Gravitationswellen. Einstein hatte recht: Gravitationswellen existieren. Von einem Zweikörpersystem ausgesendete Gravitationswellen

Mich interessiert aber mehr, welche Unerwarteten sich mit Hilfe von Gravitationswellen entdecken lassen. Jedes Mal, wenn Menschen das Universum auf eine neue Art und Weise beobachtet haben, haben wir viele unerwartete Dinge entdeckt, die unser Verständnis des Universums auf den Kopf gestellt haben. Ich möchte diese finden Gravitationswellen und entdecken Sie etwas, von dem wir vorher keine Ahnung hatten.

Wird uns das helfen, einen echten Warp-Antrieb zu bauen?

Da Gravitationswellen nur eine schwache Wechselwirkung mit Materie haben, können sie kaum zur Bewegung dieser Materie genutzt werden. Aber selbst wenn man es könnte, breitet sich eine Gravitationswelle nur mit Lichtgeschwindigkeit aus. Sie funktionieren nicht für einen Warp-Antrieb. Obwohl es cool wäre.

Wie wäre es mit Anti-Schwerkraft-Geräten?

Um ein Anti-Schwerkraft-Gerät zu schaffen, müssen wir die Anziehungskraft in eine Abstoßungskraft umwandeln. Und obwohl eine Gravitationswelle Änderungen der Schwerkraft fortpflanzt, wird diese Änderung niemals abstoßend (oder negativ) sein.

Die Schwerkraft zieht immer an, weil es scheinbar keine negative Masse gibt. Schließlich gibt es positive und negative Ladung, einen magnetischen Nord- und einen Südpol, aber nur positive Masse. Warum? Wenn es eine negative Masse gäbe, würde die Materiekugel nach oben statt nach unten fallen. Es würde von der positiven Masse der Erde abgestoßen werden.

Was bedeutet das für die Möglichkeit von Zeitreisen und Teleportation? Können wir finden praktischer Nutzen dieses Phänomen anders als das Studium unseres Universums?

Jetzt Der beste Weg Zeitreisen (und nur in die Zukunft) sind Reisen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit (denken Sie an das Zwillingsparadoxon in der Allgemeinen Relativitätstheorie) oder Reisen in ein Gebiet mit erhöhter Schwerkraft (diese Art von Zeitreisen wurde in Interstellar demonstriert). Da eine Gravitationswelle Änderungen der Schwerkraft ausbreitet, kommt es zu sehr geringen Schwankungen der Zeitgeschwindigkeit, aber da Gravitationswellen von Natur aus schwach sind, sind es auch die zeitlichen Schwankungen. Und obwohl ich nicht glaube, dass man das auf Zeitreisen (oder Teleportation) anwenden kann, sagen Sie niemals nie (ich wette, Sie haben Ihnen den Atem geraubt).

Wird der Tag kommen, an dem wir aufhören, Einstein zu bestätigen und wieder anfangen, nach seltsamen Dingen zu suchen?

Sicherlich! Da die Schwerkraft die schwächste der Kräfte ist, ist es auch schwierig, mit ihr zu experimentieren. Bisher haben Wissenschaftler jedes Mal, wenn sie GR auf die Probe gestellt haben, genau vorhergesagte Ergebnisse erhalten. Auch die Entdeckung der Gravitationswellen bestätigte Einsteins Theorie erneut. Aber ich denke, wenn wir anfangen, die kleinsten Details der Theorie zu testen (vielleicht mit Gravitationswellen, vielleicht mit einer anderen), werden wir „komische“ Dinge finden, wie zum Beispiel, dass das Ergebnis des Experiments nicht genau mit der Vorhersage übereinstimmt. Dies bedeutet nicht, dass GR ein Irrtum ist, sondern nur die Notwendigkeit, seine Einzelheiten zu klären.

Jedes Mal, wenn wir eine Frage zur Natur beantworten, tauchen neue auf. Am Ende werden wir Fragen haben, die cooler sind als die Antworten, die GR erlauben kann.

Können Sie erklären, wie diese Entdeckung mit der einheitlichen Feldtheorie zusammenhängt oder diese beeinflusst? Sind wir näher dran, es zu bestätigen oder zu entlarven?

Nun widmen sich die Ergebnisse unserer Entdeckung hauptsächlich der Überprüfung und Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die einheitliche Feldtheorie sucht nach einer Möglichkeit, eine Theorie zu entwickeln, die die Physik des ganz Kleinen (Quantenmechanik) und des ganz Großen (allgemeine Relativitätstheorie) erklärt. Nun können diese beiden Theorien verallgemeinert werden, um das Ausmaß der Welt, in der wir leben, zu erklären, aber nicht mehr. Da sich unsere Entdeckung auf die Physik des ganz Großen konzentriert, wird sie uns allein kaum auf dem Weg zu einer einheitlichen Theorie voranbringen. Aber das ist nicht der Punkt. Jetzt ist das Gebiet der Gravitationswellenphysik gerade erst geboren. Wenn wir mehr erfahren, werden wir unsere Ergebnisse sicherlich auf den Bereich einer einheitlichen Theorie ausweiten. Aber bevor Sie laufen, müssen Sie laufen.

Was müssen Wissenschaftler jetzt, wo wir Gravitationswellen hören, hören, um buchstäblich gegen einen Ziegelstein zu treten? 1) Unnatürliche Muster/Strukturen? 2) Quellen von Gravitationswellen aus Regionen, die wir als leer betrachteten? 3) Rick Astley

Als ich Ihre Frage las, fiel mir sofort die Szene aus „Contact“ ein, in der das Radioteleskop Muster auffängt Primzahlen. Es ist unwahrscheinlich, dass dies in der Natur vorkommt (soweit wir wissen). Daher wäre Ihre Version mit einem unnatürlichen Muster oder einer unnatürlichen Struktur am wahrscheinlichsten.

Ich glaube nicht, dass wir jemals sicher sein werden, dass es in einer bestimmten Region des Weltraums Leere gibt. Schließlich war das Schwarzlochsystem, das wir gefunden haben, isoliert und aus dieser Region kam kein Licht, aber wir fanden dort immer noch Gravitationswellen.

Was Musik betrifft ... Ich bin darauf spezialisiert, Gravitationswellensignale vom statischen Rauschen zu trennen, das wir ständig vor dem Hintergrund der Umgebung messen. Wenn ich Musik in einer Gravitationswelle finden könnte, insbesondere in einer, die ich schon einmal gehört habe, wäre das ein Streich. Aber Musik, die man auf der Erde noch nie gehört hat... Es wäre wie die einfachen Hüllen aus „Contact“.

Da das Experiment Wellen registriert, indem es den Abstand zwischen zwei Objekten ändert, stellt sich die Frage: Ist die Amplitude in einer Richtung größer als in der anderen? Würden die Messwerte andernfalls nicht bedeuten, dass sich die Größe des Universums ändert? Und wenn ja, ist diese Erweiterung eine Bestätigung oder etwas Unerwartetes?

Wir müssen viele Gravitationswellen sehen, die aus vielen verschiedenen Richtungen im Universum kommen, bevor wir diese Frage beantworten können. In der Astronomie entsteht dadurch ein Bevölkerungsmodell. Wie viele verschiedene Arten von Dingen gibt es? Das Hauptfrage. Sobald wir viele Beobachtungen haben und unerwartete Muster erkennen, zum Beispiel, dass Gravitationswellen einer bestimmten Art aus einem bestimmten Teil des Universums und nirgendwo anders kommen, wird das ein sehr interessantes Ergebnis sein. Einige Muster könnten die Expansion (von der wir sehr überzeugt sind) oder andere Phänomene bestätigen, die uns noch nicht bewusst sind. Aber zuerst müssen Sie noch viel mehr Gravitationswellen sehen.

