Galvenā atšķirība ir tāda, ka, lai gan skaņai ir nepieciešams vide, lai tā varētu pārvietoties, gravitācijas viļņi pārvieto vidi - šajā gadījumā pašu telpu laiku. "Tie burtiski sasmalcina un izstiepj telpas laika audumu," saka Kjara Mingarelli, gravitācijas viļņu astrofiziķe no Caltech. Mūsu ausīm LIGO atklātie viļņi izklausīsies kā rīstīšanās.

Kā tieši šī revolūcija notiks? Šobrīd LIGO ir divi detektori, kas darbojas kā "ausis" zinātniekiem, un nākotnē detektoru būs vēl vairāk. Un, ja LIGO bija pirmais, kas atklāja, tas noteikti nebūs vienīgais. Ir daudz veidu gravitācijas viļņi. Patiesībā to ir vesels klāsts, tāpat kā ir dažādi veidi gaisma, ar dažādiem viļņu garumiem, elektromagnētiskajā spektrā. Tāpēc citas sadarbības sāks meklēt viļņus ar frekvenci, kurai LIGO nav paredzēts.

Mingarelli sadarbojas ar NanoGRAV (Ziemeļamerikas Nanoherca gravitācijas viļņu observatorija), kas ir daļa no liela starptautiska konsorcija, kurā ietilpst Eiropas Pulsar Timing Array un Parkes Pulsar Timing Array Austrālijā. Kā norāda nosaukums, NanoGRAV zinātnieki medī zemas frekvences gravitācijas viļņus 1 līdz 10 nanohercu režīmā; LIGO jutība atrodas kilohercu (dzirdamajā) spektra daļā, meklējot ļoti garus viļņu garumus.


Sadarbības pamatā ir pulsāra dati, ko savākuši Arecibo observatorija Puertoriko un Green Bank teleskops Rietumvirdžīnijā. Pulsāri ir ātri rotējošas neitronu zvaigznes, kas veidojas, kad zvaigznes, kas ir masīvākas par Sauli, eksplodē un sabrūk sevī. Tie griežas arvien ātrāk, jo tiek saspiesti, tāpat kā svars virves galā griežas ātrāk, jo īsāka kļūst virve.

Tie griežoties izstaro arī spēcīgus starojuma uzliesmojumus, piemēram, bākas, kas tiek uztverti kā gaismas impulsi uz Zemes. Un šī periodiskā rotācija ir ārkārtīgi precīza - gandrīz tikpat precīza kā atompulkstenis. Tas padara tos par ideāliem kosmisko gravitācijas viļņu detektoriem. Pirmie netiešie pierādījumi tika iegūti no pulsāru izpētes 1974. gadā, kad Džozefs Teilors jaunākais un Rasels Huls atklāja, ka pulsārs, kas riņķo ap neitronu zvaigzni, laika gaitā lēnām saraujas, un tas būtu sagaidāms, ja tas daļu savas masas pārvērstu enerģijā. gravitācijas viļņu veidā.

NanoGRAV gadījumā smēķēšanas lielgabals būs sava veida mirgošana. Impulsiem ir jāierodas vienlaikus, bet, ja tos skars gravitācijas vilnis, tie ieradīsies nedaudz agrāk vai vēlāk, jo telpa-laiks saspiedīsies vai stiepjas, vilnim ejot.

Pulsāra laika režģa bloki ir īpaši jutīgi pret gravitācijas viļņiem, kas rodas, apvienojoties supermasīviem melnajiem caurumiem, kas miljards līdz desmit miljardus reižu pārsniedz mūsu Saules masu, piemēram, tie, kas slēpjas masīvāko galaktiku centrā. Ja divas šādas galaktikas saplūst, caurumi to centros arī saplūdīs un izstaro gravitācijas viļņus. “Ligo apvieno apvienošanās beigas, kad pāri ir ļoti tuvu,” saka Mingarelli. "Ar MRV palīdzību mēs tos varējām redzēt spirāles fāzes sākumā, kad tie tikai ieiet viens otra orbītā."

Un ir arī LISA (lāzera interferometra kosmosa antena) kosmosa misija. Uz Zemes bāzētais LIGO lieliski spēj noteikt gravitācijas viļņus, kas ir līdzvērtīgi dzirdamās skaņas spektra daļām, piemēram, tiem, ko rada mūsu saplūstošie melnie caurumi. Bet daudzi interesanti šo viļņu avoti rada zemas frekvences. Tāpēc fiziķiem ir jādodas kosmosā, lai tos atklātu. Pašreizējās LISA Pathfinder() misijas galvenais mērķis ir pārbaudīt detektora veiktspēju. "Izmantojot LIGO, jūs varat apturēt instrumentu, atvērt vakuumu un visu salabot," saka Skots Hjūzs no MIT. "Bet jūs neko nevarat atvērt kosmosā." Mums tas būs jādara nekavējoties, lai tas darbotos pareizi.

LISA mērķis ir vienkāršs: izmantojot lāzera interferometrus, kosmosa kuģis mēģinās precīzi izmērīt divu 1,8 collu zelta-platīna kubu relatīvo stāvokli brīvā kritienā. Ievietoti atsevišķās elektrodu kastēs 15 collu attālumā viens no otra, testa objekti tiks pasargāti no saules vēja un citiem ārējiem spēkiem, lai būtu iespējams noteikt niecīgo kustību, ko izraisa gravitācijas viļņi (cerams).

Visbeidzot, ir divi eksperimenti, kas paredzēti, lai meklētu pirmatnējo gravitācijas viļņu atstātos nospiedumus kosmiskajā mikroviļņu fona starojumā (Lielā sprādziena pēcspīdums): BICEP2 un Planka misija. BICEP2 paziņoja par atklāšanu 2014. gadā, taču izrādījās, ka signāls ir viltots (vainīgi ir kosmiskie putekļi).

Abas sadarbības turpina medības, cerot izgaismot mūsu Visuma agrīno vēsturi un, cerams, apstiprināt inflācijas teorijas galvenās prognozes. Šī teorija paredzēja, ka drīz pēc tā dzimšanas Visums piedzīvoja strauju izaugsmi, kas nevarēja palīdzēt, bet atstāja spēcīgus gravitācijas viļņus, kas palika iespiesti kosmiskajā mikroviļņu fona starojumā īpašu gaismas viļņu (polarizācijas) veidā.

Katrs no četriem gravitācijas viļņu režīmiem dos astronomiem četrus jaunus logus uz Visumu.

Bet mēs zinām, ko jūs domājat: puiši, laiks iedarbināt velku piedziņu! Vai LIGO atklājums nākamnedēļ palīdzēs uzbūvēt Nāves zvaigzni? Protams, nē. Bet jo labāk mēs saprotam gravitāciju, jo vairāk mēs sapratīsim, kā šīs lietas veidot. Galu galā tas ir zinātnieku darbs, tā viņi pelna savu iztiku. Izprotot, kā darbojas Visums, mēs varam vairāk paļauties uz savām spējām.

