Unde gravitaționale. Ce este o undă gravitațională

„Recent, o serie de experimente pe termen lung privind observarea directă a undelor gravitaționale au trezit un puternic interes în comunitatea științifică”, a scris un specialist în domeniu. fizica teoretica Michio Kaku în cartea „Cosmosul lui Einstein” în 2004. — Proiectul LIGO (Laser Interferometer for Observing Gravitational Waves) poate fi primul care „vad” unde gravitaționale, cel mai probabil de la ciocnirea a două găuri negre din spațiul profund. LIGO este visul unui fizician devenit realitate, prima instalație cu suficientă putere pentru a măsura undele gravitaționale.”

Predicția lui Kaku s-a adeverit: joi, un grup de oameni de știință internaționali de la observatorul LIGO a anunțat descoperirea undelor gravitaționale.

Unde gravitaționale- acestea sunt oscilații ale spațiului-timp care „fug” de obiecte masive (de exemplu, găurile negre) care se mișcă cu accelerație. Cu alte cuvinte, undele gravitaționale sunt o perturbare de răspândire a spațiului-timp, o deformare călătorie a vidului absolut.

O gaură neagră este o regiune din spațiu-timp a cărei atracție gravitațională este atât de puternică încât chiar și obiectele care se mișcă cu viteza luminii (inclusiv lumina însăși) nu pot părăsi aceasta. Granița care separă o gaură neagră de restul lumii se numește orizont de evenimente: tot ceea ce se întâmplă în interiorul orizontului de evenimente este ascuns de ochii unui observator extern.

Erin Ryan O fotografie cu un tort postat online de Erin Ryan.

Oamenii de știință au început să prindă undele gravitaționale în urmă cu jumătate de secol: atunci fizicianul american Joseph Weber a devenit interesat de teoria relativității generale (GTR) a lui Einstein, a luat sabaticși a început să studieze undele gravitaționale. Weber a inventat primul dispozitiv de detectare a undelor gravitaționale și a anunțat curând că a înregistrat „sunetul undelor gravitaționale”. Cu toate acestea, comunitatea științifică a respins mesajul său.

Cu toate acestea, datorită lui Joseph Weber, mulți oameni de știință s-au transformat în „vânători de valuri”. Astăzi, Weber este considerat părintele domeniului științific al astronomiei undelor gravitaționale.

„Acesta este începutul unei noi ere a astronomiei gravitaționale”

Observatorul LIGO, unde oamenii de știință au înregistrat undele gravitaționale, este format din trei instalații laser în Statele Unite: două sunt situate în statul Washington și una în Louisiana. Așa descrie Michio Kaku funcționarea detectorilor laser: „Raza laser este împărțită în două fascicule separate, care apoi merg perpendicular unul pe celălalt. Apoi, reflectate de oglindă, se conectează din nou. Dacă o undă gravitațională trece printr-un interferometru (dispozitiv de măsurare), lungimile traseului celor două fascicule laser vor fi perturbate și acest lucru se va reflecta în modelul lor de interferență. Pentru a vă asigura că semnalul înregistrat de instalația laser nu este aleatoriu, detectoarele ar trebui plasate în diferite puncte de pe Pământ.

Doar sub influența unei unde gravitaționale gigantice, mult mai mare decât dimensiunea planetei noastre, toți detectoarele vor funcționa simultan.”

Acum, colaborarea LIGO a detectat radiația gravitațională cauzată de fuziunea unui sistem binar de găuri negre cu mase de 36 și 29 de mase solare într-un obiect cu o masă de 62 de mase solare. „Aceasta este prima măsurătoare directă (este foarte important că este directă!) a acțiunii undelor gravitaționale”, a comentat Serghei Vyatchanin, profesor la Facultatea de Fizică a Universității de Stat din Moscova, corespondentului Gazeta.Ru. departamentul de știință. — Adică a fost primit un semnal de la catastrofa astrofizică a fuziunii a două găuri negre. Și acest semnal este identificat - și acesta este foarte important! Este clar că aceasta este de la două găuri negre. Și acesta este începutul noua era astronomia gravitațională, care va face posibilă obținerea de informații despre Univers nu numai prin surse optice, cu raze X, electromagnetice și neutrini - ci și prin unde gravitaționale.

Putem spune că 90 la sută din găurile negre au încetat să mai fie obiecte ipotetice. Rămâne unele îndoieli, dar totuși semnalul care a fost prins se potrivește foarte bine cu ceea ce este prezis de nenumăratele simulări ale fuziunii a două găuri negre în conformitate cu teoria generală a relativității.

Acesta este un argument puternic că găurile negre există. Nu există încă o altă explicație pentru acest semnal. Prin urmare, este acceptat faptul că găurile negre există.”

„Einstein ar fi foarte fericit”

Undele gravitaționale în interiorul lor teorie generală relativitatea a fost prezisă de Albert Einstein (care, apropo, era sceptic cu privire la existența găurilor negre). În GR, timpul se adaugă celor trei dimensiuni spațiale, iar lumea devine patrudimensională. Conform teoriei care a dat peste cap toată fizica, gravitația este o consecință a curburii spațiu-timpului sub influența masei.

Einstein a demonstrat că orice materie care se mișcă cu accelerație creează o perturbare în spațiu-timp - o undă gravitațională. Această perturbare este mai mare, cu cât accelerația și masa obiectului sunt mai mari.

Din cauza slăbiciunii forte gravitationaleÎn comparație cu alte interacțiuni fundamentale, aceste unde ar trebui să aibă o magnitudine foarte mică, care este greu de înregistrat.

Când explică relativitatea generală oamenilor de știință, fizicienii le cer adesea să-și imagineze o foaie de cauciuc întinsă pe care sunt coborâte bile masive. Bilele presează prin cauciuc, iar foaia întinsă (care reprezintă spațiu-timp) este deformată. Conform relativității generale, întregul Univers este cauciuc, pe care fiecare planetă, fiecare stea și fiecare galaxie lasă urme. Pământul nostru se rotește în jurul Soarelui ca o minge mică, lansată să se rostogolească în jurul conului unei pâlnii formate ca urmare a „împingerii” spațiu-timp de către o minge grea.

FIȘĂ/Reuters

Mingea grea este Soarele

Este probabil ca descoperirea undelor gravitaționale, care este principala confirmare a teoriei lui Einstein, să fie eligibilă pentru Premiul Nobel pentru Fizică. „Einstein ar fi foarte fericit”, a spus Gabriella Gonzalez, purtătoare de cuvânt a colaborării LIGO.

Potrivit oamenilor de știință, este prea devreme să vorbim despre aplicabilitatea practică a descoperirii. „Deși, ar putea Heinrich Hertz (fizicianul german care a dovedit existența undelor electromagnetice. - Gazeta.Ru) că ar exista telefon mobil? Nu! „Nu ne putem imagina nimic acum”, a spus Valery Mitrofanov, profesor la Facultatea de Fizică a Universității de Stat din Moscova. M.V. Lomonosov. — Mă concentrez pe filmul „Interstellar”. Este criticat, da, dar și un om sălbatic și-ar putea imagina un covor magic. Și covorul magic s-a transformat într-un avion și atât. Și aici trebuie să ne imaginăm ceva foarte complex. În Interstellar, unul dintre puncte este legat de faptul că o persoană poate călători dintr-o lume în alta. Dacă îți imaginezi așa, crezi că o persoană poate călători dintr-o lume în alta, că pot exista multe universuri - orice? Nu pot răspunde nu. Pentru că un fizician nu poate răspunde la o astfel de întrebare „nu”! Doar dacă contravine unor legi de conservare! Există opțiuni care nu contrazic legile fizice cunoscute. Deci, pot exista călătorii prin lumi!”

Valentin Nikolaevich Rudenko împărtășește povestea vizitei sale în orașul Cascina (Italia), unde a petrecut o săptămână pe „antena gravitațională” tocmai construită pe atunci - interferometrul optic Michelson. În drum spre destinație, taximetristul întreabă de ce a fost construită instalația. „Oamenii de aici cred că este pentru a vorbi cu Dumnezeu”, recunoaște șoferul.

– Ce sunt undele gravitaționale?

– Unda gravitațională este unul dintre „purtătorii de informații astrofizice”. Sunt canale vizibile informația astrofizică, un rol special în „viziunea la distanță” revine telescoapelor. Astronomii au stăpânit și canalele de joasă frecvență - microunde și infraroșu, și canalele de înaltă frecvență - raze X și gamma. Pe lângă radiația electromagnetică, putem detecta fluxuri de particule din spațiu. În acest scop, se folosesc telescoape cu neutrini - detectoare mari de neutrini cosmici - particule care interacționează slab cu materia și, prin urmare, sunt greu de înregistrat. Aproape toate tipurile de „purtători de informații astrofizice” prezise teoretic și studiate în laborator au fost stăpânite în mod fiabil în practică. Excepția a fost gravitația - cea mai slabă interacțiune din microcosmos și cea mai mare forță puternicăîn macrocosmos.

