Гравитационные волны что это такое для чайников: история изучения и открытие LIGO

Содержание

Гравитационные волны: 7 вопросов о событии нобелевского масштаба — Наука

Описание

Слияние двух черных дыр, при котором произошло очень большое излучение гравитационных волн

Ученые в США подтвердили существование гравитационных волн, предсказанное почти сто лет назад общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Почему это открытие так важно и как оно было сделано — в материале ТАСС.

Что такое гравитационные волны?

Гравитационные волны – это колебания ткани пространства-времени, которые разбегаются от массивных объектов, движущихся с переменным ускорением. Из-за относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) волны имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации. Похожим образом перемещающийся электрический заряд порождает волны электромагнитные, но только их гораздо легче зарегистрировать.

При чем тут Альберт Эйнштейн?

Гравитационные волны предсказал Альберт Эйнштейн в рамках теории относительности еще сто лет назад, но все экспериментальные попытки их обнаружить заканчивались провалом. Даже сильные гравитационные волны вызывают небольшие изменения: объекты, удаленные друг от друга на расстояние метра, будут как бы колебаться на волнах пространства-времени и становиться то ближе, то дальше друг от друга на 10^-18 — 10^-23 м.
Именно поэтому ученые рассчитывали обнаружить гравитационные волны только от очень тяжелых объектов вроде сталкивающихся галактик, вращающихся черных дыр или двойных звездных систем.

Как было сделано открытие?

Поиск гравитационных волн активно велся примерно с 60-х годов прошлого века. Важный теоретический вклад в эту работу внесли советские ученые Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт, предложившие в 1962 году использовать в этих целях модифицированный интерферометр Альберта Майкельсона. Такой метод, однако, крайне сложен и дорог, так что долгое время ученые пытались использовать более экономичные инструменты.
В коллаборации LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) для этого использовали наземные гравитационные телескопы — гигантские Г-образные антенны с длиной плеч по четыре километра. Внутри них в условиях высокого вакуума распространялись лазерные лучи, которые отражались от подвешенных в противоположных концах антенн зеркал. А поскольку гравитационная волна периодически растягивала и сжимала плечи телескопа, разные лучи, шедшие по разным оптическим путям, приходили на выход с небольшими задержками. Именно их в конечном счете и регистрировали экспериментаторы по возникающей при взаимодействии лучей характерной интерференционной картине.
Из этих данных ученые сделали вывод об отклонении на уровне 10−19 м — сигнале, который свидетельствовал о прохождении гравитационной волны, порожденной системой двух черных дыр на расстоянии около 50 миллионов световых лет от Земли.

Когда было сделано открытие?

Гравитационные волны были зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 13:51 по московскому времени одновременно двумя профильными обсерваториями — в штатах Луизиана и Вашингтон, а официально участники проекта LIGO объявили об открытии гравитационных волн 11 февраля 2016 года на пресс-конференциях, одновременно прошедших в Вашингтоне, Москве и других городах.

Что такое LIGO?

Междурнародный проект LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория. Проект был предложен в 1992 году Кипом Торном, Рональдом Дривером из Калифорнийского технологического института и Райнером Вайсом из Массачусетского технологического института.
Российские физики с самого начала участвовали в проекте LIGO по поиску гравитационных волн и получили важные результаты.
Проект LIGO начался в 1992 году, в сложное для России время, но Россия подключилась к нему. Один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире — российский физик Владимир Брагинский — создал на базе физического факультета МГУ школу, воспитанники которой смогли активно участвовать в проекте, получить важные результаты.
В экспериментах активно участвовали научные группы под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова и члена-корреспондента РАН Александра Сергеева (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород).

Как устроена обсерватория LIGO. Фоторепортаж

Что значит открытие гравитационных волн?

Открытие должно стать очередным подтверждением общей теории относительности и открыть путь к давней мечте физиков — созданию теории квантовой гравитации и, возможно, даже теории великого объединения, описывающей все виды физического взаимодействия в единых терминах и уравнениях.
«Мы открываем новую эру — эру гравитационно-волновой астрономии. Это можно сравнить с появлением телескопа или радиоастрономии. У нас появился новый инструмент для исследования Вселенной», — считает один из участников проекта, руководитель группы «Когерентная микрооптика и радиофотоника» Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Городецкий.
Эксперты считают это событие «открытием нобелевского масштаба», потому что оно означает решение столетней загадки.

Сколько стоило открытие?

