Головна » Ліки носа » Гравітаційні хвилі. Гравітаційні хвилі – відкриті! Гравітаційні хвилі, що можуть дати

Гравітаційні хвилі. Гравітаційні хвилі – відкриті! Гравітаційні хвилі, що можуть дати

Нагадаємо, днями вчені LIGO оголосили про великий прорив у галузі фізики, астрофізики та нашого вивчення Всесвіту: відкриття гравітаційних хвиль, передбачених ще Альбертом Ейнштейном 100 років тому. Ресурсу Gizmodo вдалося знайти доктора Ембер Ставер з обсерваторії Лівінгстона в Луїзіані, колаборації LIGO, і докладно розпитати, що це означає для фізики. Розуміємо, що за кілька статей до глобального розуміння нового способу осягати наш світ прийти буде складно, але намагатимемося.

Була проведена величезна робота щодо виявлення однієї-єдиної гравітаційної хвилі до теперішнього часу, і це стало великим проривом. Схоже, відкривається маса нових можливостей для астрономії - але чи є це перше виявлення «простим» доказом того, що виявлення можливе саме собою, чи ви вже можете отримувати з нього подальші наукові досягнення? Що ви сподіваєтеся отримати від цього у майбутньому? Чи з'являться методи виявлення цих хвиль простіше у майбутньому?

Це справді перше виявлення, прорив, але метою завжди було використовувати гравітаційні хвилі, щоб робити нову астрономію. Замість того, щоб шукати у Всесвіті видиме світло, тепер ми можемо відчувати ледь помітні зміни в гравітації, які викликаються найбільшими, найсильнішими і (на мій погляд) найцікавішими речами у Всесвіті - включаючи і ті, інформацію про які ми ніколи не змогли б отримати з за допомогою світла.

Ми змогли застосувати цей новий тип астрономії до хвиль першого виявлення. Використовуючи те, що ми вже знаємо про ОТО (загальну теорію відносності), ми змогли передбачити, на що схожі гравітаційні хвилі об'єктів на зразок чорних дірок або нейтронних зірок. Сигнал, який ми виявили, відповідає передбаченому для пари чорних дірок, одна з яких у 36, а інша в 29 разів масивніша за Сонце, що закручуються в міру наближення один до одного. Нарешті вони зливаються в одну чорну дірку. Тож це не лише перше виявлення гравітаційних хвиль, а й перше пряме спостереження чорних дірок, адже їх не можна спостерігати за допомогою світла (тільки за речовиною, що обертається навколо них).

Чому ви впевнені, що сторонні ефекти (на зразок вібрації) не впливають на результати?

У LIGO ми записуємо набагато більше даних, пов'язаних з нашим довкіллям та обладнанням, ніж даних, які можуть містити гравітаційно-хвильовий сигнал. Причина цього в тому, що ми хочемо бути максимально впевненими в тому, що нас не ведуть за ніс сторонні ефекти і не вводять в оману щодо виявлення гравітаційної хвилі. Якщо в момент виявлення сигналу гравітаційної хвилі ми відчуємо ненормальний ґрунт, швидше за все, ми відмовимося від цього кандидата.

Відео: Коротко про гравітаційні хвилі

Інший захід, який ми вживаємо, щоб не побачити щось випадкове, полягає в тому, що обидва детектори LIGO повинні побачити один і той же сигнал із проміжком часу, який необхідний для переміщення гравітаційної хвилі між двома об'єктами. Максимальний час для такої подорожі – приблизно 10 мілісекунд. Щоб переконатися в можливому виявленні, ми повинні побачити сигнали однієї форми, майже в один час, і дані, які ми збираємо про навколишнє середовище, повинні бути позбавлені аномалій.

Є багато інших тестів, які проходить кандидат, але це є основні.

Чи існує практичний спосіб генерувати гравітаційні хвилі, які можуть бути виявлені за допомогою таких пристроїв? Чи зможемо ми побудувати гравітаційне радіо чи лазер?

Ви пропонуєте те, що Генріх Герц зробив наприкінці 1880-х для виявлення електромагнітних хвиль у формі радіохвиль. Але гравітація - найслабша з фундаментальних сил, які утримують Всесвіт разом. З цієї причини рух мас в лабораторії або на іншому об'єкті з метою створення гравітаційних хвиль буде занадто слабким, щоб його міг вловити навіть такий детектор, як LIGO. Щоб створити досить сильні хвилі, нам доведеться розкрутити гантель із такою швидкістю, що вона розірве будь-який відомий матеріал. Але у Всесвіті багато великих обсягів маси, яка рухається надзвичайно швидко, тому ми будуємо детектори, які займатимуться їх пошуком.

Чи змінить це підтвердження наше майбутнє? Чи зможемо використовувати силу цих хвиль для дослідження космічного простору? Чи можна спілкуватися за допомогою цих хвиль?

Через кількість маси, яка повинна рухатися з надзвичайною швидкістю, щоб виробляти гравітаційні хвилі, які здатні виявити детектори на кшталт LIGO, єдиним відомим механізмом цього є пари нейтронних зірок або чорних дірок, що обертаються перед злиттям (можуть бути й інші джерела). Шанси те, що це якась просунута цивілізація маніпулює речовиною, надзвичайно малі. Особисто я не думаю, що буде чудово виявити цивілізацію, здатну використовувати гравітаційні хвилі як засіб спілкування, оскільки вона зможе граючи прикінчити нас.

Чи когерентні гравітаційні хвилі? Чи можна зробити їх когерентними? Чи можна їх сфокусувати? Що буде з потужним об'єктом, на який впливає сфокусований пучок гравітації? Чи можна використовувати цей ефект для покращення прискорювачів частинок?

Деякі види гравітаційних хвиль можуть бути когерентними. Уявімо нейтронну зірку, яка майже ідеально сферична. Якщо вона обертається швидко, невеликі деформації менше дюйма будуть виробляти гравітаційні хвилі певної частоти, що робитиме їх когерентними. Але сфокусувати гравітаційні хвилі дуже важко, оскільки Всесвіт прозорий для них; гравітаційні хвилі проходять через матерію та виходять незмінними. Вам потрібно змінити шлях щонайменше частини гравітаційних хвиль, щоб їх сфокусувати. Можливо, екзотична форма гравітаційного лінзування зможе хоча б частково сфокусувати гравітаційні хвилі, але буде складно, якщо можливо, їх використовувати. Якщо їх можна буде сфокусувати, вони, як і раніше, будуть настільки слабкими, що я не уявляю жодного практичного застосування. Але також говорили і про лазери, які, по суті, просто сфокусоване когерентне світло, тож хто його знає.

Яка швидкість гравітаційної хвилі? Чи має вона масу? Якщо ні, чи може вона рухатися швидше за швидкість світла?

Гравітаційні хвилі, як вважають, рухаються зі швидкістю світла. Це швидкість, обмежена загальною теорією відносності. Але експерименти на кшталт LIGO мають це перевірити. Можливо, вони рухаються трохи повільніше за швидкість світла. Якщо так, то теоретична частка, яку асоціюють з гравітацією, гравітон, матиме масу. Оскільки гравітація як така діє між масами, це додасть теорії складності. Але не неможливо. Ми використовуємо бритву Оккама: найпростіше пояснення, як правило, є найвірнішим.

Як далеко потрібно бути від злиття чорних дірок, щоб зуміти про них розповісти?

У випадку з нашими бінарними чорними дірками, які ми виявили гравітаційними хвилями, вони зробили максимальну зміну довжини наших 4-кілометрових рукавів на 1х10 -18 метра (це 1/1000 діаметра протона). Ми також вважаємо, що ці чорні дірки за 1,3 мільярди світлових років від Землі.

