Содержание
Гравитационные волны. Почему их обнаружение имело такой резонанс?
Международная команда ученых Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США впервые путем прямого детектирования заявила об открытии гравитационных волн 11 февраля 2016 года. Тогда было выявлено первое прямое доказательство существования гравитационных волн, предусмотренных основателем общей теории относительности Альбертом Эйнштейном, путем искажения пространства-времени. Он предсказал существование этих искажений пространства-времени еще сто лет назад. И сейчас его предсказание подтвердилось.
Прямое доказательство существования гравитационных волн заметили два детектора проекта LIGO. Им удалось зафиксировать сигнал, который исходил около 1,3 млрд световых лет от Земли, при этом три солнечных массы ушли на излучение, что запустило волну колебаний во Вселенной. Именно эта волна докатилась до Земли 14 сентября 2014 года, когда была зафиксирована на детекторах впервые. Но на подтверждение этого открытия ушло ряд месяцев.
Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал, 15 сентября 2014Второй зафиксированный гравитационно-волновой сигнал, 25 декабря 2015Принцип детектирования. Фактические данные на 2015 год
Что такое гравитационные волны?
Гравитационные волны (или искривление пространства-времени) являются следствием движения тел с большой массой, которые растягивают «материю» Вселенной, некий континуум «пространство-время». Их можно описать на примере простой модели:
Представьте себе теннисный мячик на батуте. Он спокойно лежит и практически не двигается. Теперь посадим на батут маленького ребенка. Сразу будет видно, что на поверхности батута образовалась вмятина.
Что происходит дальше? Теннисный мячик медленно начинает катиться в направлении вмятины, образованной ребенком. Чем ближе малыш будет сидеть к мячику, тем глубже во вмятину катится шарик. Его тянет к этому углублению.
Чем больше масса движущегося тела, тем больше сила его притяжения.
В этом заключается идея гравитации — примерно так можно представить себе гравитационные волны во Вселенной.
Гравитационные волны возникают, когда происходит ускорение массы. Например, при взрыве звезды в конце ее жизни, с драматическими событиями в Космосе (к примеру, Большой взрыв), или при слиянии двух черных дыр. Гравитационные волны «сжимают» и «растягивают» пространство. Таким образом, они изменяют структуру пространства-времени.
Физик Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн сто лет назад как часть своей общей теории относительности.
Гравитационные волны распространяются Вселенной абсолютно беспрепятственно. Неважно, что встретится им на пути. Этим они отличаются от световых или звуковых волн. По своей сути гравитационные волны — искривление геометрии, искривление самого пространства.
С момента теоретического открытия гравитационных волн ученые пытались «поймать» их на практике. Однако только сейчас появился прямое доказательство их существования.
Почему это важно?
Эйнштейн описал, как гравитационные волны сжимают и растягивают пространство-время, как оно искривляется и как определенные объекты (нейтронные звезды или черные дыры) перемещаются в нем. До сих пор не существовало доказательств этой теории, поскольку не хватало необходимых технологий, чтобы зафиксировать такое явление.
Многие ученые и раньше пытались доказать существование гравитационных волн, но эти попытки не были успешными. Предыдущие поиски были полны скорее поражениями и ложными толкованиями, чем успехом, поскольку гравитационные волны чрезвычайно трудно обнаружить и измерить.
Чтобы засечь гравитационные волны, нужен удивительно чувствительный детектор. Когда такие колебания достигают Земли, у них очень малая амплитуда (в тысячи раз меньше атомного ядра).
За это экспериментальное обнаружение гравитационных волн в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике трем ученым США,членам обсерваторий LIGO-Virgo, которые были ответственны за прорыв: Райнеру Вайс, Кипу Торну и Барри Бэришу.
Наиболее интересные детали детектирования (регистрации) гравитационных волн: как это происходило.
Рассмотрим вначале простой пример, основанный на том же принципе, как и регистрация гравитационных волн. Представьте себе, что вам нужно найти подводную лодку противника в нейтральных водах. Как это сделать? Располагаются микрофоны по определённой области. Безусловно, эти микрофоны очень чувствительные, так как необходимо зафиксировать подводную лодку на как можно дальнем расстоянии от микрофонов (невозможно всё море покрыть микрофонами, поэтому покрывают только какую-то область, но такого уровня чувствительными микрофонами, что они фиксируют на как можно дальних расстояниях).
Понятно, что такие микрофоны улавливают достаточно много всего: и корабли, и дельфинов, и китов — по сути всё, что издаёт звуки под водой, они «слышат». Нередко эти звуки бывают сильнее, чем прошедшая где-то там далеко подводная лодка. Возникает вопрос: как тогда можно «увидеть» эту подводную лодку? Дело в том, что военные из «х»-периментальных данных знают, как «звучит» двигатель той или иной подводной лодки.
Подводная лодка «оставляет» характерный звук. Соответственно, они просто знают характерную кривую, которую «выдаст» подводная лодка на микрофоне. Это первый момент, который важно понимать – имеется характерная кривая обьекта.
Во-вторых, микрофоны располагаются на каком-то расстоянии друг от друга. Следовательно, сигнал, который «услышат» микрофоны и выдадут на специальный компьютер в виде кривой, должен быть один и тот же. Тот человек, кто сидит за компьютером, должен «увидеть» одну и ту же «кривую» с такой же точностью на всех или на каком-то количестве микрофонов.
Также сигналы, пришедшие в микрофонов, должны быть разделены каким-то промежутком времени, равным, по крайней мере, не больше, чем расстояние между микрофонами, деленное на скорость звука. Если, например, один микрофон услышал какой-то звук, а другой — такую же кривую увидел на расстоянии, которое превышает по времени расстояние между этими двумя сигналами, то это будет зафиксирована скорее какая-то случайность, а не реальная ситуация нахождения подводной лодки.
Если подводная лодка проходит далеко, то ее звук на двух микрофонах будет зарегистрирован в виде некой ряби на фоне большой волны, которая там со всех сторон идёт. Все сигналы от микрофонов подаются на компьютер и он их анализирует. На компьютере стоит специальная программа, которая распознаёт согласие между этими кривыми, и разность времени между ними находиться в разумных рамках. Соответственно, если такая сетка микрофонов распределена определённым образом, то можно даже определить, на каком расстоянии, в каком направлении и где прошла подводная лодка.
Так детектируют подводную лодку. Гравитационные волны детектирует таким же образом. Нужны, как минимум, два микрофона, но желательно больше. Несмотря на то, что сейчас гравитационных детекторов строится больше, на данный момент функционирует только два. И именно благодаря этим детекторам и была зарегистрированы впервые гравитационные волны.
Расположены гравитационные детекторы в США (проект LIGO) на разных концах страны на расстоянии 3500-4000 км друг от друга (одна обсерватория располагается в в Ливингстоне (штат Луизиана), а вторая — в Хэнфорде (штат Вашингтон).
И эти «микрофоны» должны услышать сигнал. Необходимо заметить, что сигнал тот же самый, и между этими кривыми должно быть согласие. И разделены они должны быть определенным промежутком времени, не больше, чем расстояние между этими двумя детекторами, делёными на скорость света.
