Las ondas gravitacionales son muy largas. La esencia de las ondas gravitacionales en palabras sencillas.

Agita tu mano y las ondas gravitacionales recorrerán todo el Universo.
S. Popov, M. Prokhorov. Ondas fantasmas del universo

Se ha producido un acontecimiento en astrofísica que se esperaba desde hace décadas. Después de medio siglo de búsqueda, finalmente se han descubierto las ondas gravitacionales, las vibraciones del propio espacio-tiempo, predichas por Einstein hace cien años. El 14 de septiembre de 2015, el observatorio LIGO mejorado detectó una explosión de ondas gravitacionales generadas por la fusión de dos agujeros negros con masas de 29 y 36 masas solares en una galaxia distante a aproximadamente 1.300 millones de años luz de distancia. La astronomía de ondas gravitacionales se ha convertido en una rama de la física en toda regla; Nos ha abierto una nueva forma de observar el Universo y nos permitirá estudiar los efectos de la fuerte gravedad, antes inaccesibles.

ondas gravitacionales

Puedes proponer diferentes teorías de la gravedad. Todos ellos describirán nuestro mundo igualmente bien, siempre que nos limitemos a una sola manifestación del mismo: la ley de gravitación universal de Newton. Pero hay otros efectos gravitacionales más sutiles que se han probado experimentalmente a escala del sistema solar y que apuntan a una teoría particular: la relatividad general (GR).

La relatividad general no es sólo un conjunto de fórmulas, es una visión fundamental de la esencia de la gravedad. Si en la física ordinaria el espacio sirve sólo como fondo, un contenedor para los fenómenos físicos, entonces en GTR él mismo se convierte en un fenómeno, una cantidad dinámica que cambia de acuerdo con las leyes de GTR. Son estas distorsiones del espacio-tiempo en relación con un fondo liso -o, en el lenguaje de la geometría, distorsiones de la métrica del espacio-tiempo- las que se sienten como gravedad. En resumen, la relatividad general revela el origen geométrico de la gravedad.

La Relatividad General tiene una predicción crucial: las ondas gravitacionales. Se trata de distorsiones del espacio-tiempo que son capaces de “romperse de la fuente” y, autososteniéndose, volar. Esta es la gravedad en sí misma, la de nadie, la suya propia. Albert Einstein finalmente formuló la relatividad general en 1915 y casi de inmediato se dio cuenta de que las ecuaciones que derivó permitían la existencia de tales ondas.

Como ocurre con cualquier teoría honesta, una predicción tan clara de la relatividad general debe verificarse experimentalmente. Cualquier cuerpo en movimiento puede emitir ondas gravitacionales: planetas, una piedra lanzada hacia arriba o un movimiento de una mano. El problema, sin embargo, es que la interacción gravitacional es tan débil que ninguna configuración experimental puede detectar la emisión de ondas gravitacionales de "emisores" ordinarios.

Para "perseguir" una ola poderosa, es necesario distorsionar mucho el espacio-tiempo. La opción ideal son dos agujeros negros que giran entre sí en una danza cercana, a una distancia del orden de su radio gravitacional (Fig. 2). Las distorsiones de la métrica serán tan fuertes que una parte notable de la energía de este par se emitirá en ondas gravitacionales. Al perder energía, el par se acercará, girará cada vez más rápido, distorsionará cada vez más la métrica y generará ondas gravitacionales aún más fuertes, hasta que, finalmente, se producirá una reestructuración radical de todo el campo gravitacional de este par y dos agujeros negros se fusionarán en uno.

Tal fusión de agujeros negros es una explosión de tremendo poder, pero toda esta energía emitida no se convierte en luz, ni en partículas, sino en vibraciones del espacio. La energía emitida constituirá una parte notable de la masa inicial de los agujeros negros y esta radiación se esparcirá en una fracción de segundo. Oscilaciones similares se generarán mediante fusiones de estrellas de neutrones. Una liberación de energía de ondas gravitacionales ligeramente más débiles también acompaña a otros procesos, como el colapso del núcleo de una supernova.

La onda gravitacional que surge de la fusión de dos objetos compactos tiene un perfil muy específico y bien calculado, como se muestra en la Fig. 3. El período de oscilación está determinado por el movimiento orbital de dos objetos uno alrededor del otro. Las ondas gravitacionales se llevan energía; Como resultado, los objetos se acercan y giran más rápido, y esto es visible tanto en la aceleración de las oscilaciones como en el aumento de la amplitud. En algún momento, se produce una fusión, se emite la última onda fuerte y luego sigue un "anillo posterior" de alta frecuencia ( llamada) - el temblor del agujero negro resultante, que "arroja" todas las distorsiones no esféricas (esta etapa no se muestra en la imagen). Conocer este perfil característico ayuda a los físicos a buscar la señal débil de dicha fusión en datos de detectores altamente ruidosos.

Las fluctuaciones en la métrica del espacio-tiempo (el eco de la onda gravitacional de una grandiosa explosión) se esparcirán por todo el Universo en todas direcciones desde la fuente. Su amplitud se debilita con la distancia, de forma similar a cómo el brillo de una fuente puntual disminuye con la distancia a ella. Cuando una explosión procedente de una galaxia distante llega a la Tierra, las fluctuaciones métricas serán del orden de 10 −22 o incluso menos. En otras palabras, la distancia entre objetos físicamente no relacionados entre sí aumentará y disminuirá periódicamente en una cantidad relativa.

El orden de magnitud de este número es fácil de obtener a partir de consideraciones de escala (ver artículo de V. M. Lipunov). En el momento de la fusión de estrellas de neutrones o agujeros negros de masas estelares, las distorsiones de la métrica situada justo al lado de ellas son muy grandes, del orden de 0,1, razón por la cual la gravedad es fuerte. Una distorsión tan severa afecta un área del orden del tamaño de estos objetos, es decir, varios kilómetros. A medida que nos alejamos de la fuente, la amplitud de la oscilación disminuye en proporción inversa a la distancia. Esto significa que a una distancia de 100 Mpc = 3·10 21 km la amplitud de las oscilaciones disminuirá en 21 órdenes de magnitud y será aproximadamente 10 −22.

Por supuesto, si la fusión se produce en nuestra galaxia de origen, los temblores del espacio-tiempo que lleguen a la Tierra serán mucho más fuertes. Pero tales acontecimientos ocurren una vez cada pocos miles de años. Por lo tanto, deberíamos contar únicamente con un detector que sea capaz de detectar la fusión de estrellas de neutrones o agujeros negros a una distancia de decenas a cientos de megaparsecs, lo que significa que cubrirá muchos miles y millones de galaxias.

A esto hay que añadir que ya se ha descubierto un indicio indirecto de la existencia de ondas gravitacionales, e incluso le concedieron el Premio Nobel de Física en 1993. Las observaciones a largo plazo del púlsar en el sistema binario PSR B1913+16 han demostrado que el período orbital disminuye exactamente al mismo ritmo que predice la relatividad general, teniendo en cuenta las pérdidas de energía debidas a la radiación gravitacional. Por esta razón, casi ninguno de los científicos duda de la realidad de las ondas gravitacionales; la única pregunta es cómo atraparlos.

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La búsqueda de ondas gravitacionales comenzó hace aproximadamente medio siglo y casi de inmediato se convirtió en una sensación. Joseph Weber de la Universidad de Maryland diseñó el primer detector resonante: un cilindro sólido de aluminio de dos metros con sensores piezoeléctricos sensibles en los lados y un buen aislamiento de vibraciones extrañas (Fig. 4). Cuando pasa una onda gravitacional, el cilindro resuena en el tiempo con las distorsiones del espacio-tiempo, que es lo que deben registrar los sensores. Weber construyó varios detectores de este tipo y en 1969, después de analizar sus lecturas durante una de las sesiones, afirmó directamente que había registrado el "sonido de ondas gravitacionales" en varios detectores a la vez, separados por dos kilómetros entre sí (J. Weber, 1969 Evidencia del descubrimiento de la radiación gravitacional). La amplitud de las oscilaciones que declaró resultó ser increíblemente grande, del orden de 10 −16, es decir, un millón de veces mayor que el valor típico esperado. El mensaje de Weber fue recibido con gran escepticismo por parte de la comunidad científica; Además, otros grupos experimentales, armados con detectores similares, no pudieron captar posteriormente ni una sola señal similar.

Sin embargo, los esfuerzos de Weber impulsaron todo este campo de investigación y lanzaron la búsqueda de olas. Desde la década de 1970, gracias a los esfuerzos de Vladimir Braginsky y sus colegas de la Universidad Estatal de Moscú, la URSS también entró en esta carrera (véase la ausencia de señales de ondas gravitacionales). Hay una historia interesante sobre esos momentos en el ensayo Si una niña cae en un agujero... . Braginsky, por cierto, es uno de los clásicos de toda la teoría de las mediciones ópticas cuánticas; fue el primero en idear el concepto de un límite de medición cuántica estándar, una limitación clave en las mediciones ópticas, y mostró cómo, en principio, podrían superarse. Se mejoró el circuito resonante de Weber y, gracias a un enfriamiento profundo de la instalación, el ruido se redujo drásticamente (consulte la lista y el historial de estos proyectos). Sin embargo, la precisión de estos detectores totalmente metálicos aún era insuficiente para detectar de manera confiable los eventos esperados y, además, estaban sintonizados para resonar solo en un rango de frecuencia muy estrecho alrededor del kilohercio.

Los detectores que utilizaban más de un objeto resonante, pero rastreaban la distancia entre dos cuerpos suspendidos independientemente y no relacionados, como dos espejos, parecían mucho más prometedores. Debido a la vibración del espacio causada por la onda gravitacional, la distancia entre los espejos será un poco mayor o un poco menor. Además, cuanto más largo sea el brazo, mayor será el desplazamiento absoluto provocado por una onda gravitacional de una amplitud determinada. Estas vibraciones se pueden sentir mediante un rayo láser que pasa entre los espejos. Un esquema de este tipo es capaz de detectar oscilaciones en una amplia gama de frecuencias, desde 10 hercios hasta 10 kilohercios, y este es precisamente el rango en el que emitirán pares de estrellas de neutrones fusionadas o agujeros negros de masa estelar.

