Гравитационные волны обнаружены: Гравитационные волны обнаружены

Гравитационные волны обнаружены — KP.RU

Комсомольская правда

НаукаНаука: Клуб любознательных

Владимир ЛАГОВСКИЙ

11 февраля 2016 19:30

Сбылось предсказание Альберта Эйнштейна, сделанное 100 лет назад [видео]

Подтвердились слухи, которые несколько дней витали в научном мире: гравитационные волны действительно обнаружены

Подтвердились слухи, которые несколько дней витали в научном мире: гравитационные волны действительно обнаружены. Об этом было объявлено 11 февраля на специальной пресс-конференции в Национальном пресс-клубе в Вашингтоне. Среди авторов открытия — исследователей, объединенных в международную коллаборацию LIGO, есть и российские ученые. Собрал их член-корреспондент РАН Владимир Брагинский, профессор физического факультета МГУ и Калифорнийского технологического института. Ныне коллектив возглавляет профессор Валерий Митрофанов.

Согласно Общей теории относительности, которую Альберт Эйнштейн обнародовал в 1916 году, гравитационные волны просто обязаны существовать в виде эдакой ряби в ткани пространства-времени. Особо интенсивно их должны распространять катаклизмы, постоянно происходящие во Вселенной — например, взрывы сверхновых звезд, образующиеся и сливающиеся черные дыры. Ученые полагали: возникшие в результате гравитационные волны, распространяясь словно круги по воде, рано или поздно достигнут Земли. Где и могут быть уловлены с помощью приборов — гравитационных обсерваторий. Гравитационная обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — одна из крупнейших в мире. Состоит из двух исследовательских установок. Одна находится в Ливингстоне, штат Луизиана (Livingston, Louisiana), а другая — на расстоянии более 3000 км, в Ханфорде, штат Вашингтон (Hanford, Washington). Лов на них продолжался с 2002 по 2010 год. Но безрезультатно. Словно бы гравитационных волн вообще в природе не было. А Эйнштейн, стало быть, заблуждался.

Обсерватория Advanced LIGO.

Суть ловли проста. Два лазерных луча направляют перпендикулярно друг другу по трубам большой длины. В LIGO длина каждой трубы 4 километра. Потом с помощью зеркал лучи сводят в один. И смотрят на результат — на интерференционную картину. Если гравитационная волна придет, то она сожмет пространство в одном направлении и растянет в перпендикулярном. Расстояния, пробегаемые лучами, изменятся. И это будет видно на картинке, которая представляет из себя концентрические окружности. Но ничего такого видно не было.

Ныне обсерваторию модернизировали и назвали Advanced LIGO. Приборы, предназначенные для ловли, так называемые лазерные интерферометры, стали чувствительнее. И это дало результат.

По слухам, ученым удалось зафиксировать аж три гравитационные волны, источники которых находятся в созвездиях Золотая Рыба, Овен и Гидра. Однако на пресс-конференции они объявили лишь об одном источнике — о двух слившихся черных дырах.

Массы черных дыр, вызвавших сотрясение ткани пространства-времени, в 29 и 36 раз превышают массу Солнца. А слились они в объект, который стал в 62 раза тяжелее нашего светила. Это случилось 1,3 миллиарда лет назад — столько времени гравитационные волны «катились» до обсерватории. И попались там 14 сентября 2015 года.

Слившиеся черные дыры, пустившие гравитационные волны по ткани пространства-времени, находились в 1,3 миллиарда световых дет от Земли. Катились к нам со скоростью света.

КОММЕНТАРИЙ СПЕЦИАЛИСТА

Новое окно во Вселенную

Российские ученые занимались, похоже, самым главным — повышением чувствительности приборов обсерватории.

— Мы изменили форму антенн, чтобы свести к минимуму посторонние шумы, — говорит один из авторов открытия, научный директор Российского квантового центра, профессор МГУ Михаил Городецкий. — Подобрали и оптимальный материал для зеркал — плавленый кварц. Коллеги предлагали кристаллический сапфир, который на проверку оказался более «шумным».

Чувствительность обсерватории, в итоге, стала феноменальной.

— На четыре километра регистрируемое отклонение составляет лишь 10 в минус 19 степени метра – это в 10000 раз меньше диаметра протона — ядра атома водорода, — сообщил Городецкий.

По словам ученого, с обнаружением гравитационных волн началась новая эра – гравитационно-волновой астрономии. Появился еще один инструмент для исследования Вселенной.

Гравитационные волны ловят посредством лазерных интерферометров.

