Содержание
Нобелевскую премию по физике вручили за открытие гравитационных волн. Что это?
Прорыв
Нобелевскую премию по физике вручили за открытие гравитационных волн. Что это?
Артем Лучко
3 октября 2017 13:24
Лауреатами Нобелевской премии по физике-2017 стали Райнер Вайсс, Барри Бариш и Кип Торн (среди прочего — научный консультант фильма «Интерстеллар»). Ученые открыли гравитационные волны. Еще в 2016 году находку ученых для «Афиши» прокомментировал доцент кафедры общей физики МФТИ Михаил Савров.
Сигнал был обнаружен 14 сентября 2015 года. Исходил он от двух сталкивающихся черных дыр. Сигнал имеет очень характерную форму, которая соответствует тому, что предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Результаты также были многократно проверены, так что сомневаться в них не приходится.
Две черные дыры диаметром около 150 км и массами в 29 и в 36 раз больше массы Солнца вращались вокруг друг друга со скоростью всего в два раза меньше скорости света.
В конце концов объекты образовали единую массивную черную дыру. Это событие произошло 1,3 миллиарда лет назад, и в момент слияния за доли секунды примерно три солнечных массы превратились в гравитационные волны. Максимальная мощность излучения волн была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной.
Достигнув нашей планеты, гравитационные волны начали сжимать и расширять ее, но этот эффект настолько мал, что только сверхчувствительные детекторы LIGO могли распознать воздействие.
LIGO состоит из двух гравитационно-волновых обсерваторий, одна находится в Ливингстоне, штат Луизиана, а другая — в Хэнфорде, штат Вашингтон. При регистрации гравитационной волны, распространяющейся, согласно теории, со скоростью света, расстояние дает задержку сигнала в 10 миллисекунд. Он и позволил определить направление источника волны.
По словам ученых, это открытие положило начало новой гравитационно-волновой астрономии. Если древние люди видели Вселенную только в видимом свете, а в XX веке появились радиотеолескопы и детекторы космических лучей, теперь исследователи получили новый канал, который позволит узнать о вселенной гораздо больше.
А загадок на сегодня достаточно: ученые имеют представление только о барионной материи, которая составляет только 5% от массы всей Вселенной. И нам только предстоит узнать, из чего состоят остальные 95%. Кроме того умение детектировать гравитационные волны позволит увидеть реликтовое гравитационное излучение, которое исходит от большого взрыва, — а это может внести решающий вклад в изучение квантовой гравитации — святой Грааль современной физики. Это направление ставит своей целью увязать гравитацию с остальными тремя фундаментальными взаимодействиями, то есть построить «теорию всего».
Что такое гравитационные волны?
«Гравитационные волны — это локальные возмущения гравитационного поля, распространяющиеся со скоростью света. Если человек окажется в поле гравитационной волны достаточной силы, то он почувствует, как его немного сжимает и одновременно растягивает в перпендикулярном направлении, причем сжатие и растяжение будут чередоваться с частотой волны. Величина эффекта чрезвычайно мала.
Например, мощность гравитационных волн, излучаемых Солнечной системой, — всего около киловатта. Заметно их излучает только двойная система из очень близких черных дыр или нейтронных звезд».
Как работает LIGO?
«LIGO — это большой интерферометр с длиной плеча около 4 км. Работает он следующим образом: лазерный луч расщепляется на два луча, идущих в перпендикулярном направлении, потом эти лучи сводят вместе и наблюдают интерференционную картину. Когда через интерферометр проходит гравитационная волна, одно плечо укорачивается, а другое удлиняется (см. выше). Это приводит к появлению разности фаз лучей и к сдвигу интерференционной картины. Достигнутая при этом точность поразительна: расстояние до ближайшей звезды можно было бы измерить с точностью до толщины человеческого волоса. Для этого понадобилось четыре десятилетия упорного труда».
Могут ли ученые ошибиться?
«Я думаю, нет. Два интерферометра зарегистрировали одновременно одинаковый сигнал, который потом был воспроизведен численным моделированием (решением уравнений Эйнштейна).
Данные позволили установить, что такой сигнал дает слияние двух черных дыр с массой в 30 Солнц каждая. Выделяющаяся при этом мощность в 50 раз превышает мощность излучения всех (!) звезд видимой части Вселенной».
Что это дает человечеству?