Für mich ist es völlig unverständlich, wie die Wissenschaftler feststellten, dass die von ihnen gemessenen Wellen zu zwei supermassiven Schwarzen Löchern gehörten. Wie kann man die Quelle der Wellen so genau bestimmen?

Datenanalysemethoden verwenden einen Katalog vorhergesagter Gravitationswellensignale, um sie mit unseren Daten zu vergleichen. Wenn eine starke Korrelation mit einer dieser Vorhersagen oder Muster besteht, dann wissen wir nicht nur, dass es sich um eine Gravitationswelle handelt, sondern wir wissen auch, welches System sie erzeugt hat.

Jede einzelne Art und Weise, eine Gravitationswelle zu erzeugen, sei es die Verschmelzung von Schwarzen Löchern, sich drehende oder sterbende Sterne, alle Wellen haben unterschiedliche Formen. Wenn wir eine Gravitationswelle entdecken, verwenden wir diese Formen, wie von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, um ihre Ursache zu bestimmen.

Woher wissen wir, dass diese Wellen von der Kollision zweier Schwarzer Löcher herrühren und nicht von einem anderen Ereignis? Ist es möglich, mit einiger Genauigkeit vorherzusagen, wo und wann sich ein solches Ereignis ereignet hat?

Sobald wir wissen, welches System die Gravitationswelle erzeugt hat, können wir vorhersagen, wie stark die Gravitationswelle in der Nähe ihres Entstehungsortes war. Indem wir seine Stärke messen, wenn es die Erde erreicht, und unsere Messungen mit der vorhergesagten Stärke der Quelle vergleichen, können wir berechnen, wie weit die Quelle entfernt ist. Da sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, können wir auch berechnen, wie lange es dauerte, bis Gravitationswellen auf die Erde zukamen.

Im Fall des von uns entdeckten Schwarzen-Loch-Systems haben wir die maximale Änderung der Länge der LIGO-Arme pro 1/1000 des Protonendurchmessers gemessen. Dieses System liegt 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt. Die im September entdeckte und neulich angekündigte Gravitationswelle bewegt sich seit 1,3 Milliarden Jahren auf uns zu. Dies geschah vor der Entstehung tierischen Lebens auf der Erde, jedoch nach der Entstehung vielzelliger Organismen.

Zum Zeitpunkt der Ankündigung hieß es, dass andere Detektoren nach Wellen mit einer längeren Periode suchen würden – einige davon seien kosmisch. Was können Sie uns über diese großen Detektoren sagen?

Ein Weltraumdetektor befindet sich tatsächlich in der Entwicklung. Es heißt LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Da es sich im Weltraum befindet, wird es im Gegensatz zu terrestrischen Detektoren aufgrund der natürlichen Schwingungen der Erde sehr empfindlich auf niederfrequente Gravitationswellen reagieren. Das wird schwierig, denn die Satelliten müssen weiter von der Erde entfernt platziert werden, als ein Mensch jemals zuvor war. Wenn etwas schief geht, können wir keine Astronauten zur Reparatur schicken. Um die erforderlichen Technologien zu testen, . Bisher hat sie alle gestellten Aufgaben gemeistert, doch die Mission ist noch lange nicht zu Ende.

Können Gravitationswellen in Schallwellen umgewandelt werden? Und wenn ja, wie werden sie aussehen?

Dürfen. Natürlich hört man nicht nur eine Gravitationswelle. Aber wenn Sie das Signal nehmen und es durch die Lautsprecher leiten, können Sie es hören.

Was sollen wir mit diesen Informationen machen? Strahlen diese Wellen andere astronomische Objekte mit bedeutender Masse aus? Können Wellen zur Suche nach Planeten oder einfachen Schwarzen Löchern genutzt werden?

Bei der Suche nach Gravitationswerten kommt es nicht nur auf die Masse an. Auch die Beschleunigung, die dem Objekt innewohnt. Die von uns gefundenen Schwarzen Löcher umkreisten einander bei ihrer Verschmelzung mit 60 % der Lichtgeschwindigkeit. Daher konnten wir sie während der Fusion erkennen. Aber jetzt empfangen sie keine Gravitationswellen mehr, da sie zu einer sesshaften Masse verschmolzen sind.

Alles, was viel Masse hat und sich sehr schnell bewegt, erzeugt also Gravitationswellen, die man auffangen kann.

Es ist unwahrscheinlich, dass Exoplaneten genug Masse oder Beschleunigung haben, um nachweisbare Gravitationswellen zu erzeugen. (Ich sage nicht, dass sie sie überhaupt nicht herstellen, sondern nur, dass sie nicht stark genug sind oder eine andere Frequenz haben). Selbst wenn der Exoplanet massiv genug ist, um die notwendigen Wellen zu erzeugen, wird er durch die Beschleunigung auseinandergerissen. Vergessen Sie nicht, dass die massereichsten Planeten in der Regel Gasriesen sind.

Wie wahr ist die Analogie der Wellen im Wasser? Können wir diese Wellen reiten? Gibt es Gravitations-„Spitzen“ wie die bereits bekannten „Brunnen“?

Da sich Gravitationswellen durch Materie bewegen können, gibt es keine Möglichkeit, auf ihnen zu reiten oder sie zur Fortbewegung zu nutzen. Also kein Gravitationswellensurfen.

„Gipfel“ und „Brunnen“ sind wunderbar. Die Schwerkraft zieht immer an, weil es keine negative Masse gibt. Wir wissen nicht warum, aber es wurde weder im Labor noch im Universum beobachtet. Daher wird die Schwerkraft normalerweise als „Brunnen“ dargestellt. Die Masse, die sich entlang dieses „Brunnens“ bewegt, wird nach innen fallen; So funktioniert Anziehung. Wenn Sie eine negative Masse haben, erhalten Sie eine Abstoßung und damit einen „Peak“. Masse, die sich am „Höhepunkt“ bewegt, wird sich von diesem weg krümmen. Es gibt also „Brunnen“, aber keine „Gipfel“.

Die Wasseranalogie ist in Ordnung, solange wir davon sprechen, dass die Stärke der Welle mit der zurückgelegten Entfernung von der Quelle abnimmt. Die Wasserwelle wird immer kleiner und die Schwerkraftwelle wird immer schwächer.

Wie wird sich diese Entdeckung auf unsere Beschreibung der Inflationsperiode des Urknalls auswirken?

An dieser Moment Diese Entdeckung hat bisher praktisch keinen Einfluss auf die Inflation. Um solche Aussagen treffen zu können, ist es notwendig, die Reliktgravitationswellen des Urknalls zu beobachten. Das BICEP2-Projekt glaubte, diese Gravitationswellen indirekt zu beobachten, doch es stellte sich heraus, dass kosmischer Staub dafür verantwortlich war. Wenn er die richtigen Daten erhält, wird damit auch die Existenz einer kurzen Inflationsperiode kurz nach dem Urknall bestätigt.

LIGO wird in der Lage sein, diese Gravitationswellen direkt zu sehen (es wird auch die schwächste Art von Gravitationswellen sein, die wir zu entdecken hoffen). Wenn wir sie sehen, können wir tief in die Vergangenheit des Universums blicken, wie wir es noch nie zuvor getan haben, und die Inflation anhand der erhaltenen Daten beurteilen.

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen wurde der Welt am 11. Februar 2016 vorgestellt und sorgte weltweit für Schlagzeilen. Für diese Entdeckung erhielten Physiker 2017 den Nobelpreis und leiteten offiziell eine neue Ära der Gravitationsastronomie ein. Doch ein Team von Physikern am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen (Dänemark) bezweifelte den Befund, basierend auf ihrer eigenen unabhängigen Analyse der Daten der letzten zweieinhalb Jahre.

