Гравитационная волна: Недопустимое название | Наука | Fandom

Гравитационная волна | это… Что такое Гравитационная волна?

Поляризованная гравитационная волна

У этого термина существуют и другие значения, см. Гравитационная волна (значения).

Гравитацио́нная волна́ — возмущение гравитационного поля, «рябь» ткани пространства-времени, распространяющаяся со скоростью света.^[1] Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО) и многими другими теориями гравитации, но ввиду их чрезвычайной малости пока не зарегистрированы напрямую. Тем не менее, косвенные свидетельства их существования достаточно весомы — ОТО предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем двойных звёзд за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн.

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

Генерация гравитационных волн

Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени

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

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

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:

• сталкивающиеся галактики (гигантские массы, небольшие ускорения),
• гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе). Как частный и наиболее интересный случай — это слияние нейтронных звёзд. У такой системы гравитационно-волновая светимость близка к максимально возможной в природе планковской светимости^[2].

Гравитационный коллапс двойной системы

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

Регистрация гравитационных волн

Основная статья: Детектор гравитационных волн

Регистрация гравитационных волн достаточно сложна ввиду слабости последних (малого искажения метрики). Приборами для их регистрации являются детекторы гравитационных волн. Попытки обнаружения гравитационных волн предпринимаются с конца 1960-х годов, но на данный момент нет достоверных сведений об их непосредственной регистрации. Гравитационные волны детектируемой амплитуды рождаются при коллапсе двойного пульсара. Подобные события происходят в окрестностях нашей галактики ориентировочно раз в десятилетие^[3].

С другой стороны, общая теория относительности предсказывает ускорение взаимного вращения двойных звёзд из-за потери энергии на излучение гравитационных волн, и этот эффект надёжно зафиксирован в нескольких известных системах двойных компактных объектов (в частности, пульсаров с компактными компаньонами). В 1993 году «за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации» открывателям первого двойного пульсара PSR B1913+16 Расселу Халсу и Джозефу Тейлору мл. была присуждена Нобелевская премия по физике. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (обычно сокращённо J0651)^[4] и системы двойных белых карликов RX J0806. Например, расстояние между двумя компонентами A и B первой двойной звезды из двух пульсаров PSR J0737-3039 уменьшается примерно на 2,5 дюйма (6,35 см) в день из-за потерь энергии на гравитационные волны, причём это происходит в согласии с ОТО^[5].

По оценкам, наиболее сильными и достаточно частыми источниками гравитационных волн для гравитационных телескопов и антенн являются катастрофы, связанные с коллапсами двойных систем в ближайших галактиках. Ожидается, что в ближайшем будущем на усовершенствованных гравитационных детекторах будет регистрироваться несколько подобных событий в год, искажающих метрику в окрестности Земли на 10⁻²¹ — 10⁻²³. Первые наблюдения сигнала оптико-метрического параметрического резонанса, позволяющего обнаружить воздействие гравитационных волн от периодических источников типа тесной двойной на излучение космических мазеров, возможно, были получены на радиоастрономической обсерватории РАН, Пущино^[6].

Согласно современным представлениям, нашу Вселенную заполняют реликтовые гравитационные волны, появившиеся в первые времена после Большого взрыва. Их регистрация позволит получить информацию о процессах в начале рождения Вселенной.^[2]

См. также

• Einstein@Home — проект распределённых вычислений для поиска гравитационных волн.
• PSR B1913+16 — двойная система — пульсар, исследование которой дало первое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
• PSR J0737-3039 — двойная система пульсаров, исследование которой дало весомое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
• Гравитационный телескоп
• Скорость гравитации
• Гравитон
• MiniGrail — Детектор гравитационных волн
• LISA — Детектирование гравитационных волн при помощи космических аппаратов

Примечания

1. ↑ Из-за эффекта нелинейности гравитации гравитационные волны в принципе могут распространяться и с меньшей скоростью.
2. ↑ ^{1 2} Липунов В. М. Гравитационно-волновое небо. // Соросовский образовательный журнал, 2000, № 4, с. 77-83.
3. ↑ LIGO: A Quest for Gravity Waves. Astro Guyz March 12, 2010.
4. ↑ CfA Press Room
5. ↑ Пресс-релиз на сайте «РосИнвест».
6. ↑ Сипаров С.В., Самодуров В.А. Выделение составляющей излучения космического мазера, возникающей из-за гравитационно-волнового воздействия. // Компьютерная оптика №33 (1), 2009, с. 79.

Литература

• Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7 — Глава XIII
• Мизнер, К. Торн, Уиллер Гравитация. Глава 34.
• Липунов В. М. В мире двойных звезд. М.: Наука, 1986.
• Липунов В. М. Все нейтронные звезды. М.: Просвещение, 1989.
• Липунов В. М. Искусственная Вселенная // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 6. С. 82-89.
• Липунов В. М. Военная тайна астрофизики // Соросовский Образовательный Журнал. № 5. С. 83-89.
• Черепащук А. М. Черные дыры в двойных звездных системах // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 3. С. 87-93.
• Шакура Н. И. Нейтронные звезды и черные дыры в двойных звездных системах. М.: Знание, 1976.
• Шкловский И. С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. М.: Наука, 1984.

