Гравитационни вълни. Айнщайн беше прав: гравитационните вълни съществуват. Гравитационни вълни, излъчвани от система от две тела

    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 вълнии да открием 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 практическа употребатова явление е различно от изучаването на 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.

    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, няма да можем да изпратим астронавти за ремонт, . За да тествате необходимите технологии, . 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.

Първото директно откриване на гравитационни вълни беше разкрито на света на 11 февруари 2016 г. и генерира заглавия по целия свят. За това откритие през 2017 г. физиците получиха Нобелова награда и официално поставиха началото на нова ера в гравитационната астрономия. Но екип от физици от института Нилс Бор в Копенхаген, Дания, хвърли съмнение върху констатацията въз основа на собствен независим анализ на данните от последните две години и половина.

Едни от най-мистериозните обекти в света, черните дупки, редовно привличат вниманието. Знаем, че те се сблъскват, сливат, променят яркостта си и дори се изпаряват. И все пак на теория черните дупки могат да свързват вселените една с друга с помощта на. Всички наши знания и предположения за тези масивни обекти обаче може да се окажат неточни. Наскоро в научна общностимаше слухове, че учените са получили сигнал, излъчван от черна дупка, чийто размер и маса са толкова огромни, че съществуването му е физически невъзможно.

Първото директно откриване на гравитационни вълни беше разкрито на света на 11 февруари 2016 г. и генерира заглавия по целия свят. За това откритие през 2017 г. физиците получиха Нобелова награда и официално поставиха началото на нова ера в гравитационната астрономия. Но екип от физици от института Нилс Бор в Копенхаген хвърли съмнение върху констатацията въз основа на техния собствен независим анализ на данните от последните две години и половина.

Астрофизиците потвърдиха съществуването на гравитационни вълни, чието съществуване е предсказано от Алберт Айнщайн преди около 100 години. Те са записани с помощта на детектори на обсерваторията за гравитационни вълни LIGO, която се намира в САЩ.

За първи път в историята човечеството регистрира гравитационни вълни - колебания в пространство-времето, дошли на Земята от сблъсъка на две черни дупки, възникнали далеч във Вселената. За това откритие допринасят и руски учени. В четвъртък изследователите говорят за откритието си по целия свят - във Вашингтон, Лондон, Париж, Берлин и други градове, включително Москва.

Снимката показва имитация на сблъсък на черни дупки

На пресконференция в офиса на Rambler & Co Валерий Митрофанов, ръководител на руската част от сътрудничеството LIGO, обяви откриването на гравитационни вълни:

„За нас е чест да участваме в този проект и да ви представим резултатите. Сега ще ви кажа значението на откритието на руски. Виждали сме красиви снимки на детектори LIGO в САЩ. Разстоянието между тях е 3000 км. Под въздействието на гравитационна вълна един от детекторите се измести, след което ги открихме. Първоначално видяхме само шум на компютъра, а след това започна натрупването на масата на детекторите на Хамфорд. След като изчислихме получените данни, успяхме да определим, че черните дупки са се сблъскали на разстояние 1,3 милиарда. светлинни години от тук. Сигналът беше много ясен, той се измъкна от шума много ясно. Мнозина ни казаха, че сме късметлии, но природата ни е дала такъв подарък. Открити са гравитационни вълни – това е сигурно“.

Астрофизиците потвърдиха слуховете, че с помощта на детекторите на обсерваторията за гравитационни вълни LIGO те са успели да открият гравитационни вълни. Това откритие ще позволи на човечеството да постигне значителен напредък в разбирането как работи Вселената.

Откриването е станало на 14 септември 2015 г., едновременно от два детектора във Вашингтон и Луизиана. Сигналът пристигна в детекторите в резултат на сблъсъка на две черни дупки. Толкова много време отне на учените, за да се уверят, че именно гравитационните вълни са продукт на сблъсъка.

Сблъсъкът на дупки е станал със скорост около половината от скоростта на светлината, което е приблизително 150 792 458 m/s.

„Нютоновата гравитация е описана в плоското пространство и Айнщайн я превежда в равнината на времето и предполага, че тя го огъва. Гравитационното взаимодействие е много слабо. На Земята опитът за създаване на гравитационни вълни е невъзможен. Те успяха да ги открият едва след сливането на черни дупки. Детекторът се е изместил, представете си, с 10 до -19 метра. Не го докосвайте с ръце. Само с помощта на много прецизни инструменти. Как да го направим? Лазерният лъч, с който е засечено изместването, е уникален по своята същност. Лазерната гравитационна антена LIGO от второ поколение влезе в експлоатация през 2015 г. Чувствителността позволява да се регистрират гравитационни смущения около веднъж месечно. Това е напредналата световна и американска наука, няма нищо по-точно в света. Надяваме се, че ще успее да преодолее стандартната квантова граница на чувствителност “, обясни откритието. Сергей Вятчанин, служител на Физическия факултет на Московския държавен университет и сътрудничеството LIGO.

