Суть гравитационных волн простыми словами. Что такое гравитационная волна

February 11th, 2016

Буквально несколько часов назад пришло известие, которое давно ждали в научном мире. Группа ученых из нескольких стран, работающих в составе международного проекта LIGO Scientific Collaboration, заявляют, что при помощи нескольких обсерваторий-детекторов им удалось зафиксировать в лабораторных условиях гравитационные волны.

Они занимаются анализом данных, поступающих с двух лазерно-интерферометрических гравитационно-волновых обсерваторий (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — LIGO), расположенных в штатах Луизиана и Вашингтон в США.

Как говорилось на пресс-конференции проекта LIGO,гравитационные волны были зарегистрированы 14 сентября 2015 года сначала на одной обсерватории, а затем через 7 миллисекунд на другой.

На основе анализа полученных данных, которым занимались ученые из многих стран, в том числе и из России, было установлено, что гравитационная волна была вызвана столкновением двух черных дыр массой в 29 и 36 раз больше массы Солнца. После этого они слились в одну большую черную дыру.

Это произошло произошло 1,3 миллиарда лет назад. Сигнал пришел к Земле со стороны созвездия Магелланово облако.

Сергей Попов (астрофизик Государственного астрономического института Штернберга МГУ) объяснил, что такое гравитационные волны и почему так важно их измерять.

Современные теории гравитации — это геометрические теории гравитации, более-менее все, начиная с теории относительности. Геометрические свойства пространства влияют на движение тел или таких объектов как световой луч. И наоборот — распределение энергии (это то же, что и масса в пространстве) влияет на геометрические свойства пространства. Это очень здорово, потому что это просто визуализировать — вся эта разлинованная в клеточку эластичная плоскость имеет под собой некий физический смысл, хотя, разумеется не так все буквально.

Физики используют слово «метрика». Метрика — это то, что описывает геометрические свойства пространства. И вот у нас с ускорением движутся тела. Самое простое — вращается огурец. Важно, чтобы это был, например, не шарик и не сплюснутый диск. Легко себе представить, что когда такой огурец крутится на эластичной плоскости, от него побежит рябь. Представьте себе, что вы стоите где-то, и огурец то одним концом к вам повернется, то другим. Он по-разному влияет на пространство и время, бежит гравитационная волна.

Итак, гравитационная волна — это рябь, бегущая по метрике пространства-времени.

Бусы в космосе

Это фундаментальное свойство наших базовых представлений о том, как устроена гравитация, и люди сто лет хотят это проверить. Хотят убедиться в том, что эффект есть и что он виден в лаборатории. В природе это увидели уже около трех десятков лет назад. Как в быту должны проявлять себя гравитационные волны?

Проще всего это проиллюстрировать так: если бросить в космосе бусы, чтобы они легли кружком, и когда гравитационная волна будет проходить перпендикулярно их плоскости, то они начнут превращаться в эллипс, сжатый то в одну сторону, то в другую. Дело в том, что пространство вокруг них будет возмущено, и они будут это чувствовать.

«Г» на Земле

Примерно такую штуку люди и делают, только не в космосе, а на Земле.

На расстоянии четырех километров друг от друга висят зеркала в виде буквы «г» [имеются в виду американские обсерватории LIGO].

Бегают лазерные лучи — это интерферометр, хорошо понятная вещь. Современные технологии позволяют измерить фантастически малый эффект. Я до сих пор не то чтобы не верю, я верю, но просто в голове не укладывается — смещение зеркал, висящих на расстоянии четырех километров друг от друга составляет меньше, чем размер атомного ядра. Это мало даже по сравнению с длиной волны этого лазера. В этом и была загвоздка: гравитация — самое слабое взаимодействие, и поэтому смещения очень маленькие.

Понадобилось очень много времени, люди пытались это делать с 1970-х годов, потратили жизнь на поиски гравитационных волн. И сейчас только технические возможности позволяют получить регистрацию гравитационной волны в лабораторных условиях, то есть вот она тут пришла, и зеркала сместились.

Направление

В течение года если все будет хорошо, то в мире будут работать уже три детектора. Три детектора — это очень важно, потому что вот эти штуки очень плохо определяют направление сигнала. Примерно так же как и мы на слух плохо определяем направление источника. «Звук откуда-то справа» — эти детекторы примерно так чувствуют. Но если стоят поодаль друг от друга три человека, и один слышит звук справа, другой слева, а третий сзади, то мы очень точно можем определить направление звука. Чем больше будет детекторов, чем больше они будут разбросаны по земному шару, тем точнее мы сможем определить направление на источник, и тогда начнется астрономия.

Ведь конечная задача не только подтвердить общую теорию относительности, но и получить новое астрономическое знание. Вот представьте, что есть черная дыра весом в десять масс Солнца. И она сталкивается с другой черной дырой весом в десять масс Солнца. Столкновение происходит на скорости света. Энергии прорва. Это правда. Ее фантастически много. И ее никак не… Это только рябь пространства и времени. Я бы сказал, что детектирование слияния двух черных дыр на долгое время станет самым надежным подтверждением того, что черные дыры — это примерно такие черные дыры, о которых мы думаем.

Давайте пройдемся по вопросам и явлениям, которые она могла бы раскрыть.

Существуют ли черные дыры на самом деле?

Сигнал, который ожидается от анонса LIGO, возможно, был произведен двумя сливающимися черными дырами. Подобные события - самые энергетические из известных; сила гравитационных волн, излучаемых ими, может ненадолго затмить все звезды наблюдаемой Вселенной в сумме. Сливающиеся черные дыры также весьма просто интерпретировать по весьма чистым гравитационным волнам.