Simts gadus pēc Alberta Einšteina teorētiskās prognozes vispārējās relativitātes teorijas ietvaros zinātnieki varēja apstiprināt gravitācijas viļņu esamību. Sākas principiāli jaunas dziļās telpas pētīšanas metodes — gravitācijas viļņu astronomijas — laikmets.

Ir dažādi atklājumi. Ir nejauši, tie ir izplatīti astronomijā. Nav pilnīgi nejauši, kas radušies rūpīgas “apgabala ķemmēšanas” rezultātā, piemēram, Viljama Heršela atklājums Urāns. Ir serendipālie - kad viņi meklēja vienu lietu un atrada citu: piemēram, viņi atklāja Ameriku. Taču plānotie atklājumi zinātnē ieņem īpašu vietu. Tie ir balstīti uz skaidru teorētisku prognozi. Paredzamais galvenokārt tiek meklēts, lai apstiprinātu teoriju. Šādi atklājumi ietver Higsa bozona atklāšanu Lielajā hadronu paātrinātājā un gravitācijas viļņu noteikšanu, izmantojot lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatoriju LIGO. Bet, lai reģistrētu kādu teorijā paredzētu fenomenu, ir diezgan labi jāsaprot, ko tieši un kur meklēt, kā arī kādi instrumenti tam nepieciešami.

Gravitācijas viļņi tradicionāli tiek saukta par vispārējās relativitātes teorijas (GTR) prognozi, un tā tas tiešām ir (lai gan tagad šādi viļņi pastāv visos GTR alternatīvajos vai to papildinošajos modeļos). Viļņu parādīšanos izraisa gravitācijas mijiedarbības izplatīšanās ātruma ierobežotība (vispārējā relativitātes teorijā šis ātrums ir tieši vienāds ar gaismas ātrumu). Šādi viļņi ir traucējumi telpā-laikā, kas izplatās no avota. Lai rastos gravitācijas viļņi, avotam ir jāpulsē vai jāpārvietojas ar paātrinātu ātrumu, bet noteiktā veidā. Pieņemsim, ka kustības ar perfektu sfērisku vai cilindrisku simetriju nav piemērotas. Šādu avotu ir diezgan daudz, taču bieži tiem ir maza masa, kas nav pietiekama, lai radītu spēcīgu signālu. Galu galā gravitācija ir vājākā no četrām fundamentālajām mijiedarbībām, tāpēc gravitācijas signālu reģistrēt ir ļoti grūti. Turklāt reģistrācijai ir nepieciešams, lai signāls laika gaitā ātri mainītos, tas ir, tam ir pietiekami augsta frekvence. Pretējā gadījumā mēs nevarēsim to reģistrēt, jo izmaiņas būs pārāk lēnas. Tas nozīmē, ka objektiem jābūt arī kompaktiem.

Sākotnēji lielu entuziasmu izraisīja supernovas sprādzieni, kas tādās galaktikās kā mūsējā notiek ik pēc dažām desmitgadēm. Tas nozīmē, ka, ja mēs varam sasniegt tādu jutību, kas ļauj mums redzēt signālu no vairāku miljonu gaismas gadu attāluma, mēs varam rēķināties ar vairākiem signāliem gadā. Taču vēlāk izrādījās, ka sākotnējie aprēķini par enerģijas izdalīšanās spēku gravitācijas viļņu veidā supernovas sprādziena laikā bija pārāk optimistiski, un tik vāju signālu varētu noteikt tikai tad, ja mūsu Galaktikā būtu uzliesmojusi supernova.

Vēl viena iespēja masīviem kompaktiem objektiem, kas ātri pārvietojas, ir neitronu zvaigznes vai melnie caurumi. Mēs varam redzēt vai nu to veidošanās procesu, vai mijiedarbības procesu vienam ar otru. Zvaigžņu kodolu sabrukšanas pēdējie posmi, kas noved pie kompaktu objektu veidošanās, kā arī neitronu zvaigžņu un melno caurumu saplūšanas pēdējie posmi ilgst vairākas milisekundes (kas atbilst biežumam simtiem hercu) - tieši tas, kas nepieciešams. Šajā gadījumā tiek atbrīvots daudz enerģijas, tostarp (un dažreiz galvenokārt) gravitācijas viļņu veidā, jo masīvi kompakti ķermeņi veic noteiktas straujas kustības. Šie ir mūsu ideālie avoti.

Tiesa, supernovas Galaktikā uzliesmo reizi dažās desmitgadēs, neitronu zvaigžņu saplūšana notiek reizi pāris desmitos tūkstošu gadu, un melnie caurumi saplūst viens ar otru vēl retāk. Bet signāls ir daudz jaudīgāks, un tā raksturlielumus var aprēķināt diezgan precīzi. Bet tagad mums ir jāspēj redzēt signālu no vairāku simtu miljonu gaismas gadu attāluma, lai aptvertu vairākus desmitus tūkstošu galaktiku un atklātu vairākus signālus gada laikā.

Izlēmuši par avotiem, mēs sāksim izstrādāt detektoru. Lai to izdarītu, jums ir jāsaprot, ko dara gravitācijas vilnis. Neiedziļinoties detaļās, varam teikt, ka gravitācijas viļņa pāreja izraisa paisuma spēku (parastās Mēness vai Saules plūdmaiņas ir atsevišķa parādība, un gravitācijas viļņiem ar to nav nekāda sakara). Tātad jūs varat ņemt, piemēram, metāla cilindru, aprīkot to ar sensoriem un izpētīt tā vibrācijas. Tas nav grūti, tāpēc šādas instalācijas sāka veidot pirms pusgadsimta (tās ir pieejamas arī Krievijā; tagad Baksanas pazemes laboratorijā tiek uzstādīts uzlabots detektors, ko izstrādājusi Valentīna Rudenko komanda no SAI MSU). Problēma ir tāda, ka šāda ierīce redzēs signālu bez gravitācijas viļņiem. Ir daudz trokšņu, ar kuriem ir grūti tikt galā. Detektoru ir iespējams (un tas ir darīts!) uzstādīt pazemē, mēģināt izolēt, atdzesēt līdz zemas temperatūras, bet tomēr, lai pārsniegtu trokšņa līmeni, būtu nepieciešams ļoti spēcīgs gravitācijas viļņu signāls. Taču spēcīgi signāli nāk reti.

Tāpēc izvēle tika izdarīta par labu citai shēmai, kuru 1962. gadā izvirzīja Vladislavs Pustovoits un Mihails Hercenšteins. Rakstā, kas publicēts JETP (Journal of Experimental and Theoretical Physics), viņi ierosināja izmantot Miķelsona interferometru, lai noteiktu gravitācijas viļņus. Lāzera stars iet starp spoguļiem abās interferometra rokās, un pēc tam tiek pievienoti stari no dažādām rokām. Analizējot staru kūļa traucējumu rezultātu, var izmērīt roku garuma relatīvās izmaiņas. Tie ir ļoti precīzi mērījumi, tāpēc, pārspējot troksni, varat sasniegt fantastisku jutību.