Eines der mysteriösesten Objekte der Welt, Schwarze Löcher, erregt regelmäßig Aufmerksamkeit. Wir wissen, dass sie kollidieren, verschmelzen, ihre Helligkeit ändern und sogar verdampfen. Und doch können Schwarze Löcher theoretisch die Universen miteinander verbinden. Allerdings könnten sich alle unsere Kenntnisse und Annahmen über diese massiven Objekte als unzutreffend erweisen. Kürzlich in Wissenschaftsgemeinschaft Es gab Gerüchte, dass Wissenschaftler ein Signal empfangen hätten, das von einem Schwarzen Loch ausging, dessen Größe und Masse so groß ist, dass seine Existenz physikalisch unmöglich ist.

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen wurde der Welt am 11. Februar 2016 vorgestellt und sorgte weltweit für Schlagzeilen. Für diese Entdeckung erhielten Physiker 2017 den Nobelpreis und leiteten offiziell eine neue Ära der Gravitationsastronomie ein. Doch ein Team von Physikern am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen bezweifelte diese Feststellung, basierend auf ihrer eigenen unabhängigen Analyse der Daten der letzten zweieinhalb Jahre.

Astrophysiker haben die Existenz von Gravitationswellen bestätigt, deren Existenz Albert Einstein vor etwa 100 Jahren vorhergesagt hatte. Sie wurden mit Detektoren des Gravitationswellenobservatoriums LIGO in den USA aufgezeichnet.

Zum ersten Mal in der Geschichte hat die Menschheit Gravitationswellen aufgezeichnet – Schwankungen in der Raumzeit, die durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher weit im Universum auf die Erde kamen. Zu dieser Entdeckung tragen auch russische Wissenschaftler bei. Am Donnerstag sprechen Forscher weltweit über ihre Entdeckung – in Washington, London, Paris, Berlin und anderen Städten, darunter Moskau.

Das Foto zeigt eine Nachahmung der Kollision von Schwarzen Löchern

Auf einer Pressekonferenz im Büro von Rambler & Co gab Valery Mitrofanov, der Leiter des russischen Teils der LIGO-Kollaboration, die Entdeckung von Gravitationswellen bekannt:

„Es ist uns eine Ehre, an diesem Projekt teilzunehmen und Ihnen die Ergebnisse zu präsentieren. Ich werde Ihnen jetzt die Bedeutung der Entdeckung auf Russisch erklären. Wir haben wunderschöne Bilder von LIGO-Detektoren in den USA gesehen. Die Entfernung zwischen ihnen beträgt 3000 km. Unter dem Einfluss einer Gravitationswelle verschob sich einer der Detektoren, woraufhin wir sie entdeckten. Zuerst sahen wir nur Rauschen auf dem Computer, und dann begann der Aufbau der Masse der Hamford-Detektoren. Nach der Berechnung der erhaltenen Daten konnten wir feststellen, dass es die Schwarzen Löcher waren, die in einer Entfernung von 1,3 mlrd kollidierten. Lichtjahre von hier entfernt. Das Signal war sehr deutlich, er kam sehr deutlich aus dem Lärm heraus. Viele sagten uns, dass wir Glück hatten, aber die Natur hat uns ein solches Geschenk gemacht. Gravitationswellen wurden entdeckt – das ist sicher.“

Astrophysiker haben Gerüchte bestätigt, dass sie mit den Detektoren des Gravitationswellenobservatoriums LIGO Gravitationswellen nachweisen konnten. Diese Entdeckung wird es der Menschheit ermöglichen, bedeutende Fortschritte beim Verständnis der Funktionsweise des Universums zu erzielen.

Die Entdeckung erfolgte am 14. September 2015 gleichzeitig durch zwei Detektoren in Washington und Louisiana. Das Signal gelangte durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher zu den Detektoren. Es dauerte so lange, bis Wissenschaftler sicher waren, dass es sich bei der Kollision um Gravitationswellen handelte.

Die Kollision der Löcher erfolgte mit einer Geschwindigkeit von etwa der halben Lichtgeschwindigkeit, also etwa 150.792.458 m/s.

„Die Newtonsche Schwerkraft wurde im flachen Raum beschrieben, und Einstein übersetzte sie in die Zeitebene und schlug vor, dass sie diese krümmt. Die Gravitationswechselwirkung ist sehr schwach. Auf der Erde ist die Erfahrung, Gravitationswellen zu erzeugen, unmöglich. Sie konnten sie erst nach der Verschmelzung der Schwarzen Löcher entdecken. Stellen Sie sich vor, der Detektor hat sich um 10 bis -19 Meter verschoben. Berühren Sie es nicht mit Ihren Händen. Nur mit Hilfe sehr präziser Instrumente. Wie kann man das machen? Der Laserstrahl, mit dem die Verschiebung nachgewiesen wurde, ist einzigartig. Die Laser-Schwerkraftantenne LIGO der zweiten Generation wurde 2015 in Betrieb genommen. Die Empfindlichkeit ermöglicht es, etwa einmal im Monat Gravitationsstörungen zu registrieren. Das ist die fortgeschrittene Welt und die amerikanische Wissenschaft, es gibt nichts Genaueres auf der Welt. Wir hoffen, dass es gelingt, die Standard-Quantengrenze der Empfindlichkeit zu überwinden“, erklärte die Entdeckung. Sergey Vyatchanin, Mitarbeiter der Fakultät für Physik der Moskauer Staatlichen Universität und der LIGO-Kollaboration.

Das Standard-Quantenlimit (SQL) in der Quantenmechanik ist eine Beschränkung der Genauigkeit einer kontinuierlichen oder mehrfach wiederholten Messung einer Größe, die durch einen Operator beschrieben wird, der zu verschiedenen Zeiten nicht mit sich selbst kommutiert. 1967 von V. B. Braginsky vorhergesagt, und der Begriff Standard Quantum Limit (SQL) wurde später von Thorne vorgeschlagen. Die SQL steht in engem Zusammenhang mit der Heisenberg-Unschärferelation.

Zusammenfassend sprach Valery Mitrofanov über Pläne für weitere Forschung:

„Diese Entdeckung ist der Beginn einer neuen Gravitationswellenastronomie. Wir hoffen, durch den Kanal der Gravitationswellen mehr über das Universum zu erfahren. Wir kennen die Zusammensetzung nur von 5 % der Materie, der Rest ist ein Rätsel. Mit Gravitationsdetektoren können Sie den Himmel in „Gravitationswellen“ sehen. Wir hoffen, in Zukunft den Anfang von allem, also den kosmischen Mikrowellenhintergrund des Urknalls, zu sehen und zu verstehen, was genau damals passiert ist.“

Gravitationswellen wurden erstmals 1916, also vor ziemlich genau 100 Jahren, von Albert Einstein vorgeschlagen. Die Wellengleichung ist eine Folge der Gleichungen der Relativitätstheorie und lässt sich nicht auf einfachste Weise herleiten.

Der kanadische theoretische Physiker Clifford Burgess veröffentlichte zuvor einen Brief, in dem es hieß, das Observatorium habe Gravitationsstrahlung entdeckt, die durch die Verschmelzung eines Doppelsystems aus Schwarzen Löchern mit Massen von 36 und 29 Sonnenmassen zu einem Objekt mit einer Masse von 62 Sonnenmassen verursacht wurde. Die Kollision und der asymmetrische Gravitationskollaps dauern Bruchteile einer Sekunde, und während dieser Zeit gehen bis zu 50 Prozent der Masse des Systems in Gravitationsstrahlung über – die Wellen der Raumzeit.

Eine Gravitationswelle ist eine Gravitationswelle, die in den meisten Gravitationstheorien durch die Bewegung gravitierender Körper mit variabler Beschleunigung erzeugt wird. Angesichts der relativen Schwäche der Gravitationskräfte (im Vergleich zu anderen) sollten diese Wellen eine sehr kleine Stärke haben, die schwer zu registrieren ist. Ihre Existenz wurde vor etwa einem Jahrhundert von Albert Einstein vorhergesagt.

