Гравитационные волны это что: история изучения и открытие LIGO

Содержание

Гравитационные волны — что это такое, картинки, интересные факты

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

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

Самое обсуждаемое по теме Гравитационные волны

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Гравитационные волны

Что такое гравитационные волны?

Гравитационные волны — изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Излучаются движущимися массами, но после излучения отрываются от них и существуют независимо от этих масс.

Математически связаны с возмущением метрики пространства-времени и могут быть описаны как «рябь пространства-времени».

В общей теории относительности и в большинстве других современных теорий гравитации гравитационные волны порождаются движением массивных тел с переменным ускорением. Гравитационные волны свободно распространяются в пространстве со скоростью света. Ввиду относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) эти волны имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО). Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами обсерватории LIGO, на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух чёрных дыр и образования одной более массивной вращающейся чёрной дыры. Косвенные свидетельства их существования были известны с 1970-х годов — ОТО предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем двойных звёзд за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн. Прямая регистрация гравитационных волн и их использование для определения параметров астрофизических процессов является важной задачей современной физики и астрономии.

Если представить себе наше пространство-время как сеть координат, то гравитационные волны — это возмущения, рябь, которая будет бежать по сетке, когда массивные тела (например, черные дыры) искажают пространство вокруг себя.

Это можно сравнить с землетрясением. Представьте, что вы живете в городе. В нем есть какие-то маркеры, которые создают городское пространство: дома, деревья и так далее. Они неподвижны. Когда где-то поблизости от города происходит крупное землетрясение, колебания доходят до нас — и колебаться начинают даже неподвижные дома и деревья. Вот эти колебания и являются гравитационными волнами; а объекты, которые колеблются, — это пространство и время.

Почему ученые так долго не могли зарегистрировать гравитационные волны?

Конкретные усилия по обнаружению гравитационных волн начались в послевоенный период с несколько наивных устройств, чувствительности которых, очевидно, не могло хватить для регистрации таких колебаний. Со временем стало понятно, что детекторы для поиска должны быть очень масштабные — и они должны использовать современную лазерную технику. Именно с развитием современных лазерных технологий появилась возможность контролировать геометрию, возмущения которой и являются гравитационной волной. Мощнейшее развитие технологий сыграло ключевую роль в этом открытии. Какими бы гениальными ни были ученые, еще 30–40 лет назад сделать это было технически просто невозможно.

Почему обнаружение волн так важно для физики?

Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном в общей теории относительности около ста лет назад. Все XX столетие находились физики, которые ставили под сомнение эту теорию, хотя появлялось все больше и больше подтверждений. И наличие гравитационных волн — это такое критическое подтверждение теории.

Кроме того, до регистрации гравитационных волн о том, как ведет себя гравитация, мы знали только на примере небесной механики, взаимодействия небесных тел. Но было понятно, что гравитационное поле имеет волны и пространство-время может деформироваться подобным образом. То, что мы до этого не видели гравитационных волн, было белым пятном в современной физике. Сейчас это белое пятно закрыто, положен еще один кирпич в основание современной физической теории. Это фундаментальнейшее открытие. Ничего сравнимого за последние годы не было.

«В ожидании волн и частиц» — документальный фильм про поиск гравитационных волн (автор Dmitry Zavilgelskiy)

Есть в регистрации гравитационных волн и практический момент. Наверное, после дальнейшего развития технологий можно будет говорить о гравитационной астрономии — о том, чтобы наблюдать следы наиболее высокоэнергичных событий во Вселенной. Но сейчас говорить об этом рано, речь идет только о самом факте регистрации волн, а не о выяснении характеристик объектов, которые генерируют эти волны.

По материалам сайтов Википедия и Медуза

Что создает гравитационные волны? | Astronomy.com

Подобно лодке, которая создает волны на озере, скользя вперед по воде, звезды и другие тела во Вселенной создают рябь в ткани пространства-времени.

По
Дэвид Дж. Эйчер |
Опубликовано: понедельник, 1 июля 2019 г.