— У нас теперь есть «уши», которыми мы можем слушать Вселенную, — говорит ученый. — Я не шучу: частоты гравитационных волн, регистрируемые LIGO, фактически звуковые – сотни герц, килогерцы, их можно переложить в звук и слушать как чириканье птиц. Мы будем фиксировать интереснейшие события. Проверим теорию относительности на таком уровне точности, который недоступен для других методов. Проверим новые теории и, возможно, приблизиться к созданию квантовой теории гравитации. Или даже к теории великого объединения.

— Сейчас у нас всего два детектора, — объясняет Городецкий. — Однако даже с ними мы можем определить массы объектов. И по времени задержки — примерное положение на небе. Для двух антенн локализация получается не очень хорошая – некоторая дуга на небе. Но когда полностью заработает третья Европейская гравитационная антенна в Италии, методом триангуляции мы сможем определять положение источников достаточно точно.

По словам ученого, это позволит оперативно нацеливать в район, откуда исходят гравитационные волны, оптические и радиотелескопы, для исследования их источников традиционными методами.

Как выглядит модель гравитационной волны?

Ученые из нескольких стран, работающие в составе международного проекта LIGO Scientific Collaboration, сообщили, что им удалось зафиксировать в лабораторных условиях гравитационные волны

КСТАТИ

Астрофизик объяснил, почему на Земле так долго не могли обнаружить гравитационные волны

Ученые сообщили сенсационную для науки новость: на Земле удалось зафиксировать гравитационные волны. Некий космический катаклизм вызвал искривление пространства-времени больше миллиарда лет назад. Несмотря на обилие научной терминологии, объяснить произошедшее можно и проще (подробности)

Читайте также

Возрастная категория сайта 18+

Сетевое издание (сайт) зарегистрировано Роскомнадзором, свидетельство Эл № ФС77-80505 от 15 марта 2021 г.

ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР — НОСОВА ОЛЕСЯ ВЯЧЕСЛАВОВНА.

И.О. ШЕФ-РЕДАКТОРА САЙТА — КАНСКИЙ ВИКТОР ФЕДОРОВИЧ.

АВТОР СОВРЕМЕННОЙ ВЕРСИИ ИЗДАНИЯ — СУНГОРКИН ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ.

Сообщения и комментарии читателей сайта размещаются без
предварительного редактирования. Редакция оставляет за собой
право удалить их с сайта или отредактировать, если указанные
сообщения и комментарии являются злоупотреблением свободой
массовой информации или нарушением иных требований закона.

АО «ИД «Комсомольская правда». ИНН: 7714037217 ОГРН: 1027739295781
127015, Москва, Новодмитровская д. 2Б, Тел. +7 (495) 777-02-82.

Исключительные права на материалы, размещённые на интернет-сайте
www. kp.ru, в соответствии с законодательством Российской
Федерации об охране результатов интеллектуальной деятельности
принадлежат АО «Издательский дом «Комсомольская правда», и не
подлежат использованию другими лицами в какой бы то ни было
форме без письменного разрешения правообладателя.

Приобретение авторских прав и связь с редакцией: [email protected]

Гравитационные волны обнаружены – Алексей Алексенко – Наука и технологии – Материалы сайта – Сноб

В каком-то смысле повторилась история с открытием бозона Хиггса: сперва в середине января в научно-популярных ресурсах распространилась молва, что ученые коллаборации LIGO наконец-то обнаружили гравитационные волны. Мы тоже приняли участие в распространении этих слухов. Затем поступила серия официальных опровержений (впрочем, звучавших лукаво и неубедительно, мол, «слухи — они слухи и есть, а мы знать ничего не знаем»). И наконец, вот в эту минуту, когда мы пишем эти строки, ученые LIGO готовятся к пресс-конференции, на которой тайное наконец станет явным. А когда читатели это прочтут, вся правда выйдет наружу.

Из-за чего сыр-бор? Стоят ли гравитационные волны всей этой шумихи? В научно-популярном жанре есть две традиции. Одна — чуждая нам, западная: по возможности раздувать все научные сенсации, потому что только так можно достучаться до заплывшего жиром обывательского мозга. Другая традиция — отечественная. После объявления о важном открытии (сделанном, как вы понимаете, не в России) отечественные специалисты непременно дают комментарий, что, мол, не надо все упрощать, вы неправильно поняли, в науке все так запутанно и скучно, что обывателю с его суконным рылом не стоит беспокоиться. Так было, например, после открытия «девятой планеты»: бесконечно уважаемый мною ресурс «Постнаука» немедленно разъяснил, как там все на самом деле непросто, непонятно, и вообще никакой планеты, может быть, и нету.

