Ключовата разлика е, че докато звукът се нуждае от среда, през която да премине, гравитационните вълни движат средата - в този случай самото пространство-време. „Те буквално смачкват и разтягат тъканта на пространство-времето“, казва Киара Мингарели, астрофизик по гравитационни вълни в Калтех. За ушите ни вълните, открити от LIGO, ще звучат като бълбукане.

Как точно ще стане тази революция? В момента LIGO има два детектора, които действат като "уши" за учените, а в бъдеще ще има още детектори. И ако LIGO беше първият, който откри, със сигурност няма да е единственият. Има много видове гравитационни вълни. Всъщност има цяла гама от тях, точно както има различни видовесветлина, с различни дължини на вълната, в електромагнитния спектър. Следователно други сътрудничества ще започнат търсенето на вълни с честота, за която LIGO не е проектиран.

Mingarelli работи с NanoGRAV (Северноамериканска обсерватория за нанохерцови гравитационни вълни), част от голям международен консорциум, който включва European Pulsar Timing Array и Parkes Pulsar Timing Array в Австралия. Както подсказва името, учените от NanoGRAV ловуват нискочестотни гравитационни вълни в режим от 1 до 10 нанохерца; Чувствителността на LIGO е в килохерцовата (чуваема) част от спектъра, търсейки много дълги дължини на вълните.


Сътрудничеството се основава на данни от пулсари, събрани от обсерваторията Arecibo в Пуерто Рико и телескопа Green Bank в Западна Вирджиния. Пулсарите са бързо въртящи се неутронни звезди, които се образуват, когато звезди, по-масивни от Слънцето, експлодират и се срутват в себе си. Те се въртят по-бързо и по-бързо, докато се компресират, точно както тежестта в края на въжето се върти по-бързо, колкото по-късо става въжето.

Те също така излъчват мощни изблици на радиация, докато се въртят, като маяк, които се откриват като светлинни импулси на Земята. И това периодично въртене е изключително точно - почти толкова точно, колкото атомен часовник. Това ги прави идеални детектори на космически гравитационни вълни. Първото косвено доказателство идва от изследването на пулсарите през 1974 г., когато Джоузеф Тейлър младши и Ръсел Хълс откриват, че пулсар, обикалящ около неутронна звезда, бавно се свива с времето, ефект, който би се очаквал, ако преобразува част от масата си в енергия под формата на гравитационни вълни.

В случая с NanoGRAV димящият пистолет ще бъде нещо като трептене. Импулсите трябва да пристигнат по едно и също време, но ако бъдат ударени от гравитационна вълна, те ще пристигнат малко по-рано или по-късно, тъй като пространство-времето ще се компресира или разтяга, докато вълната преминава.

Времевите решетки на пулсарите са особено чувствителни към гравитационни вълни, произведени от сливането на свръхмасивни черни дупки милиард до десет милиарда пъти по-големи от масата на нашето Слънце, като тези, които дебнат в центъра на най-масивните галактики. Ако две такива галактики се слеят, дупките в техните центрове също ще се слеят и ще излъчват гравитационни вълни. „LIGO вижда самия край на сливането, когато двойките са много близки“, казва Мингарели. „С помощта на MRV бихме могли да ги видим в началото на спираловидната фаза, когато просто навлизат в орбитата на другия.“

Освен това има и космическата мисия LISA (космическа антена с лазерен интерферометър). Базираният на Земята LIGO е отличен в откриването на гравитационни вълни, еквивалентни на части от звуковия спектър на звука - като тези, произведени от нашите сливащи се черни дупки. Но много интересни източници на тези вълни произвеждат ниски честоти. Така че физиците трябва да отидат в космоса, за да ги открият. Основната цел на текущата мисия на LISA Pathfinder() е да тества ефективността на детектора. „С LIGO можете да спрете инструмента, да отворите вакуума и да поправите всичко“, казва Скот Хюз от MIT. „Но не можете да отворите нищо в космоса.“ Ще трябва да го направим веднага, за да работи правилно.

Целта на LISA е проста: използвайки лазерни интерферометри, космически корабще се опита да измери точно относителната позиция на две 1,8-инчови златно-платинени кубчета при свободно падане. Поставени в отделни електродни кутии на разстояние 15 инча, тестовите обекти ще бъдат защитени от слънчев вятър и други външни сили, така че да бъде възможно да се открие малкото движение, причинено от гравитационни вълни (да се надяваме).

И накрая, има два експеримента, предназначени да търсят отпечатъците, оставени от първичните гравитационни вълни в космическото микровълново фоново лъчение (послесветенето на Големия взрив): BICEP2 и мисията Planck. BICEP2 обяви засичането си през 2014 г., но се оказа, че сигналът е фалшив (за това е виновен космическият прах).

И двете сътрудничества продължават търсенето с надеждата да хвърлят светлина върху ранната история на нашата Вселена - и да се надяваме да потвърдят ключовите прогнози на инфлационната теория. Тази теория прогнозира, че малко след раждането си Вселената е претърпяла бърз растеж, който не може да не остави мощни гравитационни вълни, които остават отпечатани в космическото микровълново фоново лъчение под формата на специални светлинни вълни (поляризация).

Всеки от четирите режима на гравитационна вълна ще даде на астрономите четири нови прозореца към Вселената.

Но знаем какво си мислите: време е да запалите warp задвижването, момчета! Ще помогне ли откритието на LIGO за изграждането на Звездата на смъртта следващата седмица? Разбира се, че не. Но колкото по-добре разбираме гравитацията, толкова повече ще разбираме как да изграждаме тези неща. Все пак това е работа на учените, те така си изкарват хляба. Разбирайки как работи Вселената, можем да разчитаме повече на нашите способности.