Gravitația este geometrie. Undele gravitaționale sunt unde geometrice, adică unde care schimbă caracteristicile geometrice ale spațiului atunci când trec prin acel spațiu. În linii mari, acestea sunt valuri care deformează spațiul. Deformarea este modificarea relativă a distanței dintre două puncte. Radiația gravitațională diferă de toate celelalte tipuri de radiații tocmai prin aceea că este geometrică.

– A prezis Einstein undele gravitaționale?

– Formal, se crede că undele gravitaționale au fost prezise de Einstein ca una dintre consecințele teoriei sale generale a relativității, dar de fapt existența lor devine evidentă deja în teoria relativității speciale.

Teoria relativității sugerează că, datorită atracției gravitaționale, colapsul gravitațional este posibil, adică contracția unui obiect ca urmare a prăbușirii, aproximativ vorbind, până la un punct. Atunci gravitația este atât de puternică încât lumina nici măcar nu poate scăpa din ea, așa că un astfel de obiect este numit la figurat o gaură neagră.

– Care este particularitatea interacțiunii gravitaționale?

O caracteristică a interacțiunii gravitaționale este principiul echivalenței. Potrivit acestuia, răspunsul dinamic al unui corp de testare într-un câmp gravitațional nu depinde de masa acestui corp. Mai simplu spus, toate corpurile cad cu aceeași accelerație.

Interacțiunea gravitațională este cea mai slabă pe care o cunoaștem astăzi.

– Cine a fost primul care a încercat să prindă o undă gravitațională?

– Experimentul undelor gravitaționale a fost efectuat pentru prima dată de Joseph Weber de la Universitatea din Maryland (SUA). El a creat un detector gravitațional, care este acum stocat Muzeul Smithsonian la Washington. În 1968-1972, Joe Weber a efectuat o serie de observații pe o pereche de detectoare separate spațial, încercând să izoleze cazurile de „coincidențe”. Tehnica coincidentelor este împrumutată din fizica nucleară. Semnificația statistică scăzută a semnalelor gravitaționale obținute de Weber a provocat o atitudine critică față de rezultatele experimentului: nu exista nicio încredere că undele gravitaționale au fost detectate. Ulterior, oamenii de știință au încercat să crească sensibilitatea detectorilor de tip Weber. A fost nevoie de 45 de ani pentru a dezvolta un detector a cărui sensibilitate era adecvată prognozei astrofizice.

La începutul experimentului, multe alte experimente au avut loc înainte de a fi înregistrate impulsuri în această perioadă, dar intensitatea lor a fost prea scăzută.

– De ce nu a fost anunțată imediat fixarea semnalului?

– Undele gravitaționale au fost înregistrate în septembrie 2015. Dar chiar dacă s-a înregistrat o coincidență, înainte de a o anunța, este necesar să se demonstreze că nu este întâmplătoare. Semnalul preluat de la orice antenă conține întotdeauna rafale de zgomot (rafale de scurtă durată), iar una dintre ele poate apărea accidental simultan cu o explozie de zgomot pe o altă antenă. Se poate demonstra că coincidența nu s-a produs întâmplător doar cu ajutorul estimărilor statistice.

– De ce sunt atât de importante descoperirile în domeniul undelor gravitaționale?

– Capacitatea de a înregistra fondul gravitațional relict și de a măsura caracteristicile acestuia, precum densitatea, temperatura etc., ne permite să ne apropiem de începutul universului.

Ceea ce este atractiv este că radiația gravitațională este greu de detectat, deoarece interacționează foarte slab cu materia. Dar, grație aceleiași proprietăți, trece fără absorbție de la obiectele cele mai îndepărtate de noi cu cele mai misterioase, din punct de vedere al materiei, proprietăți.

Putem spune că radiația gravitațională trece fără distorsiuni. Cel mai ambițios obiectiv este studierea radiației gravitaționale care a fost separată de materia primordială în Teoria Big Bang, care a fost creată la crearea Universului.

– Descoperirea undelor gravitaționale exclude teoria cuantică?

Teoria gravitației presupune existența colapsului gravitațional, adică contracția obiectelor masive până la un punct. În același timp, teoria cuantică dezvoltată de Școala de la Copenhaga sugerează că, datorită principiului incertitudinii, este imposibil să se indice simultan exact astfel de parametri precum coordonatele, viteza și impulsul unui corp. Există aici un principiu de incertitudine, este imposibil să se determine traiectoria exactă, deoarece traiectoria este atât o coordonată, cât și o viteză etc. Este posibil doar să se determine un anumit coridor de încredere condiționat în limitele acestei erori, care este asociată; cu principiile incertitudinii. Teoria cuantică neagă categoric posibilitatea unor obiecte punctuale, dar le descrie într-o manieră probabilistică statistic: nu indică în mod specific coordonatele, ci indică probabilitatea ca aceasta să aibă anumite coordonate.

Problema unificării teoriei cuantice și a gravitației este una dintre întrebările fundamentale ale creării unei teorii unificate a câmpului.

Ei continuă să lucreze la el acum, iar cuvintele „gravitație cuantică” înseamnă o zonă complet avansată a științei, granița cunoașterii și ignoranței, unde lucrează acum toți teoreticienii din lume.

– Ce poate aduce descoperirea în viitor?

Undele gravitaționale trebuie să se afle inevitabil în fundație stiinta moderna ca una dintre componentele cunoștințelor noastre. Ele joacă un rol semnificativ în evoluția Universului și cu ajutorul acestor unde Universul ar trebui studiat. Descoperirea contribuie la dezvoltarea generală a științei și culturii.

Dacă decideți să depășiți scopul științei de astăzi, atunci este permis să vă imaginați linii de telecomunicații gravitaționale, dispozitive cu jet care utilizează radiații gravitaționale, dispozitive de introscopie cu unde gravitaționale.

– Au undele gravitaționale vreo legătură cu percepția extrasenzorială și telepatia?

Ei nu. Efectele descrise sunt efectele lumii cuantice, efectele opticii.

Intervievat de Anna Utkina

Să ne amintim că zilele trecute oamenii de știință de la LIGO au anunțat o descoperire majoră în domeniul fizicii, astrofizicii și al studiului nostru al Universului: descoperirea undelor gravitaționale, prezisă de Albert Einstein acum 100 de ani. Gizmodo a luat legătura cu Dr. Amber Staver de la Observatorul Livingston din Louisiana, o colaborare LIGO, pentru a întreba mai multe despre ce înseamnă acest lucru pentru fizică. Înțelegem că în doar câteva articole va fi dificil să ajungem la o înțelegere globală a unui nou mod de a înțelege lumea noastră, dar vom încerca.

A fost ținută mare treabă la detectarea unei singure unde gravitaționale până în prezent, iar aceasta a fost o descoperire majoră. Se pare că se deschid o mulțime de noi posibilități pentru astronomie - dar este această primă detectare doar o „simplu” dovadă că detectarea este posibilă în sine, sau poți deja să înveți mai multe din ea? realizările științifice? Ce sperați să obțineți din asta în viitor? Vor exista metode mai simple pentru detectarea acestor unde în viitor?

Aceasta este într-adevăr prima descoperire, o descoperire, dar scopul a fost întotdeauna folosirea undelor gravitaționale pentru a face noua astronomie. În loc să caute universul lumina vizibila, putem simți acum modificări subtile ale gravitației care sunt cauzate de cele mai mari, mai puternice și (după părerea mea) cele mai lucruri interesanteîn Univers – inclusiv cele despre care nu am putut niciodată să obținem informații folosind lumina.

Am putut aplica acest lucru tip nou astronomie până la undele primei detecţii. Folosind ceea ce știm deja despre GTR (relativitatea generală), am putut prezice cum sunt undele gravitaționale de la obiecte precum găurile negre sau stelele neutronice. Semnalul pe care l-am găsit se potrivește pentru o pereche de găuri negre, una de 36 de ori și cealaltă de 29 de ori mai masive decât Soarele, învolburându-se pe măsură ce se apropie una de cealaltă. În cele din urmă, se contopesc într-o gaură neagră. Deci aceasta nu este doar prima detectare a undelor gravitaționale, ci și prima observare directă a găurilor negre, deoarece acestea nu pot fi observate folosind lumină (doar prin materia care orbitează în jurul lor).

De ce sunteți sigur că efectele străine (cum ar fi vibrațiile) nu afectează rezultatele?

În LIGO, înregistrăm mult mai multe date legate de mediul și echipamentul nostru decât date care ar putea conține un semnal gravitațional. Motivul pentru aceasta este că vrem să fim cât mai încrezători posibil că nu suntem păcăliți de efecte străine sau induși în eroare să detectăm o undă gravitațională. Dacă simțim un sol anormal atunci când este detectat un semnal gravitațional, cel mai probabil vom respinge acest candidat.

