重力波の本質を簡単な言葉で。重力波とは何ですか

24.09.2019

2016 年 2 月 11 日

ほんの数時間前、長い間待ち望まれていたニュースが届きました。科学の世界。国際的なLIGO科学協力プロジェクトの一環として活動する数カ国の科学者グループは、いくつかの検出器天文台を使用して実験室条件で重力波を検出できたと発表した。

彼らは、米国のルイジアナ州とワシントン州にある 2 つのレーザー干渉計重力波観測所 (レーザー干渉計重力波観測所 - LIGO) からのデータを分析しています。

LIGO プロジェクトの記者会見で述べられたように、重力波は 2015 年 9 月 14 日に最初に 1 つの天文台で検出され、次に 7 ミリ秒後に別の天文台で検出されました。

ロシアを含む多くの国の科学者によって行われた、得られたデータの分析に基づいて、重力波は質量の29倍と36倍の2つのブラックホールの衝突によって引き起こされたことが判明した。太陽。その後、それらは合体して一つの大きなブラックホールとなった。

これは13億年前に起こりました。信号はマゼラン雲星座の方向から地球に届きました。

セルゲイ・ポポフ氏（モスクワ州立大学シュテルンベルク国立天文学研究所の天体物理学者）は、重力波とは何か、そして重力波を測定することがなぜそれほど重要なのかを説明しました。

現代の重力理論は幾何学的な重力理論であり、多かれ少なかれ相対性理論からのあらゆるものです。空間の幾何学的特性は、物体や光線などのオブジェクトの動きに影響を与えます。そしてその逆も同様です - エネルギーの分布 (これは空間の質量と同じです) は空間の幾何学的特性に影響を与えます。これは非常にクールです。視覚化しやすいからです。ボックス内に並んだこの弾性平面全体には、ある種の物理的な意味ただし、もちろん、すべてが文字通りそうであるわけではありません。

物理学者は「計量」という言葉を使います。計量とは、空間の幾何学的特性を説明するものです。そしてここには加速度を持って動いている物体があります。一番簡単なのはキュウリを回転させることです。たとえば、ボールや平らな円盤ではないことが重要です。このようなキュウリが弾性平面上で回転すると、そこから波紋が走ることは容易に想像できます。あなたがどこかに立っていて、キュウリが一方の端をあなたに向け、次にもう一方の端を向けていると想像してください。それは空間と時間にさまざまな形で影響を与え、重力波が走ります。

したがって、重力波は時空の計量に沿って走る波紋です。

宇宙のビーズ

これは、重力の仕組みに関する私たちの基本的な理解の基本的な特性であり、人々は 100 年にわたってそれをテストしたいと考えてきました。彼らは効果があること、そしてそれが実験室で目に見えることを確認したいと考えています。これは約30年前に自然界で見られたものです。重力波は日常生活の中でどのように現れるのでしょうか?

これを説明する最も簡単な方法は次のとおりです。ビーズが円になるように宇宙に投げると、重力波がビーズの平面に垂直に通過すると、ビーズは楕円形に変わり始め、最初は一方向に圧縮され、次に、もう一方では。重要なのは、周囲の空間がかき乱され、それを感じるということです。

地球上の「G」

人々がこのようなことをするのは、宇宙ではなく地球上だけです。

[アメリカの LIGO 天文台を指す] 文字「g」の形をした鏡が、互いに 4 キロメートル離れたところにぶら下がっています。

レーザー光線が走っています - これは干渉計であり、よく知られているものです。最新のテクノロジー驚くほど小さな効果を測定できるようになります。まだ信じていないわけではありませんし、信じていますが、頭が真っ白になるわけではありません。4キロ離れたところにぶら下がっている鏡のずれは、大きさよりも小さいのです。原子核。これは、このレーザーの波長と比較しても小さいです。これが落とし穴でした。重力は最も弱い相互作用であるため、変位は非常に小さいのです。

非常に長い時間がかかりました。人々は 1970 年代からこれに挑戦し、重力波の探索に人生を費やしてきました。そして現在、実験室条件で重力波を記録できるのは技術的能力だけです。つまり、重力波がここに来て鏡が移動したのです。

方向

すべてがうまくいけば、1 年以内に世界ですでに 3 つの検出器が稼働することになります。 3 つの検出器は非常に重要です。なぜなら、これらの検出器は信号の方向を決定するのが非常に苦手だからです。私たちが耳で音源の方向を判断するのが苦手なのとほぼ同じです。「右側のどこかからの音」 - これらの探知機はこのようなものを感知します。しかし、3 人が互いに離れて立っており、1 人は右から、もう 1 人は左から、3 人目は後ろから音を聞くと、音の方向を非常に正確に判断できます。検出器が多ければ多いほど、より多くの検出器が分散されます。地球へ、ソースへの方向をより正確に決定できるようになり、その後、天文学が始まります。

結局のところ、最終的な目標は、一般相対性理論を確認するだけでなく、新しい天文学の知識を得ることでもあります。太陽質量10個分の重さのブラックホールがあると想像してみてください。そして、太陽質量10個分の重さの別のブラックホールと衝突します。衝突は光の速度で起こります。エネルギーのブレークスルー。これは本当です。すごい量がありますよ。そして、そんなことはありません...それは単なる時空の波紋です。 2つのブラックホールの合体を検出することは、長い間これは、ブラックホールがまさに私たちが考えているブラックホールと同じであるという、これまでで最も強力な証拠となるでしょう。

それによって明らかになる可能性のある問題と現象を見てみましょう。

ブラックホールは本当に存在するのでしょうか？

LIGOの発表から予想されていた信号は、2つのブラックホールが合体することによって生成された可能性がある。このような出来事は、知られている中で最もエネルギー的な出来事です。それらによって放出される重力波の強さは、観測可能な宇宙のすべての星を合わせたものを一時的に上回ることがあります。ブラックホールの合体は、その非常に純粋な重力波から非常に簡単に解釈できます。

