Teorija gravitacijskih valova. Pronašli smo gravitacijske valove. Što je sljedeće? Registracija gravitacijskih valova

Podsjetimo se da su neki dan znanstvenici LIGO-a objavili veliki napredak u području fizike, astrofizike i našeg proučavanja svemira: otkriće gravitacijski valovi predvidio Albert Einstein prije 100 godina. Gizmodo je uspio pronaći dr. Amber Staver iz Livingston Observatorija u Louisiani, suradnika LIGO-a, i detaljno se raspitati o tome što to znači za fiziku. Shvaćamo da će biti teško doći do globalnog razumijevanja novog načina razumijevanja našeg svijeta u nekoliko članaka, ali pokušat ćemo.

Do danas je učinjeno mnogo rada na otkrivanju jednog gravitacijskog vala, a ovo je bio veliki napredak. Čini se da se astronomiji otvaraju mnoge nove mogućnosti - no je li ovo prvo otkriće "jednostavan" dokaz da je otkriće samo po sebi moguće ili se iz njega već mogu izvući daljnji znanstveni napredak? Što se nadate da ćete time dobiti u budućnosti? Hoće li u budućnosti postojati jednostavnije metode za otkrivanje ovih valova?

Ovo je doista prvo otkriće, pomak, ali cilj je uvijek bio iskoristiti gravitacijske valove kako bi nova astronomija. Umjesto da u svemiru tražimo vidljivu svjetlost, sada možemo osjetiti suptilne promjene u gravitaciji koje su uzrokovane najvećim, najjačim i (po mom mišljenju) najzanimljivijim stvarima u svemiru - uključujući stvari o kojima nikad ne bismo mogli dobiti informacije uz pomoć svjetla.

Uspjeli smo primijeniti ovu novu vrstu astronomije na valove prve detekcije. Koristeći ono što već znamo o GR (općoj teoriji relativnosti), mogli smo predvidjeti kako će izgledati gravitacijski valovi objekata poput crnih rupa ili neutronskih zvijezda. Signal koji smo pronašli odgovara onome što smo predvidjeli za par crnih rupa, jedna 36 puta masivnija, a druga 29 puta masivnija od Sunca, koje se kovitlaju dok se približavaju jedna drugoj. Na kraju se spajaju u jednu crnu rupu. Dakle, ovo nije samo prva detekcija gravitacijskih valova, već i prvo izravno promatranje crnih rupa, jer se one ne mogu promatrati uz pomoć svjetlosti (samo tvari koja se okreće oko njih).

Zašto ste sigurni da vanjski učinci (poput vibracija) ne utječu na rezultate?

U LIGO-u bilježimo puno više podataka vezanih uz naš okoliš i opremu nego podataka koji mogu sadržavati signal gravitacijskih valova. Razlog za to je što želimo biti što sigurniji da nas ne vode za nos strani učinci i da nismo zavedeni u vezi s detekcijom gravitacijskog vala. Ako osjetimo abnormalno tlo u trenutku kada detektiramo signal gravitacijskog vala, najvjerojatnije ćemo odbaciti tog kandidata.

Video: Gravitacijski valovi na prvi pogled

Još jedna mjera koju poduzimamo kako bismo izbjegli vidjeti nešto nasumično je da oba LIGO detektora vide isti signal s vremenom koje je potrebno da gravitacijski val putuje između dva objekta. Maksimalno vrijeme za takvo putovanje je otprilike 10 milisekundi. Da bismo bili sigurni u moguću detekciju, moramo vidjeti signale istog oblika, gotovo u isto vrijeme, a podaci koje prikupljamo o našem okolišu moraju biti lišeni anomalija.

Postoje mnogi drugi testovi koje kandidat prolazi, ali ovo su glavni.

Postoji li praktičan način generirati gravitacijske valove koji se mogu detektirati sličnim uređajima? Možemo li napraviti gravitacijski radio ili laser?

Sugerirate što je Heinrich Hertz učinio kasnih 1880-ih da otkrije elektromagnetske valove u obliku radio valova. Ali gravitacija je najslabija od temeljnih sila koje drže svemir na okupu. Iz tog razloga, kretanje masa u laboratoriju ili drugom objektu za stvaranje gravitacijskih valova bilo bi preslabo da bi ga uhvatio čak i detektor poput LIGO-a. Da bismo stvorili dovoljno jake valove, morali bismo vrtjeti bučicu takvom brzinom da bi rastrgala svaki poznati materijal. Ali u svemiru postoji mnogo velikih volumena mase koji se kreću iznimno brzo, pa gradimo detektore koji će ih tražiti.

Hoće li ova potvrda promijeniti našu budućnost? Možemo li iskoristiti snagu ovih valova za istraživanje svemira? Hoće li biti moguće komunicirati pomoću ovih valova?

Zbog količine mase koja se mora kretati ekstremnim brzinama da proizvede gravitacijske valove koje detektori poput LIGO-a mogu otkriti, jedini poznati mehanizam za to su parovi neutronskih zvijezda ili crnih rupa koji rotiraju prije spajanja (možda postoje i drugi izvori). Iznimno su male šanse da se radi o nekakvoj naprednoj civilizaciji koja manipulira materijom. Osobno ne mislim da bi bilo sjajno pronaći civilizaciju sposobnu koristiti gravitacijske valove kao sredstvo komunikacije, budući da bi nas lako mogli dokrajčiti.

Jesu li gravitacijski valovi koherentni? Je li ih moguće učiniti koherentnima? Možete li ih fokusirati? Što će se dogoditi s masivnim objektom na koji djeluje usmjerena gravitacijska zraka? Može li se ovaj učinak iskoristiti za poboljšanje akceleratora čestica?

Neke vrste gravitacijskih valova mogu biti koherentne. Zamislite neutronsku zvijezdu koja je gotovo savršeno sferična. Ako se vrti brzo, male deformacije manje od jednog inča proizvest će gravitacijske valove određene frekvencije, što će ih učiniti koherentnima. Ali vrlo je teško fokusirati gravitacijske valove, budući da je svemir za njih proziran; gravitacijski valovi prolaze kroz materiju i izlaze nepromijenjeni. Morate promijeniti putanju barem nekih gravitacijskih valova kako biste ih fokusirali. Možda bi egzotičan oblik gravitacijske leće mogao barem djelomično fokusirati gravitacijske valove, ali bilo bi ih teško, ako ne i nemoguće, koristiti. Ako se mogu fokusirati, bit će i dalje toliko slabi da ne vidim nikakvu praktičnu korist od njih. Ali također su razgovarali o laserima, koji su u osnovi samo fokusirana koherentna svjetlost, pa tko zna.

Kolika je brzina gravitacijskog vala? Ima li ona masu? Ako nije, može li putovati brže od brzine svjetlosti?

Vjeruje se da gravitacijski valovi putuju brzinom svjetlosti. To je brzina ograničena općom teorijom relativnosti. Ali eksperimenti poput LIGO-a trebali bi to testirati. Možda se kreću malo sporije od brzine svjetlosti. Ako je tako, onda bi teorijska čestica povezana s gravitacijom, graviton, imala masu. Budući da sama gravitacija djeluje između masa, to dodatno usložnjava teoriju. Ali nije nemoguće. Koristimo Occamovu britvu: najjednostavnije objašnjenje obično je i najbolje.

Koliko daleko morate biti od spajanja crnih rupa da biste mogli govoriti o njima?

U slučaju naših binarnih crnih rupa, koje smo detektirali iz gravitacijskih valova, one su proizvele maksimalnu promjenu u duljini naših krakova od 4 kilometra za 1x10 -18 metara (to je 1/1000 promjera protona). Također vjerujemo da su te crne rupe udaljene 1,3 milijarde svjetlosnih godina od Zemlje.

Sada pretpostavimo da smo visoki dva metra i da lebdimo na udaljenosti Zemlje od Sunca iz crne rupe. Mislim da biste doživjeli naizmjenično spljoštenje i istezanje za oko 165 nanometara (vaša se visina mijenja za veću vrijednost tijekom dana). Može se doživjeti.

Ako koristite novi putčuti prostor, što znanstvenike najviše zanima?

Potencijal nije u potpunosti poznat, u smislu da bi moglo biti više mjesta nego što smo mislili. Što više naučimo o Svemiru, to ćemo uz pomoć gravitacijskih valova moći bolje odgovoriti na njegova pitanja. Na primjer, na ovim:

• Što uzrokuje eksplozije gama zraka?
• Kako se materija ponaša u ekstremnim uvjetima zvijezde u kolapsu?
• Koji su bili prvi trenuci nakon Velikog praska?
• Kako se materija ponaša u neutronskim zvijezdama?

Ali više me zanima koje se neočekivane stvari mogu detektirati uz pomoć gravitacijskih valova. Svaki put kad su ljudi promatrali svemir na novi način, otkrili smo mnoge neočekivane stvari koje su okrenule naše razumijevanje svemira naglavačke. Želim pronaći te gravitacijske valove i otkriti nešto o čemu prije nismo imali pojma.

Hoće li nam ovo pomoći da napravimo pravi warp pogon?

Budući da gravitacijski valovi slabo djeluju na materiju, teško da se mogu koristiti za pomicanje te materije. Ali čak i da možete, gravitacijski val putuje samo brzinom svjetlosti. Neće raditi za warp pogon. Iako bi bilo cool.

Što je s antigravitacijskim uređajima?

Da bismo stvorili antigravitacijski uređaj, moramo silu privlačenja pretvoriti u silu odbijanja. I iako gravitacijski val širi promjene u gravitaciji, ta promjena nikada neće biti odbojna (ili negativna).

Gravitacija uvijek privlači jer se čini da negativna masa ne postoji. Uostalom, postoji pozitivan i negativan naboj, sjeverni i južni magnetski pol, ali samo pozitivna masa. Zašto? Da postoji negativna masa, lopta bi padala gore umjesto dolje. Odbila bi ga pozitivna masa Zemlje.

Što to znači za mogućnost putovanja kroz vrijeme i teleportacije? Možemo li pronaći praktičnu primjenu za ovaj fenomen, osim proučavanja našeg svemira?