Мы пойдем на поводу у этой отечественной традиции и начнем с того, что гравитационные волны никто не открывал. То есть доказательство их существования получено давным-давно, сами они банальны, как репа на блюде, и обыватель может спокойно отправляться читать колонку Ксении Собчак про снос торговых палаток возле метро. Ну а потом мы все же немного объясним, что сделали ученые из LIGO и почему они заслуживают Нобелевской премии.

Что такое гравитационные волны

Всемирное тяготение — очень простая штука: есть здоровенное Солнце, и мы отсюда, за полтораста мильонов километров, чувствуем его массу. Пока Солнце висит там, где оно есть, мы летаем вокруг него по орбите. Если Солнце вдруг — ну представим себе такое — начнет подергиваться, мы (то есть наша орбита) тоже будет подергиваться в такт.

Можно будет даже сделать машинку, которая превратит эти подергивания, к примеру, в электричество. Приделаем к ней лампочку, и лампочка загорится. Откуда энергия? Да от этих солнечных подергиваний. Как эта энергия дошла бы к нам через вакуум? Обычную энергию Солнца несут к нам фотоны, то есть электромагнитное поле. Но гравитация не очень похожа на электромагнитное поле: если верить Эйнштейну, это просто (просто? Ха-ха!) искривление ткани пространства-времени. И если эту ткань дергать и морщить, то по ней побежит рябь. Эта рябь донесет нам энергию, которой, при удачном раскладе, хватило бы на лампочку.

А если не делать машинку с лампочкой? Если вообще нас бы тут не было, а было бы только подергивающееся Солнце — оно бы все равно разбрасывало по сторонам гравитационную энергию? Похожим вопросом в свое время задался Эрнст Мах (тот самый, с которым спорил Владимир Ильич Ленин, не поняв ни слова в его статьях). Мах тогда решил, что если бы во Вселенной ничего не было, то и всякие подергивания и прочие ускорения не имели бы никакого смысла. Именно его сомнительные рассуждения и вдохновили Эйнштейна на Общую теорию относительности. В результате оказалось, что Мах, вообще говоря, не прав. Дергающаяся масса даже в совершенно пустом пространстве будет рассеивать энергию. Если ее не поймать, она просто улетит в бесконечность. И раз энергия сохраняется, она должна от дергающейся массы перейти к чему-то еще, тоже материальному. Вот это «что-то еще» и есть гравитационные волны — странная, но вполне материальная штука. И, если задуматься чуть-чуть, штука вполне естественная, понятная и неизбежная.

Теперь ближе к практике. С чего бы Солнцу подергиваться? Оно могло бы, в принципе, это делать, если бы было двойной звездой: летали бы две половинки Солнца друг вокруг дружки, и тогда мы бы точно дергались в такт этим движениям. Но Солнце — не двойная звезда. Самое похожее на вторую звезду, что у нас тут в окрестностях имеется, — это планета Юпитер. И действительно, Солнце и Юпитер немножко дергаются в такт своему орбитальному движению. Можно даже рассчитать, по Эйнштейну, сколько именно энергии рассеивает в космос эта гравитационная парочка. Результат такой: пять киловатт. Это примерно мощность электрического водонагревателя у меня в ванной. В домашнем быту — вполне полезный энергетический приварок, да вот беда: эти пять киловатт рассеиваются по всей Солнечной системе, улетают дальше, в открытый космос, и никак эту энергию не поймать. А все потому, что гравитация — довольно слабенькая сила, по сравнению с электричеством.

Чтобы эта сила стала заметной, надо просто взять массу побольше и дергать ее посильнее. Например, можно взять систему из двух звезд, одна из которых — нейтронная (то есть пульсар). Такую систему (PSR B1913+16) как раз и изучили Рассел Халс и Джозеф Тейлор-младший. Как и следовало ожидать, система теряла энергию за счет гравитационных волн, и за это Халс и Тейлор получили Нобелевскую премию. Потому что тогда казалось, что лучшего доказательства реальности этих волн мы никогда не получим. Можно бы, конечно, взять систему из двух бешено вращающихся и сливающихся черных дыр, там бы эффект был посильнее, да только кто эти дыры видел?

Суммируем вышесказанное: идея гравитационных волн лежит на поверхности, а их существование доказано четверть века назад. В чем же сенсация?

Как поймали гравитационные волны

Сенсация в том, что эти волны, собственно, удалось зарегистрировать. То есть увидеть не убыль энергии в системе из двух дергающихся масс, а прибыль энергии в другом месте. А именно тут, у нас, на земле, в эксперименте LIGO («Лазерно-интерференционная гравитационная обсерватория», как мы когда-то уже приблизительно расшифровали эту аббревиатуру).