Ссылки

• Гравитационно-волновая астрономия: в ожидании первого зарегистрированного источника. Обзор в УФН.
• Статья о гравитационном излучении
• Популярный обзор на начало 2007 г.
• Итоги обработки данных LIGO S3 в проекте Einstein@Home
• Детектор гравитационных волн
• Гравитационные волны. Передача А. Гордона
• В поисках гравитационных волн. Проект LIGO
• Поиск гравитационный волн

Нобелевскую премию по физике вручили за открытие гравитационных волн. Что это?

Прорыв

Артем Лучко

3 октября 2017  13:24

Популярное на сайте

Тем временем в России

Глобальное потепление в России: «Мы потеряем большое количество биоразнообразия»

Детективы

«Решение уйти» Пак Чхан Ука: любовное настроение (с пистолетами)

Книги

Дорогой Виктор Олегович: письмо Виктору Пелевину

Фестивали

Создатель «Боли» Степан Казарьян — о новой жизни в Белграде и будущем российской музыки

Лауреатами Нобелевской премии по физике-2017 стали Райнер Вайсс, Барри Бариш и Кип Торн (среди прочего — научный консультант фильма «Интерстеллар»).

Ученые открыли гравитационные волны. Еще в 2016 году находку ученых для «Афиши» прокомментировал доцент кафедры общей физики МФТИ Михаил Савров.

Сигнал был обнаружен 14 сентября 2015 года. Исходил он от двух сталкивающихся черных дыр. Сигнал имеет очень характерную форму, которая соответствует тому, что предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Результаты также были многократно проверены, так что сомневаться в них не приходится.

Две черные дыры диаметром около 150 км и массами в 29 и в 36 раз больше массы Солнца вращались вокруг друг друга со скоростью всего в два раза меньше скорости света. В конце концов объекты образовали единую массивную черную дыру. Это событие произошло 1,3 миллиарда лет назад, и в момент слияния за доли секунды примерно три солнечных массы превратились в гравитационные волны. Максимальная мощность излучения волн была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной.

Достигнув нашей планеты, гравитационные волны начали сжимать и расширять ее, но этот эффект настолько мал, что только сверхчувствительные детекторы LIGO могли распознать воздействие.

LIGO состоит из двух гравитационно-волновых обсерваторий, одна находится в Ливингстоне, штат Луизиана, а другая — в Хэнфорде, штат Вашингтон. При регистрации гравитационной волны, распространяющейся, согласно теории, со скоростью света, расстояние дает задержку сигнала в 10 миллисекунд. Он и позволил определить направление источника волны.

Подробности по теме

Как осуществить межзвездный перелет: отрывок из книги астрофизика Кипа Торна

Как осуществить межзвездный перелет: отрывок из книги астрофизика Кипа Торна

По словам ученых, это открытие положило начало новой гравитационно-волновой астрономии. Если древние люди видели Вселенную только в видимом свете, а в XX веке появились радиотеолескопы и детекторы космических лучей, теперь исследователи получили новый канал, который позволит узнать о вселенной гораздо больше. А загадок на сегодня достаточно: ученые имеют представление только о барионной материи, которая составляет только 5% от массы всей Вселенной. И нам только предстоит узнать, из чего состоят остальные 95%. Кроме того умение детектировать гравитационные волны позволит увидеть реликтовое гравитационное излучение, которое исходит от большого взрыва, — а это может внести решающий вклад в изучение квантовой гравитации — святой Грааль современной физики. Это направление ставит своей целью увязать гравитацию с остальными тремя фундаментальными взаимодействиями, то есть построить «теорию всего».

Что такое гравитационные волны?

«Гравитационные волны — это локальные возмущения гравитационного поля, распространяющиеся со скоростью света. Если человек окажется в поле гравитационной волны достаточной силы, то он почувствует, как его немного сжимает и одновременно растягивает в перпендикулярном направлении, причем сжатие и растяжение будут чередоваться с частотой волны. Величина эффекта чрезвычайно мала. Например, мощность гравитационных волн, излучаемых Солнечной системой, — всего около киловатта. Заметно их излучает только двойная система из очень близких черных дыр или нейтронных звезд».

Как работает LIGO?

«LIGO — это большой интерферометр с длиной плеча около 4 км. Работает он следующим образом: лазерный луч расщепляется на два луча, идущих в перпендикулярном направлении, потом эти лучи сводят вместе и наблюдают интерференционную картину. Когда через интерферометр проходит гравитационная волна, одно плечо укорачивается, а другое удлиняется (см. выше). Это приводит к появлению разности фаз лучей и к сдвигу интерференционной картины. Достигнутая при этом точность поразительна: расстояние до ближайшей звезды можно было бы измерить с точностью до толщины человеческого волоса. Для этого понадобилось четыре десятилетия упорного труда».

Могут ли ученые ошибиться?

«Я думаю, нет. Два интерферометра зарегистрировали одновременно одинаковый сигнал, который потом был воспроизведен численным моделированием (решением уравнений Эйнштейна). Данные позволили установить, что такой сигнал дает слияние двух черных дыр с массой в 30 Солнц каждая. Выделяющаяся при этом мощность в 50 раз превышает мощность излучения всех (!) звезд видимой части Вселенной».