La implementación moderna de esta idea basada en el interferómetro de Michelson se ve así (Fig. 5). Los espejos están suspendidos en dos cámaras de vacío largas, de varios kilómetros de longitud, perpendiculares entre sí. A la entrada de la instalación, el rayo láser se divide, atraviesa ambas cámaras, se refleja en los espejos, regresa y se reúne en un espejo translúcido. El factor de calidad del sistema óptico es extremadamente alto, por lo que el rayo láser no sólo pasa una vez de un lado a otro, sino que permanece durante mucho tiempo en este resonador óptico. En el estado "tranquilo", las longitudes se seleccionan de modo que los dos haces, después de reunirse, se cancelen entre sí en la dirección del sensor, y luego el fotodetector quede en completa sombra. Pero tan pronto como los espejos se mueven una distancia microscópica bajo la influencia de ondas gravitacionales, la compensación de los dos haces se vuelve incompleta y el fotodetector capta la luz. Y cuanto más fuerte sea la compensación, más brillante será la luz que verá el fotosensor.

Las palabras “desplazamiento microscópico” ni siquiera se acercan a transmitir la sutileza del efecto. El desplazamiento de los espejos en la longitud de onda de la luz, es decir, en micrones, es fácil de notar incluso sin ningún truco. Pero con una longitud de brazo de 4 km, esto corresponde a oscilaciones del espacio-tiempo con una amplitud de 10 −10. Notar el desplazamiento de los espejos por el diámetro de un átomo tampoco es un problema: basta con disparar un rayo láser, que avanzará y retrocederá miles de veces y obtendrá el cambio de fase deseado. Pero incluso esto da como máximo 10 −14. ¡Y necesitamos bajar la escala de desplazamiento millones de veces más, es decir, aprender a registrar un cambio de espejo ni siquiera en un átomo, sino en milésimas de núcleo atómico!

En el camino hacia esta tecnología verdaderamente asombrosa, los físicos tuvieron que superar muchas dificultades. Algunos de ellos son puramente mecánicos: es necesario colgar espejos enormes en una suspensión, que cuelga de otra suspensión, éste de una tercera suspensión, etc., y todo para eliminar al máximo las vibraciones extrañas. Otros problemas también son instrumentales, pero ópticos. Por ejemplo, cuanto más potente sea el haz que circula por el sistema óptico, más débil podrá detectar el fotosensor el desplazamiento de los espejos. Pero un haz demasiado potente calentará de manera desigual los elementos ópticos, lo que tendrá un efecto perjudicial sobre las propiedades del propio haz. Este efecto debe compensarse de alguna manera, y para ello en la década de 2000 se lanzó todo un programa de investigación sobre este tema (para una historia sobre esta investigación, consulte la noticia Obstáculo superado en el camino hacia un detector de ondas gravitacionales altamente sensible, "Elementos"). , 27.06.2006 ). Finalmente, existen limitaciones físicas puramente fundamentales relacionadas con el comportamiento cuántico de los fotones en una cavidad y el principio de incertidumbre. Limitan la sensibilidad del sensor a un valor llamado límite cuántico estándar. Sin embargo, los físicos, utilizando un estado cuántico de luz láser inteligentemente preparado, ya han aprendido a superarlo (J. Aasi et al., 2013. Sensibilidad mejorada del detector de ondas gravitacionales LIGO mediante el uso de estados comprimidos de luz).

Toda una lista de países están participando en la carrera por las ondas gravitacionales; Rusia tiene su propia instalación, en el Observatorio de Baksan, y, por cierto, así se describe en el documental de divulgación científica de Dmitry Zavilgelsky. "Esperando ondas y partículas". Los líderes de esta carrera son ahora dos laboratorios: el proyecto estadounidense LIGO y el detector italiano Virgo. LIGO incluye dos detectores idénticos, ubicados en Hanford (estado de Washington) y Livingston (Luisiana) y separados por 3000 km entre sí. Tener dos configuraciones es importante por dos razones. En primer lugar, la señal se considerará registrada sólo si es vista por ambos detectores al mismo tiempo. Y en segundo lugar, por la diferencia en la llegada de una onda gravitacional a dos instalaciones (y puede alcanzar los 10 milisegundos), se puede determinar aproximadamente de qué parte del cielo proviene esta señal. Es cierto que con dos detectores el error será muy grande, pero cuando Virgo entre en funcionamiento, la precisión aumentará notablemente.

En sentido estricto, la idea de la detección interferométrica de ondas gravitacionales fue propuesta por primera vez por los físicos soviéticos M.E. Herzenstein y V.I. Pustovoit en 1962. En ese momento, se acababa de inventar el láser y Weber comenzó a crear sus detectores resonantes. Sin embargo, este artículo no llamó la atención en Occidente y, a decir verdad, no influyó en el desarrollo de proyectos reales (ver la reseña histórica de Física de la detección de ondas gravitacionales: detectores resonantes e interferométricos).

La creación del observatorio gravitacional LIGO fue iniciativa de tres científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y del Instituto Tecnológico de California (Caltech). Se trata de Rainer Weiss, que hizo realidad la idea de un detector interferométrico de ondas gravitacionales, Ronald Drever, que logró una estabilidad de la luz láser suficiente para la detección, y Kip Thorne, el teórico detrás del proyecto, ahora muy conocido por el público en general. como consultor científico en la película "Interstellar". Puede leer sobre la historia temprana de LIGO en una entrevista reciente con Rainer Weiss y en las memorias de John Preskill.

Las actividades relacionadas con el proyecto de detección interferométrica de ondas gravitacionales comenzaron a finales de los años 1970, y al principio mucha gente también dudaba de la viabilidad de esta empresa. Sin embargo, después de demostrar varios prototipos, se redactó y aprobó el diseño actual de LIGO. Fue construido a lo largo de la última década del siglo XX.

Aunque el impulso inicial del proyecto provino de Estados Unidos, LIGO es un proyecto verdaderamente internacional. Quince países han invertido en él, financiera e intelectualmente, y más de mil personas son miembros de la colaboración. Los físicos soviéticos y rusos desempeñaron un papel importante en la implementación del proyecto. Desde el principio, el grupo ya mencionado de Vladimir Braginsky de la Universidad Estatal de Moscú participó activamente en la implementación del proyecto LIGO, y más tarde también se unió a la colaboración el Instituto de Física Aplicada de Nizhny Novgorod.

El observatorio LIGO comenzó a funcionar en 2002 y hasta 2010 acogió seis sesiones de observación científica. No se detectaron de manera fiable explosiones de ondas gravitacionales y los físicos sólo pudieron establecer límites superiores a la frecuencia de tales eventos. Esto, sin embargo, no los sorprendió demasiado: las estimaciones mostraban que en esa parte del Universo que el detector estaba "escuchando" entonces, la probabilidad de que se produjera un cataclismo suficientemente poderoso era baja: aproximadamente una vez cada pocas décadas.

Línea de meta

De 2010 a 2015, las colaboraciones LIGO y Virgo modernizaron radicalmente el equipamiento (Virgo, sin embargo, todavía está en proceso de preparación). Y ahora el objetivo tan esperado estaba a la vista. LIGO - o mejor dicho, aLIGO ( LIGO avanzado) - ahora estaba listo para captar explosiones generadas por estrellas de neutrones a una distancia de 60 megaparsecs y agujeros negros - a una distancia de cientos de megaparsecs. El volumen del Universo abierto a la escucha de ondas gravitacionales ha aumentado decenas de veces en comparación con sesiones anteriores.

Por supuesto, es imposible predecir cuándo y dónde se producirá el próximo auge de ondas gravitacionales. Pero la sensibilidad de los detectores actualizados permitió contar con varias fusiones de estrellas de neutrones al año, por lo que la primera explosión se podía esperar ya durante los primeros cuatro meses de observación. Si hablamos de todo el proyecto aLIGO, que duró varios años, entonces el veredicto fue extremadamente claro: o las ráfagas caerán una tras otra, o algo en la relatividad general fundamentalmente no funciona. Ambos serán grandes descubrimientos.

Del 18 de septiembre de 2015 al 12 de enero de 2016 se llevó a cabo la primera sesión de observación de aLIGO. Durante todo este tiempo circularon en Internet rumores sobre el registro de ondas gravitacionales, pero la colaboración permaneció en silencio: “estamos recopilando y analizando datos y aún no estamos listos para informar los resultados”. Una intriga adicional surgió por el hecho de que durante el proceso de análisis los propios miembros de la colaboración no pueden estar completamente seguros de estar viendo una explosión de onda gravitacional real. El hecho es que en LIGO, ocasionalmente se introduce artificialmente una ráfaga generada por computadora en el flujo de datos reales. Se llama “inyección ciega” y de todo el grupo, sólo tres personas (!) tienen acceso al sistema que la lleva a cabo en un momento arbitrario. El equipo debe seguir este aumento, analizarlo responsablemente y sólo en las últimas etapas del análisis “se revelan las cartas” y los miembros de la colaboración descubren si se trata de un evento real o una prueba de vigilancia. Por cierto, en uno de esos casos en 2010, incluso llegó al punto de escribir un artículo, pero la señal descubierta resultó ser simplemente un "relleno ciego".

Digresión lírica

Para volver a sentir la solemnidad del momento, propongo mirar esta historia desde el otro lado, desde el interior de la ciencia. Cuando un problema científico complejo e inaccesible permanece sin respuesta durante varios años, éste es un momento normal de trabajo. Cuando no cede durante más de una generación, se percibe de forma completamente diferente.

Cuando eres un escolar, lees libros de divulgación científica y aprendes sobre este acertijo científico difícil de resolver, pero terriblemente interesante. Como estudiante, estudias física, das informes y, a veces, apropiadamente o no, las personas que te rodean te recuerdan su existencia. Luego, usted mismo se dedica a la ciencia, trabaja en otra área de la física, pero escucha regularmente sobre intentos fallidos de resolverlo. Usted, por supuesto, comprende que en algún lugar se están haciendo esfuerzos activos para resolverlo, pero el resultado final para usted, como forastero, permanece sin cambios. El problema se percibe como un fondo estático, como una decoración, como un elemento eterno y casi inalterado de la física en la escala de nuestra vida científica. Como una tarea que siempre ha sido y será.

Y luego lo resuelven. Y de repente, en una escala de varios días, sientes que la imagen física del mundo ha cambiado y que ahora hay que formularla en otros términos y plantear otras preguntas.