Общая стоимость проекта составила порядка $620 млн.
Долгие годы на LIGO выделяли деньги без всякой уверенности, что эти вложения когда-либо окупятся. Более того, шанс, что ученым удастся поймать гравитационные волны, был ничтожным, но тем не менее год за годом финансирование продлевали. И, как оказалось, не зря: как это часто бывает в науке, благодаря «бесполезным» вложениям было совершено открытие, которое изменило наше представление о Вселенной.

Более подробную информацию об открытии гравитационных волн читайте на научно-популярном портале ТАСС «Чердак».

‘Деформированное пространство и время вокруг сталкивающихся черных дыр Caltech Ligo/YouTube’

В России изучат уровень радиоактивного загрязнения в Ладожском озере

Искусственные радионуклиды накапливаются в озере со второй половины ХХ века из-за развития ядерных технологий, исследование водоема проведут за счет средств гранта Российского научного фонда

Читать полностью

комбинация гравитационных и электромагнитных волн / Хабр

Гравитационные волны стали самым важным инструментом из доступных астрономам. Они уже используются для подтверждения того, что крупные чёрные дыры (ЧД) – с массами в десять или больше раз, чем у Солнца – и слияния этих крупных ЧД, формирующие ещё более крупные ЧД, не так уж редко происходят во Вселенной. В октябре 2017 года этот инструмент совершил рывок вперёд.

Уже давно было известно, что нейтронные звёзды (НЗ), схлопнувшиеся останки звёзд, взорвавшихся и ставших сверхновыми, во Вселенной встречаются часто. И почти столько же известно, что НЗ иногда ходят парами. (Именно так были впервые опосредованно открыты гравитационные волны в 1970-х). Звёзды часто формируют пары, и иногда обе звезды взрываются и становятся сверхновыми, а их остатки в виде НЗ обращаются вокруг друг друга. Согласно теории относительности Эйнштейна, пара звёзд должна постепенно терять энергию, испуская в космос гравитационные волны, и медленно, но верно два этих объекта должны по спирали падать друг на друга. В итоге, по прошествии миллионов или даже миллиардов лет они сталкиваются и сливаются в более крупную НЗ или в ЧД. В результате этого столкновения происходят два события.

Возникает некая очень яркая вспышка света – электромагнитные волны – о подробностях которой мы можем только догадываться. Некоторые из этих волн будут видимым светом, а большая их часть – невидимой, например, гамма-излучением.

Возникают гравитационные волны, подробности которых легче подсчитать, из-за чего их можно различить, но нельзя было обнаружить, пока LIGO и VIRGO не начали сбор данных: LIGO за последние несколько лет, а VIRGO за последние несколько месяцев.

Возможно, что раньше мы уже видели свет слияния двух НЗ, но никто не может быть в этом уверен. Разве не было бы здорово, если б мы смогли увидеть гравитационные волны И электромагнитные волны, исходящие от слияния НЗ? Это будет похоже на то, как если вы увидите фейерверк и услышите взрыв – видеть и слышать одновременно лучше, чем по отдельности, каждый из сигналов уточняет другой. (Предупреждение: учёные часто говорят так, будто обнаружение гравитационных волн похоже на слух. Это лишь аналогия, и очень отдалённая. Они вообще не похожи на акустические волны, которые мы слышим ушами, по многим причинам – поэтому не нужно воспринимать аналогию буквально). Если мы сможем делать и то и это, мы сможем получить новые знания о НЗ и их свойствах совершенно новым способом.

И мы, наконец, узнали, что это произошло. LIGO с первыми двумя гравитационными обсерваториями, обнаружил волны от двух сливающихся НЗ, расположенных в 130 млн световых годах от Земли, 17 августа 2017 года. (Слияние НЗ длится гораздо дольше, чем слияние ЧД, поэтому их легко отличить; а конкретно это слияние происходило так (относительно) близко, что его можно было наблюдать достаточно долго). VIRGO, с третьим детектором, позволил учёным провести триангуляцию и грубо определить местоположение слияния. Они получили очень слабый сигнал, но он оказался чрезвычайно важным, поскольку он сообщил учёным, что слияние произошло в небольшом регионе неба, в котором у VIRGO наблюдается слепое пятно. А это дало учёным понять, где нужно искать.

Слияние наблюдали более минуты – можно сравнить с ЧД, слияние которых происходит менее, чем за секунду. Но пока ещё не совсем понятно, что произошло в конце! Сформировали ли слившиеся НЗ другую НЗ или ЧД? Пока неясно.