Слияние черных дыр происходит, когда две черных дыр вращаются по спирали друг относительно друга, излучая энергию в виде гравитационных волн. Эти волны имеют характерный звук (ЛЧМ), который можно использовать для измерения массы двух этих объектов. После этого черные дыры обычно сливаются.

«Представьте два мыльных пузыря, которые подходят так близко, что образуют один пузырь. Деформируется более крупный пузырь», - говорит Тибальд Дамур, гравитационный теоретик из Института передовых научных исследований близ Парижа. Окончательная черная дыра будет идеально сферической формы, но предварительно должна испустить гравитационные волны предсказуемого типа.

Одним из важнейших научных последствий обнаружения слияния черных дыр будет подтверждение существования черных дыр - по крайней мере идеально круглых объектов, состоящих из чистого, пустого, искривленного пространства-времени, как предсказывает общая теория относительности. Другое последствие - слияние проходит так, как предсказывали ученые. У астрономов есть масса косвенных подтверждений этого феномена, но пока это были наблюдения звезд и перегретого газа на орбите черных дыр, а не самих черных дыр.

«Научное сообщество, включая меня, недолюбливает черные дыры. Мы принимаем их как должное, - говорит Франс Преториус, специалист по симуляциям ОТО в Принстонском университете в Нью-Джерси. - Но если задуматься о том, какое это удивительное предсказание, нам нужно воистину удивительное доказательство».

Движутся ли гравитационные волны со скоростью света?

Когда ученые начинают сравнивать наблюдения LIGO с наблюдениями других телескопов, первое, что они проверяют, это в одно ли время прибыл сигнал. Физики считают, что гравитация передается частицами-гравитонами, гравитационным аналогом фотонов. Если, как у фотонов, у этих частиц нет массы, то гравитационные волны будут двигаться со скоростью света, соответствуя предсказанию о скорости гравитационных волн в классической теории относительности. (На их скорость может влиять ускоряющееся расширение Вселенной, но это должно проявляться на дистанциях, значительно превосходящих те, что покрывает LIGO).

Вполне возможно, впрочем, что гравитоны обладают небольшой массой, а значит, гравитационные волны будут двигаться со скоростью меньше световой. Так что, например, если LIGO и Virgo обнаружат гравитационные волны и выяснят, что волны прибыли на Землю позже связанных с космическим событием гамма-лучей, это может иметь судьбоносные последствия для фундаментальной физики.

Состоит ли пространство-время из космических струн?

Еще более странное открытие может случиться, если всплески гравитационных волн будут обнаружены выходящими из «космических струн». Эти гипотетические дефекты кривизны пространства-времени, которые могут быть, а могут и не быть связаны с теорий струн, должны быть бесконечно тонкими, но растянутыми на космические расстояния. Ученые прогнозируют, что космические струны, если они существуют, могут случайно перегибаться; если струна перегнется, она вызовет гравитационный всплеск, который могли бы измерить детекторы вроде LIGO или Virgo.

Могут ли нейтронные звезды быть неровными?

Нейтронные звезды - это остатки больших звезд, которые коллапсировали под собственным весом и стали настолько плотными, что электроны и протоны начали плавиться в нейтроны. Ученые плохо понимают физику нейтронных дыр, но гравитационные волны могли бы многое о них рассказать. К примеру, интенсивная гравитация на их поверхности приводит к тому, что нейтронные звезды становятся почти идеально сферическими. Но некоторые ученые предположили, что на них могут быть также «горы» - высотой в несколько миллиметров - которые делают эти плотные объекты диаметром в 10 километров, не больше, слегка асимметричными. Нейтронные звезды обычно крутятся очень быстро, поэтому асимметричное распределение массы будет деформировать пространство-время и производить постоянный гравитационно-волновой сигнал в форме синусоиды, замедляя вращение звезды и излучая энергию.

Пары нейтронных звезд, которые вращаются друг вокруг друга, также производят постоянный сигнал. Подобно черным дырам, эти звезды движутся по спирали и в конечном счете сливаются с характерным звуком. Но его специфика отличается от специфики звука черных дыр.

Отчего взрываются звезды?

Черные дыры и нейтронные звезды образуются, когда массивные звезды перестают светить и коллапсируют сами в себя. Астрофизики думают, что этот процесс лежит в основе всех распространенных типов взрывов сверхновых типа II. Моделирование таких сверхновых пока не показало, отчего они зажигаются, но прослушивание гравитационно-волновых всплесков, испускаемых настоящей сверхновой, как полагают, может дать ответ. В зависимости от того, на что похожи волны всплесков, насколько они громкие, как часто происходят и как коррелируют со сверхновыми, за которыми следят электромагнитные телескопы, эти данные могут помочь исключить кучу существующих моделей.

Как быстро расширяется Вселенная?

Расширение Вселенной означает, что далекие объекты, которые удаляются от нашей галактики, выглядят более красными, чем являются в действительности, поскольку излучаемый ими свет растягивается по мере их движения. Космологи оценивают темпы расширения Вселенной, сравнивая красное смещение галактик с тем, как далеки они от нас. Но это расстояние обычно оценивается по яркости сверхновых типа Ia, и эта методика оставляет кучу неопределенностей.

Если несколько детекторов гравитационных волн по всему миру обнаружат сигналы от слияния одних и тех же нейтронных звезд, вместе они могут абсолютно точно оценить громкость сигнала, а вместе с тем и расстояние, на котором произошло слияние. Они также смогут оценить направление, а с ним и выявить галактику, в которой произошло событие. Сравнивая красное смещение этой галактики с расстоянием до сливающихся звезд, можно получить независимый темп космического расширения, возможно, более точный, чем позволяют современные методы.