ブラックホールの合体は、2つのブラックホールが互いに螺旋を描き、重力波の形でエネルギーを放出するときに発生します。これらの波には特徴的な音 (チャープ音) があり、これら 2 つの物体の質量を測定するために使用できます。通常、この後、ブラックホールは合体します。

「二つ想像してみてくださいシャボン玉、それらは 1 つの泡を形成するほど接近します。大きな泡は変形している」と高等研究所の重力理論家ティボルト・ダムール氏は言う。科学研究パリ近郊。最終的なブラックホールは完全な球形になりますが、最初に予測可能なタイプの重力波を放出する必要があります。

ブラックホール合体検出の最も重要な科学的成果の1つは、一般相対性理論によって予測されるように、少なくとも純粋で空の湾曲した時空からなる完全に丸い物体であるブラックホールの存在の確認である。もう一つの結果は、科学者の予測通りに合併が進んでいることだ。天文学者はこの現象の間接的な証拠をたくさん持っていますが、これまでのところ、これらはブラックホールそのものではなく、ブラックホールの軌道にある星と過熱ガスの観察でした。

「私を含め、科学界はブラックホールを好みません。ニュージャージー州プリンストン大学の一般相対性理論シミュレーションの専門家であるフランス・プレトリウス氏は、私たちはそれらを当然のことだと思っていると語る。 - しかし、それがどのようなものかを考えてみると、驚くべき予測、本当に驚くべき証拠が必要です。」

重力波は光速で伝わるのでしょうか？

科学者がLIGO観測を他の望遠鏡からの観測と比較し始めるとき、最初にチェックするのは、信号が同時に到着したかどうかです。物理学者は、重力は光子の重力類似物である重力子粒子によって伝達されると信じています。光子と同様に、これらの粒子に質量がない場合、重力波は光の速度で伝わり、古典相対性理論における重力波の速度の予測と一致します。 (それらの速度は宇宙の加速膨張によって影響を受ける可能性がありますが、これはLIGOがカバーする距離よりもはるかに長い距離で明らかになるはずです)。

しかし、重力子の質量が小さい可能性は十分にあります。これは、重力波が光よりも遅い速度で移動することを意味します。したがって、たとえば、LIGO と乙女座が重力波を検出し、その重力波が地球に関連する波よりも遅く地球に到達したことがわかった場合、宇宙の出来事ガンマ線、これは基礎物理学に人生を変える影響を与える可能性があります。

時空は宇宙ひもでできているのでしょうか？

「宇宙ひも」から発せられる重力波のバーストが発見されれば、さらに奇妙な発見が起こる可能性がある。時空の曲率におけるこれらの仮説上の欠陥は、ひも理論に関連している場合もあれば、そうでない場合もあり、無限に薄いはずですが、宇宙の距離まで広がっているはずです。科学者たちは、宇宙のひもが存在する場合、偶然に曲がってしまう可能性があると予測しています。弦が曲がると重力サージが発生し、LIGO や Virgo などの検出器で測定できるようになります。

中性子星は塊状になることがありますか?

中性子星は、大きな星の残骸が自重で崩壊し、密度が高くなりすぎて電子と陽子が融合して中性子になり始めたものです。科学者は中性子孔の物理学についてほとんど理解していませんが、重力波は中性子孔について多くのことを教えてくれる可能性があります。たとえば、表面の強い重力により、中性子星はほぼ完全な球形になります。しかし、一部の科学者は、直径10キロメートル以下のこれらの密集した天体をわずかに非対称にする高さ数ミリメートルの「山」も存在する可能性があると示唆している。中性子星は通常、非常に速く回転するため、質量の非対称分布により時空が歪み、正弦波の形で永続的な重力波信号が生成され、星の回転が遅くなり、エネルギーが放出されます。

互いに周回する中性子星のペアも一定の信号を生成します。ブラックホールのように、これらの星はらせん状に動き、最終的に特徴的な音と融合します。しかし、その特異性はブラックホールの音の特異性とは異なります。

なぜ星は爆発するのでしょうか？

ブラックホールと中性子星は、大質量星が輝きを止めて崩壊するときに形成されます。天体物理学者は、このプロセスがすべての一般的なタイプの II 超新星爆発の根底にあると考えています。このような超新星爆発のシミュレーションでは、何が発火するのかはまだわかっていないが、実際の超新星が発する重力波バーストを聞くことで答えが得られると考えられている。バースト波がどのように見えるか、その大きさ、発生頻度、そして電磁望遠鏡が追跡している超新星とどのように相関するかによっては、このデータは多くの既存のモデルを除外するのに役立つ可能性があります。

宇宙はどのくらいの速さで膨張しているのでしょうか?

宇宙の膨張は、銀河系から遠ざかる遠方の天体が発する光が移動に伴って引き伸ばされるため、実際よりも赤く見えることを意味します。宇宙学者は、銀河の赤方偏移と私たちからの距離を比較することで、宇宙の膨張速度を推定します。しかし、この距離は通常、Ia 型超新星の明るさから推定されるため、この手法には多くの不確実性が残ります。

世界中のいくつかの重力波検出器が同じ中性子星の合体からの信号を検出すると、それらを組み合わせることで、信号の量、したがって合体が起こった距離を絶対的に正確に推定できます。彼らはまた、方向を推定し、それによって出来事が起こった銀河を特定することもできるでしょう。この銀河の赤方偏移と合体する星までの距離を比較することで、おそらく現在の方法よりも正確な、独立した宇宙膨張率を得ることが可能です。

ソース

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

http://cont.ws/post/199519

ここでどういうわけかわかりましたが、それは何ですか。それがどのように見えるかを見てください元の記事はWebサイトにあります InfoGlaz.rfこのコピーの元となった記事へのリンク -

理論的予測から 100 年後、一般理論アルバート・アインシュタインが相対性理論を提唱し、科学者たちは重力波の存在を確認することができました。深宇宙を研究するための根本的に新しい方法、重力波天文学の時代が始まります。

