Gravitačné vlny sú veľmi dlhé. Podstata gravitačných vĺn jednoduchými slovami

Mávnite rukou a gravitačné vlny budú prebiehať celým vesmírom.
S. Popov, M. Prochorov. Fantómové vlny vesmíru

V astrofyzike došlo k udalosti, na ktorú sa čakalo desaťročia. Po polstoročí hľadania boli konečne objavené gravitačné vlny, vibrácie samotného časopriestoru, ktoré pred sto rokmi predpovedal Einstein. 14. septembra 2015 modernizované observatórium LIGO zaznamenalo výbuch gravitačných vĺn vytvorených spojením dvoch čiernych dier s hmotnosťou 29 a 36 hmotností Slnka vo vzdialenej galaxii vzdialenej približne 1,3 miliardy svetelných rokov. Astronómia gravitačných vĺn sa stala plnohodnotným odvetvím fyziky; otvorila nám nový spôsob pozorovania Vesmíru a umožní nám študovať dovtedy nedostupné účinky silnej gravitácie.

Gravitačné vlny

Môžete prísť s rôznymi teóriami gravitácie. Všetky budú opisovať náš svet rovnako dobre, pokiaľ sa obmedzíme na jeden jeho prejav – Newtonov zákon univerzálnej gravitácie. Existujú však aj iné, jemnejšie gravitačné efekty, ktoré boli experimentálne testované v rozsahu slnečnej sústavy a poukazujú na jednu konkrétnu teóriu: všeobecnú teóriu relativity (GR).

Všeobecná relativita nie je len súbor vzorcov, je to základný pohľad na podstatu gravitácie. Ak v bežnej fyzike priestor slúži len ako pozadie, nádoba na fyzikálne javy, tak v GTR sa sám stáva javom, dynamickou veličinou, ktorá sa mení v súlade so zákonitosťami GTR. Práve tieto skreslenia časopriestoru vo vzťahu k hladkému pozadiu - alebo v jazyku geometrie - skreslenia časopriestorovej metriky - pociťujeme ako gravitáciu. Stručne povedané, všeobecná relativita odhaľuje geometrický pôvod gravitácie.

Všeobecná relativita má zásadnú predpoveď: gravitačné vlny. Sú to deformácie časopriestoru, ktoré sú schopné „odtrhnúť sa od zdroja“ a samostatne odletieť. Toto je gravitácia sama o sebe, nikoho, jemu vlastná. Albert Einstein konečne sformuloval všeobecnú teóriu relativity v roku 1915 a takmer okamžite si uvedomil, že rovnice, ktoré odvodil, umožňujú existenciu takýchto vĺn.

Ako pri každej poctivej teórii, aj takáto jasná predpoveď všeobecnej relativity musí byť overená experimentálne. Akékoľvek pohybujúce sa teleso môže vyžarovať gravitačné vlny: planéty, kameň hodený nahor alebo mávnutie ruky. Problém je však v tom, že gravitačná interakcia je taká slabá, že žiadne experimentálne zariadenie nedokáže odhaliť emisiu gravitačných vĺn z bežných „žiaričov“.

Ak chcete „prenasledovať“ silnú vlnu, musíte značne deformovať časopriestor. Ideálnou možnosťou sú dve čierne diery rotujúce okolo seba v tesnom tanci, vo vzdialenosti rádovo svojho gravitačného polomeru (obr. 2). Skreslenie metriky bude také silné, že značná časť energie tohto páru bude emitovaná do gravitačných vĺn. Pri strate energie sa pár bude približovať k sebe, bude sa otáčať rýchlejšie a rýchlejšie, čím sa bude metrika stále viac skresľovať a generovať ešte silnejšie gravitačné vlny – až napokon dôjde k radikálnej reštrukturalizácii celého gravitačného poľa tohto páru a dve čierne diery sa spoja do jeden.

Takéto spojenie čiernych dier je výbuchom obrovskej sily, ale iba všetka táto vyžarovaná energia nejde do svetla, nie do častíc, ale do vibrácií vesmíru. Vyžarovaná energia bude tvoriť značnú časť počiatočnej hmoty čiernych dier a toto žiarenie vytryskne v zlomku sekundy. Podobné oscilácie budú generované zlúčením neutrónových hviezd. O niečo slabšie uvoľnenie energie gravitačnými vlnami sprevádza aj ďalšie procesy, ako napríklad kolaps jadra supernovy.

Výbuch gravitačnej vlny zo zlúčenia dvoch kompaktných objektov má veľmi špecifický, dobre vypočítaný profil, znázornený na obr. 3. Periódu kmitania určuje orbitálny pohyb dvoch objektov okolo seba. Gravitačné vlny odnášajú energiu; v dôsledku toho sa predmety približujú k sebe a otáčajú sa rýchlejšie - a to je viditeľné ako na zrýchlení kmitov, tak aj na zvýšení amplitúdy. V určitom okamihu dôjde k zlúčeniu, vyšle sa posledná silná vlna a potom nasleduje vysokofrekvenčné „zazvonenie“ ( zvonenie) - chvenie výslednej čiernej diery, ktorá „odhodí“ všetky nesférické deformácie (táto fáza nie je znázornená na obrázku). Poznanie tohto charakteristického profilu pomáha fyzikom hľadať slabý signál z takéhoto zlúčenia vo vysoko zašumených údajoch detektora.

Kolísanie časopriestorovej metriky - ozvena gravitačných vĺn grandióznej explózie - sa rozptýli po celom vesmíre všetkými smermi od zdroja. Ich amplitúda so vzdialenosťou slabne, podobne ako jas bodového zdroja klesá so vzdialenosťou od neho. Keď výbuch zo vzdialenej galaxie dosiahne Zem, metrické fluktuácie budú rádovo 10 -22 alebo ešte menej. Inými slovami, vzdialenosť medzi objektmi, ktoré spolu fyzicky nesúvisia, sa bude pravidelne zvyšovať a znižovať o takúto relatívnu hodnotu.

Rádovú veľkosť tohto čísla možno ľahko získať z úvah o mierke (pozri článok V. M. Lipunova). V momente zlúčenia neutrónových hviezd alebo čiernych dier hviezdnych hmotností sú skreslenia metriky hneď vedľa nich veľmi veľké - rádovo 0,1, preto je gravitácia silná. Takéto vážne skreslenie ovplyvňuje oblasť rádovo veľkosti týchto objektov, to znamená niekoľko kilometrov. Keď sa vzďaľujete od zdroja, amplitúda kmitania klesá nepriamo úmerne k vzdialenosti. To znamená, že vo vzdialenosti 100 Mpc = 3·10 21 km klesne amplitúda kmitov o 21 rádov a bude približne 10 -22.

Samozrejme, ak k zlúčeniu dôjde v našej domovskej galaxii, otrasy časopriestoru, ktoré dorazia na Zem, budú oveľa silnejšie. Ale takéto udalosti sa vyskytujú raz za niekoľko tisíc rokov. Počítať teda treba naozaj len s detektorom, ktorý bude schopný zaznamenať splývanie neutrónových hviezd či čiernych dier na vzdialenosť desiatok až stoviek megaparsekov, čiže pokryje mnoho tisíc a miliónov galaxií.

Tu treba dodať, že nepriamy náznak existencie gravitačných vĺn už bol objavený a dokonca bol za rok 1993 ocenený Nobelovou cenou za fyziku. Dlhodobé pozorovania pulzaru v binárnom systéme PSR B1913+16 ukázali, že doba obehu klesá presne rovnakou rýchlosťou, ako predpovedala všeobecná relativita, berúc do úvahy straty energie v dôsledku gravitačného žiarenia. Z tohto dôvodu takmer nikto z vedcov nepochybuje o realite gravitačných vĺn; jedinou otázkou je, ako ich chytiť.

História vyhľadávania

Hľadanie gravitačných vĺn začalo asi pred polstoročím - a takmer okamžite sa zmenilo na senzáciu. Joseph Weber z University of Maryland skonštruoval prvý rezonančný detektor: pevný dvojmetrový hliníkový valec s citlivými piezoelektrickými snímačmi po stranách a dobrou izoláciou vibrácií od vonkajších vibrácií (obr. 4). Keď prejde gravitačná vlna, valec rezonuje v čase s deformáciami časopriestoru, čo by senzory mali zaregistrovať. Weber zostrojil niekoľko takýchto detektorov a v roku 1969 po analýze ich hodnôt počas jednej zo sedení priamo uviedol, že zaregistroval „zvuk gravitačných vĺn“ v niekoľkých detektoroch naraz, vzdialených od seba dva kilometre (J. Weber, 1969 Dôkazy pre objav gravitačného žiarenia). Amplitúda oscilácií, ktorú deklaroval, sa ukázala byť neuveriteľne veľká, rádovo 10 -16, čo je miliónkrát väčšia ako typická očakávaná hodnota. Weberov odkaz sa stretol s veľkou skepsou vedeckej komunity; Okrem toho ďalšie experimentálne skupiny, vyzbrojené podobnými detektormi, neboli schopné následne zachytiť jediný podobný signál.

Weberovo úsilie však dalo impulz celej tejto oblasti výskumu a spustilo hon na vlny. Od 70. rokov 20. storočia vďaka úsiliu Vladimíra Braginského a jeho kolegov z Moskovskej štátnej univerzity do tohto závodu vstúpil aj ZSSR (pozri absenciu signálov gravitačných vĺn). Zaujímavý príbeh o tých časoch je v eseji Ak dievča spadne do diery... . Braginsky, mimochodom, je jedným z klasikov celej teórie kvantových optických meraní; bol prvý, kto prišiel s konceptom štandardného kvantového limitu merania – kľúčového obmedzenia v optických meraniach – a ukázal, ako ich možno v princípe prekonať. Weberov rezonančný obvod bol vylepšený a vďaka hlbokému chladeniu inštalácie sa dramaticky znížil hluk (pozri zoznam a históriu týchto projektov). Presnosť takýchto celokovových detektorov však bola stále nedostatočná na spoľahlivé zistenie očakávaných udalostí a okrem toho boli naladené tak, aby rezonovali len vo veľmi úzkom frekvenčnom rozsahu okolo kilohertzov.

Oveľa sľubnejšie sa zdali detektory, ktoré používali viac ako jeden rezonujúci objekt, ale sledovali vzdialenosť medzi dvoma nesúvisiacimi, nezávisle zavesenými telesami, ako sú dve zrkadlá. Vďaka vibrácii priestoru spôsobenej gravitačnou vlnou bude vzdialenosť medzi zrkadlami buď o niečo väčšia alebo o niečo menšia. Navyše, čím dlhšie je rameno, tým väčší absolútny posun spôsobí gravitačná vlna danej amplitúdy. Tieto vibrácie je možné cítiť pomocou laserového lúča prechádzajúceho medzi zrkadlami. Takáto schéma je schopná detekovať oscilácie v širokom rozsahu frekvencií, od 10 hertzov do 10 kilohertzov, a to je presne rozsah, v ktorom budú vyžarovať zlučujúce sa páry neutrónových hviezd alebo čiernych dier s hviezdnou hmotnosťou.