Para las personas que trabajan directamente en la búsqueda de ondas gravitacionales, esta tarea, por supuesto, no permaneció inalterada. Ven el objetivo, saben lo que hay que lograr. Ellos, por supuesto, esperan que la naturaleza también los encuentre a mitad de camino y lance un poderoso chapoteo en alguna galaxia cercana, pero al mismo tiempo entienden que, incluso si la naturaleza no los apoya tanto, ya no podrá esconderse de los científicos. . La única pregunta es cuándo exactamente podrán alcanzar sus objetivos técnicos. En la película ya mencionada se puede escuchar la historia de esta sensación de una persona que ha estado buscando ondas gravitacionales durante varias décadas. "Esperando ondas y partículas".

Apertura

En la Fig. La Figura 7 muestra el resultado principal: el perfil de la señal registrada por ambos detectores. Se puede ver que en el contexto del ruido, primero aparece débilmente una oscilación de la forma deseada y luego aumenta en amplitud y frecuencia. La comparación con los resultados de las simulaciones numéricas permitió aclarar qué objetos observamos fusionándose: se trataba de agujeros negros con masas de aproximadamente 36 y 29 masas solares, que se fusionaron en un agujero negro con una masa de 62 masas solares (el error en todos estos números, correspondientes a un intervalo de confianza del 90%, son 4 masas solares). Los autores señalan de paso que el agujero negro resultante es el agujero negro de masa estelar más pesado jamás observado. La diferencia entre la masa total de los dos objetos iniciales y el agujero negro final es de 3 ± 0,5 masas solares. Este defecto de masa gravitacional se convirtió completamente en energía de ondas gravitacionales emitidas en unos 20 milisegundos. Los cálculos mostraron que la potencia máxima de las ondas gravitacionales alcanzó 3,6 · 10 · 56 erg/s, o, en términos de masa, aproximadamente 200 masas solares por segundo.

La significancia estadística de la señal detectada es 5,1σ. En otras palabras, si asumimos que estas fluctuaciones estadísticas se superpusieron y produjeron por pura casualidad tal explosión, tal evento tendría que esperar 200 mil años. Esto nos permite afirmar con seguridad que la señal detectada no es una fluctuación.

El retraso de tiempo entre los dos detectores fue de aproximadamente 7 milisegundos. Esto permitió estimar la dirección de llegada de la señal (Fig. 9). Como sólo hay dos detectores, la localización resultó ser muy aproximada: la región de la esfera celeste adecuada en términos de parámetros es de 600 grados cuadrados.

La colaboración LIGO no se limitó a constatar el hecho de registrar ondas gravitacionales, sino que también realizó el primer análisis de las implicaciones que esta observación tiene para la astrofísica. En el artículo Implicaciones astrofísicas de la fusión binaria de agujeros negros GW150914, publicado el mismo día en la revista Las cartas del diario astrofísico, los autores estimaron la frecuencia con la que se producen este tipo de fusiones de agujeros negros. El resultado fue al menos una fusión por gigaparsec cúbico al año, lo que concuerda con las predicciones de los modelos más optimistas al respecto.

Lo que nos dicen las ondas gravitacionales

El descubrimiento de un nuevo fenómeno después de décadas de búsqueda no es el final, sino sólo el comienzo de una nueva rama de la física. Por supuesto, el registro de las ondas gravitacionales de la fusión de dos negros es importante en sí mismo. Esta es una prueba directa de la existencia de agujeros negros, y de la existencia de agujeros negros dobles, y de la realidad de las ondas gravitacionales y, en general, una prueba de la exactitud del enfoque geométrico de la gravedad, en el que se basa la relatividad general. Pero para los físicos no es menos valioso que la astronomía de ondas gravitacionales se esté convirtiendo en una nueva herramienta de investigación que permite estudiar lo que antes era inaccesible.

En primer lugar, es una nueva forma de ver el Universo y estudiar los cataclismos cósmicos. No hay obstáculos para las ondas gravitacionales; atraviesan todo el Universo sin problemas. Son autosuficientes: su perfil contiene información sobre el proceso que les dio origen. Finalmente, si una gran explosión genera un estallido óptico, de neutrinos y gravitacional, entonces podemos intentar captarlos todos, compararlos entre sí y comprender detalles de lo que sucedió allí que antes eran inaccesibles. Ser capaz de captar y comparar señales tan diferentes de un mismo evento es el objetivo principal de la astronomía de todas señales.

Cuando los detectores de ondas gravitacionales se vuelvan aún más sensibles, podrán detectar la sacudida del espacio-tiempo no en el momento de la fusión, sino unos segundos antes. Enviarán automáticamente su señal de alerta a la red general de estaciones de observación, y los satélites de los telescopios astrofísicos, habiendo calculado las coordenadas de la fusión propuesta, tendrán tiempo en estos segundos de girar en la dirección deseada y comenzar a fotografiar el cielo antes del estallido óptico. comienza.

En segundo lugar, el estallido de ondas gravitacionales nos permitirá aprender cosas nuevas sobre las estrellas de neutrones. La fusión de estrellas de neutrones es, de hecho, el último y más extremo experimento con estrellas de neutrones que la naturaleza puede realizar para nosotros, y nosotros, como espectadores, sólo tendremos que observar los resultados. Las consecuencias observacionales de tal fusión pueden ser variadas (Figura 10), y al recopilar sus estadísticas podemos comprender mejor el comportamiento de las estrellas de neutrones en entornos tan exóticos. Se puede encontrar una visión general de la situación actual en esta dirección en la reciente publicación de S. Rosswog, 2015. Imagen de múltiples mensajes de fusiones binarias compactas.

En tercer lugar, registrar la explosión que surgió de la supernova y compararla con observaciones ópticas permitirá finalmente comprender en detalle lo que sucede en el interior, al comienzo del colapso. Ahora los físicos todavía tienen dificultades con la modelización numérica de este proceso.

En cuarto lugar, los físicos involucrados en la teoría de la gravedad tienen un codiciado "laboratorio" para estudiar los efectos de la gravedad fuerte. Hasta ahora, todos los efectos de la relatividad general que podíamos observar directamente estaban relacionados con la gravedad en campos débiles. Podríamos adivinar lo que sucede en condiciones de fuerte gravedad, cuando las distorsiones del espacio-tiempo comienzan a interactuar fuertemente entre sí, sólo a partir de manifestaciones indirectas, a través del eco óptico de las catástrofes cósmicas.

En quinto lugar, existe una nueva oportunidad de probar teorías exóticas de la gravedad. Ya existen muchas teorías de este tipo en la física moderna; véase, por ejemplo, el capítulo dedicado a ellas del popular libro "Gravity" de A. N. Petrov. Algunas de estas teorías se parecen a la relatividad general convencional en el límite de los campos débiles, pero pueden ser muy diferentes cuando la gravedad se vuelve muy fuerte. Otros admiten la existencia de un nuevo tipo de polarización de las ondas gravitacionales y predicen una velocidad ligeramente diferente a la de la luz. Finalmente, existen teorías que incluyen dimensiones espaciales adicionales. Lo que se puede decir sobre ellos basándose en las ondas gravitacionales es una cuestión abierta, pero está claro que de aquí se puede sacar algo de información. También recomendamos leer la opinión de los propios astrofísicos sobre lo que cambiará con el descubrimiento de las ondas gravitacionales, en una selección sobre Postnauka.

Planes futuros

Las perspectivas para la astronomía de ondas gravitacionales son muy alentadoras. Ahora sólo ha finalizado la primera y más corta sesión de observación del detector aLIGO, y ya en este corto tiempo se detectó una señal clara. Sería más exacto decir esto: la primera señal se captó incluso antes del inicio oficial y la colaboración aún no ha informado sobre los cuatro meses de trabajo. Quién sabe, tal vez ya haya algunos picos adicionales allí. De una forma u otra, pero más allá, a medida que aumente la sensibilidad de los detectores y se expanda la parte del Universo accesible a las observaciones de ondas gravitacionales, el número de eventos registrados crecerá como una avalancha.

El calendario de sesiones esperado para la red LIGO-Virgo se muestra en la Fig. 11. La segunda sesión, de seis meses de duración, comenzará a finales de este año, la tercera sesión durará casi todo 2018 y en cada etapa aumentará la sensibilidad del detector. Alrededor de 2020, aLIGO debería alcanzar su sensibilidad prevista, lo que permitirá al detector explorar el Universo en busca de fusiones de estrellas de neutrones distantes de nosotros a distancias de hasta 200 Mpc. Para eventos de fusión de agujeros negros aún más energéticos, la sensibilidad puede alcanzar casi un gigaparsec. De una forma u otra, el volumen del Universo disponible para la observación aumentará decenas de veces en comparación con la primera sesión.

El renovado laboratorio italiano Virgo también entrará en funcionamiento a finales de este año. Su sensibilidad es ligeramente menor que la de LIGO, pero sigue siendo bastante decente. Gracias al método de triangulación, un trío de detectores espaciados en el espacio permitirá reconstruir mucho mejor la posición de las fuentes en la esfera celeste. Si ahora, con dos detectores, el área de localización alcanza cientos de grados cuadrados, entonces tres detectores la reducirán a decenas. Además, actualmente se está construyendo una antena de ondas gravitacionales KAGRA similar en Japón, que comenzará a funcionar en dos o tres años, y en India, alrededor de 2022, está previsto lanzar el detector LIGO-India. Como resultado, después de unos años, toda una red de detectores de ondas gravitacionales funcionará y registrará señales periódicamente (Fig. 13).

Por último, hay planes para lanzar instrumentos de ondas gravitacionales al espacio, en particular el proyecto eLISA. Hace dos meses se puso en órbita el primer satélite de prueba, cuya tarea será probar tecnologías. La detección real de ondas gravitacionales aún está muy lejos. Pero cuando este grupo de satélites comience a recopilar datos, abrirá otra ventana al Universo: a través de ondas gravitacionales de baja frecuencia. Este enfoque de todas las ondas gravitacionales es un objetivo importante a largo plazo para el campo.

Paralelas

Con el descubrimiento de las ondas gravitacionales fue la tercera vez en los últimos años que los físicos finalmente superaron todos los obstáculos y llegaron a las sutilezas hasta ahora desconocidas de la estructura de nuestro mundo. En 2012 se descubrió el bosón de Higgs, una partícula predicha hace casi medio siglo. En 2013, el detector de neutrinos IceCube demostró la realidad de los neutrinos astrofísicos y comenzó a "mirar el universo" de una manera completamente nueva, antes inaccesible: a través de neutrinos de alta energía. Y ahora la naturaleza ha sucumbido una vez más ante el hombre: se ha abierto una “ventana” de ondas gravitacionales para observar el universo y, al mismo tiempo, los efectos de una fuerte gravedad están disponibles para el estudio directo.

