Валентин Николаевич Руденко споделя историята на посещението си в град Кашина (Италия), където прекара една седмица на новопостроената тогава „гравитационна антена“ - оптичен интерферометърМайкелсън. По пътя към дестинацията шофьорът на таксито пита защо е изградена инсталацията. „Хората тук си мислят, че е за разговор с Бог“, признава шофьорът.

– Какво представляват гравитационните вълни?

– Гравитационната вълна е един от „носителите на астрофизична информация“. Има видими канали за астрофизична информация; телескопите играят специална роля в „далечното виждане“. Астрономите са усвоили и нискочестотните канали – микровълнови и инфрачервени, и високочестотните канали – рентгенови и гама. В допълнение към електромагнитното излъчване можем да открием потоци от частици от Космоса. За целта се използват неутрино телескопи - големи по размер детектори на космически неутрино - частици, които слабо взаимодействат с материята и поради това трудно се регистрират. Почти всички теоретично прогнозирани и лабораторно изследвани видове „носители на астрофизична информация” са надеждно усвоени на практика. Изключение беше гравитацията - най-много слабо взаимодействиев микрокосмоса и най-мощната сила в макрокосмоса.

Гравитацията е геометрия. Гравитационните вълни са геометрични вълни, тоест вълни, които променят геометричните характеристики на пространството, когато преминават през това пространство. Грубо казано, това са вълни, които деформират пространството. Деформацията е относителната промяна в разстоянието между две точки. Гравитационното лъчение се различава от всички други видове лъчение именно по това, че е геометрично.

– Айнщайн предсказал ли е гравитационни вълни?

– Формално се смята, че гравитационните вълни са предсказани от Айнщайн като едно от следствията на неговата обща теория на относителността, но всъщност тяхното съществуване става очевидно още в специалната теория на относителността.

Теорията на относителността предполага, че поради гравитационното привличане е възможен гравитационен колапс, т.е. обектът да бъде събран в резултат на колапс, грубо казано, до точка. Тогава гравитацията е толкова силна, че светлината дори не може да излезе от нея, затова такъв обект образно се нарича черна дупка.

– Каква е особеността на гравитационното взаимодействие?

Характеристика на гравитационното взаимодействие е принципът на еквивалентността. Според нея динамичната реакция на тестово тяло в гравитационно поле не зависи от масата на това тяло. Просто казано, всички тела падат с еднакво ускорение.

Гравитационното взаимодействие е най-слабото, което познаваме днес.

– Кой пръв се опита да улови гравитационна вълна?

– Експериментът с гравитационни вълни е проведен за първи път от Джоузеф Вебер от Университета на Мериленд (САЩ). Той създава гравитационен детектор, който сега се съхранява в музея Смитсониън във Вашингтон. През 1968-1972 г. Джо Вебер провежда поредица от наблюдения върху двойка пространствено разделени детектори, опитвайки се да изолира случаи на "съвпадения". Техниката на съвпадението е заимствана от ядрена физика. ниско статистическа значимостполучените от Вебер гравитационни сигнали предизвикаха критично отношение към резултатите от експеримента: нямаше увереност, че е възможно да се открият гравитационни вълни. Впоследствие учените се опитаха да увеличат чувствителността на детекторите от типа Weber. Разработването на детектор, чиято чувствителност е адекватна на астрофизичната прогноза, отне 45 години.

По време на началото на експеримента се проведоха много други експерименти преди фиксацията; през този период бяха записани импулси, но тяхната интензивност беше твърде ниска.

– Защо фиксирането на сигнала не беше обявено веднага?

– Гравитационните вълни са регистрирани през септември 2015 г. Но дори и да е записано съвпадение, преди да го обявите, трябва да докажете, че не е случайно. Сигналът, взет от всяка антена, винаги съдържа шумови изблици (краткотрайни изблици) и един от тях може случайно да се появи едновременно с шумов изблик на друга антена. Възможно е да се докаже, че съвпадението не е случайно само с помощта на статистически оценки.

– Защо откритията в областта на гравитационните вълни са толкова важни?