Sada Najbolji način putovanje kroz vrijeme (i samo u budućnost) je putovanje brzinom bliskom svjetlosti (sjetite se paradoksa blizanaca u općoj teoriji relativnosti) ili odlazak u područje s povećanom gravitacijom (ova vrsta putovanja kroz vrijeme demonstrirana je u Interstellaru). Budući da gravitacijski val širi promjene u gravitaciji, postojat će vrlo male fluktuacije u brzini vremena, ali budući da su gravitacijski valovi inherentno slabi, takve su i vremenske fluktuacije. I dok mislim da ovo ne možete primijeniti na putovanje kroz vrijeme (ili teleportaciju), nikad ne reci nikad (kladim se da ste ostali bez daha).

Hoće li doći dan kada ćemo prestati potvrđivati ​​Einsteina i ponovno početi tražiti čudne stvari?

Naravno! Budući da je gravitacija najslabija od sila, također je teško eksperimentirati s njom. Do sada, svaki put kad su znanstvenici stavili GR na test, dobili su točno predviđene rezultate. Čak je i otkriće gravitacijskih valova još jednom potvrdilo Einsteinovu teoriju. Ali pretpostavljam da ćemo, kad počnemo testirati najmanje detalje teorije (možda s gravitacijskim valovima, možda s nekim drugim), pronaći "smiješne" stvari, poput rezultata eksperimenta koji se ne podudaraju točno s predviđanjem. To neće značiti zabludu GR-a, samo potrebu da se razjasne njegovi detalji.

Video: Kako su gravitacijski valovi digli u zrak internet?

Svaki put kad odgovorimo na jedno pitanje o prirodi, pojavljuju se nova. Na kraju ćemo imati pitanja koja će biti hladnija od odgovora koje GR može dopustiti.

Možete li objasniti kako bi ovo otkriće moglo biti povezano ili utjecati na jedinstvenu teoriju polja? Jesmo li bliže tome da to potvrdimo ili opovrgnemo?

Sada su rezultati našeg otkrića uglavnom posvećeni provjeri i potvrdi opće relativnosti. Ujedinjena teorija polja traži način da stvori teoriju koja će objasniti fiziku vrlo malog (kvantna mehanika) i vrlo velikog (opća relativnost). Sada se ove dvije teorije mogu generalizirati kako bi objasnile razmjere svijeta u kojem živimo, ali ne više. Budući da je naše otkriće usredotočeno na fiziku vrlo velikog, ono samo po sebi malo će nam pomoći u smjeru jedinstvene teorije. Ali nije u tome stvar. Sada je polje fizike gravitacijskih valova tek rođeno. Kako budemo učili više, sigurno ćemo proširiti naše rezultate na područje jedinstvene teorije. Ali prije trčanja morate hodati.

Sada kada slušamo gravitacijske valove, što znanstvenici moraju čuti da doslovno šutnu ciglu? 1) Neprirodni uzorci/strukture? 2) Izvori gravitacijskih valova iz područja koja smo smatrali praznima? 3) Rick Astley

Kad sam pročitao vaše pitanje, odmah sam se sjetio scene iz "Kontakta" u kojoj radioteleskop hvata uzorke primarni brojevi. Malo je vjerojatno da se to može naći u prirodi (koliko je nama poznato). Dakle, vaša verzija s neprirodnim uzorkom ili strukturom bila bi najvjerojatnija.

Mislim da nikada nećemo biti sigurni u postojanje praznine u određenom području svemira. Uostalom, sustav crne rupe koji smo pronašli bio je izoliran i iz tog područja nije dolazilo svjetlo, ali smo ipak tamo pronašli gravitacijske valove.

Što se tiče glazbe... specijalizirao sam se za odvajanje signala gravitacijskih valova od statičke buke koju neprestano mjerimo u odnosu na pozadinu okoline. Kad bih mogao pronaći glazbu u gravitacijskom valu, pogotovo onu koju sam već čuo, bila bi to šala. Ali glazba koja se nikada nije čula na Zemlji... Bilo bi to kao jednostavni slučajevi iz "Kontakta".

Budući da eksperiment registrira valove promjenom udaljenosti između dva objekta, je li amplituda jednog smjera veća od drugog? Inače, ne bi li očitanja značila da se svemir mijenja u veličini? I ako je tako, potvrđuje li ovo proširenje ili nešto neočekivano?

Moramo vidjeti mnogo gravitacijskih valova koji dolaze iz mnogo različitih smjerova u svemiru prije nego što možemo odgovoriti na ovo pitanje. U astronomiji ovo stvara populacijski model. Koliko različitih vrsta stvari postoji? to glavno pitanje. Jednom kada budemo imali puno promatranja i počnemo uočavati neočekivane obrasce, na primjer, da gravitacijski valovi određene vrste dolaze iz određenog dijela Svemira i nigdje drugdje, to će biti vrlo zanimljiv rezultat. Neki obrasci mogli bi potvrditi širenje (u što smo vrlo uvjereni) ili druge pojave kojih još nismo svjesni. Ali prvo morate vidjeti puno više gravitacijskih valova.

Potpuno mi je neshvatljivo kako su znanstvenici utvrdili da valovi koje su izmjerili pripadaju dvjema supermasivnim crnim rupama. Kako se s takvom točnošću može odrediti izvor valova?

Metode analize podataka koriste katalog predviđenih signala gravitacijskih valova za usporedbu s našim podacima. Ako postoji snažna korelacija s jednim od ovih predviđanja ili obrazaca, tada ne samo da znamo da je to gravitacijski val, već također znamo koji ga je sustav generirao.

Svaki pojedini način stvaranja gravitacijskog vala, bilo da se crne rupe spajaju, zvijezde vrte ili umiru, svi valovi imaju različite oblike. Kada detektiramo gravitacijski val, koristimo se ovim oblicima, kako predviđa Opća teorija relativnosti, da odredimo njihov uzrok.

Kako znamo da su ti valovi nastali sudarom dviju crnih rupa, a ne nekim drugim događajem? Je li moguće predvidjeti gdje ili kada se takav događaj dogodio, s bilo kojim stupnjem točnosti?

Kad saznamo koji je sustav proizveo gravitacijski val, možemo predvidjeti koliko je gravitacijski val bio jak u blizini mjesta gdje je rođen. Mjerenjem njegove snage dok doseže Zemlju i usporedbom naših mjerenja s predviđenom snagom izvora, možemo izračunati koliko je udaljen izvor. Budući da gravitacijski valovi putuju brzinom svjetlosti, možemo izračunati i koliko je vremena gravitacijskim valovima trebalo da putuju prema Zemlji.

U slučaju sustava crne rupe koji smo otkrili, izmjerili smo maksimalnu promjenu u duljini krakova LIGO po 1/1000 promjera protona. Ovaj sustav je udaljen 1,3 milijarde svjetlosnih godina. Gravitacijski val, otkriven u rujnu i objavljen neki dan, kreće se prema nama već 1,3 milijarde godina. To se dogodilo prije formiranja životinjskog svijeta na Zemlji, ali nakon pojave višestaničnih organizama.

U trenutku objave navedeno je da će drugi detektori tražiti valove s duljim periodom – neki od njih bit će kozmički. Što nam možete reći o ovim velikim detektorima?

Svemirski detektor je doista u razvoju. Zove se LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Budući da će biti u svemiru, bit će dosta osjetljiv na niskofrekventne gravitacijske valove, za razliku od zemaljskih detektora, zbog prirodnih vibracija Zemlje. Bit će teško, jer će sateliti morati biti postavljeni dalje od Zemlje nego što je čovjek ikada bio. Ako nešto pođe po zlu, ne možemo poslati astronaute na popravak kao što smo učinili s Hubbleom 1990-ih. Kako bi se testirale potrebne tehnologije, misija LISA Pathfinder pokrenuta je u prosincu. Do sada je obavila sve postavljene zadatke, ali misija je daleko od završetka.

Mogu li se gravitacijski valovi pretvoriti u zvučne? I ako jesu, kako će izgledati?

Limenka. Naravno, nećete samo čuti gravitacijski val. Ali ako uzmete signal i propustite ga kroz zvučnike, možete ga čuti.

Što trebamo učiniti s ovim informacijama? Zrače li ti valovi druge astronomske objekte značajne mase? Mogu li se valovi koristiti za traženje planeta ili jednostavnih crnih rupa?

Kada se traže gravitacijske vrijednosti, nije bitna samo masa. Također i ubrzanje koje je svojstveno objektu. Crne rupe koje smo pronašli kružile su jedna oko druge brzinom od 60% brzine svjetlosti dok su se spajale. Stoga smo ih uspjeli otkriti tijekom spajanja. Ali sada više ne primaju gravitacijske valove, jer su se stopili u jednu sjedilačku masu.

Dakle, sve što ima veliku masu i kreće se vrlo brzo stvara gravitacijske valove koje možete pokupiti.

Malo je vjerojatno da će egzoplanete imati dovoljnu masu ili ubrzanje za stvaranje vidljivih gravitacijskih valova. (Ne kažem da ih uopće ne rade, samo da neće biti dovoljno jaki ili na drugoj frekvenciji). Čak i ako je egzoplanet dovoljno masivan da proizvede potrebne valove, ubrzanje će ga raskomadati. Ne zaboravite da su najmasivniji planeti obično plinoviti divovi.

Koliko je istinita analogija s valovima u vodi? Možemo li jahati na ovim valovima? Postoje li gravitacijski "vrhovi" poput već poznatih "bušotina"?

Budući da se gravitacijski valovi mogu kretati kroz materiju, ne postoji način da ih jašemo ili koristimo za kretanje. Dakle, nema surfanja s gravitacijskim valovima.

Divni su "vrhovi" i "zdenci". Gravitacija uvijek privlači jer ne postoji negativna masa. Ne znamo zašto, ali to nikada nije primijećeno u laboratoriju ili u svemiru. Stoga se gravitacija obično predstavlja kao "zdenac". Masa koja se kreće duž ovog "bunara" će pasti unutra; tako djeluje privlačnost. Ako imate negativnu masu, tada ćete dobiti odbijanje, a s njim i "vrh". Masa koja se kreće na "vrhu" zakrivit će se od njega. Dakle, "bunari" postoje, ali "vrhovi" ne.