Deviņdesmito gadu sākumā tika nolemts uzbūvēt vairākus detektorus, izmantojot šo dizainu. Pirmās, kas sāka darboties, bija salīdzinoši nelielas iekārtas, GEO600 Eiropā un TAMA300 Japānā (skaitļi atbilst ieroču garumam metros), lai pārbaudītu tehnoloģiju. Taču galvenie dalībnieki bija LIGO instalācijas ASV un VIRGO Eiropā. Šo instrumentu izmērs jau ir mērīts kilometros, un galīgajam plānotajam jutīgumam vajadzētu ļaut redzēt desmitiem, ja ne simtiem notikumu gadā.

Kāpēc ir vajadzīgas vairākas ierīces? Galvenokārt savstarpējai apstiprināšanai, jo ir lokāli trokšņi (piemēram, seismiski). Signāla vienlaicīga noteikšana ASV ziemeļrietumos un Itālijā būtu lielisks pierādījums tā ārējai izcelsmei. Bet ir otrs iemesls: gravitācijas viļņu detektori ļoti slikti nosaka virzienu uz avotu. Bet, ja ir vairāki detektori, kas atrodas viens no otra, virzienu varēs norādīt diezgan precīzi.

Lāzera milži

Sākotnējā formā LIGO detektori tika izgatavoti 2002. gadā, bet VIRGO detektori 2003. gadā. Pēc plāna šis bija tikai pirmais posms. Visas iekārtas darbojās vairākus gadus, un 2010.-2011.gadā tās tika apturētas, lai veiktu modifikācijas, lai pēc tam sasniegtu plānoto augsto jutību. LIGO detektori pirmie sāka darboties 2015. gada septembrī, VIRGO jāpievienojas 2016. gada otrajā pusē, un no šī posma jūtīgums ļauj cerēt uz vismaz vairāku notikumu fiksēšanu gadā.

Pēc LIGO darbības sākuma paredzamais sērijveida pārraides ātrums bija aptuveni viens notikums mēnesī. Astrofiziķi jau iepriekš lēsa, ka pirmie gaidāmie notikumi būs melno caurumu apvienošanās. Tas ir saistīts ar faktu, ka melnie caurumi parasti ir desmit reizes smagāki par neitronu zvaigznēm, signāls ir jaudīgāks, un tas ir “redzams” no liela attāluma, kas vairāk nekā kompensē mazāko notikumu ātrumu galaktikā. Par laimi mums nebija ilgi jāgaida. 2015. gada 14. septembrī abās instalācijās tika reģistrēts gandrīz identisks signāls ar nosaukumu GW150914.

Ar diezgan vienkāršu analīzi var iegūt tādus datus kā melnā cauruma masa, signāla stiprums un attālums līdz avotam. Melno caurumu masa un izmēri ir saistīti ļoti vienkāršā un labi zināmā veidā, un pēc signāla frekvences var uzreiz novērtēt enerģijas izdalīšanās reģiona lielumu. Šajā gadījumā izmērs norādīja, ka no diviem caurumiem ar masu 25-30 un 35-40 saules masām izveidojās melnais caurums, kura masa pārsniedz 60 saules masas. Zinot šos datus, var iegūt kopējo sprādziena enerģiju. Gandrīz trīs saules masas tika pārvērstas gravitācijas starojumā. Tas atbilst 1023 saules spožuma spožumam – aptuveni tikpat daudz, cik šajā laikā (sekundes simtdaļās) izstaro visas zvaigznes Visuma redzamajā daļā. Un no zināmās izmērītā signāla enerģijas un lieluma tiek iegūts attālums. Lielā apvienoto ķermeņu masa ļāva reģistrēt notikumu, kas noticis tālā galaktikā: signālam vajadzēja aptuveni 1,3 miljardus gadu, lai mūs sasniegtu.

Detalizētāka analīze ļauj noskaidrot melno caurumu masas attiecību un saprast, kā tie griezās ap savu asi, kā arī noteikt dažus citus parametrus. Turklāt signāls no divām instalācijām ļauj aptuveni noteikt sprādziena virzienu. Diemžēl precizitāte šeit vēl nav īpaši augsta, taču līdz ar atjauninātās VIRGO nodošanu ekspluatācijā tā pieaugs. Un pēc dažiem gadiem japāņu KAGRA detektors sāks uztvert signālus. Pēc tam Indijā tiks samontēts viens no LIGO detektoriem (sākotnēji tie bija trīs, viena no instalācijām bija dubultā), un paredzams, ka gadā tiks fiksēti daudzi desmiti notikumu.

Jaunās astronomijas laikmets

Šobrīd svarīgākais LIGO darba rezultāts ir gravitācijas viļņu esamības apstiprinājums. Turklāt pats pirmais sprādziens ļāva uzlabot gravitona masas ierobežojumus (vispārējā relativitātes teorijā tam ir nulle masa), kā arī stingrāk ierobežot starpību starp gravitācijas izplatīšanās ātrumu un gravitācijas ātrumu. gaismas. Taču zinātnieki cer, ka jau 2016. gadā izdosies iegūt daudz jaunu astrofizikas datu, izmantojot LIGO un VIRGO.

Pirmkārt, dati no gravitācijas viļņu observatorijām nodrošina jaunu ceļu melno caurumu izpētei. Ja iepriekš šo objektu tuvumā bija iespējams novērot tikai matērijas plūsmas, tad tagad var tieši “redzēt” radušos melnā cauruma saplūšanas un “nomierināšanas” procesu, kā tā horizonts svārstās, iegūstot galīgo formu ( nosaka pēc rotācijas). Iespējams, līdz Hokinga melno caurumu iztvaikošanas atklāšanai (pagaidām šis process paliek hipotēze), apvienošanās izpēte sniegs labāku tiešo informāciju par tiem.

Otrkārt, neitronu zvaigžņu saplūšanas novērojumi sniegs daudz jaunas, steidzami nepieciešamas informācijas par šiem objektiem. Pirmo reizi mēs varēsim pētīt neitronu zvaigznes tā, kā fiziķi pēta daļiņas: vērot to sadursmi, lai saprastu, kā tās darbojas iekšā. Neitronu zvaigžņu interjera uzbūves noslēpums satrauc gan astrofiziķus, gan fiziķus. Mūsu izpratne par kodolfiziku un vielas uzvedību pie īpaši augsta blīvuma ir nepilnīga, neatrisinot šo problēmu. Visticamāk, ka gravitācijas viļņu novērojumiem šeit būs galvenā loma.

Tiek uzskatīts, ka neitronu zvaigžņu saplūšana ir atbildīga par īsiem kosmoloģiskiem gamma staru uzliesmojumiem. Retos gadījumos būs iespējams vienlaikus novērot notikumu gan gamma diapazonā, gan gravitācijas viļņu detektoros (retums ir saistīts ar faktu, ka, pirmkārt, gamma signāls ir koncentrēts ļoti šaurā starā, un tas nav vienmēr vērsta uz mums, bet, otrkārt, mēs nereģistrēsim gravitācijas viļņus no ļoti tāliem notikumiem). Acīmredzot būs nepieciešami vairāki novērojumi, lai to varētu redzēt (lai gan, kā parasti, jums var paveicies un tas notiks šodien). Tad, cita starpā, mēs varēsim ļoti precīzi salīdzināt gravitācijas ātrumu ar gaismas ātrumu.