«Открыта новая страница в астрономии: теперь мы наблюдаем гравитационные волны. Анализируя форму сигнала, можно много узнать об их источниках, черных дырах и нейтронных звездах например. Насчет квантовой гравитации — не знаю; на первый взгляд, гравитационная волна — это классическое явление, но будущее покажет. Безусловно, огромный толчок получит астрофизика. Технология тоже получит много, поскольку мы научились измерять сигнал с 20 нулями после запятой».
расскажите друзьям
Почему важно открытие гравитационных волн
Весь мир празднует открытие гравитационных волн, которое произошло в том числе и благодаря работе российских ученых. О том, почему это событие открывает новую веху в науке и сможет ли оно принести какую-то практическую пользу, рассказывает «Газета.
Ru».
Как началась охота за волнами
Гравитационные волны открыты
Впервые в истории человечество зафиксировало гравитационные волны — колебания пространства-времени…
11 февраля 18:41
«Не так давно сильный интерес научной общественности вызвала серия долгосрочных экспериментов по непосредственному наблюдению гравитационных волн, — писал специалист в области теоретической физики Митио Каку в книге «Космос Эйнштейна» в 2004 году. — Проект LIGO («Лазерный интерферометр для наблюдения гравитационных волн»), возможно, окажется первым, в ходе которого удастся «увидеть» гравитационные волны, скорее всего, от столкновения двух черных дыр в дальнем космосе. LIGO — сбывшаяся мечта физика, первая установка достаточной мощности для измерения гравитационных волн».
Предсказание Каку сбылось: в четверг группа международных ученых из обсерватории LIGO объявила об открытии гравитационных волн.
Гравитационные волны — это колебания пространства-времени, которые «убегают» от массивных объектов (например, черных дыр), движущихся с ускорением.
Иными словами, гравитационные волны — это распространяющееся возмущение пространства-времени, бегущая деформация абсолютной пустоты.
Черная дыра — это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (и сам свет в том числе). Граница, отделяющая черную дыру от всего остального мира, называется горизонтом событий: все, что происходит внутри горизонта событий, скрыто от глаз внешнего наблюдателя.
close
100%
Ловить гравитационные волны ученые начали еще полвека назад: именно тогда американский физик Джозеф Вебер увлекся общей теорией относительности Эйнштейна (ОТО), взял творческий отпуск и стал изучать гравитационные волны. Вебер изобрел первое приспособление, детектирующее гравитационные волны, и вскоре заявил, что зафиксировал «звучание гравитационных волн». Впрочем, научное сообщество опровергло его сообщение.
Однако именно благодаря Джозефу Веберу множество ученых превратилось в «охотников за волнами».
Сегодня Вебер считается отцом научного направления гравитационно-волновой астрономии.
«Это — начало новой эры гравитационной астрономии»
«Новая эра в астрономии»
Интрига с открытием гравитационных волн разрешится на этой неделе. Отдел науки «Газеты.Ru» попытался…
08 февраля 10:32
Обсерватория LIGO, в которой ученые зафиксировали гравитационные волны, состоит из трех лазерных установок в США: две находятся в штате Вашингтон и одна — в штате Луизиана. Вот как описывает работу лазерных детекторов Митио Каку: «Лазерный луч расщепляется на два отдельных луча, которые далее идут перпендикулярно друг другу. Затем, отразившись от зеркала, они вновь соединяются. Если через интерферометр (измерительный прибор) пройдет гравитационная волна, длины путей двух лазерных лучей претерпят возмущение и это отразится в их интерференционной картине. Чтобы убедиться в том, что сигнал, зарегистрированный лазерной установкой, не случаен, детекторы следует разместить в разных точках Земли.
Только под действием гигантской гравитационной волны, намного превышающей по размеру нашу планету, все детекторы сработают одновременно».
Сейчас коллаборация LIGO зафиксировала гравитационное излучение, вызванное слиянием двойной системы черных дыр с массами 36 и 29 солнечных масс в объект массой 62 массы Солнца. «Это первое прямое (очень важно, что это прямое!) измерение действия гравитационных волн, — дал комментарий корреспонденту отдела науки «Газеты.Ru» профессор физического факультета МГУ Сергей Вятчанин. — То есть принят сигнал от астрофизической катастрофы слияния двух черных дыр. И этот сигнал идентифицирован — это тоже очень важно! Понятно, что это от двух черных дыр. И это есть начало новой эры гравитационной астрономии, которая позволит получать информацию о Вселенной не только через оптические, рентгеновские, электромагнитные и нейтринные источники — но еще и через гравитационные волны.
Можно сказать, что процентов на 90 черные дыры перестали быть гипотетическими объектами.
