Теория на гравитационните вълни. Открихме гравитационни вълни. Какво следва? Регистрация на гравитационни вълни

Припомнете си, че онзи ден учените от LIGO обявиха голям пробив в областта на физиката, астрофизиката и нашето изследване на Вселената: откритието гравитационни вълнипредсказано от Алберт Айнщайн преди 100 години. Gizmodo успя да намери д-р Амбър Ставър от обсерваторията Ливингстън в Луизиана, сътрудничество на LIGO, и да попита подробно какво означава това за физиката. Разбираме, че ще бъде трудно да стигнем до глобално разбиране за нов начин за разбиране на нашия свят в няколко статии, но ще опитаме.

Досега е свършена много работа за откриване на една гравитационна вълна и това е голям пробив. Изглежда, че пред астрономията се отварят много нови възможности - но дали това първо откритие е "просто" доказателство, че откритието е възможно само по себе си, или вече можете да извлечете по-нататъшен научен напредък от него? Какво се надявате да спечелите от това в бъдеще? Ще има ли по-прости методи за откриване на тези вълни в бъдеще?

Това наистина е първото откритие, пробив, но целта винаги е била да се използват гравитационни вълни, за да се направи нова астрономия. Вместо да търсим във вселената видима светлина, сега можем да почувстваме фините промени в гравитацията, причинени от най-големите, най-силните и (според мен) най-интересните неща във вселената - включително неща, за които никога не бихме могли да получим информация с с помощта на светлината.

Успяхме да приложим този нов тип астрономия към вълните на първото откриване. Използвайки това, което вече знаем за GR (общата теория на относителността), успяхме да предвидим как ще изглеждат гравитационните вълни на обекти като черни дупки или неутронни звезди. Сигналът, който открихме, съвпада с това, което прогнозирахме за двойка черни дупки, едната 36 пъти по-масивна, а другата 29 пъти по-масивна от Слънцето, които се въртят, докато се приближават една към друга. Накрая те се сливат в една черна дупка. Така че това е не само първото откриване на гравитационни вълни, но и първото директно наблюдение на черни дупки, тъй като те не могат да бъдат наблюдавани с помощта на светлина (само от веществото, което се върти около тях).

Защо сте сигурни, че странични ефекти (като вибрации) не влияят на резултатите?

В LIGO ние записваме много повече данни, свързани с нашата среда и оборудване, отколкото данни, които могат да съдържат сигнал от гравитационна вълна. Причината за това е, че искаме да сме възможно най-сигурни, че не сме водени за носа от външни ефекти и не сме подведени относно откриването на гравитационна вълна. Ако усетим необичайна почва в момента, в който засечем сигнал от гравитационна вълна, най-вероятно ще отхвърлим този кандидат.

Видео: Гравитационните вълни с един поглед

Друга мярка, която предприемаме, за да избегнем виждането на нещо произволно, е и двата детектора LIGO да виждат един и същ сигнал с времето, което е необходимо на гравитационната вълна да премине между двата обекта. Максималното време за такова пътуване е приблизително 10 милисекунди. За да сме сигурни за възможно откриване, трябва да виждаме сигнали от една и съща форма, почти по едно и също време, а данните, които събираме за нашата среда, трябва да са лишени от аномалии.

Има много други тестове, които преминава кандидатът, но това са основните.

Съществува ли практичен начингенерират гравитационни вълни, които могат да бъдат открити с подобни устройства? Можем ли да създадем гравитационно радио или лазер?

Вие предлагате какво е направил Хайнрих Херц в края на 1880 г., за да открие електромагнитни вълни под формата на радиовълни. Но гравитацията е най-слабата от основните сили, които държат Вселената заедно. Поради тази причина движението на маси в лаборатория или друго съоръжение за създаване на гравитационни вълни би било твърде слабо, за да бъде уловено дори от детектор като LIGO. За да създадем достатъчно силни вълни, ще трябва да завъртим дъмбела с такава скорост, че да разкъса всеки известен материал. Но във Вселената има много големи обеми маса, които се движат изключително бързо, така че ние изграждаме детектори, които ще ги търсят.

Ще промени ли това потвърждение нашето бъдеще? Можем ли да използваме силата на тези вълни, за да изследваме космоса? Ще бъде ли възможно да се комуникира с помощта на тези вълни?

Поради количеството маса, която трябва да се движи с екстремни скорости, за да произведе гравитационни вълни, които детектори като LIGO могат да открият, единственият известен механизъм за това са двойки неутронни звезди или черни дупки, въртящи се преди сливането (може да има други източници). Шансовете това да е някаква напреднала цивилизация, манипулираща материята, са изключително малки. Лично аз не мисля, че би било страхотно да открием цивилизация, способна да използва гравитационните вълни като средство за комуникация, тъй като те лесно биха могли да ни довършат.

Кохерентни ли са гравитационните вълни? Възможно ли е да ги направим съгласувани? Можете ли да ги фокусирате? Какво ще се случи с масивен обект, който е засегнат от фокусиран лъч на гравитацията? Може ли този ефект да се използва за подобряване на ускорителите на частици?

Някои видове гравитационни вълни могат да бъдат кохерентни. Представете си неутронна звезда, която е почти идеално сферична. Ако се върти бързо, малки деформации по-малки от инч ще произведат гравитационни вълни с определена честота, което ще ги направи кохерентни. Но е много трудно да се фокусират гравитационни вълни, тъй като Вселената е прозрачна за тях; гравитационните вълни преминават през материята и излизат непроменени. Трябва да промените пътя на поне някои от гравитационните вълни, за да ги фокусирате. Може би една екзотична форма на гравитационни лещи би могла поне частично да фокусира гравитационните вълни, но би било трудно, ако не и невъзможно, да се използват. Ако могат да се концентрират, пак ще са толкова слаби, че не виждам никаква практическа полза от тях. Но те също така говориха за лазери, които всъщност са просто фокусирана кохерентна светлина, така че кой знае.

Каква е скоростта на гравитационна вълна? Тя има ли маса? Ако не, може ли да пътува по-бързо от скоростта на светлината?

Смята се, че гравитационните вълни се движат със скоростта на светлината. Това е скоростта, ограничена от общата теория на относителността. Но експерименти като LIGO трябва да тестват това. Може би се движат малко по-бавно от скоростта на светлината. Ако е така, тогава теоретичната частица, свързана с гравитацията, гравитонът, би имала маса. Тъй като самата гравитация действа между масите, това добавя към сложността на теорията. Но не и невъзможно. Ние използваме бръснача на Окам: най-простото обяснение обикновено е най-доброто.

Колко далеч трябва да сте от сливането на черни дупки, за да можете да кажете за тях?

В случая на нашите двоични черни дупки, които открихме от гравитационни вълни, те доведоха до максимална промяна в дължината на нашите 4-километрови рамена с 1x10 -18 метра (това е 1/1000 от диаметъра на протона). Ние също вярваме, че тези черни дупки са на 1,3 милиарда светлинни години от Земята.

Сега да предположим, че сме два метра високи и се носим на разстоянието от Земята до Слънцето от черната дупка. Мисля, че ще изпитате редуващо се сплескване и разтягане с около 165 нанометра (ръстът ви се променя с по-голяма стойностпрез деня). Може да се изживее.

Ако използвате нов начинда чуете космоса, какво интересува най-вече учените?

Потенциалът не е напълно известен, в смисъл, че може да има повече места, отколкото предполагахме. Колкото повече научаваме за Вселената, толкова по-добре ще можем да отговорим на нейните въпроси с помощта на гравитационните вълни. Например на тези:

• Какво причинява гама-лъчи?
• Как се държи материята при екстремни условия на колабираща звезда?
• Какви бяха първите моменти след Големия взрив?
• Как се държи материята в неутронните звезди?

Но повече ме интересува какви неочаквани неща могат да бъдат открити с помощта на гравитационните вълни. Всеки път, когато хората са наблюдавали Вселената по нов начин, сме откривали много неочаквани неща, които са обърнали разбирането ни за Вселената с главата надолу. Искам да намеря тези гравитационни вълни и да открия нещо, за което не сме имали представа преди.

Това ще ни помогне ли да направим истинско уорп устройство?

Тъй като гравитационните вълни взаимодействат слабо с материята, те трудно могат да бъдат използвани за движение на тази материя. Но дори и да можете, гравитационната вълна се движи само със скоростта на светлината. Те няма да работят за warp задвижване. Въпреки че би било готино.

Какво ще кажете за антигравитационни устройства?

За да създадем антигравитационно устройство, трябва да превърнем силата на привличане в сила на отблъскване. И въпреки че една гравитационна вълна разпространява промени в гравитацията, тази промяна никога няма да бъде отблъскваща (или отрицателна).

Гравитацията винаги привлича, защото отрицателната маса изглежда не съществува. В крайна сметка има положителен и отрицателен заряд, северен и южен магнитен полюс, но само положителна маса. Защо? Ако съществуваше отрицателна маса, топката от материя щеше да падне нагоре, вместо надолу. Тя ще бъде отблъсната от положителната маса на Земята.

Какво означава това за възможността за пътуване във времето и телепортация? Можем ли да намерим практическо приложение на този феномен, освен да изучаваме нашата вселена?