Что это дает человечеству?

«Открыта новая страница в астрономии: теперь мы наблюдаем гравитационные волны. Анализируя форму сигнала, можно много узнать об их источниках, черных дырах и нейтронных звездах например. Насчет квантовой гравитации — не знаю; на первый взгляд, гравитационная волна — это классическое явление, но будущее покажет. Безусловно, огромный толчок получит астрофизика. Технология тоже получит много, поскольку мы научились измерять сигнал с 20 нулями после запятой».

На гребне метрического тензора: все, что нужно знать о гравитационных волнах

11 февраля участники коллаборации LIGO провели пресс-конференцию, на которой объявили о том, что нашли гравитационные волны с помощью лазерной интерферометрии. N+1 собрали основную информацию о гравитационных волнах в вопросах и ответах. В составлении этого материала им помогал руководитель научной группы Российского квантового центра, профессор МГУ и участник проекта LIGO Михаил Городецкий.

— Откуда взялась идея гравитационных волн?

— Впервые гравитационные волны были предложены самим Эйнштейном в работе 1916 года, то есть почти 100 лет назад. Уравнение для волн является следствием уравнений теории относительности и выводится не самым простым образом. То есть даже на теоретическом уровне существование таких волн, вообще говоря, не слишком очевидно. Спустя два года, в 1918 году, вышла работа, целиком посвященная этим волнам. Пожалуй, ее можно считать основополагающей в этом направлении исследований.

— Что может испускать гравитационные волны?

— Источником гравитационных волн является любое тело, обладающее массой, которое движется с ускорением. В модельном случае волны выводятся для пары вращающихся вокруг общего центра масс тел. Испускание волн является механизмом потери энергии для такой системы. 

Как работает LIGO?

В проект входят две обсерватории на расстоянии 3002 км друг от друга. У каждой обсерватории есть детектор. Это L-образная труба с плечами по 4 км каждая, внутри которой создается высокий вакуум. Луч лазера расщепляют перед рукавами. Два дочерних луча проходят по рукавам, а потом вновь объединяются. Если пространство-время невозмутимо, то лучи совпадут по фазе. В том случае, если сквозь детектор проходит гравитационная волна, лучи пройдут не совсем одинаковой путь и совпадут не полностью. Образуется интерференционная картинка, которую и ищут исследователи.

В реальности на роль таких тел претендуют пары черных дыр или нейтронных звезд, вращающихся вокруг общего центра масс достаточно быстро и достаточно близко друг от друга. Из-за потери энергии за счет гравитационного излучения эти тела постепенно сближаются, увеличивая скорость обращения и тем самым частоту испускаемых гравитационных волн, пока не сольются в одно тело. Основная часть гравитационного излучения приходится на последние доли секунды перед слиянием, когда тела начинают двигаться со скоростями, сравнимыми со скоростью света.

Замечательно то, что физики умеют на компьютерах рассчитывать гравитационные сигналы от таких событий, если задать начальные условия. Также источниками гравитационных волн могут быть взрывы сверхновых. Главное, чтобы такой взрыв не был идеально симметричным, иначе волн не получится. Подойдет и быстро вращающийся, но тоже не симметричный компактный объект.

— Что колеблется в гравитационных волнах?

— Когда речь идет про звуковые волны, то мы говорим о колебаниях воздуха. С гравитационными волнами все сложнее: по сути в них колеблется даже не само пространство, а его геометрия. В теории относительности гравитация описывается в терминах кривизны пространства. За геометрию в этой теории отвечает метрика: грубо говоря, это такая штука, которая каждой точке пространства-времени присваивает 10 чисел, записанных в виде симметричной 4 на 4 матрицы. Числа меняются от точки к точке и характеризуют геометрию. Собственно эта метрика и меняется периодически во времени.

— Если я встречу гравитационную волну, я что-нибудь почувствую?

— Колебания геометрии означают, что в пространстве будут периодически изменяться расстояния между объектами, углы между кривыми. Например, можно провести такой мысленный эксперимент. Представим, что на белой стене у нас нарисован круг. Грубо говоря, если навстречу нам будет идти волна, то мы увидим, как этот круг деформируется, например, в эллипс и обратно. Если говорить про другие чувства, не только зрение, то еще один способ интерпретировать волну — это фактически меняющаяся со временем приливная сила, действующая на любое тело (градиент ускорения). Поэтому, если бы эта волна была в квинтильон раз (1018) больше, чем те, что приходят из далекого космоса, а частота раз в сто меньше, вы бы почувствовали, что ваше тело растягивает и сжимает какая-то непонятная сила.

Именно на этом принципе — почувствовать дрожание, вызванное таким периодическим воздействием, работают так называемые резонансные детекторы на болванках (многотонных чушках из алюминиевого сплава, охлаждаемые до криогенных температур и обвешанных детекторами). От них отказались из-за слабой по сравнению с LIGO чувствительностью.

— А гравитационные волны поперечные или продольные?