Am Donnerstag, den 11. Februar, gab eine Gruppe von Wissenschaftlern des internationalen Projekts LIGO Scientific Collaboration bekannt, dass ihnen dies gelungen sei, dessen Existenz Albert Einstein bereits 1916 vorhergesagt hatte. Den Forschern zufolge registrierten sie am 14. September 2015 eine Gravitationswelle, die durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher mit einer Masse von 29 und 36 Sonnenmassen verursacht wurde und anschließend zu einem großen Schwarzen Loch verschmolz . Ihren Angaben zufolge geschah dies angeblich vor 1,3 Milliarden Jahren in einer Entfernung von 410 Megaparsec von unserer Galaxie.

LIGA.net sprach ausführlich über Gravitationswellen und eine groß angelegte Entdeckung Bohdan Hnatyk, ukrainischer Wissenschaftler, Astrophysiker, Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften, leitender Forscher des Kiewer Astronomischen Observatoriums Nationaluniversität benannt nach Taras Schewtschenko, der das Observatorium von 2001 bis 2004 leitete.

Theorie im Klartext

Die Physik untersucht die Wechselwirkung zwischen Körpern. Es wurde festgestellt, dass es vier Arten der Wechselwirkung zwischen Körpern gibt: elektromagnetische, starke und schwache Kernwechselwirkung und Gravitationswechselwirkung, die wir alle spüren. Aufgrund der Gravitationswechselwirkung kreisen die Planeten um die Sonne, die Körper bekommen Gewicht und fallen zu Boden. Der Mensch ist ständig mit der Wechselwirkung der Gravitation konfrontiert.

Im Jahr 1916, vor 100 Jahren, entwickelte Albert Einstein eine Gravitationstheorie, die Newtons Gravitationstheorie verbesserte, sie mathematisch korrekt machte: Sie begann, alle Anforderungen der Physik zu erfüllen und begann, die Tatsache zu berücksichtigen, dass sich die Gravitation in sehr hohen Höhen ausbreitet , aber endliche Geschwindigkeit. Dies ist zu Recht eine der ehrgeizigsten Errungenschaften Einsteins, da er eine Gravitationstheorie entwickelte, die allen Phänomenen der Physik entspricht, die wir heute beobachten.

Diese Theorie legte auch die Existenz nahe Gravitationswellen. Die Grundlage dieser Vorhersage war, dass Gravitationswellen als Ergebnis der Gravitationswechselwirkung entstehen, die durch die Verschmelzung zweier massiver Körper entsteht.

Was ist eine Gravitationswelle?

In einer komplexen Sprache ist dies die Anregung der Raum-Zeit-Metrik. „Nehmen wir an, der Raum hat eine gewisse Elastizität und Wellen können durch ihn hindurchlaufen. Das ist, als ob wir einen Kieselstein ins Wasser werfen und die Wellen davon zerstreut werden“, sagte der Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften gegenüber LIGA.net.

Wissenschaftlern gelang es, experimentell nachzuweisen, dass eine solche Fluktuation im Universum stattfand und eine Gravitationswelle in alle Richtungen lief. „Zum ersten Mal wurde das Phänomen einer solch katastrophalen Entwicklung eines Doppelsternsystems mit einer astrophysikalischen Methode aufgezeichnet, wenn zwei Objekte zu einem verschmelzen und diese Verschmelzung zu einer sehr intensiven Freisetzung von Gravitationsenergie führt, die sich dann im Weltraum ausbreitet die Form von Gravitationswellen“, erklärte der Wissenschaftler.

Wie es aussieht (Foto – EPA)

Diese Gravitationswellen sind sehr schwach und damit sie die Raumzeit erschüttern können, ist die Wechselwirkung sehr großer und massereicher Körper notwendig, damit die Spannung entsteht Schwerkraftfeld war am Ort der Erzeugung groß. Doch trotz ihrer Schwäche wird der Beobachter nach einer gewissen Zeit (entspricht der Entfernung zur Wechselwirkung geteilt durch die Geschwindigkeit des Signals) diese Gravitationswelle registrieren.

Geben wir ein Beispiel: Wenn die Erde auf die Sonne fallen würde, würde eine Gravitationswechselwirkung stattfinden: Gravitationsenergie würde freigesetzt, es würde sich eine gravitationskugelsymmetrische Welle bilden, die der Beobachter registrieren könnte. „Hier ereignete sich ein ähnliches, aber aus astrophysikalischer Sicht einzigartiges Phänomen: Zwei massive Körper – zwei Schwarze Löcher – kollidierten“, bemerkte Gnatyk.

Zurück zur Theorie

Ein Schwarzes Loch ist eine weitere Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die besagt, dass ein Körper, der eine große Masse hat, diese Masse aber in einem kleinen Volumen konzentriert ist, den Raum um ihn herum bis zu seiner Schließung erheblich verzerren kann. Das heißt, es wurde angenommen, dass sich der Raum um diesen Körper und seine Topologie schließen, wenn eine kritische Konzentration der Masse dieses Körpers erreicht wird – so dass die Größe des Körpers kleiner als der sogenannte Gravitationsradius wird so sein, dass sich kein Signal von ihm außerhalb des geschlossenen Raums ausbreiten kann.

„Das heißt, ein schwarzes Loch, in einfachen Worten„ist ein massives Objekt, das so schwer ist, dass es die Raumzeit um sich herum schließt“, sagt der Wissenschaftler.

Und wir können seiner Meinung nach irgendwelche Signale an dieses Objekt senden, aber er kann uns nicht senden. Das heißt, keine Signale können über das Schwarze Loch hinausgehen.

Ein Schwarzes Loch lebt nach den üblichen physikalischen Gesetzen, aber aufgrund der starken Schwerkraft kann kein einziger materieller Körper, nicht einmal ein Photon, über diese kritische Oberfläche hinausgehen. Schwarze Löcher entstehen während der Entwicklung gewöhnlicher Sterne, wenn der zentrale Kern kollabiert und ein Teil der Materie des Sterns durch den Kollaps in ein Schwarzes Loch verwandelt und der andere Teil des Sterns in Form einer Supernova-Hülle ausgestoßen wird und sich in ein Schwarzes Loch verwandelt der sogenannte „Blitz“ einer Supernova.

Wie wir die Gravitationswelle sahen

Nehmen wir ein Beispiel. Wenn wir zwei Schwimmkörper auf der Wasseroberfläche haben und das Wasser ruhig ist, ist der Abstand zwischen ihnen konstant. Wenn eine Welle kommt, verschiebt sie diese Schwimmkörper und der Abstand zwischen den Schwimmkörpern ändert sich. Die Welle ist vorbei – und die Schwimmer kehren in ihre vorherigen Positionen zurück und der Abstand zwischen ihnen wird wiederhergestellt.

Eine Gravitationswelle breitet sich in der Raumzeit auf ähnliche Weise aus: Sie komprimiert und dehnt die Körper und Objekte, die sich auf ihrem Weg treffen. „Wenn ein bestimmtes Objekt auf dem Weg einer Welle angetroffen wird, verformt es sich entlang seiner Achsen und kehrt nach seinem Durchgang in seine vorherige Form zurück. Unter dem Einfluss einer Gravitationswelle werden alle Körper deformiert, aber diese Verformungen sind sehr.“ unbedeutend“, sagt Hnatyk.

Als die Welle vorbeizog, was von Wissenschaftlern aufgezeichnet wurde, veränderte sich die relative Größe der Körper im Raum um einen Wert in der Größenordnung von 1 mal 10 minus 21. Potenz. Wenn Sie beispielsweise ein Meterlineal nehmen, schrumpft es um einen solchen Wert, dass es seiner Größe entspricht, multipliziert mit 10 hoch minus 21 Grad. Das ist eine sehr kleine Menge. Und das Problem bestand darin, dass Wissenschaftler lernen mussten, wie man diese Entfernung misst. Herkömmliche Methoden ergaben eine Genauigkeit in der Größenordnung von 1 bis 10 hoch 9 Millionen, hier ist jedoch eine viel höhere Genauigkeit erforderlich. Zu diesem Zweck wurden sogenannte Gravitationsantennen (Detektoren für Gravitationswellen) geschaffen.