Гравитационная волна, по Эйнштейну, это возмущение метрики пространства-времени. Если попроще, то это некое подергивание расстояния между двумя точками. Две точки неподвижны, но расстояние между ними слегка меняется из-за того, что вздрагивает само пространство. Насколько сильно меняется? Амплитуда гравитационной волны измеряется тем, насколько короче стал, например, 1 метр. То есть ее меряют в единицах «метр на метр», то есть безразмерных (если хотите, в процентах). Речь идет об амплитудах порядка 10 в минус 23-й степени (забегая вперед, именно такие волны и зарегистрировали физики).

Давайте прикинем, насколько это много или мало. Поскольку речь о волнах, то для наглядного примера возьмем звуковые волны. В натуральном ладу ноты до и си-диез — не совсем одно и то же, и матерые музыканты слышат эту разницу (а обычные музыканты — не всегда). На самом деле разница между соответствующими длинами волн составляет примерно 1%. То есть десять в минус второй степени. А там — в минус двадцать третьей. Нет никаких шансов уловить на слух разницу колебаний струны, вдруг удлинившейся из-за того, что ее растянуло случайно пролетевшей гравитационной волной.

Но гитаристы знают, что если у вас слух не очень хороший, то две струны можно настроить в унисон по «биениям». Принцип в том, что даже если длины волн (или частоты) различаются очень незначительно, то на большом расстоянии эта разница будет постепенно накапливаться, и в какой-то момент две волны, шедшие вначале бок о бок, сперва немного разойдутся, а когда-то и вовсе окажутся в противофазе. Ушами мы услышим ослабление звука, вернее, волну усилений и ослаблений, те самые «биения». Чем биения медленнее, тем точнее настроены две струны. Именно на этом принципе основан тот самый лазерный интерферометр, успех которого мы сегодня празднуем.

Грубо говоря, интерферометр — это два луча лазера, перпендикулярных друг другу. В точке встречи они могут ослаблять или усиливать друг друга, и если пространство «вздрогнет», то есть чуть-чуть сожмется в одном из этих направлений, картинка наложения лазерных лучей слегка изменится. Это изменение и поймали физики.

Трудность, конечно, в том, что сжатие пространства на одну-триллион-триллионную долю — это чертовски маленькое сжатие. Двум световым волнам из лазера, одна из которых вот настолечко короче другой, надо пробежать огромное расстояние, чтобы накопить заметное расхождение. Именно поэтому сам детектор LIGO имеет размер 4 км, а за счет хитрых инженерных приспособлений путь луча увеличивается еще на пару порядков. Инженерная сложность состоит в том, чтобы уловить изменения базы интерферометра за счет именно гравитационных волн, а не из-за того, к примеру, что отдельные фотоны колошматят своими тушками по зеркалу, отчего вся конструкция трясется. Да немало было и других сложностей: рассказать всю эту историю понятными словами нелегко, но все же гораздо проще, чем сделать реально работающую установку.

Именно эти проблемы и решал один из соавторов работы, наш соотечественник, профессор Физического факультета МГУ Михаил Городецкий. Там, в РКЦ, многое знают про лазеры, и это знание очень даже пригодилось международной коллаборации ученых. Именно эти разработки лежали в основе апгрейда детектора, состоявшегося в 2015 году. В результате, по словам Михаила, прошедшие полгода стали «эквивалентны 20 годам при прежней чувствительности» (первая порция финансирования на проект LIGO была выделена еще в 1992 году, а общая стоимость открытия составила 1 млрд долларов — стоимость примерно 10 км российской автострады, если вы понимаете, о чем я).  

Зачем нужны гравитационные волны

С точки зрения природы вопрос дурацкий: без гравитационных волн все будет нелогично, вплоть до абсурда, а природа это отчего-то ненавидит. А вот с нашей точки зрения вопрос имеет смысл. Так вот, волны эти нам нужны для того, чтобы увидеть Вселенную совершенно по-новому. До сих пор все люди — от девочки, августовской ночью пялящейся на звезды, до рентгеновских астрономов — видели космос с помощью электромагнитных волн. Теперь можно посмотреть на все это в «гравитационном свете». Вернее, в звуке: частота гравитационных волн по удачному совпадению почти равна частоте слышимого звука, то есть от сотни до тысячи герц. «Услышанное» детектором LIGO можно, в принципе, преобразовать в фонограмму и прослушать ушами. Готов ставить деньги, что этот фокус будет показан широкой публике в самое ближайшее время. И, кажется, мы уже писали, что «звук» от сливающихся черных дыр похож на воробьиный щебет, этакий «чвик», быстро меняющийся от низкого тона к высокому.