Analogija s vodom je u redu sve dok govorimo o činjenici da snaga vala opada s udaljenošću prijeđenom od izvora. Vodeni val će biti sve manji i manji, a gravitacijski val sve slabiji.

Kako će ovo otkriće utjecati na naš opis inflacijskog razdoblja Velikog praska?

Na ovaj trenutak ovo otkriće za sada nema praktički nikakav učinak na inflaciju. Da bismo dali ovakve izjave, potrebno je promatrati reliktne gravitacijske valove Velikog praska. Projekt BICEP2 vjerovao je da neizravno promatra te gravitacijske valove, no pokazalo se da je za to kriva kozmička prašina. Ako dobije prave podatke, uz njih će biti potvrđeno i postojanje kratkog razdoblja inflacije nedugo nakon Velikog praska.

LIGO će moći izravno vidjeti te gravitacijske valove (to će također biti najslabija vrsta gravitacijskih valova za koju se nadamo da ćemo otkriti). Ako ih vidimo, moći ćemo pogledati duboko u prošlost Svemira, kao što dosad nismo gledali, i iz dobivenih podataka prosuditi inflaciju.

Dana 11. veljače 2016. međunarodna skupina znanstvenika, uključujući i Rusiju, na konferenciji za novinare u Washingtonu objavila je otkriće koje će prije ili kasnije promijeniti razvoj civilizacije. U praksi je bilo moguće dokazati gravitacijske valove ili valove prostor-vremena. Njihovo postojanje predvidio je prije 100 godina Albert Einstein u svojoj.

Nitko ne sumnja da će ovo otkriće biti nagrađeno Nobelovom nagradom. Znanstvenici o tome ne žure govoriti praktična aplikacija. No podsjećaju da čovječanstvo donedavno također nije točno znalo što bi s elektromagnetskim valovima, što je na kraju dovelo do prave znanstveno-tehnološke revolucije.

Što su gravitacijski valovi jednostavnim rječnikom

Gravitacija i univerzalna gravitacija su jedno te isto. Gravitacijski valovi jedno su od OTS rješenja. Moraju se širiti brzinom svjetlosti. Emitira ga svako tijelo koje se kreće promjenjivom akceleracijom.

Na primjer, rotira u svojoj orbiti s promjenjivom akceleracijom usmjerenom prema zvijezdi. A ovo se ubrzanje stalno mijenja. Sunčev sustav zrači energiju reda veličine nekoliko kilovata u gravitacijskim valovima. Ovo je mala količina, usporediva s 3 stara televizora u boji.

Druga stvar su dva pulsara (neutronske zvijezde) koji rotiraju jedan oko drugog. Kreću se u vrlo uskim orbitama. Takav "par" otkrili su astrofizičari i promatrali su ga dugo vremena. Objekti su bili spremni pasti jedan na drugog, što je neizravno upućivalo na to da pulsari zrače prostorno-vremenske valove, odnosno energiju u svom polju.

Gravitacija je sila privlačenja. Privučeni smo tlu. A bit gravitacijskog vala je promjena u tom polju, izrazito slaba kada smo mi u pitanju. Na primjer, uzmite razinu vode u rezervoaru. napetost gravitacijsko polje je ubrzanje slobodnog pada u određenoj točki. Val prolazi kroz naš rezervoar i odjednom se ubrzanje slobodnog pada mijenja, samo malo.

Takvi eksperimenti započeli su 60-ih godina prošlog stoljeća. U to su vrijeme smislili ovo: objesili su ogroman aluminijski cilindar, ohlađen kako bi se izbjegle unutarnje toplinske fluktuacije. I čekali su da val od sudara, na primjer, dviju masivnih crnih rupa iznenada stigne do nas. Istraživači su bili entuzijastični i rekli su da bi gravitacijski val koji dolazi iz svemira mogao utjecati na cijelu kuglu zemaljsku. Planet će početi oscilirati i ovi seizmički valovi (tlačni, posmični i površinski) mogu se proučavati.

Važan članak o uređaju na jednostavnom jeziku i kako su Amerikanci i LIGO ukrali ideju sovjetskih znanstvenika i napravili introferometre koji su omogućili otkriće. Nitko o tome ne govori, svi šute!

Inače, gravitacijsko zračenje zanimljivije je sa stajališta reliktnog zračenja, koje pokušavaju pronaći promjenom spektra elektromagnetskog zračenja. relikvija i elektromagnetska radijacija pojavila 700 tisuća godina nakon Velikog praska, tada u procesu širenja svemira ispunjenog vrućim plinom s putujućim udarnim valovima, koji su se kasnije pretvorili u galaksije. U ovom slučaju, naravno, trebao je biti emitiran gigantski, zapanjujući broj prostorno-vremenskih valova, koji utječu na valnu duljinu kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, koje je u to vrijeme još uvijek bilo optičko. Domaći astrofizičar Sazhin piše i redovito objavljuje članke o ovoj temi.

Pogrešno tumačenje otkrića gravitacijskih valova

“Ogledalo visi, na njega djeluje gravitacijski val i ono počinje oscilirati. I čak i najmanja kolebanja s amplitudom manjom od veličine atomske jezgre primjećuju instrumenti ”- takvo netočno tumačenje, na primjer, koristi se u članku Wikipedije. Ne budite lijeni, pronađite članak sovjetskih znanstvenika iz 1962.

Prvo, ogledalo mora biti masivno da bi se osjetilo "mreškanje". Drugo, mora se ohladiti na gotovo apsolutnu nulu (Kelvin) kako bi se izbjegle vlastite toplinske fluktuacije. Najvjerojatnije, ne samo u 21. stoljeću, nego općenito nikada neće biti moguće detektirati elementarnu česticu - nositelja gravitacijskih valova:

Mahnite rukom i gravitacijski će valovi prostrujati cijelim svemirom.
S. Popov, M. Prohorov. Valovi duhova svemira

U astrofizici se dogodio događaj na koji se čekalo desetljećima. Nakon pola stoljeća potrage konačno su otkriveni gravitacijski valovi, fluktuacije samog prostor-vremena koje je Einstein predvidio prije sto godina. Dana 14. rujna 2015., ažurirani opservatorij LIGO otkrio je prasak gravitacijskog vala koji je nastao spajanjem dviju crnih rupa s masama od 29 i 36 solarnih masa u udaljenoj galaksiji na udaljenosti od oko 1,3 milijarde svjetlosnih godina. Astronomija gravitacijskih valova postala je punopravna grana fizike; otvorio nam je novi način promatranja svemira i omogućit će nam proučavanje učinaka jake gravitacije koji su prije bili nedostupni.

Gravitacijski valovi

Teorije gravitacije mogu smisliti različite. Svi će oni podjednako dobro opisati naš svijet, sve dok se ograničimo na jednu njegovu manifestaciju - Newtonov zakon univerzalne gravitacije. Ali postoje i drugi, suptilniji gravitacijski učinci koji su eksperimentalno ispitani na skali Sunčev sustav, a oni ukazuju na jednu posebnu teoriju, Opću teoriju relativnosti (GR).

Opća relativnost nije samo skup formula, ona je temeljni pogled na suštinu gravitacije. Ako u običnoj fizici prostor služi samo kao pozadina, spremnik fizikalnih pojava, onda u općoj teoriji relativnosti on sam postaje fenomen, dinamička veličina koja se mijenja u skladu sa zakonima opće relativnosti. Upravo se ta iskrivljenja prostor-vremena na ravnoj pozadini - ili, jezikom geometrije, iskrivljenja metrike prostor-vremena - osjećaju kao gravitacija. Ukratko, opća teorija relativnosti otkriva geometrijsko podrijetlo gravitacije.

Opća teorija relativnosti ima vrlo važno predviđanje: gravitacijske valove. To su iskrivljenja prostor-vremena koja su u stanju "otrgnuti se od izvora" i, samoodrživi, ​​odletjeti. To je gravitacija sama po sebi, ničija, svoja. Albert Einstein konačno je formulirao opću relativnost 1915. i gotovo odmah shvatio da njegove jednadžbe dopuštaju postojanje takvih valova.

Kao i kod svake poštene teorije, takvo jasno predviđanje opće relativnosti mora se eksperimentalno potvrditi. Svako tijelo koje se kreće može zračiti gravitacijske valove: planete, kamen bačen uvis i pokret ruke. Problem je, međutim, u tome što je gravitacijska interakcija toliko slaba da nikakve eksperimentalne postavke ne mogu detektirati zračenje gravitacijskih valova iz običnih "emitera".

Da biste "potjerali" snažan val, trebate vrlo snažno iskriviti prostor-vrijeme. Idealna opcija su dvije crne rupe koje rotiraju jedna oko druge u tijesnom plesu, na udaljenosti reda veličine njihovog gravitacijskog radijusa (slika 2). Izobličenje metrike bit će toliko jako da će primjetan dio energije ovog para biti isijavan u gravitacijske valove. Gubeći energiju, par će se približavati jedan drugome, okrećući se sve brže, sve više iskrivljujući metriku i generirajući još jače gravitacijske valove - sve dok se, konačno, ne dogodi radikalno restrukturiranje cijelog gravitacijskog polja ovog para i dvije crne rupe spoje u jednu.

Takvo spajanje crnih rupa je eksplozija goleme snage, ali sva ta izračena energija ne odlazi u svjetlost, ne u čestice, već u vibracije prostora. Energija zračenja činit će zamjetan dio početne mase crnih rupa, a to zračenje će se rasprsnuti u djeliću sekunde. Slične fluktuacije će generirati spajanja neutronskih zvijezda. Nešto slabije gravitacijsko-valno oslobađanje energije prati i druge procese, poput kolapsa jezgre supernove.

