Волны пространства времени: Космос: Наука и техника: Lenta.ru

Рябь пространства-времени

Алексей Левин
«Популярная механика» №6, 2006

Гравитационные волны, теоретически предсказанные Эйнштейном еще в 1917 году, всё еще дожидаются своего первооткрывателя.

В конце 1969 года профессор физики Мэрилендского университета Джозеф Вебер сделал сенсационное заявление. Он объявил, что обнаружил волны тяготения, пришедшие на Землю из глубин космоса. До того времени ни один ученый не выступал с подобными претензиями, да и сама возможность детектирования таких волн считалась далеко не очевидной. Однако Вебер слыл авторитетом в своей области, и посему коллеги восприняли его сообщение с полной серьезностью.

Однако вскоре наступило разочарование. Амплитуды волн, якобы зарегистрированных Вебером, в миллионы раз превышали теоретическую величину. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрофизики предположили, что там скрывается гигантская черная дыра, которая ежегодно пожирает тысячи звезд и выбрасывает часть поглощенной энергии в виде гравитационного излучения, а астрономы занялись тщетным поиском более явственных следов этого космического каннибализма (сейчас доказано, что черная дыра там действительно есть, но ведет она себя вполне пристойно). Физики из США, СССР, Франции, Германии, Англии и Италии приступили к экспериментам на детекторах того же типа – и не добились ничего.

Ученые до сих пор не знают, чему приписать странные показания приборов Вебера. Однако его усилия не пропали даром, хотя гравитационные волны до сих пор так и не обнаружены. Несколько установок для их поиска уже построены или строятся, а лет через десять такие детекторы будут выведены и в космос. Вполне возможно, что в не столь отдаленном будущем гравитационное излучение станет такой же наблюдаемой физической реальностью, как и электромагнитные колебания. К сожалению, Джозеф Вебер этого уже не узнает – он умер в сентябре 2000 года.

Что такое волны тяготения

Часто говорят, что гравитационные волны – это распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения. Такое определение правильно, но неполно. Согласно общей теории относительности, тяготение возникает из-за искривления пространственно-временного континуума. Волны тяготения – это флуктуации пространственно-временной метрики, которые проявляют себя как колебания гравитационного поля, поэтому их часто образно называют пространственно-временной рябью. Гравитационные волны были в 1917 году теоретически предсказаны Альбертом Эйнштейном. В существовании их никто не сомневается, но гравитационные волны всё еще дожидаются своего первооткрывателя.

Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания волн тяготения необходимы ускорения, но не любые. Цилиндр, который вращается вокруг своей оси симметрии, испытывает ускорение, однако его гравитационное поле остается однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле станет осциллировать, и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.

Этот вывод относится к любому телу (или системе тел), несимметричному относительно оси вращения (в таких случаях говорят, что тело имеет квадрупольный момент). Система масс, квадрупольный момент которой меняется со временем, всегда излучает гравитационные волны.

Гравитационные маяки космоса

Гравитационное излучение земных источников чрезвычайно слабо. Стальная колонна массой 10 000 тонн, подвешенная за центр в горизонтальной плоскости и раскрученная вокруг вертикальной оси до 600 об./мин, излучает мощность примерно 10^–24 Вт. Поэтому единственная надежда обнаружить волны тяготения – найти космический источник гравитационного излучения.

В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды. Причина проста: мощность гравитационного излучения такой системы растет в обратной пропорции к пятой степени ее поперечника. Еще лучше, если траектории звезд сильно вытянуты, так как при этом возрастает скорость изменения квадрупольного момента. Совсем хорошо, если двойная система состоит из нейтронных звезд или черных дыр. Такие системы подобны гравитационным маякам в космосе – их излучение имеет периодический характер.

В космосе существуют и «импульсные» источники, порождающие короткие, но чрезвычайно мощные гравитационные всплески. Подобное происходит при коллапсе массивной звезды, предшествующем взрыву сверхновой. Однако деформация звезды должна быть асимметричной, иначе излучение не возникнет. Во время коллапса гравитационные волны могут унести с собой до 10% полной энергии светила! Мощность гравитационного излучения в этом случае составляет порядка 10⁵⁰ Вт. Еще больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд, здесь пиковая мощность достигает 10⁵² Вт. Превосходный источник излучения – столкновение черных дыр: их массы могут превышать массы нейтронных звезд в миллиарды раз.

Еще один источник гравитационных волн – космологическая инфляция. Сразу после Большого взрыва Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться, и меньше чем за 10^–34 секунды ее поперечник увеличился с 10^–33 см до макроскопического размера. Этот процесс неизмеримо усилил гравитационные волны, существовавшие до его начала, и их потомки сохранились до сих пор.

Косвенные подтверждения

Первое доказательство существования волн тяготения связано с работами американского радиоастронома Джозефа Тейлора и его студента Расселла Халса. В 1974 году они обнаружили пару обращающихся друг вокруг друга нейтронных звезд (излучающий в радиодиапазоне пульсар с молчаливым компаньоном). Пульсар вращался вокруг своей оси со стабильной угловой скоростью (что бывает далеко не всегда) и поэтому служил исключительно точными часами. Эта особенность позволила измерить массы обеих звезд и выяснить характер их орбитального движения. Оказалось, что период обращения этой двойной системы (около 3 ч 45 мин) ежегодно сокращается на 70 мкс. Эта величина хорошо согласуется с решениями уравнений общей теории относительности, описывающих потерю энергии звездной пары, обусловленную гравитационным излучением (впрочем, столкновение этих звезд случится нескоро, через 300 млн лет). В 1993 году Тейлор и Халс были удостоены за это открытие Нобелевской премии.