Hay que decir que aquí no hubo ningún "obsequio" de la naturaleza. La búsqueda se llevó a cabo durante mucho tiempo, pero no dio resultados porque luego, hace décadas, los equipos no alcanzaron el resultado en términos de energía, escala o sensibilidad. Fue el desarrollo constante y específico de la tecnología lo que condujo a este objetivo, un desarrollo que no fue detenido ni por dificultades técnicas ni por los resultados negativos de los últimos años.

Y en los tres casos, el hecho mismo del descubrimiento no fue el final, sino, por el contrario, el comienzo de una nueva dirección de investigación, se convirtió en una nueva herramienta para explorar nuestro mundo. Las propiedades del bosón de Higgs ya están disponibles para su medición y, a partir de estos datos, los físicos intentan discernir los efectos de la Nueva Física. Gracias al aumento de las estadísticas sobre neutrinos de alta energía, la astrofísica de neutrinos está dando sus primeros pasos. Al menos ahora se espera lo mismo de la astronomía de ondas gravitacionales, y hay muchos motivos para el optimismo.

Fuentes:
1) Colección científica LIGO. y Virgo Coll. Observación de ondas gravitacionales de una fusión binaria de agujeros negros // Física. Rdo. Letón. Publicado el 11 de febrero de 2016.
2) Documentos de detección: una lista de artículos técnicos que acompañan al artículo de descubrimiento principal.
3) E. Berti. Punto de vista: Los primeros sonidos de la fusión de agujeros negros // Física. 2016. V. 9. N. 17.

Materiales de revisión:
1) David Blair y otros. Astronomía de ondas gravitacionales: el estado actual // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott y la colaboración científica LIGO y la colaboración Virgo. Perspectivas para observar y localizar transitorios de ondas gravitacionales con LIGO avanzado y Virgo avanzado // Rev. Viviente. Relatividad. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Pasado, presente y futuro de los detectores de ondas gravitacionales de masa resonante // Res. Astron. Astrofia. 2011. V. 11. N. 1.
4) La búsqueda de ondas gravitacionales: una selección de materiales en el sitio web de la revista Ciencia en la búsqueda de ondas gravitacionales.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Detección de ondas gravitacionales por interferometría (tierra y espacio) // arXiv:1102.3355.
6) V. B. Braginsky. Astronomía de ondas gravitacionales: nuevos métodos de medición // UFN. 2000. T. 170. págs. 743–752.
7) Peter R. Saulson.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

ondas gravitacionales - cambios en el campo gravitacional que viajan como ondas. Son emitidas por masas en movimiento, pero después de la radiación se separan de ellas y existen independientemente de estas masas. Matemáticamente relacionado con la perturbación de las métricas del espacio-tiempo y puede describirse como "ondas del espacio-tiempo".

En la relatividad general y en la mayoría de las otras teorías modernas de la gravedad, las ondas gravitacionales se generan por el movimiento de cuerpos masivos con aceleración variable. Las ondas gravitacionales se propagan libremente en el espacio a la velocidad de la luz. Debido a la relativa debilidad de las fuerzas gravitacionales (en comparación con otras), estas ondas tienen una magnitud muy pequeña, que es difícil de registrar.

Las ondas gravitacionales son predichas por la teoría general de la relatividad (GR). Fueron detectados directamente por primera vez en septiembre de 2015 por los detectores gemelos de LIGO, que detectaron ondas gravitacionales probablemente producidas por dos agujeros negros que se fusionan para formar un único agujero negro giratorio, más masivo. Se conocen pruebas indirectas de su existencia desde los años 1970: la Relatividad General predice tasas de convergencia de sistemas cercanos de estrellas dobles que coinciden con las observaciones debido a la pérdida de energía debida a la emisión de ondas gravitacionales. El registro directo de ondas gravitacionales y su uso para determinar los parámetros de procesos astrofísicos es una tarea importante de la física y la astronomía modernas.

Si pensamos en nuestro espacio-tiempo como una cuadrícula de coordenadas, entonces las ondas gravitacionales son perturbaciones, ondas que se extenderán a lo largo de la cuadrícula a medida que cuerpos masivos (como los agujeros negros) distorsionan el espacio que los rodea.

Esto se puede comparar con un terremoto. Imagina que vives en una ciudad. Tiene algunos marcadores que crean el espacio urbano: casas, árboles, etc. Están inmóviles. Cuando se produce un gran terremoto en algún lugar cerca de una ciudad, las vibraciones nos llegan, e incluso las casas y los árboles inmóviles empiezan a vibrar. Estas vibraciones son ondas gravitacionales; y los objetos que vibran son el espacio y el tiempo.

¿Por qué los científicos tardaron tanto en detectar ondas gravitacionales?

Los esfuerzos concretos para detectar ondas gravitacionales comenzaron en la posguerra con dispositivos algo ingenuos que obviamente no eran lo suficientemente sensibles para detectar tales oscilaciones. Con el tiempo, quedó claro que los detectores de búsqueda debían ser muy grandes y debían utilizar tecnología láser moderna. Fue con el desarrollo de las tecnologías láser modernas que fue posible controlar la geometría cuyas perturbaciones son las ondas gravitacionales. El tremendo desarrollo de la tecnología jugó un papel clave en este descubrimiento. Por muy brillantes que fueran los científicos, hace apenas 30 o 40 años era simplemente técnicamente imposible hacer esto.

¿Por qué la detección de ondas es tan importante para la física?

Las ondas gravitacionales fueron predichas por Albert Einstein en su teoría general de la relatividad hace unos cien años. A lo largo del siglo XX hubo físicos que cuestionaron esta teoría, aunque cada vez aparecían más evidencias. Y la presencia de ondas gravitacionales es una confirmación fundamental de la teoría.

Además, antes de registrar las ondas gravitacionales, sabíamos cómo se comporta la gravedad sólo a partir del ejemplo de la mecánica celeste, la interacción de los cuerpos celestes. Pero estaba claro que el campo gravitacional tiene ondas y el espacio-tiempo puede deformarse de manera similar. El hecho de que no hubiéramos visto antes ondas gravitacionales fue un punto ciego en la física moderna. Ahora que se ha cerrado este espacio en blanco, se ha colocado otro ladrillo en los cimientos de la teoría física moderna. Este es un descubrimiento fundamental. No ha habido nada comparable en los últimos años.

"Esperando ondas y partículas": un documental sobre la búsqueda de ondas gravitacionales(autor Dmitry Zavilgelskiy)

También existe un aspecto práctico al registrar ondas gravitacionales. Probablemente, después de un mayor desarrollo de la tecnología, será posible hablar de astronomía gravitacional, de observar las huellas de los eventos de mayor energía en el Universo. Pero ahora es demasiado pronto para hablar de esto; estamos hablando sólo del hecho mismo de registrar ondas, y no de conocer las características de los objetos que generan estas ondas.

11 de febrero de 2016

Hace apenas unas horas llegó una noticia muy esperada en el mundo científico. Un grupo de científicos de varios países que trabajan en el marco del proyecto internacional de colaboración científica LIGO afirman que, utilizando varios observatorios detectores, pudieron detectar ondas gravitacionales en condiciones de laboratorio.

Están analizando datos provenientes de dos observatorios de ondas gravitacionales con interferómetro láser (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO), ubicados en los estados de Luisiana y Washington en Estados Unidos.

Como se informó en la conferencia de prensa del proyecto LIGO, las ondas gravitacionales se detectaron el 14 de septiembre de 2015, primero en un observatorio y siete milisegundos después en otro.

Basado en el análisis de los datos obtenidos, que fue realizado por científicos de muchos países, incluida Rusia, se encontró que la onda gravitacional fue causada por la colisión de dos agujeros negros con una masa de 29 y 36 veces la masa del Sol. Después de eso, se fusionaron en un gran agujero negro.

Esto sucedió hace 1.300 millones de años. La señal llegó a la Tierra desde la constelación de la Nube de Magallanes.

Sergei Popov (astrofísico del Instituto Astronómico Estatal Sternberg de la Universidad Estatal de Moscú) explicó qué son las ondas gravitacionales y por qué es tan importante medirlas.

Las teorías modernas de la gravedad son teorías geométricas de la gravedad, más o menos todo desde la teoría de la relatividad. Las propiedades geométricas del espacio afectan el movimiento de cuerpos u objetos como un rayo de luz. Y viceversa: la distribución de la energía (es lo mismo que la masa en el espacio) afecta las propiedades geométricas del espacio. Esto es genial, porque es fácil de visualizar: todo este plano elástico forrado en una caja tiene algún significado físico, aunque, por supuesto, no es tan literal.

Los físicos utilizan la palabra "métrica". Una métrica es algo que describe las propiedades geométricas del espacio. Y aquí tenemos cuerpos que se mueven con aceleración. Lo más sencillo es rotar el pepino. Es importante que no sea, por ejemplo, una bola o un disco aplanado. Es fácil imaginar que cuando un pepino de este tipo gira en un plano elástico, se producirán ondas. Imagina que estás parado en algún lugar y un pepino gira un extremo hacia ti y luego el otro. Afecta el espacio y el tiempo de diferentes maneras, corre una onda gravitacional.

Entonces, una onda gravitacional es una onda que recorre la métrica del espacio-tiempo.

Cuentas en el espacio

Ésta es una propiedad fundamental de nuestra comprensión básica de cómo funciona la gravedad, y la gente lleva cien años queriendo probarla. Quieren asegurarse de que haya un efecto y que sea visible en el laboratorio. Esto se vio en la naturaleza hace unas tres décadas. ¿Cómo deberían manifestarse las ondas gravitacionales en la vida cotidiana?

La forma más sencilla de ilustrar esto es la siguiente: si arrojas cuentas al espacio de modo que queden formando un círculo, y cuando una onda gravitacional pasa perpendicular a su plano, comenzarán a convertirse en una elipse, comprimidas primero en una dirección, luego en el otro. La cuestión es que el espacio que los rodea será perturbado y ellos lo sentirán.

"G" en la Tierra

La gente hace algo así, pero no en el espacio, sino en la Tierra.

Los espejos con forma de letra “g” [en referencia a los observatorios estadounidenses LIGO] cuelgan a una distancia de cuatro kilómetros entre sí.