– Възможността да регистрираме реликтовия гравитационен фон и да измерваме неговите характеристики, като плътност, температура и др., ни позволява да се доближим до началото на Вселената.

Привлекателното е, че гравитационното излъчване е трудно за откриване, защото взаимодейства много слабо с материята. Но благодарение на същото това свойство той преминава без поглъщане от най-отдалечените от нас обекти с най-мистериозни, от гледна точка на материята, свойства.

Можем да кажем, че гравитационното излъчване преминава без изкривяване. Най-амбициозната цел е да се изследва гравитационното излъчване, което е отделено от първичната материя в теорията за Големия взрив, създадена при създаването на Вселената.

– Откриването на гравитационните вълни изключва ли квантовата теория?

Теорията на гравитацията предполага съществуването на гравитационен колапс, тоест свиване на масивни обекти до точка. В същото време квантовата теория, разработена от Копенхагенската школа, предполага, че благодарение на принципа на неопределеността е невъзможно едновременно да се посочат точно такива параметри като координатата, скоростта и импулса на тялото. Тук има принцип на неопределеност, невъзможно е да се определи точната траектория, тъй като траекторията е едновременно координата и скорост и т. н. Възможно е само да се определи определен условен коридор на достоверност в границите на тази грешка, която е свързана с принципите на несигурността. Квантовата теория категорично отрича възможността за точкови обекти, но ги описва по статистически вероятностен начин: тя не посочва конкретно координати, но посочва вероятността, че има определени координати.

Въпросът за обединяването на квантовата теория и теорията на гравитацията е един от основните въпроси за създаването на единна теория на полето.

Те продължават да работят върху това сега и думите „квантова гравитация“ означават напълно напреднала област на науката, границата на знанието и невежеството, където сега работят всички теоретици в света.

– Какво може да донесе откритието в бъдеще?

Гравитационните вълни неизбежно трябва да лежат в основата съвременна наукакато един от компонентите на нашето познание. Дават се значителна роляв еволюцията на Вселената и с помощта на тези вълни трябва да се изучава Вселената. Откриването насърчава общо развитиенаука и култура.

Ако решите да излезете извън рамките на днешната наука, тогава е допустимо да си представите гравитационни телекомуникационни линии, реактивни устройства, използващи гравитационно излъчване, устройства за интроскопия на гравитационни вълни.

– Гравитационните вълни имат ли нещо общо с екстрасензорното възприятие и телепатията?

Нямам. Описаните ефекти са ефекти на квантовия свят, ефекти на оптиката.

Интервюто взе Анна Уткина

Гравитационните вълни, теоретично предсказани от Айнщайн през 1917 г., все още очакват своя откривател.

В края на 1969 г. професорът по физика от университета в Мериленд Джоузеф Вебер прави сензационно изявление. Той обяви, че е открил гравитационни вълни, идващи към Земята от дълбините на космоса. До този момент нито един учен не е правил подобни твърдения и самата възможност за откриване на такива вълни се смяташе за далеч от очевидна. Въпреки това Вебер беше известен като авторитет в своята област и затова колегите му приеха посланието му много сериозно.

Скоро обаче настъпи разочарование. Амплитудите на вълните, за които се твърди, че са регистрирани от Вебер, са били милиони пъти по-високи от теоретичната стойност. Вебер твърди, че тези вълни идват от центъра на нашата Галактика, скрит от облаци прах, за които тогава се знае малко. Астрофизиците предположиха, че там се крие гигантска черна дупка, която годишно поглъща хиляди звезди и изхвърля част от погълнатата енергия под формата на гравитационно лъчение, а астрономите започнаха безполезно търсене на по-очевидни следи от този космически канибализъм (има сега е доказано, че наистина има черна дупка там, но тя води се държи доста прилично). Физици от САЩ, СССР, Франция, Германия, Англия и Италия започнаха експерименти с детектори от същия тип - и не постигнаха нищо.