Тепер припустимо, що наше зростання два метри і ми плаваємо на відстані Землі до Сонця від чорної дірки. Думаю, ви випробували б поперемінне сплющування і розтяг приблизно на 165 нанометрів (ваш зростання змінюється на більше значення протягом доби). Це можна пережити.

Якщо використати новий спосіб почути космос, що найбільше цікавить вчених?

Потенціал до кінця невідомий, у тому сенсі, що може бути значно більше місць, ніж ми думали. Чим більше ми дізнаємося про Всесвіт, тим краще ми зможемо відповідати на його питання за допомогою гравітаційних хвиль. Наприклад, на ці:

Що є причиною гамма-сплесків?
Як речовина поводиться в екстремальних умовах зірки, що колапсує?
Якими були перші миті після Великого Вибуху?
Як поводиться речовина в нейтронних зірках?

Але мені більше цікаво, що з несподіваного можна знайти за допомогою гравітаційних хвиль. Щоразу, коли люди спостерігали Всесвіт по-новому, ми відкривали багато несподіваних речей, які перевертали наше уявлення про Всесвіт. Я хочу знайти ці гравітаційні хвилі та знайти щось, про що ми поняття не мали раніше.

Чи допоможе це зробити справжній варп-двигун?

Оскільки гравітаційні хвилі слабко взаємодіють із речовиною, їх навряд можна використовуватиме руху цієї речовини. Але навіть якби ви могли, гравітаційна хвиля рухається лише зі швидкістю світла. Для варп-двигуна вони не підійдуть. Хоча було б круто.

Як щодо антигравітаційних пристроїв?

Щоб створити антигравітаційний пристрій, нам потрібно перетворити силу тяжіння через відштовхування. І хоча гравітаційна хвиля поширює зміни гравітації, ця зміна ніколи не буде відразливою (або негативною).

Гравітація завжди притягує, оскільки негативної маси, схоже, немає. Зрештою, існує позитивний та негативний заряд, північний та південний магнітний полюс, але тільки позитивна маса. Чому? Якби негативна маса існувала, шар речовини падав би вгору, а не вниз. Він би відштовхувався від позитивної маси Землі.

Що це означає для можливості подорожей у часі та телепортації? Чи можемо ми знайти практичне застосування цього явища, крім вивчення нашого Всесвіту?

Зараз найкращий спосіб подорожі в часі (і тільки в майбутнє) – це подорожувати з навколосвітньою швидкістю (згадаймо парадокс близнюків в ЗТО) або вирушити в область з підвищеною гравітацією (така подорож у часі була продемонстрована в «Інтерстеларі»). Оскільки гравітаційна хвиля поширює зміни у гравітації, будуть народжуватися і дуже малі флуктуації у швидкості часу, але оскільки гравітаційні хвилі по суті слабкі, слабкі також тимчасові флуктуації. І хоча я не думаю, що можна застосувати це до подорожей у часі (або телепортації), ніколи не говори ніколи (сперечаюся, у вас перехопило подих).

Чи настане день, коли ми перестанемо підтверджувати Ейнштейна і почнемо знову пошуки дивних речей?

Звичайно! Оскільки гравітація найслабша з сил, з нею також важко експериментувати. Досі щоразу, коли вчені піддавали перевірці ОТО, вони отримували точно спрогнозовані результати. Навіть виявлення гравітаційних хвиль вкотре підтвердило теорію Ейнштейна. Але я вважаю, коли ми почнемо перевіряти найдрібніші деталі теорії (може, з гравітаційними хвилями, може, з іншим), ми знаходитимемо «кумедні» речі, на кшталт не зовсім точного збігу результату експерименту з прогнозом. Не означатиме помилковість ОТО, лише необхідність уточнення її деталей.

Відео: Як гравітаційні хвилі підірвали інтернет?

Щоразу, коли ми відповідаємо одне питання про природу, з'являються нові. Зрештою, у нас з'являться питання, які будуть крутішими, ніж відповіді, які може дозволити ЗТО.

Чи можете ви пояснити, як це відкриття може бути пов'язане чи вплине на теорію єдиного поля? Ми виявилися ближче до її підтвердження чи розвінчання?

Наразі результати зробленого нами відкриття здебільшого присвячують перевірці та підтвердженню ОТО. Єдина теорія поля шукає спосіб створити теорію, яка пояснить фізику дуже малого (квантова механіка) та дуже великого (загальна теорія відносності). Нині ці дві теорії можна узагальнити, щоб пояснити масштаби світу, де ми живемо, але з більше. Оскільки наше відкриття зосереджено на фізиці дуже великого, саме собою воно мало просуне нас у бік єдиної теорії. Але питання не в цьому. Зараз тільки-но народилася область гравітаційно-хвильової фізики. Коли ми дізнаємося більше, ми обов'язково розширимо наші результати і в галузі єдиної теорії. Але перед пробіжкою потрібно пройтися.

Тепер, коли ми слухаємо гравітаційні хвилі, що повинні почути вчені, щоб буквально вивисати цеглу? 1) Неприродні патерни/структури? 2) Джерела гравітаційних хвиль із регіонів, які ми вважали порожніми? 3) Rick Astley – Never gonna give you up?

Коли я прочитала ваше запитання, я одразу згадала сцену з «Контакту», в якій радіотелескоп уловлює патерни простих чисел. Навряд чи таке можна зустріти у природі (наскільки нам відомо). Так що ваш варіант з неприродним патерном або структурою був би найімовірнішим.

Не думаю, що ми колись будемо впевнені у порожнечі у певному регіоні космосу. Зрештою, система чорних дірок, яку ми виявили, була ізольована, і з цього регіону не надходило жодне світло, але ми все одно виявили там гравітаційні хвилі.

Щодо музики… Я спеціалізуюсь на відділенні сигналів гравітаційних хвиль від статичного шуму, який ми постійно вимірюємо на тлі довкілля. Якби я знайшла у гравітаційній хвилі музику, особливо яку чула раніше, то був би розіграш. Але музика, яку на Землі ніколи не чули… Це було б як із простими випадками із «Контакту».

Якщо експеримент реєструє хвилі щодо зміни відстані між двома об'єктами, амплітуда одного напрямку більша, ніж іншого? В іншому випадку не означають чи дані, що зчитуються, що Всесвіт змінюється в розмірах? І якщо так, підтверджує це розширення чи щось несподіване?

Нам потрібно побачити безліч гравітаційних хвиль, що приходять з багатьох різних напрямків у Всесвіті, перш ніж ми зможемо відповісти на це питання. В астрономії створює модель популяції. Як багато різних типів речей існує? Це головне питання. Як тільки ми матимемо багато спостережень і почнемо бачити несподівані патерни, наприклад, що гравітаційні хвилі певного типу приходять із певної частини Всесвіту і більше звідки, це буде вкрай цікавий результат. Деякі патерни могли б підтвердити розширення (у якому ми впевнені), або інші явища, про які ми поки не знали. Але спочатку потрібно побачити набагато більше гравітаційних хвиль.

Мені зовсім незрозуміло, як вчені визначили, що виміряні ними хвилі належать двом надмасивним чорним діркам. Як можна з такою точністю визначити джерело хвиль?

Методи аналізу даних використовують каталог передбачуваних сигналів гравітаційних хвиль порівняння з нашими даними. Якщо є сильна кореляція з одним із таких прогнозів, чи шаблонів, то ми не лише знаємо, що це гравітаційна хвиля, а й знаємо, яка система її утворила.

Кожен окремий спосіб створення гравітаційної хвилі, чи це злиття чорних дірок, обертання чи смерть зірок, усі хвилі мають різні форми. Коли ми виявляємо гравітаційну хвилю, ми використовуємо ці форми, як передбачала ОТО, щоб визначити їхню причину.