Некоторая доля сомнения остается, но все-таки сигнал, который пойман, уж больно хорошо ложится на то, что предсказывают бесчисленные моделирования слияния двух черных дыр в соответствии с общей теорией относительности.
Это является сильным доводом того, что черные дыры существуют. Другого объяснения такому сигналу пока нет. Поэтому принимается, что черные дыры существуют».
«Эйнштейн был бы очень счастлив»
Гравитационную волну погнали слишком рано
На уходящей неделе вновь появилась информация об обнаружении гравитационных волн. Отдел науки «Газеты.Ru»…
16 января 13:50
Гравитационные волны в рамках своей общей теории относительности предсказал Альберт Эйнштейн (который, кстати, скептически относился к существованию черных дыр). В ОТО к трем пространственным измерениям добавляется время, и мир становится четырехмерным. Согласно теории, перевернувшей с ног на голову всю физику, гравитация — это следствие искривления пространства-времени под воздействием массы.
Эйнштейн доказал, что любая материя, движущаяся с ускорением, создает возмущение пространства-времени — гравитационную волну. Это возмущение тем больше, чем выше ускорение и масса объекта.
Из-за слабости гравитационных сил по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями эти волны должны иметь весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.
Объясняя ОТО гуманитариям, физики часто просят их представить натянутый лист резины, на который опускают массивные шарики. Шарики продавливают резину, и натянутый лист (который олицетворяет пространство-время) деформируется. Согласно ОТО, вся Вселенная — это резина, на которой каждая планета, каждая звезда и каждая галактика оставляют вмятины. Наша Земля вращается вокруг Солнца словно маленький шарик, пущенный кататься вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» пространства-времени тяжелым шаром.
close
100%
Тяжелый шар — это и есть Солнце
Вполне вероятно, что открытие гравитационных волн, являющееся главным подтверждением теории Эйнштейна, претендует на Нобелевскую премию по физике.
«Эйнштейн был бы очень счастлив», — сказала Габриэлла Гонсалез, представитель коллаборации LIGO.
По словам ученых, пока рано говорить о практической применимости открытия. «Хотя разве Генрих Герц (немецкий физик, доказавший существование электромагнитных волн. — «Газета.Ru») мог подумать, что будет мобильный телефон? Нет! Мы сейчас ничего не можем представить, — рассказал Валерий Митрофанов, профессор физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. — Я ориентируюсь на фильм «Интерстеллар». Его критикуют, да, но вообразить ковер-самолет мог даже дикий человек. И ковер-самолет реализовался в самолет, и все. А здесь уже нужно представить что-то очень сложное. В «Интерстелларе» один из моментов связан с тем, что человек может путешествовать из одного мира в другой. Если так представить, то верите ли вы, что человек может путешествовать из одного мира в другой, что может быть много вселенных — все, что угодно? Я не могу ответить «нет». Потому что физик не может ответить на такой вопрос «нет»! Только если это противоречит каким-то законам сохранения! Есть варианты, которые не противоречат известным физическим законам.
Значит, путешествия по мирам могут быть!»
Как были обнаружены первые гравитационные волны
Примечание: 3 октября 2017 года Шведская королевская академия наук объявила, что Нобелевская премия по физике будет присуждена Райнеру Вайсу, Кипу Торну и Барри Бэришу, трем первооткрывателям изучение гравитационных волн.
Чуть более миллиарда лет назад, во многих миллионах галактик отсюда, столкнулась пара черных дыр. Они кружили друг вокруг друга на протяжении тысячелетий в своего рода брачном танце, набирая скорость с каждой орбитой, подлетая все ближе и ближе. К тому времени, когда они были в нескольких сотнях миль друг от друга, они мчались почти со скоростью света, испуская огромные колебания гравитационной энергии. Пространство и время исказились, как кипящая вода. За те доли секунды, которые понадобились черным дырам, чтобы окончательно слиться, они излучали в сто раз больше энергии, чем все звезды во Вселенной вместе взятые. Они образовали новую черную дыру, в шестьдесят два раза тяжелее нашего Солнца и почти такую же по ширине, как штат Мэн.
Когда он разгладился, приняв форму слегка приплюснутой сферы, из него вырвалось несколько последних колчанов энергии. Затем пространство и время снова замолчали.