Стандартната квантова граница (SQL) в квантовата механика е ограничение, наложено върху точността на непрекъснато или многократно повтарящо се измерване на количество, описано от оператор, който не комутира сам със себе си в различно време. Предсказано през 1967 г. от V. B. Braginsky, а терминът Standard Quantum Limit (SQL) е предложен по-късно от Thorne. SQL е тясно свързана с релацията на неопределеността на Хайзенберг.

Обобщавайки, Валери Митрофанов говори за плановете за по-нататъшни изследвания:

„Това откритие е началото на нова астрономия на гравитационните вълни. Чрез канала на гравитационните вълни очакваме да научим повече за Вселената. Знаем състава само на 5% от материята, останалото е мистерия. Гравитационните детектори ще ви позволят да видите небето в "гравитационни вълни". В бъдеще се надяваме да видим началото на всичко, тоест космическия микровълнов фон на Големия взрив и да разберем какво точно се е случило тогава.“

За първи път гравитационните вълни са предложени от Алберт Айнщайн през 1916 г., тоест преди почти точно 100 години. Уравнението за вълните е следствие от уравненията на теорията на относителността и не се извежда по най-простия начин.

Канадският теоретичен физик Клифърд Бърджис по-рано публикува писмо, в което се казва, че обсерваторията е открила гравитационно излъчване, причинено от сливането на двоична система от черни дупки с маси от 36 и 29 слънчеви маси в обект с маса от 62 слънчеви маси. Сблъсъкът и асиметричният гравитационен колапс продължават части от секундата и през това време до 50 процента от масата на системата преминава в гравитационно излъчване - вълните на пространство-времето.

Гравитационната вълна е гравитационна вълна, генерирана в повечето теории за гравитацията от движението на гравитиращи тела с променливо ускорение. С оглед на относителната слабост на гравитационните сили (в сравнение с други), тези вълни трябва да имат много малка величина, която трудно се регистрира. Съществуването им е предсказано преди около век от Алберт Айнщайн.

В четвъртък, 11 февруари, група учени от международния проект LIGO Scientific Collaboration обявиха, че са успели, чието съществуване е предсказано от Алберт Айнщайн още през 1916 г. Според изследователите на 14 септември 2015 г. те са регистрирали гравитационна вълна, която е била причинена от сблъсъка на две черни дупки с маса 29 и 36 пъти масата на Слънцето, след което те са се слели в една голяма черна дупка . Според тях това се е случило предполагаемо преди 1,3 милиарда години на разстояние 410 мегапарсека от нашата галактика.

LIGA.net разказа подробно за гравитационните вълни и мащабно откритие Богдан Хнатик, украински учен, астрофизик, доктор на физико-математическите науки, водещ изследовател на Киевската астрономическа обсерватория национален университетна името на Тарас Шевченко, който ръководи обсерваторията от 2001 до 2004 г.

Теория на разбираем език

Физиката изучава взаимодействието между телата. Установено е, че има четири вида взаимодействие между телата: електромагнитно, силно и слабо ядрено взаимодействие и гравитационно взаимодействие, което всички усещаме. Поради гравитационното взаимодействие планетите се въртят около Слънцето, телата имат тежест и падат на земята. Човешките същества постоянно се сблъскват с гравитационно взаимодействие.

През 1916 г., преди 100 години, Алберт Айнщайн изгради теория на гравитацията, която подобри теорията на гравитацията на Нютон, направи я математически правилна: тя започна да отговаря на всички изисквания на физиката, започна да взема предвид факта, че гравитацията се разпространява при много висока , но ограничена скорост. Това с право е едно от най-амбициозните постижения на Айнщайн, тъй като той изгражда теория за гравитацията, която съответства на всички феномени на физиката, които наблюдаваме днес.

Тази теория също предполага съществуването гравитационни вълни. Основата на това предсказание беше, че гравитационните вълни съществуват в резултат на гравитационното взаимодействие, което възниква поради сливането на две масивни тела.

Какво е гравитационна вълна

На сложен език това е възбуждането на пространствено-времевата метрика. „Да кажем, че пространството има определена еластичност и вълните могат да преминават през него. Това е като когато хвърлим камъче във водата и вълните се разпръскват от него“, каза докторът на физико-математическите науки за LIGA.net.