Звідки ми знаємо, що ці хвилі походять із зіткнення двох чорних дірок, а не якоїсь іншої події? Чи можливо передбачити, де чи коли сталася така подія, з будь-яким ступенем точності?

Як тільки ми дізнаємося, яка система зробила гравітаційну хвилю, ми можемо передбачити, наскільки сильною була гравітаційна хвиля поблизу місця свого народження. Вимірюючи її силу в міру досягнення Землі та порівнюючи наші виміри з передбаченою силою джерела, ми можемо розрахувати, як далеко знаходиться джерело. Оскільки гравітаційні хвилі рухаються зі швидкістю світла, ми можемо розрахувати, як довго гравітаційні хвилі рухалися до Землі.

У випадку з виявленою нами системою чорних дірок, ми виміряли максимальну зміну довжини рукавів LIGO на 1/1000 діаметра протону. Ця система розташована у 1,3 мільярда світлових років. Гравітаційна хвиля, виявлена у вересні та анонсована днями, рухалася до нас 1,3 мільярда років. Це сталося до того, як на Землі утворилося тваринне життя, але після виникнення багатоклітинних.

Під час оголошення було заявлено, що інші детектори шукатимуть хвилі з довшим періодом – деякі з них будуть зовсім космічними. Що ви можете розповісти про цих великих детекторів?

У розробці справді знаходиться космічний детектор. Він називається LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Оскільки він буде в космосі, він буде досить чутливим до низькочастотних гравітаційних хвиль, на відміну від земних детекторів, внаслідок природних вібрацій Землі. Буде складно, оскільки супутники доведеться розмістити далі від Землі, ніж бувала людина. Якщо щось піде не так, ми не зможемо відправити астронавтів на ремонт, як із Хабблом у 1990-х. Щоб перевірити потрібні технології, у грудні запустили місію LISA Pathfinder. Поки що вона впоралася з усіма поставленими завданнями, але місія ще далека від завершення.

Чи можна перетворити гравітаційні хвилі на звукові? І якщо так, то на що вони будуть схожі?

Можна, можливо. Звісно, ви не почуєте просто гравітаційну хвилю. Але якщо взяти сигнал та пропустити через динаміки, то почути можна.

Що нам робити із цією інформацією? Чи випромінюють ці хвилі інші астрономічні об'єкти із значною масою? Чи можна використовувати хвилі для пошуку планет чи простих чорних дірок?

При пошуку гравітаційних значень має значення як маса. Також прискорення, властиве об'єкту. Виявлені нами чорні дірки оберталися один навколо одного зі швидкістю 60% світлової, коли зливалися. Тому ми змогли виявити їх під час злиття. Але тепер від них більше не надходить гравітаційних хвиль, оскільки вони злилися в одну малорухливу масу.

Так що все, що має велику масу і рухається дуже швидко, створює гравітаційні хвилі, які можна вловити.

Екзопланети навряд чи матимуть достатню масу або прискорення, щоб створити виявлені гравітаційні хвилі. (Я не говорю, що вони їх не створюють взагалі, тільки те, що вони будуть недостатньо сильними або з іншою частотою). Навіть якщо екзопланета буде масивною, щоб виробляти потрібні хвилі, прискорення розірве її на частини. Не забувайте, що найпотужніші планети, як правило, є газовими гігантами.

Наскільки вірна аналогія хвиль у воді? Чи можемо ми осідлати ці хвилі? Чи існують гравітаційні «піки», як уже відомі «колодязі»?

Оскільки гравітаційні хвилі можуть рухатися через речовину, немає способу осідлати їх або використовувати їх для руху. Тож ніякого гравітаційно-хвильового серфінгу.

«Піки» та «колодязі» - це чудово. Гравітація завжди притягує, оскільки немає негативної маси. Ми не знаємо чому, але її ніколи не спостерігали у лабораторії чи у Всесвіті. Тому гравітацію зазвичай представляють у вигляді «криниці». Маса, яка рухається вздовж цієї «криниці», звалюватиметься вглиб; так працює тяжіння. Якщо у вас буде негативна маса, то ви отримаєте відштовхування, а разом із ним і «пік». Маса, яка рухається на піку, буде згинатися від нього. Тож «колодязі» існують, а «піки» немає.

Аналогія з водою прекрасна, поки ми говоримо про те, що сила хвилі зменшується разом із пройденою відстанню від джерела. Водяна хвиля ставатиме менше і менше, а гравітаційна хвиля - слабша і слабша.

Як це відкриття вплине на опис інфляційного періоду Великого Вибуху?

На даний момент це відкриття поки що практично не зачіпає інфляцію. Щоб робити заяви на кшталт цього, необхідно спостерігати реліктові гравітаційні хвилі Великого Вибуху. Проект BICEP2 вважав, що опосередковано спостерігав ці гравітаційні хвилі, але виявилося, що винний у всьому космічний пил. Якщо він отримає потрібні дані, разом з ними підтвердиться існування короткого періоду інфляції невдовзі після Великого Вибуху.

LIGO зможе безпосередньо побачити ці гравітаційні хвилі (це буде найслабший тип гравітаційних хвиль, який ми сподіваємося виявити). Якщо ми їх побачимо, то зможемо зазирнути глибоко у минуле Всесвіту, як не заглядали раніше, і, за отриманими даними, судити про інфляцію.

Що таке гравітаційні хвилі?

Гравітаційні хвилі - зміни гравітаційного поля, що поширюються подібно до хвиль. Випромінюються рухомими масами, але після випромінювання відриваються від них і існують незалежно від цих мас.Математично пов'язані з обуренням метрики простору-часу і можуть бути описані як «брижі простору-часу».

У загальній теорії відносності та більшості інших сучасних теорій гравітації гравітаційні хвилі породжуються рухом масивних тіл зі змінним прискоренням. Гравітаційні хвилі вільно поширюються у просторі зі швидкістю світла. Зважаючи на відносну слабкість гравітаційних сил (в порівнянні з іншими) ці хвилі мають дуже малу величину, що важко піддається реєстрації.

Гравітаційні хвилі пророкуються загальною теорією відносності (ОТО). Вперше вони були безпосередньо виявлені у вересні 2015 року двома детекторами-близнюками обсерваторії LIGO, на яких були зареєстровані гравітаційні хвилі, що виникли, ймовірно, в результаті злиття двох чорних дір та утворення однієї більш масивної чорної діри, що обертається. Непрямі свідчення їх існування були відомі з 1970-х років - ОТО передбачає збіги зі спостереженнями темпи зближення тісних систем подвійних зірок за рахунок втрати енергії на випромінювання гравітаційних хвиль. Пряма реєстрація гравітаційних хвиль та їх використання для визначення параметрів астрофізичних процесів є важливим завданням сучасної фізики та астрономії.

Якщо уявити наш простір-час як мережа координат, то гравітаційні хвилі - це обурення, бриж, яка бігтиме по сітці, коли масивні тіла (наприклад, чорні дірки) спотворюють простір навколо себе.

Це можна порівняти із землетрусом. Уявіть, що ви живете у місті. У ньому є якісь маркери, які створюють міський простір: будинки, дерева тощо. Вони нерухомі. Коли десь поблизу міста відбувається великий землетрус, коливання доходять до нас - і коливатися починають навіть нерухомі будинки та дерева. Ось ці коливання є гравітаційними хвилями; а об'єкти, що вагаються, - це простір і час.

Чому вчені так довго не могли зареєструвати гравітаційні хвилі?