Video: Unde gravitaționale pe scurt

O altă măsură pe care o luăm pentru a ne asigura că nu vedem ceva aleatoriu este ca ambii detectoare LIGO să vadă același semnal în timpul necesar pentru ca unda gravitațională să călătorească între cele două obiecte. Timpul maxim pentru o astfel de călătorie este de aproximativ 10 milisecunde. Pentru a fi siguri de o posibilă detecție, trebuie să vedem semnale de aceeași formă, aproape în același timp, iar datele pe care le colectăm despre mediul nostru trebuie să fie lipsite de anomalii.

Există multe alte teste pe care un candidat le face, dar acestea sunt principalele.

Este acolo mod practic generează unde gravitaționale care pot fi detectate folosind astfel de dispozitive? Vom reuși să construim un radio sau un laser gravitațional?

Propuneți ceea ce a făcut Heinrich Hertz la sfârșitul anilor 1880 pentru a detecta undele electromagnetice sub formă de unde radio. Dar gravitația este cea mai slabă dintre forțele fundamentale care țin Universul împreună. Din acest motiv, mișcarea masei într-un laborator sau altă instalație pentru a crea unde gravitaționale va fi prea slabă pentru a fi detectată chiar și de un detector precum LIGO. Pentru a crea valuri suficient de puternice, ar trebui să învârtim gantera atât de repede încât să rupă orice material cunoscut. Dar există multe volume mari de masă în Univers care se mișcă extrem de rapid, așa că construim detectoare care le vor căuta.

Ne va schimba această confirmare viitorul? Vom putea folosi puterea acestor valuri pentru a explora spațiul cosmic? Va fi posibil să comunicați folosind aceste unde?

Datorită cantității de masă care trebuie să se miște la viteze extreme pentru a produce unde gravitaționale pe care detectorii precum LIGO le pot detecta, singurul mecanism cunoscut pentru aceasta este perechile de stele neutronice sau găurile negre care se rotesc înainte de fuziune (pot exista și alte surse). Șansele ca o civilizație avansată să manipuleze materia sunt extrem de mici. Personal, nu cred că ar fi grozav să descoperim o civilizație capabilă să folosească undele gravitaționale ca mijloc de comunicare, deoarece acestea ne-ar putea ucide cu ușurință.

Sunt undele gravitaționale coerente? Este posibil să le facem coerente? Este posibil să le concentrăm? Ce se va întâmpla cu un obiect masiv care este afectat de un fascicul de gravitație concentrat? Acest efect poate fi folosit pentru a îmbunătăți acceleratorii de particule?

Unele tipuri de unde gravitaționale pot fi coerente. Să ne imaginăm o stea neutronică care este aproape perfect sferică. Dacă se rotește rapid, mici deformații de mai puțin de un inch vor produce unde gravitaționale de o anumită frecvență, ceea ce le va face coerente. Dar focalizarea undelor gravitaționale este foarte dificilă deoarece Universul este transparent pentru ele; undele gravitaționale străbat materie și ies neschimbate. Trebuie să schimbați calea a cel puțin unora dintre undele gravitaționale pentru a le focaliza. Este posibil ca o formă exotică de lentilă gravitațională să focalizeze cel puțin parțial undele gravitaționale, dar ar fi dificil, dacă nu imposibil, să le valorificăm. Dacă pot fi concentrați, vor fi în continuare atât de slabi încât nu îmi pot imagina vreo utilizare practică pentru ei. Dar au vorbit și despre lasere, care sunt în esență doar lumină coerentă focalizată, deci cine știe.

Care este viteza unei unde gravitaționale? Are masa? Dacă nu, poate călători mai repede decât viteza luminii?

Se crede că undele gravitaționale călătoresc cu viteza luminii. Aceasta este viteza limitată de relativitatea generală. Dar experimente precum LIGO ar trebui să testeze acest lucru. Poate că se mișcă puțin mai încet decât viteza luminii. Dacă da, atunci particula teoretică asociată cu gravitația, gravitonul, va avea masă. Deoarece gravitația însăși acționează între mase, acest lucru va adăuga complexitate teoriei. Dar nu imposibilitate. Folosim briciul lui Occam: cea mai simplă explicație este de obicei cea mai corectă.

Cât de departe trebuie să fii de o fuziune a unei găuri negre pentru a putea vorbi despre ele?

În cazul găurilor noastre negre binare, pe care le-am detectat din undele gravitaționale, acestea au produs o modificare maximă a lungimii brațelor noastre de 4 kilometri de 1 x 10 -18 metri (adică 1/1000 diametrul unui proton). De asemenea, credem că aceste găuri negre se află la 1,3 miliarde de ani lumină de Pământ.

Acum să presupunem că avem doi metri înălțime și că plutim la distanța dintre Pământ și Soare de gaura neagră. Cred că ați experimenta turtirea și întinderea alternantă de aproximativ 165 de nanometri (înălțimea dvs. se schimbă cu mai mult pe parcursul zilei). Acest lucru poate fi supraviețuit.

Dacă utilizați mod nou auziți spațiul, ce îi interesează cel mai mult pe oamenii de știință?

Potențialul nu este pe deplin cunoscut, în sensul că ar putea fi mult mai multe locuri decât am crezut. Cu cât învățăm mai multe despre Univers, cu atât mai bine vom putea răspunde la întrebările acestuia folosind undele gravitaționale. De exemplu, acestea:

• Ce cauzează exploziile de raze gamma?
• Cum se comportă materia în condițiile extreme ale unei stele care se prăbușește?
• Care au fost primele momente după Big Bang?
• Cum se comportă materia în stelele neutronice?

Dar sunt mai interesat de ce lucruri neașteptate pot fi descoperite folosind undele gravitaționale. De fiecare dată când oamenii au observat Universul într-un mod nou, am descoperit multe lucruri neașteptate care ne-au schimbat înțelegerea Universului cu susul în jos. Vreau să găsesc aceste unde gravitaționale și să descopăr ceva despre care nu aveam idee înainte.

Ne va ajuta asta să facem o adevărată unitate warp?

Deoarece undele gravitaționale interacționează slab cu materia, ele cu greu pot fi folosite pentru a mișca acea materie. Dar chiar dacă ai putea, o undă gravitațională se deplasează doar cu viteza luminii. Nu sunt potrivite pentru acționarea warp. Ar fi mișto totuși.

Dar dispozitivele anti-gravitație?

Pentru a crea un dispozitiv anti-gravitație, trebuie să transformăm forța de atracție într-o forță de repulsie. Și deși o undă gravitațională propagă modificări ale gravitației, schimbarea nu va fi niciodată respingătoare (sau negativă).

Gravitația atrage întotdeauna pentru că masa negativă nu pare să existe. La urma urmei, există încărcătură pozitivă și negativă, un pol magnetic nord și sud, dar numai o masă pozitivă. De ce? Dacă ar exista o masă negativă, mingea de materie ar cădea în sus în loc de jos. Ar fi respins de masa pozitivă a Pământului.

Ce înseamnă asta pentru capacitatea de a călători în timp și de a te teleporta? Putem găsi aplicare practică acest fenomen, pe lângă studierea Universului nostru?

Acum cel mai bun mod călătoria în timp (și numai către viitor) înseamnă călătoria cu viteza aproape de lumină (amintiți-vă de paradoxul gemenilor din Relativitatea Generală) sau mersul într-o zonă cu gravitație crescută (acest tip de călătorie în timp a fost demonstrată în Interstellar). Deoarece o undă gravitațională propagă modificări ale gravitației, va produce fluctuații foarte mici ale vitezei timpului, dar deoarece undele gravitaționale sunt în mod inerent slabe, la fel sunt și fluctuațiile timpului. Și deși nu cred că acest lucru poate fi aplicat călătoriei în timp (sau teleportarii), nu spune niciodată niciodată (pariu că ți-a tăiat respirația).

Va veni o zi când vom înceta să-l validăm pe Einstein și să începem să căutăm din nou lucruri ciudate?

Cu siguranţă! Deoarece gravitația este cea mai slabă dintre forțe, este, de asemenea, dificil de experimentat. Până acum, de fiecare dată când oamenii de știință au testat relativitatea generală, au primit rezultate exact prezise. Chiar și descoperirea undelor gravitaționale a confirmat încă o dată teoria lui Einstein. Dar cred că atunci când începem să testăm cele mai mici detalii ale teoriei (poate cu unde gravitaționale, poate cu altceva), vom găsi lucruri „amuzante”, precum rezultatul experimental care nu se potrivește tocmai cu predicția. Acest lucru nu va însemna că GTR este greșit, ci doar necesitatea de a-i clarifica detaliile.

Video: Cum au aruncat în aer undele gravitaționale internetul?