LIGO-Observatorium (Foto - EPA)

Die Antenne, die die Gravitationswellen aufzeichnete, ist folgendermaßen aufgebaut: Es gibt zwei etwa vier Kilometer lange Röhren, die in Form des Buchstabens „L“ angeordnet sind, jedoch die gleichen Arme haben und im rechten Winkel stehen. Wenn eine Gravitationswelle auf das System trifft, verformt sie die Flügel der Antenne, je nach Ausrichtung jedoch den einen mehr und den anderen weniger. Und dann gibt es einen Gangunterschied, das Interferenzmuster des Signals ändert sich – es entsteht insgesamt eine positive oder negative Amplitude.

„Das heißt, der Durchgang einer Gravitationswelle ähnelt einer Welle auf dem Wasser, die zwischen zwei Schwimmkörpern hindurchläuft: Wenn wir den Abstand zwischen ihnen während und nach dem Durchgang der Welle messen würden, würden wir sehen, dass sich der Abstand ändern und dann werden würde.“ „Das Gleiche noch einmal“, sagte er. Gnatyk.

Außerdem misst es die relative Abstandsänderung der beiden Flügel des Interferometers, die jeweils etwa 4 Kilometer lang sind. Und nur sehr präzise Technologien und Systeme können eine solche mikroskopische Verschiebung der Flügel durch eine Gravitationswelle messen.

Am Rande des Universums: Woher kam die Welle?

Wissenschaftler zeichneten das Signal mit zwei Detektoren auf, die sich in den USA in zwei Bundesstaaten befinden: Louisiana und Washington, in einer Entfernung von etwa dreitausend Kilometern. Wissenschaftler konnten abschätzen, wo und aus welcher Entfernung dieses Signal kam. Schätzungen zufolge kam das Signal aus einer Entfernung von 410 Megaparsec. Ein Megaparsec ist die Distanz, die Licht in drei Millionen Jahren zurücklegt.

Um es einfacher vorzustellen: Die uns am nächsten gelegene aktive Galaxie mit einem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum ist Centaurus A, die vier Megaparsec von unserer entfernt ist, während der Andromedanebel 0,7 Megaparsec entfernt ist. „Das heißt, die Entfernung, aus der das Gravitationswellensignal kam, ist so groß, dass das Signal etwa 1,3 Milliarden Jahre lang zur Erde gelangte. Das sind kosmologische Entfernungen, die etwa 10 % des Horizonts unseres Universums erreichen“, sagte der Wissenschaftler.

In dieser Entfernung verschmolzen in einer fernen Galaxie zwei Schwarze Löcher. Diese Löcher waren einerseits relativ klein, andererseits deutet die große Amplitude des Signals darauf hin, dass sie sehr schwer waren. Es wurde festgestellt, dass ihre Massen 36 bzw. 29 Sonnenmassen betrugen. Wie Sie wissen, ist die Masse der Sonne ein Wert, der 2 mal 10 hoch 30 eines Kilogramms entspricht. Nach der Verschmelzung verschmolzen diese beiden Körper und an ihrer Stelle bildete sich nun ein einziges Schwarzes Loch mit einer Masse von 62 Sonnenmassen. Gleichzeitig spritzten etwa drei Massen der Sonne in Form von Gravitationswellenenergie aus.

Wer hat die Entdeckung gemacht und wann

Wissenschaftlern des internationalen LIGO-Projekts gelang es am 14. September 2015, eine Gravitationswelle zu entdecken. LIGO (Laserinterferometrie-Gravitationsobservatorium) ist ein internationales Projekt, an dem sich eine Reihe von Staaten beteiligen, die einen bestimmten finanziellen und wissenschaftlichen Beitrag geleistet haben, insbesondere die USA, Italien und Japan, die auf dem Gebiet dieser Studien fortgeschritten sind.

Die Professoren Rainer Weiss und Kip Thorne (Foto - EPA)

Das folgende Bild wurde aufgezeichnet: Es kam zu einer Verschiebung der Flügel des Gravitationsdetektors, als Folge des tatsächlichen Durchgangs einer Gravitationswelle durch unseren Planeten und durch diese Installation. Dies wurde damals nicht gemeldet, da das Signal verarbeitet, „gereinigt“, seine Amplitude gefunden und überprüft werden musste. Dies ist ein Standardverfahren: Von einer echten Entdeckung bis zur Ankündigung einer Entdeckung vergehen mehrere Monate, bis ein gültiger Anspruch geltend gemacht wird. „Niemand will seinen Ruf ruinieren. Das sind alles geheime Daten, vor deren Veröffentlichung niemand etwas davon wusste, es gab nur Gerüchte“, sagte Hnatyk.

Geschichte

Gravitationswellen werden seit den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts untersucht. In dieser Zeit wurden eine Reihe von Detektoren entwickelt und eine Reihe von grundlegende Forschung. In den 80er Jahren baute der amerikanische Wissenschaftler Joseph Weber die erste Gravitationsantenne in Form eines mehrere Meter großen Aluminiumzylinders, ausgestattet mit Piezosensoren, die den Durchgang einer Gravitationswelle aufzeichnen sollten.

Die Empfindlichkeit dieses Instruments war millionenfach schlechter als die heutiger Detektoren. Und natürlich konnte er die Welle damals nicht wirklich reparieren, obwohl Weber sagte, er habe es geschafft: Die Presse schrieb darüber und es kam zu einem „Gravitationsboom“ – die Welt begann sofort mit dem Bau von Gravitationsantennen. Weber ermutigte andere Wissenschaftler, Gravitationswellen zu untersuchen und ihre Experimente zu diesem Phänomen fortzusetzen, was es ermöglichte, die Empfindlichkeit von Detektoren millionenfach zu steigern.

Das eigentliche Phänomen der Gravitationswellen wurde jedoch bereits im letzten Jahrhundert aufgezeichnet, als Wissenschaftler einen Doppelpulsar entdeckten. Es war eine indirekte Registrierung der Tatsache, dass Gravitationswellen existieren, nachgewiesen durch astronomische Beobachtungen. Der Pulsar wurde 1974 von Russell Hulse und Joseph Taylor bei Beobachtungen mit dem Radioteleskop des Arecibo-Observatoriums entdeckt. Wissenschaftler wurden ausgezeichnet Nobelpreis 1993 „für die Entdeckung eines neuen Pulsartyps, der neue Möglichkeiten für die Erforschung der Schwerkraft eröffnet hat.“

Forschung in der Welt und in der Ukraine

In Italien steht ein ähnliches Projekt namens Virgo kurz vor der Fertigstellung. Auch Japan will in einem Jahr einen ähnlichen Detektor auf den Markt bringen, auch Indien bereitet ein solches Experiment vor. Das heißt, in vielen Teilen der Welt gibt es ähnliche Detektoren, aber sie haben noch nicht den Empfindlichkeitsmodus erreicht, sodass wir über die Fixierung von Gravitationswellen sprechen können.

„Offiziell ist die Ukraine kein Mitglied von LIGO und beteiligt sich auch nicht an den italienischen und japanischen Projekten. Unter diesen grundlegenden Bereichen beteiligt sich die Ukraine jetzt am LHC-Projekt (LHC – Large Hadron Collider) und am CERN“ (wir werden es offiziell tun). Mitglied werden kann man erst nach Zahlung des Eintrittsgeldes)“, sagte Bogdan Gnatyk, Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften, gegenüber LIGA.net.