Сега По най-добрия начинпътуването във времето (и само към бъдещето) е пътуване със скорост, близка до светлинната (помнете парадокса на близнаците в общата теория на относителността) или отиване в област с повишена гравитация (този вид пътуване във времето беше демонстрирано в Interstellar). Тъй като гравитационната вълна разпространява промени в гравитацията, ще има много малки колебания в скоростта на времето, но тъй като гравитационните вълни са по своята същност слаби, такива са и временните колебания. И въпреки че не мисля, че можете да приложите това към пътуване във времето (или телепортация), никога не казвайте никога (обзалагам се, че сте си спрели дъха).

Ще дойде ли денят, когато ще спрем да потвърждаваме Айнщайн и ще започнем отново да търсим странни неща?

Разбира се! Тъй като гравитацията е най-слабата от силите, също е трудно да се експериментира с нея. Досега всеки път, когато учените са подлагали GR на тест, те са получавали точно прогнозирани резултати. Дори откриването на гравитационните вълни още веднъж потвърждава теорията на Айнщайн. Но предполагам, че когато започнем да тестваме най-малките детайли на теорията (може би с гравитационни вълни, може би с друга), ще открием "смешни" неща, като резултатът от експеримента, който не съвпада точно с прогнозата. Това няма да означава погрешността на GR, а само необходимостта от изясняване на неговите подробности.

Видео: Как гравитационните вълни взривиха интернет?

Всеки път, когато отговорим на един въпрос за природата, се появяват нови. В крайна сметка ще имаме въпроси, които ще бъдат по-готини от отговорите, които GR може да позволи.

Можете ли да обясните как това откритие може да е свързано или да повлияе на теорията на единното поле? По-близо ли сме до това да го потвърдим или да го развенчаем?

Сега резултатите от нашето откритие са посветени главно на проверката и потвърждаването на общата теория на относителността. Единната теория на полето търси начин да създаде теория, която да обясни физиката на много малкото (квантова механика) и много голямото (обща теория на относителността). Сега тези две теории могат да бъдат обобщени, за да обяснят мащаба на света, в който живеем, но не повече. Тъй като нашето откритие е фокусирано върху физиката на много голямото, само по себе си то няма да направи много, за да ни придвижи напред в посоката на единна теория. Но не това е важното. Сега полето на физиката на гравитационните вълни току-що е родено. Докато научаваме повече, със сигурност ще разширим нашите резултати в областта на единна теория. Но преди да бягате, трябва да ходите.

Сега, когато слушаме гравитационните вълни, какво трябва да чуят учените, за да ритнат буквално тухла? 1) Неестествени модели/структури? 2) Източници на гравитационни вълни от региони, които смятахме за празни? 3) Рик Астли

Когато прочетох въпроса ви, веднага си спомних сцената от "Контакт", в която радиотелескопът улавя модели прости числа. Малко вероятно е това да се намери в природата (доколкото знаем). Така че вашата версия с неестествен модел или структура би била най-вероятната.

Не мисля, че някога ще бъдем сигурни, че има празнота в определен регион на пространството. В крайна сметка системата от черни дупки, която открихме, беше изолирана и от този регион не идваше светлина, но все пак открихме гравитационни вълни там.

Що се отнася до музиката... Специализирам се в отделянето на сигнали от гравитационни вълни от статичния шум, който постоянно измерваме на фона на околната среда. Ако можех да намеря музика в гравитационна вълна, особено такава, която съм чувал преди, би било шега. Но музика, каквато не е чувана на Земята... Би било като простите случаи от "Контакт".

Тъй като експериментът регистрира вълни чрез промяна на разстоянието между два обекта, амплитудата на едната посока по-голяма ли е от другата? В противен случай, няма ли показанията да означават, че Вселената се променя по размер? И ако е така, това разширение потвърждава ли го или нещо неочаквано?

Трябва да видим много гравитационни вълни, идващи от много различни посоки във Вселената, преди да можем да отговорим на този въпрос. В астрономията това създава популационен модел. Колко различни вида неща има? то основен въпрос. След като имаме много наблюдения и започнем да виждаме неочаквани модели, например, че гравитационните вълни от определен тип идват от определена част на Вселената и никъде другаде, това ще бъде много интересен резултат. Някои модели могат да потвърдят разширяването (в което сме много уверени) или други явления, за които все още не сме наясно. Но първо трябва да видите много повече гравитационни вълни.

За мен е напълно неразбираемо как учените са определили, че вълните, които са измерили, принадлежат на две супермасивни черни дупки. Как може да се определи източникът на вълните с такава точност?

Методите за анализ на данни използват каталог от прогнозирани сигнали на гравитационни вълни за сравнение с нашите данни. Ако има силна корелация с една от тези прогнози или модели, тогава ние не само знаем, че това е гравитационна вълна, но също така знаем коя система я е генерирала.

Всеки един начин за създаване на гравитационна вълна, независимо дали става дума за сливане на черни дупки, въртене на звезди или умиране, всички вълни имат различни форми. Когато открием гравитационна вълна, ние използваме тези форми, както е предсказано от Общата теория на относителността, за да определим причината им.

Как да разберем, че тези вълни идват от сблъсъка на две черни дупки, а не от някакво друго събитие? Възможно ли е да се предвиди къде или кога се е случило подобно събитие с някаква степен на точност?

След като разберем коя система е произвела гравитационната вълна, можем да предвидим колко силна е била гравитационната вълна близо до мястото, където се е родила. Чрез измерване на силата му, когато достигне Земята и сравняване на нашите измервания с прогнозираната сила на източника, можем да изчислим колко далеч е източникът. Тъй като гравитационните вълни се движат със скоростта на светлината, можем също така да изчислим колко време е отнело на гравитационните вълни да се придвижат към Земята.

В случая на системата с черна дупка, която открихме, ние измерихме максималната промяна в дължината на рамената LIGO на 1/1000 от диаметъра на протона. Тази система се намира на 1,3 милиарда светлинни години. Гравитационната вълна, открита през септември и обявена онзи ден, се движи към нас от 1,3 милиарда години. Това се случи преди животинският живот да се формира на Земята, но след появата на многоклетъчните организми.

По време на съобщението беше посочено, че други детектори ще търсят вълни с по-дълъг период - някои от тях ще бъдат космически. Какво можете да ни кажете за тези големи детектори?

Космически детектор наистина е в процес на разработка. Нарича се LISA (космическа антена за лазерен интерферометър). Тъй като ще бъде в космоса, той ще бъде доста чувствителен към нискочестотни гравитационни вълни, за разлика от земните детектори, поради естествените вибрации на земята. Ще бъде трудно, защото сателитите ще трябва да бъдат поставени по-далеч от Земята, отколкото човек някога е бил. Ако нещо се обърка, не можем да изпратим астронавти за ремонт, както направихме с Хъбъл през 90-те години. За да се тестват необходимите технологии, мисията LISA Pathfinder стартира през декември. До момента се е справила с всички поставени задачи, но мисията далеч не е приключила.

Могат ли гравитационните вълни да се превърнат в звукови? И ако е така, как ще изглеждат?

Мога. Разбира се, няма да чуете просто гравитационна вълна. Но ако вземете сигнала и го прекарате през високоговорителите, можете да го чуете.

Какво да правим с тази информация? Дали тези вълни излъчват други астрономически обекти със значителна маса? Могат ли вълните да се използват за търсене на планети или прости черни дупки?

Когато търсите гравитационни стойности, не само масата е важна. Също и ускорението, което е присъщо на обекта. Черните дупки, които открихме, се въртяха една около друга със скорост 60% от скоростта на светлината, когато се сляха. Следователно успяхме да ги открием по време на сливането. Но сега те вече не получават гравитационни вълни, тъй като са се слели в една заседнала маса.

Така че всичко, което има голяма маса и се движи много бързо, създава гравитационни вълни, които можете да уловите.

Малко вероятно е екзопланетите да имат достатъчно маса или ускорение, за да създадат откриваеми гравитационни вълни. (Не казвам, че изобщо не ги правят, просто няма да са достатъчно силни или на различна честота). Дори ако екзопланетата е достатъчно масивна, за да произведе необходимите вълни, ускорението ще я разкъса. Не забравяйте, че най-масивните планети обикновено са газови гиганти.

Колко вярна е аналогията с вълните във водата? Можем ли да яхнем тези вълни? Има ли гравитационни "върхове" като вече известните "кладенци"?

Тъй като гравитационните вълни могат да се движат през материята, няма начин да ги яхнете или да ги използвате за движение. Така че няма сърфиране с гравитационни вълни.

"Върхове" и "кладенци" са прекрасни. Гравитацията винаги привлича, защото няма отрицателна маса. Не знаем защо, но никога не е наблюдавано в лабораторията или във Вселената. Следователно гравитацията обикновено се представя като "кладенец". Масата, която се движи по този "кладенец", ще падне навътре; така работи привличането. Ако имате отрицателна маса, тогава ще получите отблъскване, а с него и „пик“. Масата, която се движи на "пика", ще се извие встрани от него. Така че "кладенци" съществуват, но "върхове" не.