Сто години след теоретичната прогноза, направена от Алберт Айнщайн в рамките на общата теория на относителността, учените успяха да потвърдят съществуването на гравитационни вълни. Започва ерата на фундаментално нов метод за изследване на дълбокия космос - астрономията на гравитационните вълни.

Има различни открития. Има случайни, те са често срещани в астрономията. Има и не съвсем случайни, направени в резултат на щателно „разресване на района“, като например откриването на Уран от Уилям Хершел. Има случайни - когато са търсили едно и са намерили друго: например са открили Америка. Но планираните открития заемат специално място в науката. Те се основават на ясна теоретична прогноза. Предсказаното се търси преди всичко, за да се потвърди теорията. Такива открития включват откриването на Хигс бозона в Големия адронен колайдер и откриването на гравитационни вълни с помощта на лазерния интерферометър за гравитационно-вълнова обсерватория LIGO. Но за да регистрирате някакво явление, предвидено от теорията, трябва да имате доста добра представа какво точно и къде да търсите, както и какви инструменти са необходими за това.

Гравитационни вълнитрадиционно се нарича предсказание на общата теория на относителността (ОТО) и това наистина е така (въпреки че сега такива вълни съществуват във всички модели, алтернативни на ОТО или допълващи я). Появата на вълни се дължи на ограничеността на скоростта на разпространение на гравитационното взаимодействие (в общата теория на относителността тази скорост е точно равна на скоростта на светлината). Такива вълни са смущения в пространство-времето, разпространяващи се от източник. За да възникнат гравитационни вълни, източникът трябва да пулсира или да се движи с ускорена скорост, но по определен начин. Да кажем, че движенията с идеална сферична или цилиндрична симетрия не са подходящи. Има доста такива източници, но често те имат малка маса, недостатъчна за генериране на мощен сигнал. В крайна сметка гравитацията е най-слабото от четирите фундаментални взаимодействия, така че е много трудно да се регистрира гравитационен сигнал. Освен това за регистрация е необходимо сигналът да се променя бързо във времето, тоест да има достатъчно висока честота. В противен случай няма да можем да го регистрираме, тъй като промените ще бъдат твърде бавни. Това означава, че обектите също трябва да бъдат компактни.

Първоначално голям ентусиазъм беше генериран от експлозии на свръхнови, които се случват в галактики като нашата на всеки няколко десетилетия. Това означава, че ако можем да постигнем чувствителност, която ни позволява да видим сигнал от разстояние няколко милиона светлинни години, можем да разчитаме на няколко сигнала на година. Но по-късно се оказа, че първоначалните оценки за силата на освобождаване на енергия под формата на гравитационни вълни по време на експлозия на свръхнова са твърде оптимистични и такъв слаб сигнал може да бъде открит само ако в нашата Галактика е избухнала свръхнова.

Друг вариант за масивни компактни обекти, които се движат бързо, са неутронните звезди или черните дупки. Можем да видим или процеса на тяхното формиране, или процеса на взаимодействие помежду си. Последните етапи на колапса на звездните ядра, водещи до образуването на компактни обекти, както и последните етапи на сливането на неутронни звезди и черни дупки, имат продължителност от порядъка на няколко милисекунди (което съответства на честота на стотици херца) - точно това, което е необходимо. В този случай се освобождава много енергия, включително (и понякога главно) под формата на гравитационни вълни, тъй като масивните компактни тела извършват определени бързи движения. Това са нашите идеални източници.

Вярно е, че свръхновите избухват в Галактиката веднъж на няколко десетилетия, сливането на неутронни звезди се случва веднъж на няколко десетки хиляди години, а черните дупки се сливат помежду си още по-рядко. Но сигналът е много по-мощен и неговите характеристики могат да бъдат изчислени доста точно. Но сега трябва да можем да видим сигнала от разстояние няколкостотин милиона светлинни години, за да покрием няколко десетки хиляди галактики и да открием няколко сигнала за една година.

След като решихме източниците, ще започнем да проектираме детектора. За да направите това, трябва да разберете какво прави гравитационната вълна. Без да навлизаме в подробности, можем да кажем, че преминаването на гравитационна вълна предизвиква приливна сила (обикновените лунни или слънчеви приливи са отделно явление и гравитационните вълни нямат нищо общо с това). Така че можете да вземете например метален цилиндър, да го оборудвате със сензори и да изследвате неговите вибрации. Това не е трудно, затова такива инсталации започнаха да се правят преди половин век (има ги и в Русия; сега в подземната лаборатория Баксан се монтира подобрен детектор, разработен от екипа на Валентин Руденко от SAI MSU). Проблемът е, че такова устройство ще види сигнала без никакви гравитационни вълни. Има много шумове, с които е трудно да се справите. Възможно е (и е направено!) да инсталирате детектора под земята, да се опитате да го изолирате, да го охладите до ниски температури, но все пак, за да се превиши нивото на шума, ще е необходим много мощен сигнал от гравитационна вълна. Но мощни сигнали идват рядко.

Следователно изборът е направен в полза на друга схема, предложена през 1962 г. от Владислав Пустовойт и Михаил Херценщайн. В статия, публикувана в JETP (Journal of Experimental and Theoretical Physics), те предлагат да се използва интерферометър на Майкелсън за откриване на гравитационни вълни. Лазерният лъч преминава между огледалата в двете рамена на интерферометъра и след това се добавят лъчите от различни рамена. Чрез анализиране на резултата от интерференцията на лъча може да се измери относителната промяна в дължините на ръцете. Това са много точни измервания, така че ако победите шума, можете да постигнете фантастична чувствителност.

