Гравитационните вълни - открити! Открихме гравитационни вълни. Какво следва? Ефект на гравитационните вълни

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Мъниста в космоса

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

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

"G" на Земята

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

Огледала във формата на буквата "g" [отнася се за американските обсерватории LIGO] висят на разстояние четири километра едно от друго.

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

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

Посока

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

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

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

Наистина ли съществуват черни дупки?

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

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

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

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

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

Дали гравитационните вълни се движат със скоростта на светлината?

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

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

Направено ли е пространство-времето от космически струни?

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

Могат ли неутронните звезди да са бучки?

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

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

Защо звездите експлодират?

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

Колко бързо се разширява Вселената?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Лазерни гиганти

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

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

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

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

Ерата на новата астрономия

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

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

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

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

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

Нека припомним, че онзи ден учените от LIGO обявиха голям пробив в областта на физиката, астрофизиката и нашето изследване на Вселената: откриването на гравитационните вълни, предсказани от Алберт Айнщайн преди 100 години. Gizmodo се свърза с д-р Амбър Ставър от обсерваторията Ливингстън в Луизиана, сътрудничество на LIGO, за да попита повече за това какво означава това за физиката. Разбираме, че само с няколко статии ще бъде трудно да постигнем глобално разбиране на нов начин за разбиране на нашия свят, но ще опитаме.

Досега е извършено огромно количество работа за откриване на една гравитационна вълна и това беше голям пробив. Изглежда, че се отварят много нови възможности за астрономията - но дали това първо откриване е "просто" доказателство, че откриването е възможно само по себе си, или вече можете да извлечете по-нататъшен научен напредък от него? Какво се надявате да получите от това в бъдеще? Ще има ли по-прости методи за откриване на тези вълни в бъдеще?

Това наистина е първо откритие, пробив, но целта винаги е била да се използват гравитационни вълни за нова астрономия. Вместо да търсим във Вселената видима светлина, сега можем да усетим фините промени в гравитацията, причинени от най-големите, най-силните и (според мен) най-интересните неща във Вселената - включително някои, за които никога не бихме могли да разберем с помощ от светлина.

Успяхме да приложим този нов тип астрономия към първите вълни за откриване. Използвайки това, което вече знаем за GTR (обща теория на относителността), успяхме да предвидим какви са гравитационните вълни от обекти като черни дупки или неутронни звезди. Сигналът, който открихме, съвпада с прогнозата за двойка черни дупки, едната 36, а другата 29 пъти по-масивна от Слънцето, които се въртят, когато се приближават една към друга. Накрая те се сливат в една черна дупка. Така че това е не само първото откриване на гравитационни вълни, но и първото директно наблюдение на черни дупки, тъй като те не могат да бъдат наблюдавани с помощта на светлина (само от материята, която обикаля около тях).

Защо сте сигурни, че странични ефекти (като вибрации) не влияят на резултатите?

В LIGO ние записваме много повече данни, свързани с нашата среда и оборудване, отколкото данни, които може да съдържат сигнал от гравитационна вълна. Причината за това е, че искаме да сме възможно най-уверени, че не сме заблудени от външни ефекти или подведени да открием гравитационна вълна. Ако усетим необичайна почва, когато бъде открит сигнал от гравитационна вълна, най-вероятно ще отхвърлим този кандидат.

Видео: Накратко за гравитационните вълни

Друга мярка, която предприемаме, за да сме сигурни, че не виждаме нещо случайно, е и двата детектора LIGO да виждат един и същ сигнал в рамките на времето, необходимо на гравитационната вълна да премине между двата обекта. Максималното време за такова пътуване е приблизително 10 милисекунди. За да сме сигурни във възможното откриване, трябва да виждаме сигнали с еднаква форма, почти по едно и също време, а данните, които събираме за нашата среда, трябва да са без аномалии.

Има много други тестове, които кандидатът полага, но това са основните.

Има ли практически начин за генериране на гравитационни вълни, които могат да бъдат открити от такива устройства? Ще можем ли да изградим гравитационно радио или лазер?

Вие предлагате това, което Хайнрих Херц направи в края на 1880 г., за да открие електромагнитни вълни под формата на радиовълни. Но гравитацията е най-слабата от основните сили, които държат Вселената заедно. Поради тази причина движението на маса в лаборатория или друго съоръжение за създаване на гравитационни вълни ще бъде твърде слабо, за да бъде открито дори от детектор като LIGO. За да създадем достатъчно силни вълни, ще трябва да завъртим дъмбела толкова бързо, че да разкъса всеки известен материал. Но във Вселената има много големи обеми маса, които се движат изключително бързо, така че ние изграждаме детектори, които ще ги търсят.