Moderná implementácia tejto myšlienky na základe Michelsonovho interferometra vyzerá takto (obr. 5). Zrkadlá sú zavesené v dvoch dlhých, niekoľko kilometrov dlhých, na seba kolmých vákuových komorách. Pri vstupe do inštalácie sa laserový lúč rozdelí, prejde oboma komorami, odrazí sa od zrkadiel, vráti sa späť a znovu sa zjednotí v priesvitnom zrkadle. Faktor kvality optického systému je extrémne vysoký, takže laserový lúč neprechádza len raz tam a späť, ale zotrváva v tomto optickom rezonátore dlhú dobu. V „tichom“ stave sú dĺžky zvolené tak, aby sa dva lúče po opätovnom spojení navzájom zrušili v smere k senzoru a potom bol fotodetektor v úplnom tieni. Ale akonáhle sa zrkadlá pod vplyvom gravitačných vĺn posunú o mikroskopickú vzdialenosť, kompenzácia dvoch lúčov sa stane neúplnou a fotodetektor zachytí svetlo. A čím silnejší je posun, tým jasnejšie svetlo fotosenzor uvidí.

Slová „mikroskopický posun“ ani zďaleka nevyjadrujú jemnosť účinku. Posun zrkadiel o vlnovú dĺžku svetla, teda mikróny, si ľahko všimnete aj bez akýchkoľvek trikov. Ale pri dĺžke ramena 4 km to zodpovedá osciláciám časopriestoru s amplitúdou 10 −10. Všimnúť si posunutie zrkadiel o priemer atómu tiež nie je problém – stačí vystreliť laserový lúč, ktorý prebehne tisíckrát tam a späť a získa požadovaný fázový posun. Ale aj toto dáva najviac 10 −14. A musíme ísť ešte miliónkrát dole na stupnici posunu, to znamená naučiť sa registrovať zrkadlový posun ani nie o jeden atóm, ale o tisíciny atómového jadra!

Na ceste k tejto skutočne úžasnej technológii museli fyzici prekonať mnohé ťažkosti. Niektoré z nich sú čisto mechanické: musíte zavesiť masívne zrkadlá na záves, ktorý visí na inom závese, ten na treťom závese atď. - a to všetko preto, aby ste sa čo najviac zbavili vonkajších vibrácií. Ďalšie problémy sú tiež inštrumentálne, ale optické. Napríklad, čím silnejší je lúč cirkulujúci v optickom systéme, tým slabší posun zrkadiel dokáže fotosenzor zaznamenať. Príliš silný lúč však nerovnomerne zahreje optické prvky, čo bude mať škodlivý vplyv na vlastnosti samotného lúča. Tento efekt musí byť nejakým spôsobom kompenzovaný, a preto sa v roku 2000 spustil celý výskumný program na túto tému (príbeh o tomto výskume nájdete v novinke Prekonaná prekážka na ceste k vysoko citlivému detektoru gravitačných vĺn „Elements“ , 27.06.2006). Nakoniec existujú čisto základné fyzikálne obmedzenia súvisiace s kvantovým správaním fotónov v dutine a princípom neurčitosti. Obmedzujú citlivosť senzora na hodnotu nazývanú štandardný kvantový limit. Fyzici pomocou šikovne pripraveného kvantového stavu laserového svetla sa ho však už naučili prekonať (J. Aasi et al., 2013. Zvýšená citlivosť detektora gravitačných vĺn LIGO využitím stlačených stavov svetla).

Celý zoznam krajín sa zúčastňuje pretekov o gravitačné vlny; Rusko má svoju vlastnú inštaláciu na observatóriu Baksan a, mimochodom, je opísaná v dokumentárnom populárnom vedeckom filme Dmitrija Zavilgelského "Čakanie na vlny a častice". Lídrami tohto závodu sú teraz dve laboratóriá – americký projekt LIGO a taliansky detektor Virgo. LIGO obsahuje dva identické detektory, ktoré sa nachádzajú v Hanforde (štát Washington) a Livingstone (Louisiana) a sú od seba vzdialené 3000 km. Mať dve nastavenia je dôležité z dvoch dôvodov. Po prvé, signál sa bude považovať za zaregistrovaný iba vtedy, ak ho uvidia oba detektory súčasne. A po druhé, rozdielom v príchode výbuchu gravitačnej vlny na dve inštalácie - a môže dosiahnuť 10 milisekúnd - sa dá približne určiť, z ktorej časti oblohy tento signál prišiel. Je pravda, že s dvoma detektormi bude chyba veľmi veľká, ale keď sa Panna uvedie do prevádzky, presnosť sa výrazne zvýši.

Presne povedané, myšlienku interferometrickej detekcie gravitačných vĺn prvýkrát navrhli sovietski fyzici M. E. Herzenstein a V. I. Pustovoit v roku 1962. V tom čase bol práve vynájdený laser a Weber začal vytvárať svoje rezonančné detektory. Tento článok si však na Západe nevšimli a, pravdupovediac, neovplyvnil vývoj reálnych projektov (pozri historický prehľad Fyziky detekcie gravitačných vĺn: rezonančné a interferometrické detektory).

Vytvorenie gravitačného observatória LIGO bolo iniciatívou troch vedcov z Massachusetts Institute of Technology (MIT) a California Institute of Technology (Caltech). Sú to Rainer Weiss, ktorý zrealizoval myšlienku interferometrického detektora gravitačných vĺn, Ronald Drever, ktorý dosiahol stabilitu laserového svetla dostatočnú na detekciu, a Kip Thorne, teoretik stojaci za projektom, dnes dobre známy širokej verejnosti. ako vedecký konzultant film "Interstellar". O ranej histórii LIGO si môžete prečítať v nedávnom rozhovore s Rainerom Weissom a v memoároch Johna Preskilla.

Aktivity súvisiace s projektom interferometrickej detekcie gravitačných vĺn sa začali koncom 70. rokov 20. storočia a mnohí ľudia spočiatku pochybovali aj o realizovateľnosti tohto počinu. Po predvedení množstva prototypov bol však napísaný a schválený súčasný dizajn LIGO. Bol postavený počas posledného desaťročia 20. storočia.

Hoci prvotný impulz pre projekt prišiel zo Spojených štátov, LIGO je skutočne medzinárodným projektom. Finančne a intelektuálne do toho investovalo 15 krajín a členmi spolupráce je viac ako tisíc ľudí. Pri realizácii projektu zohrali dôležitú úlohu sovietski a ruskí fyzici. Na realizácii projektu LIGO sa od začiatku aktívne podieľala už spomínaná skupina Vladimíra Braginského z Moskovskej štátnej univerzity a neskôr sa k spolupráci pridal aj Ústav aplikovanej fyziky z Nižného Novgorodu.

Observatórium LIGO začalo svoju činnosť v roku 2002 a do roku 2010 sa v ňom konalo šesť vedeckých pozorovaní. Žiadne výbuchy gravitačných vĺn neboli spoľahlivo detekované a fyzici boli schopní nastaviť iba horné hranice frekvencie takýchto udalostí. To ich však príliš neprekvapilo: odhady ukázali, že v tej časti vesmíru, ktorú detektor vtedy „počúval“, bola pravdepodobnosť dostatočne silnej kataklizmy nízka: približne raz za niekoľko desaťročí.

Cieľová čiara

Spolupráca LIGO a Virgo v rokoch 2010 až 2015 radikálne zmodernizovali vybavenie (Virgo je však stále v procese príprav). A teraz bol dlho očakávaný cieľ na dohľad. LIGO - alebo skôr aLIGO ( Pokročilé LIGO) - bol teraz pripravený zachytiť výbuchy generované neutrónovými hviezdami vo vzdialenosti 60 megaparsekov a čierne diery - vo vzdialenosti stoviek megaparsekov. Objem vesmíru otvoreného počúvaniu gravitačných vĺn sa v porovnaní s predchádzajúcimi reláciami desaťnásobne zvýšil.

Samozrejme, nie je možné predpovedať, kedy a kde nastane ďalší boom gravitačných vĺn. Ale citlivosť aktualizovaných detektorov umožnila počítať s niekoľkými fúziami neutrónových hviezd ročne, takže prvý výbuch sa dal očakávať už počas prvého štvormesačného pozorovania. Ak hovoríme o celom projekte aLIGO, ktorý trval niekoľko rokov, tak verdikt bol mimoriadne jasný: buď budú padať výbuchy jeden za druhým, alebo niečo vo všeobecnej relativite zásadne nefunguje. Oboje bude veľkým objavom.

Od 18. septembra 2015 do 12. januára 2016 sa uskutočnilo prvé pozorovanie aLIGO. Počas celej tejto doby sa na internete šírili zvesti o registrácii gravitačných vĺn, ale spolupráca zostala tichá: „Zhromažďujeme a analyzujeme údaje a ešte nie sme pripravení oznámiť výsledky. Dodatočnú intrigu vyvolala skutočnosť, že počas procesu analýzy si samotní členovia spolupráce nemôžu byť úplne istí, že vidia skutočné prasknutie gravitačnej vlny. Faktom je, že v LIGO sa do prúdu reálnych dát občas umelo zavedie počítačom generovaný burst. Nazýva sa to „slepá injekcia“ a z celej skupiny majú iba traja ľudia (!) prístup k systému, ktorý ju vykonáva v ľubovoľnom čase. Tím musí túto vlnu sledovať, zodpovedne analyzovať a až v posledných fázach analýzy „sa odhalia karty“ a členovia spolupráce zistia, či išlo o skutočnú udalosť alebo skúšku bdelosti. Mimochodom, v jednom takom prípade v roku 2010 došlo dokonca k napísaniu článku, ale objavený signál sa ukázal byť len „slepou náplňou“.

Lyrická odbočka

Aby som znovu precítil vážnosť okamihu, navrhujem pozrieť sa na tento príbeh z druhej strany, z vnútra vedy. Keď zložitý, neprístupný vedecký problém zostáva niekoľko rokov nezodpovedateľný, je to normálny pracovný moment. Keď neúrodí viac ako jednu generáciu, vníma sa úplne inak.

Ako školák čítate populárno-náučné knihy a spoznávate túto ťažko riešiteľnú, no strašne zaujímavú vedeckú hádanku. Ako študent študuješ fyziku, podávaš referáty a občas ti jej existenciu, vhodne alebo nie, pripomenú ľudia okolo teba. Potom robíte vedu, pracujete v inej oblasti fyziky, ale pravidelne počúvate o neúspešných pokusoch o jej vyriešenie. Vy, samozrejme, chápete, že niekde sa vyvíja aktívne úsilie na jeho vyriešenie, ale konečný výsledok pre vás ako outsidera zostáva nezmenený. Problém je vnímaný ako statické pozadie, ako dekorácia, ako večný a takmer nezmenený prvok fyziky v rozsahu vášho vedeckého života. Ako úloha, ktorá vždy bola a bude.

A potom – riešia to. A zrazu, na škále niekoľkých dní, cítite, že fyzický obraz sveta sa zmenil a že teraz ho treba formulovať inak a klásť si iné otázky.

Pre ľudí priamo pracujúcich na hľadaní gravitačných vĺn táto úloha, samozrejme, nezostala nezmenená. Vidia cieľ, vedia, čo treba dosiahnuť. Samozrejme dúfajú, že aj príroda sa s nimi na polceste stretne a v nejakej blízkej galaxii vrhne silný šplouch, no zároveň chápu, že aj keď príroda nebude tak nápomocná, už sa nebude môcť pred vedcami skrývať. . Jedinou otázkou je, kedy presne budú schopní dosiahnuť svoje technické ciele. Príbeh o tejto senzácii od človeka, ktorý niekoľko desaťročí pátra po gravitačných vlnách, si môžete vypočuť v už spomínanom filme "Čakanie na vlny a častice".