В началото на 90-те години беше решено да се изградят няколко детектора, използващи този дизайн. Първите, които влязоха в експлоатация, бяха относително малки инсталации, GEO600 в Европа и TAMA300 в Япония (числата съответстват на дължината на рамената в метри), за да тестват технологията. Но основните играчи трябваше да бъдат инсталациите LIGO в САЩ и VIRGO в Европа. Размерът на тези инструменти вече се измерва в километри, а окончателната планирана чувствителност трябва да позволи да се видят десетки, ако не и стотици събития годишно.

Защо са необходими няколко устройства? Основно за кръстосано валидиране, тъй като има локални шумове (напр. сеизмични). Едновременното откриване на сигнала в северозападната част на Съединените щати и Италия би било отлично доказателство за неговия външен произход. Но има и втора причина: детекторите на гравитационни вълни са много лоши при определяне на посоката към източника. Но ако има няколко детектора, разположени един от друг, ще бъде възможно да се посочи посоката доста точно.

Лазерни гиганти

В оригиналния си вид детекторите LIGO са произведени през 2002 г., а детекторите VIRGO през 2003 г. По план това беше само първият етап. Всички инсталации работиха няколко години, като през 2010-2011 г. бяха спрени за модификации, за да достигнат след това планираната висока чувствителност. Детекторите LIGO бяха първите, които заработиха през септември 2015 г., VIRGO трябва да се присъединят през втората половина на 2016 г. и от този етап чувствителността ни позволява да се надяваме да регистрираме поне няколко събития годишно.

След като LIGO започна да работи, очакваният процент на изблици беше приблизително едно събитие на месец. Астрофизиците изчислиха предварително, че първите очаквани събития ще бъдат сливането на черни дупки. Това се дължи на факта, че черните дупки обикновено са десет пъти по-тежки от неутронните звезди, сигналът е по-мощен и е „видим“ от големи разстояния, което повече от компенсира по-ниския процент на събития на галактика. За щастие не се наложи да чакаме дълго. На 14 септември 2015 г. и двете инсталации регистрират почти идентичен сигнал, наречен GW150914.

С доста прост анализ могат да се получат данни като масите на черните дупки, силата на сигнала и разстоянието до източника. Масата и размерът на черните дупки са свързани по много прост и добре познат начин и от честотата на сигнала може веднага да се оцени размерът на областта на освобождаване на енергия. В този случай размерът показва, че от две дупки с маса 25-30 и 35-40 слънчеви маси се е образувала черна дупка с маса над 60 слънчеви маси. Познавайки тези данни, може да се получи общата енергия на взрива. Почти три слънчеви маси бяха превърнати в гравитационно лъчение. Това съответства на светимостта на 1023 слънчеви светимости - приблизително толкова, колкото всички звезди във видимата част на Вселената излъчват през това време (стотни от секундата). И от известната енергия и големина на измерения сигнал се получава разстоянието. Голямата маса на обединените тела позволи да се регистрира събитие, случило се в далечна галактика: сигналът отне приблизително 1,3 милиарда години, за да достигне до нас.

По-подробният анализ дава възможност да се изясни масовото съотношение на черните дупки и да се разбере как те се въртят около оста си, както и да се определят някои други параметри. В допълнение, сигналът от две инсталации позволява приблизително да се определи посоката на взрива. За съжаление, точността тук все още не е много висока, но с пускането в експлоатация на актуализирания VIRGO ще се увеличи. И след няколко години японският детектор KAGRA ще започне да приема сигнали. След това един от детекторите LIGO (първоначално бяха три, една от инсталациите беше двойна) ще бъде сглобен в Индия и се очаква да се записват много десетки събития годишно.

Ерата на новата астрономия

В момента най-важният резултат от работата на LIGO е потвърждението за съществуването на гравитационни вълни. В допълнение, първият изблик направи възможно подобряването на ограниченията върху масата на гравитона (в общата теория на относителността той има нулева маса), както и по-силно ограничаване на разликата между скоростта на разпространение на гравитацията и скоростта на светлина. Но учените се надяват, че още през 2016 г. те ще могат да получат много нови астрофизични данни с помощта на LIGO и VIRGO.

Първо, данните от обсерваториите за гравитационни вълни предоставят нов път за изучаване на черни дупки. Ако преди беше възможно само да се наблюдават потоците на материята в близост до тези обекти, сега можете директно да „видите“ процеса на сливане и „успокояване“ на получената черна дупка, как нейният хоризонт се колебае, приемайки окончателната си форма ( определя се чрез въртене). Вероятно до откритието на Хокинг за изпаряване на черни дупки (засега този процес остава хипотеза), изследването на сливания ще предоставя по-добра пряка информация за тях.

Второ, наблюденията на сливането на неутронни звезди ще предоставят много нова, спешно необходима информация за тези обекти. За първи път ще можем да изучаваме неутронните звезди по начина, по който физиците изучават частиците: наблюдавайки как се сблъскват, за да разберем как работят вътре. Мистерията на структурата на вътрешността на неутронните звезди тревожи както астрофизиците, така и физиците. Нашето разбиране за ядрената физика и поведението на материята при свръхвисоки плътности е непълно, без да разрешим този проблем. Вероятно наблюденията на гравитационните вълни ще играят ключова роля тук.

Смята се, че сливането на неутронни звезди е отговорно за кратките космологични гама-лъчи. В редки случаи ще бъде възможно едновременно да се наблюдава събитие както в гама диапазона, така и на детектори за гравитационни вълни (рядкостта се дължи на факта, че, първо, гама сигналът е концентриран в много тесен лъч, а не е винаги насочени към нас, но второ, няма да регистрираме гравитационни вълни от много далечни събития). Очевидно ще са необходими няколко години наблюдение, за да можете да видите това (въпреки че, както обикновено, може да имате късмет и това да се случи днес). Тогава, наред с други неща, ще можем много точно да сравним скоростта на гравитацията със скоростта на светлината.