さまざまな発見があります。ランダムなものもありますが、天文学では一般的です。ウィリアム・ハーシェルによる天王星の発見のように、徹底的な「地域の調査」の結果として作られた完全に偶然の発見はありません。偶然のこともあります。あるものを探していて別のものを見つけたときです。たとえば、アメリカを発見しました。しかし、計画された発見は科学において特別な位置を占めます。これらは明確な理論的予測に基づいています。予測された内容は、主に理論を確認するために検索されます。このような発見には、大型ハドロン衝突型加速器でのヒッグス粒子の発見や、レーザー干渉計重力波観測所 LIGO を使用した重力波の検出が含まれます。しかし、理論によって予測された現象を記録するには、正確に何を、どこを調べればよいのか、またそのためにどのようなツールが必要なのかを十分に理解する必要があります。

重力波は伝統的に一般相対性理論 (GTR) の予測と呼ばれており、実際にそのとおりです (ただし、現在では、そのような波は GTR の代替または補完するすべてのモデルに存在します)。波の出現は、重力相互作用の伝播速度の有限性によって引き起こされます (一般相対性理論では、この速度は光の速度とまったく同じです)。このような波は、発生源から伝播する時空の乱れです。重力波が発生するには、発生源が特定の方法で脈動するか、加速度で移動する必要があります。完全な球面または円筒対称の動きは適さないとしましょう。このような信号源は非常にたくさんありますが、多くの場合、それらの質量は小さく、強力な信号を生成するには不十分です。結局のところ、重力は 4 つの基本的な相互作用の中で最も弱いため、重力信号を記録することは非常に困難です。さらに、登録するには、信号が時間の経過とともに急速に変化する必要があります。つまり、信号が十分な長さである必要があります。高周波。そうしないと、変更が遅すぎるため、登録できません。これは、オブジェクトもコンパクトでなければならないことを意味します。

当初、私たちのような銀河で数十年ごとに起こる超新星爆発によって大きな熱狂が生まれました。これは、数百万光年の距離から信号を確認できる感度を達成できれば、年間数個の信号を期待できることを意味します。しかし後に、超新星爆発中に重力波の形で放出されるエネルギーの力の初期推定は楽観的すぎたことが判明し、そのような弱い信号は銀河系で超新星が発生した場合にのみ検出できることが判明しました。

高速で移動する巨大でコンパクトな天体のもう 1 つの選択肢は、中性子星またはブラックホールです。それらの形成過程、あるいは相互作用の過程を見ることができます。コンパクトな天体の形成につながる星の核の崩壊の最終段階、および中性子星とブラックホールの合体の最終段階は、数ミリ秒程度の持続時間があります (これは 1 秒の周波数に相当します)。数百ヘルツ） - 必要なものだけ。この場合、巨大でコンパクトな天体が一定の急速な動きをするため、重力波の形を含む（場合によっては主に）多くのエネルギーが放出されます。これらは私たちの理想的なソースです。

確かに、銀河では超新星が数十年に一度噴火し、中性子星の合体は数万年に一度発生し、ブラックホール同士が合体する頻度はさらに低いです。しかし、信号ははるかに強力であり、その特性は非常に正確に計算できます。しかし現在、数万の銀河をカバーし、年間にいくつかの信号を検出するには、数億光年の距離から信号を確認できる必要があります。

発生源を決定したら、検出器の設計を開始します。これを行うには、重力波の作用を理解する必要があります。詳細には触れませんが、重力波の通過によって潮汐力が生じると言えます (通常の月潮や太陽潮汐は別の現象であり、重力波は関係ありません)。たとえば、金属製のシリンダーにセンサーを取り付け、その振動を研究することができます。これは難しいことではありません。だからこそ、このような設備が半世紀前に作られ始めたのです（ロシアでも入手可能です。現在、SAI MSU のバレンティン・ルデンコ氏のチームが開発した改良型検出器がバクサン地下研究所に設置されています）。問題は、そのようなデバイスが重力波なしで信号を認識することです。対処が難しいノイズがたくさんあります。検出器を地下に設置し、隔離して低温に冷却することは可能です (実際に行われています!)。ただし、ノイズレベルを超えるには、依然として非常に強力な重力波信号が必要です。しかし、強力な信号が来ることはほとんどありません。

したがって、1962 年にウラジスラフプストヴォイトとミハイルヘルツェンシュタインによって提案された別の計画を支持する選択がなされました。 JETP (Journal of Experimental and 理論物理学）、彼らは重力波を検出するためにマイケルソン干渉計を使用することを提案しました。レーザービームは干渉計の 2 つのアームのミラーの間を通過し、その後、異なるアームからのビームが加算されます。ビーム干渉の結果を解析することで、アーム長の相対的な変化を測定できます。これらは非常に正確な測定なので、ノイズを克服すれば素晴らしい感度を達成できます。

1990 年代初頭に、この設計を使用していくつかの検出器を構築することが決定されました。最初に運用を開始したのは、技術をテストするためにヨーロッパの GEO600 と日本の TAMA300 という比較的小規模な設備でした (数字はアームの長さ (メートル) に対応します)。しかし、主役は米国のLIGO施設と欧州のVIRGOだった。これらの機器のサイズはすでにキロメートル単位で測定されており、最終的に計画された感度では、年間数百ではないにしても数十のイベントを観測できるはずです。

なぜ複数のデバイスが必要なのでしょうか? 局所的なノイズ (地震など) があるため、主に相互検証用です。米国北西部とイタリアで信号が同時に検出されれば、その信号が外部から発生したことの優れた証拠となるだろう。しかし、2 番目の理由があります。重力波検出器は、発生源への方向を決定するのが非常に苦手です。しかし、複数の検出器が間隔を置いて配置されている場合は、方向を非常に正確に示すことが可能になります。