источники

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

http://cont.ws/post/199519

Вот тут мы как то выясняли , а вот что такое и . Посмотрите еще как выглядит Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия -

Спустя сто лет после теоретического предсказания, которое в рамках общей теории относительности сделал Альберт Эйнштейн, ученым удалось подтвердить существование гравитационных волн. Начинается эра принципиально нового метода изучения далекого космоса — гравитационно-волновой астрономии.

Открытия бывают разные. Бывают случайные, в астрономии они встречаются часто. Бывают не совсем случайные, сделанные в результате тщательного «прочесывания местности», как, например, открытие Урана Вильямом Гершелем. Бывают серендипические — когда искали одно, а нашли другое: так, например, открыли Америку. Но особое место в науке занимают запланированные открытия. Они основаны на четком теоретическом предсказании. Предсказанное ищут в первую очередь для того, чтобы подтвердить теорию. Именно к таким открытиям относятся обнаружение бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере и регистрация гравитационных волн с помощью лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO. Но для того чтобы зарегистрировать какое-то предсказанное теорией явление, нужно довольно неплохо понимать, что именно и где искать, а также какие инструменты необходимы для этого.

Гравитационные волны традиционно называют предсказанием общей теории относительности (ОТО), и это в самом деле так (хотя сейчас такие волны есть во всех моделях, альтернативных ОТО или же дополняющих ее). К появлению волн приводит конечность скорости распространения гравитационного взаимодействия (в ОТО эта скорость в точности равна скорости света). Такие волны — возмущения пространства-времени, распространяющиеся от источника. Для возникновения гравитационных волн необходимо, чтобы источник пульсировал или ускоренно двигался, но определенным образом. Скажем, движения с идеальной сферической или цилиндрической симметрией не подходят. Таких источников достаточно много, но часто у них маленькая масса, недостаточная для того, чтобы породить мощный сигнал. Ведь гравитация — самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий, поэтому зарегистрировать гравитационный сигнал очень трудно. Кроме того, для регистрации нужно, чтобы сигнал быстро менялся во времени, то есть имел достаточно высокую частоту. Иначе нам не удастся его зарегистрировать, так как изменения будут слишком медленными. Значит, объекты должны быть еще и компактными.

Первоначально большой энтузиазм вызывали вспышки сверхновых, происходящие в галактиках вроде нашей раз в несколько десятков лет. Значит, если удастся достичь чувствительности, позволяющей видеть сигнал с расстояния в несколько миллионов световых лет, можно рассчитывать на несколько сигналов в год. Но позднее оказалось, что первоначальные оценки мощности выделения энергии в виде гравитационных волн во время взрыва сверхновой были слишком оптимистичными, и зарегистрировать подобный слабый сигнал можно было бы только в случае, если б сверхновая вспыхнула в нашей Галактике.

Еще один вариант массивных компактных объектов, совершающих быстрые движения, — нейтронные звезды или черные дыры. Мы можем увидеть или процесс их образования, или процесс взаимодействия друг с другом. Последние стадии коллапса звездных ядер, приводящие к образованию компактных объектов, а также последние стадии слияния нейтронных звезд и черных дыр имеют длительность порядка нескольких миллисекунд (что соответствует частоте в сотни герц) — как раз то что надо. При этом выделяется много энергии, в том числе (а иногда и в основном) в виде гравитационных волн, так как массивные компактные тела совершают те или иные быстрые движения. Вот они — наши идеальные источники.

Правда, сверхновые вспыхивают в Галактике раз в несколько десятков лет, слияния нейтронных звезд происходят раз в пару десятков тысяч лет, а черные дыры сливаются друг с другом еще реже. Зато сигнал гораздо мощнее, и его характеристики можно достаточно точно рассчитать. Но теперь нам надо научиться видеть сигнал с расстояния в несколько сотен миллионов световых лет, чтобы охватить несколько десятков тысяч галактик и обнаружить несколько сигналов за год.

Определившись с источниками, начнем проектировать детектор. Для этого надо понять, что же делает гравитационная волна. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что прохождение гравитационной волны вызывает приливную силу (обычные лунные или солнечные приливы — это отдельное явление, и гравитационные волны тут ни при чем). Так что можно взять, например, металлический цилиндр, снабдить датчиками и изучать его колебания. Это несложно, поэтому такие установки начали делать еще полвека назад (есть они и в России, сейчас в Баксанской подземной лаборатории монтируется усовершенствованный детектор, разработанный командой Валентина Руденко из ГАИШ МГУ). Проблема в том, что такой прибор будет видеть сигнал без всяких гравитационных волн. Есть масса шумов, с которыми трудно бороться. Можно (и это было сделано!) установить детектор под землей, попытаться изолировать его, охладить до низких температур, но все равно для того, чтобы превысить уровень шума, понадобится очень мощный гравитационно-волновой сигнал. А мощные сигналы приходят редко.

Поэтому был сделан выбор в пользу другой схемы, которую в 1962 году выдвинули Владислав Пусто-войт и Михаил Герценштейн. В статье, опубликованной в ЖЭТФ (Журнал экспериментальной и теоретической физики), они предложили использовать для регистрации гравитационных волн интерферометр Майкельсона. Луч лазера бегает между зеркалами в двух плечах интерферометра, а затем лучи из разных плеч складываются. Анализируя результат интерференции лучей, можно измерить относительное изменение длин плеч. Это очень точные измерения, поэтому, если победить шумы, можно достичь фантастической чувствительности.

В начале 1990-х было принято решение о строительстве нескольких детекторов по такой схеме. Первыми в строй должны были войти относительно небольшие установки, GEO600 в Европе и ТАМА300 в Японии (числа соответствуют длине плеч в метрах) для обкатки технологии. Но основными игроками должны были стать установки LIGO в США и VIRGO в Европе. Размер этих приборов измеряется уже километрами, а окончательная плановая чувствительность должна была бы позволить видеть десятки, если не сотни событий в год.