De fiecare dată când răspundem la o întrebare despre natură, apar altele noi. În cele din urmă vom avea întrebări care sunt mai mișto decât răspunsurile pe care le poate oferi relativitatea generală.

Puteți explica modul în care această descoperire ar putea avea legătură sau afecta teoria câmpului unificat? Suntem mai aproape de a-l confirma sau de a dezafirma?

Acum, rezultatele descoperirii noastre sunt dedicate în principal testării și confirmării relativității generale. Teoria unificată a câmpului încearcă să creeze o teorie care să explice fizica celor foarte mici ( mecanica cuantică) și foarte mare (relativitatea generală). Acum aceste două teorii pot fi generalizate pentru a explica amploarea lumii în care trăim, dar nu mai mult. Deoarece descoperirea noastră se concentrează pe fizica celor foarte mari, ea însăși va face puțin pentru a ne avansa către o teorie unificată. Dar nu asta este întrebarea. Domeniul fizicii undelor gravitaționale tocmai s-a născut. Pe măsură ce învățăm mai multe, cu siguranță ne vom extinde rezultatele în domeniul teoriei unificate. Dar înainte de a alerga, trebuie să mergi.

Acum că ascultăm undele gravitaționale, ce trebuie să audă oamenii de știință pentru a arunca literalmente o cărămidă? 1) Modele/structuri nenaturale? 2) Surse de unde gravitaționale din regiuni pe care le credeam goale? 3) Rick Astley - Nu te voi renunța niciodată?

Când am citit întrebarea ta, mi-am amintit imediat de scena din Contact în care radiotelescopul preia tipare numere prime. Este puțin probabil să se găsească în natură (din câte știm noi). Deci, opțiunea dvs. cu un model sau o structură nenaturală ar fi cea mai probabilă.

Nu cred că vom fi vreodată siguri că există un gol într-o anumită regiune a spațiului. În cele din urmă, sistemul de găuri negre pe care l-am descoperit a fost izolat și nu venea nicio lumină din regiune, dar am detectat totuși unde gravitaționale acolo.

În ceea ce privește muzică... sunt specializată în separarea semnalelor undelor gravitaționale de zgomotul static pe care îl măsurăm constant în mediul de fundal. Dacă aș găsi muzică într-o undă gravitațională, în special muzică pe care o mai auzisem înainte, ar fi o păcăleală. Dar muzică care nu s-a auzit niciodată pe Pământ... Ar fi ca în cazurile simple de la „Contact”.

Deoarece experimentul detectează unde prin schimbarea distanței dintre două obiecte, este amplitudinea unei direcții mai mare decât a celeilalte? Altfel, datele citite nu ar însemna că Universul își schimbă dimensiunea? Și dacă da, confirmă acest lucru extinderea sau ceva neașteptat?

Trebuie să vedem multe unde gravitaționale care vin din mai multe direcții diferite ale Universului înainte de a putea răspunde la această întrebare. În astronomie, acest lucru creează un model de populație. Câți diverse tipuri lucrurile exista? Acest întrebarea principală. Odată ce avem o mulțime de observații și începem să vedem modele neașteptate, de exemplu că undele gravitaționale de un anumit tip provin dintr-o anumită parte a Universului și nicăieri altundeva, acesta va fi un rezultat extrem de interesant. Unele modele ar putea confirma expansiunea (de care suntem foarte încrezători) sau alte fenomene de care nu suntem încă conștienți. Dar mai întâi trebuie să vedem mult mai multe unde gravitaționale.

Pentru mine este complet de neînțeles modul în care oamenii de știință au stabilit că undele pe care le-au măsurat aparțin a două găuri negre supermasive. Cum se poate determina sursa undelor cu atâta acuratețe?

Metodele de analiză a datelor utilizează un catalog de semnale de unde gravitaționale prezise pentru a le compara cu datele noastre. Dacă există o corelație puternică cu una dintre aceste predicții, sau modele, atunci nu numai că știm că este o undă gravitațională, dar știm și ce sistem a produs-o.

În fiecare mod în care este creată o undă gravitațională, indiferent dacă este prin fuziunea găurilor negre, stelele care se rotesc sau stelele mor, toate undele au forme diferite. Când detectăm o undă gravitațională, folosim aceste forme, așa cum este prezis de relativitatea generală, pentru a le determina cauza.

De unde știm că aceste valuri au venit din ciocnirea a două găuri negre și nu din alt eveniment? Este posibil să prezicem unde sau când a avut loc un astfel de eveniment cu un anumit grad de acuratețe?

Odată ce știm ce sistem a produs unda gravitațională, putem prezice cât de puternică a fost unda gravitațională aproape de locul unde a provenit. Măsurându-și puterea pe măsură ce ajunge pe Pământ și comparând măsurătorile noastre cu puterea prezisă a sursei, putem calcula cât de departe este sursa. Deoarece undele gravitaționale călătoresc cu viteza luminii, putem calcula și cât timp le-a luat undelor gravitaționale să călătorească spre Pământ.

În cazul sistemului de găuri negre pe care l-am descoperit, am măsurat modificarea maximă a lungimii brațelor LIGO la 1/1000 din diametrul protonului. Acest sistem este situat la 1,3 miliarde de ani lumină distanță. Unda gravitațională, descoperită în septembrie și anunțată recent, se îndreaptă spre noi de 1,3 miliarde de ani. Acest lucru s-a întâmplat înainte ca viața animală să se formeze pe Pământ, dar după apariția organismelor pluricelulare.

La momentul anunțului, s-a afirmat că alți detectoare ar căuta unde cu perioade mai lungi – unele dintre ele chiar cosmice. Ce ne puteți spune despre acești detectoare mari?

Există într-adevăr un detector spațial în dezvoltare. Se numește LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Deoarece va fi în spațiu, va fi destul de sensibil la undele gravitaționale de joasă frecvență, spre deosebire de detectoarele de pe pământ, din cauza vibrațiilor naturale ale Pământului. Va fi dificil pentru că sateliții vor trebui plasați mai departe de Pământ decât au fost vreodată oamenii. Dacă ceva nu merge bine, nu vom putea trimite astronauți pentru reparații, așa cum am făcut cu Hubble în anii 1990. Pentru a testa tehnologiile necesare, în decembrie a fost lansată misiunea LISA Pathfinder. Până acum, ea și-a îndeplinit toate sarcinile, dar misiunea este departe de a fi încheiată.

Este posibilă transformarea undelor gravitaționale în unde sonore? Și dacă da, cum vor arăta?

Can. Desigur, nu veți auzi doar o undă gravitațională. Dar dacă iei semnalul și îl treci prin difuzoare, îl poți auzi.

Ce ar trebui să facem cu aceste informații? Alte obiecte astronomice cu masă semnificativă emit aceste unde? Pot fi folosite undele pentru a găsi planete sau găuri negre simple?

Când căutați valori gravitaționale, nu doar masa contează. De asemenea, accelerația care este inerentă unui obiect. Găurile negre pe care le-am descoperit se învârteau una în jurul celeilalte cu 60% viteza luminii atunci când s-au unit. De aceea am putut să le detectăm în timpul fuziunii. Dar acum nu mai există unde gravitaționale care vin din ele, deoarece s-au contopit într-o singură masă inactivă.

Deci, orice are o masă mare și se mișcă foarte repede creează unde gravitaționale care pot fi detectate.

Este puțin probabil ca exoplanetele să aibă suficientă masă sau accelerație pentru a produce unde gravitaționale detectabile. (Nu spun că nu le creează deloc, doar că nu vor fi suficient de puternice sau la o frecvență diferită). Chiar dacă exoplaneta ar fi suficient de masivă pentru a produce undele necesare, accelerația ar rupe-o. Nu uitați că cele mai masive planete tind să fie giganți gazoase.

Cât de adevărată este analogia undelor în apă? Putem merge pe aceste valuri? Există „vârfuri” gravitaționale, precum „fântânile” deja cunoscute?

Deoarece undele gravitaționale se pot mișca prin materie, nu există nicio modalitate de a le călări sau de a le folosi pentru propulsie. Deci fără surfing pe unde gravitaționale.

„Vârfurile” și „fântânile” sunt grozave. Gravitația atrage întotdeauna pentru că nu există o masă negativă. Nu știm de ce, dar nu a fost observat niciodată în laborator sau în univers. Prin urmare, gravitația este de obicei reprezentată ca o „fântână”. Masa care se mișcă de-a lungul acestui „puț” va cădea mai adânc; Așa funcționează atracția. Dacă aveți o masă negativă, atunci veți obține repulsie și, odată cu ea, un „vârf”. O masă care se mișcă la „vârf” se va îndoi de ea. Deci „fântâni” există, dar „vârfurile” nu există.

Analogia apei este în regulă, atâta timp cât vorbim despre faptul că puterea unui val scade odată cu distanța parcursă de la sursă. Valul de apă va deveni din ce în ce mai mic, iar unda gravitațională va deveni din ce în ce mai slabă.