Конкретні зусилля щодо виявлення гравітаційних хвиль розпочалися у післявоєнний період із кілька наївних пристроїв, чутливості яких, очевидно, не могло вистачити для реєстрації таких коливань. Згодом стало зрозуміло, що детектори для пошуку мають бути дуже масштабними - і вони повинні використовувати сучасну лазерну техніку. Саме з розвитком сучасних лазерних технологій з'явилася можливість контролювати геометрію, обурення якої є гравітаційною хвилею. Найпотужніший розвиток технологій відіграв ключову роль у цьому відкритті. Хоч би якими геніальними були вчені, ще 30–40 років тому зробити це було технічно просто неможливо.

Чому виявлення хвиль таке важливе для фізики?

Гравітаційні хвилі були передбачені Альбертом Ейнштейном у загальній теорії відносності близько ста років тому. Усі XX століття перебували фізики, які ставили під сумнів цю теорію, хоча з'являлося дедалі більше підтверджень. І наявність гравітаційних хвиль – це таке критичне підтвердження теорії.

Крім того, до реєстрації гравітаційних хвиль про те, як поводиться гравітація, ми знали лише на прикладі небесної механіки, взаємодії небесних тіл. Але було зрозуміло, що гравітаційне поле має хвилі і простір-час може деформуватися подібним чином. Те, що ми до цього не бачили гравітаційних хвиль, було білою плямою у сучасній фізиці. Зараз ця біла пляма закрита, покладена ще одна цегла в основу сучасної фізичної теорії. Це фундаментальне відкриття. Нічого порівнянного останніми роками був.

«Чекаючи хвиль та частинок» - документальний фільм про пошук гравітаційних хвиль(Автор Dmitry Zavilgelskiy)

Є в реєстрації гравітаційних хвиль та практичний момент. Напевно, після подальшого розвитку технологій можна буде говорити про гравітаційну астрономію – про те, щоб спостерігати сліди найбільш високоенергійних подій у Всесвіті. Але зараз говорити про це рано, йдеться лише про факт реєстрації хвиль, а не про з'ясування характеристик об'єктів, які генерують ці хвилі.

11 лютого 2016 року міжнародна група вчених, у тому числі з Росії, на прес-конференції у Вашингтоні оголосила про відкриття, яке рано чи пізно змінить розвиток цивілізації. Вдалося практично довести гравітаційні хвилі чи хвилі простору-часу. Їх існування передбачив ще 100 років тому Альберт Ейнштейн у своїй.

Ніхто не сумнівається, що це відкриття буде удостоєне Нобелівської премії. Вчені не поспішають говорити про його практичне застосування. Але нагадують, що ще зовсім недавно людство так само не знало, що робити з електромагнітними хвилями, які зрештою призвели до справжньої науково-технічної революції.

Що таке гравітаційні хвилі простою мовою

Гравітація та всесвітнє тяжіння – це одне й те саме. Гравітаційні хвилі є одним із рішень ОТС. Поширюватися вони мають зі швидкістю світла. Випромінює його будь-яке тіло, що рухається зі змінним прискоренням.

Наприклад, обертається своєю орбітою зі змінним прискоренням, спрямованим до зірки. І це прискорення постійно змінюється. Сонячна система випромінює енергію близько кількох кіловат у гравітаційних хвилях. Це незначна величина, порівнянна з трьома старими кольоровими телевізорами.

Інша справа – два пульсари, що обертаються навколо один одного (нейтронні зірки). Вони обертаються дуже тісними орбітами. Така «парочка» була виявлена астрофізиками та спостерігалася довгий час. Об'єкти були готові один на одного впасти, що опосередковано свідчило, що пульсари випромінюють хвилі простору-часу, тобто енергію в їхньому полі.

Гравітація – сила тяжіння. Нас тягне до землі. А суть гравітаційної хвилі – зміна цього поля, надзвичайно слабка, коли до нас доходить. Наприклад, візьмемо рівень води у водоймищі. Напруженість гравітаційного поля – прискорення вільного падіння у конкретній точці. По нашому водоймищі біжить хвиля, і раптом змінюється прискорення вільного падіння, зовсім трохи.

Такі досліди розпочалися у 60-ті роки минулого століття. На той час вигадували так: підвішували величезний алюмінієвий циліндр, охолоджений, щоб уникнути внутрішніх теплових коливань. І чекали, коли до нас раптово дійде хвиля від зіткнення, наприклад двох масивних чорних дір. Дослідники були сповнені ентузіазму і казали, що вся земна куля може зазнати впливу гравітаційної хвилі, що прилетіла з космічного простору. Планета почне вагатися, і можна буде вивчити ці сейсмічні хвилі (стиснення, зсуви та поверхневі).

Важлива стаття про влаштування простою мовою, і як американці та LIGO вкрали ідею радянських вчених та побудували інтроферометри, що дозволили зробити відкриття. Ніхто не говорить про це, усі мовчать!

Між іншим, гравітаційне випромінювання більше цікаве з позиції реліктового випромінювання, яке намагаються змінити спектр електромагнітного випромінювання. Реліктове і електромагнітне випромінювання з'явилися 700 тис. років після Великого вибуху, потім у процесі розширення всесвіту, заповненого гарячим газом з ударними хвилями, що бігають, що перетворилися пізніше на галактики. При цьому, природно, повинні були випромінюватись гігантська, запаморочлива кількість хвиль простору-часу, що впливають на довжину хвилі реліктового випромінювання, яке на той час ще було оптичним. Вітчизняний астрофізик Сажин пише та регулярно публікує статті на цю тему.

Невірна інтерпретація відкриття гравітаційних хвиль

«Висить дзеркало, на нього діє гравітаційна хвиля, і воно починає вагатися. І навіть найменші коливання амплітудою менше розміру атомного ядра помічаються приладами» — така неправильна інтерпретація, наприклад, використовується у статті Вікіпедії. Не полінуйтеся, знайдіть статтю радянських вчених 1962 року.

По-перше, дзеркало має бути масивним, щоб відчути «брижі». По-друге, його потрібно охолоджувати практично до абсолютного нуля (за Кельвіном), щоб уникнути власних теплових коливань. Найімовірніше не те що в 21 столітті, а взагалі ніколи не вдасться виявити елементарну частинку — носія гравітаційних хвиль:

Гравітаційні хвилі – зображення художника

Гравітаційні хвилі - обурення метрики простору-часу, що відриваються від джерела і поширюються подібно до хвиль (так звана «брижі простору-часу»).

Поляризована гравітаційна хвиля

Гравітаційні хвилі пророкуються загальною теорією відносності (ОТО), багатьма іншими. Вперше вони були безпосередньо виявлені у вересні 2015 року двома детекторами-близнюками, на яких були зареєстровані гравітаційні хвилі, що виникли, ймовірно, в результаті злиття двох і утворення однієї більш масивної чорної діри, що обертається. Непрямі свідчення їх існування були відомі з 1970-х років - ОТО передбачає збіги зі спостереженнями темпи зближення тісних систем за рахунок втрати енергії на випромінювання гравітаційних хвиль. Пряма реєстрація гравітаційних хвиль та їх використання для визначення параметрів астрофізичних процесів є важливим завданням сучасної фізики та астрономії.

У рамках ОТО гравітаційні хвилі описуються рішеннями рівнянь Ейнштейна хвильового типу, що є рухоме зі швидкістю світла (у лінійному наближенні) обурення метрики простору-часу. Проявом цього обурення має бути, зокрема, періодична зміна відстані між двома вільно падаючими (тобто не зазнають впливу жодних сил) пробними масами. Амплітудою hгравітаційною хвилею є безрозмірна величина - відносна зміна відстані. Передбачувані максимальні амплітуди гравітаційних хвиль від астрофізичних об'єктів (наприклад, компактних подвійних систем) і явищ (вибухів, злиття, захоплення чорними дірками і т. п.) при вимірюваннях в дуже малі ( h=10 -18 -10 -23). Слабка (лінійна) гравітаційна хвиля згідно з загальною теорією відносності переносить енергію та імпульс, рухається зі швидкістю світла, є поперечною, квадрупольною і описується двома незалежними компонентами, розташованими під кутом 45° один до одного (має два напрями поляризації).