Почему нужны несколько приборов? В первую очередь для перекрестной проверки, поскольку существуют локальные шумы (например, сейсмические). Одновременная регистрация сигнала на северо-западе США и в Италии была бы прекрасным свидетельством его внешнего происхождения. Но есть и вторая причина: гравитационно-волновые детекторы очень плохо определяют направление на источник. А вот если разнесенных детекторов будет несколько, указать направление можно будет довольно точно.

Лазерные исполины

В своем первоначальном виде детекторы LIGO были построены в 2002 году, a VIRGO — в 2003-м. По плану это был лишь первый этап. Все установки поработали по несколько лет, а в 2010-2011 годах были остановлены для доработки, чтобы затем выйти на плановую высокую чувствительность. Первыми заработали детекторы LIGO в сентябре 2015 года, VIRGO должна присоединиться во второй половине 2016-го, и начиная с этого этапа чувствительность позволяет надеяться на регистрацию как минимум нескольких событий в год.

После начала работы LIGO ожидаемый темп всплесков составлял примерно одно событие в месяц. Астрофизики заранее оценили, что первыми ожидаемыми событиями должны стать слияния черных дыр. Связано это с тем, что черные дыры обычно раз в десять тяжелее нейтронных звезд, сигнал получается мощнее, и его «видно» с больших расстояний, что с лихвой компенсирует меньший темп событий в расчете на одну галактику. К счастью, долго ждать не пришлось. 14 сентября 201 5 года обе установки зарегистрировали практически идентичный сигнал, получивший наименование GW150914.

С помощью довольно простого анализа можно получить такие данные, как массы черных дыр, мощность сигнала и расстояние до источника. Масса и размер черных дыр связаны очень простым и хорошо известным образом, а по частоте сигнала сразу можно оценить размер области выделения энергии. В данном случае размер указывал на то, что из двух дыр массой 25-30 и 35-40 солнечных масс образовалась черная дыра с массой более 60 солнечных масс. Зная эти данные, можно получить и полную энергию всплеска. В гравитационное излучение перешло почти три массы Солнца. Это соответствует светимости 1023 светимостей Солнца — примерно столько же, сколько за это время (сотые доли секунды) излучают все звезды в видимой части Вселенной. А из известной энергии и величины измеренного сигнала получается расстояние. Большая масса слившихся тел позволила зарегистрировать событие, произошедшее в далекой галактике: сигнал шел к нам примерно 1,3 млрд лет.

Более детальный анализ позволяет уточнить отношение масс черных дыр и понять, как они вращались вокруг своей оси, а также определить и некоторые другие параметры. Кроме того, сигнал с двух установок позволяет примерно определить направление всплеска. К сожалению, пока тут точность не очень велика, но с вводом в строй обновленной VIRGO она возрастет. А еще через несколько лет начнет принимать сигналы японский детектор KAGRA. Затем один из детекторов LIGO (изначально их было три, одна из установок была сдвоенной) будет собран в Индии, и ожидается, что тогда будут регистрироваться многие десятки событий в год.

Эра новой астрономии

На данный момент самый важный результат работы LIGO — это подтверждение существования гравитационных волн. Кроме того, уже первый всплеск позволил улучшить ограничения на массу гравитона (в ОТО он имеет нулевую массу), а также сильнее ограничить отличие скорости распространения гравитации от скорости света. Но ученые надеются, что уже в 2016 году они смогут получать с помощью LIGO и VIRGO много новых астрофизических данных.

Во-первых, данные гравитационно-волновых обсерваторий — это новый канал изучения черных дыр. Если ранее можно было только наблюдать потоки вещества в окрестностях этих объектов, то теперь можно прямо «увидеть» процесс слияния и «успокоения» образующейся черной дыры, как колеблется ее горизонт, принимая свою окончательную форму (определяемую вращением). Наверное, вплоть до обнаружения хокинговского испарения черных дыр (пока что этот процесс остается гипотезой) изучение слияний будет давать лучшую непосредственную информацию о них.

Что значит для нас обнаружение гравитационных волн.

Думаю, все уже в курсе, что пару дней назад учёные впервые объявили об обнаружении гравитационных волн. Про это было много новостей, по ТВ, на новостных сайтах и вообще везде. Однако при этом никто не затруднился объяснить доступным языком, что дает нам это открытие в практическом плане.

На самом деле, всё просто, достаточно провести аналогию с подводной лодкой:

Источник:

Обнаружение подводных лодок - является первой и главной задачей при борьбе с ними. Как и всякий предмет, лодка своим присутствием влияет на окружающую среду. Иными словами, лодка имеет собственные физические поля. К более известным физическим полям подводной лодки относятся гидроакустическое, магнитное, гидродинамическое, электрическое, низкочастотное электромагнитное, а также тепловое, оптическое. Выделение физических полей лодки на фоне полей океана (моря) лежит в основе главных способов обнаружения.
Способы обнаружения подводных лодок разделяются по типу физических полей: Акустический, Магнитометрический, Радиолокационный, Газовый, Тепловой и.т.д.

С космосом та же фигня. Мы смотрим на звезды через телескопы, делаем фотографии Марса, ловим излучения и вообще пытаемся познать небеса всеми доступными способами. А теперь, после того как зафиксированы эти волны, добавился и ещё один способ изучения - гравитационный. Мы сможем осмотреть космос основываясь на этих колебаниях.

То есть, как подводная лодка прошла в морском пространстве, и оставила за собой "след", по которому её могут вычислить, точно так же и небесные тела, теперь могут изучаться под другим углом для более полной картины. В будущем, мы сможем посмотреть как гравитационные волны огибают разные светила, галактики, планеты, научимся ещё лучше вычислять космические траектории объектов (А может даже и заранее узнавать и прогнозировать приближения метеоритов) увидим поведение волн в особых условиях, ну и всякое такое.