Tādējādi lāzera interferometri kopā darbosies kā viens gravitācijas viļņu teleskops, sniedzot jaunas zināšanas gan astrofiziķiem, gan fiziķiem. Nu, agrāk vai vēlāk par pirmo sprādzienu atklāšanu un to analīzi tiks piešķirta pelnītā Nobela prēmija.

2016. gada 11. februāris

Tikai pirms dažām stundām pienāca ziņas, kas zinātniskajā pasaulē bija ilgi gaidītas. Zinātnieku grupa no vairākām valstīm, kas strādā starptautiskā LIGO Scientific Collaboration projekta ietvaros, saka, ka, izmantojot vairākas detektoru observatorijas, viņi spējuši noteikt gravitācijas viļņus laboratorijas apstākļos.

Viņi analizē datus, kas iegūti no divām lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatorijām (Lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatorija - LIGO), kas atrodas Luiziānas un Vašingtonas štatos Amerikas Savienotajās Valstīs.

Kā teikts LIGO projekta preses konferencē, gravitācijas viļņi tika konstatēti 2015. gada 14. septembrī, vispirms vienā observatorijā, bet pēc 7 milisekundēm vēlāk citā.

Pamatojoties uz iegūto datu analīzi, ko veica zinātnieki no daudzām valstīm, tostarp no Krievijas, tika konstatēts, ka gravitācijas vilnis izraisīja divu melno caurumu sadursme, kuru masa ir 29 un 36 reizes lielāka. Sv. Pēc tam tie saplūda vienā lielā melnā caurumā.

Tas notika pirms 1,3 miljardiem gadu. Signāls nāca uz Zemi no Magelāna mākoņu zvaigznāja virziena.

Sergejs Popovs (Maskavas Valsts universitātes Šternbergas Valsts astronomijas institūta astrofiziķis) paskaidroja, kas ir gravitācijas viļņi un kāpēc ir tik svarīgi tos izmērīt.

Mūsdienu gravitācijas teorijas ir ģeometriskas gravitācijas teorijas, vairāk vai mazāk viss no relativitātes teorijas. Telpas ģeometriskās īpašības ietekmē ķermeņu vai objektu, piemēram, gaismas staru, kustību. Un otrādi - enerģijas sadalījums (tas ir tāds pats kā masa telpā) ietekmē telpas ģeometriskās īpašības. Tas ir ļoti forši, jo to ir viegli vizualizēt - visai šai elastīgajai plaknei, kas izklāta kastē, ir fiziska nozīme, lai gan, protams, tas viss nav tik burtiski.

Fiziķi lieto vārdu "metriska". Metrika ir kaut kas tāds, kas raksturo telpas ģeometriskās īpašības. Un šeit ir ķermeņi, kas pārvietojas ar paātrinājumu. Visvienkāršākā lieta ir pagriezt gurķi. Svarīgi, lai tā nebūtu, piemēram, bumba vai saplacināts disks. Ir viegli iedomāties, ka tad, kad šāds gurķis griežas elastīgā plaknē, no tā sāksies viļņi. Iedomājieties, ka jūs kaut kur stāvat, un gurķis pagriež vienu galu pret jums, tad otru. Tas dažādos veidos ietekmē telpu un laiku, skrien gravitācijas vilnis.

Tātad gravitācijas vilnis ir viļņojums, kas iet gar telpas-laika metriku.

Krelles kosmosā

Tas ir mūsu pamata izpratnes par gravitācijas darbību pamatīpašība, un cilvēki ir vēlējušies to pārbaudīt simts gadus. Viņi vēlas pārliecināties, vai ir efekts un tas ir redzams laboratorijā. Tas tika novērots dabā apmēram pirms trīs gadu desmitiem. Kā gravitācijas viļņiem vajadzētu izpausties ikdienas dzīvē?

Vienkāršākais veids, kā to ilustrēt, ir šāds: ja jūs izmetat lodītes telpā tā, lai tās atrodas aplī, un kad gravitācijas vilnis iet perpendikulāri to plaknei, tās sāks pārvērsties par elipsi, vispirms saspiestas vienā virzienā, tad otrā. Lieta ir tāda, ka telpa ap viņiem tiks traucēta, un viņi to sajutīs.

"G" uz Zemes

Cilvēki kaut ko tādu dara, tikai ne kosmosā, bet uz Zemes.

Spoguļi burta “g” formā [atsaucoties uz Amerikas LIGO observatorijām] karājas četru kilometru attālumā viens no otra.

Lāzera stari darbojas - tas ir interferometrs, labi saprotama lieta. Mūsdienu tehnoloģijas ļauj izmērīt fantastiski mazus efektus. Joprojām nav tā, ka es tam neticu, es ticu, bet vienkārši nevaru aptīt galvu - četru kilometru attālumā viens no otra karājošo spoguļu pārvietojums ir mazāks par atoma kodola izmēru. . Tas ir mazs pat salīdzinājumā ar šī lāzera viļņa garumu. Tas bija āķis: gravitācija ir vājākā mijiedarbība, un tāpēc pārvietojumi ir ļoti mazi.

Tas prasīja ļoti ilgu laiku, cilvēki ir mēģinājuši to darīt kopš 1970. gadiem, viņi ir pavadījuši savu dzīvi, meklējot gravitācijas viļņus. Un tagad tikai tehniskās iespējas ļauj reģistrēt gravitācijas vilni laboratorijas apstākļos, tas ir, tas ieradās šeit un spoguļi nobīdījās.

Virziens

Gada laikā, ja viss noritēs labi, pasaulē darbosies jau trīs detektori. Trīs detektori ir ļoti svarīgi, jo šīs lietas ļoti slikti nosaka signāla virzienu. Tādā pašā veidā, kā mēs slikti nosakām avota virzienu pēc auss. "Skaņa no kaut kur labajā pusē" - šie detektori uztver kaut ko līdzīgu. Bet, ja trīs cilvēki stāv attālumā viens no otra un viens dzird skaņu no labās puses, otrs no kreisās, bet trešais no aizmugures, tad mēs varam ļoti precīzi noteikt skaņas virzienu. Jo vairāk detektoru būs, jo vairāk tie tiks izkaisīti uz zemeslodi, jo precīzāk varēsim noteikt virzienu uz avotu, un tad sāksies astronomija.

Galu galā galvenais mērķis ir ne tikai apstiprināt vispārējo relativitātes teoriju, bet arī iegūt jaunas astronomiskas zināšanas. Iedomājieties, ka ir melnais caurums, kas sver desmit saules masas. Un tas saduras ar citu melno caurumu, kas sver desmit saules masas. Sadursme notiek gaismas ātrumā. Enerģijas izrāviens. Tā ir patiesība. Tā ir fantastiski daudz. Un nav nekādu iespēju... Tas ir tikai telpas un laika viļņi. Es teiktu, ka divu melno caurumu saplūšanas atklāšana ilgu laiku būs spēcīgākais pierādījums tam, ka melnie caurumi ir vairāk vai mazāk melnie caurumi, par kuriem mēs domājam.