Los rayos láser están funcionando: esto es un interferómetro, algo que se entiende bien. Las tecnologías modernas permiten medir efectos increíblemente pequeños. Todavía no es que no lo crea, lo creo, pero simplemente no puedo entenderlo: el desplazamiento de los espejos que cuelgan a una distancia de cuatro kilómetros entre sí es menor que el tamaño de un núcleo atómico. . Esto es pequeño incluso en comparación con la longitud de onda de este láser. Éste era el problema: la gravedad es la interacción más débil y, por tanto, los desplazamientos son muy pequeños.

Llevó mucho tiempo, la gente ha estado intentando hacer esto desde los años 1970, se han pasado la vida buscando ondas gravitacionales. Y ahora sólo las posibilidades técnicas permiten registrar una onda gravitacional en condiciones de laboratorio, es decir, llegó aquí y los espejos se desplazaron.

Dirección

Dentro de un año, si todo va bien, ya habrá tres detectores funcionando en el mundo. Tres detectores son muy importantes, porque son muy malos para determinar la dirección de la señal. De la misma manera que somos malos para determinar de oído la dirección de una fuente. "Un sonido procedente de algún lugar a la derecha": estos detectores detectan algo como esto. Pero si tres personas están separadas una de otra y una escucha un sonido desde la derecha, otra desde la izquierda y la tercera desde atrás, entonces podemos determinar con mucha precisión la dirección del sonido. Cuantos más detectores haya, cuanto más dispersos estén por el mundo, con mayor precisión podremos determinar la dirección de la fuente, y entonces comenzará la astronomía.

Después de todo, el objetivo final no es sólo confirmar la teoría general de la relatividad, sino también obtener nuevos conocimientos astronómicos. Imagínese que hay un agujero negro que pesa diez masas solares. Y choca con otro agujero negro que pesa diez masas solares. La colisión se produce a la velocidad de la luz. Avance energético. Esto es cierto. Hay una cantidad fantástica. Y no hay manera... Es sólo una onda de espacio y tiempo. Yo diría que detectar la fusión de dos agujeros negros será la evidencia más sólida durante mucho tiempo de que los agujeros negros son más o menos los agujeros negros que creemos que son.

Repasemos los problemas y fenómenos que podría revelar.

¿Existen realmente los agujeros negros?

La señal esperada del anuncio de LIGO puede haber sido producida por la fusión de dos agujeros negros. Estos acontecimientos son los más enérgicos que se conocen; la fuerza de las ondas gravitacionales que emiten pueden eclipsar brevemente a todas las estrellas del universo observable combinadas. La fusión de agujeros negros también es bastante fácil de interpretar a partir de sus ondas gravitacionales muy puras.

Una fusión de agujeros negros ocurre cuando dos agujeros negros giran uno alrededor del otro, emitiendo energía en forma de ondas gravitacionales. Estas ondas tienen un sonido característico (chirrido) que puede usarse para medir la masa de estos dos objetos. Después de esto, los agujeros negros suelen fusionarse.

“Imagínese dos pompas de jabón que se acercan tanto que forman una sola burbuja. La burbuja más grande se deforma”, dice Tybalt Damour, teórico gravitacional del Instituto de Investigación Científica Avanzada cerca de París. El agujero negro final será perfectamente esférico, pero primero deberá emitir tipos predecibles de ondas gravitacionales.

Una de las consecuencias científicas más importantes de la detección de una fusión de agujeros negros será la confirmación de la existencia de agujeros negros, al menos objetos perfectamente redondos formados por espacio-tiempo puro, vacío y curvo, como predice la relatividad general. Otra consecuencia es que la fusión se desarrolla según lo predicho por los científicos. Los astrónomos tienen mucha evidencia indirecta de este fenómeno, pero hasta ahora se trata de observaciones de estrellas y gas sobrecalentado en la órbita de los agujeros negros, y no de los agujeros negros en sí.

“A la comunidad científica, incluido yo mismo, no le gustan los agujeros negros. Los damos por sentado, dice France Pretorius, especialista en simulación de relatividad general de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey. "Pero cuando pensamos en lo sorprendente que es esta predicción, necesitamos alguna prueba realmente sorprendente".

¿Las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz?

Cuando los científicos empiezan a comparar las observaciones del LIGO con las de otros telescopios, lo primero que comprueban es si la señal llegó al mismo tiempo. Los físicos creen que la gravedad se transmite mediante partículas de gravitón, el análogo gravitacional de los fotones. Si, como los fotones, estas partículas no tienen masa, entonces las ondas gravitacionales viajarán a la velocidad de la luz, coincidiendo con la predicción de la velocidad de las ondas gravitacionales en la relatividad clásica. (Su velocidad puede verse afectada por la expansión acelerada del Universo, pero esto debería ser evidente a distancias significativamente mayores que las cubiertas por LIGO).

Sin embargo, es muy posible que los gravitones tengan una masa pequeña, lo que significa que las ondas gravitacionales se moverán a una velocidad menor que la de la luz. Entonces, por ejemplo, si LIGO y Virgo detectan ondas gravitacionales y descubren que las ondas llegaron a la Tierra después de los rayos gamma relacionados con eventos cósmicos, esto podría tener consecuencias que cambiarán la vida de la física fundamental.

¿El espacio-tiempo está hecho de hilos cósmicos?

Podría ocurrir un descubrimiento aún más extraño si se encontraran ráfagas de ondas gravitacionales que emanan de “cuerdas cósmicas”. Estos hipotéticos defectos en la curvatura del espacio-tiempo, que pueden estar relacionados o no con las teorías de cuerdas, deberían ser infinitamente delgados, pero extendidos a distancias cósmicas. Los científicos predicen que las cuerdas cósmicas, si existen, pueden doblarse accidentalmente; Si la cuerda se doblara, provocaría un aumento gravitacional que detectores como LIGO o Virgo podrían medir.

¿Pueden las estrellas de neutrones tener grumos?

Las estrellas de neutrones son restos de grandes estrellas que colapsaron por su propio peso y se volvieron tan densas que los electrones y los protones comenzaron a fusionarse en neutrones. Los científicos tienen pocos conocimientos sobre la física de los agujeros de neutrones, pero las ondas gravitacionales podrían decirnos mucho sobre ellos. Por ejemplo, la intensa gravedad en su superficie hace que las estrellas de neutrones se vuelvan casi perfectamente esféricas. Pero algunos científicos han sugerido que también puede haber "montañas" -de unos pocos milímetros de altura- que hacen que estos objetos densos, de no más de 10 kilómetros de diámetro, sean ligeramente asimétricos. Las estrellas de neutrones suelen girar muy rápidamente, por lo que la distribución asimétrica de la masa deformará el espacio-tiempo y producirá una señal de onda gravitacional persistente en forma de onda sinusoidal, lo que ralentizará la rotación de la estrella y emitirá energía.

Los pares de estrellas de neutrones que orbitan entre sí también producen una señal constante. Al igual que los agujeros negros, estas estrellas se mueven en espiral y finalmente se fusionan con un sonido característico. Pero su especificidad difiere de la especificidad del sonido de los agujeros negros.

¿Por qué explotan las estrellas?

Los agujeros negros y las estrellas de neutrones se forman cuando las estrellas masivas dejan de brillar y colapsan sobre sí mismas. Los astrofísicos creen que este proceso es la base de todos los tipos comunes de explosiones de supernovas de Tipo II. Las simulaciones de este tipo de supernovas aún no han demostrado qué causa que se enciendan, pero se cree que escuchar los estallidos de ondas gravitacionales emitidas por una supernova real puede proporcionar una respuesta. Dependiendo de cómo se vean las ondas de explosión, qué tan fuertes sean, con qué frecuencia ocurren y cómo se correlacionan con las supernovas rastreadas por los telescopios electromagnéticos, estos datos podrían ayudar a descartar un montón de modelos existentes.

¿A qué velocidad se está expandiendo el Universo?

La expansión del Universo hace que los objetos distantes que se alejan de nuestra galaxia parezcan más rojos de lo que realmente son porque la luz que emiten se estira a medida que se mueven. Los cosmólogos estiman la tasa de expansión del Universo comparando el corrimiento al rojo de las galaxias con su distancia a nosotros. Pero esta distancia suele estimarse a partir del brillo de las supernovas de Tipo Ia, y esta técnica deja muchas incertidumbres.

Si varios detectores de ondas gravitacionales en todo el mundo detectan señales de la fusión de las mismas estrellas de neutrones, juntos pueden estimar con absoluta precisión el volumen de la señal y, por tanto, la distancia a la que se produjo la fusión. También podrán estimar la dirección y con ella identificar la galaxia en la que ocurrió el evento. Comparando el corrimiento al rojo de esta galaxia con la distancia a las estrellas en fusión, es posible obtener una tasa independiente de expansión cósmica, quizás más precisa de lo que permiten los métodos actuales.

fuentes

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

http://cont.ws/post/199519

Aquí de alguna manera descubrimos, pero qué es y. Mira lo que parece El artículo original está en el sitio web. InfoGlaz.rf Enlace al artículo del que se hizo esta copia:

Ayer el mundo quedó impactado por una sensación: los científicos finalmente descubrieron las ondas gravitacionales, cuya existencia predijo Einstein hace cien años. Este es un gran avance. La distorsión del espacio-tiempo (son ondas gravitacionales; ahora explicaremos qué es qué) fue descubierta en el observatorio LIGO, y uno de sus fundadores es: ¿quién crees? - Kip Thorne, autor del libro.

Te contamos por qué es tan importante el descubrimiento de las ondas gravitacionales, qué dijo Mark Zuckerberg y, por supuesto, te compartimos la historia en primera persona. Kip Thorne sabe como nadie cómo funciona el proyecto, qué lo hace inusual y qué importancia tiene LIGO para la humanidad. Sí, sí, todo es muy serio.

Descubrimiento de las ondas gravitacionales.

El mundo científico recordará para siempre la fecha del 11 de febrero de 2016. Ese día, los participantes del proyecto LIGO anunciaron: después de tantos intentos inútiles, se habían encontrado ondas gravitacionales. Esta es la realidad. De hecho, fueron descubiertos un poco antes: en septiembre de 2015, pero ayer se reconoció oficialmente el descubrimiento. The Guardian cree que los científicos seguramente recibirán el Premio Nobel de Física.

La causa de las ondas gravitacionales es la colisión de dos agujeros negros, que ocurrió ya... a mil millones de años luz de la Tierra. ¿Te imaginas lo grande que es nuestro Universo? Como los agujeros negros son cuerpos muy masivos, envían ondas a través del espacio-tiempo, distorsionándolo ligeramente. Así aparecen ondas, similares a las que se propagan al arrojar una piedra al agua.