Ihm zufolge ist die Ukraine seit 2015 Vollmitglied der internationalen Zusammenarbeit CTA (MChT-Cherenkov Telescope Array), die ein modernes Teleskop-Multi baut TeV großer Gammabereich (mit Photonenenergien bis zu 1014 eV). „Die Hauptquellen solcher Photonen liegen genau in der Nähe supermassereicher Schwarzer Löcher, deren Gravitationsstrahlung erstmals vom LIGO-Detektor aufgezeichnet wurde. Daher eröffnen sich neue Fenster in der Astronomie – Gravitationswellen und Multi TeV„Das neue elektromagnetische Feld verspricht uns in Zukunft noch viele weitere Entdeckungen“, fügt der Wissenschaftler hinzu.

Wie geht es weiter und wie wird neues Wissen den Menschen helfen? Wissenschaftler sind anderer Meinung. Manche sagen, dies sei nur ein weiterer Schritt zum Verständnis der Mechanismen des Universums. Andere sehen darin den ersten Schritt hin zu neuen Technologien zur Fortbewegung durch Zeit und Raum. Auf die eine oder andere Weise hat diese Entdeckung einmal mehr bewiesen, wie wenig wir verstehen und wie viel noch zu lernen bleibt.

Gravitationswellen – Künstlerbild

Gravitationswellen sind Störungen der Raum-Zeit-Metrik, die sich von der Quelle lösen und sich wellenartig ausbreiten (die sogenannten „Raum-Zeit-Wellen“).

In der Allgemeinen Relativitätstheorie und in den meisten anderen moderne Theorien Schwerkraft Gravitationswellen werden durch die Bewegung massiver Körper mit variabler Beschleunigung erzeugt. Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit frei im Raum aus. Aufgrund der relativen Schwäche der Gravitationskräfte (im Vergleich zu anderen) haben diese Wellen eine sehr geringe Stärke, die schwer zu registrieren ist.

Polarisierte Gravitationswelle

Gravitationswellen werden von der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) und vielen anderen vorhergesagt. Sie wurden erstmals im September 2015 von zwei Zwillingsdetektoren direkt entdeckt, die Gravitationswellen aufzeichneten, die wahrscheinlich aus der Verschmelzung der beiden und der Bildung eines weiteren massereichen rotierenden Schwarzen Lochs resultierten. Indirekte Beweise für ihre Existenz sind seit den 1970er Jahren bekannt – die allgemeine Relativitätstheorie sagt die Konvergenzrate naher Systeme voraus, die mit Beobachtungen aufgrund des Energieverlusts für die Emission von Gravitationswellen zusammenfällt. Die direkte Registrierung von Gravitationswellen und deren Nutzung zur Bestimmung der Parameter astrophysikalischer Prozesse ist eine wichtige Aufgabe der modernen Physik und Astronomie.

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie werden Gravitationswellen durch Lösungen der Einstein-Gleichungen vom Wellentyp beschrieben, die eine Störung der Raum-Zeit-Metrik darstellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt (in linearer Näherung). Die Manifestation dieser Störung sollte insbesondere eine periodische Änderung des Abstands zwischen zwei frei fallenden (also von keinerlei Kräften beeinflussten) Testmassen sein. Amplitude H Die Gravitationswelle ist eine dimensionslose Größe – eine relative Abstandsänderung. Die vorhergesagten maximalen Amplituden von Gravitationswellen von astrophysikalischen Objekten (z. B. kompakten binären Systemen) und Phänomenen (Explosionen, Verschmelzungen, Einfänge durch Schwarze Löcher usw.) sind sehr klein, wenn sie in ( H=10 −18 -10 −23). Eine schwache (lineare) Gravitationswelle trägt nach der Allgemeinen Relativitätstheorie Energie und Impuls, bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit, ist transversal, quadrupolförmig und wird durch zwei unabhängige Komponenten beschrieben, die in einem Winkel von 45° zueinander stehen (hat zwei Polarisationsrichtungen).

Verschiedene Theorien sagen die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen auf unterschiedliche Weise voraus. In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist sie gleich der Lichtgeschwindigkeit (in linearer Näherung). In anderen Gravitationstheorien kann sie jeden beliebigen Wert annehmen, auch bis ins Unendliche. Den Daten der ersten Registrierung von Gravitationswellen zufolge erwies sich ihre Ausbreitung als mit dem masselosen Graviton vereinbar, und die Geschwindigkeit wurde auf geschätzt gleich der Geschwindigkeit Sweta.

Erzeugung von Gravitationswellen

Ein System aus zwei Neutronensternen erzeugt Wellen in der Raumzeit

Eine Gravitationswelle wird von jeder Materie ausgesendet, die sich mit asymmetrischer Beschleunigung bewegt. Für die Entstehung einer Welle erheblicher Amplitude sind eine extrem große Masse des Emitters oder/und enorme Beschleunigungen erforderlich, zu denen die Amplitude der Gravitationswelle direkt proportional ist erste Ableitung der Beschleunigung und die Masse des Generators, also ~ . Wenn sich jedoch ein Objekt mit beschleunigter Geschwindigkeit bewegt, bedeutet dies, dass von der Seite eines anderen Objekts eine Kraft auf es einwirkt. Dieses andere Objekt erfährt wiederum die umgekehrte Wirkung (gemäß dem 3. Newtonschen Gesetz), während sich herausstellt, dass dies der Fall ist M 1 A 1 = − M 2 A 2 . Es stellt sich heraus, dass zwei Objekte nur paarweise Gravitationswellen ausstrahlen und sich durch Interferenz gegenseitig fast vollständig auslöschen. Daher hat Gravitationsstrahlung in der Allgemeinen Relativitätstheorie immer den Charakter von mindestens Quadrupolstrahlung im Sinne der Multipolarität. Darüber hinaus enthält der Ausdruck für die Strahlungsintensität für nichtrelativistische Emitter einen kleinen Parameter, bei dem es sich um den Gravitationsradius des Emitters handelt. R- seine charakteristische Größe, T- charakteristische Bewegungsperiode, C ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Die stärksten Quellen von Gravitationswellen sind:

kollidieren (riesige Massen, sehr kleine Beschleunigungen),
Gravitationskollaps eines binären Systems kompakter Objekte (kolossale Beschleunigungen mit ziemlich großer Masse). Als besonderer und höchst interessanter Fall gilt die Verschmelzung von Neutronensternen. In einem solchen System liegt die Leuchtkraft der Gravitationswelle nahe an der höchstmöglichen Planck-Leuchtkraft in der Natur.

Von einem Zweikörpersystem ausgesendete Gravitationswellen

Zwei Körper bewegen sich auf Kreisbahnen um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt

Zwei gravitativ gebundene Körper mit Massen M 1 und M 2 , nichtrelativistisch bewegen ( v << C) auf Kreisbahnen um ihren gemeinsamen Massenschwerpunkt in einiger Entfernung R voneinander entfernt, strahlen im Mittel über den Zeitraum Gravitationswellen folgender Energie aus:

Dadurch verliert das System Energie, was zur Konvergenz der Körper führt, also zu einer Verringerung des Abstands zwischen ihnen. Annäherungsgeschwindigkeit von Körpern:

Für das Sonnensystem beispielsweise ist das Subsystem die größte Gravitationsstrahlung. Die Leistung dieser Strahlung beträgt etwa 5 Kilowatt. Somit ist der Energieverlust des Sonnensystems durch Gravitationsstrahlung pro Jahr im Vergleich zur charakteristischen kinetischen Energie von Körpern völlig vernachlässigbar.