Что это даст?

Пока не ясно. Но со временем, аппаратура станет более точной и чувствительной, и о гравитационных волнах наберётся богатый материал. Основываясь на этих материалах пытливые умы начнут находить разного рода аномалии, загадки и закономерности. Эти закономерности и аномалии, в свою очередь, будут служить либо опровержением, либо подтверждением старых теорий. Будут создаваться дополнительные математические формулы, интересные гипотезы (Британские учёные выяснили, что голуби находят дорогу домой ориентируясь по гравитационным волнам!) и многое подобное. А жёлтая пресса, обязательно запустит какой-нибудь миф, типа "Гравитационное цунами", которое однажды нагрянет, накроет нашу солнечную систему и всему живому придет кидык. И Вангу приплетут ещё. Короче, весело будет:]

И что в итоге?

В итоге, мы получим более совершенную область науки, которая сможет давать более точное и широкое представление о нашем мире. А если повезёт и учёным попадётся какой-нибудь удивительный эффект... (Типа, если две гравитационные волны в полнолуние "врезаются" друг в друга под определённым углом с нужной скоростью, то случается локальный очаг антигравитации, о-па!)... то мы сможем надеяться на серьёзный научный прогресс.

«Не так давно сильный интерес научной общественности вызвала серия долгосрочных экспериментов по непосредственному наблюдению гравитационных волн, — писал специалист в области теоретической физики Митио Каку в книге «Космос Эйнштейна» в 2004 году. — Проект LIGO («Лазерный интерферометр для наблюдения гравитационных волн»), возможно, окажется первым, в ходе которого удастся «увидеть» гравитационные волны, скорее всего, от столкновения двух черных дыр в дальнем космосе. LIGO — сбывшаяся мечта физика, первая установка достаточной мощности для измерения гравитационных волн».

Предсказание Каку сбылось: в четверг группа международных ученых из обсерватории LIGO объявила об открытии гравитационных волн.

Гравитационные волны — это колебания пространства-времени, которые «убегают» от массивных объектов (например, черных дыр), движущихся с ускорением. Иными словами, гравитационные волны — это распространяющееся возмущение пространства-времени, бегущая деформация абсолютной пустоты.

Черная дыра — это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (и сам свет в том числе). Граница, отделяющая черную дыру от всего остального мира, называется горизонтом событий: все, что происходит внутри горизонта событий, скрыто от глаз внешнего наблюдателя.

Erin Ryan Снимок торта, выложенный в сеть Эрин Райан.

Ловить гравитационные волны ученые начали еще полвека назад: именно тогда американский физик Джозеф Вебер увлекся общей теорией относительности Эйнштейна (ОТО), взял творческий отпуск и стал изучать гравитационные волны. Вебер изобрел первое приспособление, детектирующее гравитационные волны, и вскоре заявил, что зафиксировал «звучание гравитационных волн». Впрочем, научное сообщество опровергло его сообщение.

Однако именно благодаря Джозефу Веберу множество ученых превратилось в «охотников за волнами». Сегодня Вебер считается отцом научного направления гравитационно-волновой астрономии.

«Это — начало новой эры гравитационной астрономии»

Обсерватория LIGO, в которой ученые зафиксировали гравитационные волны, состоит из трех лазерных установок в США: две находятся в штате Вашингтон и одна — в штате Луизиана. Вот как описывает работу лазерных детекторов Митио Каку: «Лазерный луч расщепляется на два отдельных луча, которые далее идут перпендикулярно друг другу. Затем, отразившись от зеркала, они вновь соединяются. Если через интерферометр (измерительный прибор) пройдет гравитационная волна, длины путей двух лазерных лучей претерпят возмущение и это отразится в их интерференционной картине. Чтобы убедиться в том, что сигнал, зарегистрированный лазерной установкой, не случаен, детекторы следует разместить в разных точках Земли.

Только под действием гигантской гравитационной волны, намного превышающей по размеру нашу планету, все детекторы сработают одновременно».

Сейчас коллаборация LIGO зафиксировала гравитационное излучение, вызванное слиянием двойной системы черных дыр с массами 36 и 29 солнечных масс в объект массой 62 массы Солнца. «Это первое прямое (очень важно, что это прямое!) измерение действия гравитационных волн, — дал комментарий корреспонденту отдела науки «Газеты.Ru» профессор физического факультета МГУ Сергей Вятчанин. — То есть принят сигнал от астрофизической катастрофы слияния двух черных дыр. И этот сигнал идентифицирован — это тоже очень важно! Понятно, что это от двух черных дыр. И это есть начало новой эры гравитационной астрономии, которая позволит получать информацию о Вселенной не только через оптические, рентгеновские, электромагнитные и нейтринные источники — но еще и через гравитационные волны.

Можно сказать, что процентов на 90 черные дыры перестали быть гипотетическими объектами. Некоторая доля сомнения остается, но все-таки сигнал, который пойман, уж больно хорошо ложится на то, что предсказывают бесчисленные моделирования слияния двух черных дыр в соответствии с общей теорией относительности.

Это является сильным доводом того, что черные дыры существуют. Другого объяснения такому сигналу пока нет. Поэтому принимается, что черные дыры существуют».

«Эйнштейн был бы очень счастлив»

Гравитационные волны в рамках своей общей теории относительности предсказал Альберт Эйнштейн (который, кстати, скептически относился к существованию черных дыр). В ОТО к трем пространственным измерениям добавляется время, и мир становится четырехмерным. Согласно теории, перевернувшей с ног на голову всю физику, гравитация — это следствие искривления пространства-времени под воздействием массы.

Эйнштейн доказал, что любая материя, движущаяся с ускорением, создает возмущение пространства-времени — гравитационную волну. Это возмущение тем больше, чем выше ускорение и масса объекта.