レーザー巨人

元の形式では、LIGO 検出器は 2002 年に構築され、VIRGO 検出器は 2003 年に構築されました。計画によれば、これはまだ第一段階にすぎません。すべての設備は数年間稼働しましたが、計画された高感度に到達するために、2010 年から 2011 年に改修のため停止されました。 LIGO 検出器は 2015 年 9 月に最初に稼働し、VIRGO は 2016 年後半に加わる予定であり、この段階からは感度が高いため、少なくとも年に数回のイベントを記録できることが期待できます。

LIGO の運用開始後、予想されるバーストレートは月に約 1 イベントでした。天体物理学者たちは、最初に予想される出来事はブラックホールの合体であると事前に推定していた。これは、ブラックホールは通常中性子星よりも10倍重く、信号がより強力で、遠方からでも「見える」ため、銀河あたりの事象発生率の低さを補って余りあるという事実によるものです。幸いなことに、長く待つ必要はありませんでした。 2015 年 9 月 14 日、両方の設備で GW150914 という名前のほぼ同一の信号が記録されました。

かなり単純な分析で、ブラックホールの質量、信号強度、発生源までの距離などのデータを取得できます。ブラックホールの質量とサイズは非常に単純かつよく関係しています既知の方法で、信号周波数から、エネルギー解放領域のサイズをすぐに推定できます。この場合、サイズは、25〜30太陽質量と35〜40太陽質量の2つのホールから、60太陽質量を超える質量のブラックホールが形成されたことを示しました。これらのデータがわかれば、バーストの総エネルギーを得ることができます。ほぼ 3 つの太陽質量が重力放射線に変換されました。これは、太陽の光度 1023 の明るさに相当します。これは、宇宙の目に見える部分のすべての星がこの期間 (100 分の 1 秒) に放出する量とほぼ同じ量です。そして、測定された信号の既知のエネルギーと大きさから距離が得られます。合体した天体の大きな質量により、遠くの銀河で起こった出来事を記録することが可能になりました。信号が私たちに届くまでに約 13 億年かかりました。

もっと詳細な分析これにより、ブラックホールの質量比を明らかにし、ブラックホールが軸の周りをどのように回転したかを理解できるだけでなく、その他のパラメーターを決定することもできます。さらに、2 つの設備からの信号により、バーストの方向をおおよそ決定することができます。残念ながら、ここでの精度はまだそれほど高くありませんが、更新された VIRGO の試運転により精度は向上します。そして数年後には日本のKAGRA検出器が信号を受信し始めるだろう。その後、LIGO 検出器の 1 台 (当初は 3 台で、そのうちの 1 台は二重設置でした) がインドで組み立てられ、年間数十件のイベントが記録されることが予想されます。

新しい天文学の時代

の上この瞬間ほとんど重要な結果 LIGO の研究は重力波の存在を確認することです。さらに、最初のバーストにより、重力子の質量の制限（一般相対性理論では質量はゼロ）を改善することができ、また、重力の伝播速度と重力の速度の差をより強力に制限することができました。ライト。しかし科学者たちは、すでに 2016 年には LIGO と VIRGO を使用して多くの新しい天体物理データを取得できるようになるだろうと期待しています。

まず、重力波観測所からのデータは、新しいチャンネルブラックホールを研究しています。以前は、これらの天体の近くの物質の流れを観察することしかできませんでしたが、今では、結果として生じるブラックホールが合体して「静まる」プロセス、その地平線がどのように変動し、最終的な形状になるかを直接「見る」ことができます（回転によって決定されます）。おそらく、ブラックホールのホーキング蒸発が発見されるまで (今のところ、このプロセスは仮説のままです)、合体の研究により、ブラックホールに関するより直接的な情報が得られるでしょう。

重力波の検出は私たちにとって何を意味するのでしょうか?

数日前に科学者たちが重力波の発見を初めて発表したことは皆さんもすでにご存じかと思います。テレビやニュースサイトなどあらゆるところでこの件に関するニュースがたくさんありました。しかし、誰もわざわざ説明しようとしなかったアクセシブルな言語、この発見が実際的な面で私たちに与えるもの。

実際、すべては単純です。潜水艦に例えて説明するだけです。

ソース：

潜水艦と戦う場合、潜水艦の探知が最初の主要な任務です。他の物体と同様に、ボートもその存在によって影響を与えます。環境。言い換えれば、ボートには独自の物理フィールドがあります。潜水艦のよりよく知られた物理場には、水音響、磁気、流体力学、電気、低周波電磁気、さらには熱および光学が含まれます。ボートの物理的フィールドを海洋 (海) のフィールドの背景に対して分離することが、主な検出方法の基礎となります。
潜水艦を探知する方法は、音響、磁気測定、レーダー、ガス、熱などの物理場の種類に応じて分類されます。

空間についても同じです。私たちは望遠鏡で星を観察し、火星の写真を撮り、放射線をキャッチし、一般に皆と一緒に天を理解しようとしますアクセス可能な方法。そして今、これらの波が記録された後、別の研究方法、重力が追加されました。私たちはこれらの振動に基づいて空間を見ることができるようになります。

それで、どうやって潜水艦同様に海域を通過し、それを識別できる「痕跡」を残す天体を別の角度から研究できるようになりました。全体像。将来的には、重力波がさまざまな天体、銀河、惑星の周りでどのように曲がるのかを確認できるようになり、物体の宇宙軌道をより適切に計算する方法を学ぶことができるようになります（さらには、隕石の接近を事前に認識して予測することもできるかもしれません）。特殊な条件下での波の挙動などを確認します。

それは何を与えますか？

それはまだ明らかではありません。しかし、時間の経過とともに、装置はより正確で感度が高まり、重力波に関する豊富な資料が収集されるでしょう。これらの資料に基づいて、好奇心旺盛な心はあらゆる種類の異常、謎、パターンを見つけ始めるでしょう。これらのパターンや異常は、今度は古い理論の反論または確認として機能します。追加数式、興味深い仮説（英国の科学者は、ハトが重力波を使用して家に帰る道を見つけていることを発見しました！）など。そして、黄色の報道機関は間違いなく「重力津波」のような何らかの神話を発表するでしょう。それはいつかやって来て、私たちの世界を覆うでしょう。太陽系そしてすべての生き物はキディクを受け取るでしょう。そしてヴァンガはさらに巻き込まれていきます。要するに、楽しいでしょう:]

結果はどうなりましたか?