По този начин лазерните интерферометри заедно ще работят като един телескоп с гравитационни вълни, носейки нови знания както на астрофизиците, така и на физиците. Е, рано или късно ще бъде дадена заслужена Нобелова награда за откриването на първите изблици и техния анализ.

11 февруари 2016 г

Само преди няколко часа пристигна новина, която беше дългоочаквана в научния свят. Група учени от няколко страни, работещи като част от международния проект LIGO Scientific Collaboration, казват, че с помощта на няколко детекторни обсерватории са успели да открият гравитационни вълни в лабораторни условия.

Те анализират данни, идващи от две гравитационно-вълнови обсерватории с лазерен интерферометър (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO), разположени в щатите Луизиана и Вашингтон в САЩ.

Както беше посочено на пресконференцията на проекта LIGO, гравитационните вълни бяха открити на 14 септември 2015 г. първо в една обсерватория, а след това 7 милисекунди по-късно в друга.

Въз основа на анализа на получените данни, извършен от учени от много страни, включително Русия, беше установено, че гравитационната вълна е причинена от сблъсъка на две черни дупки с маса 29 и 36 пъти по-голяма от масата на слънце След това те се сляха в една голяма черна дупка.

Това се е случило преди 1,3 милиарда години. Сигналът е дошъл на Земята от посоката на съзвездието Магеланов облак.

Сергей Попов (астрофизик от Държавния астрономически институт „Щернберг“ към Московския държавен университет) обясни какво представляват гравитационните вълни и защо е толкова важно да се измерват.

Съвременните теории за гравитацията са геометрични теории за гравитацията, повече или по-малко всичко от теорията на относителността. Геометричните свойства на пространството влияят на движението на тела или обекти като светлинен лъч. И обратно – разпределението на енергията (това е същото като масата в пространството) влияе върху геометричните свойства на пространството. Това е много готино, защото е лесно да се визуализира - цялата тази еластична равнина, облицована в кутия, има някакъв физически смисъл, въпреки че, разбира се, не всичко е толкова буквално.

Физиците използват думата "метрика". Метриката е нещо, което описва геометричните свойства на пространството. И тук имаме тела, движещи се с ускорение. Най-простото нещо е да завъртите краставицата. Важно е да не е например топка или сплескан диск. Лесно е да си представим, че когато такава краставица се върти на еластична равнина, от нея ще текат вълнички. Представете си, че стоите някъде и една краставица обръща единия край към вас, после другия. Влияе на пространството и времето по различни начини, тече гравитационна вълна.

И така, гравитационната вълна е вълна, протичаща по метриката на пространство-времето.

Мъниста в космоса

Това е основно свойство на нашето основно разбиране за това как работи гравитацията и хората искат да го тестват от сто години. Те искат да се уверят, че има ефект и той е видим в лабораторията. Това се наблюдава в природата преди около три десетилетия. Как трябва да се проявяват гравитационните вълни в ежедневието?

Най-лесният начин да илюстрирате това е следният: ако хвърлите мъниста в пространството, така че да лежат в кръг, и когато гравитационна вълна премине перпендикулярно на тяхната равнина, те ще започнат да се превръщат в елипса, компресирана първо в една посока, след това в другата. Въпросът е, че пространството около тях ще бъде нарушено и те ще го усетят.

"G" на Земята

Хората правят нещо подобно, само че не в космоса, а на Земята.

На разстояние четири километра едно от друго висят огледала във формата на буквата "g" [има предвид американските обсерватории LIGO].

Пускат лазерни лъчи - това е интерферометър, добре разбрано нещо. Съвременните технологии позволяват измерването на фантастично малки ефекти. Все пак не че не вярвам, вярвам, но просто не мога да се замисля - преместването на огледала, висящи на разстояние четири километра едно от друго, е по-малко от размера на атомно ядро . Това е малко дори в сравнение с дължината на вълната на този лазер. Това беше уловката: гравитацията е най-слабото взаимодействие и следователно преместванията са много малки.

Отне много време, хората се опитват да направят това от 1970 г., те са прекарали живота си в търсене на гравитационни вълни. И сега само техническите възможности позволяват да се регистрира гравитационна вълна в лабораторни условия, тоест тя дойде тук и огледалата се изместиха.

Посока

До една година, ако всичко е наред, в света вече ще има три работещи детектора. Три детектора са много важни, защото тези неща са много лоши при определяне на посоката на сигнала. Почти по същия начин, по който сме лоши в определянето на посоката на източника на ухо. „Звук някъде отдясно“ - тези детектори усещат нещо подобно. Но ако трима души стоят на разстояние един от друг и единият чува звук отдясно, друг отляво, а третият отзад, тогава можем много точно да определим посоката на звука. Колкото повече детектори има, толкова повече ще бъдат разпръснати към земното кълбо, толкова по-точно можем да определим посоката към източника и тогава ще започне астрономията.

В края на краищата крайната цел е не само да се потвърди общата теория на относителността, но и да се получат нови астрономически знания. Само си представете, че има черна дупка с тегло десет слънчеви маси. И се сблъсква с друга черна дупка, тежаща десет слънчеви маси. Сблъсъкът става със скоростта на светлината. Енергиен пробив. Това е вярно. Има го фантастично количество. И няма как... Това са просто вълнички от пространство и време. Бих казал, че откриването на сливането на две черни дупки ще бъде най-силното доказателство за дълго време, че черните дупки са повече или по-малко черните дупки, които мислим, че са.