Гравитационно-волновые антенны

Как обнаружить гравитационные волны экспериментально? Вебер использовал в качестве детекторов сплошные алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезодатчиками на торцах. Их с максимальной тщательностью изолировали от внешних механических воздействий в вакуумной камере. Два таких цилиндра Вебер установил в бункере под полем для гольфа Мэрилендского университета, и один – в Аргоннской национальной лаборатории.

Идея эксперимента проста. Пространство под действием гравитационных волн сжимается и растягивается. Благодаря этому цилиндр вибрирует в продольном направлении, выступая в качестве гравитационно-волновой антенны, а пьезоэлектрические кристаллы переводят вибрации в электрические сигналы. Любое прохождение космических волн тяготения практически одновременно действует на детекторы, разнесенные на тысячу километров, что позволяет отфильтровать гравитационные импульсы от различного рода шумов.

Веберовские датчики были в состоянии заметить смещения торцов цилиндра, равные всего 10^–15 его длины – в данном случае 10^–13 см. Именно такие колебания Веберу удалось обнаружить, о чем он впервые и сообщил в 1959 году на страницах Physical Review Letters. Все попытки повторить эти результаты оказались тщетными. Данные Вебера к тому же противоречат теории, которая практически не позволяет ожидать относительных смещений выше 10^–18 (причем гораздо вероятнее значения менее 10^–20). Не исключено, что Вебер напутал при статистической обработке результатов. Первая попытка экспериментально обнаружить гравитационное излучение закончилась неудачей.

В дальнейшем гравитационно-волновые антенны значительно усовершенствовали. В 1967 году американский физик Билл Фэйрбанк предложил охлаждать их в жидком гелии. Это не только позволило избавиться от большей части тепловых шумов, но и открыло возможность применения сквидов (сверхпроводящих квантовых интерферометров), точнейших сверхчувствительных магнитометров. Реализация этой идеи оказалась сопряжена с множеством технических трудностей, и сам Фэйрбанк до нее не дожил. К началу 1980-х годов физики из Стэнфордского университета построили установку с чувствительностью 10^–18, однако волн не зарегистрировали. Сейчас в ряде стран действуют ультракриогенные вибрационные детекторы волн тяготения, работающие при температурах лишь на десятые и сотые доли градуса выше абсолютного нуля. Такова, например, установка AURIGA в Падуе. Антенной для нее служит трехметровый цилиндр из алюминиево-магниевого сплава, диаметр которого составляет 60 см, а вес – 2,3 т. Он подвешен в вакуумной камере, охлаждаемой до 0,1 К. Его сотрясения (с частотой порядка 1000 Гц) передаются на вспомогательный резонатор массой в 1 кг, который колеблется с такой же частотой, но много большей амплитудой. Эти вибрации регистрируются измерительной аппаратурой и анализируются с помощью компьютера. Чувствительность комплекса AURIGA – около 10^–20–10^–21.

Интерферометры

Еще один способ детектирования волн тяготения основан на отказе от массивных резонаторов в пользу световых лучей. Первыми в 1962 году его предложили советские физики Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт, а двумя годами позже и Вебер. В начале 1970-х сотрудник исследовательской лаборатории корпорации Hughes Aircraft Роберт Форвард (в прошлом аспирант Вебера, в дальнейшем весьма известный писатель-фантаст) построил первый такой детектор с вполне приличной чувствительностью. Тогда же профессор Массачусетского технологического института (MIT) Райнер Вайсс выполнил очень глубокий теоретический анализ возможностей регистрации гравитационных волн с помощью оптических методов.

Эти методы предполагают использование аналогов прибора, с помощью которого 125 лет назад физик Альберт Майкельсон доказал, что скорость света строго одинакова по всем направлениям. В этой установке, интерферометре Майкельсона, пучок света попадает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластинки. Затем пучки опять сливаются и падают на экран, где возникает интерференционная картина (светлые и темные полосы и линии). Если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картинка должна измениться, если нет – остаться такой же, что и раньше.

Интерференционный детектор волн тяготения работает сходным образом. Проходящая волна деформирует пространство и изменяет длину каждого плеча интерферометра (пути, по которому свет идет от делителя до зеркала), растягивая одно плечо и сжимая другое. Интерференционная картинка меняется, и это можно зарегистрировать. Но это непросто: если ожидаемое относительное изменение длины плеч интерферометра составляет 10^–20, то при настольных размерах прибора (как у Майкельсона) оно оборачивается колебаниями амплитудой порядка 10^–18 см. Для сравнения: волны видимого света в 10 трлн раз длиннее! Можно увеличить протяженность плеч до нескольких километров, однако проблемы всё равно останутся. Лазерный источник света должен быть и мощным, и стабильным по частоте, зеркала – идеально плоскими и идеально отражающими, вакуум в трубах, по которым распространяется свет, – максимально глубоким, механическая стабилизация всей системы – воистину совершенной. Короче говоря, интерференционный детектор гравитационных волн – прибор дорогой и громоздкий.