Наибольшее время получается в том случае, если волна пришла к одному детектору сначала, и затем шла прямо по линии между этими детекторами. Но волна может прийти и одновременно к ним – как бы «приходит сверху», падает на обоих.
Центр управления LIGO в Хэнфорде, штат ВашингтонСеверный детектор (х-рукав) интерферометра в Хэнфорде
Так, в основу гравитационного детектора положена схема интерферометра Майкельсона. Пучок света от источника направляется на полупрозрачную пластинку – светоделитель СД, расщепляющий пучок на два луча 1 и 2, которые приходят к зеркалам М1 и М2. После отражения они вновь возвращаются к светоделителю, который повторно делит каждый из них на две части.
Отраженная часть пучка 1 возвращается к источнику, а прошедшая – поступает на фотоприемник; прошедшая часть пучка 2, наоборот, возвращается к источнику, а отраженная – поступает на приемник. Таким образом, на приемнике совмещаются (рекомбинируют) два пучка, прошедшие различные расстояния (до зеркал М1 и М2 и обратно). В плоскости фотоприемника возникает интерференционная картина, вид которой зависит от степени параллельности совмещенных пучков. Если пучки строго параллельны, картина имеет вид одного светлого или темного пятна (в зависимости от разности хода пучков). При небольшом угле между пучками (более реальный случай) картина представляет собой систему светлых и темных полос. В тех местах, для которых разность хода оказывается равной четному числу полуволн света (фазы колебаний в пучках совпадают), волны усиливают одна другую, и образуется светлая полоса, а там, где разность хода равна нечетному числу полуволн (фазы отличаются на 180°), пучки «гасят» друг друга, и образуется темная полоса.
Если одно из зеркал перемещать вдоль луча света, разность хода начнет изменяться, а вся система интерференционных полос – двигаться в плоскости приемника. Ограничив «поле зрения» приемника диафрагмой шириной немного менее одной полосы, получим, что при перемещении зеркала на приемник поступит то светлая, то темная полоса, т. е. станет периодически меняться интенсивность света от максимума до минимума, а на выходе фотоприемника появится синусоидальный электрический сигнал. Максимумы или минимумы сигнала будут повторяться при изменении разности хода на длину волны света.
Схема интерферометра Майкельсона. Светоделительная пластинка делит лазерный луч на два пучка, которые проходят по путям 1 и 2 разной длины, отражаются от зеркал, пластинки и, складываясь на фотоприемнике, образуют интерференционную картину.
Фактически это Г-образная система, состоящая из двух четырёхкилометровых плеч с высоким вакуумом внутри. Внутри такой системы и устанавливается модифицированный интерферометр Майкельсона, в каждом из плеч которого благодаря дополнительным зеркалам из кварцевого стекла образуются резонаторы Фабри-Перо.
Эти зеркала на особом подвесе являются пробными массами, расстояние между которыми меняет пришедшая гравитационная волна. Она удлиняет одно плечо и одновременно укорачивает второе. И если гравитационная волна падает прямо на этот детектор (вертикально), то плечи этого детектора начинают ходить ходуном: одно плечо удлиняется, а второе – сужается. Важно именно то, что происходит такого рода физическое изменение (одно удлиняются, а второе – сужается; потом наоборот). Это еще одна вещь, которая должна быть при регистрации гравитационных волн.
Как увидеть, что плечи «ходят»? Детектор наблюдает интерференцию: по двум плечам идут электромагнитные волны, а потом в детекторе собирается сигнал от двух этих плечей. И важно добиться практически полного «сокращения» волн от обоих плеч (устанавливается ситуация такого рода, что на детекторе сигнал практически равен нулю). Условно примем его за ноль, хотя на самом деле по техническим причинам там нужен не совсем ноль. С чем это связано — это отдельный разговор, слишком сложные технические детали (проще говоря, для линейного отклика системы нужен сигнал не ноль), но проще всего объяснить, что ноль (когда объясняется сам принцип устройства детектирования, и это проще для понимания).
В каждом плече стоит целое число полуволн, когда на детектор ничего не действует. И они полностью друг друга гасят на детекторе. И если плечи на детекторе стали ходить – значит, волны стали не гаситься полностью, и плечи начинают смещаться, и появляется сигнал на детекторе.
Соответственно, должен быть возвратный механизм, который подстраивает зеркала, которые отражают свет, так чтоб сигнал был ноль. Так фактически оказывается, что они меряют ток в этом механизме, который подстраивает. А ток меряется с огромной точностью (фактически пролёт одного электрона).
Плечи — это система зеркал. Эти зеркала висят, и они очень чувствительные. К примеру, если рядом что-то проехало, то есть сведения, что зеркала начинают трястись и это видно. Эти колебания стараются погасить, но полностью это сделать сложно.
Сигнал от гравитационных волн выглядит в виде «ряби», насколько это можно описать, которая видна на фоне вот таких вот колебаний. Более того, оказывается, что та гравитационная волна, которую зарегистрировали первой, имела амплитуду 10−21.
Это значит, что размеры этих плечей (если умножить 10−21на длину плеча в 4 км), ходили на расстояние 0,001 от размера протона. Это невероятно, поскольку мы даже определить его с такой точностью не можем, но мы можем померить ток и световой сигнал (время прохождения светового сигнала с такой высокой точностью). Именно это и меряется.
Что происходило в космосе?
Двойные системы массивных объектов, например нейтронных звёзд или чёрных дыр, постоянно излучают гравитационные волны. Излучение постепенно сокращает их орбиты, и в конечном счёте приводит к их слиянию, порождающему в этот момент особенно мощную гравитационную волну, буквально «прокатывающуюся» по Вселенной. Именно гравитационные волны такой силы способны зарегистрировать детекторы гравитационных волн.
Визуализация моделирования сливающихся чёрных дыр, излучающих гравитационные волны
Утверждается, что при первом детектировании гравитационных волн ученые «увидели» слияние двух черных дыр. Одна дыра имела 29 солнечных масс, а другая черная дыра — 36 солнечных масс.
В момент слияния было 62 массы Солнца результирующие, а 3 солнечные массы ушли в излучение, которое дошло и до планеты Земля. Объем в 3 солнечных массы – это колоссальная энергия, которая ушла в гравитационное излучение.
Давайте сделаем оценки. Так, чёрная дыра порядка массы солнца имеет радиус 3 км (на самом деле немного меньше — 2,7 км, но это неважно для оценок). Для объяснения достаточно удобно взять 3 километра. Значит, чёрная дыра с массой порядка 30 масс Солнца имеет радиус 90 км. Для оценки будем считать 100 км.
Две чёрные дыры в момент слияния имели размер порядка 200 км (по 100 км приблизительно каждая). Именно в этой области было сосредоточена та энергия, которая ушла в гравитационное излучение. И эта цифра размер в 200 км говорит приблизительно о том, что размер длины гравитационной волны был приблизительно 200 км. В 200-х километрах была сосредоточена энергия в 3 массы Солнца, которая вышла в виде гравитационных волн, и лишь часть её дошла до Земли. Можно только представить себе колоссальность этого явления вблизи, и то, что происходило, так как до нас на расстоянии 1,3 млрд световых лет дошли уже минимальные изменения.