その結果、私たちはより高度な科学分野を手に入れ、世界のより正確でより広い全体像を提供できるようになるでしょう。そして、もしあなたが幸運で、科学者たちが驚くべき効果に遭遇したら... (たとえば、満月上の 2 つの重力波が特定の角度で必要な速度で互いに「衝突」すると、局所的な反重力源が発生します。 -pa!)...そうすれば、本格的な科学の進歩が期待できます。

「最近、重力波の直接観測に関する一連の長期実験が科学的に強い関心を集めている」と理論物理学者のミチオ・カクは2004年の著書『アインシュタインのコスモス』で書いている。 — LIGO (重力波観測用レーザー干渉計) プロジェクトは、深宇宙での 2 つのブラックホールの衝突によるものである可能性が最も高い重力波を初めて「見る」プロジェクトである可能性があります。 LIGOは物理学者の夢が実現したもので、重力波を測定するのに十分な出力を備えた最初の施設です。」

カク氏の予測は的中し、木曜日、LIGO天文台の国際科学者グループが重力波の発見を発表した。

重力波は、加速度を伴って移動する巨大な物体 (ブラックホールなど) から「逃げる」時空の振動です。言い換えれば、重力波は時空の広がりの乱れであり、絶対的な空虚の進行する変形です。

ブラックホールは時空の領域です重力引力それは非常に大きいため、光の速度で移動する物体（光自体を含む）でさえそこから離れることができません。ブラックホールを世界の他の部分から隔てる境界は事象の地平線と呼ばれます。事象の地平線内で起こるすべてのことは外部の観察者の目から隠されます。

エリン・ライアンエリン・ライアンがオンラインに投稿したケーキの写真。

科学者たちは半世紀前に重力波を捉え始めました。アメリカの物理学者ジョセフ・ウェーバーがアインシュタインの一般相対性理論 (GR) に興味を持ち、サバティカルそして重力波の研究を始めました。ウェーバーは重力波を検出する最初の装置を発明し、すぐに「重力波の音」を録音したと発表しました。しかし、科学界は彼のメッセージに反論しました。

しかし、多くの科学者が「波を追う者」に変わったのは、ジョセフ・ウェーバーのおかげです。今日、ウェーバーは重力波天文学という科学分野の父とみなされています。

「これは重力天文学の新時代の始まりです」

科学者たちが重力波を記録した LIGO 天文台は、米国にある 3 つのレーザー施設で構成されています。2 つはワシントン州に、1 つはルイジアナにあります。ミチオ・カクはレーザー検出器の動作を次のように説明しています。「レーザービームは 2 つの別々のビームに分割され、互いに直角になります。そして、鏡に反射して、彼らは再びつながります。重力波が干渉計 (測定装置) を通過すると、2 つのレーザービームの経路長が乱れ、これが干渉パターンに反映されます。レーザー設備によって記録された信号がランダムでないことを確認するには、地球上のさまざまな場所に検出器を配置する必要があります。

私たちの惑星よりもはるかに大きい巨大な重力波の影響下でのみ、すべての検出器が同時に動作します。」

今回、LIGOの共同研究は、太陽質量36と太陽質量29のブラックホールの連星系が太陽質量62の天体と合体することによって引き起こされる重力放射を検出した。「これは、重力波の作用を直接測定した初めての（直接であることが非常に重要です！）」とモスクワ州立大学物理学部のセルゲイ・ヴィャチャニン教授はガゼータ紙特派員にコメントした。科学部。 — つまり、2つのブラックホールの合体という天体物理学的大惨事からの信号が受信されたということです。そして、この信号は識別されます - これも非常に重要です。これが2つのブラックホールからのものであることは明らかです。そしてこれが始まりです新時代重力天文学により、光学、X 線、電磁波、ニュートリノ源だけでなく、重力波を通じても宇宙に関する情報を得ることが可能になります。

ブラックホールの90パーセントは仮想の天体ではなくなったと言えます。多少の疑問は残るが、それでも捕らえられた信号は、一般相対性理論に基づく2つのブラックホールの合体に関する無数のシミュレーションによって予測されたものと非常によく一致している。

これは、ブラックホールが存在するという強力な議論です。この信号についてはまだ他の説明がありません。したがって、ブラックホールが存在することが認められています。」

「アインシュタインもきっと喜ぶでしょうね」

重力波は、一般相対性理論の一部としてアルバートアインシュタイン (ちなみに、彼はブラックホールの存在に懐疑的でした) によって予測されました。 GRでは、3つの空間次元に時間が加わり、世界は4次元になります。すべての物理学をひっくり返した理論によれば、重力は質量の影響による時空の湾曲の結果です。

アインシュタインは、加速度を持って移動する物質は時空に乱れ、つまり重力波を引き起こすことを証明しました。この外乱は、物体の加速度や質量が大きいほど大きくなります。

他の基本的な相互作用に比べて重力が弱いため、これらの波の大きさは非常に小さく、記録するのが困難です。

一般相対性理論を人文科学の学者に説明するとき、物理学者はよく、伸ばされたゴムのシートの上に巨大なボールが降ろされる様子を想像するように求めます。ボールがゴムを突き抜けると、伸びたシート（時空を表す）が変形します。一般相対性理論によれば、宇宙全体はゴムであり、その上にすべての惑星、すべての星、すべての銀河がへこみを残します。私たちの地球は、重いボールによって時空が「押された」結果として形成された漏斗の円錐の周りを転がるように発射された小さなボールのように、太陽の周りを回転しています。

配布資料/ロイター

重いボールは太陽だ

アインシュタインの理論の主な裏付けである重力波の発見は、おそらく次のことを主張するものである。ノーベル賞物理学で。 LIGO協力の広報担当ガブリエラ・ゴンザレス氏は「アインシュタインはとても喜ぶだろう」と語った。