Izbijanje gravitacijskog vala od spajanja dvaju kompaktnih objekata ima vrlo specifičan, dobro izračunat profil, prikazan na Sl. 3. Period titranja zadan je orbitalnim gibanjem dvaju tijela jedno oko drugog. Gravitacijski valovi odnose energiju; kao posljedica toga, objekti se približavaju jedni drugima i okreću se brže - a to se vidi i u ubrzanju oscilacija iu povećanju amplitude. U nekom trenutku dolazi do spajanja, zadnji jaki val je izbačen, a zatim slijedi visokofrekventni "after-ring" ( zvonjenje) je podrhtavanje formirane crne rupe, koja “odbacuje” sva nesferna izobličenja (ovaj stupanj nije prikazan na slici). Poznavanje ovog karakterističnog profila pomaže fizičarima u traženju slabog signala takvog spajanja u podacima detektora s visokim šumom.

Oscilacije prostorno-vremenske metrike - jeka gravitacijskih valova grandiozne eksplozije - raspršit će se svemirom u svim smjerovima od izvora. Njihova amplituda opada s udaljenošću, slično kao što svjetlina točkastog izvora opada s udaljenošću od njega. Kada prasak iz daleke galaksije pogodi Zemlju, fluktuacije u metrici bit će reda veličine 10 −22 ili čak manje. Drugim riječima, udaljenost između fizički nepovezanih objekata povremeno će se povećavati i smanjivati ​​za takvu relativnu vrijednost.

Red veličine ovog broja lako je dobiti iz razmatranja skaliranja (vidi članak V. M. Lipunova). U trenutku spajanja neutronskih zvijezda ili crnih rupa zvjezdanih masa, distorzija metrike neposredno uz njih je vrlo velika - reda veličine 0,1, zbog čega je to jaka gravitacija. Takva ozbiljna distorzija zahvaća područje reda veličine ovih objekata, to jest nekoliko kilometara. Udaljavanjem od izvora amplituda titranja pada obrnuto proporcionalno udaljenosti. To znači da će na udaljenosti od 100 Mpc = 3·10 21 km amplituda oscilacija pasti za 21 red veličine i postati oko 10 −22 .

Naravno, ako do spajanja dođe u našoj matičnoj galaksiji, prostorno-vremensko podrhtavanje koje je zahvatilo Zemlju bit će puno jače. Ali takvi se događaji događaju jednom u nekoliko tisuća godina. Stoga zapravo treba računati samo na takav detektor koji će moći osjetiti spajanje neutronskih zvijezda ili crnih rupa na udaljenosti od desetaka do stotina megaparseka, što znači da će pokriti mnoge tisuće i milijune galaksija.

Ovdje treba dodati da je već otkrivena neizravna naznaka o postojanju gravitacijskih valova, pa je za to čak dodijeljena i Nobelova nagrada za fiziku 1993. godine. Dugoročna promatranja pulsara u binarnom sustavu PSR B1913+16 pokazala su da se orbitalni period smanjuje točno brzinom koju predviđa opća relativnost, uzimajući u obzir gubitak energije na gravitacijsko zračenje. Iz tog razloga praktički nitko od znanstvenika ne sumnja u stvarnost gravitacijskih valova; samo je pitanje kako ih uhvatiti.

Povijest pretraživanja

Potraga za gravitacijskim valovima započela je prije otprilike pola stoljeća – i gotovo se odmah pretvorila u senzaciju. Joseph Weber sa Sveučilišta u Marylandu dizajnirao je prvi rezonantni detektor: čvrsti dvometarski aluminijski cilindar s osjetljivim piezo senzorima sa strane i dobrom izolacijom vibracija od stranih vibracija (slika 4). Prolaskom gravitacijskog vala, cilindar će rezonirati u vremenu s distorzijama prostor-vremena, što trebaju registrirati senzori. Weber je izgradio nekoliko takvih detektora, a 1969., nakon analize njihovih očitanja tijekom jedne od sesija, izjavio je otvorenim tekstom da je registrirao "zvuk gravitacijskih valova" u nekoliko detektora odjednom, udaljenih dva kilometra jedan od drugog ( J. Weber, 1969. Dokazi za otkriće gravitacijskog zračenja). Amplituda oscilacija za koju je tvrdio pokazala se nevjerojatno velikom, reda veličine 10 −16 , to jest milijun puta većom od tipične očekivane vrijednosti. Weberova poruka je ispunjena znanstvena zajednica s velikim skepticizmom; osim toga, druge eksperimentalne skupine, naoružane sličnim detektorima, nisu mogle uhvatiti takav signal u budućnosti.

Međutim, Weberovi napori pokrenuli su cijelo ovo područje istraživanja i pokrenuli lov na valove. Od 1970-ih godina, zahvaljujući naporima Vladimira Braginskog i njegovih kolega s Moskovskog državnog sveučilišta, SSSR je također ušao u ovu utrku (vidi odsutnost signala gravitacijskih valova). Zanimljiva priča o tim vremenima je u eseju Ako djevojka upadne u rupu .... Braginsky je, inače, jedan od klasika cjelokupne teorije kvantnih optičkih mjerenja; prvi je došao do koncepta standardne granice kvantnog mjerenja - ključnog ograničenja u optičkim mjerenjima - i pokazao kako se ona u načelu mogu prevladati. Poboljšan je Weberov rezonantni krug, a zahvaljujući dubinskom hlađenju instalacije drastično je smanjena buka (pogledajte popis i povijest ovih projekata). Međutim, točnost takvih potpuno metalnih detektora još uvijek je bila nedostatna za pouzdanu detekciju očekivanih događaja, a osim toga, oni su podešeni da rezoniraju samo u vrlo uskom frekvencijskom području oko kiloherca.

Čini se da mnogo više obećavaju detektori koji ne koriste jedan rezonantni objekt, već prate udaljenost između dva nepovezana, neovisno ovješena tijela, na primjer, dva zrcala. Zbog fluktuacije prostora izazvane gravitacijskim valom, udaljenost između zrcala bit će ili malo veća ili malo manja. U tom slučaju, što je duljina kraka veća, veći će apsolutni pomak biti uzrokovan gravitacijskim valom dane amplitude. Ove vibracije mogu se osjetiti laserskom zrakom koja prolazi između zrcala. Takva shema sposobna je detektirati oscilacije u širokom frekvencijskom rasponu, od 10 herca do 10 kiloherca, a upravo je to interval u kojem će zračiti spojeni parovi neutronskih zvijezda ili crnih rupa zvjezdane mase.

Suvremena implementacija ove ideje temeljena na Michelsonovom interferometru je sljedeća (slika 5). Ogledala su ovješena u dvije dugačke, nekoliko kilometara duge, okomite jedna na drugu vakuumske komore. Na ulazu u instalaciju laserska zraka se dijeli, prolazi kroz obje komore, reflektira se od zrcala, vraća natrag i ponovno spaja u prozirno zrcalo. Faktor kvalitete optičkog sustava je izuzetno visok, tako da laserska zraka ne prolazi samo jednom naprijed-nazad, već se dugo zadržava u ovom optičkom rezonatoru. U “mirnom” stanju duljine su odabrane tako da se dvije zrake nakon rekombinacije međusobno gase u smjeru senzora i tada je fotodetektor u potpunoj sjeni. Ali čim se zrcala pomaknu na mikroskopsku udaljenost pod djelovanjem gravitacijskih valova, kompenzacija dviju zraka postaje nepotpuna i fotodetektor hvata svjetlost. A što je prednapon jači, fotosenzor će vidjeti svjetliju svjetlost.

Riječi "mikroskopski pomak" ni blizu ne odražavaju svu suptilnost učinka. Pomak zrcala za valnu duljinu svjetlosti, odnosno mikrone, lako je uočiti i bez trikova. Ali s duljinom ramena od 4 km, to odgovara prostorno-vremenskim oscilacijama s amplitudom od 10 −10 . Također nije problem uočiti pomak zrcala za promjer atoma - dovoljno je lansirati lasersku zraku koja će se protrčati naprijed-natrag tisuće puta i dobiti željeni fazni upad. Ali čak i to daje snagu od 10 −14 . I trebamo se još milijune puta spustiti na ljestvicu pomaka, odnosno naučiti registrirati pomak zrcala ne čak ni za jedan atom, nego za tisućinke atomske jezgre!

Na putu do ove zaista nevjerojatne tehnologije fizičari su morali prevladati mnoge poteškoće. Neki od njih su čisto mehanički: morate objesiti masivna ogledala na ovjes koji visi na drugom ovjesu, ovaj na treći ovjes i tako dalje - a sve kako biste se što više riješili stranih vibracija. Ostali problemi su također instrumentalni, ali optički. Na primjer, što je snažnija zraka koja cirkulira u optičkom sustavu, to slabiji pomak zrcala može detektirati fotosenzor. Ali prejaka zraka će neravnomjerno zagrijati optičke elemente, što će nepovoljno utjecati na svojstva same zrake. Taj se učinak mora nekako nadoknaditi, a za to, u 2000-ima, cjelina istraživački program ovom prilikom (priču o ovom istraživanju pogledajte u vijesti Svladavanje prepreke na putu do visokoosjetljivog detektora gravitacijskih valova, "Elementi", 27.06.2006.). Konačno, postoje čisto temeljna fizikalna ograničenja povezana s kvantnim ponašanjem fotona u rezonatoru i principom nesigurnosti. Oni ograničavaju osjetljivost senzora na vrijednost koja se naziva standardna kvantna granica. No, fizičari su već naučili kako to prevladati uz pomoć lukavo pripremljenog kvantnog stanja laserske svjetlosti (J. Aasi i sur., 2013. Poboljšana osjetljivost LIGO detektora gravitacijskih valova korištenjem stisnutih stanja svjetlosti).