Ще промени ли това потвърждение нашето бъдеще? Ще можем ли да използваме силата на тези вълни, за да изследваме космоса? Ще бъде ли възможно да се комуникира с помощта на тези вълни?

Поради количеството маса, която трябва да се движи с екстремни скорости, за да произведе гравитационни вълни, които детектори като LIGO могат да открият, единственият известен механизъм за това са двойки неутронни звезди или черни дупки, въртящи се преди сливане (може да има други източници). Вероятността някаква напреднала цивилизация да манипулира материята е изключително малка. Лично аз не мисля, че би било страхотно да открием цивилизация, способна да използва гравитационните вълни като средство за комуникация, тъй като те лесно биха могли да ни убият.

Кохерентни ли са гравитационните вълни? Възможно ли е да ги направим съгласувани? Възможно ли е да ги фокусирате? Какво ще се случи с масивен обект, който е засегнат от фокусиран лъч на гравитацията? Може ли този ефект да се използва за подобряване на ускорителите на частици?

Някои видове гравитационни вълни могат да бъдат кохерентни. Нека си представим неутронна звезда, която е почти идеално сферична. Ако се върти бързо, малки деформации от по-малко от инч ще произведат гравитационни вълни с определена честота, което ще ги направи кохерентни. Но фокусирането на гравитационни вълни е много трудно, защото Вселената е прозрачна за тях; гравитационните вълни преминават през материята и излизат непроменени. Трябва да промените пътя на поне някои от гравитационните вълни, за да ги фокусирате. Може би една екзотична форма на гравитационни лещи би могла поне частично да фокусира гравитационните вълни, но би било трудно, ако не и невъзможно, да се използват. Ако могат да се съсредоточат, пак ще са толкова слаби, че не мога да си представя някаква практическа полза от тях. Но те също са говорили за лазери, които по същество са само фокусирана кохерентна светлина, така че кой знае.

Каква е скоростта на гравитационна вълна? Има ли маса? Ако не, може ли да пътува по-бързо от скоростта на светлината?

Смята се, че гравитационните вълни се движат със скоростта на светлината. Това е скоростта, ограничена от общата теория на относителността. Но експерименти като LIGO трябва да тестват това. Може би се движат малко по-бавно от скоростта на светлината. Ако е така, тогава теоретичната частица, свързана с гравитацията, гравитонът, ще има маса. Тъй като самата гравитация действа между масите, това ще добави сложност към теорията. Но не и невъзможност. Ние използваме бръснача на Окам: най-простото обяснение обикновено е най-правилното.

Колко далеч трябва да сте от сливането на черни дупки, за да можете да говорите за тях?

В случая на нашите двоични черни дупки, които открихме от гравитационни вълни, те произведоха максимална промяна в дължината на нашите 4-километрови рамена от 1 x 10 -18 метра (това е 1/1000 от диаметъра на протон). Ние също вярваме, че тези черни дупки са на 1,3 милиарда светлинни години от Земята.

Сега да предположим, че сме два метра високи и се носим на разстоянието от Земята до Слънцето от черната дупка. Мисля, че ще изпитате редуващо се сплескване и разтягане от около 165 нанометра (ръстът ви се променя с повече през деня). Това може да се преживее.

По нов начин да чуем космоса, от какво най-много се интересуват учените?

Потенциалът не е напълно известен, в смисъл, че може да има много повече места, отколкото предполагахме. Колкото повече научаваме за Вселената, толкова по-добре ще можем да отговорим на нейните въпроси с помощта на гравитационни вълни. Например тези:

• Какво причинява гама-лъчи?
• Как се държи материята при екстремни условия на колабираща звезда?
• Какви бяха първите моменти след Големия взрив?
• Как се държи материята в неутронните звезди?

Но аз се интересувам повече от това какви неочаквани неща могат да бъдат открити с помощта на гравитационните вълни. Всеки път, когато хората наблюдаваха Вселената по нов начин, ние откривахме много неочаквани неща, които обръщаха нашето разбиране за Вселената с главата надолу. Искам да намеря тези гравитационни вълни и да открия нещо, за което не сме имали представа преди.

Това ще ни помогне ли да направим истинско уорп устройство?