科学者らによると、この発見の実際的な適用可能性について話すのは時期尚早だという。「しかし、ハインリヒ・ヘルツ（電磁波の存在を証明したドイツの物理学者。 - Gazeta.Ru）は、電磁波が存在すると考えたでしょうか。携帯電話? いいえ！「今は何も想像できない」とモスクワ州立大学物理学部のヴァレリー・ミトロファノフ教授は言う。 MV ロモノーソフ。 ――映画『インターステラー』に注目しています。確かに彼は批判されているが、野生の男でも魔法の絨毯を想像することはできるだろう。そして魔法の絨毯は飛行機に変わり、それだけです。ここで、非常に複雑なことを想像する必要があります。『インターステラー』では、ポイントの 1 つは、人がある世界から別の世界に旅行できるという事実に関連しています。このように想像すると、人はある世界から別の世界に旅行できること、多くの宇宙が存在すること、何でも信じられますか? 「いいえ」とは答えられません。なぜなら、物理学者はそのような質問に「ノー」と答えることはできないからです。それが何らかの保存法に矛盾する場合に限ります。既知の物理法則に矛盾しないオプションがあります。つまり、世界を越えた旅行が可能になるのです！」

重力波 - アーティストのレンダリング

重力波は、時空計量の乱れであり、発生源から離れて波のように伝播します (いわゆる「時空の波紋」)。

一般相対性理論や他のほとんどの分野では現代理論重力では、重力波は、さまざまな加速度を持つ大質量体の運動によって生成されます。重力波は空間を光の速さで自由に伝播します。重力が（他の波と比べて）相対的に弱いため、これらの波の大きさは非常に小さく、記録するのが困難です。

偏光重力波

重力波は、一般相対性理論 (GR) やその他多くの理論によって予測されています。それらは、2015 年 9 月に 2 つのツイン検出器によって初めて直接検出されました。この検出器は、おそらく 2 つの検出器の合体と、もう 1 つの巨大な回転検出器の形成に起因する重力波を検出しました。ブラックホール。それらの存在の間接的な証拠は 1970 年代から知られています。一般相対性理論は、観測と一致する重力波の放射によるエネルギー損失による近接系の収束速度を予測します。重力波を直接記録し、天体物理学的プロセスのパラメータを決定するために重力波を使用することは、現代の物理学と天文学の重要な課題です。

一般相対性理論の枠組み内では、重力波は波型アインシュタイン方程式の解によって記述され、光の速度で移動する時空計量の摂動を（線形近似で）表します。この外乱の現れは、特に、自由落下する (つまり、いかなる力の影響も受けない) 2 つの試験質量間の距離の周期的変化であるはずです。振幅 h重力波は無次元の量、つまり距離の相対的な変化です。天体物理的物体 (たとえば、コンパクト連星系) や現象 (爆発、合体、ブラックホールによる捕獲など) からの重力波の予測最大振幅は、測定時に非常に小さいです ( h=10 -18 -10 -23)。一般相対性理論によれば、弱い (線形) 重力波は、エネルギーと運動量を伝達し、光速で移動し、横方向の四極子であり、互いに 45° の角度で配置された 2 つの独立した成分によって記述されます ( 2つの偏光方向を持っています)。

理論が異なれば、重力波の伝播速度の予測も異なります。一般相対性理論では、（線形近似において）光の速度に等しい。他の重力理論では、無限を含む任意の値を取ることができます。重力波の最初の記録によると、その分散は質量のない重力子と互換性があることが判明し、その速度は光の速度に等しいと推定されました。

重力波の発生

2 つの中性子星系が時空に波紋を起こす

重力波は、非対称な加速度で運動するあらゆる物質から放出されます。大きな振幅の波が発生するには、非常に大きな質量のエミッターや巨大な加速が必要です。重力波の振幅は正比例します。 加速度の一次導関数そして発電機の質量、つまり ~ 。ただし、物体が加速度で移動している場合、これは別の物体から何らかの力が作用していることを意味します。次に、この他の物体は逆の効果を経験します (ニュートンの第 3 法則に従って)。 メートル 1 ある 1 = − メートル 2 ある 2 。 2つの物体はペアでのみ重力波を発し、干渉の結果、それらはほぼ完全に相互に打ち消し合うことが判明しました。したがって、一般相対性理論における重力放射線は常に少なくとも四重極放射線の多重極性を持っています。さらに、非相対論的エミッタの場合、放射強度の式には小さなパラメータがあり、ここではエミッタの重力半径です。 r- その特徴的なサイズ、 T - 特徴的な期間動き、 c- 真空中の光の速度。

最も強力な重力波の発生源は次のとおりです。

衝突（巨大な質量、非常に小さな加速）、
コンパクトな天体の連星系の重力崩壊 (かなり大きな質量を伴う巨大な加速)。プライベートかつほとんどの場合興味深い事例- 中性子星の合体。このようなシステムでは、重力波の光度は、自然界で可能な最大のプランク光度に近くなります。

二体系から発せられる重力波

共通の重心の周りを円軌道で移動する 2 つの物体

質量を持つ 2 つの重力結合物体 メートル 1と メートル 2、非相対論的に動く（ v << c) 距離を置いて共通の重心の周りの円軌道を描く r相互に、期間の平均で次のエネルギーの重力波を放出します。

その結果、システムはエネルギーを失い、物体の収束、つまり物体間の距離の減少につながります。物体の接近速度:

たとえば、太陽系の場合、最大の重力放射はサブシステムによって生成されます。この放射線の出力は約 5 キロワットです。したがって、太陽系が重力放射線によって年間に損失するエネルギーは、物体の固有の運動エネルギーと比較すると完全に無視できるほどです。