Сегодня самая большая установка такого рода – американский комплекс LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Он состоит из двух обсерваторий, одна из которых находится на тихоокеанском побережье США, а другая – неподалеку от Мексиканского залива. Измерения производят с помощью трех интерферометров (два в штате Вашингтон, один в Луизиане) с плечами четырехкилометровой длины. Установка снабжена зеркальными накопителями света, которые увеличивают ее чувствительность. «С ноября 2005 года все три наших интерферометра работают в нормальном режиме, – рассказал «Популярной механике» представитель комплекса LIGO Питер Солсон, профессор физики Сиракузского университета. – Мы постоянно обмениваемся данными с другими обсерваториями, пытающимися обнаружить гравитационные волны частотой в десятки и сотни герц, возникшие при самых мощных взрывах сверхновых и слиянии нейтронных звезд и черных дыр. Сейчас в строю находится немецкий интерферометр GEO 600 (длина плеч – 600 м), расположенный в 25 км от Ганновера. 300-метровый японский прибор TAMA в настоящее время модернизируется. Трехкилометровый детектор Virgo в окрестностях Пизы подключится к общим усилиям в начале 2007-го, причем на частотах менее 50 Гц он сможет превзойти LIGO. Установки с ультракриогенными резонаторами действуют с возрастающей эффективностью, хотя их чувствительность всё же несколько меньше нашей».

Перспективы

Что же ожидает методы обнаружения гравитационных волн в ближайшем будущем? Об этом «Популярной механике» рассказал профессор Райнер Вайсс: «Через несколько лет в обсерваториях комплекса LIGO установят более мощные лазеры и более совершенные детекторы, что приведет к 15-кратному увеличению чувствительности. Сейчас она составляет 10^–21 (на частотах порядка 100 Гц), а после модернизации превысит 10^–22. Модернизированный комплекс, Advanced LIGO, в 15 раз увеличит глубину проникновения в космос. В этом проекте активно участвует профессор МГУ Владимир Брагинский, один из пионеров изучения гравитационных волн.

На середину следующего десятилетия запланирован запуск космического интерферометра LISA (Laser Interferometer Space Antenna) с длиной плеч в 5 миллионов километров, это совместный проект NASA и Европейского космического агентства. Чувствительность этой обсерватории будет в сотни раз выше, чем возможности наземных инструментов. Она в первую очередь предназначена для поиска низкочастотных (10^–4–10^–1 Гц) гравитационных волн, которые невозможно уловить на поверхности Земли из-за атмосферных и сейсмических помех. Такие волны испускают двойные звездные системы, вполне типичные обитатели Космоса. LISA также сможет регистрировать волны тяготения, возникшие при поглощении черными дырами обыкновенных звезд. А вот для детектирования реликтовых гравитационных волн, несущих информацию о состоянии материи в первые мгновения после Большого взрыва, скорее всего, потребуются более продвинутые космические инструменты. Такая установка, Big Bang Observer, сейчас обсуждается, однако вряд ли ее удастся создать и запустить ранее чем через 30–40 лет».

Гравитационные волны подтвердили четырехмерность Вселенной с точностью до 0,1

Физика
Астрономия

12:54
01 Фев. 2018

Сложность
6.7

Walter A. Aue / flickr.com

Американские физики уточнили размерность пространства-времени, сравнив расстояние до источника, рассчитанное по затуханию гравитационных волн и по красному смещению электромагнитного излучения. Ученые выполнили такие расчеты для события GW170817 и выяснили, что размерность нашего пространства-времени примерно равна D ≈ 4,0 ± 0,1. Кроме того, они установили нижнюю границу на время жизни гравитона, которая составила около 450 миллионов лет. Препринт статьи выложен на сайте arXiv.org.

Обновлено: в июле 2018 года статья была опубликована в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Общая теория относительности и Стандартная модель построены в предположении, что мы живем в четырехмерном пространстве-времени. Точнее, в (3+1)-мерном: 3 пространственных измерения и одно временно́е. С другой стороны, ученые склонны сомневаться в самых элементарных утверждениях. Может быть, размерность нашего пространства-времени не в точности равна четырем, а просто очень близка к этому значению? В самом деле, существуют теории, в которых наше пространство-время вложено в пространства с большей размерностью. Поэтому, вообще говоря, четырехмерность нашего мира нужно доказывать, а не принимать на веру.

Группа физиков под руководством Дэвида Сперджела (David Spergel) установила точные ограничения на размерность нашего пространства-времени, анализируя событие GW170817 — практически одновременно пришедшие на Землю гравитационные и электромагнитные волны, излученные во время слияния двух нейтронных звезд. С одной стороны, расстояние до источника волн можно определить по красному смещению электромагнитной компоненты. С другой стороны, его можно рассчитать по затуханию гравитационных волн. Очевидно, оба этих расстояния должны совпасть, что накладывает ограничения на отличие скорости затухания от скорости, предсказанной ОТО. Стоит заметить, что дополнительную погрешность в расстояние, определенное по красному смещению, вносит тот факт, что значения постоянной Хаббла, измеренные по скорости разбегания галактик и по флуктуациям реликтового излучения, не сходятся друг с другом. В данной статье ученые на всякий случай выполнили расчеты для обоих значений, однако погрешность экспериментальных данных все равно перевешивала эту разницу.

В Общей теории относительности напряженность гравитационных волн спадает обратно пропорционально первой степени расстояния от источника: h ~ 1/r. Однако в теориях с бо́льшим количеством измерений этот закон модифицируется, и затухание происходит быстрее: h ~ 1/r^γ, где γ = (D − 2)/2, а D — количество измерений. Получается, что энергия волны как будто «утекает» в дополнительные измерения. Вычисляя «электромагнитное» и «гравитационное» расстояние до нейтронных звезд, физики определили, что степень зависимости γ ≈ 1,00 ± 0,03, то есть размерность нашего пространства D ≈ 4,0 ± 0,1.

Распределение вероятности того, что мы живем в D-мерном пространстве. Линии разных цветов отвечают разным значениям постоянной Хаббла, используемой в расчетах

K. Pardo et al.

Поделиться

С другой стороны, в еще одном типе альтернативных теорий гравитация экранируется — на маленьких расстояниях она ведет себя так же, как в четырехмерной теории, а на больших напоминает D-мерную. Учитывая ограничения события GW170817, физики определили минимальный радиус экранирования таких теорий — он составил около двадцати мегапарсек. При этом собственно источник волн находится в галактике NGC 4993 на расстоянии около сорока мегапарсек.