Аналогията с водата е добра, стига да говорим за факта, че силата на вълната намалява с изминатото разстояние от източника. Водната вълна ще става все по-малка и по-малка, а гравитационната вълна ще става все по-слаба и по-слаба.

Как това откритие ще повлияе на нашето описание на инфлационния период на Големия взрив?

На този моменттова откритие досега практически няма ефект върху инфлацията. За да се правят подобни твърдения е необходимо да се наблюдават реликтовите гравитационни вълни на Големия взрив. Проектът BICEP2 вярваше, че индиректно наблюдава тези гравитационни вълни, но се оказа, че вината е космическият прах. Ако получи точните данни, съществуването на кратък период на инфлация малко след Големия взрив ще бъде потвърдено заедно с тях.

LIGO ще може директно да види тези гравитационни вълни (това ще бъде и най-слабият тип гравитационни вълни, които се надяваме да открием). Ако ги видим, ще можем да погледнем дълбоко в миналото на Вселената, както не сме поглеждали досега, и да съдим за инфлацията от получените данни.

На 11 февруари 2016 г. международна група учени, включително от Русия, на пресконференция във Вашингтон обяви откритие, което рано или късно ще промени развитието на цивилизацията. На практика беше възможно да се докажат гравитационните вълни или вълните на пространство-времето. Тяхното съществуване е предсказано преди 100 години от Алберт Айнщайн в неговата.

Никой не се съмнява, че това откритие ще бъде удостоено с Нобелова награда. Учените не бързат да говорят за това практическо приложение. Но напомнят, че доскоро човечеството също не знаеше точно какво да прави с електромагнитните вълни, което в крайна сметка доведе до истинска научна и технологична революция.

Какво представляват гравитационните вълни с прости думи

Гравитацията и универсалната гравитация са едно и също. Гравитационните вълни са едно от OTS решенията. Те трябва да се разпространяват със скоростта на светлината. Излъчва се от всяко тяло, движещо се с променливо ускорение.

Например, той се върти в своята орбита с променливо ускорение, насочено към звездата. И това ускорение постоянно се променя. Слънчевата система излъчва енергия от порядъка на няколко киловата в гравитационни вълни. Това е нищожно количество, сравнимо с 3 стари цветни телевизора.

Друго нещо са два пулсара (неутронни звезди), които се въртят един около друг. Те се движат в много тесни орбити. Такава "двойка" е открита от астрофизици и е наблюдавана дълго време. Обектите бяха готови да паднат един върху друг, което косвено показваше, че пулсарите излъчват пространствено-времеви вълни, тоест енергия в своето поле.

Гравитацията е силата на гравитацията. Ние сме привлечени от земята. А същността на гравитационната вълна е промяна в това поле, изключително слаба, когато става въпрос за нас. Например вземете нивото на водата в резервоар. напрежение гравитационно полее ускорението на свободното падане в определена точка. Една вълна преминава през нашия резервоар и внезапно ускорението на свободното падане се променя съвсем малко.

Подобни експерименти започват през 60-те години на миналия век. По това време те измислиха това: окачиха огромен алуминиев цилиндър, охладен, за да избегнат вътрешни термични колебания. И чакаха вълна от сблъсък например на две масивни черни дупки, за да достигне внезапно до нас. Изследователите бяха ентусиазирани и казаха, че цялото земно кълбо може да бъде засегнато от гравитационна вълна, идваща от космоса. Планетата ще започне да се колебае и тези сеизмични вълни (компресионни, срязващи и повърхностни) могат да бъдат изследвани.

Важна статия за устройството на разбираем език и как американците и LIGO са откраднали идеята на съветските учени и са построили интроферометрите, които са позволили откритието. Никой не говори за това, всички мълчат!

Между другото, гравитационното излъчване е по-интересно от гледна точка на реликтовото излъчване, което се опитват да намерят чрез промяна на спектъра на електромагнитното излъчване. реликва и електромагнитно излъчванесе появи 700 хиляди години след Големия взрив, тогава в процеса на разширяване на Вселената, изпълнена с горещ газ с пътуващи ударни вълни, които по-късно се превърнаха в галактики. В този случай, разбира се, е трябвало да бъдат излъчени гигантски, умопомрачаващ брой пространствено-времеви вълни, влияещи върху дължината на вълната на космическото микровълново фоново лъчение, което по това време все още е оптично. Домашният астрофизик Сажин пише и редовно публикува статии по тази тема.

Погрешно тълкуване на откритието на гравитационните вълни

„Огледало виси, върху него действа гравитационна вълна и то започва да трепти. И дори най-малките колебания с амплитуда, по-малка от размера на атомно ядро, се забелязват от инструменти ”- такава неправилна интерпретация, например, се използва в статията на Wikipedia. Не бъдете мързеливи, намерете статия на съветски учени от 1962 г.

Първо, огледалото трябва да е масивно, за да се усещат "вълничките". Второ, трябва да се охлади до почти абсолютна нула (Келвин), за да се избегнат собствените му термични колебания. Най-вероятно не само през 21 век, но и като цяло никога няма да бъде възможно да се открие елементарна частица - носител на гравитационни вълни:

Махнете с ръка и гравитационните вълни ще преминат през цялата вселена.
С. Попов, М. Прохоров. Призрачни вълни на Вселената

В астрофизиката се е случило събитие, което е чакано от десетилетия. След половин век търсене най-накрая бяха открити гравитационни вълни, флуктуации в самото пространство-време, предсказани от Айнщайн преди сто години. На 14 септември 2015 г. обновената обсерватория LIGO откри взрив на гравитационна вълна, генериран от сливането на две черни дупки с маси 29 и 36 слънчеви маси в далечна галактика на разстояние около 1,3 милиарда светлинни години. Астрономията на гравитационните вълни се е превърнала в пълноценен клон на физиката; това ни откри нов начин за наблюдение на Вселената и ще ни позволи да изследваме ефектите от силната гравитация, които досега бяха недостъпни.

Гравитационни вълни

Теориите за гравитацията могат да измислят различни. Всички те ще опишат нашия свят еднакво добре, стига да се ограничим до едно негово проявление – закона на Нютон за всемирното привличане. Но има и други, по-фини гравитационни ефекти, които са експериментално тествани на скали слънчева система, и те сочат към една конкретна теория, общата теория на относителността (ОТО).

Общата теория на относителността не е просто набор от формули, тя е фундаментален възглед за същността на гравитацията. Ако в обикновената физика пространството служи само като фон, вместилище за физически явления, то в общата теория на относителността самото то се превръща във феномен, динамична величина, която се променя в съответствие със законите на общата теория на относителността. Именно тези изкривявания на пространство-времето на плосък фон - или, на езика на геометрията, изкривявания на метриката на пространство-времето - се усещат като гравитация. Накратко, общата теория на относителността разкрива геометричния произход на гравитацията.

Общата теория на относителността има изключително важна прогноза: гравитационните вълни. Това са изкривявания на пространство-времето, които могат да се „откъснат от източника“ и, самоподдържайки се, да отлетят. Това е гравитация сама по себе си, ничия, собствена. Алберт Айнщайн най-накрая формулира общата теория на относителността през 1915 г. и почти веднага осъзна, че неговите уравнения позволяват съществуването на такива вълни.

Както при всяка честна теория, такава ясна прогноза на общата теория на относителността трябва да бъде проверена експериментално. Всяко движещо се тяло може да излъчва гравитационни вълни: планети, хвърлен нагоре камък и махване на ръка. Проблемът обаче е, че гравитационното взаимодействие е толкова слабо, че никакви експериментални установки не са в състояние да засекат излъчването на гравитационни вълни от обикновени "излъчватели".

За да "задвижите" мощна вълна, трябва много силно да изкривите пространство-времето. Идеалният вариант е две черни дупки, въртящи се една около друга в тесен танц, на разстояние от порядъка на техния гравитационен радиус (фиг. 2). Изкривяването на метриката ще бъде толкова силно, че забележима част от енергията на тази двойка ще бъде излъчена в гравитационни вълни. Губейки енергия, двойката ще се приближава една към друга, въртяйки се по-бързо, изкривявайки метриката все повече и повече и генерирайки още по-силни гравитационни вълни - докато накрая настъпи радикално преструктуриране на цялото гравитационно поле на тази двойка и две черни дупки се слеят в една.

Такова сливане на черни дупки е експлозия с огромна сила, но само цялата тази излъчена енергия отива не в светлина, не в частици, а във вибрации на пространството. Излъчената енергия ще съставлява забележима част от първоначалната маса на черните дупки и тази радиация ще изпръска за части от секундата. Подобни колебания ще генерират сливания на неутронни звезди. Малко по-слабото освобождаване на енергия от гравитационни вълни също придружава други процеси, като колапса на ядрото на свръхнова.