Otvorenie

Na obr. Obrázok 7 ukazuje hlavný výsledok: profil signálu zaznamenaného oboma detektormi. Je vidieť, že na pozadí hluku sa oscilácia požadovaného tvaru najprv objaví slabo a potom sa zvýši amplitúda a frekvencia. Porovnanie s výsledkami numerických simulácií umožnilo objasniť, ktoré objekty sme pozorovali ako sa spájajú: išlo o čierne diery s hmotnosťou približne 36 a 29 hmotností Slnka, ktoré sa zlúčili do jednej čiernej diery s hmotnosťou 62 hmotností Slnka (chyba vo všetkých tieto čísla, zodpovedajúce 90 % intervalu spoľahlivosti, sú 4 hmotnosti Slnka). Autori mimochodom poznamenávajú, že výsledná čierna diera je najťažšou čiernou dierou s hviezdnou hmotnosťou, aká bola kedy pozorovaná. Rozdiel medzi celkovou hmotnosťou dvoch počiatočných objektov a konečnej čiernej diery je 3 ± 0,5 hmotnosti Slnka. Tento defekt gravitačnej hmoty sa úplne premenil na energiu emitovaných gravitačných vĺn za približne 20 milisekúnd. Výpočty ukázali, že maximálny výkon gravitačných vĺn dosiahol 3,6 10 56 erg/s, alebo, čo sa týka hmotnosti, približne 200 hmôt Slnka za sekundu.

Štatistická významnosť zisteného signálu je 5,1σ. Inými slovami, ak predpokladáme, že tieto štatistické výkyvy sa navzájom prekrývali a čisto náhodou spôsobili takýto výbuch, takáto udalosť by musela čakať 200 tisíc rokov. To nám umožňuje s istotou vyhlásiť, že detekovaný signál nie je kolísanie.

Časové oneskorenie medzi dvoma detektormi bolo približne 7 milisekúnd. To umožnilo odhadnúť smer príchodu signálu (obr. 9). Keďže sú len dva detektory, lokalizácia sa ukázala ako veľmi približná: parametricky vhodná oblasť nebeskej sféry je 600 štvorcových stupňov.

Spolupráca LIGO sa neobmedzila len na konštatovanie faktu zaznamenávania gravitačných vĺn, ale vykonala aj prvú analýzu dôsledkov tohto pozorovania pre astrofyziku. V článku Astrophysical implications of the binary black hole merger GW150914, publikovanom v ten istý deň v časopise The Astrophysical Journal Letters, autori odhadli frekvenciu, s akou dochádza k takýmto zlúčeniam čiernych dier. Výsledkom bola aspoň jedna fúzia na kubický gigaparsek za rok, čo je v súlade s predpoveďami najoptimistickejších modelov v tomto smere.

Čo nám hovoria gravitačné vlny?

Objavenie nového fenoménu po desaťročiach hľadania nie je koniec, ale iba začiatok nového odvetvia fyziky. Samozrejme, registrácia gravitačných vĺn zo spojenia dvoch černochov je sama o sebe dôležitá. Toto je priamy dôkaz existencie čiernych dier a existencie dvojitých čiernych dier a reality gravitačných vĺn a, všeobecne povedané, dôkaz správnosti geometrického prístupu ku gravitácii, na ktorom je založená všeobecná relativita. Pre fyzikov je však nemenej cenné, že astronómia gravitačných vĺn sa stáva novým výskumným nástrojom, ktorý umožňuje študovať to, čo bolo predtým nedostupné.

Po prvé, je to nový spôsob, ako vidieť vesmír a študovať kozmické kataklizmy. Pre gravitačné vlny neexistujú žiadne prekážky, bez problémov prechádzajú všetkým vo vesmíre. Sú sebestační: ich profil nesie informácie o procese, ktorý ich zrodil. Nakoniec, ak jedna veľká explózia vygeneruje optický, neutrínový a gravitačný výbuch, potom sa môžeme pokúsiť zachytiť všetky, porovnať ich navzájom a pochopiť predtým nedostupné detaily toho, čo sa tam stalo. Schopnosť zachytiť a porovnať takéto rôzne signály z jednej udalosti je hlavným cieľom všesignálnej astronómie.

Keď sa detektory gravitačných vĺn stanú ešte citlivejšími, budú schopné zachytiť otrasy časopriestoru nie v momente splynutia, ale niekoľko sekúnd pred ním. Automaticky pošlú svoj varovný signál do všeobecnej siete pozorovacích staníc a satelity astrofyzických ďalekohľadov, ktoré vypočítajú súradnice navrhovaného zlúčenia, budú mať v týchto sekundách čas otočiť sa požadovaným smerom a začať fotografovať oblohu pred optickým výbuchom. začína.

Po druhé, výbuch gravitačnej vlny nám umožní dozvedieť sa nové veci o neutrónových hviezdach. Zlúčenie neutrónových hviezd je v skutočnosti najnovším a najextrémnejším experimentom na neutrónových hviezdach, ktorý nám príroda môže urobiť a my ako diváci budeme musieť len pozorovať výsledky. Pozorovacie dôsledky takéhoto zlúčenia môžu byť rôzne (obrázok 10) a zhromažďovaním ich štatistík môžeme lepšie pochopiť správanie neutrónových hviezd v takýchto exotických prostrediach. Prehľad súčasného stavu v tomto smere možno nájsť v nedávnej publikácii S. Rosswoga, 2015. Multi-messenger obraz kompaktných binárnych fúzií.

Po tretie, zaznamenanie výbuchu, ktorý prišiel zo supernovy a jeho porovnanie s optickými pozorovaniami, konečne umožní detailne pochopiť, čo sa deje vo vnútri, na samom začiatku kolapsu. Teraz majú fyzici stále problémy s numerickým modelovaním tohto procesu.

Po štvrté, fyzici zapojení do teórie gravitácie majú vytúžené „laboratórium“ na štúdium účinkov silnej gravitácie. Doteraz všetky účinky všeobecnej teórie relativity, ktoré sme mohli priamo pozorovať, súviseli s gravitáciou v slabých poliach. Čo sa deje v podmienkach silnej gravitácie, keď deformácie časopriestoru začnú na seba silne interagovať, by sme mohli hádať len z nepriamych prejavov, cez optickú ozvenu kozmických katastrof.

Po piate, je tu nová príležitosť otestovať exotické teórie gravitácie. V modernej fyzike už existuje veľa takýchto teórií, pozri napríklad kapitolu venovanú im z populárnej knihy „Gravitácia“ od A. N. Petrova. Niektoré z týchto teórií pripomínajú konvenčnú všeobecnú teóriu relativity v limite slabých polí, ale môžu byť veľmi odlišné, keď sa gravitácia stane veľmi silnou. Iní pripúšťajú existenciu nového typu polarizácie pre gravitačné vlny a predpovedajú rýchlosť mierne odlišnú od rýchlosti svetla. Nakoniec existujú teórie, ktoré zahŕňajú ďalšie priestorové rozmery. Čo sa o nich dá povedať na základe gravitačných vĺn, je otvorenou otázkou, no je jasné, že z niektorých informácií sa tu dá profitovať. Odporúčame prečítať si aj názor samotných astrofyzikov na to, čo sa zmení objavom gravitačných vĺn, vo výbere na Postnauke.

Budúce plány

Vyhliadky na astronómiu gravitačných vĺn sú veľmi povzbudivé. Teraz sa skončilo iba prvé, najkratšie pozorovanie detektora aLIGO - a už v tomto krátkom čase bol zaznamenaný jasný signál. Presnejšie by bolo povedať toto: prvý signál bol zachytený ešte pred oficiálnym začiatkom a spolupráca zatiaľ nehlási všetky štyri mesiace práce. Kto vie, možno je tam už niekoľko ďalších hrotov? Tak či onak, ale ďalej, ako sa zvyšuje citlivosť detektorov a rozširuje sa časť vesmíru prístupná pozorovaniu gravitačných vĺn, počet zaznamenaných udalostí bude rásť ako lavína.

Predpokladaný rozvrh relácie pre sieť LIGO-Virgo je znázornený na obr. 11. Druhé, polročné sedenie sa začne koncom tohto roka, tretie potrvá takmer celý rok 2018 a v každej fáze sa bude zvyšovať citlivosť detektora. Okolo roku 2020 by aLIGO malo dosiahnuť svoju plánovanú citlivosť, ktorá umožní detektoru sondovať vesmír na zlúčenie neutrónových hviezd vzdialených od nás vo vzdialenostiach až 200 Mpc. Pre ešte energickejšie udalosti zlúčenia čiernych dier môže citlivosť dosiahnuť takmer gigaparsek. Tak či onak, objem vesmíru, ktorý je k dispozícii na pozorovanie, sa v porovnaní s prvou reláciou zväčší desaťkrát.

Neskôr v tomto roku príde na rad aj vynovené talianske laboratórium Virgo. Jeho citlivosť je o niečo menšia ako u LIGO, ale stále celkom slušná. Vďaka triangulačnej metóde trojica detektorov rozmiestnených v priestore umožní oveľa lepšie rekonštruovať polohu zdrojov na nebeskej sfére. Ak teraz pri dvoch detektoroch dosiahne oblasť lokalizácie stovky štvorcových stupňov, tak tri detektory ju znížia na desiatky. Okrem toho sa v súčasnosti v Japonsku stavia podobná gravitačná vlnová anténa KAGRA, ktorá začne fungovať o dva až tri roky a v Indii sa okolo roku 2022 plánuje spustenie detektora LIGO-India. Výsledkom je, že po niekoľkých rokoch bude fungovať celá sieť detektorov gravitačných vĺn, ktoré budú pravidelne zaznamenávať signály (obr. 13).

Napokon, existujú plány na vypustenie prístrojov s gravitačnými vlnami do vesmíru, najmä projekt eLISA. Pred dvoma mesiacmi bol na obežnú dráhu vypustený prvý testovací satelit, ktorého úlohou bude testovanie technológií. Skutočná detekcia gravitačných vĺn je ešte ďaleko. Keď však táto skupina satelitov začne zbierať údaje, otvorí sa tým ďalšie okno do vesmíru – prostredníctvom nízkofrekvenčných gravitačných vĺn. Tento celovlnový prístup ku gravitačným vlnám je hlavným dlhodobým cieľom tohto poľa.

Paralely

Objav gravitačných vĺn bol za posledné roky už tretíkrát, keď fyzici konečne prelomili všetky prekážky a dostali sa k dovtedy nepoznaným jemnostiam štruktúry nášho sveta. V roku 2012 bol objavený Higgsov bozón, častica predpovedaná takmer pred polstoročím. V roku 2013 detektor neutrín IceCube dokázal realitu astrofyzikálnych neutrín a začal sa „pozerať na vesmír“ úplne novým, predtým nedostupným spôsobom – cez vysokoenergetické neutrína. A teraz príroda opäť podľahla človeku: otvorilo sa „okno“ gravitačných vĺn na pozorovanie vesmíru a zároveň sa účinky silnej gravitácie sprístupnili na priame štúdium.