Впрочем, соавтор открытия заслуживает права сказать об этом своими собственными словами: «У нас появились “уши”, которыми мы можем слушать Вселенную. Частоты гравитационных волн, регистрируемые LIGO, фактически звуковые. Их можно переложить в звук и слушать, как чириканье птиц. Мы сможем фиксировать интересные события во Вселенной, кроме того, мы сможем проверить теорию относительности на таком уровне точности, который недоступен для других методов, проверить новые теории и, возможно, приблизиться к созданию квантовой теории гравитации или даже к теории великого объединения».

Вот какие блестящие перспективы. И даже если вклад наших соотечественников в это человеческое свершение состоял в том, чтобы приладить к интерферометру кварцевые зеркала, с точки зрения прогресса знаний это очень-очень немалый вклад. Поздравляем Михаила, а также всех остальных соавторов открытия. Мы за них искренне рады, потому что мы тоже человечество и нам все это небезразлично.

На этом мы и закончим наше краткое введение в гравитационные волны. А саму историю сейчас рассказывают ученые на пресс-конференции; самым любознательным читателям рекомендуем немедленно туда отправиться и услышать все своими ушами.

* Примечание:

Российские участники исследований были так любезны, что прислали в редакцию разъяснение:

«Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и группой Института Прикладной физики РАН (Нижний Новгород).

Московскую группу создал и вплоть до последнего времени возглавлял член-корреспондент РАН Владимир Борисович Брагинский — всемирно известный ученый, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире. В состав научной группы, включенной в число соавторов научного открытия, также входят профессора кафедры физики колебаний: Валерий Митрофанов (нынешний руководитель коллектива), Игорь Биленко, Сергей Вятчанин, Михаил Городецкий, Фарид Халили, доцент Сергей Стрыгин и ассистент Леонид Прохоров. Неоценимый вклад в исследования внесли студенты, аспиранты и технический персонал кафедры.

Группа Московского университета участвует в проекте с 1992 года. С самого начала основные усилия были направлены на повышение чувствительности гравитационно-волновых детекторов, определение фундаментальных квантовых и термодинамических ограничений чувствительности, на разработку новых методов измерений. Теоретические и экспериментальные исследования российских ученых нашли свое воплощение при создании детекторов нового поколения, позволивших непосредственно наблюдать гравитационные волны от слияния двух черных дыр».

источников и типов гравитационных волн | Лаборатория ЛИГО

Художественное изображение столкновения нейтронной звезды после вдоха. [Источник: НАСА/Свифт/Дана Берри]

Каждый массивный объект, который ускоряется, создает гравитационные волны. Сюда входят люди, автомобили, самолеты и т. д., но массы и ускорения объектов на Земле слишком малы, чтобы сделать гравитационные волны достаточно большими, чтобы их можно было обнаружить с помощью наших инструментов. Чтобы найти достаточно большие гравитационные волны, нам нужно заглянуть далеко за пределы нашей Солнечной системы.

Оказывается, Вселенная заполнена невероятно массивными объектами, которые испытывают быстрые ускорения, которые по своей природе генерируют гравитационные волны, которые мы можем обнаружить. Примерами таких вещей являются вращающиеся вокруг пары черных дыр и нейтронных звезд или массивные звезды, взрывающиеся в конце своей жизни. Ученые LIGO определили четыре категории гравитационных волн в зависимости от того, что их генерирует: непрерывные, компактные бинарные спиральные, стохастические и взрывные. Каждая категория объектов генерирует уникальный или характерный набор сигналов, которые могут воспринимать интерферометры LIGO и которые исследователи могут искать в данных LIGO. Читайте дальше, чтобы узнать больше о различных объектах и ​​событиях, которые ищет LIGO.


Непрерывные гравитационные волны

Художественное изображение сверхплотной и компактной нейтронной звезды. [Фото: Кейси Рид/Penn State University]

 

Считается, что непрерывные гравитационные волны создаются одним вращающимся массивным объектом, таким как нейтронная звезда. Любые выпуклости или дефекты сферической формы этой звезды будут генерировать гравитационные волны при ее вращении. Если скорость вращения звезды остается постоянной, то же самое происходит и с излучаемыми ею гравитационными волнами. То есть гравитационная волна равна непрерывно с той же частотой и амплитудой (как певец держит одну ноту). Вот почему они называются «непрерывными гравитационными волнами». Исследователи создали симуляции того, как будет звучать прибывающая непрерывная гравитационная волна, если сигнал, обнаруженный LIGO, будет преобразован в звук. Нажмите на «Continuous Gravitational Wave Signal» ниже, чтобы услышать, как гравитационные волны от вращающейся нейтронной звезды «звучат» для LIGO.