Тъй като гравитационните вълни взаимодействат слабо с материята, те трудно могат да бъдат използвани за движение на тази материя. Но дори и да можете, гравитационната вълна се движи само със скоростта на светлината. Не са подходящи за варп задвижване. Все пак би било готино.

Какво ще кажете за антигравитационните устройства?

За да създадем антигравитационно устройство, трябва да превърнем силата на привличане в сила на отблъскване. И въпреки че една гравитационна вълна разпространява промени в гравитацията, промяната никога няма да бъде отблъскваща (или отрицателна).

Гравитацията винаги привлича, защото отрицателната маса изглежда не съществува. В крайна сметка има положителен и отрицателен заряд, северен и южен магнитен полюс, но само положителна маса. Защо? Ако съществуваше отрицателна маса, топката от материя щеше да падне нагоре, вместо надолу. Тя ще бъде отблъсната от положителната маса на Земята.

Какво означава това за способността за пътуване във времето и телепортация? Можем ли да намерим практическо приложение на този феномен, освен да изучаваме нашата Вселена?

Понастоящем най-добрият начин за пътуване във времето (и само до бъдещето) е да пътувате със скорост, близка до светлинната (помнете парадокса на близнаците в Общата теория на относителността) или да отидете в зона с повишена гравитация (този вид пътуване във времето беше демонстрирано в Интерстелар). Тъй като гравитационната вълна разпространява промени в гравитацията, тя ще доведе до много малки флуктуации в скоростта на времето, но тъй като гравитационните вълни са по своята същност слаби, такива са и флуктуациите във времето. И въпреки че не мисля, че това може да се приложи към пътуването във времето (или телепортацията), никога не казвай никога (обзалагам се, че ви е спряло дъха).

Ще дойде ли ден, когато ще спрем да утвърждаваме Айнщайн и ще започнем отново да търсим странни неща?

Със сигурност! Тъй като гравитацията е най-слабата от силите, също е трудно да се експериментира с нея. Досега всеки път, когато учените тестваха общата теория на относителността, те получаваха точно прогнозирани резултати. Дори откриването на гравитационните вълни още веднъж потвърждава теорията на Айнщайн. Но вярвам, че когато започнем да тестваме най-малките детайли на теорията (може би с гравитационни вълни, може би с нещо друго), ще открием „смешни“ неща, като експерименталният резултат, който не съвпада точно с прогнозата. Това няма да означава, че ГТП е грешен, а само необходимостта от изясняване на неговите подробности.

Видео: Как гравитационните вълни взривиха интернет?

Всеки път, когато отговорим на един въпрос за природата, възникват нови. В крайна сметка ще имаме въпроси, които са по-готини от отговорите, които общата теория на относителността може да даде.

Можете ли да обясните как това откритие може да се свърже или да повлияе на теорията на единното поле? По-близо ли сме до това да го потвърдим или да го развенчаем?

Сега резултатите от нашето откритие са посветени главно на тестване и потвърждаване на общата теория на относителността. Обединената теория на полето се стреми да създаде теория, която обяснява физиката на много малкото (квантова механика) и много голямото (обща теория на относителността). Сега тези две теории могат да бъдат обобщени, за да обяснят мащаба на света, в който живеем, но не повече. Тъй като нашето откритие се фокусира върху физиката на много голямото, само по себе си то няма да направи много, за да ни придвижи към единна теория. Но не това е въпросът. Областта на физиката на гравитационните вълни току-що е родена. Докато научаваме повече, със сигурност ще разширим нашите резултати в областта на единната теория. Но преди да бягате, трябва да ходите.

Сега, след като слушаме гравитационните вълни, какво трябва да чуят учените, за да взривят буквално тухла? 1) Неестествени модели/структури? 2) Източници на гравитационни вълни от региони, които смятахме за празни? 3) Рик Астли - Никога няма да се откажа?

Когато прочетох въпроса ви, веднага се сетих за сцената от Контакт, в която радиотелескопът улавя модели на прости числа. Това е малко вероятно да се намери в природата (доколкото знаем). Така че вашият вариант с неестествен модел или структура би бил най-вероятен.

Не мисля, че някога ще сме сигурни, че има празнота в определен регион на пространството. В крайна сметка системата от черни дупки, която открихме, беше изолирана и от региона не идваше светлина, но все пак открихме гравитационни вълни там.