ПОХОЖИЕ ТЕМЫ:
ВЕЛИКИЕ ЗАГАДКИ | ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ

ВОЛНИСТЫЙ УДАР. 90 010 Взрывы сверхновых, подобные тому, который породил Крабовидную туманность (M1) в созвездии Тельца в 10 54 году, являются значительными источниками гравитационных волн.

НАСА/Группа наследия Хаббла

В 1916 году Альберт Эйнштейн произвел революцию в нашем понимании Вселенной, опубликовав свою общую теорию относительности. В нем физик немецкого происхождения описал сложную взаимосвязь между тканью пространства-времени и массой небесных тел. Пространство-время представляет собой комбинацию трех пространственных направлений (высоты, ширины и глубины) с измерением времени.

По словам Эйнштейна, самый простой способ интерпретировать гравитационные взаимодействия — представить пространственно-временной континуум растяжимым материалом, который изгибается, когда массивные объекты «сидят» внутри него. Хотя эта двухмерная аналогия не отражает того, что происходит в четырехмерном пространстве-времени, она служит подходящей моделью.

Принесите вселенную к вашей двери. Мы рады объявить о новой коробке подписки журнала Astronomy «Космос и дальше» — ежеквартальном приключении, в каждой коробке которого собрана коллекция на астрономическую тематику. Подробнее >>.

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. Черные дыры являются важными источниками гравитационных волн. На этом изображении показана центральная сверхмассивная галактика, питающая активную галактику PKS 0521–36.

Dana Berry/STScI

Когда вы туго растягиваете гибкий пластиковый лист и кладете на него мяч для софтбола, сила тяжести вокруг мяча толкает лист вниз и изгибает ткань. То же самое происходит и в четырехмерной вселенной. Рядом с реальными массивными объектами, обладающими сильным гравитационным притяжением, «ткань» пространства-времени искривляется и растягивается.

Массивные объекты вызывают еще один эффект в ткани пространства-времени. Точно так же, как лодка создает волны на озере, скользя вперед по воде, звезды и другие тела во Вселенной создают рябь в ткани пространства-времени, когда они движутся. Астрономы называют эту рябь гравитационными волнами.

Огромные объекты, такие как черные дыры, создают более сильные гравитационные волны, чем менее массивные объекты. Точно так же объекты, быстро движущиеся в пространстве, создают более устойчивые гравитационные волны, чем более медленные. Однако когда эти сигналы гравитационных волн наконец достигают Земли, они чрезвычайно слабы. Подобно волнам в воде, гравитационные волны ослабевают по мере их удаления от источника. Таким образом, гравитационные волны трудно обнаружить и интерпретировать, когда они достигают нас из разных отдаленных мест.

Но после многих лет поисков, в конце 2015 года, исследователи наконец обнаружили первый четкий сигнал гравитационной волны, проходящей через Землю. Этот сигнал, получивший название GW150914, возник в результате слияния двух черных дыр с общей массой примерно в 60 солнц. С тех пор ученые подтвердили сигналы гравитационных волн от четырех дополнительных сливающихся пар черных дыр, а также от сливающейся пары нейтронных звезд.

Благодаря этим обнаружениям астрономы теперь знают, что взаимодействие двух компактных и массивных тел обычно вызывает гравитационные волны. Взаимодействия могут быть между двойными черными дырами или нейтронными звездами, но они также могут быть между сливающимися галактиками или обычными звездами, которые просто сталкиваются друг с другом.

ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЗВЕЗДА. Гравитационные волны исходят от самых разных объектов, включая пульсары, быстро вращающиеся нейтронные звезды. Используя Rossi X-ray Timing Explorer НАСА, астрономы в 2003 году нашли верхний предел вращения пульсара, основываясь на вспышке пульсара, показанной на этой серии иллюстраций.

Дана Берри/STScI

Чтобы обнаружить эти слабые сигналы гравитационных волн, астрономы используют технику, называемую интерферометрией. Две большие пробные массы, расположенные на большом расстоянии друг от друга, служат детекторами. Массы могут свободно перемещаться во всех направлениях, а лазеры непрерывно измеряют точное расстояние между ними. Когда через них проходит гравитационная волна, космическая рябь заставляет их расстояние слегка колебаться. Это оригинальный метод, и ученые использовали такие устройства в нескольких местах по всему миру для поиска гравитационных волн.