Наконец, дополнительное затухание гравитационных волн может возникнуть из-за того, что гравитоны являются нестабильными частицами и распадаются за время путешествия от источника до детектора. Отталкиваясь от этого предположения, физики вычислили нижнее ограничение на время жизни гравитона. Оказалось, что оно не может быть меньше 4,5×10⁸ лет.

Одновременная регистрация гравитационной и электромагнитной компоненты оказала большое влияние на альтернативные теории гравитации. Например, в конце декабря прошлого года в Physical Review Letters одновременно вышло сразу четыре статьи, посвященные событию GW170817 и ограничениям на различные квантовые теории гравитации. Кроме того, это событие устанавливает очень жесткие ограничение на скорость гравитации — теперь отношение скорости гравитации к скорости света может отличаться от единицы не больше, чем на 3×10⁻¹⁵.

Дмитрий Трунин

Гравитационные волны | это… Что такое Гравитационные волны?

Гравитацио́нная волна́ — возмущение гравитационного поля, «рябь» ткани пространства-времени, распространяющаяся со скоростью света. Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности и многими другими теориями гравитации, но ввиду их чрезвычайной малости пока не зарегистрированы напрямую. Тем не менее, косвенные свидетельства их существования достаточно весомы — ОТО гравитационных волн предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем двойных звёзд за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн.

В рамках ОТО гравитационные волны описываются решениями уравнений Эйнштейна волнового типа, представляющими собой движущееся со скоростью света возмущение метрики пространства-времени. Проявлением этого возмущения должно являться, в частности, периодическое изменение расстояния между двумя свободно падающими (то есть не испытывающими влияния никаких сил) пробными массами. Амплитудой h гравитационной волны является безразмерная величина — относительное изменение расстояния. Предсказываемые максимальные амплитуды гравитационных волн от астрофизических объектов (например, компактных двойных систем) и явлений (взрывов сверхновых, слияний нейтронных звёзд, захватов звёзд чёрными дырами и т.  п.) при измерениях в Солнечной системе весьма малы (h=10⁻¹⁸—10⁻²³). Слабая (линейная) гравитационная волна, согласно общей теории относительности, является поперечной и описывается двумя независимыми компонентами (имеет две поляризации).

Генерация гравитационных волн

Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени

Гравитационную волну излучает любая движущаяся ускоренно материя. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна ускорению и массе генератора, то есть ~ma. Однако, если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь этот другой объект испытывает обратное действие (по 3-му закону Ньютона), при этом оказывается, что m₁a₁ = −m₂a₂. Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они существенно взаимно гасятся. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения. Кроме того, для нерелятивистских излучателей в выражении для интенсивности излучения имеется малый параметр (r — характерный размер излучателя, T — характерный период движения излучателя, c — скорость света в вакууме).

Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема Солнца и Юпитера. Мощность этого излучения — примерно 5 киловатт, таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел.

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:

• сталкивающиеся галактики (гигантские массы, небольшие ускорения),
• гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе).
• При слиянии нейтронных звёзд гравитационно-волновая светимость близка к максимально возможной в природе планковской светимости^[1].

Гравитационный коллапс двойной системы

Любая двойная звезда при вращении её компонент вокруг общего центра масс теряет энергию за счёт излучения гравитационных волн, и в конце концов сливается воедино. Но для обычных, некомпактных двойных звёзд этот процесс занимает очень долгое время, много большее настоящего возраста Вселенной. Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Однако на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая, по некоторым оценкам, более 50 % от массы системы.

Регистрация гравитационных волн

Основная статья: Детектор гравитационных волн

Регистрация гравитационных волн достаточно сложна ввиду слабости последних (малого искажения метрики). Приборами для их регистрации являются детекторы гравитационных волн. Попытки обнаружения гравитационных волн предпринимаются с конца 1960-х годов, но на данный момент нет достоверных сведений об их непосредственной регистрации. Гравитационные волны детектируемой амплитуды рождаются при коллапсе двойного пульсара. Подобные события происходят в окрестностях нашей галактики ориентировочно раз в десятилетие^[2].

С другой стороны, общая теория относительности предсказывает ускорение взаимного вращения двойных звёзд из-за потери энергии на излучение гравитационных волн, и этот эффект надёжно зафиксирован в нескольких известных системах двойных компактных объектов (в частности, пульсаров с компактными компаньонами). В 1993 году «за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации» открывателям первого двойного пульсара PSR B1913+16 Расселу Халсу и Джозефу Тейлору мл. была присуждена Нобелевская премия по физике. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSR J0737-3039, PSR J0437-4715 и системы двойных белых карликов RX J0806. Например, расстояние между двумя компонентами A и B первой двойной звезды из двух пульсаров PSR J0737-3039 уменьшается примерно на 2,5 дюйма (6,35 см) в день из-за потерь энергии на гравитационные волны, причём это происходит в согласии с теорией Эйнштейна^[3].

По оценкам, наиболее сильными и достаточно частыми источниками гравитационных волн для гравитационных телескопов и антенн являются катастрофы, связанные с коллапсами двойных систем в ближайших галактиках. Ожидается, что в ближайшем будущем на усовершенствованных гравитационных детекторах будет регистрироваться несколько подобных событий в год, искажающих метрику в окрестности Земли на 10⁻²¹ — 10⁻²³.