Різні теорії по-різному пророкують швидкість поширення гравітаційних хвиль. У загальній теорії відносності вона дорівнює швидкості світла (у лінійному наближенні). В інших теоріях гравітації вона може набувати будь-яких значень, у тому числі до нескінченності. За даними першої реєстрації гравітаційних хвиль їхня дисперсія виявилася сумісною з безмасовим гравітоном, а швидкість оцінена як рівна швидкості світла.

Генерація гравітаційних хвиль

Система з двох нейтронних зірок породжує бриж простору-часу

Гравітаційну хвилю випромінює будь-яка матерія, що рухається з асиметричним прискоренням. Для виникнення хвилі суттєвої амплітуди необхідні надзвичайно велика маса випромінювача або величезні прискорення, амплітуда гравітаційної хвилі прямо пропорційна першої похідної прискореннята масі генератора, тобто ~ . Однак якщо об'єкт рухається прискорено, це означає, що у нього діє деяка сила із боку іншого об'єкта. У свою чергу, цей інший об'єкт зазнає зворотної дії (за 3-м законом Ньютона), при цьому виявляється, що m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Виходить, що два об'єкти випромінюють гравітаційні хвилі тільки в парі, причому в результаті інтерференції вони гасяться взаємно майже повністю. Тому гравітаційне випромінювання у загальній теорії відносності завжди має по мультипольності характер як мінімум квадрупольного випромінювання. Крім того, для нерелятивістських випромінювачів у вираженні для інтенсивності випромінювання є малий параметр де - гравітаційний радіус випромінювача, r- Його характерний розмір, T- характерний період руху, c- Швидкість світла у вакуумі.

Найбільш сильними джерелами гравітаційних хвиль є:

стикаються (гігантські маси, дуже невеликі прискорення),
гравітаційний колапс подвійної системи компактних об'єктів (колосальні прискорення за досить великої маси). Як окремий і найцікавіший випадок - злиття нейтронних зірок. Така система гравітаційно-хвильова світність близька до максимально можливої в природі планківської світності.

Гравітаційні хвилі, що випромінюються системою двох тіл

Два тіла, що рухаються круговими орбітами навколо загального центру мас

Два гравітаційно пов'язані тіла з масами m 1 та m 2 , що рухаються нерелятивістськи ( v << c) за круговими орбітами навколо їхнього загального центру мас на відстані rодин від одного, випромінюють гравітаційні хвилі наступної енергії, в середньому за період:

Внаслідок цього система втрачає енергію, що призводить до зближення тіл, тобто зменшення відстані між ними. Швидкість зближення тел:

Для Сонячної системи, наприклад, найбільше гравітаційне випромінювання виробляє підсистема та . Потужність цього випромінювання приблизно 5 кіловат. Таким чином, енергія, що втрачається Сонячною системою на гравітаційне випромінювання за рік, зовсім незначна порівняно з характерною кінетичною енергією тіл.

Гравітаційний колапс подвійної системи

Будь-яка подвійна зірка при обертанні її компонент навколо загального центру мас втрачає енергію (як передбачається - рахунок випромінювання гравітаційних хвиль) і, зрештою, зливається воєдино. Але для звичайних, некомпактних, подвійних зірок цей процес займає дуже багато часу, набагато більше справжнього віку. Якщо подвійна компактна система складається з пари нейтронних зірок, чорних дірок або їх комбінації, то злиття може статися за кілька мільйонів років. Спочатку об'єкти зближуються, які період звернення зменшується. Потім на заключному етапі відбувається зіткнення та несиметричний гравітаційний колапс. Цей процес триває частки секунди, і за цей час гравітаційне випромінювання сягає енергія, що становить за деякими оцінками більше 50% від маси системи.

Основні точні розв'язки рівнянь Ейнштейна для гравітаційних хвиль

Об'ємні хвилі Бонді - Пірані - Робінсона

Ці хвилі описуються метрикою виду. Якщо ввести змінну та функцію, то з рівнянь ОТО отримаємо рівняння

Метрика Такено

має вигляд -функції, задовольняють тому ж рівнянню.

Метрика Розена

Де задовольняють

Метрика Переса

При цьому

Циліндричні хвилі Ейнштейна - Розена

У циліндричних координатах такі хвилі мають вигляд і виконуються.

Реєстрація гравітаційних хвиль

Реєстрація гравітаційних хвиль досить складна через слабкість останніх (малого спотворення метрики). Приладами їх реєстрації є детектори гравітаційних хвиль. Спроби виявлення гравітаційних хвиль робляться з кінця 1960-х років. Гравітаційні хвилі амплітуди, що детектується, народжуються при колапсі подвійного. Подібні події відбуваються на околицях орієнтовно раз на десятиліття.

З іншого боку, загальна теорія відносності передбачає прискорення взаємного обертання подвійних зірок через втрату енергії на випромінювання гравітаційних хвиль, і цей ефект надійно зафіксований у кількох відомих системах подвійних компактних об'єктів (зокрема, пульсарів із компактними компаньйонами). У 1993 році «за відкриття нового типу пульсарів, що дало нові можливості у вивченні гравітації» відкривачам першого подвійного пульсара PSR B1913+16 Рассел Халс і Джозефу Тейлору мл. було присуджено Нобелівську премію з фізики. Прискорення обертання, що спостерігається у цій системі, повністю збігається з передбаченнями ОТО на випромінювання гравітаційних хвиль. Таке ж явище зафіксовано ще в кількох випадках: для пульсарів PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (зазвичай скорочено J0651) та системи подвійних RX J0806. Наприклад, відстань між двома компонентами A і B першої подвійної зірки з двох пульсарів PSR J0737-3039 зменшується приблизно на 2,5 дюйма (6,35 см) на день через втрату енергії на гравітаційні хвилі, причому це відбувається у згоді з ОТО . Всі ці дані інтерпретуються як непрямі докази існування гравітаційних хвиль.

За оцінками найбільш сильними та досить частими джерелами гравітаційних хвиль для гравітаційних телескопів та антен є катастрофи, пов'язані з колапсами подвійних систем у найближчих галактиках. Очікується, що в найближчому майбутньому на вдосконалених гравітаційних детекторах реєструватиметься кілька подібних подій на рік, що спотворюють метрику на околиці на 10 −21 -10 −23 . Перші спостереження сигналу оптико-метричного параметричного резонансу, що дозволяє виявити вплив гравітаційних хвиль від періодичних джерел типу тісної подвійної на випромінювання космічних мазерів, можливо, були отримані на радіоастрономічній обсерваторії РАН Пущино.

Ще однією можливістю детектування фону гравітаційних хвиль, що заповнюють Всесвіт, є високоточний таймінг віддалених пульсарів - аналіз часу приходу їх імпульсів, який характерним чином змінюється під дією проходять через простір між Землею і пульсаром гравітаційних хвиль. За оцінками на 2013 рік, точність таймінгу необхідно підняти приблизно на один порядок, щоб можна було задетектувати фонові хвилі від безлічі джерел у нашому Всесвіті, і це завдання може бути вирішене до кінця десятиліття.

Згідно з сучасними уявленнями, наш Всесвіт заповнюють реліктові гравітаційні хвилі, що з'явилися в перші моменти після . Їхня реєстрація дозволить отримати інформацію про процеси на початку народження Всесвіту. 17 березня 2014 року о 20:00 за московським часом у Гарвард-Смітсонівському центрі астрофізики американською групою дослідників, що працює над проектом BICEP 2, було оголошено про детектування з поляризації реліктового випромінювання ненульових тензорних обурень у ранньому Всесвіті. . Однак майже відразу цей результат був оскаржений, оскільки, як з'ясувалося, не було належним чином враховано внесок. Один із авторів, Дж. М. Ковац ( Kovac J. M.), визнав, що «з інтерпретацією та висвітленням даних експерименту BICEP2 учасники експерименту та наукові журналісти трохи поквапилися».