Нека да разгледаме проблемите и явленията, които може да разкрие.

Наистина ли съществуват черни дупки?

Сигналът, очакван от съобщението на LIGO, може да е бил произведен от две сливащи се черни дупки. Такива събития са най-енергичните известни; силата на гравитационните вълни, излъчвани от тях, може за кратко да засенчи всички звезди в наблюдаваната вселена взети заедно. Сливането на черни дупки също е доста лесно за тълкуване от техните много чисти гравитационни вълни.

Сливането на черни дупки възниква, когато две черни дупки се въртят спираловидно една около друга, излъчвайки енергия под формата на гравитационни вълни. Тези вълни имат характерен звук (цвърчене), който може да се използва за измерване на масата на тези два обекта. След това черните дупки обикновено се сливат.

„Представете си два сапунени мехура, които се приближават толкова близо, че образуват един балон. По-големият балон е деформиран“, казва Тибалт Дамур, теоретик на гравитацията в Института за напреднали научни изследвания близо до Париж. Последната черна дупка ще бъде идеално сферична, но първо трябва да излъчва гравитационни вълни от предвидим тип.

Едно от най-важните научни последствия от откриването на сливания на черни дупки ще бъде потвърждението за съществуването на черни дупки - поне идеално кръгли обекти, състоящи се от чисто, празно, извито пространство-време, както е предвидено от общата теория на относителността. Друго следствие е, че сливането протича според прогнозите на учените. Астрономите имат много косвени доказателства за това явление, но досега това са наблюдения на звезди и прегрят газ в орбитата на черните дупки, а не самите черни дупки.

„Научната общност, включително и аз, не харесват черните дупки. Ние ги приемаме за даденост, казва Франс Преториус, специалист по симулация на обща теория на относителността в Принстънския университет в Ню Джърси. „Но когато се замислим колко невероятно е това предсказание, имаме нужда от наистина невероятно доказателство.“

Дали гравитационните вълни се движат със скоростта на светлината?

Когато учените започнат да сравняват наблюденията на LIGO с тези от други телескопи, първото нещо, което проверяват, е дали сигналът е пристигнал по едно и също време. Физиците смятат, че гравитацията се предава от частици гравитон, гравитационният аналог на фотоните. Ако, подобно на фотоните, тези частици нямат маса, тогава гравитационните вълни ще се движат със скоростта на светлината, съответстваща на прогнозата за скоростта на гравитационните вълни в класическата теория на относителността. (Тяхната скорост може да бъде повлияна от ускоряващото се разширяване на Вселената, но това трябва да е очевидно на разстояния, значително по-големи от тези, обхванати от LIGO).

Напълно възможно е обаче гравитоните да имат малка маса, което означава, че гравитационните вълни ще се движат със скорост, по-малка от светлината. Така например, ако LIGO и Virgo открият гравитационни вълни и открият, че вълните са пристигнали на Земята след гама-лъчи, свързани с космически събития, това може да има променящи живота последици за фундаменталната физика.

Направено ли е пространство-времето от космически струни?

Още по-странно откритие може да се случи, ако се открият изблици на гравитационни вълни, излъчвани от „космически струни“. Тези хипотетични дефекти в кривината на пространство-времето, които могат или не могат да бъдат свързани със струнните теории, трябва да са безкрайно тънки, но разтегнати до космически разстояния. Учените прогнозират, че космическите струни, ако съществуват, могат случайно да се огънат; ако струната се огъне, това ще предизвика гравитационен прилив, който детектори като LIGO или Virgo могат да измерят.

Могат ли неутронните звезди да са бучки?

Неутронните звезди са останки големи звезди, които се сринаха под собствената си тежест и станаха толкова плътни, че електроните и протоните започнаха да се стопяват в неутрони. Учените имат малко разбиране за физиката на неутронните дупки, но гравитационните вълни могат да ни разкажат много за тях. Например интензивната гравитация на тяхната повърхност кара неутронните звезди да станат почти съвършено сферични. Но някои учени предполагат, че може да има и "планини" - високи няколко милиметра - които правят тези плътни обекти, не повече от 10 километра в диаметър, леко асиметрични. Неутронните звезди обикновено се въртят много бързо, така че асиметричното разпределение на масата ще изкриви пространство-времето и ще произведе постоянен сигнал от гравитационна вълна във формата на синусоида, забавяйки въртенето на звездата и излъчвайки енергия.

Двойки неутронни звезди, които обикалят една около друга, също произвеждат постоянен сигнал. Подобно на черни дупки, тези звезди се движат в спирала и в крайна сметка се сливат с характерен звук. Но неговата специфика се различава от спецификата на звука на черните дупки.

Защо звездите експлодират?

Черните дупки и неутронните звезди се образуват, когато масивни звезди спрат да светят и се срутят в себе си. Астрофизиците смятат, че този процес е в основата на всички често срещани типове експлозии на свръхнова тип II. Симулациите на такива свръхнови все още не са показали какво ги кара да се запалят, но се смята, че слушането на изблиците на гравитационни вълни, излъчвани от истинска супернова, дава отговор. В зависимост от това как изглеждат избухващите вълни, колко са силни, колко често се появяват и как корелират със свръхновите, проследявани от електромагнитни телескопи, тези данни могат да помогнат да се изключат куп съществуващи модели.

Колко бързо се разширява Вселената?

Разширяването на Вселената означава, че далечните обекти, които се отдалечават от нашата галактика, изглеждат по-червени, отколкото са в действителност, защото светлината, която излъчват, се разтяга, докато се движат. Космолозите оценяват скоростта на разширяване на Вселената, като сравняват червеното отместване на галактиките с това колко далеч са те от нас. Но това разстояние обикновено се оценява от яркостта на свръхновите тип Ia и тази техника оставя много несигурности.