Волны разбегались во всех направлениях, слабея по мере продвижения. На Земле динозавры возникли, эволюционировали и вымерли. Волны продолжали идти. Около пятидесяти тысяч лет назад они вошли в нашу собственную галактику Млечный Путь, когда Homo sapiens начали заменять наших неандертальских кузенов в качестве доминирующего вида обезьян на планете. Сто лет назад Альберт Эйнштейн, один из наиболее продвинутых представителей вида, предсказал существование волн, что послужило поводом для десятилетий спекуляций и бесплодных поисков. Двадцать два года назад началось строительство огромного детектора — лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (9).0003 ЛИГО ). Затем, 14 сентября 2015 года, незадолго до одиннадцати утра по центральноевропейскому времени волны достигли Земли. Марко Драго, тридцатидвухлетний итальянский студент-докторант и член научного сотрудничества LIGO , был первым, кто заметил их.
Он сидел перед своим компьютером в Институте Альберта Эйнштейна в Ганновере, Германия, и удаленно просматривал данные LIGO . Волны появлялись на его экране в виде сжатой закорючки, но самые тонкие уши во Вселенной, настроенные на колебания менее чем в одну триллионную долю дюйма, услышали бы то, что астрономы называют чириканьем — слабый гул от низкого к высокому. Сегодня утром на пресс-конференции в Вашингтоне, округ Колумбия, Команда LIGO объявила, что сигнал представляет собой первое прямое наблюдение гравитационных волн.
Когда Драго увидел сигнал, он был ошеломлен. «Было трудно понять, что делать, — сказал он мне. Он сообщил коллеге, у которого хватило ума позвонить в операционную LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана. Слухи начали распространяться среди тысячи или около того ученых, участвовавших в проекте. В Калифорнии Дэвид Рейтце, исполнительный директор LIGO 9Лаборатория 0004, проводил свою дочь в школу и отправился в свой офис в Калифорнийском технологическом институте, где его встретил шквал сообщений.
«Я не помню точно, что я сказал, — сказал он мне. «Это было примерно так: «Черт возьми, что это?» Вики Калогера, профессор физики и астрономии Северо-Западного университета, весь день была на совещаниях и не слышала новостей до обеда. «Мой муж попросил меня накрыть на стол, — сказала она. «Я полностью игнорировала его, просматривала все эти странные электронные письма и думала: что происходит?» Райнер Вайс, восьмидесятитрехлетний физик, впервые предложивший построить дом 9.0003 LIGO , в 1972 году был в отпуске в штате Мэн. Он вошел в систему, увидел сигнал и закричал: «Боже мой!» достаточно громко, чтобы прибежали его жена и взрослый сын.
Сотрудники начали трудный процесс двойной, тройной и четырехкратной проверки своих данных. «Мы говорим, что сделали измерение, которое составляет около одной тысячной диаметра протона, что говорит нам о двух черных дырах, которые слились более миллиарда лет назад», — сказал Рейтце. «Это довольно экстраординарное утверждение, и оно требует экстраординарных доказательств».
Тем временем Ученые LIGO поклялись хранить абсолютную тайну. По мере распространения слухов о находке с конца сентября по эту неделю волнение в СМИ резко возросло; ходили слухи о Нобелевской премии. Но коллаборационисты давали всем, кто спрашивал об этом, сокращенную версию правды — что они все еще анализируют данные и им нечего объявлять. Калогера даже не сказала об этом мужу.
LIGO состоит из двух объектов, разделенных почти тысячей тысячей миль — примерно три с половиной часа полета на пассажирском самолете, но путешествие менее десяти тысячных секунды для гравитационной волны. Детектор в Ливингстоне, штат Луизиана, расположен на болотистой местности к востоку от Батон-Руж, в окружении коммерческого соснового леса; один в Хэнфорде, штат Вашингтон, находится на юго-западной окраине самого загрязненного ядерного объекта в Соединенных Штатах, среди пустынной полыни, перекати-поля и выведенных из эксплуатации реакторов. В обоих местах пара бетонных труб высотой около двенадцати футов тянется под прямым углом вдаль, так что с высоты сооружения напоминают столярные угольники.
Трубы такие длинные — почти две с половиной мили — что их приходится приподнимать над землей на ярд с каждого конца, чтобы они лежали ровно, когда Земля изгибается под ними.
LIGO является частью более масштабных усилий по изучению одного из наиболее неуловимых следствий общей теории относительности Эйнштейна. Проще говоря, теория утверждает, что пространство и время искривляются в присутствии массы и что это искривление производит эффект, известный как гравитация. Когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга, они растягивают и сжимают пространство-время, как дети, бегающие по кругу на батуте, создавая вибрации, достигающие самого края; эти колебания являются гравитационными волнами. Они постоянно проходят через нас из источников по всей Вселенной, но поскольку гравитация намного слабее других фундаментальных сил природы — например, электромагнетизма или взаимодействий, связывающих атомы, — мы никогда их не ощущаем. Эйнштейн считал крайне маловероятным, что их когда-либо обнаружат.