Treba povedať, že nikde sa tu nenachádzala žiadna „zadarmo“ z prírody. Hľadanie prebiehalo veľmi dlho, ale neprinieslo žiadne výsledky, pretože vtedy, pred desiatkami rokov, zariadenia nedosiahli výsledok z hľadiska energie, rozsahu alebo citlivosti. Bol to neustály, cielený vývoj technológií, ktorý viedol k cieľu, vývoj, ktorý nezastavili ani technické ťažkosti, ani negatívne výsledky minulých rokov.

A vo všetkých troch prípadoch samotný fakt objavu nebol koncom, ale naopak, začiatkom nového smerovania výskumu, stal sa novým nástrojom na sondovanie nášho sveta. Vlastnosti Higgsovho bozónu sa stali dostupnými na meranie – a v týchto údajoch sa fyzici snažia rozlíšiť účinky Novej fyziky. Vďaka zvýšenej štatistike vysokoenergetických neutrín robí neutrínová astrofyzika prvé kroky. Prinajmenšom to isté sa teraz očakáva od astronómie gravitačných vĺn a existujú dôvody na optimizmus.

Zdroje:
1) LIGO Scientific Coll. a Panna Coll. Pozorovanie gravitačných vĺn zo zlúčenia binárnych čiernych dier // Phys. Rev. Lett. Zverejnené 11. februára 2016.
2) Detekčné papiere – zoznam technických článkov sprevádzajúcich hlavný objavný článok.
3) E. Berti. Pohľad: Prvé zvuky spájania čiernych dier // fyzika. 2016. V. 9. N. 17.

Preskúmať materiály:
1) David Blair a kol. Astronómia gravitačných vĺn: súčasný stav // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott a LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration. Vyhliadky na pozorovanie a lokalizáciu prechodných javov gravitačných vĺn pomocou Advanced LIGO a Advanced Virgo // Living Rev. Relativita. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Minulosť, súčasnosť a budúcnosť detektorov rezonančných gravitačných vĺn // Res. Astron. Astrophys. 2011. V. 11. N. 1.
4) Hľadanie gravitačných vĺn - výber materiálov na webovej stránke časopisu Veda o hľadaní gravitačných vĺn.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Detekcia gravitačných vĺn pomocou interferometrie (zem a vesmír) // arXiv:1102.3355.
6) V. B. Braginskij. Astronómia gravitačných vĺn: nové metódy merania // UFN. 2000. T. 170. s. 743–752.
7) Peter R. Saulson.

Čo sú to gravitačné vlny?

Gravitačné vlny - zmeny v gravitačnom poli, ktoré sa šíria ako vlny. Vyžarujú ich pohybujúce sa hmoty, ale po ožiarení sú od nich oddelené a existujú nezávisle od týchto hmôt. Matematicky súvisí s narušením časopriestorových metrík a možno ho opísať ako „časopriestorové vlnky“.

Vo všeobecnej teórii relativity a vo väčšine ostatných moderných teórií gravitácie sú gravitačné vlny generované pohybom masívnych telies s premenlivým zrýchlením. Gravitačné vlny sa šíria voľne v priestore rýchlosťou svetla. Vzhľadom na relatívnu slabosť gravitačných síl (v porovnaní s inými) majú tieto vlny veľmi malú veľkosť, ktorú je ťažké zaregistrovať.

Gravitačné vlny predpovedá všeobecná teória relativity (GR). Prvýkrát ich priamo detegovali v septembri 2015 dvojité detektory LIGO, ktoré detekovali gravitačné vlny pravdepodobne produkované zlúčením dvoch čiernych dier do jednej, masívnejšej, rotujúcej čiernej diery. Nepriame dôkazy o ich existencii sú známe už od 70. rokov 20. storočia – Všeobecná teória relativity predpovedá rýchlosti konvergencie blízkych systémov dvojhviezd, ktoré sa zhodujú s pozorovaniami v dôsledku straty energie v dôsledku emisie gravitačných vĺn. Priama registrácia gravitačných vĺn a ich využitie na určenie parametrov astrofyzikálnych procesov je dôležitou úlohou modernej fyziky a astronómie.

Ak uvažujeme o našom časopriestore ako o mriežke súradníc, potom gravitačné vlny sú poruchy, vlnky, ktoré budú prebiehať pozdĺž mriežky, keď masívne telesá (ako čierne diery) deformujú priestor okolo nich.

Dá sa to prirovnať k zemetraseniu. Predstavte si, že žijete v meste. Má niekoľko značiek, ktoré vytvárajú mestský priestor: domy, stromy atď. Sú nehybní. Keď niekde pri meste dôjde k veľkému zemetraseniu, vibrácie sa dostanú až k nám – a dokonca aj nehybné domy a stromy začnú vibrovať. Tieto vibrácie sú gravitačné vlny; a predmety, ktoré vibrujú, sú priestor a čas.

Prečo vedcom trvalo tak dlho zistiť gravitačné vlny?

Konkrétne snahy o detekciu gravitačných vĺn začali v povojnovom období trochu naivnými zariadeniami, ktoré zjavne neboli dostatočne citlivé na to, aby takéto oscilácie zachytili. Postupom času sa ukázalo, že vyhľadávacie detektory musia byť veľmi veľké – a musia využívať modernú laserovú technológiu. S rozvojom moderných laserových technológií bolo možné ovládať geometriu, ktorej poruchami sú gravitačné vlny. Pri tomto objave zohral kľúčovú úlohu obrovský rozvoj technológií. Bez ohľadu na to, akí brilantní boli vedci, len pred 30 – 40 rokmi to bolo jednoducho technicky nemožné.

Prečo je detekcia vĺn taká dôležitá pre fyziku?

Gravitačné vlny predpovedal Albert Einstein vo svojej všeobecnej teórii relativity asi pred sto rokmi. Počas celého 20. storočia sa našli fyzici, ktorí túto teóriu spochybňovali, hoci sa objavovalo stále viac dôkazov. A prítomnosť gravitačných vĺn je takým kritickým potvrdením teórie.

Navyše, pred zaznamenávaním gravitačných vĺn sme vedeli, ako sa gravitácia správa, len z príkladu nebeskej mechaniky, interakcie nebeských telies. Ale bolo jasné, že gravitačné pole má vlny a časopriestor sa dá deformovať podobným spôsobom. Skutočnosť, že sme predtým nevideli gravitačné vlny, bola slepým bodom modernej fyziky. Teraz sa toto prázdne miesto uzavrelo, bola položená ďalšia tehla v základoch modernej fyzikálnej teórie. Toto je najzásadnejší objav. V posledných rokoch tu nebolo nič porovnateľné.

„Čakanie na vlny a častice“ - dokument o hľadaní gravitačných vĺn(autor Dmitrij Zavilgelskiy)

Pri registrácii gravitačných vĺn existuje aj praktický aspekt. Pravdepodobne po ďalšom vývoji technológie bude možné hovoriť o gravitačnej astronómii - o pozorovaní stôp po udalostiach s najvyššou energiou vo vesmíre. Ale teraz je príliš skoro hovoriť o tom, hovoríme len o samotnej skutočnosti zaznamenávania vĺn a nie o zisťovaní charakteristík objektov, ktoré generujú tieto vlny.

11. február 2016

Len pred pár hodinami prišla správa, na ktorú sa vo vedeckom svete dlho čakalo. Skupina vedcov z viacerých krajín pracujúcich v rámci medzinárodného projektu LIGO Scientific Collaboration tvrdí, že pomocou niekoľkých detektorových observatórií dokázali v laboratórnych podmienkach odhaliť gravitačné vlny.

Analyzujú údaje pochádzajúce z dvoch laserových interferometrových observatórií gravitačných vĺn (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO), ktoré sa nachádzajú v štátoch Louisiana a Washington v Spojených štátoch.

Ako bolo uvedené na tlačovej konferencii projektu LIGO, gravitačné vlny boli detekované 14. septembra 2015 najprv na jednom observatóriu a potom o 7 milisekúnd neskôr na druhom.

Na základe analýzy získaných údajov, ktorú vykonali vedci z mnohých krajín vrátane Ruska, sa zistilo, že gravitačná vlna bola spôsobená zrážkou dvoch čiernych dier s hmotnosťou 29 a 36-násobku hmotnosti Slnko. Potom sa spojili do jednej veľkej čiernej diery.

Stalo sa to pred 1,3 miliardami rokov. Signál prišiel na Zem zo smeru súhvezdia Magellanovho mračna.

Sergej Popov (astrofyzik zo Šternberského štátneho astronomického inštitútu Moskovskej štátnej univerzity) vysvetlil, čo sú gravitačné vlny a prečo je také dôležité ich merať.

Moderné teórie gravitácie sú geometrické teórie gravitácie, viac-menej všetko z teórie relativity. Geometrické vlastnosti priestoru ovplyvňujú pohyb telies alebo predmetov ako je svetelný lúč. A naopak – rozloženie energie (to je rovnaké ako hmota v priestore) ovplyvňuje geometrické vlastnosti priestoru. To je veľmi cool, pretože je ľahké si to predstaviť - celá táto elastická rovina vložená do krabice má nejaký fyzický význam, aj keď, samozrejme, nie je všetko také doslovné.

Fyzici používajú slovo „metrika“. Metrika je niečo, čo popisuje geometrické vlastnosti priestoru. A tu máme telesá pohybujúce sa zrýchlením. Najjednoduchšie je otočiť uhorku. Dôležité je, aby to nebola napríklad guľa alebo sploštený disk. Je ľahké si predstaviť, že keď sa takáto uhorka točí na elastickej rovine, budú z nej vytekať vlnky. Predstavte si, že niekde stojíte a uhorka sa otočí jedným koncom smerom k vám, potom druhým. Rôznym spôsobom ovplyvňuje priestor a čas, prebieha gravitačná vlna.

Gravitačná vlna je teda vlnenie prebiehajúce pozdĺž časopriestorovej metriky.

Korálky vo vesmíre

Toto je základná vlastnosť nášho základného chápania fungovania gravitácie a ľudia ju chcú otestovať už sto rokov. Chcú sa uistiť, že existuje účinok a že je viditeľný v laboratóriu. To bolo videné v prírode asi pred tromi desaťročiami. Ako by sa mali gravitačné vlny prejavovať v bežnom živote?

Najjednoduchší spôsob, ako to ilustrovať, je tento: ak hodíte guľôčky do priestoru tak, aby ležali v kruhu, a keď gravitačná vlna prejde kolmo na ich rovinu, začnú sa meniť na elipsu, stlačenú najskôr v jednom smere, potom v druhom. Ide o to, že priestor okolo nich bude narušený a oni to pocítia.

"G" na Zemi

Ľudia niečo také robia, len nie vo vesmíre, ale na Zemi.

Zrkadlá v tvare písmena „g“ [s odkazom na americké observatóriá LIGO] visia vo vzdialenosti štyroch kilometrov od seba.

Laserové lúče bežia - to je interferometer, dobre pochopená vec. Moderné technológie umožňujú merať fantasticky malé efekty. Stále to nie je tak, že by som tomu neveril, verím tomu, ale jednoducho si to neviem omotať hlavou – posunutie zrkadiel visiacich vo vzdialenosti štyroch kilometrov od seba je menšie ako veľkosť atómového jadra. . To je malé aj v porovnaní s vlnovou dĺžkou tohto lasera. Toto bol háčik: gravitácia je najslabšia interakcia, a preto sú posuny veľmi malé.