Así es como se pueden imaginar las ondas gravitacionales que llegan a la Tierra, por ejemplo, desde un agujero de gusano. Dibujo del libro “Interstellar. La ciencia entre bastidores"

Las vibraciones resultantes se convirtieron en sonido. Curiosamente, la señal de las ondas gravitacionales llega aproximadamente con la misma frecuencia que nuestro habla. Así podemos escuchar con nuestros propios oídos cómo chocan los agujeros negros. Escuche cómo suenan las ondas gravitacionales.

¿Y adivina qué? Más recientemente, los agujeros negros no están estructurados como se pensaba anteriormente. Pero no había ninguna prueba de que existieran en principio. Y ahora lo hay. Los agujeros negros realmente “viven” en el Universo.

Así es como los científicos creen que se ve una catástrofe: una fusión de agujeros negros.

El 11 de febrero tuvo lugar una grandiosa conferencia que reunió a más de mil científicos de 15 países. También estuvieron presentes científicos rusos. Y, por supuesto, estaba Kip Thorne. “Este descubrimiento es el comienzo de una búsqueda asombrosa y magnífica para las personas: la búsqueda y exploración del lado curvo del Universo: objetos y fenómenos creados a partir de un espacio-tiempo distorsionado. Las colisiones de agujeros negros y las ondas gravitacionales son nuestros primeros ejemplos notables”, dijo Kip Thorne.

La búsqueda de ondas gravitacionales ha sido uno de los principales problemas de la física. Ahora han sido encontrados. Y la genialidad de Einstein se confirma nuevamente.

En octubre entrevistamos a Sergei Popov, astrofísico ruso y famoso divulgador de la ciencia. ¡Parecía que estaba mirando al agua! En otoño: “Me parece que ahora estamos en el umbral de nuevos descubrimientos, que se asocian principalmente con el trabajo de los detectores de ondas gravitacionales LIGO y VIRGO (Kip Thorne hizo una contribución importante a la creación del proyecto LIGO) .” Increíble, ¿verdad?

Ondas gravitacionales, detectores de ondas y LIGO

Bueno, ahora un poco de física. Para aquellos que realmente quieren entender qué son las ondas gravitacionales. Aquí hay una representación artística de las líneas tendex de dos agujeros negros que orbitan entre sí, en sentido antihorario, y luego chocan. Las líneas Tendex generan gravedad de marea. Adelante. Las líneas, que emanan de los dos puntos más alejados entre sí en la superficie de un par de agujeros negros, estiran todo a su paso, incluido el amigo del artista en el dibujo. Las líneas que surgen de la zona de colisión lo comprimen todo.

A medida que los agujeros giran uno alrededor del otro, llevan sus líneas tendex, que se asemejan a chorros de agua de un aspersor que gira sobre el césped. En la imagen del libro “Interstellar. La ciencia detrás de escena": un par de agujeros negros que chocan, girando uno alrededor del otro en sentido contrario a las agujas del reloj, y sus líneas tendex.

Los agujeros negros se fusionan en un gran agujero; se deforma y gira en sentido antihorario, arrastrando consigo las líneas del tendex. Un observador estacionario lejos del agujero sentirá vibraciones cuando las líneas de tendex lo atraviesen: estirándose, luego comprimiéndose, luego estirándose; las líneas de tendex se han convertido en una onda gravitacional. A medida que las ondas se propagan, la deformación del agujero negro disminuye gradualmente y las ondas también se debilitan.

Cuando estas ondas llegan a la Tierra, se parecen a la que se muestra en la parte superior de la figura siguiente. Se estiran en una dirección y se comprimen en la otra. Las extensiones y compresiones oscilan (de rojo derecha-izquierda, azul derecha-izquierda, rojo derecha-izquierda, etc.) a medida que las ondas pasan a través del detector en la parte inferior de la figura.

Ondas gravitacionales que pasan a través del detector LIGO.

El detector consta de cuatro grandes espejos (40 kilogramos y 34 centímetros de diámetro), que están unidos a los extremos de dos tubos perpendiculares, llamados brazos detectores. Las líneas Tendex de ondas gravitacionales estiran un brazo, mientras comprimen el segundo, y luego, por el contrario, comprimen el primero y estiran el segundo. Y así una y otra vez. A medida que la longitud de los brazos cambia periódicamente, los espejos se mueven entre sí y estos movimientos se siguen mediante rayos láser en una forma llamada interferometría. De ahí el nombre LIGO: Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser.

Centro de control LIGO, desde donde envían comandos al detector y monitorean las señales recibidas. Los detectores de gravedad de LIGO están ubicados en Hanford, Washington y Livingston, Luisiana. Foto del libro “Interstellar. La ciencia entre bastidores"

Ahora LIGO es un proyecto internacional en el que participan 900 científicos de diferentes países, con sede en el Instituto de Tecnología de California.

El lado curvo del universo

Los agujeros negros, los agujeros de gusano, las singularidades, las anomalías gravitacionales y las dimensiones de orden superior están asociados con curvaturas del espacio y el tiempo. Por eso Kip Thorne los llama "el lado retorcido del universo". La humanidad todavía tiene muy pocos datos experimentales y de observación del lado curvo del Universo. Por eso prestamos tanta atención a las ondas gravitacionales: están formadas por un espacio curvo y nos proporcionan la forma más accesible de explorar el lado curvo.

Imagínese si solo viera el océano cuando estaba en calma. No sabrías nada de corrientes, remolinos y olas tormentosas. Esto recuerda nuestro conocimiento actual de la curvatura del espacio y el tiempo.

No sabemos casi nada sobre cómo se comportan el espacio curvo y el tiempo curvo "en una tormenta", cuando la forma del espacio fluctúa violentamente y cuando la velocidad del tiempo fluctúa. Esta es una frontera de conocimiento increíblemente atractiva. El científico John Wheeler acuñó el término "geometrodinámica" para estos cambios.

De particular interés en el campo de la geometrodinámica es la colisión de dos agujeros negros.

Colisión de dos agujeros negros no giratorios. Modelo del libro “Interstellar. La ciencia entre bastidores"

La imagen de arriba muestra el momento en que dos agujeros negros chocan. Precisamente un evento así permitió a los científicos registrar ondas gravitacionales. Este modelo está diseñado para agujeros negros no giratorios. Arriba: órbitas y sombras de los agujeros, vistas desde nuestro Universo. Medio: espacio y tiempo curvos, vistos desde el conjunto (hiperespacio multidimensional); Las flechas muestran cómo el espacio interviene en el movimiento y los colores cambiantes muestran cómo se desvía el tiempo. Abajo: La forma de las ondas gravitacionales emitidas.

Ondas gravitacionales del Big Bang

A Kip Thorne. “En 1975, Leonid Grischuk, mi buen amigo de Rusia, hizo una declaración sensacional. Dijo que en el momento del Big Bang surgieron muchas ondas gravitacionales y el mecanismo de su origen (anteriormente desconocido) fue el siguiente: fluctuaciones cuánticas (fluctuaciones aleatorias - nota del editor) Los campos gravitacionales durante el Big Bang fueron enormemente potenciados por la expansión inicial del Universo y así se convirtieron en las ondas gravitacionales originales. Estas ondas, si se detectan, podrían decirnos qué ocurrió en el nacimiento de nuestro Universo".

Si los científicos encuentran las ondas gravitacionales primordiales, sabremos cómo empezó el Universo.

La gente ha resuelto hasta ahora todos los misterios del Universo. Hay más por venir.

En los años siguientes, a medida que mejoró nuestra comprensión del Big Bang, se hizo evidente que estas ondas primordiales debían ser fuertes en longitudes de onda proporcionales al tamaño del Universo visible, es decir, en longitudes de miles de millones de años luz. ¿Te imaginas cuánto es esto?... Y en las longitudes de onda que cubren los detectores LIGO (cientos y miles de kilómetros), lo más probable es que las ondas sean demasiado débiles para ser reconocidas.

El equipo de Jamie Bock construyó el aparato BICEP2, con el que se descubrió la huella de las ondas gravitacionales originales. El dispositivo situado en el Polo Norte se muestra aquí durante el crepúsculo, que allí sólo ocurre dos veces al año.

Dispositivo BICEP2. Imagen del libro Interestelar. La ciencia entre bastidores"

Está rodeado por escudos que protegen el dispositivo de la radiación de la capa de hielo circundante. En la esquina superior derecha hay un rastro descubierto en la radiación cósmica de fondo de microondas: un patrón de polarización. Las líneas de campo eléctrico se dirigen a lo largo de trazos de luz cortos.

Rastro del comienzo del universo.

A principios de los años noventa, los cosmólogos se dieron cuenta de que estas ondas gravitacionales, con una longitud de miles de millones de años luz, debían haber dejado una huella única en las ondas electromagnéticas que llenan el Universo: el llamado fondo cósmico de microondas o radiación cósmica de fondo de microondas. Esto inició la búsqueda del Santo Grial. Después de todo, si detectamos esta huella y deducimos de ella las propiedades de las ondas gravitacionales originales, podemos descubrir cómo nació el Universo.

En marzo de 2014, mientras Kip Thorne escribía este libro, el equipo de Jamie Bok, un cosmólogo de Caltech cuya oficina está al lado de la de Thorne, finalmente descubrió este rastro en la radiación cósmica de fondo de microondas.

Este es un descubrimiento absolutamente sorprendente, pero hay un punto controvertido: el rastro encontrado por el equipo de Jamie podría haber sido causado por algo más que las ondas gravitacionales.

Si realmente se encuentra un rastro de las ondas gravitacionales que surgieron durante el Big Bang, significa que se ha producido un descubrimiento cosmológico a un nivel que quizás ocurre una vez cada medio siglo. Te da la oportunidad de tocar los eventos que ocurrieron una billonésima de billonésima de billonésima de segundo después del nacimiento del Universo.

Este descubrimiento confirma las teorías de que la expansión del Universo en ese momento fue extremadamente rápida, en la jerga de los cosmólogos, inflacionaria. Y presagia el advenimiento de una nueva era en cosmología.