Нашу Вселенную заполняют реликтовые гравитационные волны, появившиеся в первые времена после Большого взрыва. Их регистрация позволит получить информацию о процессах в начале рождения Вселенной.^[1]

См. также

• Einstein@Home — проект распределённых вычислений для поиска гравитационных волн.
• PSR B1913+16 — двойная система — пульсар, исследование которой дало первое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
• PSR J0737-3039 — двойная система пульсаров, исследование которой дало весомое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
• Гравитационный телескоп
• Скорость гравитации
• MiniGrail — Детектор гравитационных волн
• LISA — Детектирование гравитационных волн при помощи космических аппаратов

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Липунов В. М. Гравитационно-волновое небо. // Соросовский образовательный журнал, 2000, № 4, с. 77-83;
2. ↑ LIGO: A Quest for Gravity Waves. Astro Guyz March 12, 2010
3. ↑ Пресс-релиз на сайте «РосИнвест».

Литература

• Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7. — Глава XIII
• Мизнер, К. Торн, Уиллер Гравитация. Глава 34.
• Липунов В. М. В мире двойных звезд. М.: Наука, 1986.
• Липунов В. М. Все нейтронные звезды. М.: Просвещение, 1989.
• Липунов В. М. Искусственная Вселенная // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 6. С. 82-89.
• Липунов В. М. Военная тайна астрофизики // Соросовский Образовательный Журнал. № 5. С. 83-89.
• Черепащук А. М. Черные дыры в двойных звездных системах // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 3. С. 87-93.
• Шакура Н. И. Нейтронные звезды и черные дыры в двойных звездных системах. М.: Знание, 1976.
• Шкловский И.  С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. М.: Наука, 1984.

Ссылки

• Гравитационно-волновая астрономия: в ожидании первого зарегистрированного источника. Обзор в УФН.
• Статья о гравитационном излучении
• Популярный обзор на начало 2007 г.
• Итоги обработки данных LIGO S3 в проекте Einstein@Home
• Детектор гравитационных волн

Гравитационные волны: «вмятины» в пространстве-времени

Наука и исследования

8115 просмотра
34 лайков

Гравитационные волны принципиально отличаются, например, от электромагнитных волн. Ускорение электрических зарядов создает электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве и времени. Однако гравитационные волны, создаваемые ускорением массы, являются волнами самой «ткани» пространства-времени.

Согласно теории гравитации Ньютона гравитационное взаимодействие между двумя телами происходит мгновенно. Однако специальная теория относительности Эйнштейна говорит, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Если объект меняет форму в результате притяжения к нему массы, возникающее в результате изменение силового поля будет распространяться наружу со скоростью света.

В 1805 году Лаплас сказал, что если гравитация распространяется с конечной скоростью, сила в двойной звездной системе не должна быть направлена ​​вдоль линии, соединяющей звезды, и угловой момент системы должен медленно уменьшаться со временем.

Найдено доказательство гравитационных волн

Альберт Эйнштейн, 1879–1955 гг.

Современные ученые сказали бы, что двойные звезды теряют энергию и угловой момент, излучая «гравитационные волны». В конце 1970-х было найдено косвенное доказательство существования гравитационных волн при наблюдении двойного пульсара PSR 19.13+16. Первое прямое обнаружение гравитационных волн, излучаемых парой сливающихся черных дыр, было получено с помощью усовершенствованной гравитационно-волновой обсерватории лазерного интерферометра в 2015 году, а об открытии было объявлено 11 февраля 2016 года. волны, теоретики относительности, такие как Х. Бонди, доказали, что гравитационное излучение физически наблюдаемо, что гравитационные волны несут энергию и что система, излучающая гравитационные волны, должна терять энергию.

Общая теория относительности подразумевает признание того, что пространство и время не имеют независимого существования, а скорее находятся в интенсивном взаимодействии с физическим миром. Массивные объекты оставляют «вмятины» в ткани пространства-времени. Другие объекты движутся в этом искривленном пространстве-времени по кратчайшему пути, как бильярдные шары по упругой поверхности. Итак, пространство-время — это «эластичная среда».

Эластичный, но жесткий!

Если объект асимметрично меняет форму, «вмятины» в пространстве-времени расходятся наружу подобно ряби в пространстве-времени, называемой «гравитационные волны». Гравитационные эффекты, которые являются сферически симметричными, не будут производить гравитационное излучение. Совершенно симметричный коллапс сверхновой не вызовет волн, а несферический коллапс будет излучать гравитационное излучение. Двойная система всегда будет излучать.

Гравитационные волны искажают пространство-время: они изменяют расстояния между большими свободными объектами. Гравитационная волна, проходящая через Солнечную систему, создает в пространстве переменную во времени деформацию, которая периодически изменяет расстояния между всеми телами Солнечной системы (эта деформация изменяет расстояния перпендикулярно направлению движения волны).

Однако относительное изменение длины из-за прохождения гравитационной волны чрезвычайно мало. Например, в случае типичного двойного белого карлика на типичном расстоянии 160 световых лет оно составляет всего 10–10 м. Измерение столь малых расстояний между объектами, находящимися далеко друг от друга, представляет собой сложную задачу.

Хотя сверхновая в далекой галактике омывает Землю гравитационным излучением мощностью несколько киловатт на квадратный метр, результирующие изменения длины всегда будут очень малы. Пространство-время — это эластичная среда, которая упрямо остается жесткой.

Галактические двойные системы и массивные черные дыры

Гигантские черные дыры

Что касается миссии, подобной LISA, гравитационные волны возникают из двух основных источников: двойных галактик и массивных черных дыр (МЧД), которые, как ожидается, существуют в центрах большинства галактик.