Експериментальне підтвердження існування

Перший зафіксований гравітаційно-хвильовий сигнал. Зліва дані з детектора в Хенфорді (H1), праворуч – у Лівінгстоні (L1). Час відраховується від 14 вересня 2015, 09:50:45 UTC. Для візуалізації сигналу він відфільтрований частотним фільтром зі смугою пропускання 35-350 Герц для пригнічення великих флуктуацій поза діапазоном високої чутливості детекторів, також були застосовані смугові фільтри для придушення шуму самих установок. Верхній ряд: напруги в детекторах. GW150914 спочатку прибув L1 і через 6 9 +0 5 −0 4 мс на H1; для візуального порівняння дані з H1 показані на графіку L1 у зверненому і зсунутому за часом вигляді (щоб врахувати відносну орієнтацію детекторів). Другий ряд: напруги h від гравітаційно-хвильового сигналу, пропущені через такий самий смуговий фільтр 35-350 Гц. Суцільна лінія - результат чисельної відносності системи з параметрами, сумісними з знайденими з урахуванням вивчення сигналу GW150914, отриманий двома незалежними кодами з результуючим збігом 99,9. Сірі товсті лінії - області 90% довірчої ймовірності форми сигналу, відновлені з цих детекторів двома різними методами. Темно-сіра лінія моделює очікувані сигнали від злиття чорних дірок, світло-сіра не використовує астрофізичних моделей, а представляє сигнал лінійною комбінацією синусоїдально-гаусових вейвлетів. Реконструкції перекриваються на 94%. Третій ряд: Залишкові помилки після вилучення фільтрованого передбачення сигналу чисельної відносності з фільтрованого сигналу детекторів. Нижній ряд: подання частотної карти напруги, що показує зростання домінуючої частоти сигналу з часом.

11 лютого 2016 року колабораціями LIGO та VIRGO. Сигнал злиття двох чорних дірок з амплітудою в максимумі близько 10 −21 був зареєстрований 14 вересня 2015 року о 9:51 UTC двома детекторами LIGO в Хенфорді та Лівінгстоні через 7 мілісекунд один від одного, в області максимальної амплітуди сигналу (0,2 секунди) відношення сигнал-шум становило 24:1. Сигнал був позначений GW150914. Форма сигналу збігається з прогнозом загальної теорії відносності для злиття двох чорних дірок масами 36 і 29 сонячних; чорна діра, що виникла, повинна мати масу 62 сонячні і параметр обертання a= 0,67. Відстань до джерела близько 1,3 мільярда, випромінювана за десяті частки секунди в злитті енергія – еквівалент близько 3 сонячних мас.

Історія

Історія самого терміна «гравітаційна хвиля», теоретичного та експериментального пошуку цих хвиль, а також їх використання для досліджень явищ недоступних іншими методами.

1900 - Лоренц припустив, що гравітація "...може поширяться зі швидкістю, не більшою за швидкість світла";
1905 - Пуанкаревперше запровадив термін гравітаційна хвиля (onde gravifique). Пуанкаре, на якісному рівні, зняв заперечення Лапласа і показав, що пов'язані з гравітаційними хвилями поправки до загальноприйнятих законів тяжіння Ньютона порядку скорочуються, таким чином, припущення про існування гравітаційних хвиль не суперечить спостереженням;
1916 - Ейнштейн показав, що в рамках ОТО механічна система передаватиме енергію гравітаційним хвилям і, грубо кажучи, будь-яке обертання щодо нерухомих зірок має рано чи пізно зупинитися, хоча, звичайно, у звичайних умовах втрати енергії порядку мізерні і практично не піддаються виміру (в цій роботі він помилково вважав, що механічна система, постійно зберігає сферичну симетрію, може випромінювати гравітаційні хвилі);
1918 - Ейнштейнвивів квадрупольну формулу, в якій випромінювання гравітаційних хвиль виявляється ефектом порядку, тим самим виправивши помилку у своїй попередній роботі (залишилася помилка в коефіцієнті, енергія хвилі в 2 рази менша);
1923 – Еддінгтон – поставив під сумнів фізичну реальність гравітаційних хвиль «…розповсюджуються… зі швидкістю думки». У 1934 році, при підготовці російського перекладу своєї монографії «Теорія відносності», Еддінгтон додав кілька розділів, включаючи розділи з двома варіантами розрахунків втрат енергії стрижнем, що обертається, але зазначив, що використані методи наближених розрахунків ОТО, на його думку, незастосовні до грамітаційно тому сумніви залишаються;
1937 - Ейнштейн спільно з Розеном досліджував циліндричні хвильові розв'язки точних рівнянь гравітаційного поля. У ході цих досліджень у них виникли сумніви, що гравітаційні хвилі, можливо, є артефактом наближених рішень рівнянь ОТО (відоме листування щодо рецензії на статтю Ейнштейна та Розена «Чи існують гравітаційні хвилі?»). Пізніше він знайшов помилку в міркуваннях, остаточний варіант статті з фундаментальними правками було опубліковано вже в Journal of the Franklin Institute;
1957 - Герман Бонді та Річард Фейнман запропонували уявний експеримент «тростину з бусинками» в якому обґрунтували існування фізичних наслідків гравітаційних хвиль у ВТО;
1962 - Владислав Пустовойт та Михайло Герценштейн описали принципи використання інтерферометрів для виявлення довгохвильових гравітаційних хвиль;
1964 - Філіп Петерс і Джон Метью теоретично описали гравітаційні хвилі, випромінювані подвійними системами;
1969 – Джозеф Вебер, засновник гравітаційно-хвильової астрономії, повідомляє про виявлення гравітаційних хвиль за допомогою резонансного детектора – механічної гравітаційної антени. Ці повідомлення породжують бурхливе зростання робіт у цьому напрямі, зокрема, Реньє Вайс, один із засновників проекту LIGO, розпочав експерименти на той час. На даний момент (2015) нікому так і не вдалося отримати надійні підтвердження цих подій;
1978 - Джозеф Тейлорповідомив про виявлення гравітаційного випромінювання у подвійній системі пульсара PSR B1913+16. Дослідження Джозефа Тейлора та Рассела Халса заслужили Нобелівську премію з фізики за 1993 рік. На початок 2015 року три пост-кеплерівські параметри, що включають зменшення періоду внаслідок випромінювання гравітаційних хвиль, було виміряно як мінімум для 8 подібних систем;
2002 - Сергій Копєйкін і Едвард Фомалонт виробили за допомогою радіохвильної інтерферометрії з наддовгою базою вимірювання відхилення світла в гравітаційному полі Юпітера в динаміці, що для деякого класу гіпотетичних розширень ОТО дозволяє оцінити швидкість гравітації - відмінність від швидкості світла не повинна перевищувати загальноприйнята);
2006 - міжнародна команда Марти Бургей (Обсерваторія Паркса, Австралія) повідомила про суттєво точніші підтвердження ОТО та відповідність їй величини випромінювання гравітаційних хвиль у системі двох пульсарів PSR J0737-3039A/B;
2014 – астрономи Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики (BICEP) повідомили про виявлення первинних гравітаційних хвиль при вимірах флуктуацій реліктового випромінювання. На даний момент (2016) виявлені флуктуації вважаються такими, що не мають реліктового походження, а пояснюються випромінюванням пилу в Галактиці;
2016 – міжнародна команда LIGOповідомила про виявлення події проходження гравітаційних хвиль GW150914. Вперше повідомлено про пряме спостереження взаємодіючих масивних тіл у надсильних гравітаційних полях із надвисокими відносними швидкостями (< 1,2 × R s , v/c >0.5), що дозволило перевірити коректність ОТО з точністю до кількох постньютонівських членів високих порядків. Виміряна дисперсія гравітаційних хвиль не суперечить зробленим раніше вимірюванням дисперсії та верхньої межі маси гіпотетичного гравітону (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.