Учените все още не знаят на какво да припишат странните показания от инструментите на Вебер. Усилията му обаче не са били напразни, въпреки че гравитационните вълни все още не са открити. Вече са изградени или се изграждат няколко инсталации за тяхното търсене, а след десет години такива детектори ще бъдат изстреляни в космоса. Напълно възможно е в не много далечното бъдеще гравитационното излъчване да стане толкова видима физическа реалност, колкото и електромагнитните трептения. За съжаление Джоузеф Вебер вече няма да знае това - той почина през септември 2000 г.

Какво представляват гравитационните вълни

Често се казва, че гравитационните вълни са смущения на гравитационното поле, разпространяващо се в пространството. Това определение е правилно, но непълно. Според общата теория на относителността гравитацията възниква поради кривината на пространствено-времевия континуум. Гравитационните вълни са флуктуации на пространствено-времевата метрика, които се проявяват като флуктуации в гравитационното поле, така че често биват образно наричани пространствено-времеви вълни. Гравитационните вълни са теоретично предсказани през 1917 г. от Алберт Айнщайн. Никой не се съмнява в тяхното съществуване, но гравитационните вълни все още чакат своя откривател.

Източник на гравитационни вълни е всяко движение на материални тела, което води до неравномерно изменение на силата на гравитацията в околното пространство. Движейки се с постоянна скоросттялото не излъчва нищо, тъй като природата на гравитационното му поле не се променя. За да се излъчват гравитационни вълни, са необходими ускорения, но не просто някакви. Цилиндър, който се върти около своята ос на симетрия, изпитва ускорение, но неговото гравитационно поле остава еднородно и гравитационни вълни не възникват. Но ако завъртите този цилиндър около различна ос, полето ще започне да осцилира и гравитационните вълни ще текат от цилиндъра във всички посоки.

Това заключение се отнася за всяко тяло (или система от тела), което е асиметрично спрямо оста на въртене (в такива случаи се казва, че тялото има квадруполен момент). Масова система, чийто квадруполен момент се променя с времето, винаги излъчва гравитационни вълни.

Основни свойства на гравитационните вълни

Астрофизиците предполагат, че излъчването на гравитационни вълни, отнемащи енергия, ограничава скоростта на въртене на масивен пулсар при поглъщане на материя от съседна звезда.


Гравитационни маяци на космоса

Гравитационното излъчване от земни източници е изключително слабо. Стоманена колона с тегло 10 000 тона, окачена от центъра в хоризонтална равнина и завъртяна около вертикална ос до 600 rpm, излъчва мощност от приблизително 10 -24 W. Следователно единствената надежда за откриване на гравитационни вълни е намирането на космически източник на гравитационно лъчение.

В това отношение близките двойни звезди са много обещаващи. Причината е проста: силата на гравитационното излъчване на такава система нараства обратно пропорционално на петата степен на нейния диаметър. Още по-добре е траекториите на звездите да са много удължени, тъй като това увеличава скоростта на изменение на квадруполния момент. Доста добре е, ако двойната система се състои от неутронни звезди или черни дупки. Такива системи са подобни на гравитационните маяци в космоса - тяхното излъчване е периодично.

В космоса има и „импулсни“ източници, които генерират кратки, но изключително мощни гравитационни изблици. Това се случва, когато масивна звезда колабира преди експлозия на свръхнова. Деформацията на звездата обаче трябва да е асиметрична, в противен случай излъчването няма да се появи. По време на колапс гравитационните вълни могат да отнесат до 10% от общата енергия на звездата! Мощността на гравитационното излъчване в този случай е около 10 50 W. Още повече енергия се освобождава по време на сливането на неутронни звезди, тук пиковата мощност достига 10 52 W. Отличен източник на радиация е сблъсъкът на черни дупки: техните маси могат да надвишават масите на неутронните звезди милиарди пъти.

Друг източник на гравитационни вълни е космологичната инфлация. Веднага след голям взривВселената започна да се разширява изключително бързо и за по-малко от 10 -34 секунди диаметърът й се увеличи от 10 -33 см до макроскопични размери. Този процес неизмеримо засили гравитационните вълни, които съществуваха преди началото му, и техните потомци продължават да съществуват и до днес.