Postoji popis zemalja u utrci za gravitacijskim valovima; Rusija ima svoju instalaciju, na zvjezdarnici Baksan, a, usput, opisana je u dokumentarnom znanstveno-popularnom filmu Dmitrija Zavilgelskog. "Čekajući valove i čestice". Predvodnici ove utrke sada su dva laboratorija - američki projekt LIGO i talijanski detektor Virgo. LIGO uključuje dva identična detektora koji se nalaze u Hanfordu (Washington) i Livingstonu (Louisiana) i udaljeni su jedan od drugog 3000 km. Imati dvije postavke važno je iz dva razloga. Prvo, signal će se smatrati registriranim samo ako ga oba detektora vide u isto vrijeme. I drugo, po razlici u dolasku praska gravitacijskog vala na dvije instalacije - a može doseći i 10 milisekundi - može se otprilike odrediti s kojeg je dijela neba taj signal došao. Istina, s dva detektora pogreška će biti vrlo velika, ali kada Virgo proradi, točnost će se znatno povećati.

Strogo govoreći, ideju o interferometrijskom otkrivanju gravitacijskih valova prvi je predložio sovjetski fizičari M. E. Gertsenshtein i V. I. Pustovoit davne 1962. godine. Tada je laser tek bio izumljen, a Weber je počeo stvarati svoje rezonantne detektore. Međutim, ovaj članak nije bio zapažen na Zapadu i, istina, nije utjecao na razvoj stvarnih projekata (vidi povijesni pregled Fizika detekcije gravitacijskih valova: rezonantni i interferometrijski detektori).

Stvaranje gravitacijske zvjezdarnice LIGO bila je inicijativa trojice znanstvenika s Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Kalifornijskog instituta za tehnologiju (Caltech). To su Rainer Weiss, koji je implementirao ideju interferometrijskog detektora gravitacijskih valova, Ronald Drever, koji je postigao stabilnost laserske svjetlosti dovoljnu za registraciju, i Kip Thorne, teoretičar-inspirator projekta, danas dobro poznat široj javnosti. kao znanstveni savjetnik film Interstellar. Rana povijest LIGO-a može se pročitati u nedavnom intervjuu s Rainerom Weissom iu memoarima Johna Preskilla.

Aktivnosti vezane uz projekt interferometrijske detekcije gravitacijskih valova započele su krajem 1970-ih, a isprva su mnogi sumnjali iu realnost tog pothvata. Međutim, nakon demonstracije niza prototipova, trenutni LIGO projekt je napisan i odobren. Građena je tijekom cijelog posljednjeg desetljeća 20. stoljeća.

Iako su Sjedinjene Države dale početni poticaj projektu, zvjezdarnica LIGO doista je međunarodni projekt. U nju je uložilo 15 zemalja, financijski i intelektualno, au kolaboraciju je uključeno preko tisuću ljudi. Važnu ulogu u provedbi projekta odigrali su sovjetski i ruski fizičari. U realizaciji projekta LIGO od samog početka aktivno je sudjelovala već spomenuta grupa Vladimira Braginskog s Moskovskog državnog sveučilišta, a kasnije se suradnji pridružio i Institut za primijenjenu fiziku iz Nižnjeg Novgoroda.

Zvjezdarnica LIGO pokrenuta je 2002. godine i do 2010. godine ugostila je šest znanstvenih promatračkih sesija. Nikakvi udari gravitacijskih valova nisu pouzdano detektirani, a fizičari su mogli utvrditi samo gornje granice učestalosti takvih događaja. To ih, međutim, nije previše iznenadilo: procjene su pokazale da je u onom dijelu Svemira koji je detektor u tom trenutku “osluškivao” mala vjerojatnost dovoljno snažne kataklizme: otprilike jednom u nekoliko desetljeća.

cilj

Od 2010. do 2015. kolaboracije LIGO i Virgo radikalno su modernizirale opremu (Virgo je, međutim, još u pripremi). I sada je dugo očekivani cilj bio u izravnoj liniji vidokruga. LIGO - odnosno aLIGO ( Napredni LIGO) - sada je bio spreman uhvatiti praske koje generiraju neutronske zvijezde na udaljenosti od 60 megaparseka, i crne rupe - stotine megaparseka. Volumen svemira otvorenog za slušanje gravitacijskih valova porastao je deset puta u usporedbi s prethodnim sesijama.

Naravno, nemoguće je predvidjeti kada i gdje će se dogoditi sljedeći "prasak" gravitacijskih valova. Ali osjetljivost ažuriranih detektora omogućila je računanje na nekoliko spajanja neutronskih zvijezda godišnje, tako da se prvi prasak mogao očekivati ​​već tijekom prve četveromjesečne sesije promatranja. Ako govorimo o cijelom projektu aLIGO koji je trajao nekoliko godina, onda je presuda bila krajnje jasna: ili će rafali padati jedan za drugim, ili nešto u općoj teoriji relativnosti ne funkcionira u principu. Oboje će biti velika otkrića.

Od 18. rujna 2015. do 12. siječnja 2016. održana je prva aLIGO promatračka sesija. Cijelo to vrijeme internetom su kružile glasine o registraciji gravitacijskih valova, no o suradnji se šutjelo: “prikupljamo i analiziramo podatke i još nismo spremni izvijestiti o rezultatima.” Dodatnu intrigu stvarala je činjenica da u procesu analize ni sami članovi kolaboracije ne mogu biti potpuno sigurni da vide pravi val gravitacijskog vala. Činjenica je da se u LIGO-u prasak generiran na računalu povremeno umjetno uvodi u tok stvarnih podataka. To se zove "blind injection", slijepa injekcija, a od cijele grupe samo tri osobe (!) imaju pristup sustavu koji to izvodi u proizvoljnom trenutku. Tim mora pratiti ovaj val, odgovorno ga analizirati, a tek u zadnjim fazama analize "otvaraju se karte" i članovi kolaboracije će saznati je li to bio stvarni događaj ili test budnosti. Inače, u jednom takvom slučaju 2010. godine došlo se i do pisanja članka, ali se tada otkriveni signal pokazao tek “nabijanjem na slijepo”.

Lirska digresija

Kako bih još jednom osjetio ozbiljnost trenutka, predlažem da ovu priču pogledamo s druge strane, iz znanosti. Kada složeni, nesavladivi znanstveni zadatak ne može trajati nekoliko godina, to je normalan radni trenutak. Kad ne popušta više od jedne generacije, percipira se na sasvim drugačiji način.

Kao školarac čitate znanstveno-popularne knjige i učite o ovoj teško rješivoj, ali užasno zanimljivoj znanstvenoj zagonetki. Kao student učite fiziku, pravite prezentacije, a ponekad vas, prikladno ili ne, ljudi oko vas podsjete na njezino postojanje. Zatim se i sami bavite znanošću, radite u drugom području fizike, ali redovito slušate o neuspješnim pokušajima da se to riješi. Naravno, vi razumijete da se negdje aktivno radi na njegovom rješavanju, ali konačni rezultat za vas kao autsajdera ostaje nepromijenjen. Problem se doživljava kao statična pozadina, kao dekoracija, kao element fizike koji je vječan i gotovo nepromjenjiv u mjerilu vašeg znanstvenog života. Kao zadatak koji je uvijek bio i uvijek će biti.

I onda – riješeno je. I odjednom, u razmjeru od nekoliko dana, osjetite da se fizička slika svijeta promijenila i da je sada treba formulirati drugim pojmovima i postaviti druga pitanja.

Za ljude koji izravno rade na potrazi za gravitacijskim valovima, ovaj zadatak, naravno, nije ostao nepromijenjen. Oni vide cilj, znaju što treba postići. Naravno, nadaju se da će i njima priroda izaći u susret i baciti snažan rafal u neku obližnju galaksiju, ali u isto vrijeme shvaćaju da čak i ako priroda nije tako naklonjena, više se ne može sakriti od znanstvenika. Pitanje je samo kada će točno moći ostvariti svoje tehničke ciljeve. Priču o tom osjećaju osobe koja je nekoliko desetljeća tragala za gravitacijskim valovima možete čuti u već spomenutom filmu. "Čekajući valove i čestice".

Otvor

Na sl. Slika 7 prikazuje glavni rezultat: profil signala koji su zabilježila oba detektora. Može se vidjeti da se na pozadini buke oscilacija željenog oblika isprva pojavljuje slabo, a zatim se povećava u amplitudi i frekvenciji. Usporedba s rezultatima numeričkih simulacija omogućila nam je saznati koje smo objekte promatrali kako se spajaju: to su bile crne rupe s masama od približno 36 i 29 solarnih masa, koje su se spojile u jednu crnu rupu s masom od 62 solarne mase (pogreška od svih ovih brojeva, što odgovara intervalu pouzdanosti od 90 posto, je 4 solarne mase). Autori usput napominju da je nastala crna rupa najteža crna rupa zvjezdane mase ikada opažena. Razlika između ukupne mase dva originalna objekta i konačne crne rupe je 3±0,5 solarne mase. Taj se defekt gravitacijske mase potpuno transformirao u energiju izračenih gravitacijskih valova za oko 20 milisekundi. Izračuni su pokazali da je vršna snaga gravitacijskih valova dosegla 3,6·10 56 erg/s, ili, u smislu mase, približno 200 solarnih masa u sekundi.

Statistička značajnost detektiranog signala je 5,1σ. Drugim riječima, ako pretpostavimo da su se te statističke fluktuacije preklapale jedna s drugom i proizvele takav val čisto slučajno, takav bi događaj morao čekati 200 tisuća godina. To nam omogućuje da s pouzdanjem tvrdimo da detektirani signal nije fluktuacija.

Vremenska odgoda između dva detektora bila je približno 7 milisekundi. To je omogućilo procjenu smjera dolaska signala (slika 9). Budući da postoje samo dva detektora, lokalizacija se pokazala vrlo približnom: područje nebeske sfere koje je prikladno u smislu parametara je 600 kvadratnih stupnjeva.

Suradnja LIGO nije se ograničila samo na konstataciju činjenice o registraciji gravitacijskih valova, već je također provela prvu analizu implikacija koje ovo opažanje ima na astrofiziku. U članku Astrophysical implications of the binary black hole merger GW150914 objavljenom istog dana u časopisu The Astrophysical Journal Letters, autori su procijenili učestalost spajanja crnih rupa. Ispalo je najmanje jedno spajanje u kubnom gigaparseku godišnje, što se slaže s predviđanjima najoptimističnijih modela u tom pogledu.

O čemu govore gravitacijski valovi?