Откуда ученые знали сигнал, который надо увидеть? Так как по даному явлению нет никаких «х»-периментальных данных… исследователи знают о таком типе сигнала из тех же компьютерных симуляций. На компьютере были просимулированы так называемые «сэмплы» (относительно небольшие оцифрованные звуковые фрагменты), много десятков и даже, наверное, сотен семплов (просто разные слияния черных дыр, разных размеров, с разным углом вращения, с разных расстояний, друг к другу приближающихся, сливающихся, нейтронных звёзд, нейтронных звёзд и чёрных дыр и многое другое). На компьютере уже были всевозможные варианты. Поэтому ученые знали приблизительно-характерный вид кривой гравитационной волны, какую должны были увидеть.
И в какой-то момент они увидели кривую, которая, во-первых, совпадает с характерным видом кривой. Во-вторых, две кривые на двух детекторах похожи. Похожи не просто на взгляд, а именно программа с математической строгостью показывает, что эти две кривые похожи. И разделение сигнала по времени не превышает соответствующего времени, о котором более подробно было рассмотрено выше (расстояние делить на скорость света).
После этого ученые с достоверностью сказали, что увидели гравитационную волну, а по характеру кривой определили, что было слияние именно черных дыр.
Гравитационная волна действительно имеет характерный вид. Она устроена так: нарастает амплитуда и уменьшается длина волны, что говорит о том, что был какой-то процесс (когда черные дыры медленно, относительно медленно, теряли энергию, вращаясь друг вокруг друга за счет гравитационного излучения). Гравитационное излучение было настолько слабое, что наши детекторы его не видели изначально. В какой-то момент дыры уже сблизились настолько в результате этой потери, при этом ускорились при вращении настолько, что в результате амплитуду гравитационных волн детекторы с Земли стали ее чувствовать. Именно в момент (сам момент слияния), когда они уже совсем близко друг к другу находились дыры. По сути, процесс слияния происходил какие-то микродоли секунды. И эти две черные дыры с огромными скоростями, со своими огромными ускорениями друг вокруг друга вращались, теряли энергию.
Соответственно частота вращения увеличилась, потому что они друг на друга падали, и амплитуда росла. После этого они слились, а на детекторах это было видно в виде затухания сигнала (подчинение закону минимальной площади, как «wavedown») — затухание волны.
Прямое обнаружение гравитационных волн: lkb_snegov — LiveJournal
Оригинал взят у za_neptunie в Наступление новой эры в астрономии.
Поиски гипотетических гравитационных волн по сложности можно сравнить лишь с поисками внеземных цивилизаций. Существование таких волн был предсказано ещё Эйнштейном ровно сто лет назад (в 1916 году), как следствие теории относительности, хотя он считал, что обнаружить их невозможно. Их поиски начались с 1967 года (то есть полвека назад) и до сих пор никаких достоверных свидетельств таких волн обнаружено не было. Построенные детекторы для попыток регистрации гравитационных волн стали одними из самых сложных и дорогостоящих устройств человеческих цивилизации. Так установка LIGO к этому времени обошлась в 620 миллионов долларов, а недавно запущенный прототип космической гравитационной обсерватории стоил около 500 миллионов долларов.
Такие огромные суммы сравнимы со стоимостью крупнейших оптических телескопов.
Поэтому важной вехой прозвучали сегодня сообщения о первой регистрации таких волн на обсерватории LIGO после 5-летней модернизации. Исследование опубликовано в одном из самых авторитетных журналов Nature.
Слухи о важном достижении начали появляться за несколько недель до официального анонсирования. Из них следовало, что обоим детекторам LIGO удалось зарегистрировать 14 сентября 2015 года событие со статической достоверностью 5.1 сигм (что незначительно превышает официальный порог достоверности в 5 сигм). Несмотря на небольшое превышение сигнала над шумом, анализ сигнала позволил установить, что событие вызвано слиянием двух черных дыр массой 29 и 36 масс Солнца. Масса конечного объекта после слияния составила 62 масс Солнца. Тем самым слившиеся черные дыры отдали окружающему пространству часть своей массы равной 3 массам Солнца через гравитационное излучение всего за несколько долей секунд.
Это огромная величина, для сравнения считается, что при гамме-всплеске выделяется энергия покоя равная примерно 20% массы Солнца. Считается, что наличие таких массивных черных дыр вероятнее всего в центре шаровых скоплений (там происходит 1/7 всех слияний черных дыр во Вселенной).
Тем не менее, гравитационные волны крайне сложно зарегистрировать. На большом расстоянии от места их источника они должны вызывать крохотные колебания поверхности сравнимые с размером атомов. Для их надежной регистрации приходится строить огромные многокилометровые установки. Так LIGO представляет собой два детектора, каждый из которых состоит из двух 4-км вакумных труб с лазерами:
Детекторы находятся в штатах Луизиана и Вашингтон, расстояние между ними около 3 тысяч км:
Так как гравитационные волны распространяются со скоростью света, то задержка между регистрацией гравитационной волны обоими детекторами должна составлять около одной сотой секунды.
В реальности она составила около 7 микросекунд, что позволило определить, что источник волны находился примерно на южном небе на расстоянии в 1.3 миллиарда световых лет. Журналисты нашли в архиве ESO заявку попытки обнаружения оптической вспышки события (большая область сфотографированного неба в сентябре, выделенная синим цветом):
Успех установки произошел лишь на 14 год эксплуатации после 5-летней модернизации. В ходе последней модернизации чувствительность обнаружения гравитационных волн была повышена в 4 раза. Если раньше установка могла обнаружить слияние нейтронных звезд в радиусе 65 миллионов световых лет, то сейчас уже в радиусе 250 миллионов световых лет. После модернизации установка собирала данные в течение 4 месяцев. Последующее включение ожидается в течение ближайшего года. Ожидается, что к 2020 году чувствительность установки вырастет в 10 раз – до радиуса обнаружения в 650 миллионов световых лет.
В целом гравитационные телескопы за последние 45 лет улучшили свою чувствительность примерно на 7 порядков (в 10 миллионов раз):
Для сравнения сигнал зарегистрированный 14 сентября имел амплитуду в 10 в -19 степени.
Наземные гравитационные обсерватории пытаются обнаружить гравитационные волны с длиной в несколько сотен и тысяч километров. Для регистрации более длинных волн необходимо выводить телескопы в космос или наблюдать за радиопульсарами на разных участках неба:
Большой проблемой гравитационно-волновой астрономии является низкое угловое разрешение. Для надежной регистрации требуется, как минимум 3 приемника (триангуляция). Поэтому важным событием становится ввод в строй европейской установки VIGO в Италии в конце 2016 года. Её чувствительность сравняется с LIGO:
Ожидается, что примерно к 2021 году все три детектора окончательно выйдут на одинаковый уровень по чувствительности, завершив все модернизации:
Это должно позволить локализовать источники гравитационных волн до площади в 5-20 квадратных градусов неба.