Непрерывные гравитационные волны

(Источник: SXS Collaboration, http://www.black-holes.org)


Компактные двойные инспиральные гравитационные волны

Двойная нейтронная звезда инспиральная. [Фото: Институт Альберта Эйнштейна (AEI)]

Следующий класс гравитационных волн, за которым охотится LIGO, — компактные бинарные спиральные гравитационные волны. Пока что все объекты, обнаруженные LIGO, попадают в эту категорию. Компактные бинарные спиральные гравитационные волны создаются парами массивных и плотных («компактных») объектов, таких как белые карлики, черные дыры и нейтронные звезды, которые вращаются вокруг своей орбиты. В этой категории генераторов гравитационных волн выделяют три подкласса «компактных двойных» систем:

  • Двойная нейтронная звезда (БНС)
  • Бинарная черная дыра (BBH)
  • Двойная система «Нейтронная звезда-черная дыра» (NSBH)

Каждая бинарная пара создает уникальную структуру гравитационных волн, но механизм генерации волн одинаков для всех трех. Он называется «вдохновенный».

Инспираль возникает в течение миллионов лет, когда пары плотных компактных объектов вращаются друг вокруг друга. Когда они вращаются, они излучают гравитационные волны, которые уносят часть орбитальной энергии системы. В результате с течением времени объекты вращаются все ближе и ближе друг к другу. К сожалению, приближение заставляет их вращаться вокруг друг друга быстрее, что заставляет их излучать более сильные гравитационные волны, из-за чего они теряют больше орбитальной энергии, приближаются на дюйм, вращаются быстрее, теряют больше энергии, приближаются, вращаются быстрее… и т. д. … Объекты обречены, неотвратимо заключены в безудержном, ускоряющемся спиралевидном объятии.

Это компьютерное моделирование показывает столкновение двух черных дыр, которое впервые наблюдалось с помощью LIGO 14 сентября 2015 года. Черные дыры в анимации основаны на реальных данных столкновения, обнаруженных ЛИГО. [Моделирование проекта eXtreme Spacetimes (SXS), http://www.black-holes.org]

Этот ускоряющийся процесс вращения аналогичен вращению фигуриста. Представьте, что растопыренные кулаки фигуриста — это нейтронные звезды или черные дыры, а тело фигуриста — сила гравитации, связывающая их вместе. По мере того, как вращающийся фигурист подтягивает кулаки к своему телу (т. е. когда объекты вращаются все ближе и ближе), он вращается все быстрее и быстрее. Однако, в отличие от конькобежца, пары нейтронных звезд или черных дыр не могут остановить свое вращение. Процесс излучения гравитационных волн и движения по орбите все ближе и ближе запускает непрекращающуюся последовательность событий, которая может закончиться только столкновением двух объектов.

Приборы LIGO предназначены для обнаружения определенного диапазона частот гравитационных волн, так же как человеческие уши чувствительны к определенному диапазону звуковых частот. Это означает, что LIGO не может обнаруживать объекты, вращающиеся со скоростью, выходящей за пределы этого диапазона частот (слишком низкой или слишком высокой). Однако по мере того, как объекты на орбите приближаются друг к другу, они вращаются все быстрее и быстрее, а это означает, что в конечном итоге объекты начнут вращаться вокруг друг друга достаточно быстро, чтобы излучаемые ими гравитационные волны попали в диапазон нашей чувствительности. Но время, которое они проводят на орбите в этом диапазоне частот, обычно очень короткое.

Массы вовлеченных объектов определяют, как долго они излучают обнаруживаемые гравитационные волны. Тяжелые объекты, такие как черные дыры, проходят свою последнюю спиральную фазу гораздо быстрее, чем «более легкие» объекты, такие как нейтронные звезды. Это означает, что сигналы слияния черных дыр в LIGO намного короче, чем сигналы слияния нейтронных звезд, и различия весьма разительны. Например, первая пара сливающихся черных дыр, обнаруженная LIGO, произвела сигнал длительностью всего две десятых секунды9. 0023 длинный. Напротив, первое слияние нейтронных звезд, обнаруженное LIGO в августе 2017 года, генерировало в наших инструментах сигнал продолжительностью более 100 секунд.

LIGO может преобразовывать свои сигналы искажения пространства-времени в слышимый звук, называемый «чирпом», так что мы все можем, в некотором смысле, «услышать» последние моменты жизни двух черных дыр и двух нейтронных звезд. Эти объекты вращались вокруг друг друга миллиарды лет; LIGO фиксирует последние доли секунды или несколько секунд этой жизни вместе. Первое видео ниже показывает эволюцию сигнала в приборе вместе с щебетом нашего первого обнаружения слияния черных дыр (сигнал воспроизводится несколько раз, сначала повторяя чириканье на его собственной частоте — низкий «удар» — и затем увеличили, чтобы было лучше слышно). Второе видео — это чириканье слияния нейтронных звезд 2017 года (в видео включены только последние 32 секунды сигнала).

