Открытие гравитационных волн что дает: история изучения и открытие LIGO — все самое интересное на ПостНауке

комментарии российских физиков / Хабр

11 февраля 2016 года навсегда войдёт в историю. В этот день состоялось одно из величайших научных открытий последнего времени — открытие гравитационных волн, предсказанных почти сто лет назад общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Рябь в ткани пространства-времени, которая искажает пространство и время вокруг себя, дошла до Земли и впервые была напрямую зарегистрирована.

«Мы открываем новую эру — эру гравитационно-волновой астрономии. Это можно сравнить с появлением телескопа или радиоастрономии. У нас появился новый инструмент для исследования Вселенной», — считает один из участников проекта LIGO, руководитель группы «Когерентная микрооптика и радиофотоника» Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Городецкий.

Международный проект LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, был запущен в 1992 году, сейчас в нём участвуют учёные из 15 стран. С самого начала в экспериментах участвовали российские физики, в том числе научные группы под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова.

Сегодня Валерий Митрофанов и другие видные российские физики приняли участие в пресс-конференции, на которой подробно рассказали об открытии. Ниже — видеозапись пресс-конференции. Профессор Митрофанов выступает первым, сначала он комментирует в прямом эфире трансляцию из Вашингтона. Там официально объявили сенсационную новость, слухи о которой ходили уже несколько недель.

Затем Валерий Митрофанов сам объяснил вкратце техническую сторону, как проходил эксперимент:

«Сигнал ловили от двух чёрных дыр, которые расположены от нас на расстоянии примерно в 1,3 миллиарда световых лет. Дыры вращались вокруг друг друга и в конце концов слились в одну. Об этом гравитационные волны просигнализировали всплеском, который и зафиксировали детекторы. Важно подчеркнуть, что это прямая регистрация волн, а не косвенная. За косвенную в 1993 году была присуждена Нобелевская премия. Детекторы поймали сигнал в 10 минус 19 степени метра. Это сегодня предельная точность измерения, которую до сих пор удалось достичь на Земле.

Что касается вклада российских учёных, то это, прежде всего, создание систем, которые позволяют выделить такой слабый сигнал на фоне шума. Задача, прямо скажем, сложнейшая».

Чёрные дыры имели массу примерно по 30 масс Солнца каждая и вращались друг вокруг друга с частотой 150 Гц. Масса после слияния оказалась на три солнечные массы меньше, чем сумма масс до слияния: оставшаяся энергия была испущена в форме гравитационных волн.

Дойдя до Земли, гравитационные волны начали искажать наше пространство-время. Соответственно, начало периодически изменяться расстояние между элементами антенн обсерватории LIGO, что зарегистрировали детекторы лазерных лучей.

Гравитационные волны были зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 13:51 по московскому времени.

«Это предельное достижение человеческой цивилизации, — заявил профессор МГУ Сергей Вятчанин. — LIGO почти достиг квантового предела измерений. Удалось зарегистрировать смещение двух макроскопических объектов массой в несколько килограммов и разнесенных на несколько километров с точностью, предрекаемой квантовой неопределённостью Гейзенберга».

«Сейчас у нас всего два детектора, но даже с ними мы сможем определить массы объектов, а по времени задержки — оценить их примерное положение на небе, — сказал один из авторов открытия, научный директор Российского квантового центра, профессор МГУ Михаил Городецкий. — Для двух антенн локализация получается не очень хорошая — некоторая дуга на небе, но, когда полностью заработает третья Европейская гравитационная антенна, методом триангуляции мы сможем определять положение источников достаточно точно».

Г-образная антенна и обсерватория LIGO в штате Луизиана

Кстати, именно российские физики предложили подвешивать зеркала на кварцевых нитях вместо стальных (лазерные лучи отражались от зеркал в каждом четырёхкилометровом плече Г-образного интерферометра), что снизило посторонние шумы в системе. Без этого открытие вряд ли бы состоялось.