Cum va afecta această descoperire descrierea noastră a perioadei inflaționiste a Big Bang-ului?

Pe în acest moment această descoperire nu a avut practic niciun efect până acum asupra inflației. Pentru a face astfel de afirmații, trebuie să observăm undele gravitaționale relicve ale Big Bang-ului. Proiectul BICEP2 a crezut că a observat indirect aceste unde gravitaționale, dar s-a dovedit că praful cosmic era de vină. Dacă va obține datele corecte, va confirma și existența unei perioade scurte de inflație la scurt timp după Big Bang.

LIGO va putea vedea aceste unde gravitaționale direct (acesta va fi, de asemenea, cel mai slab tip de unde gravitaționale pe care sperăm să îl detectăm). Dacă le vedem, vom putea să privim adânc în trecutul Universului, așa cum nu ne-am uitat până acum, și să judecăm inflația din datele obținute.

Joi, 11 februarie, un grup de oameni de știință din cadrul proiectului internațional LIGO Scientific Collaboration au anunțat că au reușit, a cărui existență a fost prezisă de Albert Einstein încă din 1916. Potrivit cercetătorilor, pe 14 septembrie 2015, aceștia au înregistrat o undă gravitațională care a fost cauzată de coliziunea a două găuri negre cu o greutate de 29 și 36 de ori mai mare decât masa Soarelui, după care s-au contopit într-o gaură neagră mare. Potrivit acestora, acest lucru se presupune că s-a întâmplat acum 1,3 miliarde de ani, la o distanță de 410 Megaparsecs de galaxia noastră.

LIGA.net a vorbit în detaliu despre undele gravitaționale și despre descoperirea pe scară largă Bogdan Hnatyk, om de știință ucrainean, astrofizician, doctor în științe fizice și matematice, cercetător principal la Observatorul Astronomic din Kiev universitate nationala numit după Taras Shevchenko, care a condus observatorul din 2001 până în 2004.

Teoria în termeni simpli

Fizica studiază interacțiunea dintre corpuri. S-a stabilit că există patru tipuri de interacțiuni între corpuri: interacțiune electromagnetică, interacțiune nucleară puternică și slabă și interacțiune gravitațională, pe care le simțim cu toții. Datorită interacțiunii gravitaționale, planetele se rotesc în jurul Soarelui, corpurile au greutate și cad la pământ. Oamenii se confruntă în mod constant cu interacțiuni gravitaționale.

În 1916, acum 100 de ani, Albert Einstein a construit o teorie a gravitației care a îmbunătățit teoria gravitației a lui Newton, a făcut-o corectă din punct de vedere matematic: a început să îndeplinească toate cerințele fizicii și a început să ia în considerare faptul că gravitația se propagă la un viteză mare, dar finită. Aceasta este pe bună dreptate una dintre cele mai mari realizări ale lui Einstein, deoarece el a construit o teorie a gravitației care corespunde tuturor fenomenelor fizicii pe care le observăm astăzi.

Această teorie a sugerat și existența unde gravitaționale. Baza acestei predicții a fost că undele gravitaționale există ca rezultat al interacțiunii gravitaționale care are loc datorită fuziunii a două corpuri masive.

Ce este o undă gravitațională

În limbajul complex, aceasta este excitația metricii spațiu-timp. „Să zicem, spațiul are o anumită elasticitate și undele pot trece prin el este similar cu când aruncăm o pietricică în apă și undele se împrăștie din el”, a declarat doctorul în științe fizice și matematice pentru LIGA.net.

Oamenii de știință au reușit să demonstreze experimental că o oscilație similară a avut loc în Univers și o undă gravitațională a circulat în toate direcțiile. „Din punct de vedere astrofizic, pentru prima dată, a fost înregistrat fenomenul unei evoluții atât de catastrofale a unui sistem binar, când două obiecte se contopesc într-unul singur, iar această fuziune duce la o eliberare foarte intensă a energiei gravitaționale, care apoi se răspândește în spațiu sub forma a undelor gravitaționale”, a explicat omul de știință.

Cum arată (foto - EPA)

Aceste unde gravitaționale sunt foarte slabe și pentru ca ele să zguduie spațiu-timp este necesară interacțiunea unor corpuri foarte mari și masive, astfel încât intensitatea câmpului gravitațional să fie mare în punctul de generare. Dar, în ciuda slăbiciunii lor, observatorul după un anumit timp (egal cu distanța până la interacțiune împărțită la viteza semnalului) va înregistra această undă gravitațională.

Să dăm un exemplu: dacă Pământul ar cădea asupra Soarelui, atunci ar avea loc interacțiunea gravitațională: s-ar elibera energia gravitațională, s-ar forma o undă gravitațională simetrică sferică și observatorul ar fi capabil să o înregistreze. „Un fenomen similar, dar unic, din punctul de vedere al astrofizicii, a avut loc aici: două corpuri masive s-au ciocnit - două găuri negre”, a remarcat Gnatyk.

Să revenim la teorie

O gaură neagră este o altă predicție a teoriei generale a relativității a lui Einstein, care prevede că un corp care are o masă enormă, dar această masă este concentrată într-un volum mic, este capabil să distorsioneze semnificativ spațiul din jurul său, până la închiderea sa. Adică, s-a presupus că atunci când se atinge o concentrație critică a masei acestui corp - astfel încât dimensiunea corpului să fie mai mică decât așa-numita rază gravitațională, atunci spațiul din jurul acestui corp va fi închis și topologia acestuia. va fi de așa natură încât niciun semnal de la ea nu se va răspândi dincolo de spațiul închis nu poate.

„Adică, o gaură neagră, în cuvinte simple, este un obiect masiv care este atât de greu încât închide spațiu-timp în jurul său”, spune omul de știință.

Iar noi, potrivit lui, putem trimite orice semnale acestui obiect, dar el nu ni le poate trimite. Adică, niciun semnal nu poate trece dincolo de gaura neagră.

O gaură neagră trăiește conform legilor fizice obișnuite, dar, ca urmare a gravitației puternice, nici un singur corp material, nici măcar un foton, nu este capabil să depășească această suprafață critică. Găurile negre se formează în timpul evoluției stelelor obișnuite, când nucleul central se prăbușește și o parte din materia stelei, prăbușindu-se, se transformă într-o gaură neagră, iar cealaltă parte a stelei este ejectată sub forma unui plic. Supernova, transformându-se în așa-numita „explozie” a unei supernove.

Cum am văzut unda gravitațională

Să dăm un exemplu. Când avem două plutitoare la suprafața apei și apa este calmă, distanța dintre ele este constantă. Când sosește un val, acesta deplasează aceste flotoare și distanța dintre flotoare se va schimba. Valul a trecut - iar plutitoarele revin la pozițiile lor anterioare, iar distanța dintre ele este restabilită.

O undă gravitațională se propagă în spațiu-timp într-un mod similar: comprimă și întinde corpurile și obiectele care se întâlnesc pe calea sa. „Când un anumit obiect este întâlnit pe traseul unei unde, acesta este deformat de-a lungul axelor sale, iar după trecerea lui revine la forma anterioară Sub influența unei unde gravitaționale, toate corpurile sunt deformate, dar aceste deformații sunt foarte nesemnificativ”, spune Gnatyk.

Când valul pe care oamenii de știință l-au înregistrat a trecut, dimensiunea relativă a corpurilor din spațiu s-a schimbat cu o cantitate de ordinul a 1 ori 10 la puterea minus 21. De exemplu, dacă luați o riglă de metru, atunci aceasta s-a micșorat cu o sumă care este dimensiunea sa înmulțită cu 10 la puterea a 21-a minus. Aceasta este o cantitate foarte mică. Și problema era că oamenii de știință trebuiau să învețe cum să măsoare această distanță. Metodele convenționale au dat o precizie de ordinul 1 din 10 până la a 9-a putere de milioane, dar aici este nevoie de o precizie mult mai mare. În acest scop, au fost create așa-numitele antene gravitaționale (detectoare de unde gravitaționale).

Observatorul LIGO (foto - EPA)

Antena care a înregistrat undele gravitaționale este construită astfel: sunt două conducte, de aproximativ 4 kilometri lungime, situate în forma literei „L”, dar cu aceleași brațe și în unghi drept. Când o undă gravitațională lovește un sistem, aceasta deformează aripile antenei, dar în funcție de orientarea acesteia, se deformează pe una mai mult și pe cealaltă mai puțin. Și apoi apare o diferență de cale, modelul de interferență al semnalului se schimbă - apare o amplitudine totală pozitivă sau negativă.

„Adică trecerea unei unde gravitaționale este asemănătoare cu o undă pe apă care trece între două plutitoare: dacă am măsura distanța dintre ele în timpul și după trecerea undei, am vedea că distanța s-ar modifica și apoi devine la fel, a spus el Gnatyk.