Он дважды объявлял их несуществующими, переворачивая, а затем переворачивая свое собственное предсказание. Скептически настроенный современник заметил, что волны, казалось, «распространялись со скоростью мысли».
Прошло почти пять десятилетий, прежде чем кто-то приступил к созданию прибора для обнаружения гравитационных волн. Первым, кто попытался это сделать, был профессор инженерного дела Мэрилендского университета в Колледж-Парке по имени Джо Вебер. Свое устройство он назвал резонансной стержневой антенной. Вебер считал, что алюминиевый цилиндр можно заставить работать как колокол, усиливая слабый удар гравитационной волны. Когда волна попадала в цилиндр, он слегка вибрировал, и датчики по его окружности переводили звон в электрический сигнал. Чтобы удостовериться, что он не обнаруживает вибрации проезжающих мимо грузовиков или незначительные землетрясения, Вебер разработал несколько мер безопасности: он подвесил свои стержни в вакууме и запускал два из них одновременно в разных местах — один в кампусе Университета.
Университет Мэриленда и один в Аргоннской национальной лаборатории недалеко от Чикаго. Он пришел к выводу, что если обе полоски звенят одинаково с разницей в доли секунды, причиной может быть гравитационная волна.
В июне 1969 года Вебер объявил, что его бары что-то зарегистрировали. Физики и СМИ были в восторге; Газета Times сообщила, что «открылась новая глава в человеческом наблюдении за Вселенной». Вскоре Вебер начал ежедневно сообщать о сигналах. Но сомнения распространились по мере того, как другие лаборатории построили бруски, которые не соответствовали его результатам. К 1974 году многие пришли к выводу, что Вебер ошибался. (Он продолжал заявлять о новых обнаружениях до своей смерти в 2000 году.)
Наследие Вебера сформировало созданную им область. Это создало ядовитое представление о том, что охотники за гравитационными волнами, как выразился Вайс, «все лжецы и неосторожны, и Бог знает что еще». Это восприятие укрепилось в 2014 году, когда ученые в возрасте 9 лет0003 BICEP 2, телескоп возле Южного полюса, обнаружил то, что казалось гравитационным излучением, оставшимся от Большого взрыва; сигнал был настоящим, но оказался продуктом космической пыли.
Вебер также оставил после себя группу исследователей, которые были мотивированы своей неспособностью воспроизвести его результаты. Вайс, разочарованный трудностью обучения работе Вебера своих студентов в Массачусетском технологическом институте, начал проектировать то, что впоследствии стало LIGO . «Я не мог понять, что задумал Вебер, — сказал он в устной истории, проведенной Калифорнийским технологическим институтом в 2000 году. — Я не думал, что это правильно. Поэтому я решил, что займусь этим сам».
При поиске гравитационных волн «большая часть действий происходит на телефоне», — сказал мне Фред Рааб, руководитель сайта LIGO в Хэнфорде. Еженедельные встречи для обсуждения данных и двухнедельные встречи для обсуждения координации между двумя детекторами с сотрудниками в Австралии, Индии, Германии, Великобритании и других странах. «Когда эти люди просыпаются посреди ночи во сне, им снится детектор», — сказал Рааб. «Вот насколько близкими они должны быть с ним», — объяснил он, чтобы иметь возможность заставить фантастически сложный инструмент, задуманный Вайсом, действительно работать.
Метод обнаружения Вайса полностью отличался от метода Вебера. Его первой идеей было сделать обсерваторию L-образной. Представьте себе двух человек, лежащих на полу, их головы соприкасаются, а их тела образуют прямой угол. Когда через них проходит гравитационная волна, один человек становится выше, а другой уменьшается; через мгновение произойдет обратное. Поскольку волна расширяет пространство-время в одном направлении, она обязательно сжимает его в другом. Прибор Вайса измерял разницу между этими двумя колеблющимися длинами, и делал это в гигантских масштабах, используя мили стальных труб. «Я не собирался ничего обнаруживать на своем столе», — сказал он.
Для достижения необходимой точности измерения Вайс предложил использовать в качестве линейки свет. Он представил, как вставил лазер в изгиб «L». Он будет посылать луч по длине каждой трубки, который зеркало на другом конце будет отражать обратно. Скорость света в вакууме постоянна, поэтому до тех пор, пока трубки не будут очищены от воздуха и других частиц, лучи будут рекомбинировать на изгибе синхронно — если только не пройдет гравитационная волна.