Trvalo to veľmi dlho, ľudia sa o to pokúšali už od 70. rokov minulého storočia, celý život hľadali gravitačné vlny. A teraz len technické možnosti umožňujú zaregistrovať gravitačnú vlnu v laboratórnych podmienkach, to znamená, že sem prišla a zrkadlá sa posunuli.

Smer

Do roka, ak všetko pôjde dobre, budú na svete fungovať už tri detektory. Tri detektory sú veľmi dôležité, pretože tieto veci sú veľmi zlé pri určovaní smeru signálu. Takmer rovnakým spôsobom, ako sme zlí pri určovaní smeru zdroja sluchom. „Zvuk odniekiaľ napravo“ – tieto detektory zaznamenajú niečo také. Ale ak traja ľudia stoja v určitej vzdialenosti od seba a jeden počuje zvuk sprava, ďalší zľava a tretí zozadu, potom vieme veľmi presne určiť smer zvuku. Čím viac detektorov bude, tým viac budú rozptýlené po celej zemeguli, tým presnejšie budeme vedieť určiť smer zdroja a potom začne astronómia.

Koniec koncov, konečným cieľom nie je len potvrdenie všeobecnej teórie relativity, ale aj získanie nových astronomických poznatkov. Len si predstavte, že existuje čierna diera s hmotnosťou desať hmotností Slnka. A zrazí sa s ďalšou čiernou dierou s hmotnosťou desať hmotností Slnka. K zrážke dochádza rýchlosťou svetla. Energetický prielom. Toto je pravda. Je toho fantastické množstvo. A neexistuje žiadny spôsob... Sú to len vlnky priestoru a času. Povedal by som, že odhalenie zlúčenia dvoch čiernych dier bude na dlhú dobu najsilnejším dôkazom toho, že čierne diery sú viac-menej také čierne diery, aké si myslíme.

Poďme si prejsť otázky a javy, ktoré by mohla odhaliť.

Naozaj existujú čierne diery?

Signál očakávaný od oznámenia LIGO mohol byť produkovaný dvoma zlúčenými čiernymi dierami. Takéto udalosti sú najenergickejšie známe; sila gravitačných vĺn, ktoré vyžarujú, môže nakrátko prežiariť všetky hviezdy v pozorovateľnom vesmíre dohromady. Zlúčenie čiernych dier je tiež celkom ľahké interpretovať z ich veľmi čistých gravitačných vĺn.

K splynutiu čiernych dier dochádza, keď sa dve čierne diery špirálovito okolo seba otáčajú a vyžarujú energiu vo forme gravitačných vĺn. Tieto vlny majú charakteristický zvuk (cvrlikanie), ktorý možno použiť na meranie hmotnosti týchto dvoch objektov. Potom sa čierne diery zvyčajne spájajú.

„Predstavte si dve mydlové bubliny, ktoré sa priblížia tak blízko, že vytvoria jednu bublinu. Väčšia bublina je deformovaná,“ hovorí Tybalt Damour, teoretik gravitácie z Inštitútu pokročilého vedeckého výskumu neďaleko Paríža. Konečná čierna diera bude dokonale guľová, ale najprv musí vyžarovať predvídateľné typy gravitačných vĺn.

Jedným z najdôležitejších vedeckých dôsledkov detekcie zlúčenia čiernych dier bude potvrdenie existencie čiernych dier – prinajmenšom dokonale okrúhlych objektov pozostávajúcich z čistého, prázdneho, zakriveného časopriestoru, ako to predpovedá všeobecná relativita. Ďalším dôsledkom je, že fúzia prebieha tak, ako vedci predpovedali. Astronómovia majú o tomto jave množstvo nepriamych dôkazov, no doteraz to boli pozorovania hviezd a prehriateho plynu na obežnej dráhe čiernych dier, a nie samotných čiernych dier.

„Vedecká komunita, vrátane mňa, nemá rada čierne diery. Považujeme ich za samozrejmosť, hovorí France Pretorius, špecialista na všeobecnú simuláciu relativity z Princetonskej univerzity v New Jersey. "Ale keď sa zamyslíme nad tým, aká úžasná je táto predpoveď, potrebujeme nejaký skutočne úžasný dôkaz."

Pohybujú sa gravitačné vlny rýchlosťou svetla?

Keď vedci začnú porovnávať pozorovania LIGO s pozorovaniami z iných ďalekohľadov, prvá vec, ktorú skontrolujú, je, či signál prišiel v rovnakom čase. Fyzici veria, že gravitáciu prenášajú gravitónové častice, gravitačný analóg fotónov. Ak, ako fotóny, tieto častice nemajú žiadnu hmotnosť, potom sa gravitačné vlny budú pohybovať rýchlosťou svetla, čo zodpovedá predpovedi rýchlosti gravitačných vĺn v klasickej relativite. (Ich rýchlosť môže byť ovplyvnená zrýchľujúcim sa rozpínaním vesmíru, ale to by malo byť evidentné pri vzdialenostiach výrazne väčších, než aké pokrýva LIGO).

Je však celkom možné, že gravitóny majú malú hmotnosť, čo znamená, že gravitačné vlny sa budú pohybovať rýchlosťou menšou ako svetlo. Takže napríklad, ak LIGO a Panna zistia gravitačné vlny a zistia, že vlny dorazili na Zem po gama lúčoch súvisiacich s kozmickými udalosťami, mohlo by to mať život meniace dôsledky pre základnú fyziku.

Je časopriestor vytvorený z kozmických strún?

Ešte podivnejší objav by mohol nastať, ak by sa našli výbuchy gravitačných vĺn vychádzajúce z „kozmických strún“. Tieto hypotetické defekty v zakrivení časopriestoru, ktoré môžu alebo nemusia súvisieť s teóriami strún, by mali byť nekonečne tenké, ale natiahnuté do kozmických vzdialeností. Vedci predpovedajú, že kozmické struny, ak existujú, sa môžu náhodne ohnúť; ak by sa struna ohýbala, spôsobilo by to gravitačný nárast, ktorý by detektory ako LIGO alebo Virgo mohli merať.

Môžu byť neutrónové hviezdy hrudkovité?

Neutrónové hviezdy sú pozostatky veľkých hviezd, ktoré sa zrútili vlastnou váhou a stali sa tak hustými, že elektróny a protóny sa začali spájať do neutrónov. Vedci málo rozumejú fyzike neutrónových dier, no gravitačné vlny by nám o nich mohli veľa povedať. Napríklad intenzívna gravitácia na ich povrchu spôsobuje, že neutrónové hviezdy sa stávajú takmer dokonale sférickými. Niektorí vedci však naznačili, že môžu existovať aj „hory“ – vysoké niekoľko milimetrov – vďaka ktorým sú tieto husté objekty s priemerom nie väčším ako 10 kilometrov mierne asymetrické. Neutrónové hviezdy sa zvyčajne otáčajú veľmi rýchlo, takže asymetrické rozloženie hmoty bude deformovať časopriestor a produkovať trvalý signál gravitačnej vlny v tvare sínusovej vlny, čím sa spomalí rotácia hviezdy a vyžaruje sa energia.

Páry neutrónových hviezd, ktoré obiehajú okolo seba, tiež vytvárajú konštantný signál. Ako čierne diery, tieto hviezdy sa pohybujú po špirále a nakoniec sa spoja s charakteristickým zvukom. Ale jeho špecifickosť sa líši od špecifickosti zvuku čiernych dier.

Prečo hviezdy explodujú?

Čierne diery a neutrónové hviezdy vznikajú, keď masívne hviezdy prestanú svietiť a zrútia sa do seba. Astrofyzici si myslia, že tento proces je základom všetkých bežných typov výbuchov supernov typu II. Simulácie takýchto supernov ešte nepreukázali, čo spôsobuje ich vznietenie, no odpoveď zrejme poskytne počúvanie výbuchov gravitačných vĺn, ktoré vyžaruje skutočná supernova. V závislosti od toho, ako výbuchové vlny vyzerajú, aké sú hlasné, ako často sa vyskytujú a ako korelujú so supernovami sledovanými elektromagnetickými teleskopmi, môžu tieto údaje pomôcť vylúčiť množstvo existujúcich modelov.

Ako rýchlo sa vesmír rozširuje?

Rozpínanie vesmíru znamená, že vzdialené objekty, ktoré sa vzďaľujú od našej galaxie, sa javia červenšie, než v skutočnosti sú, pretože svetlo, ktoré vyžarujú, sa pri pohybe naťahuje. Kozmológovia odhadujú rýchlosť rozpínania vesmíru porovnaním červeného posunu galaxií s tým, ako ďaleko sú od nás. Ale táto vzdialenosť sa zvyčajne odhaduje z jasnosti supernov typu Ia a táto technika zanecháva veľa neistôt.

Ak niekoľko detektorov gravitačných vĺn po celom svete zachytí signály zo splynutia tých istých neutrónových hviezd, spolu dokážu absolútne presne odhadnúť objem signálu, a teda aj vzdialenosť, v ktorej k zlúčeniu došlo. Budú tiež schopní odhadnúť smer a spolu s ním identifikovať galaxiu, v ktorej k udalosti došlo. Porovnaním červeného posunu tejto galaxie so vzdialenosťou k splývajúcim hviezdam je možné získať nezávislú rýchlosť kozmickej expanzie, možno presnejšiu, než umožňujú súčasné metódy.

zdrojov

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

http://cont.ws/post/199519

Tu sme nejako zistili, ale čo je a. Pozrite sa, ako to vyzerá Pôvodný článok je na webe InfoGlaz.rf Odkaz na článok, z ktorého bola vytvorená táto kópia -

Včera otriasla svetom senzácia: vedci konečne objavili gravitačné vlny, ktorých existenciu Einstein predpovedal už pred sto rokmi. Toto je prielom. Skreslenie časopriestoru (toto sú gravitačné vlny – teraz si vysvetlíme, čo je čo) bolo objavené na observatóriu LIGO a jedným z jeho zakladateľov je – kto si myslíte? - Kip Thorne, autor knihy.

Povieme vám, prečo je objav gravitačných vĺn taký dôležitý, čo povedal Mark Zuckerberg a, samozrejme, zdieľame príbeh z prvej osoby. Kip Thorne, ako nikto iný, nevie, ako projekt funguje, čím je nezvyčajný a aký význam má LIGO pre ľudstvo. Áno, áno, všetko je také vážne.

Objav gravitačných vĺn

Vedecký svet si bude navždy pamätať dátum 11. február 2016. V tento deň účastníci projektu LIGO oznámili: po toľkých márnych pokusoch boli nájdené gravitačné vlny. Toto je realita. V skutočnosti boli objavené o niečo skôr: v septembri 2015, ale včera bol objav oficiálne uznaný. The Guardian verí, že vedci určite dostanú Nobelovu cenu za fyziku.

Príčinou gravitačných vĺn je kolízia dvoch čiernych dier, ku ktorej došlo už... miliardu svetelných rokov od Zeme. Viete si predstaviť, aký obrovský je náš vesmír! Keďže čierne diery sú veľmi masívne telesá, vysielajú vlnky cez časopriestor a mierne ho deformujú. Objavujú sa teda vlny podobné tým, ktoré sa šíria z kameňa hodeného do vody.