Учените успяха експериментално да докажат, че такава флуктуация се е случила във Вселената и гравитационна вълна се разпространява във всички посоки. „За първи път феноменът на такава катастрофална еволюция на бинарна система беше записан чрез астрофизичен метод, когато два обекта се сливат в едно и това сливане води до много интензивно освобождаване на гравитационна енергия, която след това се разпространява в пространството в под формата на гравитационни вълни“, обясни ученият.


Как изглежда (снимка - EPA)

Тези гравитационни вълни са много слаби и за да разтърсят пространство-времето е необходимо взаимодействието на много големи и масивни тела, така че напрежението гравитационно полебеше голям на мястото на генериране. Но въпреки тяхната слабост, наблюдателят след определено време (равно на разстоянието до взаимодействието, разделено на скоростта на сигнала) ще регистрира тази гравитационна вълна.

Да дадем пример: ако Земята падне върху Слънцето, тогава ще възникне гравитационно взаимодействие: ще се освободи гравитационна енергия, ще се образува гравитационна сферично-симетрична вълна и наблюдателят ще може да я регистрира. „Тук се случи подобно, но уникално от гледна точка на астрофизиката явление: две масивни тела – две черни дупки – се сблъскаха“, отбеляза Гнатик.

Обратно към теорията

Черната дупка е друго предсказание на общата теория на относителността на Айнщайн, което предвижда, че тяло, което има огромна маса, но тази маса е концентрирана в малък обем, може значително да изкриви пространството около себе си, чак до затварянето му. Тоест, предполагаше се, че когато се достигне критична концентрация на масата на това тяло - такава, че размерът на тялото ще бъде по-малък от така наречения гравитационен радиус, тогава пространството ще се затвори около това тяло и неговата топология ще да бъде такъв, че никакъв сигнал от него няма да се разпространи извън затвореното пространство не може.

„Тоест черна дупка, с прости думи, е масивен обект, който е толкова тежък, че затваря пространство-времето около себе си“, казва ученият.

И ние, според него, можем да изпращаме всякакви сигнали към този обект, но той не може да ни изпраща. Тоест никакви сигнали не могат да преминат извън черната дупка.

Черната дупка живее според обичайните физични закони, но в резултат на силната гравитация нито едно материално тяло, дори фотон, не може да излезе извън тази критична повърхност. Черните дупки се образуват по време на еволюцията на обикновените звезди, когато централното ядро ​​се разпада и част от материята на звездата, колабирайки, се превръща в черна дупка, а другата част от звездата се изхвърля под формата на обвивка на свръхнова, превръщайки се в така наречената "светкавица" на свръхнова.

Как видяхме гравитационната вълна

Да вземем пример. Когато имаме две плувки на повърхността на водата и водата е спокойна, разстоянието между тях е постоянно. Когато дойде вълна, тя измества тези поплавъци и разстоянието между поплавъците ще се промени. Вълната е преминала - и поплавъците се връщат в предишните си позиции и разстоянието между тях се възстановява.

Гравитационната вълна се разпространява по подобен начин в пространство-времето: тя компресира и разтяга телата и обектите, които се срещат по пътя си. "Когато определен обект се срещне по пътя на вълна, той се деформира по своите оси и след преминаването си се връща в предишната си форма. Под въздействието на гравитационната вълна всички тела се деформират, но тези деформации са много незначителен“, казва Hnatyk.

При преминаването на вълната, което беше регистрирано от учените, относителният размер на телата в космоса се промени със стойност от порядъка на 1 по 10 на минус 21-ва степен. Например, ако вземете метър линийка, тогава тя се свива с такава стойност, че това е нейният размер, умножен по 10 на минус 21-ва степен. Това е много малка сума. И проблемът беше, че учените трябваше да се научат как да измерват това разстояние. Конвенционалните методи дадоха точност от порядъка на 1 до 10 на 9-та степен на милион, но тук е необходима много по-висока точност. За целта са създадени така наречените гравитационни антени (детектори на гравитационни вълни).


Обсерватория LIGO (снимка - EPA)

Антената, записваща гравитационните вълни, е конструирана по следния начин: има две тръби с дължина около 4 километра, подредени под формата на буквата "L", но с еднакви рамена и под прав ъгъл. Когато върху системата падне гравитационна вълна, тя деформира крилете на антената, но в зависимост от ориентацията едното деформира повече, а другото по-малко. И тогава има разлика в пътя, моделът на смущение на сигнала се променя - има обща положителна или отрицателна амплитуда.

„Тоест преминаването на гравитационна вълна е подобно на вълна върху вода, преминаваща между два поплавъка: ако измерим разстоянието между тях по време и след преминаването на вълната, ще видим, че разстоянието ще се промени и след това ще стане пак същото — каза той.

Той също така измерва относителната промяна в разстоянието на двете крила на интерферометъра, всяко от които е дълго около 4 километра. И само много прецизни технологии и системи могат да измерят такова микроскопично изместване на крилата, причинено от гравитационна вълна.