Относно музиката... Специализирам се в отделянето на сигнали от гравитационни вълни от статичния шум, който постоянно измерваме във фоновата среда. Ако открия музика в гравитационна вълна, особено музика, която съм чувал преди, това ще бъде измама. Но музика, която никога не е чувана на Земята... Би било като с прости случаи от „Контакт“.

Тъй като експериментът открива вълни чрез промяна на разстоянието между два обекта, амплитудата на едната посока по-голяма ли е от другата? В противен случай няма ли данните, които се четат, да означават, че Вселената се променя по размер? И ако е така, това потвърждава ли разширяването или нещо неочаквано?

Трябва да видим много гравитационни вълни, идващи от много различни посоки във Вселената, преди да можем да отговорим на този въпрос. В астрономията това създава популационен модел. Колко различни вида неща има? Това е основният въпрос. След като имаме много наблюдения и започнем да виждаме неочаквани модели, например, че гравитационните вълни от определен тип идват от определена част на Вселената и никъде другаде, това ще бъде изключително интересен резултат. Някои модели могат да потвърдят разширяване (в което сме много уверени) или други явления, за които все още не сме наясно. Но първо трябва да видим много повече гравитационни вълни.

За мен е напълно непонятно как учените са установили, че измерваните от тях вълни принадлежат на две супермасивни черни дупки. Как може да се определи източникът на вълните с такава точност?

Методите за анализ на данни използват каталог от прогнозирани сигнали на гравитационни вълни за сравнение с нашите данни. Ако има силна корелация с една от тези прогнози или модели, тогава ние не само знаем, че това е гравитационна вълна, но също така знаем каква система я е произвела.

Всеки един начин, по който се създава гравитационна вълна, било то сливане на черни дупки, въртене на звезди или умиране на звезди, всички вълни имат различни форми. Когато открием гравитационна вълна, ние използваме тези форми, както е предвидено от общата теория на относителността, за да определим причината им.

Как да разберем, че тези вълни са дошли от сблъсъка на две черни дупки, а не от някакво друго събитие? Възможно ли е да се предвиди къде или кога се е случило подобно събитие с някаква степен на точност?

След като разберем коя система е произвела гравитационната вълна, можем да предвидим колко силна е гравитационната вълна близо до мястото, където е възникнала. Чрез измерване на силата му, докато достига Земята и сравняване на нашите измервания с прогнозираната сила на източника, можем да изчислим колко далеч е източникът. Тъй като гравитационните вълни се движат със скоростта на светлината, можем също да изчислим колко време е отнело на гравитационните вълни да пътуват към Земята.

В случая на системата с черни дупки, която открихме, ние измерихме максималната промяна в дължината на рамената LIGO на 1/1000 от диаметъра на протона. Тази система се намира на 1,3 милиарда светлинни години. Гравитационната вълна, открита през септември и обявена наскоро, се движи към нас от 1,3 милиарда години. Това се случи преди животинският живот да се формира на Земята, но след появата на многоклетъчните организми.

По време на съобщението беше посочено, че други детектори ще търсят вълни с по-дълги периоди - някои от тях дори космически. Какво можете да ни кажете за тези големи детектори?

Наистина има космически детектор в процес на разработка. Нарича се LISA (космическа антена за лазерен интерферометър). Тъй като ще бъде в космоса, той ще бъде доста чувствителен към нискочестотни гравитационни вълни, за разлика от земните детектори, поради естествените вибрации на Земята. Ще бъде трудно, защото сателитите ще трябва да бъдат поставени по-далеч от Земята, отколкото хората някога са били. Ако нещо се обърка, няма да можем да изпратим астронавти за ремонт, както направихме с Хъбъл през 90-те години. За да се тестват необходимите технологии, мисията LISA Pathfinder стартира през декември. Досега тя е изпълнила всичките си задачи, но мисията далеч не е приключила.

Възможно ли е гравитационните вълни да се преобразуват в звукови? И ако е така, как ще изглеждат?

Мога. Разбира се, няма да чуете просто гравитационна вълна. Но ако вземете сигнала и го прекарате през високоговорителите, можете да го чуете.

Какво да правим с тази информация? Други астрономически обекти със значителна маса излъчват ли тези вълни? Могат ли вълните да се използват за намиране на планети или прости черни дупки?

Когато търсите гравитационни стойности, не само масата е важна. Също и ускорението, което е присъщо на даден обект. Черните дупки, които открихме, се въртяха една около друга със скорост 60% от скоростта на светлината, когато се сляха. Ето защо успяхме да ги засечем по време на сливането. Но сега от тях вече не идват гравитационни вълни, тъй като те са се слели в една неактивна маса.