Ondas gravitacionales e interestelar

Ayer, en una conferencia sobre el descubrimiento de ondas gravitacionales, Valery Mitrofanov, jefe de la colaboración de científicos LIGO de Moscú, que incluye a 8 científicos de la Universidad Estatal de Moscú, señaló que la trama de la película "Interstellar", aunque fantástica, no es tan lejos de la realidad. Y todo porque Kip Thorne era el consultor científico. El propio Thorne expresó su esperanza de creer en futuros vuelos tripulados a un agujero negro. Puede que no sucedan tan pronto como nos gustaría, pero hoy es mucho más real que antes.

No está muy lejano el día en que la gente abandonará los confines de nuestra galaxia.

El acontecimiento conmovió las mentes de millones de personas. El famoso Mark Zuckerberg escribió: “El descubrimiento de las ondas gravitacionales es el mayor descubrimiento de la ciencia moderna. Albert Einstein es uno de mis héroes y por eso me tomé el descubrimiento tan personalmente. Hace un siglo, en el marco de la Teoría General de la Relatividad (GTR), predijo la existencia de ondas gravitacionales. Pero son tan pequeños para detectarlos que se ha llegado a buscarlos en los orígenes de eventos como el Big Bang, explosiones estelares y colisiones de agujeros negros. Cuando los científicos analicen los datos obtenidos, se abrirá ante nosotros una visión completamente nueva del espacio. Y tal vez esto arroje luz sobre el origen del Universo, el nacimiento y desarrollo de los agujeros negros. Es muy inspirador pensar en cuántas vidas y esfuerzos se han invertido para desvelar este misterio del Universo. Este avance fue posible gracias al talento de brillantes científicos e ingenieros, personas de diferentes nacionalidades, así como a las últimas tecnologías informáticas que han aparecido recientemente. Felicitaciones a todos los involucrados. Einstein estaría orgulloso de ti."

Este es el discurso. Y esta es una persona a la que simplemente le interesa la ciencia. Uno puede imaginarse la tormenta de emociones que embargó a los científicos que contribuyeron al descubrimiento. Parece que hemos sido testigos de una nueva era, amigos. Esto es increíble.

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Ondas gravitacionales: representación del artista

Las ondas gravitacionales son perturbaciones de la métrica del espacio-tiempo que se separan de la fuente y se propagan como ondas (las llamadas “ondas del espacio-tiempo”).

En la relatividad general y en la mayoría de las otras teorías modernas de la gravedad, las ondas gravitacionales se generan por el movimiento de cuerpos masivos con aceleración variable. Las ondas gravitacionales se propagan libremente en el espacio a la velocidad de la luz. Debido a la relativa debilidad de las fuerzas gravitacionales (en comparación con otras), estas ondas tienen una magnitud muy pequeña, que es difícil de registrar.

Onda gravitacional polarizada

Las ondas gravitacionales son predichas por la teoría general de la relatividad (GR) y muchas otras. Fueron detectados directamente por primera vez en septiembre de 2015 por dos detectores gemelos, que detectaron ondas gravitacionales probablemente resultantes de la fusión de dos para formar un único agujero negro giratorio, más masivo. Se conoce evidencia indirecta de su existencia desde la década de 1970: la relatividad general predice la tasa de convergencia de sistemas cercanos debido a la pérdida de energía debido a la emisión de ondas gravitacionales, lo que coincide con las observaciones. El registro directo de ondas gravitacionales y su uso para determinar los parámetros de procesos astrofísicos es una tarea importante de la física y la astronomía modernas.

En el marco de la relatividad general, las ondas gravitacionales se describen mediante soluciones de ecuaciones de Einstein de tipo ondulatorio, que representan una perturbación de la métrica del espacio-tiempo que se mueve a la velocidad de la luz (en la aproximación lineal). La manifestación de esta perturbación debería ser, en particular, un cambio periódico en la distancia entre dos masas de prueba en caída libre (es decir, no influenciadas por ninguna fuerza). Amplitud h La onda gravitacional es una cantidad adimensional: un cambio relativo en la distancia. Las amplitudes máximas previstas de las ondas gravitacionales de objetos astrofísicos (por ejemplo, sistemas binarios compactos) y fenómenos (explosiones, fusiones, capturas por agujeros negros, etc.) cuando se miden son muy pequeñas ( h=10-18-10-23). Una onda gravitacional débil (lineal), según la teoría general de la relatividad, transfiere energía y momento, se mueve a la velocidad de la luz, es transversal, cuadrupolo y está descrita por dos componentes independientes ubicados en un ángulo de 45° entre sí ( tiene dos direcciones de polarización).

Las distintas teorías predicen de forma diferente la velocidad de propagación de las ondas gravitacionales. En la relatividad general, es igual a la velocidad de la luz (en la aproximación lineal). En otras teorías de la gravedad, puede tomar cualquier valor, incluido el infinito. Según el primer registro de ondas gravitacionales, su dispersión resultó ser compatible con la de un gravitón sin masa y se estimó que su velocidad era igual a la velocidad de la luz.

Generación de ondas gravitacionales.

Un sistema de dos estrellas de neutrones crea ondas en el espacio-tiempo

Una onda gravitacional es emitida por cualquier materia que se mueve con aceleración asimétrica. Para que se produzca una onda de amplitud significativa, se requiere una masa extremadamente grande del emisor y/o enormes aceleraciones; la amplitud de la onda gravitacional es directamente proporcional; primera derivada de la aceleración y la masa del generador, es decir ~ . Sin embargo, si un objeto se mueve a un ritmo acelerado, esto significa que alguna fuerza está actuando sobre él desde otro objeto. A su vez, este otro objeto experimenta el efecto contrario (según la 3ª ley de Newton), y resulta que metro 1 a 1 = − metro 2 a 2 . Resulta que dos objetos emiten ondas gravitacionales solo en pares y, como resultado de la interferencia, se anulan mutuamente casi por completo. Por lo tanto, la radiación gravitacional en la teoría general de la relatividad siempre tiene el carácter multipolar de al menos una radiación cuadrupolar. Además, para los emisores no relativistas en la expresión de la intensidad de la radiación hay un pequeño parámetro donde es el radio gravitacional del emisor, r- su tamaño característico, t- período característico de movimiento, C- velocidad de la luz en el vacío.

Las fuentes más fuertes de ondas gravitacionales son:

• colisionar (masas gigantes, aceleraciones muy pequeñas),
• colapso gravitacional de un sistema binario de objetos compactos (aceleraciones colosales con una masa bastante grande). Un caso especial y muy interesante es la fusión de estrellas de neutrones. En tal sistema, la luminosidad de las ondas gravitacionales está cerca de la máxima luminosidad de Planck posible en la naturaleza.

Ondas gravitacionales emitidas por un sistema de dos cuerpos.

Dos cuerpos que se mueven en órbitas circulares alrededor de un centro de masa común.

Dos cuerpos con masas unidos gravitacionalmente. metro 1 y metro 2, moviéndose de forma no relativista ( v << C) en órbitas circulares alrededor de su centro de masa común a una distancia r entre sí, emiten ondas gravitacionales de la siguiente energía, en promedio durante el período:

Como resultado, el sistema pierde energía, lo que conduce a la convergencia de los cuerpos, es decir, a una disminución de la distancia entre ellos. Velocidad de aproximación de los cuerpos:

Para el Sistema Solar, por ejemplo, la mayor radiación gravitacional la produce el subsistema y. El poder de esta radiación es de aproximadamente 5 kilovatios. Así, la energía que pierde el Sistema Solar a causa de la radiación gravitacional cada año es completamente insignificante en comparación con la energía cinética característica de los cuerpos.

Colapso gravitacional de un sistema binario.

Cualquier estrella doble, cuando sus componentes giran alrededor de un centro de masa común, pierde energía (como se supone, debido a la emisión de ondas gravitacionales) y, al final, se fusiona. Pero para las estrellas dobles ordinarias, no compactas, este proceso lleva mucho tiempo, mucho más que la edad actual. Si un sistema binario compacto está formado por un par de estrellas de neutrones, agujeros negros o una combinación de ambos, la fusión puede ocurrir en varios millones de años. Primero, los objetos se acercan y su período de revolución disminuye. Luego, en la etapa final, se produce una colisión y un colapso gravitacional asimétrico. Este proceso dura una fracción de segundo y durante este tiempo se pierde energía en forma de radiación gravitacional, que, según algunas estimaciones, representa más del 50% de la masa del sistema.

Soluciones exactas básicas de las ecuaciones de Einstein para ondas gravitacionales.

Ondas corporales Bondi-Pirani-Robinson

Estas ondas se describen mediante una métrica de la forma. Si introducimos una variable y una función, entonces de las ecuaciones de la relatividad general obtenemos la ecuación

Métrica Takeno

tiene la forma , -funciones satisfacen la misma ecuación.

Métrica de Rosen

donde satisfacer

Métrica de Pérez

Donde

Ondas cilíndricas de Einstein-Rosen

En coordenadas cilíndricas, tales ondas tienen la forma y se ejecutan.

Registro de ondas gravitacionales.

El registro de ondas gravitacionales es bastante difícil debido a la debilidad de estas últimas (pequeña distorsión de la métrica). Los dispositivos para registrarlos son detectores de ondas gravitacionales. Desde finales de los años 60 se han realizado intentos de detectar ondas gravitacionales. Durante el colapso de un sistema binario nacen ondas gravitacionales de amplitud detectable. Eventos similares ocurren en los alrededores aproximadamente una vez por década.

Por otro lado, la teoría general de la relatividad predice la aceleración de la rotación mutua de las estrellas binarias debido a la pérdida de energía durante la emisión de ondas gravitacionales, y este efecto se registra de manera confiable en varios sistemas conocidos de objetos compactos binarios (en particular , púlsares con compañeros compactos). En 1993, “por el descubrimiento de un nuevo tipo de púlsar, que proporcionó nuevas oportunidades en el estudio de la gravedad” a los descubridores del primer púlsar doble PSR B1913+16, Russell Hulse y Joseph Taylor Jr. recibió el Premio Nobel de Física. La aceleración de rotación observada en este sistema coincide completamente con las predicciones de la relatividad general para la emisión de ondas gravitacionales. El mismo fenómeno se registró en varios otros casos: en los púlsares PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (normalmente abreviado J0651) y en el sistema binario RX J0806. Por ejemplo, la distancia entre los dos componentes A y B de la primera estrella binaria de los dos púlsares PSR J0737-3039 disminuye aproximadamente 2,5 pulgadas (6,35 cm) por día debido a la pérdida de energía por ondas gravitacionales, y esto ocurre de acuerdo con relatividad general . Todos estos datos se interpretan como una confirmación indirecta de la existencia de ondas gravitacionales.