На ръба на вселената: откъде идва вълната

Учените записаха сигнала с помощта на два детектора, които в Съединените щати се намират в два щата: Луизиана и Вашингтон на разстояние около 3 хиляди километра. Учените успяха да преценят откъде и от какво разстояние идва този сигнал. Оценките показват, че сигналът е дошъл от разстояние, което е 410 мегапарсека. Мегапарсек е разстоянието, което светлината изминава за три милиона години.

За по-лесно да си представим: най-близката до нас активна галактика със свръхмасивна черна дупка в центъра е Кентавър А, която е на четири мегапарсека от нашата, докато мъглявината Андромеда е на разстояние от 0,7 мегапарсека. "Тоест разстоянието, от което е дошъл сигналът на гравитационната вълна, е толкова голямо, че сигналът е отишъл до Земята за около 1,3 милиарда години. Това са космологични разстояния, които достигат около 10% от хоризонта на нашата Вселена", каза ученият.

На това разстояние в някаква далечна галактика се сляха две черни дупки. Тези дупки, от една страна, бяха относително малки по размер, а от друга страна, голямата амплитуда на сигнала показва, че са били много тежки. Установено е, че техните маси са съответно 36 и 29 слънчеви маси. Масата на Слънцето, както знаете, е стойност, равна на 2 по 10 на 30-та степен на килограм. След сливането тези две тела се сляха и сега на тяхно място се образува една черна дупка, която има маса, равна на 62 слънчеви маси. В същото време приблизително три маси на Слънцето се изпръскаха под формата на енергия от гравитационни вълни.

Кой и кога е направил откритието

Учените от международния проект LIGO успяха да засекат гравитационна вълна на 14 септември 2015 г. ЛИГО (Лазерна интерферометрична гравитационна обсерватория)е международен проект, в който участват редица държави с определен финансов и научен принос, по-специално САЩ, Италия, Япония, които са напреднали в областта на тези изследвания.


Професорите Райнер Вайс и Кип Торн (снимка – EPA)

Записана е следната картина: има изместване на крилете на гравитационния детектор, в резултат на реалното преминаване на гравитационна вълна през нашата планета и през тази инсталация. Тогава това не беше съобщено, защото сигналът трябваше да се обработи, да се "почисти", да се намери амплитудата му и да се провери. Това е стандартна процедура: от истинско откритие до обявяване на откритие са необходими няколко месеца, за да се издаде валиден иск. "Никой не иска да разваля репутацията им. Всичко това са секретни данни, преди публикуването на които - никой не знаеше за тях, имаше само слухове", каза Hnatyk.

История

Гравитационните вълни се изучават от 70-те години на миналия век. През това време бяха създадени редица детектори и редица фундаментални изследвания. През 80-те години американският учен Джоузеф Вебер построи първата гравитационна антена под формата на алуминиев цилиндър с размери от порядъка на няколко метра, оборудван с пиезо сензори, които трябваше да регистрират преминаването на гравитационна вълна.

Чувствителността на този инструмент беше милион пъти по-лоша от сегашните детектори. И, разбира се, той не можа наистина да поправи вълната по това време, въпреки че Вебер каза, че го е направил: пресата писа за това и настъпи "гравитационен бум" - светът веднага започна да изгражда гравитационни антени. Вебер насърчи други учени да изучават гравитационните вълни и да продължат експериментите си с това явление, което направи възможно увеличаването на чувствителността на детекторите милион пъти.

Самото явление на гравитационните вълни обаче е регистрирано през миналия век, когато учените откриха двоен пулсар. Това беше косвено регистриране на факта, че съществуват гравитационни вълни, доказано чрез астрономически наблюдения. Пулсарът е открит от Ръсел Хълс и Джоузеф Тейлър през 1974 г. по време на наблюдение с радиотелескопа на обсерваторията Аресибо. Учените са наградени Нобелова наградапрез 1993 г. „за откриването на нов тип пулсар, който отвори нови възможности за изследване на гравитацията“.

Изследвания в света и Украйна

В Италия подобен проект, наречен Virgo, е близо до завършване. Япония също възнамерява да пусне подобен детектор след година, Индия също подготвя такъв експеримент. Тоест на много места по света има подобни детектори, но те все още не са достигнали този режим на чувствителност, за да можем да говорим за фиксиране на гравитационни вълни.

„Официално Украйна не е член на LIGO и също така не участва в италианските и японските проекти. Сред такива фундаментални области Украйна сега участва в проекта LHC (LHC - Large Hadron Collider) и в CERN“ (ние ще официално станете член само след заплащане на входната такса) ", - каза Богдан Гнатик, доктор на физико-математическите науки, пред LIGA.net.