Усовершенствованная лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), совместный проект Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института, расположена в двух местах: одно в Хэнфорде, штат Вашингтон, а другое в Ливингстоне, штат Луизиана. Объединение с LIGO представляет собой сотрудничество Virgo под руководством Франции и Италии, которое управляет усовершенствованным интерферометром Virgo, третьим детектором гравитационных волн, который позволяет исследователям лучше определять источники событий гравитационных волн, подобных тем, которые были обнаружены в последние годы.

Помимо всех этих наземных проектов, Европейское космическое агентство (ЕКА) планирует запустить в 2034 году космическую антенну лазерного интерферометра (LISA). NASA запустила спутник LISA Pathfinder в 2016 году. Поскольку Pathfinder намного превзошел ожидания, проект LISA, вероятно, предоставит лучшую обсерваторию для обнаружения гравитационных волн и даст астрономам важные сведения о взаимодействии материи и пространства-времени, а также о том, как Вселенная Пришел что бы быть.

Гравитационные волны | Brilliant Math & Science Wiki

Содержание

Что такое гравитационные волны?
Работа расширенного LIGO
Математика гравитационных волн в общей теории относительности
использованная литература

Утверждение, что гравитационные волны распространяют возмущения кривизны пространства-времени, означает, что гравитационные волны влияют на расстояния, измеряемые между объектами, когда они проходят через них. Как и световые волны, гравитационные волны имеют разную поляризацию. Эти поляризации характеризуются тем, как гравитационные волны с определенной поляризацией действуют на круговое кольцо масс. Когда гравитационная волна с определенной поляризацией проходит через кольцо масс, она искажает расположение масс по характерной схеме. Две поляризации гравитационных волн называются поляризациями «+++» и «×\times×», что соответствует двум характерным моделям колебаний во времени кругового кольца масс, когда через них проходят гравитационные волны с этими поляризациями:

Слева: колебания кольца масс при прохождении через них +++ поляризованной гравитационной волны. Справа: тот же эффект с гравитационной волной ×\times× поляризации [1].

Относительное изменение измеренного расстояния между двумя массами при прохождении через них гравитационной волны называется деформацией .

Особенно сильным источником гравитационных волн являются вдохновляющие двойные системы. Это две звезды или черные дыры, вращающиеся вокруг общего центра масс. Поскольку они излучают гравитационные волны (и, следовательно, энергию) по всей своей орбите, радиус орбиты медленно уменьшается до тех пор, пока звезды и черные дыры не столкнутся. Если две звезды/черные дыры, каждая с массой MMM, вращаются вокруг друг друга с угловой частотой Ω\OmegaΩ и радиусом RRR относительно их центра вращения, величина напряжений на расстоянии rrr от двойной системы колеблется как функция времени ttt, примерно [ 4]: 92 \cos \left(2\Omega \Big(t — \frac{r}{c} \Big) \right),h=rc48GMΩ2R2cos(2Ω(t−cr)),

, где GGG — ньютоновская гравитационная постоянная, а ccc – скорость света. Таким образом, величина деформаций, вызванных гравитационными волнами, падает обратно пропорционально расстоянию от источника. Поскольку большинство двойных систем звезд/черных дыр находятся далеко от Земли, самые сильные сигналы гравитационных волн будут исходить либо от очень массивных, либо от очень быстро вращающихся двойных систем. {-26}h=10−26. Это означает, что если две массы разделены расстоянием LLL, то изменение расстояния ΔL\Delta LΔL, вызванное проходящей гравитационной волной, удовлетворяет 9{-15}10−15 метров. Если 4 км4 \text{ км}4 км плечо аппарата Advanced LIGO смещается всего на радиус протона, какому напряжению это соответствует? (Что это говорит об обнаруживаемости гравитационных волн?)

Гравитационные волны не только вызывают колебания системы свободных масс, но и вызывают так называемый эффект памяти , при котором свободная система масс, через которую прошли гравитационные волны, она навсегда смещена от своей первоначальной конфигурации. Недавние работы по физике высоких энергий исследовали существование эффектов памяти и для других фундаментальных сил природы.