Избухването на гравитационната вълна от сливането на два компактни обекта има много специфичен, добре изчислен профил, показан на фиг. 3. Периодът на трептене се определя от орбиталното движение на два обекта един около друг. Гравитационните вълни отнасят енергия; в резултат на това обектите се приближават един към друг и се въртят по-бързо - и това може да се види както в ускоряването на трептенията, така и в увеличаването на амплитудата. В даден момент се получава сливане, изхвърля се последната силна вълна и след това следва високочестотен „след позвъняване“ ( звънене) е трептенето на образуваната черна дупка, което „изхвърля“ всички несферични изкривявания (този етап не е показан на снимката). Познаването на този характерен профил помага на физиците да търсят слабия сигнал от такова сливане в данните от детектора с голям шум.

Колебанията на пространствено-времевата метрика - гравитационно-вълновото ехо на грандиозна експлозия - ще се разпръснат из Вселената във всички посоки от източника. Тяхната амплитуда намалява с разстоянието, подобно на това как яркостта на точковия източник намалява с разстоянието от него. Когато изблик от далечна галактика удари Земята, флуктуациите в показателя ще бъдат от порядъка на 10 −22 или дори по-малко. С други думи, разстоянието между физически несвързани обекти периодично ще се увеличава и намалява с такава относителна стойност.

Редът на големината на това число е лесно да се получи от съображения за мащабиране (вижте статията на В. М. Липунов). В момента на сливането на неутронни звезди или черни дупки на звездни маси, изкривяването на метриките непосредствено до тях е много голямо - от порядъка на 0,1, поради което това е силна гравитация. Такова силно изкривяване засяга област от порядъка на размера на тези обекти, тоест няколко километра. При отдалечаване от източника амплитудата на трептенето пада обратно пропорционално на разстоянието. Това означава, че на разстояние 100 Mpc = 3·10 21 km амплитудата на трептенията ще падне с 21 порядъка и ще стане около 10 −22 .

Разбира се, ако сливането се случи в нашата родна галактика, пространствено-времевият трепет, достигнал Земята, ще бъде много по-силен. Но такива събития се случват веднъж на няколко хиляди години. Следователно наистина трябва да се разчита само на такъв детектор, който ще може да усети сливането на неутронни звезди или черни дупки на разстояние от десетки до стотици мегапарсеци, което означава, че ще покрие много хиляди и милиони галактики.

Тук трябва да се добави, че косвена индикация за съществуването на гравитационни вълни вече е открита и дори е присъдена Нобеловата награда по физика за 1993 г. Дългосрочните наблюдения на пулсара в двойната система PSR B1913+16 показват, че орбиталният период намалява точно със скоростта, предвидена от общата теория на относителността, като се вземе предвид загубата на енергия от гравитационното излъчване. Поради тази причина практически никой от учените не се съмнява в реалността на гравитационните вълни; единственият въпрос е как да ги хванем.

История на търсенията

Търсенето на гравитационни вълни започва преди около половин век – и почти веднага се превръща в сензация. Джоузеф Вебер от Университета на Мериленд проектира първия резонансен детектор: солиден двуметров алуминиев цилиндър с чувствителни пиезо сензори отстрани и добра виброизолация от външни вибрации (фиг. 4). При преминаването на гравитационна вълна цилиндърът ще резонира във времето с изкривяванията на пространство-времето, които трябва да се регистрират от сензорите. Вебер построява няколко такива детектора и през 1969 г., след като анализира техните показания по време на една от сесиите, той заявява в прав текст, че е регистрирал „звука на гравитационните вълни“ в няколко детектора наведнъж, разположени на два километра един от друг ( J. Weber, 1969 Доказателства за откриването на гравитационното излъчване). Амплитудата на трептенията, която той твърдеше, се оказа невероятно голяма от порядъка на 10 −16, тоест милион пъти по-голяма от типичната очаквана стойност. Съобщението на Вебер беше изпълнено научна общностс голям скептицизъм; освен това други експериментални групи, въоръжени с подобни детектори, не биха могли да уловят такъв сигнал в бъдеще.

Усилията на Вебер обаче дадоха тласък на цялата тази област на изследване и започнаха търсенето на вълните. От 70-те години на миналия век, благодарение на усилията на Владимир Брагински и неговите колеги от Московския държавен университет, СССР също влезе в тази надпревара (виж липсата на сигнали от гравитационни вълни). Интересна история за онези времена има в есето Ако едно момиче падне в дупка .... Брагински, между другото, е един от класиците на цялата теория на квантовите оптични измервания; той пръв излезе с концепцията за стандартната квантова граница на измерване - ключово ограничение в оптичните измервания - и показа как те по принцип могат да бъдат преодолени. Резонансната верига на Weber беше подобрена и благодарение на дълбокото охлаждане на инсталацията, шумът беше драстично намален (вижте списъка и историята на тези проекти). Въпреки това, точността на такива изцяло метални детектори все още беше недостатъчна за надеждно откриване на очакваните събития, а освен това те са настроени да резонират само в много тесен честотен диапазон около килохерца.

Много по-обещаващи изглеждаха детектори, които не използват един резониращ обект, а проследяват разстоянието между две несвързани, независимо окачени тела, например две огледала. Поради флуктуацията на пространството, причинена от гравитационната вълна, разстоянието между огледалата ще бъде или малко повече, или малко по-малко. В този случай колкото по-голяма е дължината на рамото, толкова по-голямо абсолютно изместване ще бъде причинено от гравитационна вълна с дадена амплитуда. Тези вибрации могат да бъдат усетени от лазерен лъч, преминаващ между огледалата. Такава схема е способна да открива трептения в широк честотен диапазон от 10 херца до 10 килохерца и точно това е интервалът, в който ще излъчват сливащи се двойки неутронни звезди или черни дупки със звездна маса.

Съвременната реализация на тази идея на базата на интерферометъра на Майкелсън е следната (фиг. 5). Огледалата са окачени в две дълги, няколко километра, перпендикулярни една на друга вакуумни камери. На входа на инсталацията лазерният лъч се разделя, преминава през двете камери, отразява се от огледалата, връща се обратно и отново се събира в полупрозрачно огледало. Коефициентът на качество на оптичната система е изключително висок, така че лазерният лъч не преминава само веднъж напред-назад, а се задържа в този оптичен резонатор за дълго време. В „спокойно“ състояние дължините се избират така, че двата лъча след рекомбинация да се гасят взаимно по посока на сензора и тогава фотодетекторът е в пълна сянка. Но щом огледалата се преместят на микроскопично разстояние под действието на гравитационните вълни, компенсацията на двата лъча става непълна и фотодетекторът улавя светлината. И колкото по-силно е отклонението, толкова по-ярка светлина ще се вижда от фотосензора.

Думите "микроскопично изместване" дори не се доближават до предаването на пълната финес на ефекта. Изместването на огледалата по дължината на вълната на светлината, тоест микроните, е лесно забележимо дори без никакви трикове. Но при дължина на рамото от 4 km, това съответства на пространствено-времеви осцилации с амплитуда 10 −10 . Също така не е проблем да забележите изместването на огледалата с диаметъра на атома - достатъчно е да пуснете лазерен лъч, който ще премине напред-назад хиляди пъти и ще получите желаното фазово навлизане. Но дори това дава сила от 10 −14 . И ние трябва да слезем още милиони пъти надолу по скалата на изместването, тоест да се научим да регистрираме огледалното изместване дори не с един атом, а с хилядни от атомното ядро!

По пътя към тази наистина невероятна технология физиците трябваше да преодолеят много трудности. Някои от тях са чисто механични: трябва да окачите масивни огледала на окачване, което виси на друго окачване, това на трето окачване и така нататък - и всичко това, за да се отървете максимално от външните вибрации. Други проблеми също са инструментални, но оптични. Например, колкото по-мощен е лъчът, циркулиращ в оптичната система, толкова по-слабо изместване на огледалата може да бъде открито от фотосензора. Но твърде мощният лъч ще нагрее неравномерно оптичните елементи, което ще повлияе неблагоприятно на свойствата на самия лъч. Този ефект трябва по някакъв начин да се компенсира и за това през 2000-те години цяло изследователска програмапо този повод (за разказ за това изследване вижте новината Преодоляване на препятствие по пътя към високочувствителен детектор на гравитационни вълни, "Елементи", 27.06.2006 г.). И накрая, има чисто фундаментални физически ограничения, свързани с квантовото поведение на фотоните в резонатор и принципа на неопределеността. Те ограничават чувствителността на сензора до стойност, наречена стандартна квантова граница. Въпреки това, физиците вече са се научили как да го преодолеят с помощта на хитро подготвено квантово състояние на лазерна светлина (J. Aasi et al., 2013. Подобрена чувствителност на детектора на гравитационни вълни LIGO чрез използване на стиснати състояния на светлина).

Има списък на страните в надпреварата за гравитационни вълни; Русия има своя собствена инсталация, в обсерваторията Баксан, и между другото тя е описана в документален научно-популярен филм на Дмитрий Завилгелски „В очакване на вълни и частици“. Лидерите в тази надпревара вече са две лаборатории - американският проект LIGO и италианският детектор Virgo. LIGO включва два идентични детектора, разположени в Ханфорд (Вашингтон) и Ливингстън (Луизиана) и отдалечени един от друг на 3000 км. Наличието на две настройки е важно по две причини. Първо, сигнал ще се счита за регистриран само ако се вижда от двата детектора едновременно. И второ, по разликата в пристигането на изблик на гравитационна вълна в две инсталации - и тя може да достигне 10 милисекунди - може приблизително да се определи от коя част на небето идва този сигнал. Вярно, че с два детектора грешката ще бъде много голяма, но когато Virgo влезе в действие, точността ще се увеличи значително.