Ако няколко детектора на гравитационни вълни по света засекат сигнали от сливането на едни и същи неутронни звезди, заедно те могат абсолютно точно да оценят обема на сигнала и следователно разстоянието, на което е станало сливането. Те също така ще могат да оценят посоката и с това да идентифицират галактиката, в която се е случило събитието. Чрез сравняване на червеното отместване на тази галактика с разстоянието до сливащите се звезди е възможно да се получи независима скорост на космическо разширение, може би по-точна, отколкото позволяват съвременните методи.

източници

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

http://cont.ws/post/199519

Тук някак си разбрахме, но какво е и. Вижте как изглежда Оригиналната статия е на уебсайта InfoGlaz.rfВръзка към статията, от която е направено това копие -

Официалният ден на откриване (засичане) на гравитационните вълни е 11 февруари 2016 г. Тогава, на пресконференция във Вашингтон, ръководителите на колаборацията LIGO обявиха, че екип от изследователи е успял да запише това явление за първи път в човешката история.

Пророчествата на великия айнщайн

Фактът, че гравитационните вълни съществуват, е предложен от Алберт Айнщайн в началото на миналия век (1916 г.) в рамките на неговата Обща теория на относителността (ОТО). Човек може само да се учудва на брилянтните способности на известния физик, който с минимум реални данни успя да направи толкова далечни заключения. Сред многото други предсказани физически явления, които бяха потвърдени през следващия век (забавяне на течението на времето, промяна на посоката на електромагнитното излъчване в гравитационните полета и т.н.), не беше възможно да се открие на практика наличието на този тип вълново взаимодействие на тела доскоро.

Гравитацията илюзия ли е?

Като цяло, в светлината на Теорията на относителността, гравитацията трудно може да се нарече сила. смущения или кривини на пространствено-времевия континуум. Добър примерКато илюстрация на този постулат може да служи опънато парче плат. Под тежестта на масивен предмет, поставен върху такава повърхност, се образува вдлъбнатина. Други обекти, когато се движат близо до тази аномалия, ще променят траекторията на движението си, сякаш са „привлечени“. И колкото по-голямо е теглото на обекта (колкото по-голям е диаметърът и дълбочината на кривината), толкова по-висока е „силата на привличане“. Докато се движи през тъканта, може да се наблюдава появата на разминаващи се „вълнички“.

Нещо подобно се случва в открития космос. Всяка бързо движеща се масивна материя е източник на колебания в плътността на пространството и времето. Гравитационна вълна със значителна амплитуда се образува от тела с изключително големи маси или при движение с огромни ускорения.

физически характеристики

Флуктуациите в пространствено-времевата метрика се проявяват като промени в гравитационното поле. Това явление иначе се нарича пространствено-времеви вълни. Гравитационната вълна въздейства на срещаните тела и обекти, като ги притиска и разтяга. Големината на деформацията е много незначителна - около 10 -21 от първоначалния размер. Цялата трудност при откриването на този феномен беше, че изследователите трябваше да се научат как да измерват и записват такива промени, използвайки подходящо оборудване. Силата на гравитационното излъчване също е изключително малка – за всички слънчева системавъзлиза на няколко киловата.

Скоростта на разпространение на гравитационните вълни зависи слабо от свойствата на проводящата среда. Амплитудата на трептенията постепенно намалява с отдалечаване от източника, но никога не достига нула. Честотата варира от няколко десетки до стотици херца. Скоростта на гравитационните вълни в междузвездната среда се доближава до скоростта на светлината.

Косвени доказателства

Първото теоретично потвърждение за съществуването на гравитационни вълни е получено от американския астроном Джоузеф Тейлър и неговия асистент Ръсел Хълс през 1974 г. Изучавайки необятността на Вселената с помощта на радиотелескопа на обсерваторията Аресибо (Пуерто Рико), изследователите откриха пулсара PSR B1913+16, който е двойна система от неутронни звезди, въртящи се около общ център на масата с постоянна ъглова скорост (доста рядко случай). Всяка година периодът на циркулация, първоначално 3,75 часа, се намалява със 70 ms. Тази стойност е напълно в съответствие с изводите от уравненията на общата теория на относителността, които предвиждат увеличаване на скоростта на въртене на такива системи поради разхода на енергия за генериране на гравитационни вълни. Впоследствие бяха открити няколко двойни пулсара и бели джуджета с подобно поведение. Радиоастрономите Д. Тейлър и Р. Хълс са удостоени с Нобелова награда по физика през 1993 г. за откриване на нови възможности за изследване на гравитационните полета.

Бягство от гравитационната вълна

Първото съобщение за откриването на гравитационни вълни дойде от учения от университета в Мериленд Джоузеф Вебер (САЩ) през 1969 г. За тези цели той използва две гравитационни антени по собствен дизайн, разделени на разстояние от два километра. Резонансният детектор беше добре изолиран от вибрации плътен двуметров алуминиев цилиндър, оборудван с чувствителни пиезоелектрични сензори. Амплитудата на трептенията, уж записани от Вебер, се оказва над милион пъти по-висока от очакваната стойност. Опитите на други учени да повторят „успеха“ на американския физик, използвайки подобно оборудване, не доведоха до положителни резултати. Няколко години по-късно работата на Вебер в тази област беше призната за несъстоятелна, но даде тласък на развитието на „гравитационния бум“, който привлече много специалисти в тази област на изследване. Между другото, самият Джоузеф Вебер до края на дните си беше сигурен, че получава гравитационни вълни.