 

 

Эти два примера реальных гравитационных волн иллюстрируют, как различные системы сливающихся объектов отображают уникальные сигнатуры в интерферометрах. Более короткие сигналы означают, что были задействованы более массивные объекты, такие как черные дыры; более длинные сигналы указывают на объекты с меньшей массой, такие как нейтронные звезды.

На сегодняшний день LIGO опубликовала данные об обнаружении гравитационных волн, генерируемых 10 парами сливающихся черных дыр и двумя парами сталкивающихся нейтронных звезд. С 1 апреля 2019 г., были сделаны еще десятки обнаружений, поэтому ученые LIGO были заняты анализом данных, чтобы понять истинную природу этих обнаружений.

Огромный успех LIGO противоречит тому факту, что его инструменты должны напрягаться, чтобы уловить что-либо помимо постоянного шума, создаваемого всем на Земле, от внутренних колебаний самого лазерного луча до движения на близлежащих дорогах, погоды и землетрясений, происходящих повсюду. Мир. Чтобы получить более реалистичное представление о том, с чем LIGO борется в поисках гравитационных волн, нажмите на ссылку ниже, чтобы услышать, как симулированное слияние нейтронных звезд будет звучать так, как если бы оно было похоронено во всем этом шуме. Вам придется очень внимательно прислушаться, чтобы услышать чириканье:

Слияние слияния нейтронной звезды CHIRP, похороненное в шуме

(кредит: SXS Collaboration, http://www.black-holes.org)


Стохастический гравитационный Взрыв позволит нам заглянуть в историю Вселенной дальше, чем когда-либо прежде. [Источник: Р. Уильямс (STScI), команда Hubble Deep Field, НАСА]

Астрономы предсказывают, что значимых источников непрерывных или бинарных спиральных гравитационных волн во Вселенной, что LIGO не беспокоится о возможности более чем одного прохождения мимо Земли одновременно (выдавая сбивающие с толку сигналы в детекторах). Однако мы предполагаем, что со всей Вселенной постоянно проходит множество малых гравитационных волн, которые случайным образом смешиваются друг с другом. Эти небольшие волны со всех направлений составляют то, что называется «Стохастический сигнал», названный так потому, что слово «стохастический» означает наличие случайного паттерна, который можно проанализировать статистически, но нельзя точно предсказать. Это будут самые маленькие и трудные для обнаружения гравитационные волны, но вполне возможно, что по крайней мере часть этого стохастического сигнала может исходить от Большого взрыва. Обнаружение реликтовых гравитационных волн Большого взрыва позволит нам заглянуть дальше в историю Вселенной, чем когда-либо прежде. Нажмите на изображение слева, чтобы услышать смоделированный «Стохастический сигнал» (Источник звуковой симуляции: SXS Collaboration, http://www.black-holes.org).

 


Всплески гравитационных волн

Поиск «всплесков гравитационных волн» — это действительно поиск неожиданного — как потому, что LIGO еще не обнаружил их, так и потому, что есть еще так много неизвестных, которых мы на самом деле не знаем. не знаю чего ожидать! Например, иногда мы недостаточно знаем о физике системы, чтобы предсказать, как появятся гравитационные волны от этого источника.

Мы также ожидаем обнаружения гравитационных волн от систем, о которых мы никогда раньше не знали. Для поиска таких типов гравитационных волн мы не можем предполагать, что они будут обладать четко определенными свойствами, как у непрерывных и компактных двойных спиральных волн. Это означает, что мы не можем ограничить наш анализ поиском только признаков гравитационных волн, предсказанных учеными.

Поиск всплесков гравитационных волн требует абсолютной непредубежденности. Для такого рода гравитационных волн ученые должны распознавать характер сигналов, даже если такой образец не был смоделирован (как мы думаем, может выглядеть сигнал) раньше. Если вы не знаете, что ищете, найти это очень сложно. Хотя это затрудняет поиск всплесков гравитационных волн, их обнаружение имеет наибольший потенциал для раскрытия революционной информации о Вселенной.

«Цунами» гравитационных волн устанавливает рекорд по количеству зарегистрированных пространственно-временных пульсаций

Гравитационные волны, испускаемые двумя черными дырами, когда они скручиваются друг в друга, показаны в моделировании.
(Изображение предоставлено: C. Henze/НАСА Исследовательский центр Эймса)

Рекордное «цунами» гравитационных волн — рябь в ткани пространства-времени — может помочь раскрыть тайны эволюции Вселенной и ее звезд и поставить общую теорию относительности Эйнштейна на 0027 к тесту.