Из-за слабости гравитационных сил по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями эти волны должны иметь весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Объясняя ОТО гуманитариям, физики часто просят их представить натянутый лист резины, на который опускают массивные шарики. Шарики продавливают резину, и натянутый лист (который олицетворяет пространство-время) деформируется. Согласно ОТО, вся Вселенная — это резина, на которой каждая планета, каждая звезда и каждая галактика оставляют вмятины. Наша Земля вращается вокруг Солнца словно маленький шарик, пущенный кататься вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» пространства-времени тяжелым шаром.

HANDOUT/Reuters

Тяжелый шар — это и есть Солнце

Вполне вероятно, что открытие гравитационных волн, являющееся главным подтверждением теории Эйнштейна, претендует на Нобелевскую премию по физике. «Эйнштейн был бы очень счастлив», — сказала Габриэлла Гонсалез, представитель коллаборации LIGO.

По словам ученых, пока рано говорить о практической применимости открытия. «Хотя разве Генрих Герц (немецкий физик, доказавший существование электромагнитных волн. — «Газета.Ru») мог подумать, что будет мобильный телефон? Нет! Мы сейчас ничего не можем представить, — рассказал Валерий Митрофанов, профессор физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. — Я ориентируюсь на фильм «Интерстеллар». Его критикуют, да, но вообразить ковер-самолет мог даже дикий человек. И ковер-самолет реализовался в самолет, и все. А здесь уже нужно представить что-то очень сложное. В «Интерстелларе» один из моментов связан с тем, что человек может путешествовать из одного мира в другой. Если так представить, то верите ли вы, что человек может путешествовать из одного мира в другой, что может быть много вселенных — все, что угодно? Я не могу ответить «нет». Потому что физик не может ответить на такой вопрос «нет»! Только если это противоречит каким-то законам сохранения! Есть варианты, которые не противоречат известным физическим законам. Значит, путешествия по мирам могут быть!»

Гравитационные волны – изображение художника

Гравитационные волны - возмущения метрики пространства-времени, отрывающиеся от источника и распространяющиеся подобно волнам (так называемая «рябь пространства-времени»).

В общей теории относительности и в большинстве других современных теорий гравитации гравитационные волны порождаются движением массивных тел с переменным ускорением. Гравитационные волны свободно распространяются в пространстве со скоростью света. Ввиду относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) эти волны имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Поляризованная гравитационная волна

Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО), многими другими . Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами , на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух и образования одной более массивной вращающейся чёрной дыры. Косвенные свидетельства их существования были известны с 1970-х годов - ОТО предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн. Прямая регистрация гравитационных волн и их использование для определения параметров астрофизических процессов является важной задачей современной физики и астрономии.

В рамках ОТО гравитационные волны описываются решениями уравнений Эйнштейна волнового типа, представляющими собой движущееся со скоростью света (в линейном приближении) возмущение метрики пространства-времени. Проявлением этого возмущения должно быть, в частности, периодическое изменение расстояния между двумя свободно падающими (то есть не испытывающими влияния никаких сил) пробными массами. Амплитудой h гравитационной волны является безразмерная величина - относительное изменение расстояния. Предсказываемые максимальные амплитуды гравитационных волн от астрофизических объектов (например, компактных двойных систем) и явлений (взрывов , слияний , захватов чёрными дырами и т. п.) при измерениях в весьма малы (h =10 −18 -10 −23). Слабая (линейная) гравитационная волна согласно общей теории относительности переносит энергию и импульс, двигается со скоростью света, является поперечной, квадрупольной и описывается двумя независимыми компонентами, расположенными под углом 45° друг к другу (имеет два направления поляризации).

Различные теории по-разному предсказывают скорость распространения гравитационных волн. В общей теории относительности она равна скорости света (в линейном приближении). В других теориях гравитации она может принимать любые значения, в том числе до бесконечности. По данным первой регистрации гравитационных волн их дисперсия оказалась совместимой с безмассовым гравитоном, а скорость оценена как равная скорости света.

Генерация гравитационных волн

Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени

Гравитационную волну излучает любая материя, движущаяся с асимметричным ускорением. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна первой производной ускорения и массе генератора, то есть ~ . Однако если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь, этот другой объект испытывает обратное действие (по 3-му закону Ньютона), при этом оказывается, что m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они взаимно гасятся почти полностью. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения. Кроме того, для нерелятивистских излучателей в выражении для интенсивности излучения имеется малый параметр где - гравитационный радиус излучателя, r - его характерный размер, T - характерный период движения, c - скорость света в вакууме.

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:

• сталкивающиеся (гигантские массы, очень небольшие ускорения),
• гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе). Как частный и наиболее интересный случай - слияние нейтронных звёзд. У такой системы гравитационно-волновая светимость близка к максимально возможной в природе планковской светимости.

Гравитационные волны, излучаемые системой двух тел

Два тела, движущиеся по круговым орбитам вокруг общего центра масс

Два гравитационно связанных тела с массами m 1 и m 2 , движущиеся нерелятивистски (v << c ) по круговым орбитам вокруг их общего центра масс на расстоянии r друг от друга, излучают гравитационные волны следующей энергии, в среднем за период:

Вследствие этого система теряет энергию, что приводит к сближению тел, то есть к уменьшению расстояния между ними. Скорость сближения тел:

Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема и . Мощность этого излучения примерно 5 киловатт. Таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел.

Гравитационный коллапс двойной системы

Любая двойная звезда при вращении её компонент вокруг общего центра масс теряет энергию (как предполагается - за счёт излучения гравитационных волн) и, в конце концов, сливается воедино. Но для обычных, некомпактных, двойных звёзд этот процесс занимает очень много времени, много большее настоящего возраста . Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Затем на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая по некоторым оценкам более 50 % от массы системы.