Iesim cauri problēmām un parādībām, kuras tas varētu atklāt.

Vai melnie caurumi patiešām pastāv?

Signālu, kas sagaidāms no LIGO paziņojuma, iespējams, radīja divi saplūstoši melnie caurumi. Šādi notikumi ir visenerģiskākie zināmie; to izstaroto gravitācijas viļņu stiprums var īslaicīgi pārspēt visas novērojamā Visuma zvaigznes kopā. Melno caurumu sapludināšanu ir diezgan viegli interpretēt arī no to ļoti tīrajiem gravitācijas viļņiem.

Melno caurumu saplūšana notiek, kad divi melnie caurumi spirālē viens ap otru, izstaro enerģiju gravitācijas viļņu veidā. Šiem viļņiem ir raksturīga skaņa (čirp), ko var izmantot, lai izmērītu šo divu objektu masu. Pēc tam melnie caurumi parasti saplūst.

“Iedomājieties divus ziepju burbuļus, kas ir tik tuvu, ka veido vienu burbuli. Lielākais burbulis ir deformēts, ”saka Taibalts Damors, gravitācijas teorētiķis Progresīvo zinātnisko pētījumu institūtā netālu no Parīzes. Pēdējais melnais caurums būs ideāli sfērisks, taču tam vispirms jāizstaro paredzami gravitācijas viļņi.

Viena no svarīgākajām zinātniskajām sekām, atklājot melno caurumu saplūšanu, būs melno caurumu esamības apstiprinājums - vismaz perfekti apaļi objekti, kas sastāv no tīra, tukša, izliekta telpas laika, kā to paredz vispārējā relativitāte. Citas sekas ir tādas, ka apvienošanās norisinās, kā prognozēja zinātnieki. Astronomiem ir daudz netiešu pierādījumu par šo parādību, taču līdz šim tie ir bijuši zvaigžņu un pārkarsētas gāzes novērojumi melno caurumu orbītā, nevis paši melnie caurumi.

“Zinātniskajai sabiedrībai, tostarp man, nepatīk melnie caurumi. Mēs tos uzskatām par pašsaprotamiem,” saka Frenss Pretoriuss, vispārējās relativitātes simulācijas speciālists Prinstonas Universitātē Ņūdžersijā. "Bet, kad mēs domājam par to, cik pārsteidzoša ir šī prognoze, mums ir vajadzīgi patiešām pārsteidzoši pierādījumi."

Vai gravitācijas viļņi pārvietojas ar gaismas ātrumu?

Kad zinātnieki sāk salīdzināt LIGO novērojumus ar novērojumiem no citiem teleskopiem, pirmā lieta, ko viņi pārbauda, ​​ir tas, vai signāls ieradās vienlaikus. Fiziķi uzskata, ka gravitāciju pārraida gravitona daļiņas, fotonu gravitācijas analogs. Ja šīm daļiņām, tāpat kā fotoniem, nav masas, gravitācijas viļņi virzīsies ar gaismas ātrumu, kas atbilst gravitācijas viļņu ātruma prognozēm klasiskajā relativitātes teorijā. (To ātrumu var ietekmēt paātrinātā Visuma izplešanās, taču tam vajadzētu būt acīmredzamam attālumos, kas ir ievērojami lielāki nekā LIGO aptvertie).

Tomēr ir pilnīgi iespējams, ka gravitoniem ir maza masa, kas nozīmē, ka gravitācijas viļņi pārvietosies ar ātrumu, kas mazāks par gaismu. Piemēram, ja LIGO un Jaunava atklāj gravitācijas viļņus un konstatē, ka viļņi uz Zemes ieradās pēc ar kosmiskiem notikumiem saistītiem gamma stariem, tam var būt dzīvībai svarīgas sekas fundamentālajā fizikā.

Vai telpa-laiks ir veidots no kosmiskām stīgām?

Vēl dīvaināks atklājums varētu notikt, ja tiks atrasti gravitācijas viļņu uzliesmojumi, kas izplūst no "kosmiskām stīgām". Šiem hipotētiskajiem telpas laika izliekuma defektiem, kas var būt vai nebūt saistīti ar stīgu teorijām, vajadzētu būt bezgalīgi plāniem, bet izstieptiem līdz kosmiskiem attālumiem. Zinātnieki prognozē, ka kosmiskās stīgas, ja tādas pastāv, var nejauši izlocīties; ja aukla saliektos, tas izraisītu gravitācijas pieaugumu, ko varētu izmērīt tādi detektori kā LIGO vai Virgo.

Vai neitronu zvaigznes var būt kunkuļainas?

Neitronu zvaigznes ir paliekas lielas zvaigznes, kas sabruka zem sava svara un kļuva tik blīvs, ka elektroni un protoni sāka kust par neitroniem. Zinātniekiem ir maz izpratnes par neitronu caurumu fiziku, taču gravitācijas viļņi varētu mums daudz pastāstīt par tiem. Piemēram, intensīvā gravitācija uz to virsmas liek neitronu zvaigznēm kļūt gandrīz ideāli sfēriskām. Taču daži zinātnieki ir izteikuši pieņēmumu, ka var būt arī "kalni" — dažus milimetrus augsti —, kas padara šos blīvos objektus, kuru diametrs nepārsniedz 10 kilometrus, nedaudz asimetriskus. Neitronu zvaigznes parasti griežas ļoti ātri, tāpēc asimetriskais masas sadalījums deformēs telpas laiku un radīs pastāvīgu gravitācijas viļņa signālu sinusoidāla viļņa formā, palēninot zvaigznes rotāciju un izstarojot enerģiju.

Neitronu zvaigžņu pāri, kas riņķo viens pret otru, arī rada pastāvīgu signālu. Tāpat kā melnie caurumi, šīs zvaigznes pārvietojas pa spirāli un galu galā saplūst ar raksturīgu skaņu. Bet tā specifika atšķiras no melno caurumu skaņas specifikas.

Kāpēc zvaigznes eksplodē?

Melnie caurumi un neitronu zvaigznes veidojas, kad masīvas zvaigznes pārstāj spīdēt un sabrūk sevī. Astrofiziķi uzskata, ka šis process ir visu izplatītāko II tipa supernovas sprādzienu pamatā. Šādu supernovu simulācijas vēl nav parādījuši, kas izraisa to aizdegšanos, taču tiek uzskatīts, ka atbildi var sniegt klausīšanās gravitācijas viļņu uzliesmojumos, ko izstaro īsta supernova. Atkarībā no tā, kā izskatās sprādziena viļņi, cik skaļi tie ir, cik bieži tie notiek un kā tie korelē ar elektromagnētisko teleskopu izsekotajām supernovām, šie dati varētu palīdzēt izslēgt vairākus esošos modeļus.

Cik ātri Visums izplešas?