Според него от 2015 г. Украйна е пълноправен член на международната колаборация CTA (MChT-Cherenkov Telescope Array), която изгражда модерен телескоп мулти TeVширок гама диапазон (с енергия на фотоните до 1014 eV). "Основните източници на такива фотони са именно околностите на свръхмасивни черни дупки, чието гравитационно излъчване за първи път е регистрирано от детектора LIGO. Следователно отварянето на нови прозорци в астрономията - гравитационно-вълнови и мулти TeVНовото електромагнитно поле ни обещава много повече открития в бъдеще“, добавя ученият.

Какво следва и как новите знания ще помогнат на хората? Учените не са съгласни. Някои казват, че това е просто още една стъпка в разбирането на механизмите на Вселената. Други виждат това като първи стъпки към нови технологии за придвижване във времето и пространството. По един или друг начин, това откритие още веднъж доказа колко малко разбираме и колко много остава да научим.

Гравитационни вълни - образ на художника

Гравитационните вълни са смущения на пространствено-времевата метрика, които се отделят от източника и се разпространяват като вълни (така наречените „пространствено-времеви вълни“).

В общата теория на относителността и в повечето други съвременни теориигравитация гравитационните вълни се генерират от движението на масивни тела с променливо ускорение. Гравитационните вълни се разпространяват свободно в пространството със скоростта на светлината. Поради относителната слабост на гравитационните сили (в сравнение с други), тези вълни имат много малък магнитуд, който трудно се регистрира.

Поляризирана гравитационна вълна

Гравитационните вълни се предсказват от общата теория на относителността (ОТО) и много други. Те бяха открити за първи път директно през септември 2015 г. от два двойни детектора, които записаха гравитационни вълни, вероятно резултат от сливането на двете и образуването на още една масивна въртяща се черна дупка. Косвени доказателства за тяхното съществуване са известни от 70-те години на миналия век - общата теория на относителността предсказва скоростта на сближаване на близки системи, която съвпада с наблюденията поради загуба на енергия за излъчване на гравитационни вълни. Директното регистриране на гравитационните вълни и използването им за определяне на параметрите на астрофизичните процеси е важна задача на съвременната физика и астрономия.

В рамките на общата теория на относителността гравитационните вълни се описват чрез решения на уравненията на Айнщайн от вълнов тип, които представляват смущение на метриката пространство-време, движещо се със скоростта на светлината (в линейно приближение). Проявата на това смущение трябва да бъде по-специално периодична промяна в разстоянието между две свободно падащи (т.е. незасегнати от никакви сили) тестови маси. Амплитуда чгравитационната вълна е безразмерна величина - относително изменение на разстоянието. Предсказаните максимални амплитуди на гравитационните вълни от астрофизични обекти (например компактни двойни системи) и явления (експлозии, сливания, улавяне от черни дупки и др.) са много малки, когато се измерват в ( ч=10 −18 -10 −23). Слабата (линейна) гравитационна вълна според общата теория на относителността носи енергия и импулс, движи се със скоростта на светлината, напречна е, четириполюсна и се описва от две независими компоненти, разположени под ъгъл 45° една спрямо друга (има две посоки на поляризация).

Различни теории предсказват скоростта на разпространение на гравитационните вълни по различни начини. В общата теория на относителността тя е равна на скоростта на светлината (в линейно приближение). В други теории за гравитацията тя може да приеме всякаква стойност, включително ad infinitum. Според данните от първата регистрация на гравитационните вълни, тяхната дисперсия се оказа съвместима с безмасовия гравитон, а скоростта беше оценена като равно на скоросттаСвета.

Генериране на гравитационни вълни

Система от две неутронни звезди създава вълни в пространство-времето

Гравитационна вълна се излъчва от всяка материя, движеща се с асиметрично ускорение. За появата на вълна със значителна амплитуда е необходима изключително голяма маса на излъчвателя или / и огромни ускорения, амплитудата на гравитационната вълна е право пропорционална на първа производна на ускорениетои масата на генератора, т.е. ~ . Ако обаче някакъв обект се движи с ускорена скорост, това означава, че някаква сила действа върху него от страната на друг обект. На свой ред този друг обект изпитва обратното действие (според 3-тия закон на Нютон), докато се оказва, че м 1 а 1 = − м 2 а 2 . Оказва се, че два обекта излъчват гравитационни вълни само по двойки и в резултат на интерференция те взаимно се гасят почти напълно. Следователно гравитационното лъчение в общата теория на относителността винаги има характер поне на квадруполно лъчение по отношение на многополярността. В допълнение, за нерелативистични излъчватели, изразът за интензитета на излъчване съдържа малък параметър, където е гравитационният радиус на излъчвателя, r- неговия характерен размер, т- характерен период на движение, ° Се скоростта на светлината във вакуум.