В дальнейшем планируется присоединить к сети гравитационных телескопов японский, индийский, китайский и австралийский детектор:
Гравитационные волны: за что вручили Нобелевку по физике
https://ria.
ru/20171003/1506077976.html
Гравитационные волны: за что вручили Нобелевку по физике
Гравитационные волны: за что вручили Нобелевку по физике — РИА Новости, 03.10.2017
Гравитационные волны: за что вручили Нобелевку по физике
Нобелевская премия по физике в 2017 году вручена Кипу Торну, Райнеру Вайссу и Барри Баришу за открытие гравитационных волн. Без преувеличения, это новый этап в… РИА Новости, 03.10.2017
2017-10-03T13:35
2017-10-03T13:35
2017-10-03T13:50
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/1506077976.jpg?15060782001507027859
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2017
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.
xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
МОСКВА, 3 окт — РИА Новости, Ольга Коленцова. Нобелевская премия по физике в 2017 году вручена Кипу Торну, Райнеру Вайссу и Барри Баришу за открытие гравитационных волн. Без преувеличения, это новый этап в науке и огромный шаг в познании Вселенной.
3 октября 2017, 12:56
Объявлены лауреаты Нобелевской премии по физикеПрестижную награду получили американские ученые Кип Торн, Райнер Вайсс и Барри Бэрриш за открытие гравитационных волн с помощью обсерватории LIGO.
Физика давно знает о существовании механических и электромагнитных волн. Они характеризуются тем, что переноса вещества в направлении распространения волны не происходит. Частицы лишь совершают колебания около положения равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой. В случае механических волн частицами могут быть атомы или молекулы среды, электромагнитные волны возбуждаются ускоренно движущимися зарядами.
Но пришло время признания нового вида волн — гравитационных! Их существование впервые было предсказано в 1916 году Альбертом Эйнштейном на основании общей теории относительности. А 11 февраля 2016 года участники проекта LIGO, главными действующими лицами которого являются Кип Торн, Райнер Вайсс и Барри Бариш, объявили, что существование гравитационных волн доказано.
Чтобы представить себе гравитационные волны, проведем аналогию с привычными вещами: если бросить в воду камень, пойдут «круги». Вообразим на месте воды пространство-время нашей Вселенной, а черная дыра заменит камень. Эти волны представляют собой рябь пространства, распространяющуюся во времени со скоростью света.
© S. Ossokine/A. Buonanno/T. Dietrich (MPI for Gravitational Physics)/R. Haas (NCSA)/SXS project // РИА Новости / Алина ПолянинаМодель столкновения черных дыр, подготовленная учеными
© S. Ossokine/A. Buonanno/T. Dietrich (MPI for Gravitational Physics)/R. Haas (NCSA)/SXS project // РИА Новости / Алина Полянина
Почти любое событие, сопровождающееся ускоренным передвижением массы, порождает гравитационные волны. При их прохождении между телами, находящимися, например, в состоянии свободного падения, расстояние между ними изменяется. Оно и является мерой амплитуды волны. Их обнаружение затянулось на десятки лет из-за технологических сложностей. Дело в том, что гравитация — очень слабое взаимодействие, амплитуда ее волн чрезвычайно мала.
Поэтому для изучения нужно было «поймать» сигнал от массивных объектов. Таковыми являются пульсары, черные дыры, сверхновые. Проблема в том, что их взаимодействие в нашей Галактике — явление довольно редкое, происходит не чаще раза в десять-тридцать лет. А сигнал, идущий издалека, значительно затухает при преодолении огромных расстояний. Поэтому строительство проекта для поиска гравитационных волн заняло немало времени.
Как же были окончательно обнаружены неуловимые и загадочные волны? В лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO был построен детектор размером четыре километра. Он представляет собой четыре больших зеркала (каждое 34 сантиметра в диаметре), которые закреплены на концах двух перпендикулярных труб, — их называют плечами детектора. Чтобы избавить зеркала от вибраций, они помещались на несколько подвесов. Система находится в глубоком вакууме, чтобы свет не мог рассеяться на случайных частицах. При прохождении гравитационной волны зеркала начинают колебаться.
Свет отражается от них, потом собирается на разделителе. Фаза света изменяется при воздействии гравитационной волны, что и регистрирует интерферометр.
Слияние двух массивных черных дыр вызвало гравитационную волну, в буквальном смысле раскатившуюся по Вселенной. Она была зарегистрирована 14 сентября 2015 года в 9:50:45 двумя детекторами LIGO с разницей в несколько миллисекунд. Их масса была в 29 и 36 раз больше солнечной, а находился источник на расстоянии 1,36 миллиардов световых лет от Земли. Амплитуда колебаний, достигнув детекторов, составила 10-21. И лишь через четыре месяца коллаборация LIGO провела пресс-конференцию, где подтвердила открытие гравитационных волн. Все это время потребовалось на анализ и подтверждение достоверности результатов.
© Фото : public domain Американский физик Барри Бэриш
© Фото : public domain
На данный момент зарегистрировано четыре всплеска гравитационных волн. Введен в эксплуатацию третий детектор, VIRGO.
Он позволяет намного точнее определять направление, откуда пришла волна.
Доказательство существования нового типа волн показало правильность геометрического подхода к гравитации, на котором основана общая теория относительности. Возможно, именно благодаря гравитационным волнам мы получим ответы на самые сложные вопросы о Вселенной.
Эксклюзив: Серьезные сомнения в открытии LIGO гравитационных волн
Майкл Брукс
Детекторы LIGO
Энрико Саккетти
Никогда не было особых сомнений в том, что рано или поздно мы обнаружим гравитационные волны. Это ритмичное сжатие и растяжение пространства и времени является естественным следствием одной из самых устоявшихся научных теорий — общей теории относительности Эйнштейна. Поэтому, когда мы построили машину, способную наблюдать за волнами, казалось, что их обнаружение будет лишь вопросом времени.
На самом деле это заняло два дня. Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, более известная как LIGO, включила свои модернизированные детекторы 12 сентября 2015 года.
В течение 48 часов она сделала свое первое обнаружение. Прошло несколько месяцев, прежде чем исследователи были достаточно уверены в сигнале, чтобы объявить об открытии. Заголовки во всем мире вскоре возвестили об одном из величайших научных открытий прошлого века. В 2017 году последовала Нобелевская премия. С тех пор было замечено еще пять волн.
Видео: Поиск гравитационных волн
Физик Стивен Фэйрхерст рассказывает, как он ищет сигналы от слияния черных дыр и нейтронных звезд.
Или есть? Это вопрос, заданный группой физиков, которые провели собственный анализ данных. «Мы считаем, что LIGO не удалось убедительно доказать обнаружение какого-либо события гравитационных волн», — говорит Эндрю Джексон, представитель группы. По их словам, в прорыве не было ничего подобного: все это было иллюзией.
Реклама
11 февраля 2016 года стало известно о первом наблюдении. На пресс-конференции старшие члены коллаборации объявили, что их детекторы уловили сигнатуру гравитационных волн, испускаемых парой далеких черных дыр.
переплелись друг с другом.
С этой пресс-конференции начались опасения группы Джексона, базирующейся в Институте Нильса Бора в Копенгагене, Дания. Исследователи были удивлены уверенным языком, с которым было провозглашено открытие, и решили изучить ситуацию более внимательно.