Takto si možno predstaviť gravitačné vlny prichádzajúce na Zem napríklad z červej diery. Kresba z knihy „Interstellar. Veda v zákulisí"

Výsledné vibrácie sa premenili na zvuk. Zaujímavé je, že signál z gravitačných vĺn prichádza s približne rovnakou frekvenciou ako naša reč. Takže na vlastné uši môžeme počuť, ako sa čierne diery zrážajú. Vypočujte si, ako znejú gravitačné vlny.

A hádaj čo? V poslednej dobe nie sú čierne diery štruktúrované, ako sa pôvodne predpokladalo. Neexistoval však žiadny dôkaz, že v zásade existujú. A teraz existuje. Čierne diery skutočne „žijú“ vo vesmíre.

Vedci veria, že takto vyzerá katastrofa – spojenie čiernych dier.

11. februára sa konala grandiózna konferencia, na ktorej sa stretlo viac ako tisíc vedcov z 15 krajín. Prítomní boli aj ruskí vedci. A, samozrejme, bol tu Kip Thorne. „Tento objav je začiatkom úžasného, ​​veľkolepého hľadania ľudí: hľadanie a skúmanie zakrivenej strany vesmíru – objektov a javov vytvorených zo zdeformovaného časopriestoru. Zrážky čiernych dier a gravitačné vlny sú našimi prvými pozoruhodnými príkladmi,“ povedal Kip Thorne.

Hľadanie gravitačných vĺn bolo jedným z hlavných problémov fyziky. Teraz sa našli. A Einsteinova genialita sa opäť potvrdzuje.

V októbri sme urobili rozhovor Sergejom Popovom, ruským astrofyzikom a známym popularizátorom vedy. Vyzeral, akoby sa pozeral do vody! Na jeseň: „Zdá sa mi, že teraz stojíme na prahu nových objavov, čo je primárne spojené s prácou detektorov gravitačných vĺn LIGO a VIRGO (Kip Thorne významne prispel k vytvoreniu projektu LIGO) .“ Úžasné, však?

Gravitačné vlny, vlnové detektory a LIGO

No a teraz trochu fyziky. Pre tých, ktorí naozaj chcú pochopiť, čo sú gravitačné vlny. Tu je umelecké zobrazenie tendexových línií dvoch čiernych dier, ktoré obiehajú okolo seba proti smeru hodinových ručičiek a potom sa zrážajú. Linky Tendex vytvárajú prílivovú gravitáciu. Pokračuj. Čiary, ktoré vychádzajú z dvoch od seba najvzdialenejších bodov na povrchoch dvojice čiernych dier, napínajú všetko, čo im stojí v ceste, vrátane umelcovho priateľa na kresbe. Čiary vychádzajúce z oblasti kolízie všetko stláčajú.

Keď sa otvory otáčajú okolo seba, nesú pozdĺž svojich línií tendex, ktoré pripomínajú prúdy vody z rotujúceho postrekovača na trávniku. Na obrázku z knihy „Interstellar. Veda v zákulisí“ - pár čiernych dier, ktoré sa zrazia, rotujú okolo seba proti smeru hodinových ručičiek a ich tendexové čiary.

Čierne diery sa spájajú do jednej veľkej diery; deformuje sa a otáča sa proti smeru hodinových ručičiek a ťahá so sebou tendexové čiary. Stacionárny pozorovateľ ďaleko od diery bude cítiť vibrácie, keď ním prechádzajú šľachy: natiahnutie, potom stlačenie, potom natiahnutie – šľachy sa stali gravitačnou vlnou. Ako sa vlny šíria, deformácia čiernej diery sa postupne znižuje a vlny tiež slabnú.

Keď tieto vlny dosiahnu Zem, vyzerajú ako vlny zobrazené v hornej časti obrázku nižšie. Naťahujú sa jedným smerom a stláčajú v druhom. Predĺženia a stlačenia oscilujú (od červenej sprava-doľava, cez modrú sprava-doľava, po červenú sprava-doľava atď.), keď vlny prechádzajú cez detektor v spodnej časti obrázku.

Gravitačné vlny prechádzajúce detektorom LIGO.

Detektor pozostáva zo štyroch veľkých zrkadiel (40 kilogramov, 34 centimetrov v priemere), ktoré sú pripevnené na koncoch dvoch kolmých rúrok, nazývaných ramená detektora. Tendex čiary gravitačných vĺn naťahujú jedno rameno, pričom stláčajú druhé a potom, naopak, stláčajú prvé a naťahujú druhé. A tak znova a znova. Ako sa dĺžka ramien pravidelne mení, zrkadlá sa navzájom pohybujú a tieto pohyby sú sledované pomocou laserových lúčov spôsobom nazývaným interferometria. Odtiaľ pochádza názov LIGO: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.

riadiace centrum LIGO, odkiaľ vysielajú príkazy na detektor a monitorujú prijaté signály. Gravitačné detektory LIGO sa nachádzajú v Hanforde, Washington, a Livingstone, Louisiana. Fotografia z knihy „Interstellar. Veda v zákulisí"

Teraz je LIGO medzinárodným projektom, ktorý zahŕňa 900 vedcov z rôznych krajín, so sídlom v Kalifornskom technologickom inštitúte.

Zakrivená strana vesmíru

Čierne diery, červie diery, singularity, gravitačné anomálie a dimenzie vyššieho rádu sú spojené so zakrivením priestoru a času. Preto ich Kip Thorne nazýva „prevrátenou stranou vesmíru“. Ľudstvo má stále veľmi málo experimentálnych a pozorovacích údajov zo zakrivenej strany vesmíru. To je dôvod, prečo venujeme takú pozornosť gravitačným vlnám: sú vyrobené zo zakriveného priestoru a poskytujú nám najdostupnejší spôsob, ako preskúmať zakrivenú stranu.

Predstavte si, že by ste oceán videli len vtedy, keď bol pokojný. O prúdoch, víroch a búrkových vlnách by ste nevedeli. To pripomína naše súčasné poznatky o zakrivení priestoru a času.

O tom, ako sa zakrivený priestor a zakrivený čas správajú „v búrke“ – kedy prudko kolíše tvar priestoru a kedy kolíše rýchlosť času, nevieme takmer nič. Toto je neuveriteľne lákavá hranica poznania. Vedec John Wheeler pre tieto zmeny vymyslel termín „geometrodynamika“.

V oblasti geometrodynamiky je obzvlášť zaujímavá zrážka dvoch čiernych dier.

Zrážka dvoch nerotujúcich čiernych dier. Model z knihy „Interstellar. Veda v zákulisí"

Obrázok vyššie ukazuje moment, keď sa zrazia dve čierne diery. Práve takáto udalosť umožnila vedcom zaznamenať gravitačné vlny. Tento model je vytvorený pre nerotujúce čierne diery. Hore: obežné dráhy a tiene dier, ako je vidieť z nášho vesmíru. Stred: zakrivený priestor a čas, ako je vidieť z objemu (viacrozmerný hyperpriestor); Šípky ukazujú, ako sa priestor podieľa na pohybe, a meniace sa farby ukazujú, ako sa ohýba čas. Dole: Tvar vyžarovaných gravitačných vĺn.

Gravitačné vlny z Veľkého tresku

Ešte ku Kipovi Thornovi. „V roku 1975 Leonid Grischuk, môj dobrý priateľ z Ruska, urobil senzačné vyhlásenie. Povedal, že v momente Veľkého tresku vzniklo mnoho gravitačných vĺn a mechanizmus ich vzniku (predtým neznámy) bol nasledovný: kvantové fluktuácie (náhodné výkyvy – pozn. red.) gravitačné polia počas Veľkého tresku boli značne posilnené počiatočným rozpínaním vesmíru a stali sa tak pôvodnými gravitačnými vlnami. Ak by sa tieto vlny zachytili, mohli by nám povedať, čo sa stalo pri zrode nášho vesmíru."

Ak vedci nájdu prvotné gravitačné vlny, budeme vedieť, ako vznikol vesmír.

Ľudia vyriešili ďaleko všetky záhady vesmíru. Je toho ešte viac.

V nasledujúcich rokoch, keď sa naše chápanie Veľkého tresku zlepšovalo, bolo zrejmé, že tieto prvotné vlny musia byť silné na vlnových dĺžkach zodpovedajúcich veľkosti viditeľného vesmíru, to znamená v dĺžkach miliárd svetelných rokov. Viete si predstaviť, koľko to je?... A na vlnových dĺžkach, ktoré detektory LIGO pokrývajú (stovky a tisíce kilometrov), budú vlny s najväčšou pravdepodobnosťou príliš slabé na to, aby sa dali rozpoznať.

Tím Jamieho Bocka zostrojil prístroj BICEP2, pomocou ktorého bola objavená stopa pôvodných gravitačných vĺn. Zariadenie umiestnené na severnom póle je tu zobrazené počas súmraku, ktorý sa tam vyskytuje len dvakrát do roka.

Zariadenie BICEP2. Obrázok z knihy Interstellar. Veda v zákulisí"

Je obklopený štítmi, ktoré chránia zariadenie pred žiarením z okolitej ľadovej pokrývky. V pravom hornom rohu je objavená stopa v kozmickom mikrovlnnom žiarení pozadia - polarizačný vzor. Elektrické siločiary sú nasmerované pozdĺž krátkych svetelných ťahov.

Stopa počiatku vesmíru

Začiatkom deväťdesiatych rokov si kozmológovia uvedomili, že tieto gravitačné vlny, dlhé miliardy svetelných rokov, museli zanechať jedinečnú stopu v elektromagnetických vlnách, ktoré napĺňajú vesmír - takzvané kozmické mikrovlnné pozadie alebo kozmické mikrovlnné žiarenie pozadia. Tým sa začalo hľadanie Svätého grálu. Ak totiž odhalíme túto stopu a vydedukujeme z nej vlastnosti pôvodných gravitačných vĺn, môžeme zistiť, ako sa zrodil Vesmír.

V marci 2014, keď Kip Thorne písal túto knihu, tím Jamieho Boka, kozmológa z Caltechu, ktorého kancelária je hneď vedľa kancelárie Thorna, konečne objavil túto stopu v kozmickom mikrovlnnom žiarení pozadia.

Toto je absolútne úžasný objav, no je tu jeden kontroverzný bod: stopu, ktorú našiel Jamieho tím, mohlo spôsobiť niečo iné ako gravitačné vlny.

Ak sa skutočne nájde stopa po gravitačných vlnách, ktoré vznikli počas Veľkého tresku, znamená to, že došlo ku kozmologickému objavu na úrovni, ku ktorej dochádza možno raz za polstoročie. Dáva vám možnosť dotknúť sa udalostí, ku ktorým došlo bilióntinu z bilióntiny bilióntiny sekundy po zrode vesmíru.

Tento objav potvrdzuje teórie, že expanzia Vesmíru bola v tom momente mimoriadne rýchla, v slangu kozmológov – inflačná rýchla. A ohlasuje príchod novej éry v kozmológii.