Гравітаційні хвилі, теоретично передбачені Ейнштейном ще в 1917 році, все ще чекають свого першовідкривача.

Наприкінці 1969 року професор фізики Мерілендського університету Джозеф Вебер зробив сенсаційну заяву. Він оголосив, що виявив хвилі тяжіння, що прийшли на Землю із глибин космосу. До того часу жоден учений не виступав із подібними претензіями, та й сама можливість детектування таких хвиль вважалася далеко не очевидною. Проте Вебер мав славу авторитетом у своїй галузі, і тому колеги сприйняли його повідомлення з повною серйозністю.

Однак незабаром настало розчарування. Амплітуди хвиль, нібито зареєстрованих Вебером, у мільйони разів перевищували теоретичну величину. Вебер стверджував, що ці хвилі прийшли із закритого пиловими хмарами центру нашої Галактики, про який тоді мало що відомо. Астрофізики припустили, що там ховається гігантська чорна діра, яка щорічно пожирає тисячі зірок і викидає частину поглиненої енергії у вигляді гравітаційного випромінювання, а астрономи зайнялися марним пошуком більш виразних слідів цього космічного канібалізму (зараз доведено, що чорна діра там себе цілком пристойно). Фізики зі США, СРСР, Франції, Німеччини, Англії та Італії приступили до експериментів на детекторах того ж типу - і не досягли нічого.

Вчені й досі не знають, чому приписати дивні свідчення приладів Вебера. Однак його зусилля не пропали даремно, хоча гравітаційні хвилі досі так і не виявлені. Декілька установок для їх пошуку вже побудовані або будуються, а років через десять такі детектори будуть виведені і в космос. Цілком можливо, що в не такому віддаленому майбутньому гравітаційне випромінювання стане такою ж фізичною реальністю, що спостерігається, як і електромагнітні коливання. На жаль, Джозеф Вебер цього вже не дізнається – він помер у вересні 2000 року.

Що таке хвилі тяжіння

Часто кажуть, що гравітаційні хвилі - це обурення поля тяжіння, що поширюються в просторі. Таке визначення правильне, але неповно. Відповідно до загальної теорії відносності, тяжіння виникає через викривлення просторово-часового континууму. Хвилі тяжіння - це флуктуації просторово-часової метрики, які виявляють себе як коливання гравітаційного поля, тому їх часто образно називають просторово-часовою брижами. Гравітаційні хвилі були 1917 року теоретично передбачені Альбертом Ейнштейном. В існуванні їх ніхто не сумнівається, але гравітаційні хвилі все ще чекають свого першовідкривача.

Джерелом гравітаційних хвиль є будь-які рухи матеріальних тіл, що призводять до неоднорідної зміни сили тяжіння в навколишньому просторі. Тіло, що рухається з постійною швидкістю, нічого не випромінює, оскільки характер його поля тяжіння не змінюється. Для випромінювання хвиль тяжіння потрібні прискорення, але не будь-які. Циліндр, який обертається навколо своєї осі симетрії, зазнає прискорення, проте його гравітаційне поле залишається однорідним, і хвилі тяжіння не виникають. А от якщо розкрутити цей циліндр навколо іншої осі, поле стане осциллювати, і від циліндра на всі боки побіжать гравітаційні хвилі.

Цей висновок стосується будь-якого тіла (або системи тіл), несиметричного щодо осі обертання (у таких випадках говорять, що тіло має квадрупольний момент). Система мас, квадрупольний момент якої змінюється згодом, завжди випромінює гравітаційні хвилі.

Основні властивості гравітаційних хвиль

Астрофізики припускають, що випромінювання гравітаційних хвиль, відбираючи енергію, обмежує швидкість обертання масивного пульсара при поглинанні речовини сусідньої зірки.

Гравітаційні маяки космосу

Гравітаційне випромінювання земних джерел надзвичайно слабке. Сталева колона масою 10 000 тонн, підвішена за центр горизонтальній площині і розкручена навколо вертикальної осі до 600 об./хв, випромінює потужність приблизно 10 -24 Вт. Тому єдина надія виявити хвилі тяжіння – знайти космічне джерело гравітаційного випромінювання.

У цьому плані дуже перспективні тісні подвійні зірки. Причина проста: потужність гравітаційного випромінювання такої системи зростає у зворотній пропорції до п'ятого ступеня її діаметра. Ще краще, якщо траєкторії зірок сильно витягнуті, тому що при цьому зростає швидкість зміни квадрупольного моменту. Дуже добре, якщо подвійна система складається з нейтронних зірок або чорних дірок. Такі системи подібні до гравітаційних маяків у космосі - їх випромінювання має періодичний характер.

У космосі існують і «імпульсні» джерела, що породжують короткі, але надзвичайно потужні гравітаційні сплески. Подібне відбувається при колапсі масивної зірки, що передує вибуху наднової. Однак деформація зірки має бути асиметричною, інакше випромінювання не виникне. Під час колапсу гравітаційні хвилі можуть забрати з собою до 10% повної енергії світила! Потужність гравітаційного випромінювання у разі становить близько 10 50 Вт. Ще більше енергії виділяється при злитті нейтронних зірок, тут пікова потужність досягає 1052 Вт. Чудове джерело випромінювання – зіткнення чорних дірок: їх маси можуть перевищувати маси нейтронних зірок у мільярди разів.

Ще одне джерело гравітаційних хвиль – космологічна інфляція. Відразу після Великого вибуху Всесвіт почав надзвичайно швидко розширюватися, і менше ніж за 10 -34 секунди його діаметр збільшився з 10 -33 см до макроскопічного розміру. Цей процес незмірно посилив гравітаційні хвилі, що існували до його початку, та його нащадки збереглися досі.

Непрямі підтвердження

Перший доказ існування хвиль тяжіння пов'язаний із роботами американського радіоастронома Джозефа Тейлора та його студента Расселла Халса. У 1974 році вони виявили пару нейтронних зірок, що звертаються один навколо одного (випромінює в радіодіапазоні пульсар з мовчазним компаньйоном). Пульсар обертався навколо своєї осі зі стабільною кутовою швидкістю (що буває далеко не завжди) і тому служив виключно точним годинником. Ця особливість дозволила виміряти маси обох зірок та з'ясувати характер їхнього орбітального руху. Виявилося, що період обігу цієї подвійної системи (близько 3 год. 45 хв) щорічно скорочується на 70 мкс. Ця величина добре узгоджується з рішеннями рівнянь загальної теорії відносності, що описують втрату енергії зоряної пари, зумовлену гравітаційним випромінюванням (втім, зіткнення цих зірок станеться нескоро через 300 млн років). В 1993 Тейлор і Халс були удостоєні за це відкриття Нобелівської премії.

Гравітаційно-хвильові антени

Як виявити гравітаційні хвилі експериментально? Вебер використовував як детектори суцільні алюмінієві циліндри метрової довжини з п'єзодатчиками на торцях. Їх максимально ретельно ізолювали від зовнішніх механічних впливів у вакуумній камері. Два таких циліндри Вебер встановив у бункері під полем для гольфу Мерілендського університету, і один – в Аргоннській національній лабораторії.