В этом случае расстояние между зеркалами и лазером изменится незначительно. Поскольку один луч теперь покрывает меньшее расстояние, чем его близнец, к тому времени, когда они вернутся, они больше не будут идти в ногу. Чем больше несоответствие, тем сильнее волна. Такой инструмент должен быть в тысячи раз более чувствительным, чем любое предыдущее устройство, и ему потребуется тонкая настройка, чтобы извлечь сигнал исчезающей слабости из вездесущего шума планеты.
Весной 1972 года Вайс описал свой проект как часть ежеквартального отчета о ходе работы своей лаборатории. Эта статья никогда не публиковалась в научном журнале — это была идея, а не эксперимент, — но, по словам Кипа Торна, заслуженного профессора Калифорнийского технологического института, который, возможно, больше всего известен своей работой над фильмом «Интерстеллар», «это одна из самых величайшие работы, когда-либо написанные». Торн помнит, что читал отчет Вайса позже. «Если бы я это читал, я бы точно не понял», — сказал он.
Действительно, исторический учебник Торна по теории гравитации, написанный в соавторстве с Чарльзом Мизнером и Джоном Уилером и впервые опубликованный в 1973, содержал студенческое упражнение, предназначенное для демонстрации невозможности измерения гравитационных волн с помощью лазеров. «Я довольно быстро развернулся, — сказал он мне.
Гравитационные волны от столкновений нейтронных звезд: объяснение открытия
Ученые впервые обнаружили рябь в ткани пространства и времени, известную как гравитационные волны, вызванную столкновением пары мертвых звезд, называемых нейтронными звездами. Это первый раз, когда астрономы стали свидетелями слияния двух нейтронных звезд, и эти новые открытия могут помочь решить многолетнюю загадку того, сколько тяжелых элементов во Вселенной было создано. Вот объяснение того, почему открытие является таким новаторским для нашего понимания Вселенной.
Что такое гравитационные волны?
Существование гравитационных волн было впервые предсказано Альбертом Эйнштейном в 1916 году.
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация является результатом того, как масса искривляет ткань пространства и времени. Когда любой объект с массой движется, он должен генерировать гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света, по пути растягивая и сжимая пространство-время.
Гравитационные волны необычайно слабы, поэтому их чрезвычайно трудно обнаружить, и даже Эйнштейн не был уверен, существуют ли они на самом деле. Спустя столетие, в 2016 году, исследователи успешно обнаружили первое прямое свидетельство существования гравитационных волн с помощью лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Эта работа принесла трем ученым Нобелевскую премию по физике за 2017 г. в октябре 2017 г.
Как работает LIGO?
Используя лазерные лучи, ученые обнаружили физические искажения, вызванные прохождением гравитационных волн. Посмотрите, как обсерватория LIGO охотится за гравитационными волнами, в этой инфографике Space.
com. (Изображение предоставлено Карлом Тейтом, художником по инфографике)
LIGO использует пару детекторов в Соединенных Штатах — один в Ливингстоне, штат Луизиана, и другой в Хэнфорде, штат Вашингтон — для обнаружения деформации, которую вызывают гравитационные волны, когда они проходят через материю. . Каждый детектор имеет форму гигантской буквы L с ножками длиной около 2,5 миль (4 км). Ножки каждого детектора обычно имеют одинаковую длину, поэтому лазерным лучам требуется одинаковое время, чтобы пройти по каждой из них. Однако, если гравитационные волны проходят через Землю — а они заставляют ножки детектора расширяться и сжиматься на одну десятитысячную диаметра протона — эти пространственно-временные искажения позволяют приборам каждого детектора обнаруживать разницу в доли секунды в время, которое потребуется лазерным лучам, чтобы пройти по одной ножке детектора по сравнению с другой.
Поскольку детекторы LIGO разнесены примерно на 1865 миль (3000 км), гравитационная волна может пройти до 10 миллисекунд от одного детектора к другому.
Ученые могут использовать эту разницу во времени прибытия, чтобы определить, откуда берутся гравитационные волны. По мере появления в сети новых детекторов гравитационных волн, таких как объект Virgo недалеко от Пизы, Италия, исследователи смогут лучше определять источники гравитационных волн.