Почти ровно в тот момент, когда гравитационные волны достигли максимума, другая команда учёных, с проекта FERMI, зафиксировала вспышку гамма-лучей – электромагнитных волн высокой частоты. FERMI наблюдает гамма-излучение, приходящее из дальних концов Вселенной, ежедневно, и двухсекундная гамма-вспышка не была чем-то необычным. Её обнаружил и ещё один эксперимент с гамма-лучами, INTEGRAL. Команды обменялись информацией за несколько минут. Детекторы гамма-лучей FERMI и INTEGRAL могут довольно грубо определять участок неба, откуда приходят эти гамма-лучи, а LIGO/VIRGO вместе тоже дают только приблизительный участок. Но учёные увидели перекрытие этих участков, и доказательства были неопровержимыми. Вот так астрономия вошла в новую, долгожданную фазу.

Только это само по себе уже было довольно крупным открытием. Краткие вспышки гамма-лучей годами занимали учёных. Одной из наилучших догадок об их происхождении было предположение о слиянии НЗ. Теперь загадка раскрыта – это предположение, очевидно, оправдалось. (А вдруг нет? Обнаруженные гамма-лучи оказались неожиданно слабыми, поэтому вопросы всё ещё остаются).

Также тот факт, что эти сигналы пришли с разрывом в пару секунд друг от друга, после того, как они, выйдя из одного и того же источника, проделали путь, занявший у них более 100 млн лет, подтверждает, что скорость света и скорость гравитационных волн одинакова – и обе они равны космическому пределу скорости, в точном соответствии с предсказаниями теории гравитации Эйнштейна.

Затем эти команды быстро сообщили своим друзьям-астрономам о необходимости направить их телескопы в область, где должен находиться источник. Десятки телескопов, со всех континентов и из космоса, искали электромагнитные волны с большим разбросом частот, будучи направленными примерно в нужном направлении, и сканировали небо в поисках чего-то необычного. (Одной из проблем было то, что нужный объект находился в небе близко к Солнцу, поэтому его можно было увидеть только в темноте и всего по часу каждую ночь). И был обнаружен свет! На всех частотах! Объект оказался очень ярким, благодаря чему было очень легко найти галактику, в которой произошло слияние. Яркий свет был виден в гамма-лучах, ультрафиолете, инфракрасном свете, рентгеновском диапазоне и радиодиапазоне. (В этот раз нейтрино, частицы, которые можно использовать как ещё один способ наблюдения за удалёнными взрывами, обнаружены не были).

И с таким количеством информации можно узнать столько всего!

Самое важное, наверное, вот что: из закономерностей, присутствующих в спектре света, следует подтверждение гипотезы, что слияния нейтронных звёзд являются важными, возможно, преобладающими источниками появления многих тяжёлых химических элементов – йода, иридия, цезия, золота, платины и так далее – возникающих при высоких температурах в таких столкновениях. Наиболее вероятным их источником считались те же самые сверхновые, что формируют НЗ. Но теперь, судя по всему, оказалось, что второй этап жизни НЗ – слияние, а не рождение – настолько же важен. Это потрясающе, потому что слияние НЗ происходят гораздо реже, чем взрывы сверхновых. В нашей Галактике Млечный путь сверхновая вспыхивает примерно раз в сто лет, но между появлением в слияниях НЗ таких «килоновых» проходят десятки тысячелетий.

Если что-то в этой новости и разочаровывает, так это следующее: почти всё, что наблюдалось в этих экспериментах, было предсказано заранее. Иногда важнее и полезнее, если ваши предсказания совершенно не оправдываются, потому что тогда ты понимаешь, сколько тебе ещё предстоит узнать. Очевидно, наше понимание гравитации, НЗ, их слияний, всяких типов источников электромагнитного излучения, возникающих в этих слияниях, оказывается гораздо лучше, чем можно было подумать. Но, к счастью, есть и несколько новых загадок. Рентгеновские лучи запоздали; гамма-лучи были слабыми – вскоре мы узнаем об этом подробнее, поскольку НАСА должно провести новую конференцию.

Некоторые темы конференции:

Получена новая информация о внутренностях НЗ, влияющая на то, какого они могут быть размера и как именно они сливаются.

Получено первое изображение источника гравитационных волн в видимом свете, расположенного на задворках далёкой галактики, при помощи телескопа Swope. Центр галактики – это круг света, а стрелочки указывают на место взрыва.

Теоретические подсчёты взрыва килоновой указывают на то, что обломки взрыва должны довольно быстро заблокировать видимый свет, поэтому взрыв быстро тускнеет в видимом свете – но инфракрасный свет остаётся гораздо дольше. Наблюдения телескопов в видимом и инфракрасном диапазонах подтверждают этот аспект теории; эти доказательства можно видеть на картинке выше, где через четыре дня яркое пятно стало гораздо тусклее и гораздо краснее.