Строго погледнато, идеята за интерферометрично откриване на гравитационни вълни е предложена за първи път от съветски физициМ. Е. Герценштейн и В. И. Пустовойт през 1962 г. Тогава лазерът току-що беше изобретен и Вебер започна да създава своите резонансни детектори. Тази статия обаче не беше забелязана на Запад и, честно казано, не повлия на развитието на реални проекти (вижте историческия преглед Физика на откриването на гравитационни вълни: резонансни и интерферометрични детектори).

Създаването на гравитационната обсерватория LIGO е инициатива на трима учени от Масачузетския технологичен институт (MIT) и от Калифорнийския технологичен институт (Caltech). Това са Райнер Вайс, който реализира идеята за интерферометричен детектор на гравитационни вълни, Роналд Древър, който постига стабилност на лазерната светлина, достатъчна за регистриране, и Кип Торн, теоретик-вдъхновител на проекта, вече добре познат на широката публика като научен консултант филм Interstellar. Ранната история на LIGO може да бъде прочетена в скорошно интервю с Rainer Weiss и в мемоарите на John Preskill.

Дейността, свързана с проекта за интерферометрично откриване на гравитационни вълни, започна в края на 70-те години на миналия век и първоначално реалността на това начинание също беше под съмнение от мнозина. Въпреки това, след демонстриране на редица прототипи, настоящият проект LIGO беше написан и одобрен. Строена е през цялото последно десетилетие на 20 век.

Въпреки че САЩ дадоха първоначалния тласък на проекта, обсерваторията LIGO е наистина международен проект. 15 държави са инвестирали в него финансово и интелектуално, а над хиляда души са членове на колаборацията. Важна роля в реализацията на проекта изиграха съветски и руски физици. От самото начало вече споменатата група на Владимир Брагински от Московския държавен университет взе активно участие в реализацията на проекта LIGO, а по-късно към сътрудничеството се присъедини и Институтът по приложна физика от Нижни Новгород.

Обсерваторията LIGO стартира през 2002 г. и до 2010 г. беше домакин на шест научни сесии за наблюдение. Никакви изблици на гравитационни вълни не бяха надеждно открити и физиците успяха да установят само горни граници на честотата на такива събития. Това обаче не ги изненада твърде много: оценките показаха, че в онази част от Вселената, която детекторът „слуша“ по това време, вероятността от достатъчно мощен катаклизъм е малка: приблизително веднъж на няколко десетилетия.

финалната линия

От 2010 до 2015 г. сътрудничеството на LIGO и Virgo радикално модернизира оборудването (Virgo обаче все още е в процес на подготовка). И сега дългоочакваната цел беше в пряка видимост. LIGO - или по-скоро aLIGO ( Разширено LIGO) - вече беше готов да улови изблици, генерирани от неутронни звезди на разстояние от 60 мегапарсека, и черни дупки - стотици мегапарсека. Обемът на Вселената, отворен за слушане на гравитационни вълни, е нараснал десетократно в сравнение с предишни сесии.

Разбира се, невъзможно е да се предвиди кога и къде ще се случи следващият гравитационно-вълнов "взрив". Но чувствителността на актуализираните детектори позволи да се разчита на няколко сливания на неутронни звезди годишно, така че първият изблик можеше да се очаква още по време на първата четиримесечна сесия за наблюдение. Ако говорим за целия проект aLIGO, продължил няколко години, тогава присъдата беше изключително ясна: или изблици ще падат един след друг, или нещо в общата теория на относителността не работи по принцип. И двете ще бъдат големи открития.

От 18 септември 2015 г. до 12 януари 2016 г. се проведе първата сесия за наблюдение на aLIGO. През цялото това време в интернет циркулираха слухове за регистриране на гравитационни вълни, но сътрудничеството остана мълчаливо: „ние събираме и анализираме данни и все още не сме готови да докладваме резултатите“. Допълнителна интрига създаде фактът, че в процеса на анализ самите членове на колаборацията не могат да бъдат напълно сигурни, че виждат реален прилив на гравитационна вълна. Факт е, че в LIGO импулс, генериран на компютър, понякога се въвежда изкуствено в потока от реални данни. Нарича се "сляпо инжектиране", сляпо инжектиране и от цялата група само трима души (!) имат достъп до система, която го извършва в произволен момент. Екипът трябва да проследи този скок, да го анализира отговорно и едва на последните етапи от анализа „картите се отварят“ и членовете на сътрудничеството ще разберат дали това е било истинско събитие или тест за бдителност. Между другото, в един такъв случай през 2010 г. дори се стигна до написването на статия, но откритият тогава сигнал се оказа просто „напълване“.

Лирично отклонение

За да усетите отново тържествеността на момента, предлагам да погледнем тази история от другата страна, от науката. Когато една сложна, непосилна научна задача не се поддава на няколко години, това е нормален работен момент. Когато не се поддава повече от едно поколение, се възприема по съвсем друг начин.

Като ученик четеш научнопопулярни книги и научаваш за тази трудна за решаване, но страшно интересна научна загадка. Като студент учиш физика, правиш презентации и понякога, уместно или не, хората около теб ти напомнят за съществуването му. Тогава вие сами се занимавате с наука, работите в друга област на физиката, но редовно чувате за неуспешни опити за решаването й. Разбира се, разбирате, че някъде се работи активно за решаването му, но крайният резултат за вас като външен човек остава непроменен. Проблемът се възприема като статичен фон, като украса, като елемент от физиката, който е вечен и почти непроменен в мащаба на вашия научен живот. Като задача, която винаги е била и винаги ще бъде.

И тогава - решено е. И изведнъж, в рамките на няколко дни, усещате, че физическата картина на света се е променила и че сега трябва да се формулира с други термини и да се задават други въпроси.

За хората, които работят пряко върху търсенето на гравитационни вълни, тази задача, разбира се, не е останала непроменена. Те виждат целта, знаят какво трябва да се постигне. Разбира се, те се надяват, че природата също ще ги посрещне наполовина и ще хвърли мощен взрив в някоя близка галактика, но в същото време разбират, че дори природата да не е толкова благосклонна, тя вече не може да се скрие от учените. Въпросът е само кога точно ще успеят да постигнат техническите си цели. Разказ за това усещане от човек, който от няколко десетилетия търси гравитационни вълни, може да чуете във вече споменатия филм. „В очакване на вълни и частици“.

Отваряне

На фиг. 7 показва основния резултат: профила на сигнала, записан от двата детектора. Вижда се, че на фона на шума, първо, трептенето на желаната форма се появява слабо, а след това се увеличава по амплитуда и честота. Сравнението с резултатите от числените симулации направи възможно да се установи кои обекти наблюдавахме да се сливат: това бяха черни дупки с маси приблизително 36 и 29 слънчеви маси, които се сляха в една черна дупка с маса 62 слънчеви маси (грешката от всички тези числа, съответстващ на 90 процента доверителен интервал, е 4 слънчеви маси). Авторите отбелязват между другото, че получената черна дупка е най-тежката черна дупка със звездна маса, наблюдавана някога. Разликата между общата маса на двата оригинални обекта и крайната черна дупка е 3±0,5 слънчеви маси. Този дефект на гравитационната маса беше напълно трансформиран в енергията на излъчените гравитационни вълни за около 20 милисекунди. Изчисленията показаха, че пиковата мощност на гравитационната вълна достига 3,6·10 56 erg/s, или, по отношение на масата, приблизително 200 слънчеви маси в секунда.

Статистическата значимост на детектирания сигнал е 5.1σ. С други думи, ако приемем, че тези статистически флуктуации се припокриват и са произвели такъв скок чисто случайно, такова събитие ще трябва да изчака 200 хиляди години. Това ни позволява да заявим с увереност, че откритият сигнал не е флуктуация.

Закъснението между двата детектора беше приблизително 7 милисекунди. Това даде възможност да се оцени посоката на пристигането на сигнала (фиг. 9). Тъй като има само два детектора, локализацията се оказа много приблизителна: площта на небесната сфера, която е подходяща по отношение на параметрите, е 600 квадратни градуса.

Сътрудничеството на LIGO не се ограничи само до констатиране на факта за регистриране на гравитационни вълни, но също така извърши първия анализ на това какво значение има това наблюдение за астрофизиката. В статията Astrophysical implications of the binary black hole merger GW150914, публикувана същия ден в списанието The Astrophysical Journal Letters, авторите оцениха честотата, с която се случват такива сливания на черни дупки. Оказа се поне едно сливане в кубичен гигапарсек на година, което се сближава с прогнозите на най-оптимистичните модели в това отношение.

Какво представляват гравитационните вълни?