Така че всичко, което има голяма маса и се движи много бързо, създава гравитационни вълни, които могат да бъдат открити.

Малко вероятно е екзопланетите да имат достатъчна маса или ускорение, за да произведат откриваеми гравитационни вълни. (Не казвам, че изобщо не ги създават, само че няма да са достатъчно силни или на различна честота). Дори екзопланетата да е достатъчно масивна, за да произведе необходимите вълни, ускорението ще я разкъса. Не забравяйте, че най-масивните планети обикновено са газови гиганти.

Колко вярна е аналогията с вълните във водата? Можем ли да яхнем тези вълни? Съществуват ли гравитационни „върхове“ като вече известните „кладенци“?

Тъй като гравитационните вълни могат да се движат през материята, няма начин да ги яхнете или да ги впрегнете за задвижване. Така че няма сърфиране с гравитационни вълни.

"Върхове" и "кладенци" са страхотни. Гравитацията винаги привлича, защото няма отрицателна маса. Не знаем защо, но никога не е наблюдавано в лабораторията или във Вселената. Следователно гравитацията обикновено се представя като „кладенец“. Масата, която се движи по този „кладенец“, ще падне по-дълбоко; Ето как работи привличането. Ако имате отрицателна маса, тогава ще получите отблъскване, а с него и „пик“. Маса, която се движи на „пика“, ще се огъне от него. Така че „кладенци“ съществуват, но „върхове“ не.

Аналогията с водата е добра, стига да говорим за факта, че силата на вълната намалява с изминатото разстояние от източника. Водната вълна ще става все по-малка и по-малка, а гравитационната вълна ще става все по-слаба и по-слаба.

Как това откритие ще повлияе на нашето описание на инфлационния период на Големия взрив?

В момента това откритие практически няма влияние върху инфлацията. За да се направят подобни твърдения, трябва да се наблюдават реликтовите гравитационни вълни на Големия взрив. Проектът BICEP2 смяташе, че индиректно е наблюдавал тези гравитационни вълни, но се оказа, че вината е космическият прах. Ако получи точните данни, това също ще потвърди съществуването на кратък период на инфлация малко след Големия взрив.

LIGO ще може да види тези гравитационни вълни директно (това ще бъде и най-слабият тип гравитационни вълни, които се надяваме да открием). Ако ги видим, ще можем да погледнем дълбоко в миналото на Вселената, както не сме поглеждали досега, и да съдим за инфлацията от получените данни.

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

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

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

(12,2)

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

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

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

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

Малката амплитуда на трептенията във вълната означава, че изместването е малко. Следователно можем да приемем, със същото приближение, че вертикалният компонент на скоростта на движение на повърхностните точки съвпада с времевата производна на преместването.Но така имаме:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Тя се увеличава с увеличаване на дължината на вълната.

Дълги гравитационни вълни

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

Такива вълни се наричат ​​дълги.

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

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

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

а-компонент - във формата

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

Замествайки този израз в първото уравнение, получаваме:

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

Първото директно откриване на гравитационни вълни беше разкрито на света на 11 февруари 2016 г. и генерира заглавия по целия свят. За това откритие физиците получиха Нобелова награда през 2017 г. и официално поставиха началото на нова ера в гравитационната астрономия. Но екип от физици от института Нилс Бор в Копенхаген, Дания, поставят под съмнение констатацията въз основа на техния собствен независим анализ на данните от последните две години и половина.

Едни от най-мистериозните обекти в историята, черните дупки, редовно привличат вниманието. Знаем, че те се сблъскват, сливат, променят яркостта си и дори се изпаряват. И също така, на теория, черните дупки могат да свързват вселени една с друга с помощта на . Всички наши знания и предположения за тези масивни обекти обаче може да се окажат неточни. Наскоро в научната общност се появиха слухове, че учените са получили сигнал, излъчван от черна дупка, чиито размери и маса са толкова огромни, че съществуването й е физически невъзможно.

Първото директно откриване на гравитационни вълни беше разкрито на света на 11 февруари 2016 г. и генерира заглавия по целия свят. За това откритие физиците получиха Нобелова награда през 2017 г. и официално поставиха началото на нова ера в гравитационната астрономия. Но екип от физици от института "Нилс Бор" в Копенхаген поставят под съмнение констатацията въз основа на собствен независим анализ на данните от последните две години и половина.