Когда речь идет об обычных волнах, можно говорить о колебании некоторых точек, например молекул воздуха, и как это колебание соотносится с направлением движения волны, за которое обычно берут направление переноса энергии. Гравитационные волны, как уже говорилось, представляют собой сложные колебания геометрии пространства-времени, задаваемые метрикой. Но для удаленных источников гравитационные волны все-таки можно назвать поперечными. В отличие от, скажем, электромагнитных волн они характеризуются не поперечным вектором, а поперечным тензором h. Поэтому можно выделить две поляризации, соответствующие не ортогональным векторам, а повернутым на 45 градусов тензорам h+ и h× (наклонный крестик умножения, а не буква x), которые соответствуют одновременному периодическому расширению/сжатию верх-низ/право-лево или по диагоналям, если смотреть по направлению распространения волны.

— Ладно, 100 лет назад эти волны предсказали. А почему их еще не нашли?

— Штука в том, что гравитационные волны очень и очень слабые по всем параметрам. Вернемся к эксперименту с кругом. Представим что волна сжимает пространство так, что круг превращается в эллипс. Можно взять отношение малого радиуса к эллипсу к большому и обозначить его через h. Типичное значение h для проходящих через Землю гравитационных волн должно составлять 10-21. В оригинальной работе Эйнштейна была предсказана мощность гравитационного излучения метрового стального стержня, вращающегося с предельной скоростью, — она составила 10-37 ватт.

Для того чтобы образовалась более или менее регистрируемая гравитационная волна, требуются мощные катастрофические события типа столкновения черных дыр или нейтронных звезд или взрывы близких сверхновых. Понятно, что такие события происходят достаточно редко. Но физики научились приблизительно рассчитывать вероятность таких событий и, соответственно, вероятность их обнаружения при заданной чувствительности. Еще в 1992 году получили оценки, что для надежной регистрации нескольких событий в год требуется чувствительность, которую гравитационные антенны достигли только сейчас. 

Здесь действует простое соображение. Допустим, что при данной чувствительности расчеты показывают, что мы в среднем будем наблюдать 1 событие в сто лет. Если мы увеличим чувствительность в десять раз (как это случилось с новой антенной LIGO под названием Advanced LIGO), насколько нам это поможет. Ответ: мы будем тогда в среднем наблюдать 10 событий в год, то есть вероятность обнаружить что-то повышается в 1000 раз. Дело в том, что мы при этом в 10 раз увеличиваем расстояние на котором можем засечь событие, а значит в 1000 раз увеличиваем объем «прослушиваемого» пространства. Таким образом, короткое наблюдение современной антенны дает больше данных, чем десятилетия всех предыдущих наблюдений.

— А разве совсем недавно уже не находили гравитационные волны?

— Да, в марте 2014 года появилась информация, что эксперимент BICEP2 такие волны нашел. Тогда речь шла не о прямой регистрации, а о наблюдении неоднородностей в поляризации реликтового излучения. Реликтовое излучение — это излучение, оставшееся от самой ранней эпохи существования Вселенной. Волны, которые ищут с помощью проекта, остались от Большого взрыва, и их длина сравнима с размером Вселенной. Спустя некоторое время, однако, возникли сомнения в достоверности самого открытия. Оказалось, что авторы недостаточно учли влияние космической пыли, которая оказалась способна имитировать следы от гравитационных волн. В результате статистическая значимость результата понижалась несколько раз, что, в конце концов закончилось статьей в Nature, отменившей по сути это открытие.

— Я что-то слышал про гравитационные волны в атмосфере Земли…

— Есть забавная терминологическая коллизия. В гидродинамике есть класс поверхностных волн, в которых сила, возвращающая колеблющуюся поверхность к состоянию равновесия, это просто сила тяжести. Такие волны в русскоязычной терминологии тоже называются гравитационными. Штука в том, что обычные волны на поверхности пруда — это и есть гравитационные волны в этой терминологии. Их найти труда не составляет.

— Если есть волна, она несет энергию. А что является квантом гравитационных волн?

— В настоящее время квантовая теория гравитации не разработана. Хотя можно по аналогии с электромагнитной теорией ввести гипотетический квант гравитационного поля — гравитон, бозон без массы со спином 2. Пока попытки объединить квантовую теорию с общей теорией относительности наталкиваются на большие сложности. Есть сценарии, где гравитационные антенны могут помочь в продвижении к такому объединению.

— Как укладывается этот квант в стандартную модель? Или он не укладывается?

— Он не укладывается, поскольку гравитация в ОТО описывается особым образом как кривизна пространства-времени, в котором действует стандартная модель. Для введения гравитона требуется квантовая теория гравитации, которая еще не создана. 

— Вообще какие теории совместимы, а какие несовместимы с существованием гравиволн?

— В общем-то, все признанные современные теории совместимы с существованием гравитационных волн. Если удастся в будущем найти какие-то расхождения с расчетами по ОТО (например, в ультрарелятивистском случае, когда сливающиеся массы двигаются со скоростями, близкими к скорости света), это может быть свидетельствами за или против новых теорий.

— Какие эксперименты ищут гравиволны? Как это делается?

— Для поиска гравитационных волн есть несколько подходов (приведем их в порядке роста длин волн/уменьшения частот).

1. Резонансные детекторы на болванках — выше их уже упоминали. Это исторически первый тип антенн, предложенный Джо Вебером. Это, например, проекты AURIGA, MiniGRAIL.