連星系の重力崩壊

二重星は、その構成要素が共通の質量中心の周りを回転すると、（想定されているように、重力波の放出により）エネルギーを失い、最終的には合体します。しかし、コンパクトではない通常の二重星の場合、このプロセスには非常に長い時間がかかり、現代よりもはるかに長い時間がかかります。コンパクトな連星系が一対の中性子星、ブラックホール、またはその両方の組み合わせで構成されている場合、合体は数百万年以内に起こる可能性があります。まず、物体が互いに接近し、公転周期が減少します。そして最終段階では衝突と非対称重力崩壊が起こります。このプロセスはほんの一瞬続きますが、この間にエネルギーが重力放射線に失われ、ある推定によれば、このエネルギーは系の質量の 50% 以上に達します。

重力波のアインシュタイン方程式の基本的な厳密解

ボンディ・ピラニ・ロビンソンの実体波

これらの波は、という形式のメトリックによって記述されます。変数と関数を導入すると、一般相対性理論の方程式から次の方程式が得られます。

竹野メトリック

の形式を持ち、 - 関数は同じ方程式を満たします。

ローゼンメトリック

どこで満足するか

ペレスメトリック

その中で

円筒アインシュタイン・ローゼン波

円筒座標では、このような波は次のような形状を持ち、実行されます。

重力波の登録

重力波の弱点（計量の小さな歪み）のため、重力波の登録は非常に困難です。それらを登録するための装置が重力波検出器です。重力波を検出する試みは 1960 年代後半から行われてきました。検出可能な振幅の重力波は、連星の崩壊中に発生します。周辺地域でも同様の現象が10年に1回程度発生している。

一方、一般相対性理論は、重力波の放出によるエネルギーの損失による連星の相互回転の加速を予測しており、この効果は、いくつかの既知の連星コンパクト天体系（特に、、コンパクトな仲間を持つパルサー）。 1993年、最初のダブルパルサーPSR B1913+16の発見者、ラッセル・ハルスとジョセフ・テイラー・ジュニアに「重力の研究に新たな機会をもたらした新しいタイプのパルサーの発見に対して」。ノーベル物理学賞を受賞しました。この系で観測された回転の加速は、重力波の放出に関する一般相対性理論の予測と完全に一致しています。同じ現象が他のいくつかのケースでも記録されました。パルサー PSR J0737-3039、PSR J0437-4715、SDSS J065133.338+284423.37 (通常は J0651 と省略されます)、およびバイナリ RX J0806 のシステムです。たとえば、2 つのパルサー PSR J0737-3039 の最初の連星にある 2 つの構成要素 A と B の間の距離は、重力波によるエネルギー損失により 1 日あたり約 2.5 インチ (6.35 cm) ずつ減少します。これは次の現象と一致します。一般相対性理論。これらすべてのデータは、重力波の存在の間接的な確認として解釈されます。

推定によると、重力望遠鏡やアンテナにとって最も強力かつ最も頻繁に発生する重力波の発生源は、近くの銀河の連星系の崩壊に伴う大惨事です。近い将来、改良された重力検出器で同様の現象が年に数回記録され、付近の計量値が 10 -21 ～ 10 -23 歪むことが予想されます。光学メトリックパラメトリック共鳴信号の最初の観測は、宇宙メーザーの放射線に対する近接連星などの周期的発生源からの重力波の影響を検出することを可能にし、ロシアの電波天文台で得られた可能性がある。プーシチノ科学アカデミー。

宇宙を満たす重力波の背景を検出するもう 1 つの可能性は、遠く離れたパルサーの高精度のタイミング、つまり地球とパルサーの間の空間を通過する重力波の影響下で特徴的に変化するパルスの到着時間の分析です。 2013 年の推定では、宇宙内の複数の発生源からの背景波を検出するには、タイミング精度を約 1 桁改善する必要があることが示されており、この課題は 10 年代の終わりまでに達成できる可能性があります。

現代の概念によれば、私たちの宇宙は、最初の瞬間に現れた遺物の重力波で満たされています。登録することで、宇宙誕生の初期の過程に関する情報を得ることが可能になります。 2014年3月17日モスクワ時間20時、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターで、BICEP 2プロジェクトに取り組むアメリカの研究者グループが、宇宙の分極による初期宇宙の非ゼロ・テンソル擾乱の検出を発表した。マイクロ波背景放射、これはこれらの遺存的な重力波の発見でもあります。しかし、結局のところ、貢献が適切に考慮されていなかったため、この結果はすぐに異議を唱えられました。著者の一人、J.M. コヴァッツ ( コバック J.M.）、「参加者と科学ジャーナリストは、BICEP2実験のデータを解釈して報告するのに少し性急だった」と認めた。

実験による存在確認

最初に記録された重力波信号。左側はハンフォード (H1) の検出器からのデータ、右側はリビングストン (L1) の検出器からのデータです。時間は、2015 年 9 月 14 日 09:50:45 UTC からカウントされます。信号を視覚化するために、信号は 35 ～ 350 ヘルツの通過帯域の周波数フィルターでフィルター処理され、検出器の高感度範囲外の大きな変動が抑制されます。また、設備自体のノイズを抑制するためにも帯域阻止フィルターが使用されました。上の行: 検出器の電圧 h。 GW150914 は最初に L1 に到着し、6 9 +0 5 −0 4 ミリ秒後に H1 に到着しました。視覚的な比較のために、H1 からのデータは、(検出器の相対的な方向を考慮して) 反転および時間シフトされた形式で L1 グラフに表示されます。 2 行目: 同じ 35 ～ 350 Hz のバンドパスフィルターを通過した重力波信号からの電圧 h。実線は、GW150914 信号の調査に基づいて見つかったパラメーターと互換性のあるパラメーターを備えたシステムの数値相対性理論の結果であり、2 つの独立したコードによって得られ、結果の一致率は 99.9 です。灰色の太線は、2 つの異なる方法によって検出器データから再構成された波形の 90% 信頼領域です。濃い灰色の線はブラックホールの合体から予想される信号をモデル化し、明るい灰色の線は天体物理モデルを使用せず、正弦波ガウスウェーブレットの線形結合として信号を表します。再構成は 94% 重複します。 3 行目: 検出器のフィルター処理された信号から数値相対性理論信号のフィルター処理された予測を抽出した後の残留誤差。下の行: 時間の経過に伴う信号の主周波数の増加を示す、電圧周波数マップの表現。