Их претензии не назойливы и не исходят от плохо информированных нарушителей спокойствия. Хотя исследователи не работают с гравитационными волнами, у них есть опыт в анализе сигналов и опыт работы с большими наборами данных, такими как космическое микроволновое фоновое излучение, послесвечение Большого взрыва, которое распространяется по небу тонким узором. . «Эти ребята — заслуживающие доверия ученые», — говорит Дункан Браун из Сиракузского университета в Нью-Йорке, эксперт по гравитационным волнам, недавно покинувший коллаборацию LIGO.
Первое открытие гравитационных волн было объявлено миру 11 февраля 2016 года. Они путешествуют миллиарды лет, попеременно сжимая и растягивая пространство-время на своем пути.
Распространяясь во все стороны, они по мере продвижения слабеют, но их можно обнаружить на Земле с помощью достаточно чувствительного прибора.
Коллаборация LIGO создала два таких прибора: детектор Хэнфорда в штате Вашингтон и детектор Ливингстона в Луизиане. Третий, независимый инструмент под названием Virgo, расположенный недалеко от Пизы, Италия, присоединился к другим в 2017 году. Эти «интерферометры» направляют лазеры по двум длинным туннелям, а затем отражают их обратно таким образом, чтобы импульсы поступали одновременно. Проходящие гравитационные волны будут искажать пространство-время, делая один туннель длиннее другого и нарушая синхронизацию.
К тому времени, когда волны омывают Землю, они становятся чрезвычайно слабыми, и ожидаемое нами изменение длины туннеля эквивалентно примерно тысячной части диаметра протона. Это намного меньше, чем возмущения, вызванные фоновыми сейсмическими толчками и даже естественными тепловыми колебаниями оборудования детектора. Шум является огромной проблемой при обнаружении гравитационных волн.
Отсюда и детекторы в разных местах. Мы знаем, что гравитационные волны распространяются со скоростью света, поэтому любой сигнал является законным только в том случае, если он появляется на всех детекторах в нужный интервал времени. Вычтите этот общий сигнал, и останется остаточный шум, уникальный для каждого детектора в любой момент, потому что его сейсмические колебания и т. д. постоянно меняются.
Это основная уловка LIGO для извлечения сигнала гравитационной волны из шума. Но когда Джексон и его команда посмотрели на данные первого обнаружения, их сомнения возросли. Сначала Джексон распечатал графики двух необработанных сигналов и поднес их к окну, один поверх другого. Он думал, что между ними есть какая-то корреляция. Позже он и его команда получили исходные данные, опубликованные исследователями LIGO, и провели расчеты. Они проверяли и еще раз проверяли. Но все же они обнаружили, что остаточный шум в детекторах Хэнфорда и Ливингстона имеет общие характеристики. «Мы пришли к очень тревожному выводу, — говорит Джексон.
«Они не отделяли сигнал от шума».
Команда из Дании опубликовала результаты своего исследования в Интернете. Не получив ответа от коллаборации LIGO, они отправили его в Журнал космологии и физики астрофизики . Редактор журнала Вячеслав Муханов из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене, Германия, является всемирно известным космологом. В состав редакционного и консультативного советов входят ведущие физики, такие как Мартин Рис из Кембриджского университета, Джоанна Данкли из Оксфордского университета и Андрей Линде из Стэнфордского университета в Калифорнии.
Муханов отправил статью на рассмотрение специалистам соответствующей квалификации. Личности рецензентов обычно держатся в секрете, поэтому они могут свободно комментировать рукописи, но это были люди с «высокой репутацией», говорит Муханов. «Никто не смог указать на конкретную ошибку в датском анализе, — говорит он. «Ошибки нет».
Буря в стакане воды, по-прежнему? В конце концов, общая теория относительности — одна из наших наиболее хорошо проверенных теорий, так что есть все основания полагать, что ее предсказания гравитационных волн верны.
Мы знаем, что LIGO должен быть достаточно чувствительным, чтобы обнаруживать их. Приборы находят волны именно с той скоростью, которая предсказана теорией. Так зачем беспокоиться об этом шуме?
Ищите и найдете
На этот вопрос есть простой ответ. Физики и раньше совершали ошибки, ошибки, которые обнаруживались только благодаря пристальному вниманию к экспериментальному шуму (см. «Неприятные шумы»).
Первый шаг к разрешению спора о гравитационных волнах — спросить, откуда исследователи LIGO знают, что искать. Способ, которым они извлекают сигнал из шума, состоит в том, чтобы рассчитать, как должен выглядеть сигнал, а затем вычесть его из обнаруженных данных. Если результат выглядит как чистый остаточный шум, они отмечают это как обнаружение.
Чтобы понять, как должен выглядеть сигнал, нужно решить уравнения общей теории относительности Эйнштейна, которые объясняют нам, как гравитационные силы деформируют пространство-время. Или, по крайней мере, было бы, если бы мы могли заниматься математикой.
«Мы не можем точно решить уравнения Эйнштейна для случая слияния двух черных дыр», — говорит Нил Корниш из Университета штата Монтана, старший специалист по анализу данных LIGO. Вместо этого аналитики используют несколько методов для аппроксимации сигналов, которые они ожидают увидеть.
Первый, известный как численный метод, включает в себя разрезание пространства-времени на куски. Вместо того, чтобы решать уравнения для непрерывного куска пространства, вы решаете их для ограниченного числа частей. Это проще, но все же требует огромной вычислительной мощности, а это означает, что это невозможно сделать для каждого возможного источника гравитационных волн.
Более общий подход, известный как аналитический метод, использует аппроксимацию уравнений Эйнштейна для создания шаблонов для сигналов гравитационных волн, которые будут создаваться различными источниками, такими как черные дыры с разными массами. На их вычисление уходит доля секунды, но они недостаточно точны, чтобы смоделировать окончательное слияние двух черных дыр.
Этот эндшпиль моделируется дополнительным расчетом, в котором исследователи настраивают параметры, чтобы они соответствовали результатам исходного аналитического решения.
Чтобы отслеживать гравитационные волны, детекторам LIGO нужна тихая среда. «С поиском по шаблону вы всегда сможете найти только то, что ищете». Более того, есть некоторые шаблоны, например волны, создаваемые взрывами сверхновых определенных типов, которые исследователи LIGO создать не могут.
Вот почему Корниш предпочитает третий метод, который он помог разработать. Это включает в себя построение модели из того, что он называет вейвлетами. Это как крошечные части волнового сигнала, которые можно собирать различными способами. Вы меняете количество и форму частей, пока не найдете комбинацию, которая отделяет сигнал от шума. Поскольку вейвлет-анализ не делает предположений о том, что создало гравитационную волну, с его помощью можно сделать самые глубокие открытия. Вейвлеты «позволяют нам обнаруживать неизвестные неизвестные», говорит Корниш.
Недостатком является то, что они ничего не говорят нам о физических характеристиках обнаруженного источника. Для этого мы должны сравнить построенный сигнал с шаблонами или численным анализом.
Проблема со всеми тремя методами заключается в том, что для точного удаления сигнала из данных необходимо знать, когда нужно остановиться. Другими словами, вы должны понимать, как должен выглядеть остаточный шум. Это чрезвычайно сложно. Вы можете забыть запускать детектор в отсутствие гравитационных волн, чтобы получить показания фона. Шум меняется настолько сильно, что нет достоверного фона. Вместо этого LIGO полагается на характеристику шума в детекторах, поэтому они знают, как он должен выглядеть в любой момент времени. «Многое из того, что мы делаем, — это моделирование и изучение шума, — говорит Корниш.