Поскольку прямые сигналы гравитационных волн незначительны, в течение десятилетий единственным доказательством существования гравитационных волн было косвенное. Вместо того, чтобы непосредственно наблюдать деформации, вызванные гравитационными волнами, астрономы смогли наблюдать в 1974 году уменьшение периода вращения двойной звездной системы с течением времени из-за потери энергии гравитационными волнами. Эта система, известная как PSR B1913+16 или двойная система Халса-Тейлора в честь ее первооткрывателей, состоит из нейтронной звезды и пульсара (излучающей нейтронной звезды). Нейтронные звезды очень плотные и маленькие, поэтому период вращения этой системы был очень мал. Пульсар испускает излучение в виде луча, который можно наблюдать, только если он направлен на Землю, что обеспечивает очень точные часы для измерения периода вращения. Согласно общей теории относительности мощность, излучаемая такой двойной системой, составляет [4] 95},P=−52c5R5G4M5,

, где MMM — масса каждой звезды (при условии, что они примерно равны), RRR — расстояние каждой звезды до центра вращения, а GGG — гравитационная постоянная Ньютона. Эта потеря мощности заставляет бинарную систему вдыхать все быстрее и быстрее, поскольку, как только система начинает вдыхать быстрее, она излучает гравитационные волны быстрее, что, в свою очередь, вызывает более быстрое вдыхание. Ниже приведены данные системы Халса-Тейлора для изменения периода вращения во времени по сравнению с предсказанием теории гравитационных волн. 5} .P=−52c5R5G4M5. 9{1/2}?Ω=(4R3GM)1/2?

Хотя деформации, вызванные гравитационными волнами, незначительны, их можно измерить непосредственно с помощью методов лазерной интерферометрии. Это метод, используемый Обсерваторией усовершенствованных лазерных интерферометров гравитационных волн (Advanced LIGO), которая 14 сентября 2015 года напрямую обнаружила гравитационные волны от слияния двойных черных дыр, которое теперь называется GW150914.

Вид с воздуха на один из детекторов Advanced LIGO. 9{-22}ч≈10−22. Два детектора необходимы, потому что один детектор не сможет определить положение источника гравитационных волн и обеспечить дополнительную проверку кажущегося сигнала. Каждый детектор состоит из двух плеч длиной по четыре километра. Свет от лазера Nd:YAG с длиной волны 1064 нм1064 \text{ нм}1064 нм попадает в светоделитель, который разделяет луч на каждое плечо детектора. В каждом плече лазерный свет усиливается до мощности 100 кВт100 \text{кВт}100 кВт, отражаясь между двумя зеркалами («пробными массами»), расположенными на обоих концах плеча. Проходящая гравитационная волна изменяет расстояние между зеркалами на коэффициент, определяемый деформацией гравитационной волны.

Схема устройства Advanced LIGO, модифицированного интерферометра Майкельсона. Лазерный свет неоднократно проходит через руки, улавливая небольшие фазовые сдвиги от любого смещения зеркал из-за гравитационных волн. Это приводит к интерференционной картине, наблюдаемой на фотодетекторе [5].

Рукава детектора хорошо изолированы как от сейсмических, так и от тепловых шумов, поскольку любые мельчайшие вибрации, вызванные тектонической активностью Земли или тепловыми колебаниями, могут значительно подавить сигналы гравитационных волн. Зеркала, между которыми прыгает лазер в каждом плече, подвешены на виброизолирующих платформах и находятся в условиях экстремального вакуума при температуре около одной миллионной доли одного Кельвина, при такой низкой энергии, что сами зеркала находятся вблизи своего основного квантового состояния [7]. .