Otkriće novog fenomena nakon desetljeća potrage nije kraj, već tek početak nove grane fizike. Naravno, registracija gravitacijskih valova od spajanja crne dvije je važna sama po sebi. Ovo je izravan dokaz postojanja crnih rupa, i postojanja dvostrukih crnih rupa, i stvarnosti gravitacijskih valova, i, općenito govoreći, dokaz ispravnosti geometrijskog pristupa gravitaciji, na kojem se temelji opća relativnost . Ali za fizičare nije ništa manje vrijedno to što astronomija gravitacijskih valova postaje novi istraživački alat koji omogućuje proučavanje onoga što je prije bilo nedostupno.

Prvo, to je novi način promatranja svemira i proučavanja kozmičkih kataklizmi. Za gravitacijske valove nema prepreka, oni bez problema prolaze kroz sve u Svemiru. Oni su sami sebi dovoljni: njihov profil nosi informacije o procesu koji ih je generirao. Konačno, ako jedna grandiozna eksplozija izazove i optički, neutrinski i gravitacijski prasak, onda ih možete pokušati uhvatiti sve, međusobno usporediti i razvrstati dosad nedostupne detalje onoga što se tamo dogodilo. Biti u stanju uhvatiti i usporediti tako različite signale iz jednog događaja glavni je cilj astronomije svih signala.

Kada detektori gravitacijskih valova postanu još osjetljiviji, moći će detektirati podrhtavanje prostor-vremena ne u samom trenutku spajanja, već nekoliko sekundi prije njega. Oni će automatski poslati svoj signal upozorenja općoj mreži promatračkih postaja, a astrofizički sateliti-teleskopi, nakon što su izračunali koordinate predloženog spajanja, imat će vremena okrenuti se u pravom smjeru u ovim sekundama i početi snimati nebo prije početka optičkog praska.

Drugo, eksplozija gravitacijskih valova omogućit će vam da naučite nove stvari o neutronskim zvijezdama. Spajanje neutronskih zvijezda zapravo je najnoviji i najekstremniji eksperiment s neutronskim zvijezdama koji nam priroda može prirediti, a mi kao gledatelji morat ćemo samo promatrati rezultate. Promatračke posljedice takvog spajanja mogu biti različite (slika 10), a prikupljanjem njihove statistike moći ćemo bolje razumjeti ponašanje neutronskih zvijezda u takvim egzotičnim uvjetima. Pregled trenutnog stanja stvari u tom smjeru može se pronaći u nedavnoj publikaciji S. Rosswoga, 2015. Multi-messenger slika kompaktnih binarnih spajanja.

Treće, registracija praska koji je došao iz supernove i njegova usporedba s optičkim opažanjima omogućit će konačno da se razjasne detalji o tome što se događa unutra, na samom početku kolapsa. Sada fizičari još uvijek imaju poteškoća s numeričkom simulacijom ovog procesa.

Četvrto, fizičari koji se bave teorijom gravitacije imaju željeni "laboratorij" za proučavanje učinaka jake gravitacije. Do sada su svi učinci opće relativnosti koje smo mogli izravno promatrati bili povezani s gravitacijom u slabim poljima. O tome što se događa u uvjetima jake gravitacije, kada distorzije prostor-vremena počnu snažno interagirati same sa sobom, mogli smo nagađati samo po neizravnim manifestacijama, kroz optički eho kozmičkih katastrofa.

Peto, postoji nova prilika za testiranje egzotičnih teorija gravitacije. U modernoj fizici već postoji mnogo takvih teorija, pogledajte, na primjer, poglavlje posvećeno njima iz popularne knjige A. N. Petrova "Gravitacija". Neke od ovih teorija nalikuju konvencionalnoj općoj teoriji relativnosti u granicama slabih polja, ali se mogu uvelike razlikovati od nje kada gravitacija postane vrlo jaka. Drugi pretpostavljaju postojanje novog tipa polarizacije za gravitacijske valove i predviđaju brzinu koja se malo razlikuje od brzine svjetlosti. Konačno, postoje teorije koje uključuju dodatne prostorne dimenzije. Što se o njima može reći na temelju gravitacijskih valova otvoreno je pitanje, no jasno je da se tu neke informacije mogu profitirati. Preporučamo i da pročitate mišljenje samih astrofizičara o tome što će se promijeniti otkrićem gravitacijskih valova, u izboru na Postnauci.

Planovi za budućnost

Izgledi za astronomiju gravitacijskih valova najviše su ohrabrujući. Završila je samo prva, najkraća sesija promatranja aLIGO detektora - a jasan signal već je uhvaćen u ovom kratkom vremenu. Točnije bi bilo reći ovako: prvi signal uhvaćen je i prije službenog lansiranja, a kolaboracija još nije izvijestila o sva četiri mjeseca rada. Tko zna, možda već ima koji dodatni prasak? Ovako ili onako, ali dalje, kako se bude povećavala osjetljivost detektora i širio dio Svemira dostupan gravitacijsko-valnim promatranjima, broj registriranih događaja će rasti poput lavine.

Očekivani raspored mrežnih sesija LIGO-Virgo prikazan je na sl. 11. Druga, šestomjesečna sesija započet će krajem ove godine, treća sesija trajat će gotovo cijelu 2018. godinu, a u svakoj će se fazi povećavati osjetljivost detektora. Oko 2020. aLIGO bi trebao doseći svoju planiranu osjetljivost, što će omogućiti detektoru da sondira svemir za spajanje neutronskih zvijezda koje su do 200 Mpc udaljene od nas. Za još energičnije događaje spajanja crnih rupa, osjetljivost može doseći gotovo gigaparsek. Na ovaj ili onaj način, volumen svemira koji je dostupan za promatranje povećat će se deset puta više u usporedbi s prvom sesijom.

Krajem ove godine u igru ​​ulazi i ažurirani talijanski laboratorij Virgo. Ima nešto manju osjetljivost od LIGO-a, ali je također sasvim pristojan. Zahvaljujući triangulacijskoj metodi, trio detektora razmaknutih u svemiru omogućit će puno bolju uspostavu položaja izvora na nebeskoj sferi. Ako sada, s dva detektora, područje lokalizacije dosegne stotine kvadratnih stupnjeva, tada će ga tri detektora smanjiti na desetke. Osim toga, u Japanu se trenutno gradi slična antena gravitacijskih valova KAGRA, koja će početi s radom za dvije do tri godine, au Indiji se oko 2022. godine planira lansirati detektor LIGO-India. Kao rezultat toga, cijela mreža detektora gravitacijskih valova će raditi i redovito snimati signale za nekoliko godina (slika 13).

Naposljetku, postoje planovi za odnošenje instrumenata s gravitacijskim valovima u svemir, posebice projekt eLISA. Prije dva mjeseca u orbitu je lansiran prvi probni satelit čija će zadaća biti testiranje tehnologija. Još je daleko od stvarne detekcije gravitacijskih valova. No kako ova konstelacija satelita počne prikupljati podatke, otvorit će još jedan prozor u svemir - kroz niskofrekventne gravitacijske valove. Takav svevalni pristup gravitacijskim valovima je dugoročni glavni cilj ovog područja.

Paralele

Otkriće gravitacijskih valova bilo je već treće posljednjih godina slučaj kada su se fizičari konačno probili kroz sve prepreke i došli do dosad nepoznatih zamršenosti strukture našeg svijeta. 2012. godine otkriven je Higgsov bozon – čestica predviđena prije gotovo pola stoljeća. Detektor neutrina IceCube je 2013. godine dokazao realnost astrofizičkih neutrina i počeo “promatrati svemir” na potpuno novi, dosad nedostupan način – kroz neutrine visoke energije. A sada je priroda ponovno poklekla pred čovjekom: otvorio se “prozor” gravitacijskih valova za promatranje svemira, a istovremeno su učinci jake gravitacije postali dostupni za izravno proučavanje.

Moram reći, nigdje nije bilo "besplatnih" od prirode. Tragalo se jako dugo, ali nije posustalo jer tada, desetljećima prije, oprema nije davala rezultat ni energetski, ni razmjerno, ni osjetljivo. Do cilja je doveo stalan, svrhovit razvoj tehnologije, razvoj koji nisu zaustavile ni tehničke poteškoće ni negativni rezultati prošlih godina.

I u sva tri slučaja, samo otkriće nije bio kraj, već, naprotiv, početak novog smjera istraživanja, postalo je novi alat za ispitivanje našeg svijeta. Svojstva Higgsovog bozona postala su mjerljiva - a u tim podacima fizičari pokušavaju razaznati učinke nova fizika. Zahvaljujući povećanoj statistici visokoenergetskih neutrina, astrofizika neutrina poduzima prve korake. Barem se isto sada očekuje od astronomije gravitacijskih valova, a ima razloga za optimizam.

Izvori:
1) LIGO Scientific Col. i Virgo Coll. Promatranje gravitacijskih valova iz spajanja binarnih crnih rupa // Phys. vlč. Lett. Objavljeno 11. veljače 2016.
2) Dokumenti o otkrivanju - popis tehničkih dokumenata koji prate glavni dokument o otkriću.
3) E. Berti. Gledište: Prvi zvukovi spajanja crnih rupa // Fizika. 2016. V. 9. N. 17.

Pregledajte materijale:
1) David Blair et al. Astronomija gravitacijskih valova: trenutno stanje // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott i znanstvena suradnja LIGO i Virgo kolaboracija. Izgledi za promatranje i lokaliziranje tranzijenata gravitacijskih valova s ​​naprednim LIGO i naprednim Virgo // Živi vlč. Relativnost. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Prošlost, sadašnjost i budućnost detektora rezonantnih gravitacijskih valova // Res. Astron. Astrophys. 2011. V. 11. N. 1.
4) Potraga za gravitacijskim valovima - izbor materijala na web stranici časopisa Znanost u potrazi za gravitacijskim valovima.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Detekcija gravitacijskih valova interferometrijom (zemlja i svemir) // arXiv:1102.3355.
6) V. B. Braginski. Astronomija gravitacijskih valova: nove metode mjerenja // UFN. 2000, svezak 170, str 743–752.
7) Peter R. Saulson.