2. Лазерные интерферометрические антенны — LIGO, Virgo, GEO600, KARGA.

3. Космические интерферометрические антенны — проект LISA (в прошлом году был запущен тестовый спутник для этого проекта). Это поиск гораздо более длинноволновых гравитационных волн, чем в проекте LIGO.

4. Долговременное слежение за пульсарами во Вселенной. Пульсары представляют собой очень точные космические «часы». Гравитационные волны от слияния гигантских черных дыр (вроде тех, что находятся в ядрах галактик) должны приводить к изменениям хода пульсарных часов. Даже когда частоты обращения еще малы. Заметить эти изменения можно, сравнивая разные пульсары между собой. В прошлом году были опубликованы первые отрицательные результаты такого эксперимента. Они говорят о том, что сейчас (а точнее, миллиарды лет назад с учетом космологических расстояний) столкновения таких сверхмассивных черных дыр нигде не происходят. Либо мы просто еще не понимаем чего-то важного.

5.Проект BICEP, который занимается поиском первичных гравитационных волн в поляризации реликтового излучения. О результатах этих наблюдений уже говорилось выше.

Satellite Applications for Geoscience Education

Определение волны

Волна — это возмущение, которое распространяется в среде, такой как космос, или вдоль границы раздела двух сред. Волны электромагнитного излучения не нуждаются в среде, но могут распространяться в вакууме.

Характеристики и определения океанских волн:

• Высота волны – расстояние по вертикали от самой высокой точки гребня до самой низкой точки впадины волны
• Амплитуда волны – расстояние по вертикали между самой высокой или самой низкой точкой волны и горизонтальным отсчетным уровнем, например, невозмущенной морской поверхностью
• Длина волны – расстояние по горизонтали между последовательными гребнями или впадинами волн
• Волновое число – два пи, деленные на длину волны
• Частота волн – количество волн, проходящих определенную точку в единицу времени
• Радианная частота – частота волны, умноженная на два пи
• Фазовая скорость – длина волны, умноженная на частоту
• Крутизна волны – высота волны, деленная на длину волны

Классификация океанских волн

Океанские волны классифицируются на основе силы, породившей волну, и/или силы, которая
стремится восстановить поверхность океана до ровной поверхности (возвращающая сила).

Гравитационная волна — это волна, распространяющаяся вдоль границы раздела двух жидкостей, динамика которой
преобладают эффекты гравитации. Термин «гравитационная волна» обычно применяется к ветровым,
периодические смещения морской поверхности, хотя номинально цунами также являются гравитационными волнами.

Капиллярная волна – это волна, бегущая вдоль
поверхность раздела двух жидкостей, в динамике которых преобладают эффекты
поверхностное натяжение. Капиллярные волны широко распространены в
природа и дом, и их часто называют
рябь. Длина волны
капиллярных волн обычно меньше сантиметра (из Wikipedia.org).

Дистанционное зондирование океанских волн

Гравитационные волны, капиллярные волны и гравитационно-капиллярные волны (промежуточные по масштабу между гравитационными и капиллярными волнами)
можно легко наблюдать на изображениях морской поверхности, полученных с помощью дистанционного зондирования, особенно в данных радара с синтезированной апертурой (или SAR) и данных скаттерометра. Оба САР
а скаттерометры измеряют шероховатость поверхности и, таким образом, не обеспечивают прямого измерения приземного ветра, а потому, что
шероховатость поверхности изменяется в зависимости от скорости и направления ветра, эти инструменты можно использовать для оценки ветра.
Рефлектометры наиболее чувствительны к коротким (миллиметрово-сантиметровым) волнам из-за явления резонанса, которое
происходит между радарными волнами и океанскими волнами. Короткие поверхностные волны (капиллярные волны, гравитационно-капиллярные волны и
гравитационные волны) реагируют на местные ветровые условия и почти мгновенно реагируют на воздействие ветра. По этой причине,
измерения распределения и выравнивания (также известные как двумерный волновой спектр) коротких ветровых волн могут быть
используется для определения скорости и направления ветра на поверхности моря в конкретном месте.

Глобальная карта вектора ветра, показанная на
Урок 1 («Наблюдение за океанами из космоса») был подготовлен с использованием данных, полученных скаттерометром QuikScat, основанным на этом принципе. На рис. 1 показан
пример оценок ветра, полученных с помощью скаттерометра, полученных во время урагана «Иван» в 2004 г. Линии тока показывают направление ветра,
а цвет указывает на скорость ветра.

Рис. 1. Приземные ветры во время урагана «Иван», оцененные по измерениям скаттерометра QuikScat.
(Нажмите, чтобы увеличить)

Измерения рефлектометра также успешно использовались для картографирования морского льда в полярных регионах Земли,
и были ценным инструментом для отслеживания последних изменений в этих областях. Эти данные особенно ценны, поскольку
Снег и лед (а также различные типы снега и льда) выглядят очень похожими при просмотре на оптических частотах. Шероховатость
этих поверхностей могут существенно различаться, поэтому радиолокационные наблюдения оказались неоценимыми при картографировании и измерении этих
отдаленные регионы.