Gravitationskollaps eines binären Systems

Wenn sich seine Komponenten um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt drehen, verliert jeder Doppelstern Energie (wie angenommen - aufgrund der Emission von Gravitationswellen) und verschmilzt schließlich miteinander. Bei gewöhnlichen, nicht kompakten Doppelsternen dauert dieser Prozess jedoch sehr lange, viel länger als heute. Wenn das binäre Kompaktsystem aus einem Paar von Neutronensternen, Schwarzen Löchern oder einer Kombination aus beiden besteht, kann die Verschmelzung in mehreren Millionen Jahren stattfinden. Erstens nähern sich die Objekte einander an und ihre Umlaufdauer nimmt ab. Im Endstadium kommt es dann zu einer Kollision und einem asymmetrischen Gravitationskollaps. Dieser Prozess dauert den Bruchteil einer Sekunde und während dieser Zeit geht Energie in Gravitationsstrahlung verloren, die einigen Schätzungen zufolge mehr als 50 % der Masse des Systems ausmacht.

Grundlegende exakte Lösungen der Einstein-Gleichungen für Gravitationswellen

Körperwellen von Bondi – Pirani – Robinson

Diese Wellen werden durch eine Metrik der Form beschrieben. Wenn wir eine Variable und eine Funktion einführen, erhalten wir aus den GR-Gleichungen die Gleichung

Takeno-Metrik

hat die Form , -Funktionen, erfüllen die gleiche Gleichung.

Rosen-Metrik

Wo befriedigen

Perez-Metrik

Dabei

Einstein-Rosen-Zylinderwellen

In Zylinderkoordinaten haben solche Wellen die Form und sind erfüllt

Registrierung von Gravitationswellen

Die Registrierung von Gravitationswellen ist aufgrund ihrer Schwäche (geringe Verzerrung der Metrik) ziemlich kompliziert. Die Instrumente für ihre Registrierung sind Gravitationswellendetektoren. Seit Ende der 1960er Jahre gibt es Versuche, Gravitationswellen nachzuweisen. Beim Kollaps eines Doppelsternsystems werden Gravitationswellen mit nachweisbarer Amplitude erzeugt. Ähnliche Veranstaltungen finden in der Umgebung etwa einmal im Jahrzehnt statt.

Andererseits sagt die Allgemeine Relativitätstheorie eine Beschleunigung der gegenseitigen Rotation von Doppelsternen aufgrund des Energieverlusts für die Emission von Gravitationswellen voraus, und dieser Effekt wurde in mehreren bekannten Systemen binärer kompakter Objekte (insbesondere Pulsaren) zuverlässig aufgezeichnet mit kompakten Begleitern). 1993 „für die Entdeckung eines neuen Pulsartyps, der neue Möglichkeiten bei der Erforschung der Schwerkraft eröffnete“ an die Entdecker des ersten Doppelpulsars PSR B1913+16, Russell Hulse und Joseph Taylor Jr. wurde mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Die in diesem System beobachtete Rotationsbeschleunigung stimmt vollständig mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zur Emission von Gravitationswellen überein. Das gleiche Phänomen wurde in mehreren anderen Fällen beobachtet: für die Pulsare PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (normalerweise als J0651 abgekürzt) und das binäre RX J0806-System. Beispielsweise verringert sich der Abstand zwischen den beiden Komponenten A und B des ersten Doppelsterns der beiden Pulsare PSR J0737-3039 aufgrund des Energieverlusts durch Gravitationswellen um etwa 2,5 Zoll (6,35 cm) pro Tag, und dies geschieht gemäß Allgemeine Relativitätstheorie. Alle diese Daten werden als indirekte Bestätigung der Existenz von Gravitationswellen interpretiert.

Schätzungen zufolge sind die stärksten und häufigsten Quellen von Gravitationswellen für Gravitationsteleskope und -antennen Katastrophen, die mit dem Zusammenbruch binärer Systeme in nahegelegenen Galaxien verbunden sind. Es wird erwartet, dass fortschrittliche Gravitationsdetektoren in naher Zukunft mehrere solcher Ereignisse pro Jahr registrieren und die Metrik in der Umgebung um 10 −21 -10 −23 verzerren. Die ersten Beobachtungen des optisch-metrischen parametrischen Resonanzsignals, das es ermöglicht, die Wirkung von Gravitationswellen aus periodischen Quellen des nahen binären Typs auf die Strahlung kosmischer Maser zu erfassen, wurden möglicherweise am russischen Radioastronomie-Observatorium gewonnen Akademie der Wissenschaften, Puschtschino.

Eine weitere Möglichkeit, den Hintergrund der das Universum füllenden Gravitationswellen zu erkennen, ist die hochpräzise Zeitmessung entfernter Pulsare – die Analyse der Ankunftszeit ihrer Pulse, die sich charakteristischerweise unter der Wirkung von Gravitationswellen ändert, die durch den Raum zwischen der Erde und dem Pulsar wandern. Schätzungen aus dem Jahr 2013 zufolge muss die Zeitgenauigkeit um etwa eine Größenordnung erhöht werden, um Hintergrundwellen aus mehreren Quellen in unserem Universum erkennen zu können, und diese Aufgabe kann noch vor Ende des Jahrzehnts gelöst werden.

Nach modernen Vorstellungen ist unser Universum mit Reliktgravitationswellen gefüllt, die in den ersten Augenblicken danach auftauchten. Ihre Registrierung wird Aufschluss über die Prozesse zu Beginn der Geburt des Universums geben. Am 17. März 2014 um 20:00 Uhr Moskauer Zeit gab eine amerikanische Forschergruppe, die am BICEP 2-Projekt arbeitet, im Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics die Entdeckung von Tensorstörungen ungleich Null im frühen Universum durch Polarisation des CMB bekannt. Das ist auch die Entdeckung dieser Relikt-Gravitationswellen. Dieses Ergebnis wurde jedoch fast sofort angefochten, da sich herausstellte, dass der Beitrag von . Einer der Autoren, J. M. Kovats ( Kovac J.M.) räumte ein, dass „die Teilnehmer des Experiments und Wissenschaftsjournalisten bei der Interpretation und Berichterstattung über die Daten des BICEP2-Experiments etwas voreilig waren.“

Experimentelle Existenzbestätigung

Das erste aufgezeichnete Gravitationswellensignal. Links Daten vom Detektor bei Hanford (H1), rechts bei Livingston (L1). Die Zeit wird ab dem 14. September 2015, 09:50:45 UTC gezählt. Um das Signal sichtbar zu machen, wurde es mit einem Frequenzfilter mit einer Bandbreite von 35–350 Hz gefiltert, um große Schwankungen außerhalb des hohen Empfindlichkeitsbereichs der Detektoren zu unterdrücken; außerdem wurden Bandpassfilter verwendet, um das Rauschen der Anlagen selbst zu unterdrücken. Obere Reihe: Spannungen h in den Detektoren. GW150914 kam zuerst bei L1 an und nach 6 9 +0 5 −0 4 ms bei H1; Zum visuellen Vergleich werden die Daten von H1 im L1-Plot invertiert und zeitversetzt angezeigt (um die relative Ausrichtung der Detektoren zu berücksichtigen). Zweite Reihe: Spannungen h aus dem Gravitationswellensignal, durch denselben Bandpassfilter 35-350 Hz geleitet. Die durchgezogene Linie ist das Ergebnis der numerischen Relativitätstheorie für ein System mit Parametern, die mit denen kompatibel sind, die auf der Grundlage der Untersuchung des GW150914-Signals gefunden wurden, das durch zwei unabhängige Codes mit einer resultierenden Übereinstimmung von 99,9 erhalten wurde. Die grauen dicken Linien sind die 90 %-Konfidenzintervalle der Wellenform, die mit zwei verschiedenen Methoden aus den Detektordaten gewonnen wurden. Die dunkelgraue Linie modelliert die erwarteten Signale von Verschmelzungen Schwarzer Löcher, die hellgraue Linie verwendet keine astrophysikalischen Modelle, sondern stellt das Signal als lineare Kombination von Sinus-Gauß-Wavelets dar. Die Rekonstruktionen überschneiden sich zu 94 %. Dritte Zeile: Restfehler nach Extrahierung der gefilterten Vorhersage des numerischen Relativitätssignals aus dem gefilterten Signal der Detektoren. Untere Reihe: Darstellung der Spannungsfrequenzkarte, die den Anstieg der dominanten Frequenz des Signals im Laufe der Zeit zeigt.