Aici se măsoară modificarea relativă a distanței celor două aripi ale interferometrului, fiecare dintre ele având aproximativ 4 kilometri lungime. Și numai tehnologii și sisteme foarte precise pot măsura o astfel de deplasare microscopică a aripilor cauzată de o undă gravitațională.

La marginea Universului: de unde a venit valul?

Oamenii de știință au înregistrat semnalul folosind două detectoare, care se află în două state din Statele Unite: Louisiana și Washington, la o distanță de aproximativ 3 mii de kilometri. Oamenii de știință au reușit să estimeze de unde și de la ce distanță a venit acest semnal. Estimările arată că semnalul a venit de la o distanță de 410 Megaparsecs. Un megaparsec este distanța pe care o parcurge lumina în trei milioane de ani.

Pentru a fi mai ușor de imaginat: cea mai apropiată galaxie activă de noi, cu o gaură neagră supermasivă în centru este Centaurus A, care se află la o distanță de patru Megaparsecs de a noastră, în timp ce Nebuloasa Andromeda se află la o distanță de 0,7 Megaparsecs. „Adică, distanța de la care a venit semnalul undelor gravitaționale este atât de mare încât semnalul a călătorit pe Pământ timp de aproximativ 1,3 miliarde de ani. Acestea sunt distanțe cosmologice care ating aproximativ 10% din orizontul Universului nostru”, a spus omul de știință.

La această distanță, într-o galaxie îndepărtată, două găuri negre s-au contopit. Aceste găuri, pe de o parte, aveau dimensiuni relativ mici, iar pe de altă parte, mare putere Amplitudinea semnalului indică faptul că au fost foarte grele. S-a stabilit că masele lor erau de 36, respectiv 29 de mase solare. Masa Soarelui, după cum se știe, este egală cu 2 ori 10 până la puterea a 30-a a unui kilogram. După fuziune, aceste două corpuri s-au unit și acum în locul lor s-a format o singură gaură neagră, care are o masă egală cu 62 de mase solare. În același timp, aproximativ trei mase ale Soarelui s-au împrăștiat sub formă de energie a undelor gravitaționale.

Cine a făcut descoperirea și când

Oamenii de știință din cadrul proiectului internațional LIGO au reușit să detecteze o undă gravitațională pe 14 septembrie 2015. LIGO (Observatorul de gravitație de interferometrie cu laser) este un proiect internațional la care participă o serie de state, cu o anumită contribuție financiară și științifică, în special SUA, Italia, Japonia, care sunt avansate în domeniul acestei cercetări.

Profesorii Rainer Weiss și Kip Thorne (foto - EPA)

A fost înregistrată poza urmatoare: aripile detectorului gravitațional s-au deplasat ca urmare a trecerii efective a unei unde gravitaționale prin planeta noastră și prin această instalație. Acest lucru nu a fost raportat atunci, deoarece semnalul trebuia procesat, „curățat”, amplitudinea lui a fost găsită și verificată. Aceasta este o procedură standard: de la descoperirea efectivă până la anunțarea descoperirii, este nevoie de câteva luni pentru a emite o declarație fundamentată. „Nimeni nu vrea să-și strice reputația Acestea sunt toate date secrete, înainte de publicare despre care nimeni nu știa despre ele, existau doar zvonuri”, a menționat Hnatyk.

Poveste

Undele gravitaționale au fost studiate încă din anii 70 ai secolului trecut. În acest timp, au fost create o serie de detectoare și o serie de cercetare de bază. În anii 80, omul de știință american Joseph Weber a construit prima antenă gravitațională sub forma unui cilindru de aluminiu, care avea o dimensiune de aproximativ câțiva metri, echipată cu senzori piezo care trebuiau să înregistreze trecerea unei unde gravitaționale.

Sensibilitatea acestui dispozitiv a fost de un milion de ori mai slabă decât detectoarele actuale. Și, desigur, atunci nu a putut detecta cu adevărat valul, deși Weber a declarat că a făcut-o: presa a scris despre asta și a avut loc un „boom gravitațional” - lumea a început imediat să construiască antene gravitaționale. Weber a încurajat alți oameni de știință să preia undele gravitaționale și să continue experimentele asupra acestui fenomen, ceea ce a făcut posibilă creșterea sensibilității detectorilor de un milion de ori.

Cu toate acestea, fenomenul undelor gravitaționale în sine a fost înregistrat în secolul trecut, când oamenii de știință au descoperit un pulsar dublu. Aceasta a fost o înregistrare indirectă a faptului că undele gravitaționale există, dovedit datorită observatii astronomice. Pulsarul a fost descoperit de Russell Hulse și Joseph Taylor în 1974 în timpul observațiilor cu radiotelescopul Observatorului Arecibo. Oamenii de știință au fost premiați Premiul Nobelîn 1993 „pentru descoperirea unui nou tip de pulsari, care a oferit noi oportunități în studiul gravitației”.

Cercetare în lume și în Ucraina

În Italia, un proiect similar numit Virgo se apropie de finalizare. De asemenea, Japonia intenționează să lanseze un detector similar într-un an, iar India pregătește și ea un astfel de experiment. Adică detectoare similare există în multe părți ale lumii, dar nu au ajuns încă la modul de sensibilitate, astfel încât să putem vorbi despre detectarea undelor gravitaționale.

„Oficial, Ucraina nu este inclusă în LIGO și nici nu participă la italian și proiecte japoneze. Printre astfel de domenii fundamentale, Ucraina participă acum la proiectul LHC (Large Hadron Collider) și la CERN (vom deveni oficial participant doar după achitarea taxei de intrare)”, a declarat doctorul în științe fizice și matematice Bohdan Hnatyk pentru LIGA.net.

Potrivit acestuia, din 2015, Ucraina este membru cu drepturi depline al colaborarii internaționale CTA (Cerenkov Telescope Array), care construiește un multi telescop modern. TeV interval gamma lung (cu energii fotonice de până la 1014 eV). „Principalele surse ale unor astfel de fotoni sunt tocmai vecinătatea găurilor negre supermasive, a căror radiație gravitațională a fost înregistrată pentru prima dată de detectorul LIGO. Prin urmare, deschiderea de noi ferestre în astronomie - unde gravitaționale și multi TeV„Tehnologia electromagnetică nogo ne promite mult mai multe descoperiri în viitor”, adaugă omul de știință.

Ce urmează și cum vor ajuta noile cunoștințe oamenii? Oamenii de știință nu sunt de acord. Unii spun că acesta este doar următorul pas în înțelegerea mecanismelor Universului. Alții văd acest lucru ca fiind primii pași către noile tehnologii de deplasare în timp și spațiu. Într-un fel sau altul, această descoperire a dovedit încă o dată cât de puțin înțelegem și cât de mult mai rămâne de învățat.

Unde gravitaționale - redarea artistului

Undele gravitaționale sunt perturbări ale metricii spațiu-timp care se desprind de sursă și se propagă ca undele (așa-numitele „unduri spațiu-timp”).

În relativitatea generală și majoritatea altora teorii moderneÎn gravitație, undele gravitaționale sunt generate de mișcarea corpurilor masive cu accelerație variabilă. Undele gravitaționale se propagă liber în spațiu cu viteza luminii. Datorită slăbiciunii relative a forțelor gravitaționale (comparativ cu altele), aceste unde au o magnitudine foarte mică, care este greu de înregistrat.

Undă gravitațională polarizată

Undele gravitaționale sunt prezise de teoria generală a relativității (GR) și de multe altele. Ele au fost descoperite pentru prima dată direct în septembrie 2015 de două detectoare gemene, care au detectat unde gravitaționale, probabil rezultate din fuziunea a două și formarea unuia mai masiv rotativ. gaura neagra. Dovezile indirecte ale existenței lor sunt cunoscute încă din anii 1970 – Relativitatea Generală prezice rata de convergență a sistemelor apropiate din cauza pierderii de energie din cauza emisiei undelor gravitaționale, care coincide cu observațiile. Înregistrarea directă a undelor gravitaționale și utilizarea lor pentru a determina parametrii proceselor astrofizice este o sarcină importantă a fizicii și astronomiei moderne.

În cadrul relativității generale, undele gravitaționale sunt descrise prin soluții ale ecuațiilor Einstein de tip val, care reprezintă o perturbare a metricii spațiu-timp care se mișcă la viteza luminii (în aproximația liniară). Manifestarea acestei perturbări ar trebui să fie, în special, o modificare periodică a distanței dintre două mase de testare care căde liber (adică nu sunt influențate de nicio forță). Amplitudine h unda gravitațională este o mărime adimensională - o modificare relativă a distanței. Amplitudinile maxime prezise ale undelor gravitaționale de la obiecte astrofizice (de exemplu, sisteme binare compacte) și fenomene (explozii, fuziuni, capturi de găuri negre etc.) atunci când sunt măsurate sunt foarte mici ( h=10 −18 -10 −23). O undă gravitațională slabă (liniară), conform teoriei generale a relativității, transferă energie și impuls, se mișcă cu viteza luminii, este transversală, cvadrupol și este descrisă de două componente independente situate la un unghi de 45° una față de cealaltă ( are două direcții de polarizare).