Gravitačné vlny a medzihviezdne vlny

Včera na konferencii o objavovaní gravitačných vĺn Valery Mitrofanov, vedúci moskovskej spolupráce vedcov LIGO, ktorá zahŕňa 8 vedcov z Moskovskej štátnej univerzity, poznamenal, že dej filmu „Interstellar“, hoci fantastický, nie je taký. ďaleko od reality. A to všetko preto, že Kip Thorne bol vedeckým konzultantom. Sám Thorne vyjadril nádej, že verí v budúce pilotované lety k čiernej diere. Možno sa nestanú tak skoro, ako by sme chceli, no dnes je to oveľa reálnejšie ako predtým.

Nie je príliš ďaleko deň, keď ľudia opustia hranice našej galaxie.

Udalosť rozvírila mysle miliónov ľudí. Notoricky známy Mark Zuckerberg napísal: „Objav gravitačných vĺn je najväčším objavom modernej vedy. Albert Einstein je jedným z mojich hrdinov, a preto som ten objav zobral tak osobne. Pred storočím v rámci Všeobecnej teórie relativity (GTR) predpovedal existenciu gravitačných vĺn. Sú však také malé na to, aby ich bolo možné odhaliť, že ich začali hľadať v zdrojoch udalostí, ako je Veľký tresk, hviezdne explózie a zrážky čiernych dier. Keď vedci analyzujú získané údaje, otvorí sa pred nami úplne nový pohľad na vesmír. A možno to objasní vznik vesmíru, zrod a vývoj čiernych dier. Je veľmi inšpirujúce zamyslieť sa nad tým, koľko životov a úsilia vynaložilo na odhalenie tohto tajomstva vesmíru. Tento prielom bol možný vďaka talentu skvelých vedcov a inžinierov, ľudí rôznych národností, ako aj najnovším počítačovým technológiám, ktoré sa objavili len nedávno. Gratulujem všetkým zúčastneným. Einstein by bol na teba hrdý."

Toto je reč. A to je človek, ktorý sa jednoducho zaujíma o vedu. Možno si predstaviť, aká búrka emócií zachvátila vedcov, ktorí prispeli k objavu. Zdá sa, že sme boli svedkami novej éry, priatelia. To je úžasné.

P.S.: Páčilo sa vám to? Prihláste sa na odber nášho newslettera na horizonte. Raz týždenne posielame vzdelávacie listy a poskytujeme zľavy na knihy MÝTUS.

Gravitačné vlny - umelcove stvárnenie

Gravitačné vlny sú poruchy časopriestorovej metriky, ktoré sa oddeľujú od zdroja a šíria sa ako vlny (takzvané „časopriestorové vlnenie“).

Vo všeobecnej teórii relativity a vo väčšine ostatných moderných teórií gravitácie sú gravitačné vlny generované pohybom masívnych telies s premenlivým zrýchlením. Gravitačné vlny sa šíria voľne v priestore rýchlosťou svetla. Vzhľadom na relatívnu slabosť gravitačných síl (v porovnaní s inými) majú tieto vlny veľmi malú veľkosť, ktorú je ťažké zaregistrovať.

Polarizovaná gravitačná vlna

Gravitačné vlny predpovedá všeobecná teória relativity (GR) a mnoho ďalších. Prvýkrát boli priamo detegované v septembri 2015 dvoma dvojitými detektormi, ktoré zachytili gravitačné vlny pravdepodobne vyplývajúce zo spojenia dvoch, aby vytvorili jedinú, masívnejšiu, rotujúcu čiernu dieru. Nepriame dôkazy o ich existencii sú známe už od 70. rokov – Všeobecná relativita predpovedá rýchlosť konvergencie blízkych systémov v dôsledku straty energie v dôsledku emisie gravitačných vĺn, ktorá sa zhoduje s pozorovaniami. Priama registrácia gravitačných vĺn a ich využitie na určenie parametrov astrofyzikálnych procesov je dôležitou úlohou modernej fyziky a astronómie.

V rámci všeobecnej teórie relativity sú gravitačné vlny popísané riešeniami Einsteinových rovníc vlnového typu, ktoré predstavujú poruchu časopriestorovej metriky pohybujúcej sa rýchlosťou svetla (v lineárnej aproximácii). Prejavom tohto rušenia by mala byť najmä periodická zmena vzdialenosti medzi dvoma voľne padajúcimi (teda žiadnymi silami neovplyvnenými) skúšobnými hmotami. Amplitúda h gravitačná vlna je bezrozmerná veličina – relatívna zmena vzdialenosti. Predpovedané maximálne amplitúdy gravitačných vĺn z astrofyzikálnych objektov (napríklad kompaktné binárne systémy) a javov (výbuchy, splynutia, záchyty čiernymi dierami atď.) pri meraní sú veľmi malé ( h= 10 -18 -10 -23). Slabá (lineárna) gravitačná vlna podľa všeobecnej teórie relativity prenáša energiu a hybnosť, pohybuje sa rýchlosťou svetla, je priečna, kvadrupólová a je opísaná dvoma nezávislými zložkami umiestnenými navzájom pod uhlom 45° ( má dva smery polarizácie).

Rôzne teórie predpovedajú rýchlosť šírenia gravitačných vĺn rôzne. Vo všeobecnej teórii relativity sa rovná rýchlosti svetla (v lineárnej aproximácii). V iných teóriách gravitácie môže mať akúkoľvek hodnotu, vrátane nekonečna. Podľa prvej registrácie gravitačných vĺn sa ukázalo, že ich rozptyl je kompatibilný s bezhmotným gravitónom a rýchlosť sa odhadovala na rýchlosť svetla.

Generovanie gravitačných vĺn

Systém dvoch neutrónových hviezd vytvára v časopriestore vlnenie

Gravitačná vlna je vyžarovaná akoukoľvek hmotou, ktorá sa pohybuje s asymetrickým zrýchlením. Aby sa objavila vlna s výraznou amplitúdou, je potrebná extrémne veľká hmotnosť žiariča a/alebo obrovské zrýchlenia, amplitúda gravitačnej vlny je priamo úmerná prvá derivácia zrýchlenia a hmotnosť generátora, to je ~ . Ak sa však objekt pohybuje zrýchleným tempom, znamená to, že naň pôsobí nejaká sila z iného objektu. Na druhej strane tento iný objekt zažíva opačný efekt (podľa 3. Newtonovho zákona) a ukazuje sa, že m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Ukazuje sa, že dva objekty vyžarujú gravitačné vlny len v pároch a v dôsledku interferencie sa navzájom takmer úplne vyrušia. Preto má gravitačné žiarenie vo všeobecnej teórii relativity vždy viacpólový charakter minimálne štvorpólového žiarenia. Okrem toho pre nerelativistické žiariče vo vyjadrení intenzity žiarenia existuje malý parameter, kde je gravitačný polomer žiariča, r- jeho charakteristická veľkosť, T- charakteristické obdobie pohybu, c- rýchlosť svetla vo vákuu.

Najsilnejšie zdroje gravitačných vĺn sú:

• kolízia (obrovské hmoty, veľmi malé zrýchlenia),
• gravitačný kolaps binárneho systému kompaktných objektov (kolosálne zrýchlenia s dosť veľkou hmotnosťou). Ako zvláštny a najzaujímavejší prípad – zlúčenie neutrónových hviezd. V takomto systéme je svietivosť gravitačných vĺn blízka maximálnej Planckovej svietivosti možnej v prírode.

Gravitačné vlny vyžarované systémom dvoch telies

Dve telesá pohybujúce sa po kruhových dráhach okolo spoločného ťažiska

Dve gravitačne viazané telesá s hmotnosťou m 1 a m 2, pohybujúce sa nerelativisticky ( v << c) na kruhových dráhach okolo ich spoločného ťažiska na diaľku r navzájom vyžarujú gravitačné vlny s touto energiou v priemere za obdobie:

V dôsledku toho systém stráca energiu, čo vedie ku konvergencii telies, to znamená k zníženiu vzdialenosti medzi nimi. Rýchlosť priblíženia telies:

Napríklad pre slnečnú sústavu najväčšie gravitačné žiarenie produkuje subsystém a. Výkon tohto žiarenia je približne 5 kilowattov. Energia, ktorú Slnečná sústava stratí na gravitačné žiarenie za rok, je teda úplne zanedbateľná v porovnaní s charakteristickou kinetickou energiou telies.

Gravitačný kolaps binárneho systému

Akákoľvek dvojhviezda, keď sa jej zložky otáčajú okolo spoločného ťažiska, stráca energiu (podľa predpokladu - v dôsledku vyžarovania gravitačných vĺn) a nakoniec sa spojí. Ale pre bežné, nekompaktné, dvojité hviezdy tento proces trvá veľmi dlho, oveľa dlhšie ako súčasný vek. Ak kompaktný binárny systém pozostáva z páru neutrónových hviezd, čiernych dier alebo ich kombinácie, k zlúčeniu môže dôjsť v priebehu niekoľkých miliónov rokov. Po prvé, objekty sa priblížia k sebe a ich doba revolúcie sa zníži. Potom v konečnom štádiu nastáva kolízia a asymetrický gravitačný kolaps. Tento proces trvá zlomok sekundy a počas tohto času sa energia stráca na gravitačné žiarenie, ktoré podľa niektorých odhadov predstavuje viac ako 50 % hmotnosti systému.

Základné presné riešenia Einsteinových rovníc pre gravitačné vlny

Bondi-Pirani-Robinsonove telesné vlny

Tieto vlny sú opísané metrikou formulára. Ak zavedieme premennú a funkciu, potom zo všeobecných rovníc relativity dostaneme rovnicu

Metrika Takeno

má tvar , -funkcie spĺňajú rovnakú rovnicu.

Rosenova metrika

Kde uspokojiť

Perezova metrika

V čom

Cylindrické Einstein-Rosenove vlny

Vo valcových súradniciach majú takéto vlny tvar a sú vykonávané

Registrácia gravitačných vĺn

Registrácia gravitačných vĺn je pomerne náročná kvôli ich slabosti (malé skreslenie metriky). Zariadeniami na ich registráciu sú detektory gravitačných vĺn. Pokusy o detekciu gravitačných vĺn sa robili od konca 60. rokov minulého storočia. Gravitačné vlny zistiteľnej amplitúdy sa rodia počas kolapsu dvojhviezdy. Podobné udalosti sa v okolí dejú približne raz za desaťročie.

Na druhej strane všeobecná teória relativity predpovedá zrýchlenie vzájomnej rotácie dvojhviezd v dôsledku straty energie v dôsledku emisie gravitačných vĺn a tento efekt je spoľahlivo zaznamenaný vo viacerých známych sústavách binárnych kompaktných objektov (v r. najmä pulzary s kompaktnými spoločníkmi). V roku 1993 „za objav nového typu pulzaru, ktorý poskytol nové možnosti v štúdiu gravitácie“ objaviteľom prvého dvojitého pulzaru PSR B1913+16, Russellovi Hulsovi a Josephovi Taylorovi Jr. bol ocenený Nobelovou cenou za fyziku. Zrýchlenie rotácie pozorované v tomto systéme sa úplne zhoduje s predpoveďami všeobecnej relativity pre emisiu gravitačných vĺn. Rovnaký jav bol zaznamenaný v niekoľkých ďalších prípadoch: pre pulzary PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (zvyčajne skrátené J0651) a systém binárneho RX J0806. Napríklad vzdialenosť medzi dvoma zložkami A a B prvej dvojhviezdy dvoch pulzarov PSR J0737-3039 sa zmenšuje asi o 2,5 palca (6,35 cm) za deň v dôsledku straty energie gravitačnými vlnami, čo sa deje v súlade s všeobecná relativita. Všetky tieto údaje sú interpretované ako nepriame potvrdenie existencie gravitačných vĺn.