«В документе о первом обнаружении использовался график данных, который был скорее «иллюстративным», чем точным»
Джексон с подозрением относится к анализу шума LIGO.
Одна из проблем заключается в том, что нет независимой проверки результатов сотрудничества. Иначе обстояло дело с другим выдающимся физическим открытием последних лет — бозоном Хиггса. Существование частицы было подтверждено анализом нескольких хорошо контролируемых столкновений частиц в двух разных детекторах в ЦЕРН недалеко от Женевы, Швейцария. Обе группы детекторов хранили свои результаты друг от друга до тех пор, пока анализ не был завершен.
В отличие от этого, LIGO должна работать с одиночными, неконтролируемыми, неповторимыми событиями. Хотя детекторов три, работают они почти как один прибор. И несмотря на наличие четырех групп анализа данных, они не могут работать полностью по отдельности, потому что часть процесса обнаружения включает проверку того, что все инструменты увидели сигнал. Это создает ситуацию, в которой каждое положительное наблюдение является непроверенным выводом. Посторонние должны верить, что LIGO выполняет свою работу должным образом.
Чисто для иллюстрации
И есть законные вопросы по поводу этого доверия.
Например, New Scientist узнал, что коллаборация решила опубликовать графики данных, которые не были получены в результате фактического анализа. По словам Корниша, в документе о первом обнаружении в Physical Review Letters использовался график данных, который был скорее «иллюстративным», чем точным. Некоторые результаты, представленные в этой статье, не были найдены с помощью алгоритмов анализа, а были сделаны «на глаз».
Браун, участник коллаборации LIGO в то время, объясняет это попыткой предоставить наглядную помощь. «Он был настроен вручную для педагогических целей». Он говорит, что сожалеет, что цифра не была помечена, чтобы указать на это.
Такое представление «отредактированных вручную» данных в рецензируемом научном отчете, подобном этому, определенно необычно. New Scientist спросил редактора, работавшего над статьей, Роберта Гаристо, знал ли он, что опубликованные графики данных не были получены непосредственно из данных LIGO, а были «педагогическими» и сделаны «на глаз», и является ли журнал в целом принимает иллюстративные рисунки.
Гаристо отказался от комментариев.
Были также сомнительные ярлыки в данных LIGO, опубликованных для общего пользования. Сотрудничество приблизилось к вычитанию сигнала Ливингстона из сигнала Хэнфорда, оставив корреляции в данных — те самые корреляции, которые заметил Джексон. Теперь на веб-странице выпуска данных есть примечание, в котором говорится, что общедоступная форма сигнала «не была настроена для точного удаления сигнала».
Какими бы ни были недостатки отчетности и публикации данных, Корниш настаивает на том, что фактический анализ был выполнен с помощью инструментов обработки, на разработку которых ушли годы и значительные вычислительные мощности для внедрения, и они работали отлично.
Однако любой, кто не участвует в сотрудничестве, должен поверить ему на слово. «Это проблематично: недостаточно данных для независимого анализа», — говорит Джексон. «Похоже, что они открыты, но не открыты вообще».
Браун соглашается, что проблема есть. «LIGO добилась больших успехов и движется к открытым данным и воспроизводимой науке», — говорит он.
— Но я не думаю, что они еще там.
Независимые проверки датской группы, опубликованные в трех рецензируемых статьях, показали, что доказательств присутствия гравитационных волн в сентябрьском сигнале 2015 года мало. Джексон говорит, что по шкале от уверенности в 1 до определенно не там в 0 вероятность того, что первое обнаружение будет связано с событием, связанным с черными дырами со свойствами, заявленными LIGO, составляет 0,000004. Это примерно то же самое, что вероятность того, что вашей возможной причиной смерти станет удар кометы или астероида, или, как выразился Джексон, «равно нулю». Вероятность того, что сигнал вызван слиянием любых черных дыр, также невелика. Джексон и его коллеги вычислили его как 0,008.
Одновременный сигнал
Есть и другие доказательства того, что по крайней мере одно из более поздних обнаружений произошло из-за гравитационной волны. 17 августа 2017 года орбитальный телескоп Ферми зафиксировал всплеск электромагнитного излучения в то же время, когда детекторы LIGO и Virgo зафиксировали сигнал.
Анализ всех свидетельств позволяет предположить, что оба сигнала произошли от жестокого столкновения двух нейтронных звезд.
Двойной удар делает обнаружение LIGO недвусмысленным. Однако даже здесь датская группа не соглашается. Они отмечают, что сотрудничество изначально зарегистрировало событие как ложную тревогу, потому что оно совпало с так называемым «сбоем». Детекторы страдают от этих коротких, необъяснимых всплесков шума, иногда по несколько в час. Кажется, они как-то связаны с оборудованием, из которого построены интерферометры, подвесными тросами и устройствами сейсмоизоляции. Корниш говорит, что аналитикам LIGO в конечном итоге удалось устранить сбой и выявить сигнал, но Джексона и его сотрудников снова не убедили используемые методы и тот факт, что их невозможно проверить.
Что со всем этим делать? Ничего, видимо. «Датский анализ просто неверен», — настаивает Корниш. «Были очень простые ошибки». Эти «ошибки» сводятся к решениям о том, как лучше анализировать необработанные данные (см.
«Как поймать волну»).
Не все согласны с тем, что выбор датчан был неправильным. «Я думаю, что их статья хорошая, и очень жаль, что некоторые из команды LIGO отреагировали так резко», — говорит Питер Коулз, космолог из Мейнутского университета в Ирландии. Муханов соглашается. «Сейчас это не входит в обязанности датской группы. Мяч на стороне LIGO», — говорит он. «Есть вопросы, на которые следует ответить».
Браун считает, что анализ датской группы неверен, но с ним стоит поработать. И Корниш признает, что проверка может быть неплохой вещью. Он и его коллеги планируют опубликовать статью с подробным описанием свойств шума LIGO. «Это та работа, которую мы на самом деле не хотели писать, потому что она скучная, а у нас есть более интересные дела». Но, добавляет он, это важно, и повышенное внимание и критика, возможно, в конце концов не будут чем-то плохим. «Ты должен понимать свой шум».
Сам Коулз не сомневается, что мы обнаружили гравитационные волны, но соглашается с Джексоном, что это не может быть подтверждено до тех пор, пока независимые ученые не смогут проверить необработанные данные и инструменты анализа.
«В духе открытой науки я думаю, что LIGO должна выпустить все необходимое для воспроизведения своих результатов».
Джексон не уверен, что пояснительные документы когда-либо будут опубликованы — сотрудничество обещало их раньше, говорит он. «Этот эпизод LIGO продолжает оставаться самым шокирующим профессиональным опытом за все мои 55 лет работы физиком, — говорит он. Не все с этим согласятся, но для открытия такого масштаба доверие — это все.
Неловкие звуки
В 2014 году операторы телескопа BICEP2 сделали настолько важное заявление, что заговорили о Нобелевской премии. Однако год спустя, не поехав в Стокгольм на церемонию награждения, они были вынуждены признать, что их одурачил неловкий шум.