Основные точные решения уравнений Эйнштейна для гравитационных волн

Объёмные волны Бонди - Пирани - Робинсона

Эти волны описываются метрикой вида . Если ввести переменную и функцию , то из уравнений ОТО получим уравнение

Метрика Такено

имеет вид , -функции, удовлетворяют тому же уравнению.

Метрика Розена

Где удовлетворяют

Метрика Переса

При этом

Цилиндрические волны Эйнштейна - Розена

В цилиндрических координатах такие волны имеют вид и выполняются

Регистрация гравитационных волн

Регистрация гравитационных волн достаточно сложна ввиду слабости последних (малого искажения метрики). Приборами для их регистрации являются детекторы гравитационных волн. Попытки обнаружения гравитационных волн предпринимаются с конца 1960-х годов. Гравитационные волны детектируемой амплитуды рождаются при коллапсе двойного . Подобные события происходят в окрестностях ориентировочно раз в десятилетие.

С другой стороны, общая теория относительности предсказывает ускорение взаимного вращения двойных звёзд из-за потери энергии на излучение гравитационных волн, и этот эффект надёжно зафиксирован в нескольких известных системах двойных компактных объектов (в частности, пульсаров с компактными компаньонами). В 1993 году «за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации» открывателям первого двойного пульсара PSR B1913+16 Расселу Халсу и Джозефу Тейлору мл. была присуждена Нобелевская премия по физике. Ускорение вращения, наблюдаемое в этой системе, полностью совпадает с предсказаниями ОТО на излучение гравитационных волн. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (обычно сокращённо J0651) и системы двойных RX J0806. Например, расстояние между двумя компонентами A и B первой двойной звезды из двух пульсаров PSR J0737-3039 уменьшается примерно на 2,5 дюйма (6,35 см) в день из-за потерь энергии на гравитационные волны, причём это происходит в согласии с ОТО. Все эти данные интерпретируются как непрямые подтверждения существования гравитационных волн.

По оценкам наиболее сильными и достаточно частыми источниками гравитационных волн для гравитационных телескопов и антенн являются катастрофы, связанные с коллапсами двойных систем в ближайших галактиках. Ожидается, что в ближайшем будущем на усовершенствованных гравитационных детекторах будет регистрироваться несколько подобных событий в год, искажающих метрику в окрестности на 10 −21 -10 −23 . Первые наблюдения сигнала оптико-метрического параметрического резонанса, позволяющего обнаружить воздействие гравитационных волн от периодических источников типа тесной двойной на излучение космических мазеров, возможно, были получены на радиоастрономической обсерватории РАН, Пущино.

Ещё одной возможностью детектирования фона гравитационных волн, заполняющих Вселенную, является высокоточный тайминг удалённых пульсаров - анализ времени прихода их импульсов, которое характерным образом изменяется под действием проходящих через пространство между Землёй и пульсаром гравитационных волн. По оценкам на 2013 год, точность тайминга необходимо поднять примерно на один порядок, чтобы можно было задетектировать фоновые волны от множества источников в нашей Вселенной, и эта задача может быть решена до конца десятилетия.

Согласно современным представлениям, нашу Вселенную заполняют реликтовые гравитационные волны, появившиеся в первые моменты после . Их регистрация позволит получить информацию о процессах в начале рождения Вселенной. 17 марта 2014 года в 20:00 по московскому времени в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики американской группой исследователей, работающей над проектом BICEP 2, было объявлено о детектировании по поляризации реликтового излучения ненулевых тензорных возмущений в ранней Вселенной, что также является открытием этих реликтовых гравитационных волн. Однако почти сразу этот результат был оспорен, поскольку, как выяснилось, не был должным образом учтён вклад . Один из авторов, Дж. М. Ковац (Kovac J. M. ), признал, что «с интерпретацией и освещением данных эксперимента BICEP2 участники эксперимента и научные журналисты немного поторопились».

Экспериментальное подтверждение существования

Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал. Слева данные с детектора в Хэнфорде (H1), справа - в Ливингстоне (L1). Время отсчитывается от 14 сентября 2015, 09:50:45 UTC. Для визуализации сигнала он отфильтрован частотным фильтром с полосой пропускания 35-350 Герц для подавления больших флуктуаций вне диапазона высокой чувствительности детекторов, также были применены полосовые режекторные фильтры для подавления шума самих установок. Верхний ряд: напряжения h в детекторах. GW150914 сначала прибыл на L1 и через 6 9 +0 5 −0 4 мс на H1; для визуального сравнения данные с H1 показаны на графике L1 в обращённом и сдвинутом по времени виде (чтобы учесть относительную ориентацию детекторов). Второй ряд: напряжения h от гравитационно-волнового сигнала, пропущенные через такой же полосный фильтр 35-350 Гц. Сплошная линия - результат численной относительности для системы с параметрами, совместимыми с найденными на базе изучения сигнала GW150914, полученный двумя независимыми кодами с результирующим совпадением 99,9. Серые толстые линии - области 90 % доверительной вероятности формы сигнала, восстановленные из данных детекторов двумя различными методами. Тёмно-серая линия моделирует ожидаемые сигналы от слияния чёрных дыр, светло-серая не использует астрофизических моделей, а представляет сигнал линейной комбинацией синусоидально-гауссовых вэйвлетов. Реконструкции перекрываются на 94 %. Третий ряд: Остаточные ошибки после извлечения отфильтрованного предсказания сигнала численной относительности из отфильтрованного сигнала детекторов. Нижний ряд: представление частотной карты напряжений, показывающее возрастание доминирующей частоты сигнала со временем.