Оценка: общая масса возникшего в этом взрыве золота и платины гораздо больше массы Земли.

Оценка: эти нейтронные звёзды сформировались порядка 10 млрд лет назад. Они вращались вокруг друг друга большую часть истории Вселенной, и закончили своё существование всего 130 млн лет назад, породив недавно обнаруженный нами взрыв.

Большая загадка: все предыдущие зафиксированные нами вспышки гамма-лучей светились в ультрафиолете и рентгене точно так же, как и в гамма-диапазоне. Но в этот раз рентгеновские лучи не появились, по крайней мере, не сразу. Это стало большим сюрпризом. У телескопа Чандра ушло 9 дней на то, чтобы обнаружить рентгеновские лучи, слишком тусклые для любого другого телескопа. Значит ли это, что две НЗ создали ЧД, создавшую затем джет (релятивистскую струю) материи, направленную не прямо на нас и подсвечивающую материю в межзвёздном пространстве? Такая возможность была предложена ещё 20 лет назад, но какие-то свидетельства в её пользу были получены впервые.

Ещё один сюрприз: на открытие радиоволн ушло 16 дней, и открыли их при помощи самого мощного из существующих радиотелескопов, Very Large Array. С тех пор радиоизлучение увеличивает яркость! Это, как и в случае с рентгеном, поддерживает идею о наличии джета, направленного в сторону от нас.

До этого момента ничего подобного этой гамма-вспышке мы не видели – или, точнее, не опознавали. Когда у гамма-лучей нет появляющегося почти сразу рентгеновского компонента, это просто выглядит странно и немного загадочно. Наблюдать его труднее, чем большинство вспышек, поскольку если джет не смотрит прямо на нас, его послесвечение быстро сходит на нет. Более того, если джет смотрит на нас, то он получается таким ярким, что ослепляет нас и не даёт распознать детали свойств килоновы. Но на этот раз LIGO/VIRGO рассказали учёным: «Да, это слияние НЗ», что привело к детальному изучению на всех электромагнитных частотах, включая терпеливое многодневное исследование гамма-лучей и радиоизлучения. В других случаях эти наблюдения прекратились бы вскоре после начала, и всю эту историю могли не истолковать правильно.

Что такое гравитационные волны (объяснение для чайников)

Подтверждено существование гравитационных волн. Но вы, наверное, это уже слышали. В этом посте мы разобьем это глубокое открытие на более понятные части.

Это будет удивительное путешествие. Готовый?

Содержание

1 Новое определение гравитации
2 Что такое ткань пространства-времени?
3 Что такое гравитационные волны?
4 Как его сделать?
5 Как их обнаружить?
6 14 сентября 2015 г.
7 Почему это открытие так важно?
8 А Эйнштейн предсказал это еще 100 лет назад!

Новое определение гравитации

Когда мы обычно говорим о гравитации, мы неизбежно думаем как Ньютон, когда предполагается, что объекты воздействуют друг на друга.

Как воображаемые стрелы силы в космосе. Но эта картина, хотя и достаточная для объяснения устройства Вселенной в большом масштабе, рухнула с появлением теории Эйнштейна 9.0035 Теория относительности .

Что такое ткань пространства-времени?

Думайте о пространственно-временной ткани как о настоящей ткани из ткани..

Источник

Когда вы кладете объект на ткань, ткань изгибается. Точно так же происходит и в Солнечной системе.

Солнце с такой огромной массой искривляет ткань пространства-времени. И Земля, и все планеты удерживаются на орбите, следуя этой кривизне, созданной Солнцем. В зависимости от различной массы предметов меняется и то, как они изгибают эту ткань.

Если вы бросите предмет в такую среду, как вода, при столкновении возникнет рябь, которая будет распространяться по среде в виде волн.

Точно так же гравитационные волны — это рябь в ткани пространства-времени, возникающая, когда вы перетаскиваете тяжелые объекты сквозь пространство-время.

Природа этих волн такова, что для их распространения не требуется среда.

Как его сделать?

Все, что имеет массу/энергию, может создавать эти волны.

Источник

Два человека, танцующие друг вокруг друга в космосе, тоже могут создавать гравитационные волны. Но волны будут очень слабыми.

Вам нужно что-то большое и массивное, ускоряющееся в пространстве-времени, чтобы хотя бы обнаружить их.

И орбитальные двойные звезды/черные дыры ценны в этой ретроспективе.

Как их обнаружить?

Давайте обратимся к проблеме их обнаружения, предполагая, что вы найдете двойные звезды/черные дыры в чудесном космосе, соответствующие вашим потребностям.