Видеозапись пресс-конференции

Открытие гравитационных волн | Лаборатория космических исследований

В 1916 году великий физик Альберт Эйнштейн объявил миру  о всем известной сегодня Общей теории относительности, согласно которой существуют некие гравитационные волны, которые, как и другие виды волн, являются колебаниями. По теории Эйнштейна гравитационные волны  — это колебания ткани пространства-времени. Это удивительное предположение целый век оставалось лишь теорией, заставляя ломать умы множества ученых. Некоторые пытались ее доказать, кто-то старался опровергнуть. И вот, наконец, этим многочисленным спорам был положен конец.

11 февраля 2016 года на пресс-конференции в Национальном пресс-клубе в Вашингтоне было официально объявлено о долгожданном открытии гравитационных волн. Авторами открытия стали группа исследователей, объединенных в международную гравитационную обсерваторию LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

Ученые давно предполагали, что наиболее мощные гравитационные волны вызывают крупные космические катаклизмы. Например, столкновение двух крупных объектов, взрывы звезд, образование Черных дыр и другие. После такого рода явлений, возникшие гравитационные волны должны распространиться по Вселенной, а однажды и достичь Земли, где их уже будут ждать в LIGO.  Суть ловли этих волн была следующей. Два лазерных луча направляют перпендикулярно друг другу по трубам огромной длины. В LIGO длина трубы 4 километра. Затем при  помощи зеркал лучи сводят в один, а далее исследуют стандартную интерференционную картину. Когда гравитационные волны достигли Земли, пространство сузится в одном направлении и расширится в перпендикулярном. Следовательно, расстояния, проделанные лучами, изменятся. Это и отразится на интерференционной картинке, которая выглядит как концентрические окружности (т.е. окружности замкнутые сами на себе).

Многие годы в LIGO проделывали вышеупомянутый опыт, но он, увы, не давал ни малейшего результата. Однако недавно обсерваторию улучшили, сделав лазерные интерферометры гораздо чувствительнее, и назвали ее Advanced LIGO. После этого ученым и удалось добиться нужного результата, наконец, увидев с помощью LIGO гравитационные волны. По предположениям ученых волны пришли от столкновения двух сверхмассивных черных дыр, что дает весомый аргумент  в пользу существования черных дыр, которое еще не доказано. Данное столкновение произошло аж 1,3 миллиарда лет назад, и только сейчас гравитационные возмущения достигли Земли.

Таким образом, 11 февраля 2016 года миру было представлено одно из великих открытий, подтверждающее известную теорию Эйнштейна и дающее начало новой эре гравитационно-волновой астрономии. Теперь, не останавливаясь на достигнутом, физики будут пытаться безустанно разгадать некоторые загадки темной материи и ранних этапов развития Вселенной, а также заглянуть в области, где  нарушается ОТО, что значительно продвинет современную астрофизику, приближая нас к величайшим загадкам Вселенной. ..

Что такое гравитационные волны? | Лаборатория ЛИГО

Иллюстрация гравитационных волн, создаваемых двумя вращающимися черными дырами. [Кредит: Хенце/НАСА]

Двумерная иллюстрация того, как масса во Вселенной искажает пространство-время. [Фото: НАСА]

Гравитационные волны — это «рябь» в пространстве-времени, вызванная одними из самых бурных и энергичных процессов во Вселенной. Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в 1916 году в своей общей теории относительности. Математика Эйнштейна показала, что массивные ускоряющиеся объекты (такие как нейтронные звезды или черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга) разрушат пространство-время таким образом, что «волны» волнообразного пространства-времени будут распространяться во всех направлениях от источника. Эти космические волны будут двигаться со скоростью света, неся с собой информацию о своем происхождении, а также ключи к разгадке природы самой гравитации.

Сильнейшие гравитационные волны возникают в результате катаклизмов, таких как столкновение черных дыр, сверхновых (массивные звезды, взрывающиеся в конце своей жизни) и столкновение нейтронных звезд. Предполагается, что другие волны вызваны вращением нейтронных звезд, которые не являются идеальными сферами, и, возможно, даже остатками гравитационного излучения, созданного Большим взрывом.