Diferite teorii prezic viteza de propagare a undelor gravitaționale în mod diferit. În relativitatea generală, este egală cu viteza luminii (în aproximarea liniară). În alte teorii ale gravitației, poate lua orice valoare, inclusiv infinitul. Conform primei înregistrări a undelor gravitaționale, dispersia lor s-a dovedit a fi compatibilă cu un graviton fără masă, iar viteza a fost estimată a fi egală cu viteza luminii.

Generarea undelor gravitaționale

Un sistem de două stele neutronice creează ondulații în spațiu-timp

O undă gravitațională este emisă de orice materie care se mișcă cu accelerație asimetrică. Pentru ca o undă de amplitudine semnificativă să apară, sunt necesare o masă extrem de mare a emițătorului și/sau accelerații enorme, amplitudinea undei gravitaționale este direct proporțională derivata prima a acceleratiei iar masa generatorului, adică ~ . Cu toate acestea, dacă un obiect se mișcă cu o rată accelerată, aceasta înseamnă că o anumită forță acționează asupra lui de la un alt obiect. La rândul său, acest alt obiect experimentează efectul opus (conform legii a 3-a a lui Newton) și se dovedește că m 1 o 1 = − m 2 o 2 . Se dovedește că două obiecte emit unde gravitaționale doar în perechi și, ca urmare a interferenței, ele se anulează reciproc aproape complet. Prin urmare, radiația gravitațională în teoria generală a relativității are întotdeauna caracterul multipolar al radiației cel puțin cvadrupolare. În plus, pentru emițătorii nerelativiști în expresia pentru intensitatea radiației există un mic parametru unde este raza gravitațională a emițătorului, r- dimensiunea sa caracteristică, T - perioadă caracteristică miscari, c- viteza luminii in vid.

Cele mai puternice surse de unde gravitaționale sunt:

• ciocniri (mase gigantice, accelerații foarte mici),
• colapsul gravitațional al unui sistem binar de obiecte compacte (accelerări colosale cu o masă destul de mare). Ca privat și majoritatea caz interesant- fuziunea stelelor neutronice. Într-un astfel de sistem, luminozitatea undelor gravitaționale este aproape de luminozitatea maximă Planck posibilă în natură.

Unde gravitaționale emise de un sistem cu două corpuri

Două corpuri care se deplasează pe orbite circulare în jurul unui centru de masă comun

Două corpuri legate gravitațional cu mase m 1 și m 2, mișcându-se nerelativist ( v << c) pe orbite circulare în jurul centrului lor comun de masă la distanță r unul de altul, emit unde gravitaționale cu următoarea energie, în medie pe parcursul perioadei:

Ca urmare, sistemul pierde energie, ceea ce duce la convergența corpurilor, adică la scăderea distanței dintre ele. Viteza de apropiere a corpurilor:

Pentru Sistemul Solar, de exemplu, cea mai mare radiație gravitațională este produsă de subsistem și. Puterea acestei radiații este de aproximativ 5 kilowați. Astfel, energia pierdută de Sistemul Solar la radiația gravitațională pe an este complet neglijabilă în comparație cu energia cinetică caracteristică a corpurilor.

Colapsul gravitațional al unui sistem binar

Orice stea dublă, atunci când componentele sale se rotesc în jurul unui centru de masă comun, pierde energie (după cum se presupune - din cauza emisiei undelor gravitaționale) și, în cele din urmă, se contopește. Dar pentru stelele obișnuite, necompacte, duble, acest proces durează foarte mult timp, mult mai mult decât epoca actuală. Dacă un sistem binar compact constă dintr-o pereche de stele neutronice, găuri negre sau o combinație a ambelor, atunci fuziunea poate avea loc în decurs de câteva milioane de ani. În primul rând, obiectele se apropie, iar perioada lor de revoluție scade. Apoi, în etapa finală, are loc o coliziune și colaps gravitațional asimetric. Acest proces durează o fracțiune de secundă, iar în acest timp energia se pierde în radiații gravitaționale, care, conform unor estimări, se ridică la mai mult de 50% din masa sistemului.

Soluții exacte de bază ale ecuațiilor lui Einstein pentru undele gravitaționale

Undele corpului Bondi-Pirani-Robinson

Aceste unde sunt descrise printr-o metrică de forma . Dacă introducem o variabilă și o funcție, atunci din ecuațiile relativității generale obținem ecuația

Takeno Metric

are forma , -funcțiile satisfac aceeași ecuație.

metric Rosen

Unde să te mulțumești

Perez metric

În același timp

Unde cilindrice Einstein-Rosen

În coordonate cilindrice, astfel de unde au forma și sunt executate

Înregistrarea undelor gravitaționale

Înregistrarea undelor gravitaționale este destul de dificilă din cauza slăbiciunii acestora din urmă (mică distorsiune a metricii). Dispozitivele de înregistrare a acestora sunt detectoare de unde gravitaționale. Încercările de a detecta undele gravitaționale au fost făcute încă de la sfârșitul anilor 1960. Undele gravitaționale de amplitudine detectabilă se nasc în timpul prăbușirii unui binar. Evenimente similare au loc în zona înconjurătoare aproximativ o dată pe deceniu.

Pe de altă parte, teoria generală a relativității prezice accelerația rotației reciproce a stelelor binare din cauza pierderii de energie din cauza emisiei undelor gravitaționale, iar acest efect este înregistrat în mod fiabil în mai multe sisteme cunoscute de obiecte binare compacte (în în special, pulsari cu însoțitori compacti). În 1993, „pentru descoperirea unui nou tip de pulsar, care a oferit noi oportunități în studiul gravitației” descoperitorilor primului pulsar dublu PSR B1913+16, Russell Hulse și Joseph Taylor Jr. a fost distins cu Premiul Nobel pentru Fizică. Accelerația de rotație observată în acest sistem coincide complet cu predicțiile relativității generale pentru emisia undelor gravitaționale. Același fenomen a fost înregistrat și în alte câteva cazuri: pentru pulsarii PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (de obicei prescurtat J0651) și sistemul binar RX J0806. De exemplu, distanța dintre cele două componente A și B ale primei stele binare a celor doi pulsari PSR J0737-3039 scade cu aproximativ 2,5 inchi (6,35 cm) pe zi din cauza pierderii de energie la undele gravitaționale, iar acest lucru se întâmplă în acord cu relativitatea generală. Toate aceste date sunt interpretate ca o confirmare indirectă a existenței undelor gravitaționale.

Potrivit estimărilor, cele mai puternice și frecvente surse de unde gravitaționale pentru telescoapele și antene gravitaționale sunt catastrofele asociate cu prăbușirea sistemelor binare din galaxiile din apropiere. Este de așteptat ca în viitorul apropiat mai multe evenimente similare pe an să fie înregistrate pe detectoare gravitaționale îmbunătățite, distorsionând metrica din vecinătate cu 10 −21 -10 −23 . Primele observații ale unui semnal de rezonanță parametrică optic-metrică, care face posibilă detectarea efectului undelor gravitaționale din surse periodice, cum ar fi un binar apropiat asupra radiației maserelor cosmice, ar fi putut fi obținute la observatorul radioastronomic al Rusiei. Academia de Științe, Pușchino.

O altă posibilitate de a detecta fundalul undelor gravitaționale care umple Universul este sincronizarea de înaltă precizie a pulsarilor îndepărtați - analiza timpului de sosire a pulsurilor lor, care se schimbă în mod caracteristic sub influența undelor gravitaționale care trec prin spațiul dintre Pământ și pulsar. Estimările pentru 2013 indică faptul că precizia sincronizarii trebuie îmbunătățită cu aproximativ un ordin de mărime pentru a detecta undele de fundal din mai multe surse din Universul nostru, o sarcină care ar putea fi îndeplinită înainte de sfârșitul deceniului.

Conform conceptelor moderne, Universul nostru este plin de unde gravitaționale relicve care au apărut în primele momente după. Înregistrarea lor va face posibilă obținerea de informații despre procesele de la începutul nașterii Universului. Pe 17 martie 2014, la ora 20:00, ora Moscovei, la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică, un grup american de cercetători care lucrează la proiectul BICEP 2 a anunțat detectarea perturbațiilor tensorale diferite de zero în Universul timpuriu prin polarizarea cosmicului. radiația de fond cu microunde, care este, de asemenea, descoperirea acestor unde gravitaționale relicte. Cu toate acestea, aproape imediat acest rezultat a fost contestat, deoarece, după cum s-a dovedit, contribuția nu a fost luată în considerare în mod corespunzător. Unul dintre autori, J. M. Kovats ( Kovac J.M.), a recunoscut că „participanții și jurnaliștii științifici au fost puțin grăbiți în interpretarea și raportarea datelor din experimentul BICEP2”.