Подобряване на приемното оборудване

През 70-те години учен Бил Феърбанк (САЩ) разработи дизайна на антена за гравитационни вълни, охлаждана с помощта на SQUIDS - ултра-чувствителни магнитометри. Съществуващите по това време технологии не позволяват на изобретателя да види своя продукт, реализиран в „метал“.

Гравитационният детектор Auriga в Националната лаборатория Legnar (Падуа, Италия) е проектиран на този принцип. Конструкцията се основава на алуминиево-магнезиев цилиндър с дължина 3 метра и диаметър 0,6 м с тегло 2,3 тона, окачен в изолиран, охладен почти до абсолютна нулавакуумна камера. За записване и откриване на удари се използват спомагателен килограмов резонатор и компютърно базиран измервателен комплекс. Посочената чувствителност на оборудването е 10 -20.

Интерферометри

Работата на детекторите за смущения на гравитационните вълни се основава на същите принципи, на които работи интерферометърът на Майкелсън. Лазерният лъч, излъчван от източника, се разделя на два потока. След многократно отражение и обикаляне по рамената на апарата, потоците отново се събират и на базата на окончателното се преценява дали някакви смущения (например гравитационна вълна) са повлияли на хода на лъчите. Подобно оборудване е създадено в много страни:

• GEO 600 (Хановер, Германия). Дължината на вакуумните тунели е 600 метра.
• TAMA (Япония) с рамена от 300 м.
• VIRGO (Пиза, Италия) е съвместен френско-италиански проект, стартиран през 2007 г. с три километра тунели.
• LIGO (САЩ, Тихоокеанско крайбрежие), който търси гравитационни вълни от 2002 г.

Последното си струва да се разгледа по-подробно.

LIGO Advanced

Проектът е създаден по инициатива на учени от Масачузетския и Калифорнийския технологичен институт. Тя включва две обсерватории, разделени на 3 хиляди километра, във Вашингтон (градовете Ливингстън и Ханфорд) с три еднакви интерферометъра. Дължината на перпендикулярните вакуумни тунели е 4 хиляди метра. Това са най-големите подобни структури, действащи в момента. До 2011 г. многобройните опити за откриване на гравитационни вълни не доведоха до никакви резултати. Извършената значителна модернизация (Advanced LIGO) увеличи чувствителността на оборудването в диапазона 300-500 Hz повече от пет пъти, а в областта на ниските честоти (до 60 Hz) почти с порядък, достигайки желаната стойност от 10 -21. Актуализираният проект стартира през септември 2015 г. и усилията на повече от хиляда служители на Collaboration бяха възнаградени с получените резултати.

Открити са гравитационни вълни

На 14 септември 2015 г. усъвършенствани детектори LIGO, с интервал от 7 ms, регистрираха гравитационни вълни, достигащи нашата планета от най-голямото събитие, случило се в покрайнините на наблюдаваната Вселена - сливането на две големи черни дупки с маси 29 и 36 пъти по-голяма от масата на Слънцето. По време на процеса, който се проведе преди повече от 1,3 милиарда години, около три слънчеви маси материя бяха изразходвани за части от секундата чрез излъчване на гравитационни вълни. Записаната начална честота на гравитационните вълни е 35 Hz, а максималната пикова стойност достига 250 Hz.

Получените резултати бяха многократно подложени на цялостна проверка и обработка, като алтернативните интерпретации на получените данни бяха внимателно елиминирани. И накрая, миналата година директната регистрация на феномена, предсказан от Айнщайн, беше обявена на световната общност.

Факт, илюстриращ титаничната работа на изследователите: амплитудата на колебанията в размера на рамената на интерферометъра е 10 -19 m - тази стойност е толкова пъти по-малка от диаметъра на атома, тъй като самият атом е по-малък от оранжево.

Бъдещи перспективи

Откритието още веднъж потвърждава, че Общата теория на относителността не е просто набор от абстрактни формули, а принципно нов поглед към същността на гравитационните вълни и гравитацията като цяло.

В по-нататъшни изследвания учените възлагат големи надежди на проекта ELSA: създаването на гигантски орбитален интерферометър с рамена от около 5 милиона км, способен да открива дори незначителни смущения в гравитационните полета. Активирането на работата в тази посока може да разкаже много нови неща за основните етапи от развитието на Вселената, за процеси, които е трудно или невъзможно да се наблюдават в традиционните диапазони. Няма съмнение, че черните дупки, чиито гравитационни вълни ще бъдат открити в бъдеще, ще разкажат много за своята природа.

За изследване на космическото микровълново фоново лъчение, което може да ни разкаже за първите моменти от нашия свят след Големия взрив, ще са необходими по-чувствителни космически инструменти. Такъв проект съществува ( Наблюдател на Големия взрив), но прилагането му, според експерти, е възможно не по-рано от 30-40 години.

Свободната повърхност на течност в равновесие в гравитационно поле е плоска. Ако под въздействието на някакво външно въздействие повърхността на течността на някое място се извади от нейното равновесно положение, тогава в течността възниква движение. Това движение ще се разпространи по цялата повърхност на течността под формата на вълни, наречени гравитационни вълни, тъй като те са причинени от действието на гравитационното поле. Гравитационните вълни възникват главно на повърхността на течността, улавяйки нейните вътрешни слоеве, толкова по-малко, колкото по-дълбоко са разположени тези слоеве.