Най-силните източници на гравитационни вълни са:

  • сблъсък (гигантски маси, много малки ускорения),
  • гравитационен колапс на двоична система от компактни обекти (колосални ускорения с доста голяма маса). Като специален и най-интересен случай - сливането на неутронни звезди. В такава система светимостта на гравитационните вълни е близка до най-високата възможна светимост на Планк в природата.

Гравитационни вълни, излъчвани от система от две тела

Две тела, движещи се по кръгови орбити около общ център на масата

Две гравитационно свързани тела с маси м 1 и м 2, движещи се нерелативистично ( v << ° С) в кръгови орбити около техния общ център на маса на разстояние rедин от друг, излъчват гравитационни вълни със следната енергия средно за периода:

В резултат на това системата губи енергия, което води до сближаване на телата, тоест до намаляване на разстоянието между тях. Скорост на приближаване на телата:

За Слънчевата система, например, подсистемата и произвежда най-голямото гравитационно излъчване. Мощността на това излъчване е приблизително 5 киловата. По този начин енергията, която слънчевата система губи от гравитационното излъчване на година, е напълно незначителна в сравнение с характерната кинетична енергия на телата.

Гравитационен колапс на двойна система

Всяка двойна звезда, когато нейните компоненти се въртят около общ център на масата, губи енергия (както се предполага - поради излъчването на гравитационни вълни) и в крайна сметка се слива заедно. Но за обикновените, некомпактни двойни звезди този процес отнема много дълго време, много повече от сегашната епоха. Ако бинарната компактна система се състои от двойка неутронни звезди, черни дупки или комбинация от двете, тогава сливането може да се случи след няколко милиона години. Първо, обектите се приближават един към друг и периодът им на революция намалява. След това на последния етап има сблъсък и асиметричен гравитационен колапс. Този процес продължава част от секундата и през това време енергията се губи в гравитационно излъчване, което според някои оценки е повече от 50% от масата на системата.

Основни точни решения на уравненията на Айнщайн за гравитационни вълни

Телесни вълни на Бонди - Пирани - Робинсън

Тези вълни се описват с метрика от формата . Ако въведем променлива и функция , тогава от уравненията на GR получаваме уравнението

Такено метрика

има формата , -функции, отговарят на същото уравнение.

Метрика на Росен

Къде задоволяват

Метрика на Перес

При което

Цилиндрични вълни на Айнщайн-Розен

В цилиндрични координати такива вълни имат формата и се изпълняват

Регистрация на гравитационни вълни

Регистрацията на гравитационните вълни е доста сложна поради слабостта на последните (малко изкривяване на метриката). Уредите за тяхното регистриране са детектори за гравитационни вълни. От края на 60-те години на миналия век се правят опити за откриване на гравитационни вълни. Гравитационни вълни с откриваема амплитуда се произвеждат по време на колапса на двойна система. Подобни събития се случват в околностите приблизително веднъж на десетилетие.

От друга страна, общата теория на относителността предвижда ускоряване на взаимното въртене на двойните звезди поради загубата на енергия за излъчване на гравитационни вълни и този ефект е надеждно регистриран в няколко известни системи от двоични компактни обекти (по-специално пулсари с компактни спътници). През 1993 г. „за откриването на нов тип пулсар, който дава нови възможности в изследването на гравитацията“ на откривателите на първия двоен пулсар PSR B1913+16 Ръсел Хълс и Джоузеф Тейлър младши. е удостоен с Нобелова награда по физика. Ускорението на въртене, наблюдавано в тази система, напълно съвпада с прогнозите на общата теория на относителността за излъчване на гравитационни вълни. Същото явление е регистрирано в няколко други случая: за пулсарите PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (обикновено съкратено J0651) и двоичната система RX J0806. Например разстоянието между двата компонента A и B на първата двойна звезда от двата пулсара PSR J0737-3039 намалява с около 2,5 инча (6,35 cm) на ден поради загуба на енергия от гравитационни вълни и това се случва в съответствие с обща теория на относителността. Всички тези данни се тълкуват като косвено потвърждение за съществуването на гравитационни вълни.

Според оценките най-силните и най-честите източници на гравитационни вълни за гравитационните телескопи и антени са катастрофи, свързани с колапса на двойни системи в близки галактики. Очаква се в близко бъдеще усъвършенстваните гравитационни детектори да регистрират няколко такива събития годишно, изкривявайки показателите в близост с 10 −21 -10 −23 . Първите наблюдения на оптико-метричния параметричен резонансен сигнал, който позволява да се открие ефектът на гравитационните вълни от периодични източници от близък двоичен тип върху излъчването на космическите мазери, може да са получени в Радиоастрономическата обсерватория на Русия Академия на науките, Пущино.