Ученые, работающие в Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США и интерферометре Virgo в Италии, зафиксировали ошеломляющие 35 отдельных событий гравитационных волн в период с ноября 2019 года по март 2020 года, что составляет более трети от общего числа обнаруженных на сегодняшний день. Исследователи опубликовали свои выводы 5 ноября в базе данных препринтов arXiv , что означает, что они еще не прошли рецензирование.

Гравитационные волны — это рябь, созданная в ткани пространство-время , когда два чрезвычайно плотных объекта, таких как нейтронных звезд или черных дыр , запираются на бинарной орбите друг вокруг друга и в конце концов сталкиваются. Эта пространственно-временная рябь была впервые обнаружена в 2015 году, но с тех пор ученые научились лучше замечать волны, когда они плещутся о наши космические берега.

Связанные: 9 эпических космических открытий, которые вы, возможно, пропустили в 2020 году

«Эти открытия представляют собой десятикратное увеличение количества гравитационных волн, обнаруженных LIGO и Virgo с тех пор, как они начали наблюдать», соавтор Сьюзан Скотт, астрофизик из Австралийского национального университета и член международной команды Advanced LIGO, 9 лет.0026 говорится в заявлении . «Это действительно новая эра для обнаружения гравитационных волн, и растущее количество открытий раскрывает так много информации о жизни и смерти звезд по всей Вселенной».

Детекторы LIGO и Virgo обнаруживают гравитационные волны, улавливая крошечные искажения в ткани пространства, которые они вносят, проходя через детекторы. Детекторы L-образной формы имеют два плеча с двумя одинаковыми лазерными лучами внутри — каждый из двух детекторов LIGO имеет плечи длиной 2,48 мили (4 км), а длина плеч Virgo составляет 1,86 мили (3 км). Если гравитационная волна проходит через Землю, лазер в одном плече детектора сжимается, а другой расширяется, предупреждая ученых о присутствии волны. Но крошечный масштаб этих искажений — часто размером в несколько тысячных долей протона или нейтрона — означает, что детекторы должны быть невероятно чувствительными.

По словам ученых, 32 из 35 новых обнаружений связаны с слиянием далеких черных дыр. По мере того, как бесконечно плотные ядра космических гигантов закручиваются друг в друга все более быстрыми и тесными петлями, они в конечном итоге объединяются, образуя еще более массивную черную дыру. Гравитационные волны, возникшие в результате этих событий, подобно ряби, образовавшейся в пруду после того, как в него бросили камень, могут многое рассказать о черных дырах, которые их создали.

«Глядя на массы и вращения черных дыр в этих бинарных системах, можно понять, как эти системы образовались в первую очередь», — сказал Скотт. «Это также поднимает некоторые действительно интересные вопросы. Например, система изначально сформировалась из двух звезд, которые вместе прошли свой жизненный цикл и в конечном итоге стали черными дырами? Или две черные дыры столкнулись вместе в очень плотной динамической среде, такой как в центре галактики?»

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Наблюдения показывают удивительное разнообразие размеров черных дыр во Вселенной. Например, одна пара черных дыр в 145 раз превышает массу Солнца, а другая — всего в 18 раз больше массы Солнца.

Другие три обнаружения волн немного более загадочны, возможно, они возникают в результате слияния бесконечно плотных черных дыр с другими, менее плотными космическими объектами. По словам астрономов, вполне вероятно, что эти вторые объекты были нейтронными звездами — сверхплотными остатками массивных звезд, образовавшихся после огромных звездных взрывов, называемых сверхновыми.

И эти более странные сигналы могут быть первыми из множества подобных сигналов, которые будут обнаружены. Повышение чувствительности детекторов позволит ученым улавливать более слабые сигналы из более неожиданных источников. Это может не только дать им беспрецедентное представление о природе и эволюции звезд, создающих гравитационные волны, и звездных остатках во Вселенной, но и позволить исследователям разработать новые тесты для законов гравитации, изложенных в общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которые описать поведение всех массивных объектов.

«Наши последние результаты доказывают, что они [черные дыры] бывают разных размеров и комбинаций — мы разгадали некоторые давние загадки, но также раскрыли и новые загадки», — соавтор Кристофер Берри, астроном из Университета Глазго. в Шотландии», — говорится в сообщении. «Используя эти наблюдения, мы приблизились к раскрытию тайн того, как развиваются звезды, строительные блоки нашей Вселенной».

Первоначально опубликовано на Live Science.