Confirmarea experimentală a existenței

Primul semnal de undă gravitațională înregistrat. În stânga sunt date de la detectorul din Hanford (H1), în dreapta - în Livingston (L1). Ora este contorizată începând cu 14 septembrie 2015, 09:50:45 UTC. Pentru vizualizarea semnalului, acesta este filtrat printr-un filtru de frecvență cu o bandă de trecere de 35-350 Hertz pentru a suprima fluctuațiile mari în afara domeniului de sensibilitate ridicată a detectorilor, de asemenea, pentru a suprima zgomotul instalațiilor în sine; Rândul de sus: tensiuni h în detectoare. GW150914 a ajuns mai întâi la L1 și 6 9 +0 5 −0 4 ms mai târziu la H1; Pentru comparație vizuală, datele de la H1 sunt afișate în graficul L1 în formă inversată și decalată în timp (pentru a ține seama de orientarea relativă a detectorilor). Al doilea rând: tensiuni h de la semnalul undei gravitaționale, trecute prin același filtru trece-bandă de 35-350 Hz. Linia continuă este rezultatul relativității numerice pentru un sistem cu parametri compatibili cu cei găsiți pe baza studiului semnalului GW150914, obținut prin două coduri independente cu o potrivire rezultată de 99,9. Liniile groase gri sunt regiunile de încredere de 90% ale formei de undă reconstruite din datele detectorului prin două metode diferite. Linia gri închis modelează semnalele așteptate de la fuziunea găurilor negre, linia gri deschis nu folosește modele astrofizice, ci reprezintă semnalul ca o combinație liniară de wavelets sinusoidal-gauss. Reconstrucțiile se suprapun cu 94%. Al treilea rând: Erori reziduale după extragerea predicției filtrate a semnalului de relativitate numerică din semnalul filtrat al detectoarelor. Rândul de jos: reprezentarea hărții de frecvență a tensiunilor, care arată creșterea frecvenței dominante a semnalului în timp.

11 februarie 2016 de colaborarile LIGO si VIRGO. Un semnal de fuziune a două găuri negre cu o amplitudine de maxim aproximativ 10 -21 a fost înregistrat pe 14 septembrie 2015 la 9:51 UTC de două detectoare LIGO din Hanford și Livingston, la 7 milisecunde una de cealaltă, în regiunea amplitudinii maxime a semnalului ( 0,2 secunde) combinat raportul semnal-zgomot a fost de 24:1. Semnalul a fost desemnat GW150914. Forma semnalului se potrivește cu predicția relativității generale pentru fuziunea a două găuri negre cu mase de 36 și 29 de mase solare; gaura neagră rezultată ar trebui să aibă o masă de 62 solar și un parametru de rotație o= 0,67. Distanța până la sursă este de aproximativ 1,3 miliarde, energia emisă în zecimi de secundă în fuziune este echivalentul a aproximativ 3 mase solare.

Poveste

Istoria termenului „undă gravitațională” în sine, căutarea teoretică și experimentală a acestor unde, precum și utilizarea lor pentru studierea fenomenelor inaccesibile altor metode.

• 1900 - Lorentz a sugerat că gravitația „...se poate răspândi cu o viteză nu mai mare decât viteza luminii”;
• 1905 - Poincaré a introdus mai întâi termenul de undă gravitațională (onde gravifique). Poincaré, la nivel calitativ, a înlăturat obiecțiile stabilite ale lui Laplace și a arătat că corecțiile asociate undelor gravitaționale la legile newtoniene general acceptate ale gravitației de ordine se anulează, astfel ipoteza existenței undelor gravitaționale nu contrazice observațiile;
• 1916 - Einstein a arătat că, în cadrul relativității generale, un sistem mecanic va transfera energie undelor gravitaționale și, aproximativ vorbind, orice rotație față de stelele fixe trebuie să se oprească mai devreme sau mai târziu, deși, desigur, în condiții normale, pierderile de energie. de ordinul de mărime sunt neglijabile și practic nemăsurabile (în această lucrare, el a crezut, de asemenea, în mod eronat că un sistem mecanic care menține constant simetria sferică poate emite unde gravitaționale);
• 1918 - Einstein a derivat o formulă de patrupol în care emisia undelor gravitaționale se dovedește a fi un efect de ordine, corectând astfel eroarea din lucrarea sa anterioară (o eroare a rămas în coeficient, energia undei este de 2 ori mai mică);
• 1923 - Eddington - a pus la îndoială realitatea fizică a undelor gravitaționale „...propagându-se...cu viteza gândirii”. În 1934, când pregătea traducerea în limba rusă a monografiei sale „Teoria relativității”, Eddington a adăugat mai multe capitole, inclusiv capitole cu două opțiuni pentru calcularea pierderilor de energie de către o tijă rotativă, dar a remarcat că metodele utilizate pentru calculele aproximative ale relativității generale, în opinia sa, nu sunt aplicabile sistemelor legate gravitațional, deci rămân îndoieli;
• 1937 - Einstein, împreună cu Rosen, a investigat soluții de unde cilindrice la ecuațiile exacte ale câmpului gravitațional. În timpul acestor studii, ei au început să se îndoiască că undele gravitaționale ar putea fi un artefact al soluțiilor aproximative ale ecuațiilor relativității generale (se cunoaște corespondența cu privire la o revizuire a articolului „Există undele gravitaționale?” de Einstein și Rosen). Mai târziu, a găsit o eroare în raționamentul său, versiunea finală a articolului cu modificări fundamentale a fost publicată în Journal of the Franklin Institute;
• 1957 - Herman Bondi și Richard Feynman au propus experimentul de gândire „trestie cu mărgele” în care au fundamentat existența consecințelor fizice ale undelor gravitaționale în relativitatea generală;
• 1962 - Vladislav Pustovoit și Mihail Herzenstein au descris principiile utilizării interferometrelor pentru a detecta undele gravitaționale cu unde lungi;
• 1964 - Philip Peters și John Matthew au descris teoretic undele gravitaționale emise de sistemele binare;
• 1969 - Joseph Weber, fondatorul astronomiei undelor gravitaționale, raportează detectarea undelor gravitaționale folosind un detector rezonant - o antenă gravitațională mecanică. Aceste rapoarte dau naștere unei creșteri rapide a activității în această direcție, în special, Rainier Weiss, unul dintre fondatorii proiectului LIGO, a început experimentele în acel moment. Până în prezent (2015), nimeni nu a putut obține o confirmare fiabilă a acestor evenimente;
• 1978 - Joseph Taylor a raportat detectarea radiației gravitaționale în sistemul pulsar binar PSR B1913+16. Cercetările lui Joseph Taylor și Russell Hulse le-au adus în 1993 Premiul Nobel pentru Fizică. La începutul anului 2015, trei parametri post-keplerieni, inclusiv reducerea perioadei datorată emisiei undelor gravitaționale, au fost măsurați pentru cel puțin 8 astfel de sisteme;
• 2002 - Sergey Kopeikin și Edward Fomalont au folosit interferometria undelor radio de bază ultra-lungă pentru a măsura deviația luminii în câmpul gravitațional al lui Jupiter în dinamică, care pentru o anumită clasă de extensii ipotetice ale relativității generale face posibilă estimarea vitezei gravitația - diferența față de viteza luminii nu trebuie să depășească 20% (această interpretare nu este general acceptată);
• 2006 - echipa internațională a lui Martha Bourgay (Observatorul Parkes, Australia) a raportat o confirmare semnificativ mai precisă a relativității generale și a corespondenței acesteia cu magnitudinea radiației undelor gravitaționale în sistemul a doi pulsari PSR J0737-3039A/B;
• 2014 - Astronomii de la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică (BICEP) au raportat detectarea undelor gravitaționale primordiale în timp ce măsurau fluctuațiile radiației cosmice de fond cu microunde. În momentul de față (2016), fluctuațiile detectate sunt considerate a nu fi de origine relictă, ci se explică prin emisia de praf în Galaxie;
• 2016 - echipa internationala LIGO a raportat detectarea evenimentului de tranzit al undei gravitaționale GW150914. Pentru prima dată, observarea directă a corpurilor masive care interacționează în câmpuri gravitaționale ultra-puternice cu viteze relative ultra-înalte (< 1,2 × R s , v/c >0.5), care a făcut posibilă verificarea corectitudinii relativității generale cu o acuratețe a mai multor termeni post-newtonieni de ordin înalt. Dispersia măsurată a undelor gravitaționale nu contrazice măsurătorile efectuate anterior ale dispersiei și limitei superioare a masei unui graviton ipotetic (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.