11. veljače 2016

Doslovno prije nekoliko sati stigla je vijest koja se dugo čekala u znanstvenom svijetu. Grupa znanstvenika iz više zemalja, koji rade u sklopu međunarodnog projekta LIGO Scientific Collaboration, kažu da su uz pomoć nekoliko zvjezdarnica-detektora uspjeli fiksirati gravitacijske valove u laboratoriju.

Analiziraju podatke iz dva Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) koji se nalaze u Louisiani i Washingtonu u Sjedinjenim Državama.

Kako je rečeno na tiskovnoj konferenciji projekta LIGO, gravitacijski valovi registrirani su 14. rujna 2015., prvo na jednoj zvjezdarnici, a zatim nakon 7 milisekundi na drugoj.

Na temelju analize dobivenih podataka, koju su proveli znanstvenici iz mnogih zemalja, uključujući i Rusiju, utvrđeno je da je gravitacijski val uzrokovan sudarom dviju crnih rupa mase 29 i 36 puta veće od mase sunce. Nakon toga su se spojili u jednu veliku crnu rupu.

To se dogodilo prije 1,3 milijarde godina. Signal je na Zemlju stigao iz sazviježđa Magellanovog oblaka.

Sergey Popov (astrofizičar na Državnom astronomskom institutu Sternberg Moskovskog državnog sveučilišta) objasnio je što su gravitacijski valovi i zašto ih je toliko važno mjeriti.

Moderne teorije gravitacije su geometrijske teorije gravitacije, više manje sve iz teorije relativnosti. Geometrijska svojstva prostora utječu na kretanje tijela ili objekata kao što je svjetlosni snop. I obrnuto - raspodjela energije (to je isto što i masa u prostoru) utječe geometrijska svojstva prostor. Ovo je vrlo cool, jer je lako vizualizirati - sva ta elastična ravnina poredana u ćeliju ima određeno fizičko značenje, iako, naravno, nije sve tako doslovno.

Fizičari koriste riječ "metrički". Metrika je ono što opisuje geometrijska svojstva prostora. I ovdje imamo tijela koja se kreću ubrzano. Najjednostavnije je da se krastavac okreće. Važno je da to, na primjer, nije lopta i ne spljošteni disk. Lako je zamisliti da kada se takav krastavac vrti na elastičnoj ravnini, iz njega će teći valovi. Zamislite da stojite negdje, a krastavac će ili okrenuti jedan kraj prema vama ili drugi. Utječe na prostor i vrijeme na različite načine, teče gravitacijski val.

Dakle, gravitacijski val je val koji teče duž metrike prostor-vrijeme.

Perle u svemiru

Ovo je temeljno svojstvo našeg osnovnog razumijevanja rada gravitacije, a ljudi ga žele testirati već sto godina. Žele se uvjeriti da učinak postoji i da je vidljiv u laboratoriju. U prirodi se to vidjelo već prije otprilike tri desetljeća. Kako bi se gravitacijski valovi trebali manifestirati u svakodnevnom životu?

Najlakši način da to ilustriramo je sljedeći: ako bacite kuglice u svemir tako da leže u krugu, a kada gravitacijski val prijeđe okomito na njihovu ravninu, počet će se pretvarati u elipsu, stisnutu na jednu ili drugu stranu. Činjenica je da će prostor oko njih biti uznemiren, a oni će to osjetiti.

"G" na Zemlji

Ljudi rade ovako nešto, samo ne u svemiru, već na Zemlji.

Na udaljenosti od četiri kilometra jedno od drugog vise zrcala u obliku slova “g” (misli se na američke zvjezdarnice LIGO).

Laserske zrake teku - ovo je interferometar, dobro shvaćena stvar. Moderne tehnologije omogućuju mjerenje fantastično malog učinka. Još uvijek ne vjerujem, vjerujem, ali jednostavno mi ne ide u glavu - pomak zrcala koja vise na udaljenosti od četiri kilometra jedno od drugog manji je od veličine atomske jezgre. To je malo čak iu usporedbi s valnom duljinom ovog lasera. U tome je bila kvaka: gravitacija je najslabija sila, pa su stoga pomaci vrlo mali.

Trebalo je jako dugo, ljudi su to pokušavali učiniti od 1970-ih, proveli su živote tražeći gravitacijske valove. I sada samo tehničke mogućnosti omogućuju registraciju gravitacijskog vala u laboratorijskim uvjetima, to jest, evo došao je i zrcala su se pomaknula.

Smjer

Za godinu dana, ako sve bude u redu, u svijetu će postojati tri detektora. Tri detektora su vrlo važna, jer te stvari jako loše određuju smjer signala. Otprilike isto kao što slabo čujemo smjer izvora. "Zvuk negdje s desne strane" - ovi detektori osjećaju nešto ovako. Ali ako tri osobe stoje na udaljenosti jedna od druge, a jedna čuje zvuk s desne strane, druga s lijeve, a treća iza, tada možemo vrlo točno odrediti smjer zvuka. Što je više detektora, što ih je više razbacanih po kugli zemaljskoj, točnije možemo odrediti smjer prema izvoru, a onda će početi astronomija.

Uostalom, krajnji zadatak nije samo potvrditi opću teoriju relativnosti, već i doći do novih astronomskih spoznaja. Zamislite da postoji crna rupa koja teži deset puta više od mase Sunca. I sudari se s drugom crnom rupom teškom deset solarnih masa. Do sudara dolazi brzinom svjetlosti. Probojna energija. To je istina. Ima ga fantastično mnogo. I ne… To su samo mreškanja prostora i vremena. Rekao bih da će detekcija spajanja dviju crnih rupa dugo vremena biti najpouzdanija potvrda da se radi o crnim rupama o kojima mi razmišljamo.

Prođimo kroz probleme i pojave koje bi moglo otkriti.

Postoje li crne rupe doista?

Signal koji se očekuje od objave LIGO-a možda je proizveo dvije crne rupe koje su se spajale. Takvi događaji su najenergičniji poznati; snaga gravitacijskih valova koje oni emitiraju može nakratko zasjeniti sve zvijezde vidljivog svemira ukupno. Spajanje crnih rupa također je prilično lako protumačiti u smislu vrlo čistih gravitacijskih valova.

Do spajanja crnih rupa dolazi kada se dvije crne rupe spiralno okreću jedna oko druge, zračeći energiju u obliku gravitacijskih valova. Ovi valovi imaju karakterističan zvuk (cvrkut) koji se može koristiti za mjerenje mase ova dva objekta. Nakon toga se crne rupe obično spajaju.

“Zamislite dva mjehurića od sapunice koji se toliko približe da formiraju jedan mjehur. Veći mjehurić se deformira,” kaže Tybalt Damour, teoretičar gravitacije na Institutu za napredne studije. znanstveno istraživanje blizu Pariza. Konačna crna rupa bit će savršena sferni oblik, ali prvo mora emitirati gravitacijske valove predvidljivog tipa.

Jedna od najvažnijih znanstvenih posljedica otkrića spajanja crnih rupa bit će potvrda postojanja crnih rupa – barem savršeno okruglih objekata koji se sastoje od čistog, praznog, zakrivljenog prostor-vremena, kako predviđa opća teorija relativnosti. Druga posljedica je da se spajanje odvija kako su znanstvenici predvidjeli. Astronomi imaju mnogo neizravnih dokaza za ovaj fenomen, ali do sada su to bila promatranja zvijezda i pregrijanog plina koji kruže oko crnih rupa, a ne same crne rupe.

“Znanstvena zajednica, uključujući i mene, ne voli crne rupe. Uzimamo ih zdravo za gotovo, kaže Frans Pretorius, specijalist za simulacije opće relativnosti na Sveučilištu Princeton u New Jerseyju. "Ali kada razmislite o tome kakvo je ovo nevjerojatno predviđanje, trebamo zaista nevjerojatan dokaz."

Putuju li gravitacijski valovi brzinom svjetlosti?

Kada znanstvenici počnu uspoređivati ​​promatranja LIGO-a s promatranjima drugih teleskopa, prvo što provjeravaju je je li signal stigao u isto vrijeme. Fizičari vjeruju da gravitaciju prenose čestice koje se nazivaju gravitoni, gravitacijski analog fotona. Ako, poput fotona, te čestice nemaju masu, tada će gravitacijski valovi putovati brzinom svjetlosti, što odgovara predviđanju brzine gravitacijskih valova u klasičnoj teoriji relativnosti. (Na njihovu brzinu može utjecati ubrzano širenje svemira, ali to bi se trebalo pokazati na udaljenostima daleko većim od onih koje pokriva LIGO.)

Sasvim je moguće, međutim, da gravitoni imaju malu masu, što znači da će se gravitacijski valovi kretati brzinom manjom od brzine svjetlosti. Tako, na primjer, ako LIGO i Virgo detektiraju gravitacijske valove i otkriju da su valovi stigli na Zemlju kasnije od gama zraka povezanih s kozmičkim događajem, to bi moglo imati posljedice koje će promijeniti život fundamentalnoj fizici.

Je li prostor-vrijeme sastavljeno od kozmičkih struna?

Još čudnije otkriće moglo bi se dogoditi ako se otkriju izboji gravitacijskih valova koji dolaze iz "kozmičkih struna". Ovi hipotetski nedostaci u zakrivljenosti prostor-vremena, koji mogu, ali i ne moraju biti povezani s teorijama struna, trebali bi biti beskonačno tanki, ali rastegnuti preko kozmičkih udaljenosti. Znanstvenici predviđaju da bi se kozmičke žice, ako postoje, mogle slučajno prelomiti; ako se žica savije, to će uzrokovati gravitacijski val koji detektori poput LIGO ili Virgo mogu izmjeriti.

Mogu li neutronske zvijezde biti nazubljene?