11. Februar 2016 durch LIGO- und VIRGO-Kollaborationen. Das Signal der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit einer maximalen Amplitude von etwa 10 −21 wurde am 14. September 2015 um 09:51 UTC von zwei LIGO-Detektoren in Hanford und Livingston im Abstand von 7 Millisekunden im Bereich des maximalen Signals entdeckt Amplitude (0,2 Sekunden) zusammen betrug das Signal-Rausch-Verhältnis 24:1. Das Signal erhielt die Bezeichnung GW150914. Die Form des Signals entspricht der Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie für die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit Massen von 36 und 29 Sonnenmassen; Das resultierende Schwarze Loch sollte eine Masse von 62 Sonnenmassen und einen Rotationsparameter haben A= 0,67. Die Entfernung zur Quelle beträgt etwa 1,3 Milliarden, die bei der Verschmelzung in Zehntelsekunden abgestrahlte Energie entspricht etwa 3 Sonnenmassen.

Geschichte

Die Geschichte des Begriffs „Gravitationswelle“ selbst, die theoretische und experimentelle Suche nach diesen Wellen sowie ihre Verwendung zur Untersuchung von Phänomenen, die für andere Methoden unzugänglich sind.

1900 – Lorentz schlägt vor, dass sich die Schwerkraft „... mit einer Geschwindigkeit ausbreiten kann, die nicht größer als die Lichtgeschwindigkeit ist“;
1905 - Poincaré führte erstmals den Begriff Gravitationswelle (onde gravifique) ein. Poincaré beseitigte auf qualitativer Ebene die etablierten Einwände von Laplace und zeigte, dass die mit Gravitationswellen verbundenen Korrekturen an Newtons allgemein anerkannten Gravitationsgesetzen der Ordnung aufgehoben werden, sodass die Annahme der Existenz von Gravitationswellen nicht im Widerspruch zu den Beobachtungen steht;
1916 – Einstein zeigte, dass im Rahmen der GR ein mechanisches System Energie auf Gravitationswellen übertragen würde und dass grob gesagt jede Rotation relativ zu Fixsternen früher oder später aufhören muss, obwohl unter normalen Bedingungen natürlich Energieverluste auftreten die Ordnung ist vernachlässigbar und kann praktisch nicht gemessen werden (in dieser Arbeit glaubte er noch fälschlicherweise, dass ein mechanisches System, das ständig die sphärische Symmetrie aufrechterhält, Gravitationswellen ausstrahlen kann);
1918 - Einstein leitete eine Quadrupolformel ab, in der sich herausstellt, dass die Strahlung von Gravitationswellen ein Ordnungseffekt ist, und korrigierte damit den Fehler in seiner vorherigen Arbeit (es gab einen Fehler im Koeffizienten, die Wellenenergie ist 2-mal kleiner);
1923 – Eddington – stellte die physikalische Realität der Gravitationswellen in Frage: „… breiten sich … mit Gedankengeschwindigkeit aus.“ Als Eddington 1934 eine russische Übersetzung seiner Monographie „The Theory of Relativity“ vorbereitete, fügte er mehrere Kapitel hinzu, darunter Kapitel mit zwei Varianten der Berechnung von Energieverlusten durch einen rotierenden Stab, stellte jedoch fest, dass die Methoden, die für Näherungsberechnungen der allgemeinen Relativitätstheorie verwendet wurden, in seinem Meiner Meinung nach sind sie nicht auf gravitativ gekoppelte Systeme anwendbar. Daher bleiben Zweifel bestehen.
1937 – Einstein untersuchte zusammen mit Rosen Zylinderwellenlösungen der exakten Gleichungen des Gravitationsfeldes. Im Verlauf dieser Studien kamen Zweifel auf, dass Gravitationswellen ein Artefakt von Näherungslösungen der GR-Gleichungen sein könnten (es gibt eine bekannte Entsprechung bezüglich der Rezension des Artikels von Einstein und Rosen „Existieren Gravitationswellen?“). Später stellte er einen Fehler in der Begründung fest, die endgültige Fassung des Artikels mit grundlegenden Änderungen war bereits im Journal of the Franklin Institute veröffentlicht;
1957 – Herman Bondy und Richard Feynman schlagen ein Gedankenexperiment zum Thema „Stock mit Perlen“ vor, in dem sie die Existenz der physikalischen Konsequenzen von Gravitationswellen in der Allgemeinen Relativitätstheorie untermauern;
1962 – Vladislav Pustovoit und Mikhail Gertsenshtein beschrieben die Prinzipien der Verwendung von Interferometern zur Erkennung langwelliger Gravitationswellen;
1964 – Philip Peters und John Matthew beschrieben theoretisch die von Doppelsternsystemen ausgesendeten Gravitationswellen;
1969 – Joseph Weber, Begründer der Gravitationswellenastronomie, berichtet über die Entdeckung von Gravitationswellen mithilfe eines Resonanzdetektors – einer mechanischen Gravitationsantenne. Diese Berichte führen zu einem rasanten Wachstum der Arbeit in dieser Richtung, insbesondere Rene Weiss, einer der Gründer des LIGO-Projekts, begann damals mit Experimenten. Bisher (2015) konnte niemand eine verlässliche Bestätigung dieser Ereignisse erhalten;
1978 – Joseph Taylor berichteten über den Nachweis von Gravitationsstrahlung im Doppelsystem des Pulsars PSR B1913+16. Die Arbeit von Joseph Taylor und Russell Hulse wurde 1993 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Zu Beginn des Jahres 2015 wurden für mindestens acht solcher Systeme drei postkeplersche Parameter gemessen, darunter die Verkürzung der Periode aufgrund der Emission von Gravitationswellen;
2002 – Sergey Kopeikin und Edward Fomalont führten dynamische Messungen der Lichtablenkung im Gravitationsfeld des Jupiter durch, indem sie Radiowelleninterferometrie mit einer extralangen Basislinie verwendeten, die für eine bestimmte Klasse hypothetischer Erweiterungen der Allgemeinen Relativitätstheorie die Abschätzung der Geschwindigkeit der Schwerkraft ermöglicht – den Unterschied zur Die Lichtgeschwindigkeit sollte 20 % nicht überschreiten (diese Interpretation wird nicht allgemein akzeptiert);
2006 – das internationale Team von Martha Burgay (Parks Observatory, Australien) berichtete über eine viel genauere Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie und der damit verbundenen Entsprechung der Größe der Gravitationswellenstrahlung im System der beiden Pulsare PSR J0737-3039A/B;
2014 – Astronomen am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (BICEP) berichteten über die Entdeckung ursprünglicher Gravitationswellen bei Messungen von CMB-Fluktuationen. Derzeit (2016) gelten die festgestellten Schwankungen nicht als Reliktursprung, sondern werden durch die Staubstrahlung in der Galaxie erklärt;
2016 – Internationales LIGO-Team kündigte die Entdeckung des Ereignisses des Durchgangs von Gravitationswellen GW150914 an. Zum ersten Mal direkte Beobachtung wechselwirkender massiver Körper in superstarken Gravitationsfeldern mit superhohen Relativgeschwindigkeiten (< 1,2 × R s , v/c >0,5), was es ermöglichte, die Richtigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie mit einer Genauigkeit mehrerer Post-Newtonscher Terme höherer Ordnung zu überprüfen. Die gemessene Ausbreitung von Gravitationswellen widerspricht nicht den vorherigen Messungen der Ausbreitung und der Obergrenze der Masse des hypothetischen Gravitons (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.