Наблюдение за двойными объектами возможно только в нашей Галактике. Миссии, подобные LISA, смогут обнаруживать несколько типов галактических источников. Некоторые двойные галактики настолько хорошо изучены, особенно рентгеновская двойная система 4U1820-30, что она является одним из самых надежных источников.

Если миссия, подобная LISA, не обнаружит гравитационные волны от известных двойных систем с интенсивностью и поляризацией, предсказанными общей теорией относительности, это потрясет самые основы гравитационной физики.

Поиск гравитационных волн с LISA

Изучение формирования, роста, пространственной плотности и окружения MBH также очень важно. Ученые подозревают, что в центрах большинства галактик, в том числе и нашей, существуют ГЧД с массой от одного миллиона до 100 миллионов масс нашего Солнца. Наблюдения за сигналами от слияния MBH в далеких галактиках проверят общую теорию относительности и особенно теорию черных дыр с беспрецедентной точностью.

Спасибо за лайк

Вам уже понравилась эта страница, вы можете поставить лайк только один раз!

Ученые обнаружили признаки «моря» ряби в пространстве-времени

• Ученые, возможно, обнаружили первые признаки гравитационно-волнового фона: море ряби в пространстве-времени, отражающееся по всей вселенной.
• Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование гравитационных волн. Недавно они были обнаружены после сильных столкновений черных дыр и нейтронных звезд.
• Наблюдая за мертвыми звездами по всей нашей галактике, ученые обнаружили сигнал, который может быть постоянным гулом гравитационных волн, исходящих из далеких галактик при столкновении сверхмассивных черных дыр.
• Посетите домашнюю страницу Business Insider, чтобы узнать больше.

LoadingЧто-то загружается.

Спасибо за регистрацию!

Получайте доступ к своим любимым темам в персонализированной ленте, пока вы в пути.

Возможно, ученые находятся на пороге открытия нового феномена, отражающегося во всем космосе: постоянного гула ряби в пространстве-времени.

Альберт Эйнштейн первым предсказал, что столкновение массивных объектов, таких как черные дыры, будет создавать рябь, называемую гравитационными волнами. Но он думал, что шум и вибрации на Земле помешают нам когда-либо обнаружить эти волны. В этом аспекте Эйнштейн ошибался. Один из самых замечательных экспериментов в истории — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) — впервые обнаружил гравитационные волны в 2015 году9. 0007

Эти волны исходили от двух черных дыр, которые столкнулись на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от нас, послав волны, которые в конечном итоге прошли через нашу планету и зарегистрировались в гигантских L-образных детекторах LIGO в Вашингтоне и Луизиане. Трое исследователей, которые помогли задумать эксперимент, получили Нобелевскую премию по физике.

С момента первого открытия LIGO и его итальянский аналог Virgo по крайней мере 50 раз обнаруживали вероятные гравитационные волны, возникающие в результате различных комбинаций столкновений черных дыр и нейтронных звезд.

Но это лишь самые очевидные примеры гравитационных волн — сильные всплески радиации в результате самых массовых столкновений во Вселенной. Теоретически космос также должен вибрировать с постоянным низкоуровневым гулом гравитационных волн, отражающихся от слияния галактик по всей Вселенной.

Две спиральные галактики сталкиваются на изображении, полученном космическим телескопом Хаббл.

НАСА, ЕКА, группа наследия Хаббла STScI/AURA-ESA/Hubble Collaboration и К. Нолл STScI

Ученые считают, что в центре каждой большой галактики находится сверхмассивная черная дыра, которая в миллионы или даже миллиарды раз массивнее сталкивающихся объектов, обнаруженных LIGO и Virgo. Эти сверхмассивные черные дыры должны слиться, когда галактики столкнутся друг с другом и постепенно станут единым целым. Гипотетический гул от этой активности по всей Вселенной называется «фоном гравитационных волн» или GWB.

Но точных доказательств этому пока никто не обнаружил.

Вот тут и начинается новое исследование. Астрофизики из Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (НАНОГрав) обнаружили то, что может быть первыми признаками этого фонового излучения в пространстве-времени. Их исследование было опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.

«Эти заманчивые первые намеки на фон гравитационных волн предполагают, что сверхмассивные черные дыры, вероятно, действительно сливаются, и что мы качаемся в море гравитационных волн, возникающих в результате слияний сверхмассивных черных дыр в галактиках по всей Вселенной», — Джули Комерфорд, исследователь. астрофизик из команды НАНОграв и доцент Колорадского университета в Боулдере, говорится в пресс-релизе.

Обсерватория гравитационных волн размером с нашу галактику

Художественная интерпретация сигналов, идущих от пульсаров к Земле.

НАНОГрав/Т.Кляйн

Для поиска гравитационно-волнового фона исследователи НАНОграв попытались имитировать LIGO в гораздо большем масштабе.

LIGO стреляет лазерным лучом и разделяет его на две части. Затем свет проходит по двум плечам детектора длиной 2,5 мили. Лучи отражаются от зеркал на концах этих плеч и сходятся обратно возле светоделителя, где они должны компенсировать друг друга. Но когда проходит гравитационная волна, она искажает пространство-время, делая одну трубку немного длиннее, а другую короче на короткое время. В результате два луча возвращаются к разделителю в разное время, что приводит к вспышкам света.

НАНОГрав работает аналогичным образом. Но вместо зеркал он использует миллисекундные пульсары: чрезвычайно плотные мертвые звезды, которые быстро вращаются, каждую миллисекунду посылая к Земле всплеск света. Их точный хронометраж может соперничать с атомными часами, поэтому эти небесные объекты идеально подходят для обнаружения изменений в ткани пространства-времени.