Neutronske zvijezde su ostaci velikih zvijezda koje su se urušile pod vlastitom težinom i postale toliko guste da su se elektroni i protoni počeli spajati u neutrone. Znanstvenici slabo razumiju fiziku neutronskih rupa, ali gravitacijski valovi mogli bi puno reći o njima. Na primjer, intenzivna gravitacija na njihovoj površini uzrokuje da neutronske zvijezde postanu gotovo savršeno sferične. Ali neki su znanstvenici sugerirali da bi mogli imati i "planine" - visoke nekoliko milimetara - koje ove guste objekte promjera 10 kilometara, ne više, čine pomalo asimetričnima. Neutronske zvijezde obično se vrte vrlo brzo, tako da će asimetrična raspodjela mase iskriviti prostorvrijeme i proizvesti signal konstantnog gravitacijskog vala u obliku sinusnog vala, usporavajući rotaciju zvijezde i zračeći energiju.

Parovi neutronskih zvijezda koje kruže jedna oko druge također proizvode konstantan signal. Poput crnih rupa, ove zvijezde spiralno se spajaju i na kraju se stapaju uz karakterističan zvuk. Ali njegove specifičnosti razlikuju se od specifičnosti zvuka crnih rupa.

Zašto zvijezde eksplodiraju?

Crne rupe i neutronske zvijezde nastaju kada masivne zvijezde prestanu sjajiti i kolabiraju same u sebe. Astrofizičari misle da je ovaj proces u osnovi svih uobičajenih tipova eksplozija supernove tipa II. Simulacije takvih supernova još nisu pokazale zašto se pale, ali se smatra da odgovor daje slušanje eksplozija gravitacijskih valova koje emitira prava supernova. Ovisno o tome kako valovi praska izgledaju, koliko su glasni, koliko se često pojavljuju i u kakvoj su korelaciji sa supernovama koje prate elektromagnetski teleskopi, ovi bi podaci mogli pomoći u isključivanju gomile postojećih modela.

Kolikom brzinom se svemir širi?

Širenje svemira znači da udaljeni objekti koji se udaljavaju od naše galaksije izgledaju crvenije nego što stvarno jesu, jer se svjetlost koju emitiraju rasteže dok se kreću. Kozmolozi procjenjuju brzinu širenja svemira uspoređujući crveni pomak galaksija s time koliko su daleko od nas. Ali ta se udaljenost obično procjenjuje na temelju sjaja supernova tipa Ia, a ova tehnika ostavlja mnogo nesigurnosti.

Ako nekoliko detektora gravitacijskih valova diljem svijeta detektira signale iz istog spajanja neutronskih zvijezda, zajedno mogu točno procijeniti glasnoću signala, a time i udaljenost na kojoj je došlo do spajanja. Također će moći procijeniti smjer, a time i identificirati galaksiju u kojoj se događaj dogodio. Usporedbom crvenog pomaka ove galaksije s udaljenosti do zvijezda koje se stapaju, može se dobiti neovisna stopa kozmičkog širenja, možda točnija nego što trenutne metode dopuštaju.

izvori

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

http://cont.ws/post/199519

Ovdje smo nekako saznali, ali što je i. Pogledajte kako to izgleda Izvorni članak nalazi se na web stranici InfoGlaz.rf Link na članak iz kojeg je napravljena ova kopija -

Slobodna površina fluida u ravnoteži u gravitacijskom polju je ravna. Ako se pod utjecajem nekog vanjskog utjecaja površina tekućine na nekom mjestu pomakne iz ravnotežnog položaja, tada u tekućini dolazi do gibanja. To kretanje će se širiti duž cijele površine tekućine u obliku valova, koji se nazivaju gravitacijski valovi, budući da nastaju zbog djelovanja gravitacijskog polja. Gravitacijski valovi javljaju se uglavnom na površini tekućine, zahvaćajući njezine unutarnje slojeve to manje, što su ti slojevi dublje.

Ovdje ćemo razmotriti takve gravitacijske valove u kojima je brzina kretanja čestica tekućine toliko mala da se član u Eulerovoj jednadžbi može zanemariti u usporedbi s Lako je otkriti što ovaj uvjet znači fizički. Tijekom vremenskog intervala reda veličine perioda oscilacija koje čine čestice tekućine u valu, te čestice prijeđu udaljenost reda amplitude a vala, dakle, brzina njihovog kretanja je reda Brzine v zamjetno se mijenja u vremenskim intervalima reda i na udaljenostima reda duž smjera širenja vala ( - duljina valova). Dakle, derivacija brzine s obzirom na vrijeme je reda, a s obzirom na koordinate reda Dakle, uvjet je ekvivalentan zahtjevu

tj. Amplituda oscilacija u valu mora biti mala u usporedbi s valnom duljinom. U § 9 smo vidjeli da ako se član može zanemariti u jednadžbi gibanja, tada je gibanje fluida potencijalno. Pretpostavljajući da je tekućina nestlačiva, možemo stoga koristiti jednadžbe (10.6) i (10.7). U jednadžbi (10.7) sada možemo zanemariti član koji sadrži kvadrat brzine; stavljanjem i uvođenjem pojma u gravitacijsko polje dobivamo:

(12,2)

Odaberemo os, kao i obično, okomito prema gore, a kao ravninu x, y odaberemo ravnotežnu ravnu površinu tekućine.

Označavat ćemo - koordinate točaka površine tekućine sa ; je funkcija x, y koordinata i vremena t. U ravnoteži tako postoji vertikalni pomak površine tekućine dok ona oscilira.

Neka na površinu tekućine djeluje stalan tlak Tada imamo na površini prema (12.2)

Konstanta se može eliminirati redefiniranjem potencijala (dodavanjem veličine neovisne o koordinatama. Tada stanje na površini tekućine ima oblik

Malena amplituda titranja u valu znači da je pomak mali. Stoga možemo u istoj aproksimaciji pretpostaviti da se vertikalna komponenta brzine gibanja površinskih točaka podudara s vremenskom derivacijom pomaka Ho, tako da imamo:

Zbog malenosti oscilacija, u ovom stanju, umjesto njih možemo uzeti vrijednosti izvodnica pri . Tako konačno dobivamo sljedeći sustav jednadžbi koje određuju gibanje u gravitacijskom valu:

Razmatrat ćemo valove na površini tekućine, pod pretpostavkom da je ta površina neograničena. Također ćemo pretpostaviti da je valna duljina mala u usporedbi s dubinom tekućine; tada se tekućina može smatrati beskonačno dubokom. Zbog toga ne pišemo rubne uvjete na bočnim granicama i na dnu tekućine.

Razmotrimo gravitacijski val koji se širi duž osi i ravnomjeran je duž osi; u takvom valu sve veličine ne ovise o y koordinati. Tražit ćemo rješenje koje je jednostavna periodična funkcija vremena i koordinate x:

gdje je ( je ciklička frekvencija (govorit ćemo o njoj jednostavno kao o frekvenciji), k je valni vektor vala, je valna duljina. Zamjenom ovog izraza u jednadžbu, dobivamo jednadžbu za funkciju

Njegova otopina koja se raspada u dubinu tekućine (tj. na ):

Također moramo zadovoljiti rubni uvjet (12.5), Zamjenom (12.5) u njega, nalazimo odnos između valnog vektora frekvencije b (ili, kako kažu, zakon disperzije valova):

Raspodjela brzina u tekućini dobiva se diferenciranjem potencijala s obzirom na koordinate:

Vidimo da brzina eksponencijalno opada u smjeru duboko u tekućinu. U svakoj zadanoj točki u prostoru (to jest, za zadane x, z), vektor brzine jednoliko rotira u x-ravnini, ostajući konstantne veličine.

Odredimo i putanju čestica fluida u valu. Označimo privremeno s x, z koordinate pokretne čestice fluida (a ne koordinate fiksne točke u prostoru), a sa - vrijednost x, za ravnotežni položaj čestice. Tada se a na desnoj strani (12.8) može napisati približno umjesto , koristeći malenost oscilacija. Integracija tijekom vremena tada daje:

Dakle, čestice tekućine opisuju krugove oko točaka s radijusom koji se eksponencijalno smanjuje u smjeru duboko u tekućinu.

Brzina širenja valova U jednaka je, kao što će biti pokazano u § 67. Zamjenom ovdje nalazimo da je brzina širenja gravitacijskih valova na neograničenoj površini beskonačno duboke tekućine jednaka

Povećava se s povećanjem valne duljine.

Dugi gravitacijski valovi

Nakon razmatranja gravitacijskih valova, čija je duljina mala u usporedbi s dubinom tekućine, sada se zadržavamo na suprotnom graničnom slučaju valova, čija je duljina velika u usporedbi s dubinom tekućine.

Takvi valovi nazivaju se dugi valovi.

Razmotrimo prvo širenje dugih valova u kanalu. Duljina kanala (usmjerena duž osi x) smatrat će se neograničenom.Poprečni presjek kanala može imati proizvoljan oblik i može varirati duž svoje duljine. Površina poprečnog presjeka tekućine u kanalu bit će označena s Pretpostavlja se da su dubina i širina kanala male u usporedbi s valnom duljinom.

Ovdje ćemo razmotriti uzdužne duge valove, u kojima se tekućina kreće duž kanala. U takvim je valovima komponenta brzine duž duljine kanala velika u usporedbi s komponentama

Označavajući jednostavno v i izostavljajući male članove, možemo napisati -komponentu Eulerove jednadžbe kao

i -komponenta - u obliku

(izostavljamo izraze kvadratne brzine, jer se amplituda vala još uvijek smatra malom). Iz druge jednadžbe imamo, uočivši da na slobodnoj površini ) mora biti

Zamjenom ovog izraza u prvu jednadžbu dobivamo:

Druga jednadžba za određivanje dviju nepoznanica može se izvesti metodom sličnom izvođenju jednadžbe kontinuiteta. Ova jednadžba je u biti jednadžba kontinuiteta primijenjena na slučaj koji razmatramo. Promotrimo volumen tekućine zatvorene između dvije ravnine poprečnog presjeka kanala, koje su udaljene jedna od druge. Po jedinici vremena, volumen tekućine će ući kroz jednu ravninu jednak, a volumen će izaći kroz drugu ravninu. Stoga će se volumen tekućine između obje ravnine promijeniti za