Откриването на нов феномен след десетилетия на търсене не е краят, а само началото на нов клон на физиката. Разбира се, регистрирането на гравитационните вълни от сливането на черно две е важно само по себе си. Това е пряко доказателство за съществуването на черни дупки и съществуването на двойни черни дупки и реалността на гравитационните вълни и, казано най-общо, доказателство за правилността на геометричния подход към гравитацията, на който се основава общата теория на относителността . Но за физиците е не по-малко ценно, че астрономията на гравитационните вълни се превръща в нов изследователски инструмент, който прави възможно изучаването на това, което преди е било недостъпно.

Първо, това е нов начин за разглеждане на Вселената и изучаване на космически катаклизми. За гравитационните вълни няма пречки, те преминават без проблем през всичко във Вселената. Те са самодостатъчни: техният профил носи информация за процеса, който ги е генерирал. И накрая, ако една грандиозна експлозия породи както оптичен, неутринен, така и гравитационен изблик, тогава можете да опитате да ги уловите всички, да ги сравните помежду си и да сортирате недостъпни преди подробности за случилото се там. Да можеш да уловиш и сравниш такива различни сигнали от едно събитие е основната цел на астрономията с всички сигнали.

Когато детекторите на гравитационни вълни станат още по-чувствителни, те ще могат да открият трептенето на пространство-времето не в самия момент на сливането, а няколко секунди преди него. Те автоматично ще изпратят предупредителния си сигнал до общата мрежа от наблюдателни станции, а астрофизичните сателитни телескопи, изчислили координатите на предложеното сливане, ще имат време да се обърнат в правилната посока за тези секунди и да започнат да снимат небето преди началото на оптичния взрив.

Второ, избликът на гравитационна вълна ще ви позволи да научите нови неща за неутронните звезди. Сливането на неутронни звезди всъщност е най-новият и екстремен експеримент с неутронни звезди, който природата може да направи за нас, а ние като зрители ще трябва само да наблюдаваме резултатите. Наблюдателните последици от такова сливане могат да бъдат различни (фиг. 10) и като съберем техните статистики, ще можем да разберем по-добре поведението на неутронните звезди в такива екзотични условия. Преглед на текущото състояние на нещата в тази насока може да се намери в скорошната публикация на S. Rosswog, 2015 г. Multi-messenger picture of compact binary mergers.

Трето, регистрирането на изблик, произлязъл от свръхнова, и сравнението му с оптични наблюдения най-накрая ще позволи да се подредят детайлите на това, което се случва вътре, в самото начало на колапса. Сега физиците все още имат трудности с численото симулиране на този процес.

Четвърто, физиците, занимаващи се с теорията на гравитацията, имат желана „лаборатория“ за изучаване на ефектите от силната гравитация. Досега всички ефекти на общата теория на относителността, които успяхме да наблюдаваме директно, бяха свързани с гравитацията в слаби полета. Какво се случва в условията на силна гравитация, когато изкривяванията на пространство-времето започват силно да взаимодействат сами по себе си, бихме могли да гадаем само по косвени прояви, чрез оптичното ехо на космическите катастрофи.

Пето, има нова възможност за тестване на екзотични теории за гравитацията. В съвременната физика вече има много такива теории, вижте например посветената на тях глава от популярната книга на А. Н. Петров „Гравитация“. Някои от тези теории приличат на конвенционалната обща теория на относителността в границите на слабите полета, но могат да се различават значително от нея, когато гравитацията стане много силна. Други допускат съществуването на нов тип поляризация за гравитационните вълни и прогнозират скорост, малко по-различна от скоростта на светлината. И накрая, има теории, които включват допълнителни пространствени измерения. Какво може да се каже за тях на базата на гравитационните вълни е открит въпрос, но е ясно, че от тук може да се извлече известна информация. Също така препоръчваме да прочетете мнението на самите астрофизици за това какво ще се промени с откриването на гравитационните вълни в селекцията на Postnauka.

Планове за бъдещето

Перспективите за астрономията на гравитационните вълни са най-окуражаващи. Само първата, най-кратка сесия за наблюдение на детектора aLIGO вече е приключила - и вече е уловен ясен сигнал за това кратко време. Би било по-точно да се каже това: първият сигнал беше уловен още преди официалното стартиране и сътрудничеството все още не е докладвало за всичките четири месеца работа. Кой знае, може би вече има няколко допълнителни изблици? Така или иначе, но по-нататък, с увеличаване на чувствителността на детекторите и разширяване на частта от Вселената, достъпна за гравитационно-вълнови наблюдения, броят на регистрираните събития ще расте лавинообразно.

Очакваният график на мрежовите сесии на LIGO-Virgo е показан на фиг. 11. Втората, шестмесечна, сесия ще започне в края на тази година, третата сесия ще отнеме почти цялата 2018 г. и на всеки етап чувствителността на детектора ще се увеличава. Около 2020 г. aLIGO трябва да достигне планираната си чувствителност, което ще позволи на детектора да изследва Вселената за сливания на неутронни звезди, които са на разстояние до 200 Mpc от нас. За още по-енергични събития на сливане на черни дупки чувствителността може да достигне почти гигапарсек. По един или друг начин обемът на Вселената, достъпен за наблюдение, ще се увеличи десетократно повече в сравнение с първата сесия.

В края на тази година в играта ще влезе и обновената италианска лаборатория Virgo. Има малко по-малка чувствителност от LIGO, но също е доста приличен. Благодарение на метода на триангулацията трио от детектори, разположени един от друг в пространството, ще позволи много по-добро възстановяване на позицията на източниците на небесната сфера. Ако сега с два детектора площта на локализация достига стотици квадратни градуси, то три детектора ще я намалят до десетки. Освен това в момента в Япония се изгражда подобна антена за гравитационни вълни KAGRA, която ще започне да функционира след две до три години, а в Индия около 2022 г. се планира пускането на детектора LIGO-India. В резултат на това цяла мрежа от детектори на гравитационни вълни ще работи и ще записва редовно сигнали след няколко години (фиг. 13).

И накрая, има планове за извеждане на инструменти за гравитационни вълни в космоса, по-специално проектът eLISA. Преди два месеца в орбита беше изведен първият пробен спътник, чиято задача ще бъде да тества технологии. Все още е далеч от реалното откриване на гравитационни вълни. Но тъй като това съзвездие от спътници започва да събира данни, то ще отвори още един прозорец към Вселената - чрез нискочестотни гравитационни вълни. Такъв изцяло вълнов подход към гравитационните вълни е основната цел на това поле в дългосрочен план.

Паралели

Откриването на гравитационните вълни беше вече третото последните годинислучаят, когато физиците най-накрая си пробиха път през всички препятствия и стигнаха до непознатите преди това тънкости на структурата на нашия свят. През 2012 г. беше открит Хигс бозонът – частица, предсказана преди почти половин век. През 2013 г. детекторът за неутрино IceCube доказа реалността на астрофизичните неутрино и започна да "гледа на Вселената" по напълно нов, недостъпен досега начин - чрез високоенергийни неутрино. И сега природата отново се поддаде на човека: отвори се „прозорец“ на гравитационните вълни за наблюдение на Вселената и в същото време ефектите от силната гравитация станаха достъпни за директно изследване.

Трябва да кажа, че никъде нямаше "безплатно" от природата. Търсенето се води много дълго, но не се поддаде, защото тогава, преди десетилетия, оборудването не постигна резултата нито по енергия, нито по мащаб, нито по чувствителност. Стабилното, целенасочено развитие на технологиите доведе до целта, развитие, което не беше спряно нито от технически трудности, нито от отрицателните резултати от миналите години.

И в трите случая самото откритие не беше краят, а напротив, началото на нова посока на изследване, превърна се в нов инструмент за изследване на нашия свят. Свойствата на Хигс бозона станаха измерими - и в тези данни физиците се опитват да различат ефектите нова физика. Благодарение на повишената статистика на високоенергийните неутрино, астрофизиката на неутриното прави първите си стъпки. Сега поне същото се очаква от астрономията на гравитационните вълни и има всички основания за оптимизъм.

източници:
1) LIGO Scientific Col. и Virgo Coll. Наблюдение на гравитационни вълни от двоично сливане на черна дупка // Phys. Rev. Lett.Публикувано на 11 февруари 2016 г.
2) Документи за откриване - списък с технически документи, придружаващи основния документ за откритие.
3) Е. Берти. Гледна точка: Първите звуци от сливането на черни дупки // Физика. 2016. Т. 9. N. 17.

Преглед на материали:
1) Дейвид Блеър и др. Астрономия на гравитационните вълни: текущото състояние // arXiv:1602.02872.
2) Бенджамин П. Абът и LIGO Scientific Collaboration и Virgo Collaboration. Перспективи за наблюдение и локализиране на преходни процеси на гравитационни вълни с Advanced LIGO и Advanced Virgo // Жив преп. Относителност. 2016. Т. 19. N. 1.
3) О. Д. Агиар. Миналото, настоящето и бъдещето на резонансно-масовите детектори за гравитационни вълни // Рез. Астрон. Астрофиз. 2011. Т. 11. N. 1.
4) Търсенето на гравитационни вълни - селекция от материали на уебсайта на списанието Наукав търсене на гравитационни вълни.
5) Матю Питкин, Стюарт Рийд, Шийла Роуан, Джим Хаф. Откриване на гравитационни вълни чрез интерферометрия (земя и космос) // arXiv:1102.3355.
6) В. Б. Брагински. Гравитационно-вълнова астрономия: нови методи за измерване // UFN. 2000, том 170, стр. 743–752.
7) Питър Р. Солсън.