LIGO легче всего обнаружить самые мощные гравитационные волны, которые возникают при столкновении необычайно массивных объектов друг с другом. Все гравитационные волны, обнаруженные ранее LIGO и другими детекторами, были результатом слияния черных дыр. Теперь ученые впервые обнаружили гравитационные волны от слияния нейтронных звезд с помощью LIGO и Virgo.
Что такое нейтронные звезды?
Нейтронные звезды, как и черные дыры, представляют собой остатки звезд, погибших в результате катастрофических взрывов, известных как сверхновые. Когда звезда становится сверхновой, ее вещество коллапсирует, образуя плотное ядро. Если это ядро будет достаточно массивным, оно может образовать черную дыру, обладающую таким мощным гравитационным притяжением, что даже свет не сможет покинуть ее.
Менее массивное ядро сформирует нейтронную звезду, названную так потому, что ее гравитационное притяжение достаточно сильно, чтобы раздавить протоны вместе с электронами и образовать нейтроны.
Хотя нейтронные звезды, как правило, маленькие, с диаметром около 12 миль (19 километров), они настолько плотны, что масса нейтронной звезды может быть примерно такой же, как у Солнца. Чайная ложка вещества нейтронных звезд имеет массу около миллиарда тонн, что делает нейтронные звезды самыми плотными объектами во Вселенной, не считая черных дыр.
Открытие: гравитационные волны от нейтронных звезд
17 августа продвинутые LIGO и продвинутые версии Virgo (текущие модернизированные версии обеих обсерваторий) обнаружили сигнал гравитационных волн, обладающий необычайным количеством энергии — «примерно в миллиард раз энергия светимости Млечного Пути», — сказал Манси Касливал из Калифорнийского технологического института в Пасадене. Касливал является главным исследователем Global Relay of Observatories Watching Transients Happen (GROWTH), международного сотрудничества, сосредоточенного на космических переходных процессах, таких как слияния нейтронных звезд.
«Его энергии было достаточно, чтобы затмить 100 миллиардов звезд в нашей галактике примерно в миллиард раз за примерно 50 секунд», — сказал Касливал, один из многих ученых, принимавших участие в этом открытии.
Ученые впервые стали свидетелями слияния двух нейтронных звезд. По словам Касливала, одним из основных признаков того, что сигнал пришел из такого слияния, была его продолжительность, самый длинный сигнал гравитационных волн, обнаруженный на сегодняшний день.
Черные дыры плотнее нейтронных звезд, поэтому сигналы от их слияний относительно короткие. «Ранее обнаруженные слияния черных дыр длились секунду, может быть, две секунды», — сказал Касливал Space.com. «Это последнее событие длилось почти целую минуту».
Был еще один важный ключ к тому, что этот новый сигнал исходит от слияния нейтронных звезд: массы объектов, генерирующих эти гравитационные волны. Касливал сказал, что частота гравитационных волн зависит от массы объектов, которые их генерируют — чем выше частота, тем меньше масса.
Касливал сказал, что два сливающихся объекта, которые генерировали этот новый сигнал, имели массу примерно в 1,3 и 1,5 раза больше массы Солнца соответственно, что типично для нейтронных звезд. Для сравнения, «первое слияние черных дыр, обнаруженное LIGO, включает черные дыры, масса каждой из которых примерно в 30 раз превышает массу Солнца», — сказал Касливал.
Каким бы мощным ни был этот новый сигнал, он был гораздо менее мощным, чем те, которые наблюдались при слиянии черных дыр. Это слияние нейтронных звезд преобразовало примерно 0,025 массы Солнца в энергию, «что представляет собой колоссальное количество энергии», — сказал Касливал. Однако первое слияние черных дыр, обнаруженное LIGO, преобразовало три солнечные массы в энергию, «которая затмила все, что мы когда-либо видели до этого», — сказал Касливал.
На данный момент LIGO обнаружил четыре слияния черных дыр и одно слияние нейтронных звезд. Некоторые исследователи предсказывали, что слияния нейтронных звезд будут более распространенными, чем слияния черных дыр, в то время как другие предсказывали обратное, сказал Касливал. Она объяснила, что, хотя слияния нейтронных звезд более распространены в любом заданном объеме, слияния черных дыр более энергичны, «и поэтому могут быть обнаружены гораздо дальше».
Свет от сталкивающихся нейтронных звезд
Вместе продвинутый LIGO и продвинутый Virgo сузили место этого нового события, названного GW170817, до участка неба площадью 28 квадратных градусов. (Для сравнения, полная Луна, видимая с Земли, покрывает примерно 0,2 квадратных градуса неба.)