Во-первых, вы не можете использовать камни/линейки для их измерения, потому что, когда пространство расширяется и сжимается, камни тоже. (расстояния останутся одинаковыми в обоих случаях)

ПК: PHDComics

Вот где школьный факт о том, что скорость Света постоянна, независимо от того, что играет важную и ключевую роль.

Если пространство расширяется, то время, необходимое свету для достижения от A до B, будет больше. А если он сжимается, то время, необходимое для его перемещения из А в В, будет меньше.

ПК: PHDComics

Позволив световым волнам от сжатия и расширения интерферировать друг с другом, как это происходит в любом интерферометрическом эксперименте, мы можем обнаружить расширение или сжатие. Вуаля!

И это именно то, что они сделали! (на макроскопическом уровне) в LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория)

14 сентября 2015 г.

Две черные дыры с массами 29и 36 солнечных масс слились воедино на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет.

Слияние этих двух черных дыр приводит к излучению энергии, эквивалентной 3 солнечным массам, в виде Гравитационных волн.

Этот сигнал был зафиксирован обоими детекторами LIGO, в Ливингстоне и Хэнфорде, с разницей во времени 7 миллисекунд .

Измерив эту разницу во времени, физики заявили о существовании Гравитационных Волн.

Источник

Все это, безусловно, легко сказать, чем сделать, и требует тщательных и обширных исследований, не говоря уже о высокочувствительных инструментах.

Если бы они не измерили эту разницу во времени, нам, возможно, пришлось бы ждать слияния для столкновения более массивных черных дыр и, возможно, даже построить более чувствительные инструменты для обнаружения этих волн.

Почему это открытие является большим Иметь дело ?

Гравитационные волны дают нам еще один способ наблюдать за небесными явлениями. Эти волны также образуются при взрывах сверхновых, при столкновении черных дыр и во время многих других космических операций.

Существует чертовски много космоса, который остается неисследованным или находится за пределами человеческого изобилия, и это открытие может пролить на него некоторый свет. (как Большой Взрыв как таковой)

Конечная цель состоит в том, чтобы понять фундаментальные законы Вселенной. Это поиск через забвение теории всего.

Хотя неизвестно, сколько лет/десятилетий потребуется, чтобы добраться туда, но эти открытия являются ориентирами на пути к этому.

А Эйнштейн предсказал это еще 100 лет назад!

Сногсшибательная!

Примечание: Надеюсь, вы смогли понять и оценить глубину открытия, сделанного человечеством из этого поста. Это действительно удивительный момент, чтобы быть живым.

Гравитационные волны Эйнштейна, объяснение для чайников

Если вы похожи на меня, то новости международного научного сообщества на прошлой неделе о том, что гравитационные волны, явление, предсказанное Эйнштейном 100 лет назад, действительно были обнаружены, лишили вас дара речи. В основном потому, что вы понятия не имели, что такое, черт возьми, гравитационные волны, поэтому решили, что лучше не притворяться, что знаете. Но потом вы поняли, что в этом нет ничего страшного, ведь мы живем в эпоху Интернета. Когда вы чего-то не знаете, вы на расстоянии одного поиска в Google от того, чтобы узнать об этом все. (Ладно, может быть, не все, но, конечно, достаточно, чтобы сымитировать ваш разговор.) Итак, я нажал на пару постов «Объяснение гравитационных волн», а потом… Я до сих пор понятия не имел, что, черт возьми, означают эти волны.

Но не беспокойтесь, с тех пор я провел массу исследований и теперь понимаю все, что нужно знать о гравитационных волнах. Но я уверен, что вы не хотите слышать это от меня. Нет, вы бы предпочли услышать это из крупного научного журнала, верно? Вот что было сказано в Physical Review Letters :

«14 сентября 2015 г. в 09:50:45 UTC, LIGO Hanford, WA, and
Ливингстон, штат Луизиана, обсерватории обнаружили совпадающий сигнал GW150914.
показано на рис. 1. Первоначальное обнаружение было сделано с низкой задержкой
поиски общих гравитационно-волновых транзиентов [41] и
сообщается в течение трех минут после сбора данных [43]. Впоследствии,
анализ согласованных фильтров, использующий релятивистские модели компактных
двоичные сигналы [44] восстановлены GW150914 как самое значимое событие
с каждого детектора для наблюдений, представленных здесь».

Это так просто. Что? Это слишком сложно для вас? открытие объяснило это? Я имею в виду, что я мог бы сделать это сам, но я бы не хотел лишать прекрасных мужчин и женщин в LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) их возможности.