11 февруари 2016 г

Буквално преди броени часове дойде новината, която беше дългоочаквана в научните среди. Група учени от няколко страни, работещи в рамките на международния проект LIGO Scientific Collaboration, казват, че с помощта на няколко обсерватории-детектори са успели да фиксират гравитационни вълни в лабораторията.

Те анализират данни от две лазерни интерферометрични гравитационно-вълнови обсерватории (LIGO), разположени в Луизиана и Вашингтон в Съединените щати.

Както беше посочено на пресконференцията на проекта LIGO, гравитационните вълни бяха регистрирани на 14 септември 2015 г. първо в една обсерватория, а след това след 7 милисекунди в друга.

Въз основа на анализа на получените данни, извършен от учени от много страни, включително от Русия, беше установено, че гравитационната вълна е причинена от сблъсъка на две черни дупки с маса 29 и 36 пъти масата на слънцето. След това те се сляха в една голяма черна дупка.

Това се е случило преди 1,3 милиарда години. Сигналът е дошъл на Земята от съзвездието Магеланов облак.

Сергей Попов (астрофизик от Държавния астрономически институт „Щернберг“ към Московския държавен университет) обясни какво представляват гравитационните вълни и защо е толкова важно да се измерват.

Съвременните теории за гравитацията са геометрични теории за гравитацията, повече или по-малко всичко от теорията на относителността. Геометричните свойства на пространството влияят върху движението на тела или обекти като светлинен лъч. И обратното - разпределението на енергията (това е същото като масата в пространството) влияе геометрични свойствапространство. Това е много готино, защото е лесно да се визуализира - цялата тази еластична равнина, облицована в клетка, има определено физическо значение, въпреки че, разбира се, не всичко е толкова буквално.

Физиците използват думата "метрика". Метриката е това, което описва геометричните свойства на пространството. И тук имаме тела, движещи се с ускорение. Най-простото е, че краставицата се върти. Важно е например да не е топка и да не е сплескан диск. Лесно е да си представим, че когато такава краставица се върти на еластична равнина, от нея ще текат вълнички. Представете си, че стоите някъде и краставицата или ще обърне единия край към вас, или другия. Влияе на пространството и времето по различни начини, тече гравитационна вълна.

И така, гравитационната вълна е вълна, протичаща по метриката на пространство-времето.

Мъниста в космоса

Това е основно свойство на нашето основно разбиране за това как работи гравитацията и хората искат да го тестват от сто години. Те искат да са сигурни, че ефектът е налице и че е видим в лабораторията. В природата това се наблюдава още преди около три десетилетия. Как трябва да се проявяват гравитационните вълни в ежедневието?

Най-лесният начин да илюстрирате това е следният: ако хвърлите мъниста в пространството, така че да лежат в кръг и когато гравитационната вълна премине перпендикулярно на тяхната равнина, те ще започнат да се превръщат в елипса, компресирана по един или друг начин. Факт е, че пространството около тях ще бъде разстроено и те ще го почувстват.

"G" на Земята

Хората правят нещо подобно, само че не в космоса, а на Земята.

На разстояние четири километра едно от друго огледала висят под формата на буквата "g" (означава американските обсерватории LIGO).

Лазерните лъчи се движат - това е интерферометър, добре разбрано нещо. Съвременни технологиипозволяват измерването на фантастично малък ефект. Все още не вярвам, вярвам, но просто не се вписва в главата ми - изместването на огледала, висящи на разстояние четири километра едно от друго, е по-малко от размера на атомно ядро. Това е малко дори в сравнение с дължината на вълната на този лазер. Това беше уловката: гравитацията е най-слабата сила и следователно преместванията са много малки.

Отне много време, хората се опитваха да направят това от 70-те години на миналия век, те прекараха живота си в търсене на гравитационни вълни. И сега само техническите възможности позволяват да се получи регистрация на гравитационна вълна в лабораторни условия, тоест ето, дойде и огледалата се изместиха.

Посока

До една година, ако всичко е наред, в света ще има три детектора. Три детектора са много важни, защото тези неща са много лоши при определяне на посоката на сигнала. Приблизително по същия начин, както чуваме лошо посоката на източника. „Звук от някъде вдясно“ - тези детектори усещат нещо подобно. Но ако трима души стоят на разстояние един от друг и единият чува звука отдясно, другият отляво, а третият отзад, тогава можем много точно да определим посоката на звука. Колкото повече детектори има, колкото повече са разпръснати по земното кълбо, толкова по-точно можем да определим посоката към източника и тогава ще започне астрономията.

В крайна сметка крайната задача е не само да се потвърди общата теория на относителността, но и да се получат нови астрономически знания. Представете си, че има черна дупка с тегло десет пъти масата на Слънцето. И се сблъсква с друга черна дупка, тежаща десет слънчеви маси. Сблъсъкът става със скоростта на светлината. Пробивна енергия. Това е вярно. Има го фантастично количество. И не… Това са просто вълни от пространство и време. Бих казал, че откриването на сливането на две черни дупки ще бъде най-надеждното потвърждение за дълго време, че черните дупки са черните дупки, за които мислим.

Нека да разгледаме проблемите и явленията, които може да разкрие.

Наистина ли съществуват черни дупки?

Сигналът, очакван от съобщението на LIGO, може да е бил произведен от две сливащи се черни дупки. Такива събития са най-енергичните известни; силата на гравитационните вълни, излъчвани от тях, може за кратко да засенчи общо всички звезди на наблюдаваната вселена. Сливането на черни дупки също е доста лесно за тълкуване от гледна точка на много чисти гравитационни вълни.

Сливането на черни дупки възниква, когато две черни дупки се въртят спираловидно една около друга, излъчвайки енергия под формата на гравитационни вълни. Тези вълни имат характерен звук (цвърчене), който може да се използва за измерване на масата на тези два обекта. След това черните дупки обикновено се сливат.

„Представете си два сапунени мехура, които се приближават толкова близо, че образуват един балон. По-голям балон се деформира“, казва Тибалт Дамур, теоретик на гравитацията в Института за напреднали изследвания. научно изследванеблизо до Париж. Крайната черна дупка ще бъде перфектна сферична форма, но първо трябва да излъчва гравитационни вълни от предвидим тип.

Едно от най-важните научни последствия от откриването на сливането на черни дупки ще бъде потвърждаването на съществуването на черни дупки - най-малкото идеално кръгли обекти, състоящи се от чисто, празно, извито пространство-време, както е предвидено от общата теория на относителността. Друго следствие е, че сливането протича според прогнозите на учените. Астрономите разполагат с много косвени доказателства за това явление, но досега това са наблюдения на звезди и прегрят газ, обикалящ около черни дупки, а не самите черни дупки.

„Научната общност, включително и аз, не харесва черните дупки. Ние ги приемаме за даденост, казва Франс Преториус, специалист по симулация на обща теория на относителността в Принстънския университет в Ню Джърси. „Но когато си помислите какво невероятно предсказание е това, имаме нужда от наистина невероятно доказателство.“

Дали гравитационните вълни се движат със скоростта на светлината?

Когато учените започнат да сравняват наблюденията на LIGO с тези на други телескопи, първото нещо, което проверяват, е дали сигналът е пристигнал по едно и също време. Физиците смятат, че гравитацията се предава от частици, наречени гравитони, гравитационният аналог на фотоните. Ако, подобно на фотоните, тези частици нямат маса, тогава гравитационните вълни ще се движат със скоростта на светлината, съответстваща на прогнозата за скоростта на гравитационните вълни в класическата теория на относителността. (Тяхната скорост може да бъде повлияна от ускоряващото се разширяване на Вселената, но това трябва да се появи на разстояния, далеч над тези, обхванати от LIGO.)

Напълно възможно е обаче гравитоните да имат малка маса, което означава, че гравитационните вълни ще се движат със скорост, по-малка от светлината. Така например, ако LIGO и Virgo открият гравитационни вълни и открият, че вълните са пристигнали на Земята по-късно от гама лъчите, свързани с космическото събитие, това може да има променящи живота последици за фундаменталната физика.

Дали пространство-времето се състои от космически струни?

Още по-странно откритие може да се случи, ако бъдат открити изблици на гравитационни вълни, идващи от „космически струни“. Тези хипотетични дефекти в кривината на пространство-времето, които могат или не могат да бъдат свързани със струнните теории, трябва да са безкрайно тънки, но разтегнати на космически разстояния. Учените прогнозират, че космическите струни, ако съществуват, могат случайно да се пречупят; ако струната се пречупи, това ще предизвика гравитационен прилив, който детектори като LIGO или Virgo могат да измерят.

Могат ли неутронните звезди да бъдат назъбени?