Друга възможност за откриване на фона на гравитационните вълни, изпълващи Вселената, е високоточното определяне на времето на далечни пулсари - анализ на времето на пристигане на техните импулси, което характерно се променя под действието на гравитационните вълни, преминаващи през пространството между Земята и пулсара. Според оценките през 2013 г. точността на синхронизирането трябва да се увеличи с около един порядък, за да могат да се откриват фонови вълни от множество източници в нашата вселена и тази задача може да бъде решена преди края на десетилетието.

Според съвременните представи нашата Вселена е изпълнена с реликтови гравитационни вълни, появили се в първите мигове след това. Регистрацията им ще дава информация за процесите в началото на раждането на Вселената. На 17 март 2014 г. в 20:00 часа московско време в Центъра за астрофизика Харвард-Смитсониън, американска група изследователи, работещи по проекта BICEP 2, обявиха откриването на ненулеви тензорни смущения в ранната Вселена чрез поляризация на CMB, което е и откритието на тези реликтови гравитационни вълни . Въпреки това, почти веднага този резултат беше оспорен, тъй като, както се оказа, приносът на . Един от авторите, J. M. Kovats ( Ковач Дж.М.), призна, че „с тълкуването и отразяването на данните от експеримента BICEP2 участниците в експеримента и научните журналисти са били малко прибързани“.

Експериментално потвърждение за съществуването

Първият записан сигнал от гравитационна вълна. Вляво, данни от детектора в Hanford (H1), вдясно, в Livingston (L1). Времето се брои от 14 септември 2015 г., 09:50:45 UTC. За визуализиране на сигнала той беше филтриран от честотен филтър с честотна лента 35-350 Hz за потискане на големи колебания извън обхвата на висока чувствителност на детекторите; използвани са и лентови филтри за потискане на шума на самите инсталации. Горен ред: напрежения h в детекторите. GW150914 първо пристигна в L1 и след 6 9 +0 5 −0 4 ms в H1; за визуално сравнение, данните от H1 са показани в диаграмата L1 обърнати и изместени във времето (за да се вземе предвид относителната ориентация на детекторите). Втори ред: напрежения h от сигнала на гравитационната вълна, преминали през същия лентов филтър 35-350 Hz. Плътната линия е резултат от числената относителност за система с параметри, съвместими с тези, открити въз основа на изследване на сигнала GW150914, получен от два независими кода с резултатно съвпадение от 99,9. Сивите дебели линии са 90% доверителни интервали на формата на вълната, възстановена от данните на детектора чрез два различни метода. Тъмносивата линия моделира очакваните сигнали от сливането на черни дупки, светлосивата линия не използва астрофизични модели, а представя сигнала като линейна комбинация от синусоидално-гаусови вълни. Реконструкциите се припокриват с 94%. Трети ред: Остатъчни грешки след извличане на филтрираната прогноза на числения сигнал на относителността от филтрирания сигнал на детекторите. Долен ред: представяне на честотната карта на напрежението, показващо увеличаването на доминиращата честота на сигнала с течение на времето.

11 февруари 2016 г. от сътрудничеството на LIGO и VIRGO. Сигналът за сливането на две черни дупки с амплитуда при максимум около 10 −21 беше открит на 14 септември 2015 г. в 09:51 UTC от два детектора LIGO в Ханфорд и Ливингстън на разстояние 7 милисекунди, в района на максимален сигнал амплитуда (0,2 секунди) комбинираното съотношение сигнал/шум беше 24:1. Сигналът е обозначен като GW150914. Формата на сигнала съвпада с прогнозата на общата теория на относителността за сливането на две черни дупки с маси 36 и 29 слънчеви маси; получената черна дупка трябва да има маса от 62 слънчеви маси и параметър на въртене а= 0,67. Разстоянието до източника е около 1,3 милиарда, енергията, излъчена за десети от секундата при сливането, е еквивалентна на около 3 слънчеви маси.

История

Историята на самия термин "гравитационна вълна", теоретичното и експерименталното търсене на тези вълни, както и използването им за изследване на явления, недостъпни за други методи.