Косвени потвърждения

Първите доказателства за съществуването на гравитационни вълни идват от работата на американския радиоастроном Джоузеф Тейлър и неговия ученик Ръсел Хълс. През 1974 г. те откриха двойка неутронни звезди, обикалящи една около друга (радиоизлъчващ пулсар с мълчалив спътник). Пулсарът се въртял около оста си със стабилна ъглова скорост (което не винаги е така) и затова служил като изключително точен часовник. Тази функция направи възможно измерването на масите на двете звезди и определяне на естеството на тяхното орбитално движение. Оказа се, че орбиталният период на тази двойна система (около 3 часа 45 минути) се намалява със 70 μs годишно. Тази стойност се съгласува добре с решенията на уравненията на общата теория на относителността, които описват загубата на енергия на звездна двойка поради гравитационно излъчване (обаче сблъсъкът на тези звезди няма да се случи скоро, след 300 милиона години). През 1993 г. Тейлър и Хълс получават Нобелова награда за това откритие.

Антени за гравитационни вълни

Как да открием гравитационните вълни експериментално? Weber използва дълги метри твърди алуминиеви цилиндри с пиезоелектрични сензори в краищата като детектори. Те бяха изолирани с максимално внимание от външни механични въздействия във вакуумна камера. Вебер инсталира два от тези цилиндри в бункер под голф игрището на Университета на Мериленд и един в Националната лаборатория в Аргон.

Идеята на експеримента е проста. Пространството се компресира и разтяга под въздействието на гравитационните вълни. Благодарение на това цилиндърът вибрира в надлъжна посока, действайки като антена за гравитационна вълна, а пиезоелектричните кристали преобразуват вибрациите в електрически сигнали. Всяко преминаване на космически гравитационни вълни почти едновременно засяга детектори, разделени от хиляда километра, което прави възможно филтрирането на гравитационни импулси от различни видове шум.

Сензорите на Вебер успяха да открият измествания на краищата на цилиндъра, равни само на 10 -15 от дължината му - в този случай 10 -13 см. Точно такива колебания успя да открие Вебер, за които той докладва за първи път през 1959 г. страниците Писма за физически преглед. Всички опити да се повторят тези резултати са напразни. Данните на Weber също противоречат на теорията, която практически не ни позволява да очакваме относителни измествания над 10 -18 (и стойности под 10 -20 са много по-вероятни). Възможно е Вебер да е допуснал грешка при статистическата обработка на резултатите. Първият опит за експериментално откриване на гравитационно лъчение завършва с неуспех.

Впоследствие антените за гравитационни вълни бяха значително подобрени. През 1967 г. американският физик Бил Феърбанк предлага охлаждането им в течен хелий. Това не само направи възможно да се отървем от по-голямата част от топлинния шум, но също така отвори възможността за използване на SQUID (свръхпроводящи квантови интерферометри), най-точните свръхчувствителни магнитометри. Осъществяването на тази идея се оказва изпълнено с много технически трудности, а самият Феърбанк не доживява да я види. До началото на 80-те години физици от Станфордския университет са изградили инсталация с чувствителност 10 -18, но не са открити вълни. Сега в редица страни има ултракриогенни вибрационни детектори на гравитационни вълни, работещи при температури само десети и стотни от градуса над абсолютната нула. Това е например инсталацията AURIGA в Падуа. Антената за нея е триметров цилиндър от алуминиево-магнезиева сплав с диаметър 60 см и тегло 2,3 т. Окачена е във вакуумна камера, охладена до 0,1 К. Ударите й (с честота около 1000 Hz) се предават на спомагателен резонатор с тегло 1 kg, който вибрира със същата честота, но с много по-голяма амплитуда. Тези вибрации се записват от измервателно оборудване и се анализират с помощта на компютър. Чувствителността на комплекса AURIGA е около 10 -20 -10 -21.