Трудным для контроля эффектом является квантовая флуктуация количества фотонов в лазерах в резонаторе. Это проблема, потому что свет оказывает давление на объекты, когда отражается от них; следовательно, неопределенность в количестве фотонов приводит к неопределенной/колеблющейся величине давления на зеркала в полости, которое может превысить смещения зеркал из-за гравитационных волн. В лазерах флуктуация числа фотонов измеряется квадратным корнем из числа фотонов. Хотя из-за этого факта кажется, что использование менее мощного лазера уменьшит эту проблему, существует соотношение неопределенности число-фаза, которое означает, что фаза света становится более неопределенной по мере того, как становится более определенным число фотонов, что также создает проблема измерения деформации, как обсуждается ниже.

Изменение смещения между зеркалами в каждом плече измеряется с использованием того факта, что свет имеет фазу. Если расстояние между зеркалами увеличится на небольшую величину, лазерный свет в руке пройдет немного больше длины волны, прежде чем отразиться от зеркал, и, таким образом, немного сдвинет свой фазовый угол. В Advanced LIGO лазерный луч в каждой полости многократно циклически повторяется от конца до конца каждого плеча, каждый раз собирая небольшое фазовое накопление. Это в конечном итоге усиливает любую гравитационно-волновую деформацию в триста раз [6]. 9{-21}h=10−21, каков фазовый сдвиг лазерного луча, пересекающего плечо детектора при максимальном смещении по сравнению с отсутствием смещения, в радианах?

См. Гравитационные волны.

Ниже приведен график теоретически ожидаемого сигнала деформации детектора Advanced LIGO в процессе слияния черных дыр. Поскольку черные дыры быстро закручиваются прямо перед объединением, возникает быстрый колебательный всплеск, который переходит в устойчивое состояние.

По мере уменьшения расстояния между черными дырами черные дыры быстро вращаются друг вокруг друга, испуская гравитационные волны в сторону детектора в большом всплеске [6].

Наконец, ниже представлены экспериментальные данные Advanced LIGO. Как показано, данные не только хорошо согласуются с моделью, но фактически звук слияния черных дыр можно непосредственно услышать в характерном «чирикающем» шуме, когда двойная система черных дыр испускает массивный всплеск гравитационных волн в своем пространстве. последние мгновения перед слиянием.

Вверху слева: деформация во времени в Вашингтонском детекторе. Вверху справа: деформация детектора Луизианы с течением времени, с наложенными данными детектора Вашингтона. Второй ряд: теоретические модели общей теории относительности для деформации во времени сигнала от этого слияния бинарных черных дыр. Третий ряд: практически случайный остаточный график, показывающий отсутствие серьезных систематических ошибок. Последняя строка: частотный спектр во времени сигнала гравитационной волны в каждом детекторе. С течением времени сигнал самой сильной частоты увеличивается, что соответствует «чирикающему» шуму [6]. 92Е=мс2. Уровень сигнала имел статистическую значимость 5,1 σ5,1\,\sigma5,1σ, что означает, что вероятность того, что такой сигнал является ложноположительным, составляет 0,000036%0,000036\%0,000036%. Как цитируется в статье Advanced LIGO, «это было первое прямое обнаружение гравитационных волн и первое наблюдение слияния двойных черных дыр» [6].

В общей теории относительности способ изменения измеренных расстояний в зависимости от пространства и времени кодируется математическим объектом, называемым метрикой. Чтобы понять математику гравитационных волн, необходимо понять, что такое метрика и как она представлена. Вот краткое резюме: метрика — это матрица, компоненты которой описывают фактор, на который изменяются измеренные расстояния. В общем случае компоненты метрики являются функциями пространства и времени. Гравитационные волны окажутся возмущениями плоской метрики пространства-времени, подчиняющимися волновому уравнению.

В явном виде гравитационные волны представляются как возмущения плоской метрики Минковского, т. е. метрика записывается как

gµν=ηµν+hµν,g_{\mu \nu} = \eta_{\mu \nu} + h_{\ mu \nu},gµν=ηµν+hµν,

, где ηµν\eta_{\mu \nu}ηµν — метрика Минковского diag(−1,1,1,1)\text{diag} (- 1,1,1,1)diag(−1,1,1,1) и hμνh_{\mu \nu}hμν — малое возмущение, т. е. каждая компонента по величине намного меньше единицы. Инвариантный интервал для полной метрики gµνg_{\mu \nu}gµν можно записать следующим образом [4]: 9j,ds2=-(1+2Φ)dt2+wi(dtdxi+dxidt)+[(1−2Ψ)δij+2sij]dxidxj,