На рисунках 2а и 2б представлены изображения Арктики и Антарктиды соответственно, сделанные аппаратурой дистанционного зондирования Земли.
Лаборатория Университета Бригама Янга.

А цунами – волна, порождающей силой которой является быстрое перемещение значительной массы
под водой, например землетрясение, извержение вулкана и другие подводные взрывы или оползни. 26 декабря 2004 г.
подводное землетрясение вызвало огромное цунами в Индийском океане, вызвавшее огромные разрушения. Джейсон-1
альтиметр прошел над районом через несколько часов после события и получил данные, изображенные на рис. 3.

Рис. 3. Изображение на верхней панели создано по измерениям альтиметра, полученным системой Jason-1 2 часа
после землетрясения 26 декабря 2004 г. , вызвавшего цунами, проявляющего аномалию поверхности моря (отличие от среднего
высота поверхности моря) для региона. Нижняя панель показывает изменения высоты морской поверхности на срезе волны.
фронт. Измерения (черные) сравниваются с предсказаниями модели (синие) волны, вызванной событием. Изображение
любезно предоставлено НОАА.
(Нажмите, чтобы увеличить)

Пограничные волны распространяются вдоль границы между двумя средами, например
как жидкости с разной плотностью или граница раздела воздух-море.

• Океан имеет вертикальную стратификацию в зависимости от температуры, солености и плотности.
• Мировой океан состоит из трех основных слоев:
• Поверхностный слой (глубина 0–~200 м)
• Средний слой (глубина ~200 – 1500 м)
• Глубинный слой (после 1500 м)
• Основа поверхностного слоя называется
• термоклин при рассмотрении стратификации по температуре
• галоклин при рассмотрении стратификации по солености
• пикноклин при рассмотрении стратификации по плотности

На рисунках 4–6 показано расположение термоклина, пикноклина и галоклина, а также показано, как соленость, плотность и температура меняются с глубиной в океане.

На рис. 6 показано изменение солености с глубиной в океане.
(Нажмите, чтобы увеличить)

• Стратификация океана различна
• С сезоном – в летние месяцы повышенное количество солнечного света и слабый ветер создают резкий температурный градиент между теплыми поверхностными водами моря и более прохладными глубинными водами.
• С широтой – в высоких широтах поверхностные воды прохладные и перекрывают глубинные, холодные воды
• Стратификация океана ограничивает вертикальное движение воды – циркуляция преимущественно горизонтальная в районах с хорошо развитой стратификацией
• Существует три типа стратифицированных жидкостей в зависимости от количества работы, необходимой для вертикального перемещения порции воды внутри жидкости. Для стратифицированной жидкости уравнение устойчивости определяется (приблизительно) как скорость изменения плотности с глубиной.
• Жидкость считается стабильно стратифицированной, если скорость изменения плотности с глубиной положительна
• Жидкость считается нестабильно стратифицированной, если скорость изменения плотности с глубиной отрицательна
• Жидкость считается нейтрально стратифицированной, если ее плотность не меняется с глубиной.

Внутренние волны — это океанские волны, которые распространяются под водой вдоль термоклина. Они могут иметь чрезвычайно большую амплитуду (~100 метров) и хорошо видны на оптических и радиолокационных изображениях из космоса.

На рис. 7 представлено изображение внутренних волн в море Сулу, полученное спектрорадиометром Aqua Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) в истинных цветах.

Рис. 7. MODIS-изображение внутренних волн в море Сулу. Изображение из НАСА.
(Щелкните, чтобы увеличить)

В условиях слабого или умеренного ветра внутренние волны могут быть легко обнаружены на изображениях морской поверхности с помощью РСА. Системы SAR получают изображения морской поверхности сравнительно высокого разрешения.
Хотя внутренние волны имеют крупномасштабные характеристики с длинами волн порядка сотен метров, они
генерируют интенсивные поверхностные течения, которые модулируют ветровую волну порядка десятков метров в
сантиметры. На рис. 8 приведен пример РСА-изображения внутренних волн.

гравитационная волна | Детекторы, обнаружение и скорость

Космическая антенна лазерного интерферометра (LISA)

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Альберт Эйнштейн
Райнер Вайс
Барри С. Бэриш
Кип Торн
Рассел Алан Халс

Похожие темы:

сила тяжести
волна
общая теория относительности
гравитация

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

Знать об открытии гравитационных волн и их роли в раскрытии тайн Вселенной

Посмотреть все видео к этой статье поле в виде волн. Согласно общей теории относительности кривизна пространства-времени определяется распределением масс, а движение масс определяется кривизной. Вследствие этого вариации гравитационного поля передаются с места на место в виде волн, точно так же, как вариации электромагнитного поля распространяются в виде волн. Если массы, являющиеся источником поля, изменяются со временем, они излучают энергию в виде волн кривизны поля. Гравитационные волны были впервые обнаружены лазерным интерферометром гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в 2015 году9.0003