Расположенный на Южном полюсе, BICEP2 сканировал космический микроволновый фон, образец излучения, оставшийся на небе от света, излученного вскоре после Большого взрыва. Большое объявление заключалось в том, что было обнаружено, что гравитационные волны повлияли на структуру таким образом, что это подтвердило основную теорию космологии.
Рассматриваемой теорией была инфляция, согласно которой Вселенная прошла через период сверхбыстрого роста сразу после Большого взрыва. В течение почти четырех десятилетий это не было доказано. Теперь, внезапно, сторонники инфляции были оправданы.
За исключением неудобных предупреждений, появившихся в течение нескольких недель, предполагающих, что облака космической пыли рассеивают радиацию таким образом, что это обманывает исследователей BICEP2. В конце концов, оценка командой количества присутствующей пыли и анализ того, какой шум будет производить пыль, оказались ошибочными. Шум может обмануть даже самых умных. Вот почему, несмотря на то, что LIGO является очень уважаемым сотрудничеством, есть все основания серьезно отнестись к вопросам анализа шума (см. основную статью).
Как поймать волну
Выходные данные детекторов гравитационных волн полны шума. Для распутывания сигнала требуется принятие решений, а плохие решения могут привести к катастрофическим заблуждениям.
Лучшее оружие в арсенале известно как преобразование Фурье. Это разбивает сигнал на различные частотные компоненты и преобразует его в спектр мощности, в котором подробно описывается, какая часть мощности сигнала содержится в каждом из этих компонентов. Это можно сделать с помощью оконной функции, математического инструмента, который работает с выбранной частью данных. Вопрос о том, использовать его или нет, лежит в основе разногласий по поводу результатов LIGO (см. основной сюжет).
Несогласная команда Эндрю Джексона из Института Нильса Бора в Дании решила не использовать оконную функцию, решение, которое Нил Корниш из LIGO назвал «основной ошибкой». Джексон говорит, что они не использовали его, потому что он незначительно изменяет преобразованные Фурье данные таким образом, что это может исказить результаты последующей обработки.
Даже после проведения анализа Фурье необходимо сделать выводы о шуме в детекторах. Например, распределено ли оно по предсказуемой схеме, эквивалентной колоколообразному распределению Гаусса? И меняется ли она со временем или она «стационарна»? Подходящие методы обработки данных различаются в зависимости от ответов на эти вопросы, поэтому надежное обнаружение гравитационных волн зависит от правильных предположений.
Группа Джексона говорит, что решения, принятые во время анализа LIGO, в лучшем случае непрозрачны и, вероятно, ошибочны.
Эта статья появилась в печати под заголовком «Помашите на прощание?»
Руководитель: «Коллаборация LIGO должна ответить на критику гравитационных волн»
Подробнее по этим темам:
- гравитационные волны
Луна как детектор гравитационных волн
• Физика 15, 34
Благодаря новому методу анализа точные измерения расстояния Земля-Луна должны улучшить оценки размера фона гравитационных волн.
НАСА
Точные измерения расстояния Земля-Луна могут позволить исследователям оценить максимально возможную амплитуду устойчивого фонового «гула» гравитационных волн. (Эта цейтраферная серия фотографий была сделана спутником в миллионе миль от Земли.) Точные измерения расстояния Земля-Луна могут позволить исследователям оценить максимально возможную амплитуду устойчивого фонового «гула» гравитационных волн.
(Эта цейтраферная серия фотографий была сделана спутником в миллионе миль от Восточной… Подробнее
Шквал всех гравитационных волн, непрерывно падающих на Землю в микрогерцевом частотном диапазоне (примерно одно колебание каждые несколько недель), может быть обнаружен путем измерения их едва уловимого воздействия на систему Земля-Луна. Используя эту десятилетнюю идею, исследователи теперь показали, что последние данные лазерной дальнометрии могут быть использованы для установления значительно меньшего верхнего предела возможной силы этих волн по сравнению с предыдущими оценками [1, 2]. Этот метод обещает новый мощный способ исследования гравитационных волн с использованием естественных орбитальных систем в качестве чувствительных детекторов.
Гравитационные волны могут предоставить информацию о некоторых из самых жестоких событий во Вселенной, от слияния черных дыр до Большого взрыва, однако современные детекторы имеют слепую зону между двумя разными частотными диапазонами.
Коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA, основанная на лазерных интерферометрах, расположенных в США, Европе и Японии, может обнаруживать волны с частотами в диапазоне от 1 до 1000 Гц. Другая схема обнаружения использует периодические сигналы от пульсаров для обнаружения гравитационных волн в наногерцах (нГц), что соответствует одному колебанию каждые несколько лет. Таким образом, существует большой разрыв для волн в микрогерцовом ( 𝜇Гц) режиме, которые могут генерироваться, например, парами сверхмассивных черных дыр на поздних стадиях обращения друг вокруг друга перед слиянием.
«Мы стремимся восполнить этот пробел», — говорит Александр Дженкинс из Университетского колледжа Лондона. «Идея состоит в том, чтобы измерить, как [волны] влияют на орбиты двойных систем, включая систему Земля-Луна». Дженкинс говорит, что многие исследователи помогали развивать эту идею с 1970-х годов. В простейшем случае непрерывная гравитационная волна с той же частотой, что и орбитальное движение, могла бы, скажем, подталкивать объекты немного ближе друг к другу в каждом цикле.
Из-за этого явления резонанса орбита со временем будет меняться, отражая свойства волны.
Д. Блас и А. К. Дженкинс
Ни минуты покоя. Если на два гравитационно связанных объекта постоянно воздействуют гравитационные волны со всей Вселенной, их взаимная орбита будет постепенно меняться с течением времени.
Д. Блас и А. К. Дженкинс
Ни минуты покоя. Если на два гравитационно связанных объекта постоянно воздействуют гравитационные волны со всей Вселенной, их взаимная орбита будет постепенно меняться с течением времени.
×
В 2013 году Лам Хуэй из Колумбийского университета и его коллеги показали, что гравитационные волны в частотном диапазоне 𝜇Гц могут оказывать потенциально измеримое воздействие на двойные системы [3]. Теоретически они продемонстрировали, что непрерывный фон от большого количества таких волн, приходящих со всех направлений, должен вызывать случайное блуждание периода и других параметров орбиты и, таким образом, постепенное изменение во времени.
Скорость изменения будет отражать силу преобладающих волн.
Используя данные двойного пульсара — вращающейся пары звезд-пульсаров, которые излучают периодические сигналы — Хуи и его коллеги получили верхнюю границу возможной силы гравитационных волн в интервале 𝜇Гц. Теперь Дженкинс и Диего Блас из Автономного университета Барселоны, Испания, продолжили эту работу, показав, что точность текущих данных о системе Земля-Луна должна позволить исследователям получить верхнюю границу, которая намного меньше, чем полученная Хуи и его коллеги.