Интерферометри

Друг метод за откриване на гравитационни вълни се основава на изоставянето на масивни резонатори в полза на светлинните лъчи. За първи път е предложен от съветските физици Михаил Херценщайн и Владислав Пустовойт през 1962 г., а две години по-късно от Вебер. В началото на 70-те години служител изследователска лабораториякорпорации Самолет ХюзРобърт Форуърд (бивш студент на Weber, по-късно много известен писател на научна фантастика) построи първия такъв детектор с доста прилична чувствителност. Тогава професор в Масачузетс Технологичен институт(MIT) Rainer Weiss извърши много задълбочен теоретичен анализ на възможностите за откриване на гравитационни вълни с помощта на оптични методи.

Тези методи включват използването на аналози на устройството, с което преди 125 години физикът Алберт Майкелсън доказа, че скоростта на светлината е строго еднаква във всички посоки. В тази инсталация, интерферометър на Майкелсън, лъч светлина удря полупрозрачна плоча и се разделя на два взаимно перпендикулярни лъча, които се отразяват от огледала, разположени на същото разстояние от плочата. След това лъчите отново се сливат и падат върху екрана, където се появява интерференчна картина (светли и тъмни ивици и линии). Ако скоростта на светлината зависи от нейната посока, тогава когато цялата инсталация се завърти, тази картина трябва да се промени, ако не, тя трябва да остане същата като преди.

Детекторът за смущения на гравитационни вълни работи по подобен начин. Преминаваща вълна деформира пространството и променя дължината на всяко рамо на интерферометъра (пътя, по който светлината се движи от сплитера до огледалото), като разтяга едното рамо и компресира другото. Моделът на смущения се променя и това може да се регистрира. Но това не е лесно: ако очакваната относителна промяна в дължината на рамената на интерферометъра е 10 -20, то при настолен размер на устройството (като този на Майкелсън) това води до трептения с амплитуда от порядъка на 10 - 18 см. За сравнение: вълните на видимата светлина са 10 трилиона пъти по-дълги! Можете да увеличите дължината на раменете до няколко километра, но проблемите ще останат. Лазерният светлинен източник трябва да бъде едновременно мощен и стабилен по честота, огледалата трябва да са идеално плоски и перфектно отразяващи, вакуумът в тръбите, през които преминава светлината, трябва да е възможно най-дълбок и механичната стабилизация на цялата система трябва да бъде наистина перфектен. Накратко, детекторът за смущения на гравитационни вълни е скъпо и обемисто устройство.

Днес най-голямата инсталация от този вид е американският комплекс LIGO (Обсерватория за гравитационни вълни на светлинния интерферометър). Състои се от две обсерватории, едната от които се намира на тихоокеанското крайбрежие на САЩ, а другата близо до мексикански залив. Измерванията се извършват с помощта на три интерферометъра (два в щата Вашингтон, един в Луизиана) с рамена с дължина четири километра. Инсталацията е оборудвана с огледални светлинни акумулатори, които повишават нейната чувствителност. „От ноември 2005 г. и трите ни интерферометъра работят нормално“, каза представителят на комплекса LIGO Питър Солсън, професор по физика в университета в Сиракюз, пред Popular Mechanics. - Постоянно обменяме данни с други обсерватории, опитвайки се да открием гравитационни вълни с честота десетки и стотици херца, които са възникнали при най-мощните експлозии на свръхнови и сливания на неутронни звезди и черни дупки. В момента в експлоатация е германският интерферометър GEO 600 (дължина на рамото - 600 м), разположен на 25 км от Хановер. В момента се надгражда 300-метровият японски инструмент TAMA. Трикилометровият детектор Virgo близо до Пиза ще се присъедини към усилията в началото на 2007 г. и при честоти под 50 Hz ще може да надмине LIGO. Инсталациите с ултракриогенни резонатори работят с нарастваща ефективност, въпреки че тяхната чувствителност все още е малко по-ниска от нашата.

Перспективи

Какво очаква близкото бъдеще за методите за откриване на гравитационни вълни? Професор Райнер Вайс каза пред Popular Mechanics за това: „След няколко години в обсерваториите на комплекса LIGO ще бъдат инсталирани по-мощни лазери и по-модерни детектори, което ще доведе до 15-кратно увеличение на чувствителността. Сега е 10 -21 (при честоти около 100 Hz), а след модернизацията ще надхвърли 10 -22. Модернизираният комплекс Advanced LIGO ще увеличи дълбочината на проникване в космоса 15 пъти. Професорът от Московския държавен университет Владимир Брагински, един от пионерите в изследването на гравитационните вълни, участва активно в този проект.