Анимация ниже показывает, как гравитационные волны излучаются двумя нейтронными звездами, когда они вращаются вокруг друг друга, а затем сливаются (фото: НАСА/Центр космических полетов имени Годдарда). Обратите внимание, что сами гравитационные волны невидимы. Они сделаны видимыми здесь, чтобы проиллюстрировать их распространение вдали от источника.

Ваш браузер не поддерживает этот тег видео.

Хотя Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в 1916 году, первое доказательство их существования появилось только в 1974 году, через 20 лет после его смерти. В том же году два астронома с помощью радиообсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико открыли двойной пульсар, который, согласно общей теории относительности, должен излучать гравитационные волны. Зная, что это открытие может быть использовано для проверки смелого предсказания Эйнштейна, астрономы начали измерять, как со временем менялись орбиты звезд. После восьми лет наблюдений они определили, что звезды сближаются друг с другом на точно скорость, предсказываемая общей теорией относительности, если бы они излучали гравитационные волны. Для более подробного обсуждения этого открытия и работы см. Look Deeper.

Впечатление художника о двойном пульсаре. [Источник: Майкл Крамер, Джодрелл Бэнк, Манчестерский университет]

существование гравитационных волн. Но эти подтверждения всегда приходили косвенно или математически, а не через прямой контакт .

Все изменилось 14 сентября 2015 года, когда LIGO физически ощутил неровности пространства-времени, вызванные гравитационными волнами, порожденными двумя сталкивающимися черными дырами на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Открытие LIGO войдет в историю как одно из величайших научных достижений человечества.

Хотя процессы, которые генерируют гравитационные волны, могут быть чрезвычайно сильными и разрушительными, к тому времени, когда волны достигают Земли, они составляют тысяч миллиардов раз меньше! На самом деле, к тому времени, когда гравитационные волны от первого обнаружения LIGO достигли нас, количество вызванных ими пространственно-временных колебаний было в 1000 раз меньше, чем ядро ​​атома ! Именно для таких невообразимо малых измерений и был разработан LIGO. Чтобы узнать, как LIGO решает эту, казалось бы, невыполнимую задачу, посетите интерферометр LIGO.

Что такое гравитационная волна?

Краткий ответ:

Гравитационная волна — это невидимая (но невероятно быстрая) рябь в пространстве. Гравитационные волны распространяются со скоростью света (186 000 миль в секунду). Эти волны сжимают и растягивают все на своем пути, проходя мимо.

Гравитационная волна — это невидимая (но невероятно быстрая) рябь в пространстве.

Мы давно знаем о гравитационных волнах. Более 100 лет назад великий ученый по имени Альберт Эйнштейн выдвинул множество идей о гравитации и космосе.

Эйнштейн предсказал, что когда два тела — планеты или звезды — вращаются вокруг друг друга, происходит что-то особенное. Он считал, что такое движение может вызвать рябь в пространстве. Эта рябь будет распространяться, как рябь в пруду, когда в него бросают камень. Ученые называют эту рябь пространства 9.0005 гравитационные волны .

Гравитационные волны невидимы. Однако они невероятно быстры. Они путешествуют со скоростью света (186 000 миль в секунду). Гравитационные волны сжимают и растягивают все на своем пути, проходя мимо.

Что вызывает гравитационные волны?

Самые мощные гравитационные волны создаются, когда объекты движутся с очень высокой скоростью. Некоторые примеры событий, которые могут вызвать гравитационную волну:

• когда звезда взрывается асимметрично (называется сверхновой)
• когда две большие звезды вращаются вокруг друг друга
• когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга и сливаются

Но эти типы объектов, которые создают гравитационные волны, находятся далеко. А иногда эти события вызывают лишь небольшие слабые гравитационные волны. Затем волны становятся очень слабыми к тому времени, когда они достигают Земли. Это затрудняет обнаружение гравитационных волн.

Откуда мы знаем, что гравитационные волны существуют?

В 2015 году ученые впервые обнаружили гравитационные волны. Они использовали очень чувствительный инструмент под названием LIGO (лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории).
Эти первые гравитационные волны возникли, когда две черные дыры столкнулись друг с другом. Столкновение произошло 1,3 миллиарда лет назад. Но рябь не доходила до Земли до 2015 года!