Дженкинс и Блас, опираясь на более раннюю работу, разработали математический формализм, а также численные методы для отслеживания случайной эволюции орбитального движения любой двойной системы на фоне гравитационных волн [1]. Эти математические методы позволили им установить более точную связь между орбитальными изменениями и природой движущих их гравитационных волн. «Наш формализм дает гораздо более полный и строгий способ расчета всех эффектов, которые фон гравитационных волн будет иметь для данной двойной системы», — говорит Дженкинс.
В сопутствующей статье исследователи используют эти методы, чтобы предложить способ снижения предела силы фона гравитационных волн в текущей «слепой зоне» [2]. Они утверждают, что это можно сделать, используя лазерные измерения Луны для определения точных изменений орбиты Земля-Луна, а затем сравнивая их с предсказаниями теории. Результаты, по их оценкам, должны улучшить знания исследователей о возможной амплитуде этих волн более чем в 100 раз.
«Это захватывающий и новый способ наблюдения за гравитационными волнами», — говорит физик по изучению черных дыр Витор Кардосо из Instituto Superior Técnico, Лиссабон, Португалия. «Идея проста, но требует сложных расчетов для реализации и демонстрации того, что она работает». Более того, этот альтернативный подход к обнаружению может выявить неожиданные источники гравитационных волн, говорит он. Мы можем обнаружить, «что Вселенная полна загадочного гравитационно-волнового содержимого».
Что касается следующих шагов, Дженкинс считает, что необходимо больше теоретической работы.
Например, «это не просто отдельные двойные системы — нам также нужно увидеть, как целые галактики реагируют на гравитационные волны», — говорит он.
–Марк Бьюкенен
Марк Бьюкенен – независимый научный писатель, работающий в Абергавенни, Великобритания, и Нотр-Дам-де-Курсон, Франция.
Ссылки
- D. Blas и A.C. Jenkins, «Обнаружение стохастических гравитационных волн с бинарным резонансом», Phys. Ред. D 105 , 064021 (2022).
- Д. Блас и А. С. Дженкинс, «Преодоление разрыва в 𝜇 Гц в ландшафте гравитационных волн с помощью бинарных резонансов», Phys. Преподобный Летт. 128 , 101103 (2022).
- Л. Хуэй и др. , «Двойные системы как резонансные детекторы гравитационных волн», Phys. Ред. D 87 , 084009 (2013).
Обменные зоны
Гравитация
Связанные статьи
Астрофизика
Мини-интерферометры. слияния отверстий. Подробнее »
Гравитация
Спутник подтверждает принцип падения
Спутниковый эксперимент MICROSCOPE проверил принцип эквивалентности с беспрецедентным уровнем точности. Подробнее »
Гравитация
Принцип эквивалентности
МИКРОСКОП
Еще статьи
Новый детектор гравитационных волн улавливает возможный сигнал с начала времен
Гравитационные волны — это гигантская рябь в ткани пространства-времени. (Изображение предоставлено Shutterstock)
(открывается в новой вкладке)
Два интригующих сигнала, обнаруженных в небольшом детекторе гравитационных волн, могут представлять все виды экзотических явлений — от новой физики до темной материи, взаимодействующей с черными дырами, до вибраций почти с самого начала. Вселенной. Но из-за новизны эксперимента исследователи с осторожностью относятся к заявлениям об открытиях любого рода.
Такие объекты, как лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) , используют гигантские лазерные детекторы для поиска огромной ряби в ткани пространства-времени , известной как гравитационные волны. Они происходят из-за столкновений черных дыр и нейтронных звезд в далекой Вселенной, которые являются событиями настолько мощными, что сотрясают пространство-время и посылают волны с длинами волн, измеряемыми сотнями миль.
Родственный: 8 способов узнать, что черные дыры действительно существуют
Задолго до того, как были построены эти огромные обсерватории, ученые подозревали существование гравитационных волн таких размеров, потому что они знали, что черные дыры и нейтронные звезды должны иногда сталкиваться друг с другом, Майкл Тобар, физик из Университета Западной Австралии в Перте, рассказал Live Science.
Но нет хорошо изученных источников гравитационных волн с более короткими длинами волн от нескольких футов до нескольких миль, добавил он.
Тем не менее, «во Вселенной всегда есть вещи, которых мы не ожидаем», — сказал Тобар.
В последние годы наблюдается толчок к созданию детекторов, которые могут искать эти меньшие гравитационные волны, включая детектор, созданный Тобаром и его коллегами. Их устройство состоит из диска из кристаллического кварца диаметром 1 дюйм (3 сантиметра) с резонансной камерой, которая производит электрический сигнал всякий раз, когда он вибрирует на определенных частотах.
На этом изображении показано крошечное кристаллическое сердце детектора гравитационных волн, голый резонатор без прикрепленных к нему электродов. (Изображение предоставлено Майклом Тобаром)
Тобар сравнил установку с колоколом или гонгом, который звонит с определенной высотой. «Если туда попадет гравитационная волна, это возбудит его», — сказал он. Затем звон в кристалле улавливается электрическими датчиками как электромагнитный сигнал.
Исследователи поместили свой детектор за несколькими радиационными экранами, чтобы защитить его от фоновых электромагнитных полей, и охладили его до чрезвычайно низких температур, чтобы свести к минимуму тепловые колебания в устройстве.
В течение 153 дней эксперимента кристалл звонил дважды, каждый раз на одну или две секунды. Выводы команды появились 12 августа в журнале Physical Review Letters .
Сейчас ученые пытаются выяснить, чем вызваны эти результаты. По словам Тобара, одним из возможных объяснений являются заряженные частицы, называемые космическими лучами. Он добавил, что ранее неизвестный тип тепловых флуктуаций в кристалле, который должен был быть минимальным из-за сверхнизких температур, может быть другим.
Но есть и множество экзотических перспектив, таких как тип темной материи, известный как аксион , вращающийся вокруг черной дыры и испускающий гравитационные волны, пишут исследователи в своей статье. По словам Тобара, для многих объяснений может потребоваться ранее неизвестная физика, выходящая за рамки Стандартной модели, которая описывает почти все субатомные частицы и силы во Вселенной.
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖАНИЕ
Вскоре после Большого Взрыва космологи считают, что Вселенная прошла через период, называемый инфляцией, во время которого она расширилась в размерах экспоненциально, Франческо Муиа, физик-теоретик из Кембриджского университета в Великобритании, который не участвует в работе, рассказал Live Science.
В конце нашей эры Вселенная, возможно, прошла через фазовый переход, что-то вроде перехода воды из жидкого состояния в газообразное при кипении, сказал он. Если бы это произошло, переход мог бы выделить большое количество энергии в ткань пространства-времени, генерируя гравитационные волны, которые можно было бы увидеть в этом эксперименте, сказал Муйя.
Он не думает, что есть достаточно свидетельств, чтобы сказать, каковы были события в кристалле, так или иначе, но он взволнован тем, что этот эксперимент и другие подобные эксперименты появятся в сети в ближайшем будущем.
Тобар согласился. «Было бы хорошо, если бы это были гравитационные волны, но кто знает», — сказал он.
Теперь, когда у исследователей есть эти обнаружения, они могут построить больше датчиков, подобных этому, добавил он. Если несколько устройств увидят один и тот же сигнал одновременно, это потенциально может указать на что-то во Вселенной и помочь исключить внутренние процессы, такие как тепловые флуктуации внутри кристалла.