, где Φ\PhiΦ, wiw_iwi, Ψ\PsiΨ и sijs_ {ij}sij описывают различные возможные виды возмущений. Возмущение sijs_{ij}sij представляет собой бесследовый симметричный тензор, который, как окажется, представляет собой гравитационные волны или составляющую их частицу, гравитон . Поскольку sijs_{ij}sij является матрицей, ее часто называют тензорным возмущением метрики; он бесследен, потому что его след был разделен на термин δij\delta_{ij}δij выше. Вычисление степеней свободы sijs_{ij}sij, как в приведенной ниже задаче, представляет собой интересную задачу, потому что именно так гравитационные режимы струны идентифицируются в теории струн.

12(d+2)(d−1)\frac12 (d+2)(d-1)21(d+2)(d−1)

12(d+1)(d−1)\frac12 (d+1)(d-1)21(d+1)(d−1)

12d(d+1)\frac12 d(d+1)21d(d+1)

12d(d−3)\frac12 d(d-3)21d(d−3)

Сколько степеней свободы у гравитона? То есть, сколько независимых компонентов содержится в (d−2)×(d−2)(d-2) \times (d-2)(d−2)×(d−2) бесследовой, симметричной, квадратной матрице ? 92}.□sij=0⟺c21∂t2∂2sij=∂x2∂2sij+∂y2∂2sij+∂z2∂2sij.

Поскольку все возмущения, кроме sijs_{ij}sij, равны нулю в этой калибровке, обычно просто работают непосредственно с hµνh_{\mu \nu}hµν, что просто выглядит как матрица

hµν=(0000002sij0). h_{\mu \nu} = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 &&&\\0&&2s_{ij} & \\ 0 &&& \end{pmatrix}.hμν=⎝⎜⎜⎛0000 002sij0⎠⎟⎟⎞.

Компоненты hμνh_{\mu \nu}hμν, т. е. компоненты sijs_{ij}sij, являются в точности упомянутыми выше напряжениями hhh, но в разных направлениях для каждого компонента. Рассмотренные выше поляризации «+++» и «×\times×» относятся к двум возможным действиям этих деформаций на геодезические частицы, движущиеся в этой возмущенной метрике. Используя этот формализм и более обширную математику общей теории относительности, можно вычислить приведенные выше формулы для величин деформации как функции пространства и времени, а также мощности, излучаемой двойной системой черных дыр.

[1] Изображение с https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave под лицензией Creative Commons для повторного использования и модификации.

[2] К. Маклин, К. Перута и Л. Коминский. Прямое наблюдение за гравитационными волнами: руководство для преподавателей . Образовательная и общественная группа СГУ, Государственный университет Сонома, Ронерт-Парк, Калифорния. https://dcc.ligo.org/public/0123/P1600015/004/LIGOEdGuide_Final.pdf

[3] «Нобелевская премия по физике 2017». Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Интернет. 4 октября 2017 г. org/nobel_prizes/physics/laureates/2017/>

[4] Кэрролл, Шон. Пространство-время и геометрия: введение в общую теорию относительности . Сан-Франциско: Pearson, 2004.

[5] Weisberg, JM; Тейлор, Дж.Х. (июль 2005 г.). Релятивистский двойной пульсар B1913+16: тридцать лет наблюдений и анализа . Написано в Аспене, Колорадо, США. В Ф. А. Расио; И.Х. Лестница. Бинарные радиопульсары. Серия конференций ASP. Сан-Франциско: Тихоокеанское астрономическое общество. п. 25.

[6] Б.П. Эббот и др. Наблюдение гравитационных волн от слияния бинарных черных дыр . PRL 116 , 061102 (2016).

[7] Б.П. Эббот и др. Наблюдение осциллятора килограммового масштаба вблизи его основного квантового состояния . New Journal of Physics, том 11, июль 2009 г.

Процитировать как:
Гравитационные волны.
Brilliant.org .
Извлекаются из
https://brilliant.