Точно так же, как исследователи LIGO обнаруживают гравитационные волны, измеряя изменения времени прихода световых лучей, исследователи НАНОграв делают это, измеряя изменения времени прихода света от пульсаров по всей галактике. Когда гравитационные волны движутся в космосе, они сжимают или растягивают расстояние, которое этот свет проходит, чтобы достичь Земли, изменяя время его прихода всего на несколько сотен наносекунд. Огни некоторых пульсаров прибывают немного раньше, чем можно было бы ожидать, в то время как другие прибывают немного позже.

«На самом деле мы создаем детектор гравитационных волн размером с галактику в нашем собственном Млечном Пути», — сказал на пресс-конференции Джозеф Саймон, астрофизик из Университета Колорадо в Боулдере и ведущий автор новой статьи. Американского астрономического общества.

Этот метод называется «массив пульсаров».

Поскольку расстояние между Землей и каждым из этих пульсаров намного больше, чем длина рукавов LIGO, НАНОГрав может обнаруживать низкочастотные гравитационные волны, возникающие в результате слияния сверхмассивных объектов вдали. В отличие от коротких вспышек, которые регистрирует LIGO, эти низкочастотные волны могут непрерывно проходить через Землю в течение многих лет или даже десятилетий.

Просто наблюдая за светом пульсаров на коллективный, одновременный сдвиг во времени, ученые должны быть в состоянии определить момент, когда гравитационная волна достигает или покидает нашу область.

Для наблюдения за пульсарами НАНОГрав использовала телескоп Грин-Бэнк Национального научного фонда в Западной Вирджинии и обсерваторию Аресибо в Пуэрто-Рико.

Обсерватория Аресибо в Пуэрто-Рико до обрушения.

Обсерватория NAIC Аресибо / NSF

Но после двух крупных обрывов кабеля в декабре телескоп Аресибо рухнул сам на себя. Его 900-тонная платформа врезалась в тарелку внизу, разбив ее панели без всякой надежды на восстановление. Исследователи использовали Аресибо до первого отказа кабеля в августе.

«Конечно, это большая потеря для нашего проекта», — заявил на заседании AAS Пол Деморест, ученый НАНОграв, работающий в Национальной радиоастрономической обсерватории США.

Вид с воздуха показывает повреждение обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико после обрыва одного из основных кабелей, 1 декабря 2020 года.

Рикардо Ардуенго/AFP/Getty Images

‘Боже мой, здесь действительно что-то есть’

При анализе данных 45 пульсаров, каждый из которых наблюдался не менее трех лет, исследователи НАНОграв обнаружили совпадающий сдвиг во времени свечения пульсаров. Они думают, что это может быть фон гравитационных волн.

«Мы прошлись по каждому из пульсаров один за другим. Я думаю, мы все ожидали найти несколько из них, которые выбрасывали наши данные», — сказал Саймон в пресс-релизе. «Но потом мы просмотрели их все и сказали: «Боже мой, здесь действительно что-то есть»» 9.0007

Сигнал более мощный на более низких частотах, что исследователи ожидают увидеть на фоне гравитационных волн. Но чтобы быть уверенными в том, что они действительно открыли это новое явление, им необходимо проанализировать больше данных, некоторые из которых они уже собрали, чтобы убедиться, что тенденция сохраняется во всех наборах данных.

«У нас есть действительно важное свидетельство общего сигнала. Однако мы пока не можем точно сказать, что это такое», — сказал Саймон.

НАНОГрав в настоящее время работает с двумя проектами временных массивов пульсаров в Европе и Австралии, чтобы выяснить, есть ли у них похожие сигналы в их данных.

Деморест считает, что НАНОГрав может получить окончательные доказательства того, что это гравитационно-волновой фон, в течение следующего года. Саймон сказал, что анализ данных, вероятно, займет больше времени.

В дополнение к анализу новых данных, сказал Деморест, НАНОГрав будет работать над расширением своего массива, чтобы включить больше пульсаров и использовать более чувствительные телескопы, которые еще даже не построены. В конце концов, ученые надеются обнаружить и изучить сверхмассивные черные дыры, излучающие гравитационную рябь.

«Возможность обнаружить фон гравитационных волн будет огромным шагом, но на самом деле это только первый шаг», — сказал Саймон. «Второй шаг — определить, что вызывает эти волны, и выяснить, что они могут рассказать нам о Вселенной».

Вселенная помнит гравитационные волны — и мы можем их найти

Художественная иллюстрация двух черных дыр, сливающихся и создающих рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны.
(Изображение предоставлено LIGO/T. Pyle)

Пол М. Саттер is an astrophysicist at The Ohio State University , host of Ask a Spaceman and Space Radio , and author of » Your Place in the Вселенная. » Саттер предоставил эту статью для Экспертные голоса Space.com: Op-Ed & Insights .

Гравитационные волны выплескиваются по всей вселенной как рябь в пространстве-времени, вызванная одними из самых катастрофических возможных событий.

С помощью таких объектов, как лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) и Virgo, мы теперь можем обнаружить самую сильную из этих волн, когда они омывают Землю. Но гравитационные волны оставляют после себя память — постоянное искривление пространства-времени — по мере прохождения, и теперь мы находимся на грани того, чтобы обнаружить и это, что позволяет нам довести наше понимание гравитации до предела.

Связанный: Охота за гравитационными волнами: проект лазерного интерферометра LIGO в фотографиях

Волны гравитации

Несмотря на то, что общей теории относительности Эйнштейна уже более ста лет, наше современное понимание того, как действует гравитация. С этой точки зрения пространство и время сливаются в единую структуру, известную как (здесь нет ничего удивительного) пространство-время. Это пространство-время — не просто фиксированная стадия, оно изгибается и изгибается в ответ на присутствие материи и энергии.