Visuma izplešanās nozīmē, ka tālu objekti, kas attālinās no mūsu galaktikas, šķiet sarkanāki nekā patiesībā, jo to izstarotā gaisma tiek izstiepta, kad tie pārvietojas. Kosmologi lēš Visuma izplešanās ātrumu, salīdzinot galaktiku sarkano nobīdi ar to, cik tālu tās atrodas no mums. Taču šo attālumu parasti aprēķina pēc Ia tipa supernovu spilgtuma, un šis paņēmiens atstāj daudz neskaidrību.

Ja vairāki gravitācijas viļņu detektori visā pasaulē uztver signālus no vienas un tās pašas neitronu zvaigžņu saplūšanas, kopā tie var pilnīgi precīzi novērtēt signāla apjomu un līdz ar to arī attālumu, kādā notika saplūšana. Viņi arī varēs novērtēt virzienu un līdz ar to noteikt galaktiku, kurā notika notikums. Salīdzinot šīs galaktikas sarkano nobīdi ar attālumu līdz saplūstošajām zvaigznēm, ir iespējams iegūt neatkarīgu kosmiskās izplešanās ātrumu, iespējams, precīzāku, nekā pieļauj pašreizējās metodes.

avoti

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

http://cont.ws/post/199519

Te kaut kā noskaidrojām, bet kas ir un. Paskaties, kā tas izskatās Oriģinālais raksts ir vietnē InfoGlaz.rf Saite uz rakstu, no kura tika izveidota šī kopija -

Oficiālā gravitācijas viļņu atklāšanas (atklāšanas) diena ir 2016. gada 11. februāris. Toreiz preses konferencē, kas notika Vašingtonā, LIGO sadarbības vadītāji paziņoja, ka pētnieku komandai pirmo reizi cilvēces vēsturē izdevies fiksēt šo fenomenu.

Lielā Einšteina pareģojumi

To, ka pastāv gravitācijas viļņi, pagājušā gadsimta sākumā (1916. gadā) ierosināja Alberts Einšteins savas Vispārējās relativitātes teorijas (GTR) ietvaros. Var tikai brīnīties par slavenā fiziķa spožajām spējām, kurš ar minimālu reālu datu daudzumu spēja izdarīt tik tālejošus secinājumus. Starp daudzām citām prognozētām fizikālām parādībām, kas apstiprinājās nākamajā gadsimtā (laika plūsmas palēnināšanās, elektromagnētiskā starojuma virziena maiņa gravitācijas laukos u.c.), līdz nesenam laikam nebija iespējams praktiski noteikt šāda veida viļņu klātbūtni. viļņu mijiedarbība starp ķermeņiem.

Vai gravitācija ir ilūzija?

Kopumā, ņemot vērā relativitātes teoriju, gravitāciju diez vai var saukt par spēku. telpas-laika kontinuuma traucējumi vai izliekumi. Labs piemērs Izstiepts auduma gabals var kalpot kā šī postulāta ilustrācija. Zem masīva priekšmeta svara, kas novietots uz šādas virsmas, veidojas ieplaka. Citi objekti, pārvietojoties šīs anomālijas tuvumā, mainīs to kustības trajektoriju, it kā tiek “pievilkti”. Un jo lielāks ir objekta svars (jo lielāks ir izliekuma diametrs un dziļums), jo lielāks ir “pievilkšanas spēks”. Pārvietojoties pa audumu, var novērot atšķirīgu “viļņojumu” izskatu.

Kaut kas līdzīgs notiek kosmosā. Jebkura strauji kustīga masīva matērija ir telpas un laika blīvuma svārstību avots. Gravitācijas vilnis ar ievērojamu amplitūdu veidojas ķermeņos ar ārkārtīgi lielu masu vai pārvietojoties ar milzīgiem paātrinājumiem.

fiziskās īpašības

Telpas un laika metrikas svārstības izpaužas kā gravitācijas lauka izmaiņas. Šo parādību citādi sauc par telpas-laika viļņošanos. Gravitācijas vilnis ietekmē sastaptos ķermeņus un objektus, tos saspiežot un izstiepjot. Deformācijas lielums ir ļoti niecīgs - apmēram 10 -21 no sākotnējā izmēra. Šīs parādības noteikšanas grūtības bija tādas, ka pētniekiem bija jāiemācās izmērīt un reģistrēt šādas izmaiņas, izmantojot atbilstošu aprīkojumu. Arī gravitācijas starojuma spēks ir ārkārtīgi mazs – visiem Saules sistēma tas sasniedz vairākus kilovatus.

Gravitācijas viļņu izplatīšanās ātrums ir nedaudz atkarīgs no vadošās vides īpašībām. Svārstību amplitūda pakāpeniski samazinās līdz ar attālumu no avota, bet nekad nesasniedz nulli. Frekvence svārstās no vairākiem desmitiem līdz simtiem hercu. Gravitācijas viļņu ātrums starpzvaigžņu vidē tuvojas gaismas ātrumam.

Netieši pierādījumi

Pirmo teorētisko apstiprinājumu gravitācijas viļņu esamībai ieguva amerikāņu astronoms Džozefs Teilors un viņa palīgs Rasels Hulss 1974. gadā. Pētot Visuma plašumus, izmantojot Arecibo observatorijas radioteleskopu (Puertoriko), pētnieki atklāja pulsāru PSR B1913+16, kas ir neitronu zvaigžņu bināra sistēma, kas rotē ap kopīgu masas centru ar nemainīgu leņķisko ātrumu (diezgan rets). gadījums). Katru gadu cirkulācijas periods, kas sākotnēji bija 3,75 stundas, tiek samazināts par 70 ms. Šī vērtība pilnībā atbilst secinājumiem no vispārējās relativitātes vienādojumiem, kas paredz šādu sistēmu griešanās ātruma pieaugumu, ko izraisa enerģijas patēriņš gravitācijas viļņu ģenerēšanai. Pēc tam tika atklāti vairāki dubultpulsāri un baltie punduri ar līdzīgu uzvedību. Radioastronomiem D. Teiloram un R. Hulsam 1993. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā par jaunu gravitācijas lauku izpētes iespēju atklāšanu.

Bēgšana no gravitācijas viļņa

Pirmais paziņojums par gravitācijas viļņu noteikšanu nāca no Merilendas Universitātes zinātnieka Džozefa Vēbera (ASV) 1969. gadā. Šiem nolūkiem viņš izmantoja divas paša izstrādātas gravitācijas antenas, kuras atdala divu kilometru attālums. Rezonanses detektors bija labi vibrācijas izolēts ciets divu metru alumīnija cilindrs, kas aprīkots ar jutīgiem pjezoelektriskiem sensoriem. Vēbera it kā reģistrēto svārstību amplitūda izrādījās vairāk nekā miljons reižu lielāka par paredzamo vērtību. Citu zinātnieku mēģinājumi atkārtot amerikāņu fiziķa “panākumus”, izmantojot līdzīgu aprīkojumu, nedeva pozitīvus rezultātus. Dažus gadus vēlāk Vēbera darbs šajā jomā tika atzīts par nepamatotu, taču tas deva impulsu "gravitācijas uzplaukuma" attīstībai, kas piesaistīja daudzus speciālistus šai pētniecības jomai. Starp citu, pats Džozefs Vēbers līdz savu dienu beigām bija pārliecināts, ka saņem gravitācijas viļņus.