Теория и источники

На первый взгляд, между гравитацией и электромагнетизмом есть много общего. Например, закон Ньютона для гравитационной силы между двумя точечными массами и закон Кулона для электрической силы между двумя точечными зарядами показывают, что обе силы изменяются пропорционально обратному квадрату расстояния. Тем не менее, в теории электромагнетизма шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла ускоренные заряды испускают сигналы (электромагнитное излучение), которые движутся со скоростью света, тогда как в теории гравитации Ньютона ускоренные массы передают информацию (действие на расстоянии), которая движется с бесконечной скоростью. Эта дихотомия исправляется теорией гравитации Эйнштейна, согласно которой ускоренные массы также производят сигналы (гравитационные волны), которые распространяются только со скоростью света. И точно так же, как электромагнитные волны могут дать о себе знать, толкая туда-сюда электрически заряженные тела, так и гравитационные волны можно обнаружить, дергая туда-сюда массивные тела. Однако, поскольку связь гравитационных сил с массами по своей сути намного слабее, чем связь электромагнитных сил с зарядами, генерация и обнаружение гравитационного излучения намного сложнее, чем электромагнитного излучения. Действительно, прошло почти 100 лет после открытия Эйнштейном общей теории относительности в 1919 г.16, что имело место прямое обнаружение гравитационных волн.

Тест «Британника»

Физика и законы природы

Какая сила замедляет движение? Каждому действию есть равное и противоположное что? В этом викторине по физике нет ничего, что E = mc было бы квадратным.

Тем не менее были веские основания полагать, что такое излучение существовало. Наиболее убедительны радиохронометрические наблюдения пульсара PSR 1913+16, расположенного в двойной звездной системе с периодом обращения 7,75 часа. Этот объект, обнаруженный в 1974, имеет период импульса около 59 миллисекунд, который изменяется примерно на одну тысячную часть каждые 7,75 часа. Интерпретируемые как доплеровские сдвиги, эти вариации подразумевают орбитальные скорости порядка 1/1000 скорости света. Несинусоидальная форма кривой скорости во времени позволяет сделать вывод, что орбита совершенно некруговая (действительно, это эллипс с эксцентриситетом 0,62, длинная ось которого прецессирует в пространстве на 4,2° в год). Система состоит из двух нейтронных звезд, каждая из которых имеет массу около 1,4 массы Солнца, с расстоянием между большими полуосями всего 2,8 радиуса Солнца. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, такая система должна терять орбитальную энергию из-за излучения гравитационных волн со скоростью, которая заставит их скручиваться по спирали в масштабе времени примерно 3 × 10 ⁸ лет. Наблюдаемое уменьшение периода обращения за годы, прошедшие после открытия двойного пульсара, действительно указывает на то, что две звезды движутся по спирали навстречу друг другу точно с предсказанной скоростью. Гравитационное излучение — единственное известное средство, с помощью которого это могло произойти. (Американские физики Рассел Халс и Джозеф Х. Тейлор-младший получили Нобелевскую премию по физике в 1993 г. за открытие PSR 1913+16.)

Схлопывание ядра массивной звезды с образованием нейтронной звезды перед взрывом сверхновой, если оно происходит несферически-симметричным образом, должно обеспечить мощный всплеск гравитационного излучения. Простые оценки дают высвобождение доли дефицита массы-энергии, примерно 10 ⁵³ эрг, при этом излучение в основном выходит в периоды волн между периодом колебаний нейтронной звезды, примерно 0,3 миллисекунды, и временем затухания гравитационного излучения, около 300 миллисекунд.

Детекторы и наблюдения

Три типа детекторов были разработаны для поиска гравитационного излучения, которое очень слабое. Изменения кривизны пространства-времени соответствовали бы расширению в одном направлении и сжатию под прямым углом к ​​этому направлению. Одна схема, впервые опробованная около 1960, использовал массивный цилиндр, который мог быть приведен в механическое колебание гравитационным сигналом. Авторы этого аппарата утверждали, что сигналы были обнаружены, но их утверждение не было подтверждено.

Во второй схеме оптический интерферометр устанавливается со свободно подвешенными отражателями на концах длинных путей, расположенных под прямым углом друг к другу. Сдвиги интерференционных полос, соответствующие увеличению длины одного плеча и уменьшению длины другого, указывали бы на прохождение гравитационных волн. Одним из таких интерферометров является лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), которая состоит из двух интерферометров с длиной плеча 4 км (2 мили), один в Хэнфорде, штат Вашингтон, а другой в Ливингстоне, штат Луизиана. LIGO была первой обсерваторией, которая напрямую обнаружила гравитационные волны. 14 сентября 2015 года он наблюдал две черные дыры на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от нас, которые находились на расстоянии 36 и 29раз превышает массу Солнца, скручиваясь по спирали внутрь, образуя новую черную дыру в 62 массы Солнца. Остальные три массы Солнца были преобразованы в гравитационные волны.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Планируется третья схема, усовершенствованная космическая антенна с лазерным интерферометром (eLISA), в которой используются три отдельных, но не независимых интерферометра, установленных на трех космических кораблях, расположенных в углах треугольника со сторонами около 5 миллионов км (3 миллиона миль). . Миссия по тестированию технологии eLISA, LISA Pathfinder, была запущена в 2015 г.

Эта статья была недавно пересмотрена и обновлена ​​Робертом Льюисом.

Как работают гравитационные волны?