Ідея експерименту проста. Простір під впливом гравітаційних хвиль стискається і розтягується. Завдяки цьому циліндр вібрує в поздовжньому напрямку, виступаючи як гравітаційно-хвильова антена, а п'єзоелектричні кристали переводять вібрації в електричні сигнали. Будь-яке проходження космічних хвиль тяжіння практично одночасно діє на детектори, рознесені на тисячу кілометрів, що дозволяє відфільтрувати гравітаційні імпульси від різноманітних шумів.

Веберівські датчики були в змозі помітити усунення торців циліндра, рівні всього 10 -15 його довжини - в даному випадку 10 -13 см. Саме такі коливання Вебер вдалося виявити, про що він вперше і повідомив у 1959 році на сторінках Physical Review Letters. Усі спроби повторити ці результати виявилися марними. Дані Вебера до того ж суперечать теорії, яка практично не дозволяє очікувати відносних зсувів вище 10-18 (причому набагато вірогідніше значення менше 10-20). Не виключено, що Вебер наплутав під час статистичної обробки результатів. Перша спроба експериментально виявити гравітаційне випромінювання закінчилася невдачею.

Надалі гравітаційно-хвильові антени значно удосконалили. У 1967 році американський фізик Білл Фейрбанк запропонував охолоджувати їх у рідкому гелії. Це не тільки дозволило позбавитися більшої частини теплових шумів, але й відкрило можливість застосування сквідів (надпровідних квантових інтерферометрів), точних надчутливих магнітометрів. Реалізація цієї ідеї була пов'язана з безліччю технічних труднощів, і сам Фейрбанк до неї не дожив. На початку 1980-х років фізики зі Стенфордського університету збудували установку з чутливістю 10-18, проте хвиль не зареєстрували. Зараз у низці країн діють ультракріогенні вібраційні детектори хвиль тяжіння, що працюють при температурах лише на десяті та соті частки градуса вище за абсолютного нуля. Така, наприклад, установка AURIGA у Падуї. Антенною для неї служить триметровий циліндр з алюмінієво-магнієвого сплаву, діаметр якого становить 60 см, а вага - 2,3 т. Він підвішений у вакуумній камері, що охолоджується до 0,1 К. Його струси (з частотою близько 1000 Гц) передаються на допоміжний резонатор масою в 1 кг, який коливається з такою самою частотою, але набагато більшою амплітудою. Ці вібрації реєструються вимірювальною апаратурою та аналізуються за допомогою комп'ютера. Чутливість комплексу AURIGA - близько 10-20-10-21.

Інтерферометри

Ще один спосіб детектування хвиль тяжіння заснований на відмові від масивних резонаторів на користь світлових променів. Першими у 1962 році його запропонували радянські фізики Михайло Герценштейн та Владислав Пустовойт, а двома роками пізніше і Вебер. На початку 1970-х співробітник дослідницької лабораторії корпорації Hughes AircraftРоберт Форвард (у минулому аспірант Вебера, надалі вельми відомий письменник-фантаст) побудував перший такий детектор із пристойною чутливістю. Тоді ж професор Массачусетського технологічного інституту (MIT) Райнер Вайс виконав дуже глибокий теоретичний аналіз можливостей реєстрації гравітаційних хвиль за допомогою оптичних методів.

Ці методи припускають використання аналогів приладу, за допомогою якого фізик Альберт Майкельсон 125 років тому довів, що швидкість світла строго однакова в усіх напрямках. У цій установці, інтерферометрі Майкельсона, пучок світла потрапляє на напівпрозору пластинку і поділяється на два взаємно перпендикулярні промені, які відбиваються від дзеркал, розташованих на однаковій відстані від пластинки. Потім пучки знову зливаються і падають на екран, де виникає інтерференційна картина (світлі та темні смуги та лінії). Якщо швидкість світла залежить від його напрямку, то при повороті всієї установки ця картинка повинна змінитися, якщо ні - залишитися такою ж, що раніше.

Інтерференційний детектор хвиль тяжіння працює подібним чином. хвиля, Що Проходить, деформує простір і змінює довжину кожного плеча інтерферометра (шляхи, по якому світло йде від дільника до дзеркала), розтягуючи одне плече і стискаючи інше. Інтерференційне зображення змінюється, і це можна зареєструвати. Але це непросто: якщо очікувана відносна зміна довжини плечей інтерферометра становить 10 -20 , то при настільних розмірах приладу (як у Майкельсона) воно обертається коливаннями амплітудою порядку 10 -18 см. Для порівняння: хвилі видимого світла в 10 трлн разів довгий Можна збільшити довжину плечей до кількох кілометрів, проте проблеми все одно залишаться. Лазерне джерело світла має бути і потужним, і стабільним за частотою, дзеркала - ідеально плоскими і ідеально відбивають, вакуум у трубах, якими поширюється світло, - максимально глибоким, механічна стабілізація всієї системи - воістину досконалої. Коротше кажучи, інтерференційний детектор гравітаційних хвиль – прилад дорогий та громіздкий.

Сьогодні найбільша установка такого роду – американський комплекс LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Він складається з двох обсерваторій, одна з яких знаходиться на тихоокеанському узбережжі США, а інша неподалік від Мексиканської затоки. Вимірювання виробляють за допомогою трьох інтерферометрів (два у штаті Вашингтон, один у Луїзіані) з плечима чотирикілометрової довжини. Установка має дзеркальні накопичувачі світла, які збільшують її чутливість. «З листопада 2005 року всі три наші інтерферометри працюють у нормальному режимі, – розповів «Популярній механіці» представник комплексу LIGO Пітер Солсон, професор фізики Сіракузького університету. - Ми постійно обмінюємося даними з іншими обсерваторіями, які намагаються виявити гравітаційні хвилі частотою в десятки і сотні герц, що виникли при найпотужніших вибухах наднових та злитті нейтронних зірок та чорних дірок. Зараз у строю знаходиться німецький інтерферометр GEO 600 (довжина плечей – 600 м), розташований за 25 км від Ганновера. 300-метровий японський прилад TAMA зараз модернізується. Трикілометровий детектор Virgo на околицях Пізи підключиться до загальних зусиль на початку 2007-го, причому на частотах менше 50 Гц він зможе перевершити LIGO. Установки з ультракріогенними резонаторами діють із зростаючою ефективністю, хоча їхня чутливість все ж таки дещо менша за нашу».

Перспективи

Що ж очікує на методи виявлення гравітаційних хвиль у найближчому майбутньому? Про це «Популярній механіці» розповів професор Райнер Вайсс. Зараз вона становить 10-21 (на частотах близько 100 Гц), а після модернізації перевищить 10-22. Модернізований комплекс Advanced LIGO в 15 разів збільшить глибину проникнення в космос. У цьому проекті бере активну участь професор МДУ Володимир Брагінський, один з піонерів вивчення гравітаційних хвиль.

На середину наступного десятиліття заплановано запуск космічного інтерферометра LISA ( Laser Interferometer Space Antenna) з довжиною плечей у 5 мільйонів кілометрів, це спільний проект NASA та Європейського космічного агентства. Чутливість цієї обсерваторії буде у сотні разів вищою, ніж можливості наземних інструментів. Вона в першу чергу призначена для пошуку низькочастотних (10 -4 -10 -1 Гц) гравітаційних хвиль, які неможливо вловити на поверхні Землі через атмосферні та сейсмічні перешкоди. Такі хвилі випромінюють подвійні зіркові системи, цілком типові мешканці Космосу. LISA також зможе реєструвати хвилі тяжіння, що виникли під час поглинання чорними дірками звичайних зірок. А ось для детектування реліктових гравітаційних хвиль, що несуть інформацію про стан матерії в перші миті після Великого вибуху, швидше за все, будуть потрібні більш просунуті космічні інструменти. Така установка, Big Bang Observer, зараз обговорюється, проте навряд чи її вдасться створити та запустити раніше ніж через 30-40 років».