Тук ще разгледаме гравитационни вълни, при които скоростта на движещите се флуидни частици е толкова малка, че членът в уравнението на Ойлер може да бъде пренебрегнат в сравнение с Лесно е да разберете какво означава това условие физически. За период от време от порядъка на периода на трептения, извършвани от течни частици във вълна, тези частици изминават разстояние от порядъка на амплитудата a на вълната, следователно скоростта на тяхното движение е от порядъка на Скорост ​​v се променя забележимо през интервали от време от порядъка на величината и на разстояния от порядъка на величината по посока на разпространение на вълната (- вълни с дължина). Следователно, производната на скоростта по отношение на времето е от порядъка на величината и по отношение на координатите е от порядъка на По този начин условието е еквивалентно на изискването

това означава, че амплитудата на трептенията във вълната трябва да бъде малка в сравнение с дължината на вълната. В § 9 видяхме, че ако членът в уравнението на движението може да бъде пренебрегнат, тогава движението на течността е потенциално. Ако приемем, че течността е несвиваема, можем да използваме уравнения (10.6) и (10.7). В уравнение (10.7) вече можем да пренебрегнем члена, съдържащ квадрата на скоростта; поставяйки и въвеждайки член в гравитационното поле, получаваме:

(12,2)

Избираме оста, както обикновено, вертикално нагоре, а като равнина x, y избираме равновесната плоска повърхност на течността.

Ще означим - координатата на точки от повърхността на течността с ; е функция на координатите x, y и времето t. В равновесие има вертикално изместване на повърхността на течността, докато тя осцилира.

Нека върху повърхността на течността действа постоянно налягане. Тогава, съгласно (12.2), имаме на повърхността

Константата може да бъде елиминирана чрез предефиниране на потенциала (като към него се добави величина, независима от координатите. Тогава условието на повърхността на течността приема формата

Малката амплитуда на трептенията във вълната означава, че изместването е малко. Следователно можем да приемем, че вертикалната компонента на скоростта на движение на повърхностните точки съвпада с времевата производна на преместването, но имаме:

Поради малкия размер на трептенията е възможно при това условие вместо това да се вземат стойностите на производните при. Така в крайна сметка получаваме следната система от уравнения, които определят движението в гравитационна вълна:

Ще разгледаме вълните на повърхността на течността, считайки тази повърхност за неограничена. Ще приемем също, че дължината на вълната е малка в сравнение с дълбочината на течността; тогава течността може да се разглежда като безкрайно дълбока. Следователно ние не пишем гранични условия на страничните граници и на дъното на течността.

Нека разгледаме гравитационна вълна, разпространяваща се по оста и равномерна по оста; в такава вълна всички величини не зависят от координатата y. Ще търсим решение, което е проста периодична функция на времето и координатата x:

където ( е цикличната честота (ще говорим за нея просто като честота), k е вълновият вектор на вълната, е дължината на вълната. Замествайки този израз в уравнението, получаваме уравнението за функцията

Неговият разтвор, разпадащ се в дълбочината на течността (т.е. при ):

Трябва също така да удовлетворим граничното условие (12.5), замествайки (12.5) в него, намираме връзката между честотата b и вълновия вектор (или, както се казва, закона за дисперсия на вълната):

Разпределението на скоростите в течност се получава чрез диференциране на потенциала по координатите:

Виждаме, че скоростта намалява експоненциално към дълбочината на течността. Във всяка дадена точка в пространството (т.е. за дадени x, z) векторът на скоростта се върти равномерно в равнината x, оставайки постоянен по големина.

Нека определим и траекторията на течните частици във вълната. Нека временно обозначим с x, z координатите на движеща се частица течност (а не координатите на фиксирана точка в пространството), а с - стойностите на x за равновесното положение на частицата. Тогава и от дясната страна на (12.8) може да се запише приблизително вместо , като се възползва от малките колебания. След това интегрирането във времето дава:

По този начин течните частици описват кръгове около точки с радиус, който намалява експоненциално към дълбочината на течността.

Скоростта U на разпространение на вълната е равна, както ще бъде показано в § 67. Замествайки тук, намираме, че скоростта на разпространение на гравитационните вълни върху неограничена повърхност на безкрайно дълбока течност е равна на

Тя се увеличава с увеличаване на дължината на вълната.

Дълги гравитационни вълни

След като разгледахме гравитационни вълни, чиято дължина е малка в сравнение с дълбочината на течността, сега се спираме на обратния граничен случай на вълни, чиято дължина е голяма в сравнение с дълбочината на течността.

Такива вълни се наричат ​​дълги.

Нека първо разгледаме разпространението на дълги вълни в канала. Ще приемем, че дължината на канала (насочена по оста x) е неограничена. Напречното сечение на канала може да има произволна форма и да варира по дължината му. Площта на напречното сечение на течността в канала се означава с Дълбочината и ширината на канала се приемат за малки в сравнение с дължината на вълната.

Тук ще разгледаме надлъжни дълги вълни, в които течността се движи по канала. При такива вълни компонентът на скоростта по дължината на канала е голям в сравнение с компонентите

Означавайки просто v и пропускайки малки членове, можем да запишем -компонентата на уравнението на Ойлер като

а-компонент - във формата

(изпускаме термини с квадратична скорост, тъй като амплитудата на вълната все още се счита за малка). От второто уравнение имаме, отбелязвайки, че на свободната повърхност ) трябва да бъде

Замествайки този израз в първото уравнение, получаваме:

Второто уравнение за определяне на две неизвестни може да бъде получено с помощта на метод, подобен на извличането на уравнението за непрекъснатост. Това уравнение по същество е уравнение за непрекъснатост, приложено към разглеждания случай. Нека разгледаме обема на течността, затворена между две равнини на напречното сечение на канала, разположени на разстояние една от друга. За единица време обем течност, равен на ще влезе през едната равнина, а обем ще излезе през другата равнина. Следователно обемът на течността между двете равнини ще се промени с