Неутронните звезди са останките от големи звезди, които се сринаха под собствената си тежест и станаха толкова плътни, че електроните и протоните започнаха да се сливат в неутрони. Учените имат малко разбиране за физиката на неутронните дупки, но гравитационните вълни могат да разкажат много за тях. Например интензивната гравитация на тяхната повърхност кара неутронните звезди да станат почти съвършено сферични. Но някои учени предполагат, че те може да имат и "планини" - високи няколко милиметра - които правят тези плътни обекти с диаметър 10 километра, не повече, леко асиметрични. Неутронните звезди обикновено се въртят много бързо, така че асиметричното разпределение на масата ще изкриви пространство-времето и ще произведе постоянен гравитационен вълнов сигнал под формата на синусоида, забавяйки въртенето на звездата и излъчването на енергия.

Двойки неутронни звезди, които обикалят една около друга, също произвеждат постоянен сигнал. Подобно на черни дупки, тези звезди се спират и в крайна сметка се сливат с характерен звук. Но неговата специфика се различава от спецификата на звука на черните дупки.

Защо звездите експлодират?

Черните дупки и неутронните звезди се образуват, когато масивните звезди спрат да светят и се срутят в себе си. Астрофизиците смятат, че този процес е в основата на всички често срещани типове експлозии на свръхнова тип II. Симулациите на такива свръхнови все още не са показали защо се запалват, но се смята, че слушането на изблиците на гравитационни вълни, излъчвани от истинска супернова, дава отговора. В зависимост от това как изглеждат избухващите вълни, колко са силни, колко често се появяват и как корелират със свръхновите, наблюдавани от електромагнитни телескопи, тези данни могат да помогнат да се изключат куп съществуващи модели.

Колко бързо се разширява Вселената?

Разширяването на Вселената означава, че далечните обекти, които се отдалечават от нашата галактика, изглеждат по-червени, отколкото са в действителност, тъй като светлината, която излъчват, се разтяга, докато се движат. Космолозите оценяват скоростта на разширяване на Вселената, като сравняват червеното отместване на галактиките с това колко далеч са те от нас. Но това разстояние обикновено се оценява от яркостта на свръхновите тип Ia и тази техника оставя много несигурности.

Ако няколко детектора на гравитационни вълни по целия свят открият сигнали от едно и също сливане на неутронни звезди, заедно те могат да оценят точно силата на сигнала, а с него и разстоянието, на което е станало сливането. Те също така ще могат да оценят посоката и с това да идентифицират галактиката, в която се е случило събитието. Чрез сравняване на червеното отместване на тази галактика с разстоянието до сливащите се звезди може да се получи независима скорост на космическо разширение, може би по-точна, отколкото позволяват съвременните методи.

източници

http://www.bbc.com/russian/science/2016/02/160211_gravitational_waves

http://cont.ws/post/199519

Тук някак си разбрахме, но какво е и. Вижте как изглежда Оригиналната статия е на уебсайта InfoGlaz.rfЛинк към статията, от която е направено това копие -

Свободната повърхност на течност в равновесие в гравитационно поле е плоска. Ако под въздействието на някакво външно въздействие повърхността на течността на някое място се извади от нейното равновесно положение, тогава в течността възниква движение. Това движение ще се разпространи по цялата повърхност на течността под формата на вълни, наречени гравитационни вълни, тъй като се дължат на действието на гравитационното поле. Гравитационните вълни възникват главно на повърхността на течността, като улавят вътрешните й слоеве толкова по-малко, колкото по-дълбоко са разположени тези слоеве.

Тук ще разгледаме такива гравитационни вълни, при които скоростта на движещите се флуидни частици е толкова малка, че членът в уравнението на Ойлер може да бъде пренебрегнат в сравнение с Лесно е да разберете какво означава това условие физически. За времеви интервал от порядъка на периода на трептения, извършени от частиците на течността във вълната, тези частици изминават разстояние от порядъка на амплитудата a на вълната, следователно скоростта на тяхното движение е от порядъка на скоростта v забележимо се променя за интервали от време от порядъка и за разстояния от порядъка по посока на разпространение на вълната (- вълни с дължина). Следователно производната на скоростта по отношение на времето е от порядъка, а по отношение на координатите е от порядъка. По този начин условието е еквивалентно на изискването

т.е. амплитудата на трептенията във вълната трябва да е малка в сравнение с дължината на вълната. В § 9 видяхме, че ако членът може да бъде пренебрегнат в уравнението на движението, тогава движението на течността е потенциално. Ако приемем, че течността е несвиваема, можем да използваме уравнения (10.6) и (10.7). В уравнение (10.7) вече можем да пренебрегнем члена, съдържащ квадрата на скоростта; поставяйки и въвеждайки термина в гравитационното поле, получаваме:

(12,2)

Избираме оста, както обикновено, вертикално нагоре, а като равнина x, y избираме равновесната плоска повърхност на течността.

Ще обозначаваме - координатата на точките от повърхността на течността с ; е функция на координатите x, y и времето t. В равновесие има вертикално изместване на повърхността на течността, докато тя осцилира.

Нека постоянно налягане действа върху повърхността на течността Тогава имаме върху повърхността съгласно (12.2)

Константата може да бъде елиминирана чрез предефиниране на потенциала (като към него се добави величина, независима от координатите. Тогава условието на повърхността на течността приема формата

Малката амплитуда на трептенията във вълната означава, че изместването е малко. Следователно можем да приемем, в същото приближение, че вертикалният компонент на скоростта на движение на точките на повърхността съвпада с производната на времето на преместването Ho, така че имаме:

Поради малката осцилация, при това условие, вместо това можем да вземем стойностите на производните при , Така накрая получаваме следната система от уравнения, които определят движението в гравитационна вълна:

Ще разгледаме вълните на повърхността на течност, като приемем, че тази повърхност е неограничена. Ще приемем също, че дължината на вълната е малка в сравнение с дълбочината на течността; тогава човек може да разглежда течността като безкрайно дълбока. Следователно ние не пишем гранични условия на страничните граници и на дъното на течността.

Помислете за гравитационна вълна, разпространяваща се по оста и равномерна по оста; в такава вълна всички количества не зависят от координатата y. Ще търсим решение, което е проста периодична функция на времето и координатата x:

където ( е цикличната честота (ще говорим за нея просто като честота), k е вълновият вектор на вълната, е дължината на вълната. Замествайки този израз в уравнението, получаваме уравнението за функцията

Разтворът му се разлага в дълбочината на течността (т.е. при ):

Трябва също така да изпълним граничното условие (12.5), замествайки (12.5) в него, намираме връзката между вълновия вектор на честотата b (или, както се казва, закона за дисперсия на вълните):

Разпределението на скоростите в течността се получава чрез диференциране на потенциала по отношение на координатите:

Виждаме, че скоростта намалява експоненциално в посока дълбоко в течността. Във всяка дадена точка в пространството (т.е. за дадени x, z) векторът на скоростта се върти равномерно в равнината x, оставайки постоянен по големина.

Нека определим и траекторията на флуидните частици във вълната. Нека временно означим с x, z координатите на движеща се течна частица (а не координатите на неподвижна точка в пространството), а със средства - стойността на x, за равновесното положение на частицата. Тогава a от дясната страна на (12.8) може да се запише приблизително вместо , като се използва малката стойност на трептенията. Тогава интегрирането във времето дава:

По този начин частиците на течността описват кръгове около точки с радиус, експоненциално намаляващ в посока дълбоко в течността.

Скоростта на разпространение на вълната U е равна, както ще бъде показано в § 67. Замествайки тук, намираме, че скоростта на разпространение на гравитационните вълни върху неограничена повърхност на безкрайно дълбока течност е равна на

Тя се увеличава с увеличаване на дължината на вълната.

Дълги гравитационни вълни

След като разгледахме гравитационни вълни, чиято дължина е малка в сравнение с дълбочината на течността, сега се спираме на обратния граничен случай на вълни, чиято дължина е голяма в сравнение с дълбочината на течността.

Такива вълни се наричат ​​дълги вълни.

Помислете първо за разпространението на дълги вълни в канал. Дължината на канала (насочена по оста x) ще се счита за неограничена.Напречното сечение на канала може да има произволна форма и може да варира по дължината му. Площта на напречното сечение на течността в канала ще бъде означена с Дълбочината и ширината на канала се приемат за малки в сравнение с дължината на вълната.

Тук ще разгледаме надлъжни дълги вълни, при които течността се движи по канала. При такива вълни компонентът на скоростта по дължината на канала е голям в сравнение с компонентите

Означавайки просто v и пропускайки малките членове, можем да запишем -компонентата на уравнението на Ойлер като

и -компонент - във формата

(пропускаме термините с квадратична скорост, тъй като амплитудата на вълната все още се счита за малка). От второто уравнение имаме, забелязвайки, че на свободната повърхност ) трябва да има

Замествайки този израз в първото уравнение, получаваме:

Второто уравнение за определяне на две неизвестни може да бъде получено по метод, подобен на извеждането на уравнението за непрекъснатост. Това уравнение по същество е уравнение за непрекъснатост, приложено към разглеждания случай. Нека разгледаме обема на течността, затворена между две равнини на напречното сечение на канала, които са на разстояние една от друга. За единица време обем течност ще влезе през едната равнина, равен на и обем ще излезе през другата равнина. Следователно обемът на течността между двете равнини ще се промени с