Художественное изображение сталкивающихся черных дыр, вызывающих рябь в ткани пространства-времени.
(Изображение предоставлено Р. Хёртом/Caltech-JPL)

Пол М. Саттер — астрофизик SUNY Стоуни Брук и Института Флэтайрон, ведущий программ « Ask a Spaceman » и « 0 Space Radio 9», автор « 0 Space Radio»0140 Как умереть в космосе . вещи склеены вместе. Благодаря нашему пониманию общей теории относительности мы знаем, что гравитация может создавать гравитационные волны или рябь в ткани пространства-времени. 

Но как именно работают эти гравитационные волны? 

Вскоре после формулировки своей общей теории относительности , Альберт Эйнштейн понял, что гравитация может создавать волны. Однако он быстро усомнился в собственных выводах. Осознание того, что гравитационных волн существуют, пришло из упрощенной формы общей теории относительности, и Эйнштейн не знал, были ли эти волны реальными или просто артефактом процесса упрощения.

Связанные : Мы могли бы охотиться за гравитационными волнами на Луне, если бы эта дикая идея осуществилась

Общеизвестно, что уравнения общей теории относительности трудно решить, поэтому неудивительно, что даже Эйнштейн уклонялся от этого. Потребовалось несколько десятилетий, прежде чем физики пришли к твердому выводу, что общая теория относительности действительно поддерживает гравитационные волны. Другими словами, они действительно реальны.

Почти все, что во Вселенной делает, создает гравитационные волны. Все, что для этого требуется, — это небольшое покачивание, которое гравитационные волны имеют почти так же, как и любые другие волны. Если вы покачиваетесь в воде, вы создаете водные волны. Если ваш голосовой аппарат шевелится, он создает звуковые волны. Если вы покачиваете электрон, вы создаете электромагнитные волны. Чтобы создать гравитационную волну, все, что вам нужно сделать, это заставить массу ускориться.

Эти волны распространяются от источника со скоростью света и представляют собой буквально рябь силы гравитации. Когда через вас проходит гравитационная волна, вы растягиваетесь и сжимаетесь, как будто гигантские руки играют с вами, как с куском пластилина.

Вы это почувствовали?

Несмотря на то, что почти все во Вселенной постоянно создает гравитационные волны, на самом деле вы их не замечаете. Гравитация, безусловно, самая слабая из 90 266 четырех фундаментальных сил природы 9.0269 . Даже если бы гравитация была в миллиард миллиардов миллиардов раз сильнее, чем она есть, она все равно была бы на несколько порядков слабее любого из других взаимодействий: слабого взаимодействия , электромагнетизма и сильного взаимодействия . А гравитационные волны еще слабее; они представляют собой крошечные возмущения поверх нормальной гравитации.

Это также означает, что гравитационные волны, которые вы могли бы создать, скажем, взмахивая руками, почти полностью отсутствуют. Чтобы сделать серьезную брешь в пространстве-времени, вам нужно серьезное воздействие массы и энергии — например, столкновения с черными дырами, столкновений нейтронных звезд , сверхновых, гигантских черных дыр , которые поглощают звезды целиком или даже хаотических сил, высвобожденных в самые ранние моменты Большого Взрыва .

Если бы вы находились примерно в полумиле от двух черных дыр , сливающихся с , излучаемые гравитационные волны были бы достаточно сильными, чтобы разорвать вас на части. Но если бы вы были за сотни миль, от этого даже волосы на затылке не встали бы дыбом.

С нашей точки зрения на Земля , в миллионах или миллиардах световых лет от этих катастрофических событий, гравитационные волны имеют амплитуду, не превышающую ширину протона.

Конечно, это было странно

Из-за крайней слабости гравитационных волн потребовалось почти четверть века технологического развития, чтобы обнаружить их. Но в 2015 году лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) подтвердил первое прямое обнаружение гравитационных волн 9.0269 . Источником этого конкретного сигнала были две черные дыры, слившиеся на расстоянии 1,4 миллиарда световых лет.

У слабости гравитационных волн есть и обратная сторона: поскольку гравитация настолько слаба, гравитационные волны почти не взаимодействуют с материей, что позволяет им свободно распространяться по Вселенной, не рассеиваясь и не поглощаясь. Это также означает, что мы можем видеть то, что обычно не видим.

Если две черные дыры столкнутся посреди космоса, как мы сможем их увидеть? Если они не излучают электромагнитное излучение во время столкновения, весь процесс невидим для наших телескопов. Но эти столкновения высвобождают огромное количество энергии в виде гравитационных волн — обычно больше энергии, чем производят все звезды во Вселенной вместе взятые.

С момента первого подтвержденного обнаружения в 2015 году LIGO и Virgo — ее родственная обсерватория в Италии — подтвердили более четырех десятков столкновений черных дыр. Мы перешли от случайного обнаружения гравитационных волн к полноценной области астрономии. Эти тонкие вибрации открыли для следующего поколения астрономов понимание внутренней работы космоса и новых тайн.

Узнайте больше, прослушав эпизод «Что такого классного в гравитационных волнах? (Часть 1)» в подкасте «Спросите космонавта», доступном на iTunes (открывается в новой вкладке) и askaspaceman.com . Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter .

Следуйте за нами на Twitter @Spacedotcom и на Facebook.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.