11 февраля 2016 года коллаборациями LIGO и VIRGO. Сигнал слияния двух чёрных дыр с амплитудой в максимуме около 10 −21 был зарегистрирован 14 сентября 2015 года в 9:51 UTC двумя детекторами LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне через 7 миллисекунд друг от друга, в области максимальной амплитуды сигнала (0,2 секунды) комбинированное отношение сигнал-шум составило 24:1. Сигнал был обозначен GW150914. Форма сигнала совпадает с предсказанием общей теории относительности для слияния двух чёрных дыр массами 36 и 29 солнечных; возникшая чёрная дыра должна иметь массу 62 солнечные и параметр вращения a = 0,67. Расстояние до источника около 1,3 миллиарда , излучённая за десятые доли секунды в слиянии энергия - эквивалент около 3 солнечных масс.

История

История самого термина «гравитационная волна», теоретического и экспериментального поиска этих волн, а также их использования для исследований явлений недоступных иными методам.

• 1900 - Лоренц предположил, что гравитация «…может распространятся со скоростью, не большей скорости света»;
• 1905 - Пуанкаре впервые ввёл термин гравитационная волна (onde gravifique). Пуанкаре, на качественном уровне, снял устоявшиеся возражения Лапласа и показал, что связанные с гравитационными волнами поправки к общепринятым законам тяготения Ньютона порядка сокращаются, таким образом, предположение о существовании гравитационных волн не противоречит наблюдениям;
• 1916 - Эйнштейн показал, что в рамках ОТО механическая система будет передавать энергию гравитационным волнам и, грубо говоря, любое вращение относительно неподвижных звёзд должно рано или поздно остановиться, хотя, конечно, в обычных условиях потери энергии порядка ничтожны и практически не поддаются измерению (в этой работе он ещё ошибочно полагал, что механическая система, постоянно сохраняющая сферическую симметрию, может излучать гравитационные волны);
• 1918 - Эйнштейн вывел квадрупольную формулу, в которой излучение гравитационных волн оказывается эффектом порядка , тем самым исправив ошибку в своей предыдущей работе (осталась ошибка в коэффициенте, энергия волны в 2 раза меньше);
• 1923 - Эддингтон - поставил под сомнение физическую реальность гравитационных волн «…распространяются… со скоростью мысли». В 1934 году, при подготовке русского перевода своей монографии «Теория относительности», Эддингтон добавил несколько глав, включая главы с двумя вариантами расчётов потерь энергии вращающимся стержнем, но отметил, что использованные методы приближенных расчётов ОТО, по его мнению, неприменимы к гравитационно связанным системам, поэтому сомнения остаются;
• 1937 - Эйнштейн совместно с Розеном исследовал цилиндрические волновые решения точных уравнений гравитационного поля. В ходе этих исследований у них возникли сомнения, что гравитационные волны, возможно, являются артефактом приближенных решений уравнений ОТО (известна переписка относительно рецензии на статью Эйнштейна и Розена «Существуют ли гравитационные волны?»). Позднее он нашёл ошибку в рассуждениях, окончательный вариант статьи с фундаментальными правками был опубликован уже в «Journal of the Franklin Institute»;
• 1957 - Герман Бонди и Ричард Фейнман предложили мысленный эксперимент «трость с бусинками» в котором обосновали существование физических последствий гравитационных волн в ОТО;
• 1962 - Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн описали принципы использования интерферометров для обнаружения длинноволновых гравитационных волн;
• 1964 - Филип Петерс и Джон Мэтью теоретически описали гравитационные волны, излучаемые двойными системами;
• 1969 - Джозеф Вебер, основатель гравитационно-волновой астрономии, сообщает об обнаружении гравитационных волн с помощью резонансного детектора - механической гравитационной антенны. Эти сообщения порождают бурный рост работ в этом направлении, в частности, Ренье Вайс, один из основателей проекта LIGO, начал эксперименты в то время. На настоящий момент (2015) никому так и не удалось получить надёжных подтверждений этих событий;
• 1978 - Джозеф Тейлор сообщил об обнаружении гравитационного излучения в двойной системе пульсара PSR B1913+16. Исследования Джозефа Тейлора и Рассела Халса заслужили Нобелевскую премию по физике за 1993 год. На начало 2015 года три пост-кеплеровских параметра, включающих уменьшение периода вследствие излучения гравитационных волн, было измерено, как минимум, для 8 подобных систем;
• 2002 - Сергей Копейкин и Эдвард Фомалонт произвели с помощью радиоволной интерферометрии со сверхдлинной базой измерения отклонения света в гравитационном поле Юпитера в динамике, что для некоторого класса гипотетических расширений ОТО позволяет оценить скорость гравитации - отличие от скорости света не должно превышать 20 % (данная трактовка не общепринята);
• 2006 - международная команда Марты Бургей (Обсерватория Паркса, Австралия) сообщила о существенно более точных подтверждениях ОТО и соответствия ей величины излучения гравитационных волн в системе двух пульсаров PSR J0737-3039A/B;
• 2014 - астрономы Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (BICEP) сообщили об обнаружении первичных гравитационных волн при измерениях флуктуаций реликтового излучения. На настоящий момент (2016) обнаруженные флуктуации считаются не имеющими реликтового происхождения, а объясняются излучением пыли в Галактике;
• 2016 - международная команда LIGO сообщила об обнаружении события прохождения гравитационных волн GW150914. Впервые сообщено о прямом наблюдении взаимодействующих массивных тел в сверхсильных гравитационных полях со сверхвысокими относительными скоростями (< 1,2 × R s , v/c > 0.5), что позволило проверить корректность ОТО с точностью до нескольких постньютоновских членов высоких порядков. Измеренная дисперсия гравитационных волн не противоречит сделанным ранее измерениям дисперсии и верхней границы массы гипотетического гравитона (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.