Najsilnejšími a najčastejšími zdrojmi gravitačných vĺn pre gravitačné teleskopy a antény sú podľa odhadov katastrofy spojené s kolapsom binárnych systémov v blízkych galaxiách. Očakáva sa, že v blízkej budúcnosti bude na vylepšených gravitačných detektoroch zaznamenaných niekoľko podobných udalostí za rok, ktoré skreslia metriku v okolí o 10 −21 -10 −23 . Prvé pozorovania opticko-metrického parametrického rezonančného signálu, ktorý umožňuje detekovať vplyv gravitačných vĺn z periodických zdrojov, ako je blízka dvojhviezda, na žiarenie kozmických maserov, možno získali na rádioastronomickom observatóriu Ruskej federácie. Akadémia vied, Pushchino.

Ďalšou možnosťou detekcie pozadia gravitačných vĺn napĺňajúcich vesmír je vysoko presné časovanie vzdialených pulzarov - analýza času príchodu ich pulzov, ktorý sa charakteristicky mení pod vplyvom gravitačných vĺn prechádzajúcich priestorom medzi Zemou a pulzarom. Odhady na rok 2013 naznačujú, že presnosť načasovania sa musí zlepšiť približne o jeden rád, aby sa detekovali vlny pozadia z viacerých zdrojov v našom vesmíre, čo je úloha, ktorá by mohla byť splnená do konca desaťročia.

Podľa moderných predstáv je náš vesmír naplnený reliktnými gravitačnými vlnami, ktoré sa objavili v prvých chvíľach potom. Ich registrácia umožní získať informácie o procesoch na začiatku zrodu Vesmíru. 17. marca 2014 o 20:00 moskovského času v Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics oznámila americká skupina výskumníkov pracujúcich na projekte BICEP 2 detekciu nenulových tenzorových porúch v ranom vesmíre polarizáciou kozmickej mikrovlnného žiarenia pozadia, ktoré je tiež objavom týchto reliktných gravitačných vĺn. Tento výsledok bol však takmer okamžite spochybnený, pretože, ako sa ukázalo, príspevok nebol riadne zohľadnený. Jeden z autorov, J. M. Kovats ( Kováč J.M.), priznal, že „účastníci a vedeckí novinári sa trochu unáhlili pri interpretácii a hlásení údajov z experimentu BICEP2“.

Experimentálne potvrdenie existencie

Prvý zaznamenaný signál gravitačnej vlny. Vľavo sú údaje z detektora v Hanforde (H1), vpravo - v Livingstone (L1). Čas sa počíta od 14. septembra 2015, 09:50:45 UTC. Pre vizualizáciu signálu je filtrovaný frekvenčným filtrom s priepustným pásmom 35-350 Hertz na potlačenie veľkých výkyvov mimo rozsahu vysokej citlivosti detektorov boli použité aj pásmové zádrže na potlačenie šumu samotných inštalácií; Horný riadok: napätia h v detektoroch. GW150914 prvýkrát dorazil do L1 a 6 9 + 0 5 −0 4 ms neskôr do H1; Pre vizuálne porovnanie sú údaje z H1 zobrazené v grafe L1 v obrátenej a časovo posunutej forme (aby sa zohľadnila relatívna orientácia detektorov). Druhý riadok: napätie h zo signálu gravitačných vĺn prechádza cez rovnaký 35-350 Hz pásmový filter. Plná čiara je výsledkom numerickej relativity pre systém s parametrami kompatibilnými s parametrami zistenými na základe štúdie signálu GW150914, získaného dvoma nezávislými kódmi s výslednou zhodou 99,9. Sivé hrubé čiary sú oblasti s 90% spoľahlivosťou tvaru vlny rekonštruované z údajov detektora dvoma rôznymi metódami. Tmavosivá čiara modeluje očakávané signály zo splynutia čiernych dier, svetlošedá čiara nevyužíva astrofyzikálne modely, ale predstavuje signál ako lineárnu kombináciu sínusovo-gaussovských vlniek. Rekonštrukcie sa prekrývajú na 94 %. Tretí riadok: Zvyškové chyby po extrakcii filtrovanej predikcie signálu numerickej relativity z filtrovaného signálu detektorov. Dolný riadok: Znázornenie mapy frekvencie napätia, ktorá ukazuje nárast dominantnej frekvencie signálu v priebehu času.

11. februára 2016 spoluprácami LIGO a VIRGO. Signál spojenia dvoch čiernych dier s amplitúdou maximálne okolo 10 −21 bol zaznamenaný 14. septembra 2015 o 9:51 UTC dvoma detektormi LIGO v Hanforde a Livingstone, vzdialených od seba 7 milisekúnd, v oblasti maximálnej amplitúdy signálu ( 0,2 sekundy) bol pomer signálu k šumu spolu 24:1. Signál bol označený ako GW150914. Tvar signálu zodpovedá predpovedi všeobecnej relativity pre zlúčenie dvoch čiernych dier s hmotnosťou 36 a 29 hmotností Slnka; výsledná čierna diera by mala mať hmotnosť 62 Slnka a parameter rotácie a= 0,67. Vzdialenosť od zdroja je asi 1,3 miliardy, energia vyžarovaná v desatinách sekundy pri fúzii je ekvivalentná asi 3 solárnym hmotám.

Príbeh

História samotného pojmu „gravitačná vlna“, teoretické a experimentálne hľadanie týchto vĺn, ako aj ich využitie na štúdium javov nedostupných pre iné metódy.

• 1900 – Lorentz navrhol, že gravitácia „...môže sa šíriť rýchlosťou nie väčšou ako rýchlosť svetla“;
• 1905 – Poincaré prvýkrát zaviedol pojem gravitačná vlna (onde gravifique). Poincaré na kvalitatívnej úrovni odstránil zavedené Laplaceove námietky a ukázal, že korekcie spojené s gravitačnými vlnami voči všeobecne uznávaným Newtonovým zákonom gravitácie sú zrušené, takže predpoklad existencie gravitačných vĺn nie je v rozpore s pozorovaniami;
• 1916 – Einstein ukázal, že v rámci všeobecnej relativity bude mechanický systém prenášať energiu na gravitačné vlny a zhruba povedané, akákoľvek rotácia voči stáliciam sa skôr či neskôr musí zastaviť, aj keď, samozrejme, za normálnych podmienok dochádza k energetickým stratám. rádovo sú zanedbateľné a prakticky nemerateľné (v roku V tejto práci sa tiež mylne domnieval, že mechanický systém, ktorý neustále udržiava sférickú symetriu, môže vyžarovať gravitačné vlny);
• 1918 – Einstein odvodil kvadrupólový vzorec, v ktorom sa emisia gravitačných vĺn ukáže ako efekt poriadku, čím sa opraví chyba v jeho predchádzajúcej práci (chyba zostala v koeficiente, energia vĺn je 2-krát menšia);
• 1923 – Eddington – spochybnil fyzikálnu realitu gravitačných vĺn „...šíriacich sa... rýchlosťou myslenia“. V roku 1934 pri príprave ruského prekladu svojej monografie „Teória relativity“ Eddington pridal niekoľko kapitol, vrátane kapitol s dvoma možnosťami výpočtu strát energie rotujúcou tyčou, ale poznamenal, že metódy používané na približné výpočty všeobecnej relativity, podľa jeho názoru nie sú použiteľné pre gravitačne viazané systémy, takže pochybnosti zostávajú;
• 1937 - Einstein spolu s Rosenom skúmali riešenia valcových vĺn pre presné rovnice gravitačného poľa. V priebehu týchto štúdií začali pochybovať, že gravitačné vlny môžu byť artefaktom približných riešení všeobecných rovníc relativity (je známa korešpondencia týkajúca sa recenzie článku „Existujú gravitačné vlny?“ od Einsteina a Rosena). Neskôr našiel chybu vo svojich úvahách, konečná verzia článku so zásadnými zmenami bola publikovaná v Journal of the Franklin Institute;
• 1957 – Herman Bondi a Richard Feynman navrhli myšlienkový experiment „korálkovej palice“, v ktorom dokázali existenciu fyzikálnych dôsledkov gravitačných vĺn vo všeobecnej teórii relativity;
• 1962 – Vladislav Pustovoit a Michail Herzenstein opísali princípy používania interferometrov na detekciu dlhovlnných gravitačných vĺn;
• 1964 – Philip Peters a John Matthew teoreticky opísali gravitačné vlny vyžarované binárnymi systémami;
• 1969 – Joseph Weber, zakladateľ astronómie gravitačných vĺn, informoval o detekcii gravitačných vĺn pomocou rezonančného detektora – mechanickej gravitačnej antény. Tieto správy vedú k rýchlemu nárastu práce v tomto smere, najmä Rainier Weiss, jeden zo zakladateľov projektu LIGO, začal v tom čase experimenty. Dodnes (2015) sa nikomu nepodarilo získať spoľahlivé potvrdenie týchto udalostí;
• 1978 – Joseph Taylor informovali o detekcii gravitačného žiarenia v binárnom pulzárnom systéme PSR B1913+16. Výskum Josepha Taylora a Russella Hulsa im vyniesol v roku 1993 Nobelovu cenu za fyziku. Začiatkom roku 2015 boli tri post-Keplerovské parametre, vrátane skrátenia periódy v dôsledku emisie gravitačných vĺn, namerané pre najmenej 8 takýchto systémov;
• 2002 - Sergey Kopeikin a Edward Fomalont použili interferometriu rádiových vĺn s veľmi dlhou základnou líniou na meranie vychýlenia svetla v gravitačnom poli Jupitera v dynamike, ktorá pre určitú triedu hypotetických rozšírení všeobecnej teórie relativity umožňuje odhadnúť rýchlosť gravitácia - rozdiel od rýchlosti svetla by nemal presiahnuť 20% (táto interpretácia nie je všeobecne akceptovaná);
• 2006 - medzinárodný tím Marthy Bourgay (Parkes Observatory, Austrália) oznámil výrazne presnejšie potvrdenie všeobecnej relativity a jej súlad s veľkosťou žiarenia gravitačných vĺn v systéme dvoch pulzarov PSR J0737-3039A/B;
• 2014 - Astronómovia z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (BICEP) oznámili detekciu prvotných gravitačných vĺn pri meraní fluktuácií žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia. V súčasnosti (2016) sa zistené výkyvy nepovažujú za reliktného pôvodu, ale vysvetľujú sa emisiou prachu v Galaxii;
• 2016 - medzinárodný tím LIGO oznámili detekciu tranzitnej udalosti gravitačnej vlny GW150914. Prvýkrát priame pozorovanie interagujúcich masívnych telies v ultrasilných gravitačných poliach s ultravysokými relatívnymi rýchlosťami (< 1,2 × R s , v/c >0,5), čo umožnilo overiť správnosť všeobecnej teórie relativity s presnosťou niekoľkých postnewtonovských členov vysokých rádov. Nameraný rozptyl gravitačných vĺn nie je v rozpore s predchádzajúcimi meraniami rozptylu a hornej hranice hmotnosti hypotetického gravitónu (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.