях, обнаружили мало доказательств присутствия гравитационных волн в сигнале от сентября 2015 года. Джексон говорит, что по шкале от уверенности в 1 до определенно не там в 0 вероятность того, что первое обнаружение будет связано с событием, связанным с черными дырами со свойствами, заявленными LIGO, составляет 0,000004.
Это примерно то же самое, что вероятность того, что вашей возможной причиной смерти станет удар кометы или астероида, или, как выразился Джексон, «равно нулю». Вероятность того, что сигнал вызван слиянием любых черных дыр, также невелика. Джексон и его коллеги вычислили его как 0,008.
Одновременный сигнал
Есть и другие доказательства того, что по крайней мере одно из более поздних обнаружений произошло из-за гравитационной волны. 17 августа 2017 года орбитальный телескоп Ферми зафиксировал всплеск электромагнитного излучения в то же время, когда детекторы LIGO и Virgo зафиксировали сигнал. Анализ всех свидетельств позволяет предположить, что оба сигнала произошли от жестокого столкновения двух нейтронных звезд.
Двойной удар делает обнаружение LIGO недвусмысленным. Однако даже здесь датская группа не соглашается. Они отмечают, что сотрудничество изначально зарегистрировало событие как ложную тревогу, потому что оно совпало с так называемым «сбоем». Детекторы страдают от этих коротких, необъяснимых всплесков шума, иногда по несколько в час.
Кажется, они как-то связаны с оборудованием, из которого построены интерферометры, подвесными тросами и устройствами сейсмоизоляции. Корниш говорит, что аналитикам LIGO в конечном итоге удалось устранить сбой и выявить сигнал, но Джексона и его сотрудников снова не убедили используемые методы и тот факт, что их невозможно проверить.
Что со всем этим делать? Ничего, видимо. «Датский анализ просто неверен», — настаивает Корниш. «Были очень простые ошибки». Эти «ошибки» сводятся к решениям о том, как лучше анализировать необработанные данные (см. «Как поймать волну»).
Не все согласны с тем, что выбор датчан был неправильным. «Я думаю, что их статья хорошая, и очень жаль, что некоторые из команды LIGO отреагировали так резко», — говорит Питер Коулз, космолог из Мейнутского университета в Ирландии. Муханов соглашается. «Сейчас это не входит в обязанности датской группы. Мяч на стороне LIGO», — говорит он. «Есть вопросы, на которые следует ответить».
Браун считает, что анализ датской группы неверен, но с ним стоит поработать.
И Корниш признает, что проверка может быть неплохой вещью. Он и его коллеги планируют опубликовать статью с подробным описанием свойств шума LIGO. «Это та работа, которую мы на самом деле не хотели писать, потому что она скучная, а у нас есть более интересные дела». Но, добавляет он, это важно, и повышенное внимание и критика, возможно, в конце концов не будут чем-то плохим. «Ты должен понимать свой шум».
Сам Коулз не сомневается, что мы обнаружили гравитационные волны, но соглашается с Джексоном, что это не может быть подтверждено до тех пор, пока независимые ученые не смогут проверить необработанные данные и инструменты анализа. «В духе открытой науки я думаю, что LIGO должна выпустить все необходимое для воспроизведения своих результатов».
Джексон не уверен, что пояснительные документы когда-либо будут опубликованы — сотрудничество обещало их раньше, говорит он. «Этот эпизод LIGO продолжает оставаться самым шокирующим профессиональным опытом за все мои 55 лет работы физиком, — говорит он.
Не все с этим согласятся, но для открытия такого масштаба доверие — это все.
Неприятные звуки
В 2014 году операторы телескопа BICEP2 сделали настолько важное заявление, что заговорили о Нобелевской премии. Однако год спустя, не поехав в Стокгольм на церемонию награждения, они были вынуждены признать, что их одурачил неловкий шум.
Расположенный на Южном полюсе, BICEP2 сканировал космический микроволновый фон, образец излучения, оставшийся на небе от света, излученного вскоре после Большого взрыва. Большое объявление заключалось в том, что было обнаружено, что гравитационные волны повлияли на структуру таким образом, что это подтвердило основную теорию космологии. Рассматриваемой теорией была инфляция, согласно которой Вселенная прошла через период сверхбыстрого роста сразу после Большого взрыва. В течение почти четырех десятилетий это не было доказано. Теперь, внезапно, сторонники инфляции были оправданы.
За исключением неудобных предупреждений, появившихся в течение нескольких недель, предполагающих, что облака космической пыли рассеивают радиацию таким образом, что это обманывает исследователей BICEP2.
В конце концов, оценка командой количества присутствующей пыли и анализ того, какой шум будет производить пыль, оказались ошибочными. Шум может обмануть даже самых умных. Вот почему, несмотря на то, что LIGO является очень уважаемым сотрудничеством, есть все основания серьезно отнестись к вопросам анализа шума (см. основную статью).
Как поймать волну
Выходные данные детекторов гравитационных волн полны шума. Для распутывания сигнала требуется принятие решений, а плохие решения могут привести к катастрофическим заблуждениям.
Лучшее оружие в арсенале известно как преобразование Фурье. Это разбивает сигнал на различные частотные компоненты и преобразует его в спектр мощности, в котором подробно описывается, какая часть мощности сигнала содержится в каждом из этих компонентов. Это можно сделать с помощью оконной функции, математического инструмента, который работает с выбранной частью данных. Вопрос о том, использовать его или нет, лежит в основе разногласий по поводу результатов LIGO (см.