2016 年 2 月 11 日、LIGO と VIRGO のコラボレーションによる。最大振幅約 10 -21 の 2 つのブラックホールの合体信号が、2015 年 9 月 14 日 9 時 51 分 (協定世界時) に、ハンフォードとリビングストンにある 2 台の LIGO 検出器によって、7 ミリ秒離れて、最大信号振幅の領域で記録されました ( 0.2 秒）を組み合わせた信号対雑音比は 24:1 でした。信号は GW150914 と指定されました。信号の形状は、太陽質量 36 および 29 の質量を持つ 2 つのブラックホールの合体に関する一般相対性理論の予測と一致します。結果として生じるブラックホールの質量は太陽の 62 倍で、回転パラメータは次のようになります。ある= 0.67。源までの距離は約 13 億で、合体時に 10 分の 1 秒間に放出されるエネルギーは太陽質量約 3 個分に相当します。

話

「重力波」という用語自体の歴史、これらの波の理論的および実験的研究、および他の方法ではアクセスできない現象を研究するための重力波の使用。

1900年 - ローレンツは、重力は「...光速以下の速度で広がる可能性がある」と示唆した。
1905 - ポアンカレ重力波 (onde gravifique) という用語が初めて導入されました。ポアンカレは、定性的なレベルでラプラスの確立された反対意見を取り除き、一般に受け入れられているニュートン重力法則に対する重力波に関連する修正が相殺されること、したがって重力波の存在の仮定は観測と矛盾しないことを示しました。
1916年 - アインシュタインは、一般相対性理論の枠組みの中で、機械システムはエネルギーを重力波に伝達し、大まかに言えば、恒星に対する回転は遅かれ早かれ停止するに違いないことを示しました。ただし、もちろん、通常の状態ではエネルギー損失が生じます。程度の大きさは無視でき、実際には測定できません（この研究では、彼はまた、球面対称性を常に維持する機械システムが重力波を放射できると誤って信じていました）。
1918年 - アインシュタイン重力波の放射が次数の効果であることが判明する四重極公式を導き出し、それによって以前の研究の誤差を修正しました（係数に誤差が残っており、波のエネルギーは2分の1になります）。
1923年 - エディントン - 「思考の速度で...伝播する」重力波の物理的現実に疑問を呈した。 1934 年、エディントンは彼の単行本「相対性理論」のロシア語翻訳を準備する際に、回転ロッドによるエネルギー損失を計算する 2 つのオプションを含む章を含むいくつかの章を追加しましたが、一般相対性理論の近似計算に使用される方法には次のような注意が必要でした。彼の意見では、これらは重力に束縛された系には適用できないため、疑問が残ります。
1937年 - アインシュタインはローゼンとともに、重力場の正確な方程式に対する円筒波の解を研究しました。これらの研究の過程で、彼らは重力波が一般相対性理論方程式の近似解の産物である可能性があると疑い始めました（アインシュタインとローゼンによる論文「重力波は存在しますか？」のレビューに関する往復書簡が知られています）。その後、彼は自分の推論に誤りがあることに気づき、根本的な変更を加えた論文の最終版がジャーナル・オブ・ザ・フランクリン・インスティテュートに掲載されました。
1957年 - ハーマン・ボンディとリチャード・ファインマンは、一般相対性理論における重力波の物理的影響の存在を実証する「ビーズの杖」思考実験を提案した。
1962 - Vladislav Pustovoit と Mikhail Herzenstein が、長波重力波を検出するために干渉計を使用する原理を説明しました。
1964年 - フィリップ・ピーターズとジョン・マシューが連星系から放出される重力波を理論的に説明した。
1969年 - 重力波天文学の創始者であるジョセフ・ウェーバーが、共鳴検出器（機械的重力アンテナ）を使用した重力波の検出を報告しました。これらの報告は、この方向の研究の急速な成長を引き起こし、特に LIGO プロジェクトの創設者の 1 人であるレーニエ・ワイスは当時実験を開始しました。現在（2015 年）まで、誰もこれらの出来事の信頼できる確認を得ることができませんでした。
1978年 - ジョセフ・テイラーは、連星パルサー系 PSR B1913+16 における重力放射線の検出を報告しました。ジョセフ・テイラーとラッセル・ハルスの研究により、彼らは 1993 年のノーベル物理学賞を受賞しました。 2015 年初頭の時点で、重力波放出による周期短縮を含む 3 つのポストケプラーパラメータが、少なくとも 8 つのそのような系で測定されています。
2002 - セルゲイ・コペイキンとエドワード・フォマロントは、超長基線電波干渉法を使用して力学における木星の重力場における光の偏向を測定しました。これにより、一般相対性理論の特定のクラスの仮説拡張により、速度を推定することが可能になりました。重力 - 光速との差は 20% を超えてはなりません (この解釈は一般に受け入れられていません)。
2006年 - マーサ・ブルゲイの国際チーム（オーストラリア、パークス天文台）は、一般相対性理論と、2つのパルサーPSR J0737-3039A/Bの系における重力波放射の大きさとの対応関係のより正確な確認を報告した。
2014年 - ハーバード・スミソニアン天体物理学センター（BICEP）の天文学者は、宇宙マイクロ波背景放射の変動を測定中に原始重力波を検出したと報告した。現時点（2016年）では、検出された変動は遺物起源のものではないと考えられているが、銀河内の塵の放出によって説明される。
2016 - 国際LIGOチームは、重力波通過イベント GW150914 の検出を報告しました。超強力な重力場で超高速の相対速度で相互作用する巨大天体を初めて直接観察 (< 1,2 × R s , v/c >0.5)、これにより、一般相対性理論の正しさを高次の数個のポストニュートン項の精度で検証することが可能になりました。重力波の分散の測定値は、以前に行われた分散の測定値と仮想の重力子の質量の上限と矛盾しません (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.