Работая быстро, астрономы использовали как обычные, так и гравитационно-волновые обсерватории, чтобы наблюдать одно и то же событие: первое в истории обнаружение света от источник гравитационных волн. Напротив, ожидается, что слияния черных дыр не будут производить никакого света, а это означает, что обычные телескопы не могут их обнаружить.
Ученые использовали различные телескопы для анализа радиоволн, инфракрасных волн, видимого света, ультрафиолетового света, рентгеновских лучей и гамма-всплесков от слияния нейтронных звезд в течение нескольких недель. Телескоп Swope в обсерватории Лас-Кампанас в Чили успешно определил GW170817 в галактику под названием NGC 4993, расположенную в созвездии Гидры, примерно в 130 миллионах световых лет от Земли.
Ученые впервые связали событие гравитационных волн с известной галактикой. Они назвали источник этого события Swope Supernova Survey 2017a (SSS17a).
«Используя LIGO и Virgo, мы обнаружили, что существует только 49 галактик, которые могли быть домом для этого слияния, и, расставив приоритеты в наших поисках этого слияния по тому, насколько массивными были галактики, что помогло нам оценить, сколько звезд было в каждой галактике, и, следовательно, вероятность того, что у них может быть слияние нейтронных звезд — мы обнаружили слияние в третьей галактике в нашем списке», — сказал Касливал.
Обломки от слияния
SSS17a быстро потускнели и сменили цвет с более синего на более красный — признак того, что его обломки быстро расширялись со скоростью, близкой к скорости света, и охлаждались по мере движения. Исследователи сказали, что слияние нейтронных звезд породило «килонову», взрыв в 1000 раз сильнее, чем типичный звездный взрыв, называемый новой.
«Мы думаем, что в результате слияния было выброшено около 10 000 земных масс материала», — сказал Касливал.
Исследователи подсчитали, что в результате слияния образовалась струя материала, которая вылетела наружу почти со скоростью света, двигаясь по траектории, наклоненной примерно на 30 градусов от линии обзора с Земли. Весь свет, обнаруженный исследователями, исходил от кокона материала, окружающего эту струю. По их оценкам, около 30 процентов будущих слияний нейтронных звезд будут генерировать яркие гамма-лучи, которые можно обнаружить с Земли.
Спектр света от вещества, выброшенного при слиянии, показал, что этот материал был загружен вновь синтезированными элементами. Эти новые результаты подтвердили 70-летние исследования, предполагающие, что слияния нейтронных звезд достаточно сильны для синтеза тяжелых элементов, таких как золото, платина и свинец.
Ученым было известно, где были синтезированы более легкие элементы — большая часть водорода и гелия образовалась в результате Большого взрыва, а элементы вплоть до железа в периодической таблице в основном образуются в ядрах звезд. Однако происхождение половины элементов тяжелее железа остается неопределенным. Эти новые открытия предоставили первое конкретное доказательство того, что такие слияния являются местом рождения половины элементов Вселенной, которые тяжелее железа, сказал Касливал.
Остается неясным, что стало результатом этого слияния. «Это примерно 2,7 массы Солнца, поэтому она находится в «разрыве масс» между нейтронными звездами и черными дырами. Масса самых массивных нейтронных звезд, обнаруженных на сегодняшний день, составляет около двух масс Солнца, а масса наименее массивных черных дыр составляет пять масс Солнца». — сказал Касливал. «Это либо самая массивная нейтронная звезда из когда-либо виденных, либо черная дыра с наименьшей массой из когда-либо виденных, либо, может быть, это сверхмассивная нейтронная звезда, которая коллапсирует, образуя черную дыру. Это новая территория».
Ученые подробно описали свои выводы в сборнике статей в журналах Science, Nature, The Astrophysical Journal и других журналах.
Следите за Чарльзом К. Чоем в Твиттере @cqchoi. Подписывайтесь на нас в @Spacedotcom, Facebook и Google+. Оригинальная статья на Space.com.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Чарльз К. Чой — автор статей для Space.com и Live Science. Он охватывает все, что связано с человеческим происхождением и астрономией, а также физику, животных и общие научные темы. Чарльз имеет степень магистра гуманитарных наук Университета Миссури-Колумбия, Школу журналистики и степень бакалавра гуманитарных наук Университета Южной Флориды. Чарльз побывал на всех континентах Земли, пил прогорклый чай с маслом яка в Лхасе, плавал с морскими львами на Галапагосских островах и даже взбирался на айсберг в Антарктиде.