  • 1900 - Лоренц предполага, че гравитацията "... може да се разпространява със скорост, не по-голяма от скоростта на светлината";
  • 1905 - Поанкареза първи път въвежда термина гравитационна вълна (onde gravifique). Поанкаре, на качествено ниво, премахна добре установените възражения на Лаплас и показа, че корекциите, свързани с гравитационните вълни към общоприетите закони на Нютон за гравитацията от реда, се отменят, така че предположението за съществуването на гравитационни вълни не противоречи на наблюденията;
  • 1916 - Айнщайн показа, че в рамките на GR, механична система би прехвърлила енергия към гравитационни вълни и, грубо казано, всяко въртене спрямо неподвижни звезди трябва да спре рано или късно, въпреки че, разбира се, при нормални условия загубите на енергия на редът е незначителен и практически не може да бъде измерен (в тази работа той все още погрешно вярваше, че механична система, която постоянно поддържа сферична симетрия, може да излъчва гравитационни вълни);
  • 1918 - Айнщайнизведе квадруполна формула, в която излъчването на гравитационните вълни се оказва ефект на реда, като по този начин коригира грешката в предишната си работа (имаше грешка в коефициента, енергията на вълната е 2 пъти по-малка);
  • 1923 г. – Едингтън – поставя под съмнение физическата реалност на гравитационните вълни „...разпространяват се... със скоростта на мисълта“. През 1934 г., когато подготвя руски превод на своята монография Теорията на относителността, Едингтън добавя няколко глави, включително глави с два варианта за изчисляване на загубите на енергия от въртящ се прът, но отбелязва, че методите, използвани за приблизителни изчисления на общата теория на относителността, в неговата мнение, не са приложими за гравитационно свързани системи, така че остават съмнения;
  • 1937 - Айнщайн, заедно с Розен, изследват цилиндрични вълнови решения на точните уравнения на гравитационното поле. В хода на тези изследвания те са имали съмнения, че гравитационните вълни могат да бъдат артефакт на приблизителни решения на уравненията на GR (има известна кореспонденция относно прегледа на статията на Айнщайн и Розен „Съществуват ли гравитационни вълни?“). По-късно той откри грешка в мотивите, окончателната версия на статията с фундаментални редакции вече беше публикувана в списанието на Института Франклин;
  • 1957 - Херман Бонди и Ричард Файнман предлагат мисловен експеримент "бастун с мъниста", в който обосновават съществуването на физическите последствия от гравитационните вълни в общата теория на относителността;
  • 1962 г. - Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн описват принципите на използване на интерферометри за откриване на гравитационни вълни с дълги вълни;
  • 1964 - Филип Питърс и Джон Матю теоретично описват гравитационните вълни, излъчвани от бинарни системи;
  • 1969 г. - Джоузеф Вебер, основател на астрономията на гравитационните вълни, съобщава за откриване на гравитационни вълни с помощта на резонансен детектор - механична гравитационна антена. Тези доклади пораждат бърз растеж на работата в тази посока, по-специално Рене Вайс, един от основателите на проекта LIGO, започва експерименти по това време. Към днешна дата (2015 г.) никой не е успял да получи надеждно потвърждение за тези събития;
  • 1978 - Джоузеф Тейлърсъобщава за откриване на гравитационно лъчение в двойната система на пулсара PSR B1913+16. Работата на Джоузеф Тейлър и Ръсел Хълс спечели Нобеловата награда за физика през 1993 г. В началото на 2015 г. бяха измерени три пост-кеплеровски параметъра, включително намаляването на периода поради излъчването на гравитационни вълни, за най-малко 8 такива системи;
  • 2002 - Сергей Копейкин и Едуард Фомалонт направиха динамични измервания на отклонението на светлината в гравитационното поле на Юпитер, използвайки радиовълнова интерферометрия с изключително дълга базова линия, което за определен клас хипотетични разширения на общата теория на относителността позволява да се оцени скоростта на гравитацията - разликата от скоростта на светлината не трябва да надвишава 20% (тази интерпретация не е общоприета);
  • 2006 г. - международният екип на Марта Бургай (Обсерватория Паркс, Австралия) съобщава за много по-точно потвърждение на общата теория на относителността и съответствието с нея на величината на радиацията на гравитационната вълна в системата от два пулсара PSR J0737-3039A/B;
  • 2014 г. - Астрономи от Центъра за астрофизика Харвард-Смитсониън (BICEP) съобщиха за откриването на първични гравитационни вълни при измервания на флуктуации на CMB. В момента (2016 г.) откритите флуктуации не се считат за реликтов произход, а се обясняват с излъчването на прах в Галактиката;
  • 2016 - Международен екип на LIGOобяви откриването на събитието на преминаване на гравитационни вълни GW150914. За първи път пряко наблюдение на взаимодействащи масивни тела в свръхсилни гравитационни полета със свръхвисоки относителни скорости (< 1,2 × R s , v/c >0,5), което направи възможно да се провери коректността на общата теория на относителността с точност до няколко постнютонови члена от висок порядък. Измерената дисперсия на гравитационните вълни не противоречи на предишните измервания на дисперсията и горната граница на масата на хипотетичния гравитон (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.