Según las estimaciones, las fuentes más fuertes y frecuentes de ondas gravitacionales para los telescopios y antenas gravitacionales son las catástrofes asociadas con el colapso de sistemas binarios en galaxias cercanas. Se espera que en un futuro próximo se registren varios eventos similares por año en detectores gravitacionales mejorados, distorsionando la métrica en las proximidades en 10 −21 -10 −23 . Las primeras observaciones de una señal de resonancia paramétrica óptico-métrica, que permite detectar el efecto de las ondas gravitacionales de fuentes periódicas, como una binaria cercana, sobre la radiación de máseres cósmicos, se pudieron haber obtenido en el observatorio radioastronómico de la Federación Rusa. Academia de Ciencias, Pushchino.

Otra posibilidad de detectar el fondo de las ondas gravitacionales que llenan el Universo es la sincronización de alta precisión de los púlsares distantes: el análisis del tiempo de llegada de sus pulsos, que característicamente cambia bajo la influencia de las ondas gravitacionales que atraviesan el espacio entre la Tierra y el púlsar. Las estimaciones para 2013 indican que es necesario mejorar la precisión de la sincronización en aproximadamente un orden de magnitud para detectar ondas de fondo de múltiples fuentes en nuestro Universo, una tarea que podría lograrse antes de finales de la década.

Según los conceptos modernos, nuestro Universo está lleno de ondas gravitacionales reliquias que aparecieron en los primeros momentos después. Su registro permitirá obtener información sobre los procesos del inicio del nacimiento del Universo. El 17 de marzo de 2014 a las 20:00 hora de Moscú en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, un grupo estadounidense de investigadores que trabajan en el proyecto BICEP 2 anunció la detección de perturbaciones tensoriales distintas de cero en el Universo temprano debido a la polarización de la órbita cósmica. radiación de fondo de microondas, que es también el descubrimiento de estas ondas gravitacionales relictas. Sin embargo, casi de inmediato este resultado fue cuestionado, ya que resultó que la contribución no se tuvo debidamente en cuenta. Uno de los autores, J. M. Kovats ( Kovac J.M.), admitió que “los participantes y los periodistas científicos se apresuraron un poco a la hora de interpretar y comunicar los datos del experimento BICEP2”.

Confirmación experimental de la existencia.

La primera señal de onda gravitacional registrada. A la izquierda están los datos del detector en Hanford (H1), a la derecha, en Livingston (L1). El tiempo se cuenta desde el 14 de septiembre de 2015 a las 09:50:45 UTC. Para visualizar la señal, se filtra con un filtro de frecuencia con una banda de paso de 35-350 Hercios para suprimir grandes fluctuaciones fuera del rango de alta sensibilidad de los detectores; también se utilizaron filtros de banda eliminada para suprimir el ruido de las propias instalaciones. Fila superior: tensiones h en los detectores. GW150914 llegó por primera vez a L1 y 6 9 +0 5 −0 4 ms después a H1; Para una comparación visual, los datos de H1 se muestran en el gráfico L1 en forma invertida y desplazada en el tiempo (para tener en cuenta la orientación relativa de los detectores). Segunda fila: voltajes h de la señal de onda gravitacional, pasados ​​​​a través del mismo filtro de paso de banda de 35-350 Hz. La línea sólida es el resultado de la relatividad numérica para un sistema con parámetros compatibles con los encontrados en base al estudio de la señal GW150914, obtenidos por dos códigos independientes con una coincidencia resultante de 99,9. Las líneas grises gruesas son las regiones de confianza del 90% de la forma de onda reconstruida a partir de los datos del detector mediante dos métodos diferentes. La línea gris oscura modela las señales esperadas de la fusión de agujeros negros, la línea gris claro no utiliza modelos astrofísicos, sino que representa la señal como una combinación lineal de ondas sinusoidales-gaussianas. Las reconstrucciones se superponen en un 94%. Tercera fila: Errores residuales después de extraer la predicción filtrada de la señal de relatividad numérica de la señal filtrada de los detectores. Fila inferior: una representación del mapa de frecuencia de voltaje, que muestra el aumento en la frecuencia dominante de la señal a lo largo del tiempo.

11 de febrero de 2016 por las colaboraciones LIGO y VIRGO. La señal de fusión de dos agujeros negros con una amplitud máxima de aproximadamente 10 −21 fue registrada el 14 de septiembre de 2015 a las 9:51 UTC por dos detectores LIGO en Hanford y Livingston, con 7 milisegundos de diferencia, en la región de máxima amplitud de señal ( 0,2 segundos) combinados, la relación señal-ruido fue de 24:1. La señal fue designada GW150914. La forma de la señal coincide con la predicción de la relatividad general para la fusión de dos agujeros negros con masas de 36 y 29 masas solares; el agujero negro resultante debería tener una masa de 62 solares y un parámetro de rotación a= 0,67. La distancia hasta la fuente es de unos 1.300 millones, la energía emitida en décimas de segundo en la fusión equivale a unas 3 masas solares.

Historia

La historia del propio término "onda gravitacional", la búsqueda teórica y experimental de estas ondas, así como su uso para estudiar fenómenos inaccesibles a otros métodos.

• 1900 - Lorentz sugirió que la gravedad “...puede propagarse a una velocidad no mayor que la velocidad de la luz”;
• 1905 - Poincaré introdujo por primera vez el término onda gravitacional (onde gravifique). Poincaré, a nivel cualitativo, eliminó las objeciones establecidas de Laplace y demostró que las correcciones asociadas con las ondas gravitacionales a las leyes de gravedad newtonianas generalmente aceptadas quedan anuladas, por lo que la suposición de la existencia de ondas gravitacionales no contradice las observaciones;
• 1916 - Einstein demostró que, en el marco de la relatividad general, un sistema mecánico transferirá energía en ondas gravitacionales y, en términos generales, cualquier rotación con respecto a las estrellas fijas tarde o temprano debería detenerse, aunque, por supuesto, en condiciones normales, las pérdidas de energía del orden de magnitud son insignificantes y prácticamente no mensurables (en esta obra también creía erróneamente que un sistema mecánico que mantiene constantemente la simetría esférica puede emitir ondas gravitacionales);
• 1918 - Einstein derivó una fórmula cuadrupolar en la que la emisión de ondas gravitacionales resulta ser un efecto de orden , corrigiendo así el error de su trabajo anterior (quedó un error en el coeficiente, la energía de las ondas es 2 veces menor);
• 1923 - Eddington - cuestionó la realidad física de las ondas gravitacionales "... propagándose... a la velocidad del pensamiento". En 1934, al preparar la traducción rusa de su monografía "La teoría de la relatividad", Eddington añadió varios capítulos, incluidos capítulos con dos opciones para calcular las pérdidas de energía por una varilla giratoria, pero señaló que los métodos utilizados para los cálculos aproximados de la relatividad general, En su opinión, no son aplicables a sistemas ligados gravitacionalmente, por lo que persisten las dudas;
• 1937 – Einstein, junto con Rosen, investigó soluciones de ondas cilíndricas a las ecuaciones exactas del campo gravitacional. Durante estos estudios comenzaron a dudar de que las ondas gravitacionales pudieran ser un artefacto de soluciones aproximadas de las ecuaciones de la relatividad general (se conoce correspondencia sobre una reseña del artículo "¿Existen las ondas gravitacionales?" de Einstein y Rosen). Posteriormente encontró un error en su razonamiento; la versión final del artículo con cambios fundamentales fue publicada en el Journal of the Franklin Institute;
• 1957 - Herman Bondi y Richard Feynman propusieron el experimento mental del "bastón de cuentas", en el que fundamentaron la existencia de consecuencias físicas de las ondas gravitacionales en la relatividad general;
• 1962 - Vladislav Pustovoit y Mikhail Herzenstein describieron los principios del uso de interferómetros para detectar ondas gravitacionales de onda larga;
• 1964 - Philip Peters y John Matthew describieron teóricamente las ondas gravitacionales emitidas por sistemas binarios;
• 1969 – Joseph Weber, fundador de la astronomía de ondas gravitacionales, informa sobre la detección de ondas gravitacionales utilizando un detector resonante: una antena gravitacional mecánica. Estos informes dan lugar a un rápido crecimiento del trabajo en esta dirección; en particular, Rainier Weiss, uno de los fundadores del proyecto LIGO, comenzó a experimentar en ese momento. Hasta la fecha (2015), nadie ha podido obtener confirmación fehaciente de estos hechos;
• 1978 - José Taylor informó la detección de radiación gravitacional en el sistema de púlsar binario PSR B1913+16. La investigación de Joseph Taylor y Russell Hulse les valió el Premio Nobel de Física en 1993. A principios de 2015, se habían medido tres parámetros poskeplerianos, incluida la reducción del período debido a la emisión de ondas gravitacionales, en al menos ocho de estos sistemas;
• 2002 - Sergey Kopeikin y Edward Fomalont utilizaron interferometría de ondas de radio de línea de base ultralarga para medir la desviación de la luz en el campo gravitacional de Júpiter en dinámica, lo que para una cierta clase de extensiones hipotéticas de la relatividad general permite estimar la velocidad de gravedad: la diferencia con la velocidad de la luz no debe exceder el 20% (esta interpretación no es generalmente aceptada);
• 2006: el equipo internacional de Martha Bourgay (Observatorio Parkes, Australia) informó una confirmación mucho más precisa de la relatividad general y su correspondencia con la magnitud de la radiación de ondas gravitacionales en el sistema de dos púlsares PSR J0737-3039A/B;
• 2014 - Astrónomos del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (BICEP) informaron de la detección de ondas gravitacionales primordiales mientras medían las fluctuaciones en la radiación cósmica de fondo de microondas. Por el momento (2016), se considera que las fluctuaciones detectadas no son de origen relicto, sino que se explican por la emisión de polvo en la Galaxia;
• 2016 - equipo internacional LIGO informó la detección del evento de tránsito de ondas gravitacionales GW150914. Por primera vez, la observación directa de cuerpos masivos que interactúan en campos gravitacionales ultrafuertes con velocidades relativas ultraaltas (< 1,2 × R s , v/c >0,5), lo que permitió verificar la exactitud de la relatividad general con una precisión de varios términos posnewtonianos de orden superior. La dispersión medida de las ondas gravitacionales no contradice las mediciones realizadas previamente de la dispersión y el límite superior de la masa de un gravitón hipotético (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.