Uztvērēja aprīkojuma uzlabošana

70. gados zinātnieks Bils Fērbenks (ASV) izstrādāja gravitācijas viļņu antenas dizainu, ko atdzesēja, izmantojot SQUIDS – īpaši jutīgus magnetometrus. Tajā laikā esošās tehnoloģijas neļāva izgudrotājam redzēt savu produktu realizētu “metālā”.

Auriga gravitācijas detektors Nacionālajā Legnar laboratorijā (Padua, Itālija) ir izstrādāts, izmantojot šo principu. Konstrukcijas pamatā ir alumīnija-magnija cilindrs, 3 metrus garš un 0,6 m diametrā. Uztvērēja ierīce, kas sver 2,3 tonnas, ir piekārta izolētā, atdzesēta gandrīz līdz absolūtā nulle vakuuma kamera. Triecienu fiksēšanai un noteikšanai tiek izmantots papildu kilogramu rezonators un datorizēts mērīšanas komplekss. Norādītā iekārtas jutība ir 10 -20.

Interferometri

Gravitācijas viļņu traucējumu detektoru darbība balstās uz tiem pašiem principiem, uz kuriem darbojas Miķelsona interferometrs. Avota izstarotais lāzera stars ir sadalīts divās plūsmās. Pēc vairākkārtējas atstarošanas un pārvietošanās pa ierīces pleciem plūsmas atkal tiek apvienotas, un, pamatojoties uz pēdējo, tiek novērtēts, vai staru gaitu ir ietekmējuši kādi traucējumi (piemēram, gravitācijas vilnis). Līdzīgas iekārtas ir izveidotas daudzās valstīs:

• GEO 600 (Hanovere, Vācija). Vakuuma tuneļu garums ir 600 metri.
• TAMA (Japāna) ar pleciem 300 m.
• VIRGO (Pisa, Itālija) ir franču un itāļu kopīgs projekts, kas tika uzsākts 2007. gadā ar trīs kilometru gariem tuneļiem.
• LIGO (ASV, Klusā okeāna piekraste), kas gravitācijas viļņus medī kopš 2002. gada.

Pēdējais ir vērts apsvērt sīkāk.

LIGO Advanced

Projekts tika izveidots pēc Masačūsetsas un Kalifornijas Tehnoloģiju institūtu zinātnieku iniciatīvas. Tajā ietilpst divas observatorijas, kuras atdala 3 tūkstoši km, Vašingtonā un Vašingtonā (Livingstonas un Hanfordas pilsētās) ar trim identiskiem interferometriem. Perpendikulāro vakuuma tuneļu garums ir 4 tūkstoši metru. Šīs ir lielākās šādas struktūras, kas šobrīd darbojas. Līdz 2011. gadam daudzi mēģinājumi noteikt gravitācijas viļņus nedeva nekādus rezultātus. Veiktā ievērojamā modernizācija (Advanced LIGO) palielināja iekārtu jutību diapazonā no 300-500 Hz vairāk nekā piecas reizes, bet zemfrekvences reģionā (līdz 60 Hz) gandrīz par kārtu, sasniedzot kārotā vērtība 10 -21. Atjauninātais projekts tika uzsākts 2015. gada septembrī, un vairāk nekā tūkstoš sadarbības darbinieku pūles tika atalgotas ar iegūtajiem rezultātiem.

Atklāti gravitācijas viļņi

2015. gada 14. septembrī uzlabotie LIGO detektori ar 7 ms intervālu fiksēja gravitācijas viļņus, kas sasniedza mūsu planētu no lielākā notikuma, kas notika novērojamā Visuma nomalē - divu lielu melno caurumu apvienošanās ar masu 29 un 36 reizes. lielāka par Saules masu. Procesa laikā, kas notika pirms vairāk nekā 1,3 miljardiem gadu, aptuveni trīs Saules vielas masas tika patērētas sekundes daļās, izstarojot gravitācijas viļņus. Reģistrētā gravitācijas viļņu sākotnējā frekvence bija 35 Hz, un maksimālā maksimālā vērtība sasniedza 250 Hz.

Iegūtie rezultāti tika atkārtoti pakļauti visaptverošai pārbaudei un apstrādei, un iegūto datu alternatīvās interpretācijas tika rūpīgi novērstas. Visbeidzot, pagājušajā gadā Einšteina prognozētā fenomena tiešā reģistrācija tika paziņota pasaules sabiedrībai.

Fakts, kas ilustrē pētnieku titānisko darbu: interferometra plecu izmēru svārstību amplitūda bija 10-19 m - šī vērtība ir tikpat reižu mazāka par atoma diametru, jo pats atoms ir mazāks par apelsīns.

Nākotnes izredzes

Atklājums vēlreiz apstiprina, ka Vispārējā relativitātes teorija nav tikai abstraktu formulu kopums, bet gan principiāli jauns skatījums uz gravitācijas viļņu būtību un gravitāciju kopumā.

Turpmākajos pētījumos zinātnieki saista lielas cerības uz ELSA projektu: milzu orbitāla interferometra izveidi ar aptuveni 5 miljonu km gariem svirām, kas spēj noteikt pat nelielus traucējumus gravitācijas laukos. Darbu aktivizēšana šajā virzienā var pastāstīt daudz jauna par galvenajiem Visuma attīstības posmiem, par procesiem, kurus tradicionālajos diapazonos ir grūti vai neiespējami novērot. Nav šaubu, ka melnie caurumi, kuru gravitācijas viļņi tiks atklāti nākotnē, daudz pastāstīs par to būtību.

Lai pētītu kosmisko mikroviļņu fona starojumu, kas var pastāstīt par mūsu pasaules pirmajiem mirkļiem pēc Lielā sprādziena, būs nepieciešami jutīgāki kosmosa instrumenti. Šāds projekts pastāv ( Lielā sprādziena novērotājs), taču tā īstenošana, pēc ekspertu domām, iespējama ne ātrāk kā pēc 30-40 gadiem.

Līdzsvarā esošā šķidruma brīvā virsma gravitācijas laukā ir plakana. Ja kādas ārējas ietekmes ietekmē šķidruma virsma kādā vietā tiek izņemta no līdzsvara stāvokļa, tad šķidrumā notiek kustība. Šī kustība izplatīsies pa visu šķidruma virsmu viļņu veidā, ko sauc par gravitācijas viļņiem, jo ​​tos izraisa gravitācijas lauka darbība. Gravitācijas viļņi rodas galvenokārt uz šķidruma virsmas, jo mazāk uztver tā iekšējos slāņus, jo dziļāk šie slāņi atrodas.