Это искривление, искривление и искривление пространства-времени указывает материи, как двигаться. В общей теории относительности все, от кусочков света до мчащихся пуль и взрывающихся космических кораблей, стремится двигаться по прямой. Но пространство-время вокруг них искривлено, заставляя их всех следовать изогнутым траекториям — как пытаться пересечь горный перевал по прямой, но следуя пикам и долинам топографии.

То, что мы называем « гравитацией «, является результатом всего этого искривления пространства-времени и того факта, что у движущихся объектов нет другого выбора, кроме как следовать кривым и неровностям пространства-времени вокруг них.

Как и любая другая гибкая поверхность, пространство-время не просто изгибается и изгибается; тоже вибрирует.

Если вы встанете на батут, вы согнете батут вниз. Если кто-то попытается пройтись по батуту рядом с вами, он почувствует вашу «тяжесть» и будет вынужден следовать по извилистой дорожке. Но достаточно далеко от вас, они даже не заметят вашего гравитационного воздействия.

Но если вы начнете прыгать вверх и вниз на батуте, вы будете посылать волны и дрожь через все это, и они не могут не зависеть от вашего движения.

Вспоминая прошлое

Точно так же действуют гравитационные волны, передавая энергию через рябь в самой ткани пространства-времени. Эта рябь возникает почти от любого возможного движения, но поскольку гравитация настолько слаба (это самая слабая сила природы миллиардов раз), а гравитационные волны еще слабее, только самые энергичные движения способны создавать рябь, которую можно обнаружить с помощью инструментов здесь, на Земле.

К настоящему времени наши гравитационно-волновые обсерватории LIGO и Virgo зафиксировали десятки катастрофических событий, включающих слияния массивных черных дыр и нейтронных звезд. Гравитационные волны от этих событий распространяются по Вселенной, омывая Землю. Когда они это делают, они слегка (например, меньше ширины атома) перемещают предметы.

Даже ты. Прямо сейчас вас нежно сжимают и растягивают гравитационные волны, вызванные насильственными событиями, происходящими за миллиарды световых лет от нас.

Вы можете подумать, что событие закончилось, как только волна пройдет, подобно волне, обрушившейся на вас на пляже и выброшенной на берег. Но гравитация — сложная штука, а гравитационные волны еще сложнее.

Почти любое движение вызывает генерацию гравитационной волны, от столкновения черных дыр друг с другом до взмаха рукой. И даже сами гравитационные волны.

Когда гравитационные волны колеблются в пространстве-времени, они становятся источником новых гравитационных волн, которые становятся источником новых гравитационных волн, которые становятся источником новых гравитационных волн, и так далее. Каждое новое поколение волн слабее предыдущего, но эффект выливается в то, что ученые называют пространственно-временной «памятью» — постоянное искажение пространства-времени, оставленное проходящей гравитационной волной.

Другими словами, когда гравитационные волны омывают вас, вы не просто временно растягиваетесь и сжимаетесь. Когда все сказано и сделано, вы остаетесь постоянно растянутым.

Связанный: Изображения: Черные дыры Вселенной

Взгляд в будущее

Поскольку гравитационные волны, создаваемые гравитационными волнами, настолько слабы, мы не нашли никаких доказательств существования этого пространства-времени. память», но она должна быть там, скрываясь в данных, полученных LIGO и Virgo. Что мы должны увидеть, так это продолжительное смещение положения детекторов, намного позже прохождения подтвержденного гравитационно-волнового события.

Недавно группа астрономов исследовала, что потребуется, чтобы наконец увидеть гравитационно-волновую память. Поскольку каждое отдельное обнаружение оставляет после себя лишь невероятно слабую память, мы не сможем увидеть такие явления поодиночке. Вместо этого мы должны сложить вместе несколько событий, чтобы собрать доказательства, необходимые для обозначения обнаружения.

А сколько событий нам понадобится? Исследователи предсказывают, что нам потребуется зарегистрировать около 2000 отдельных слияний черных дыр 9.0128, прежде чем мы сможем обнаружить оставленную постоянную память. Такого количества обнаружений не произойдет в ближайшее время, но следующее поколение гравитационно-волновых обсерваторий, которые, как мы надеемся, будут собирать около 10 событий в день, смогут найти эту память в течение года наблюдений.

Эта постоянная пространственно-временная память должна быть там — если наши предсказания общей теории относительности верны. И если мы ничего не найдем после нескольких лет поисков, нам придется пересмотреть наше понимание гравитации и посмотреть, не забыли ли мы что-нибудь.

Подробнее: » Спасибо за память: измерение гравитационно-волновой памяти в первом каталоге гравитационно-волновых транзиентов LIGO/Virgo »

• «Новая эра» в астрофизике: почему гравитационные волны так важны
• История и структура Вселенной (инфографика)

Вы можете послушать подкаст Ask A Spaceman на  iTunes (открывается в новой вкладке) и в Интернете по телефону http://www. askaspaceman.com . Задайте свой вопрос в Твиттере, используя хэштег #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter . Следите за нами в Твиттере @Spacedotcom или Facebook .

Нужно больше места? Подпишитесь на наш родственный журнал «Все о космосе» (открывается в новой вкладке) , чтобы быть в курсе последних потрясающих новостей с последнего рубежа! (Изображение предоставлено All About Space)

(открывается в новой вкладке)

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].

Пол М. Саттер — астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон в Нью-Йорке.