Šeit aplūkosim gravitācijas viļņus, kuros šķidruma daļiņu kustības ātrums ir tik mazs, ka Eilera vienādojuma terminu var neņemt vērā, salīdzinot ar Ir viegli noskaidrot, ko šis nosacījums nozīmē fiziski. Laika periodā, kas atbilst šķidruma daļiņu veikto svārstību periodam viļņā, šīs daļiņas veic attālumu viļņa amplitūdas a kārtībā, tāpēc to kustības ātrums ir ātruma kārtībā. v ievērojami mainās laika intervālos pēc lieluma un attālumos pēc lieluma viļņa izplatīšanās virzienā (- garuma viļņi). Tāpēc ātruma atvasinājums attiecībā pret laiku ir kārtībā un attiecībā pret koordinātām ir kārtībā. Tādējādi nosacījums ir līdzvērtīgs prasībai

tas ir, viļņa svārstību amplitūdai jābūt mazai, salīdzinot ar viļņa garumu. 9. paragrāfā mēs redzējām, ka, ja kustības vienādojuma terminu var neņemt vērā, tad šķidruma kustība ir potenciāla. Pieņemot, ka šķidrums ir nesaspiežams, mēs varam izmantot vienādojumus (10.6) un (10.7). Vienādojumā (10.7) tagad var neņemt vērā terminu, kas satur ātruma kvadrātu; ieliekot un ievadot terminu gravitācijas laukā, mēs iegūstam:

(12,2)

Mēs izvēlamies asi, kā parasti, vertikāli uz augšu, un kā x, y plakni izvēlamies šķidruma līdzsvara plakano virsmu.

Apzīmēsim - punktu koordinātas uz šķidruma virsmas ar ; ir koordinātu x, y un laika t funkcija. Līdzsvarā šķidruma virsmai, tai svārstoties, notiek vertikāla nobīde.

Ļaujiet pastāvīgam spiedienam darboties uz šķidruma virsmas

Konstanti var novērst, pārdefinējot potenciālu (pievienojot tam lielumu, kas nav atkarīgs no koordinātēm. Tad stāvoklis uz šķidruma virsmas iegūst formu

Mazā svārstību amplitūda viļņā nozīmē, ka nobīde ir neliela. Tāpēc ar tādu pašu tuvinājumu varam pieņemt, ka virsmas punktu kustības ātruma vertikālā sastāvdaļa sakrīt ar nobīdes laika atvasinājumu.

Tā kā svārstības ir nelielas, šajā stāvoklī ir iespējams ņemt atvasinājumu vērtības pie Tā, visbeidzot, iegūstam šādu vienādojumu sistēmu, kas nosaka kustību gravitācijas vilnī:

Mēs uzskatīsim viļņus uz šķidruma virsmas, uzskatot, ka šī virsma ir neierobežota. Mēs arī pieņemsim, ka viļņa garums ir mazs, salīdzinot ar šķidruma dziļumu; tad šķidrumu var uzskatīt par bezgalīgi dziļu. Tāpēc mēs nerakstām robežnosacījumus sānu robežās un šķidruma apakšā.

Aplūkosim gravitācijas vilni, kas izplatās pa asi un vienmērīgu pa asi, tādā vilnī visi lielumi nav atkarīgi no y koordinātas. Mēs meklēsim risinājumu, kas ir vienkārša periodiska laika funkcija un koordināte x:

kur ( ir cikliskā frekvence (par to runāsim vienkārši kā par frekvenci), k ir viļņa viļņu vektors, ir viļņa garums. Aizvietojot šo izteiksmi vienādojumā, iegūstam funkcijas vienādojumu

Tās šķīdums, kas sadalās šķidruma dziļumā (t.i., pie ):

Mums ir jāizpilda arī robežnosacījums (12.5), aizvietojot to (12.5), mēs atrodam savienojumu starp frekvenci b un viļņu vektoru (vai, kā saka, viļņu dispersijas likumu):

Ātrumu sadalījumu šķidrumā iegūst, diferencējot potenciālu pa koordinātām:

Mēs redzam, ka ātrums samazinās eksponenciāli šķidruma dziļuma virzienā. Katrā dotajā telpas punktā (t.i., dotajam x, z) ātruma vektors vienmērīgi griežas x plaknē, paliekot nemainīgam lielumā.

Noteiksim arī šķidruma daļiņu trajektoriju vilnī. Uz laiku apzīmēsim ar x, z kustīgas šķidruma daļiņas koordinātas (nevis fiksēta telpas punkta koordinātes), bet ar - x vērtības daļiņas līdzsvara stāvoklim. Tad un labajā pusē (12.8) var aptuveni rakstīt vietā , izmantojot svārstību mazumu. Integrācija laika gaitā dod:

Tādējādi šķidruma daļiņas apraksta apļus ap punktiem ar rādiusu, kas eksponenciāli samazinās šķidruma dziļuma virzienā.

Viļņu izplatīšanās ātrums U ir vienāds, kā tas tiks parādīts 67. paragrāfā. Aizvietojot šeit, mēs atklājam, ka gravitācijas viļņu izplatīšanās ātrums uz neierobežotas virsmas bezgalīgi dziļa šķidruma ir vienāds ar

Tas palielinās, palielinoties viļņa garumam.

Garie gravitācijas viļņi

Ņemot vērā gravitācijas viļņus, kuru garums ir mazs salīdzinājumā ar šķidruma dziļumu, tagad mēs pakavēmies pie pretējā ierobežojošā viļņu gadījuma, kuru garums ir liels salīdzinājumā ar šķidruma dziļumu.

Šādus viļņus sauc par gariem.

Vispirms apskatīsim garo viļņu izplatīšanos kanālā. Mēs uzskatīsim, ka kanāla garums (virzīts pa x asi) ir neierobežots Kanāla šķērsgriezumam var būt patvaļīga forma un tas var mainīties visā tā garumā. Šķidruma šķērsgriezuma laukums kanālā tiek apzīmēts ar Kanāla dziļums un platums tiek pieņemts kā mazs, salīdzinot ar viļņa garumu.

Šeit mēs aplūkosim gareniskos garos viļņus, kuros šķidrums pārvietojas pa kanālu. Šādos viļņos ātruma komponents kanāla garumā ir liels, salīdzinot ar komponentiem

Apzīmējot vienkārši v un izlaižot mazus vārdus, mēs varam uzrakstīt Eilera vienādojuma komponentu kā

a-komponents - formā

(Mēs izlaižam jēdzienus kvadrātiskā ātrumā, jo viļņa amplitūda joprojām tiek uzskatīta par mazu). No otrā vienādojuma mums ir, atzīmējot, ka uz brīvās virsmas ) jābūt

Aizvietojot šo izteiksmi pirmajā vienādojumā, mēs iegūstam:

Otro vienādojumu divu nezināmo noteikšanai var iegūt, izmantojot metodi, kas ir līdzīga nepārtrauktības vienādojuma atvasināšanai. Šis vienādojums būtībā ir kontinuitātes vienādojums, kas tiek piemērots izskatāmajam gadījumam. Apskatīsim šķidruma tilpumu, kas atrodas starp divām kanāla šķērsgriezuma plaknēm, kas atrodas attālumā viena no otras. Laika vienībā šķidruma tilpums, kas vienāds ar, ieplūdīs caur vienu plakni, un tilpums izplūdīs caur otru plakni. Tāpēc šķidruma tilpums starp abām plaknēm mainīsies par