Пускането на космическия интерферометър LISA е планирано за средата на следващото десетилетие ( Космическа антена за лазерен интерферометър) с дължина на ръката 5 милиона километра, той е съвместен проект на НАСА и Европейската космическа агенция. Чувствителността на тази обсерватория ще бъде стотици пъти по-висока от възможностите на наземните инструменти. Той е предназначен основно за търсене на нискочестотни (10 -4 -10 -1 Hz) гравитационни вълни, които не могат да бъдат открити на земната повърхност поради атмосферни и сеизмични смущения. Такива вълни се излъчват от двойни звездни системи, съвсем типични обитатели на Космоса. LISA също така ще може да открива гравитационни вълни, генерирани, когато обикновените звезди се абсорбират от черни дупки. Но за откриване на реликтни гравитационни вълни, които носят информация за състоянието на материята в първите моменти след Големия взрив, най-вероятно ще са необходими по-модерни космически инструменти. Такава инсталация Наблюдател на Големия взрив, в момента се обсъжда, но едва ли ще бъде създаден и пуснат по-рано от 30-40 години.“

Първото директно откриване на гравитационни вълни беше разкрито на света на 11 февруари 2016 г. и генерира заглавия по целия свят. За това откритие през 2017 г. физиците получиха Нобелова наградаи официално стартира нова ера гравитационна 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, използвайки . Всички наши знания и предположения за тези масивни обекти обаче може да се окажат неточни. Наскоро в научна общностПоявиха се 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 поставя под съмнение констатацията въз основа на техния собствен независим анализ на данните от последните две години и половина.

Гравитационни вълни - интерпретация на художника

Гравитационните вълни са смущения на пространствено-времевата метрика, които се отделят от източника и се разпространяват като вълни (така наречените „пространствено-времеви вълни“).

В общата теория на относителността и повечето други съвременни теорииПри гравитацията гравитационните вълни се генерират от движението на масивни тела с променливо ускорение. Гравитационните вълни се разпространяват свободно в пространството със скоростта на светлината. Поради относителната слабост гравитационни сили(в сравнение с други) тези вълни имат много малък магнитуд, който трудно се регистрира.

Поляризирани гравитационна вълна

Гравитационните вълни се предсказват от общата теория на относителността (ОТО) и много други. Те бяха открити за първи път директно през септември 2015 г. от два двойни детектора, които откриха гравитационни вълни, вероятно резултат от сливането на две и образуването на една по-масивна въртяща се Черна дупка. Косвени доказателства за съществуването им са известни от 70-те години на миналия век – Общата теория на относителността прогнозира скоростта на сближаване на близки системи поради загуба на енергия поради излъчване на гравитационни вълни, което съвпада с наблюденията. Директното регистриране на гравитационните вълни и използването им за определяне на параметрите на астрофизичните процеси е важна задача на съвременната физика и астрономия.

В рамките на общата теория на относителността гравитационните вълни се описват чрез решения на уравнения на Айнщайн от вълнов тип, които представляват смущение на метриката пространство-време, движещо се със скоростта на светлината (в линейно приближение). Проявата на това смущение трябва да бъде по-специално периодична промяна в разстоянието между две свободно падащи (т.е. неповлияни от никакви сили) тестови маси. Амплитуда чгравитационната вълна е безразмерна величина - относително изменение на разстоянието. Предсказаните максимални амплитуди на гравитационни вълни от астрофизични обекти (например компактни двойни системи) и явления (експлозии, сливания, улавяне от черни дупки и т.н.) при измерване са много малки ( ч=10 −18 -10 −23). Слаба (линейна) гравитационна вълна, според общата теория на относителността, пренася енергия и импулс, движи се със скоростта на светлината, напречна е, четириполюсна и се описва от две независими компоненти, разположени под ъгъл 45° една спрямо друга ( има две посоки на поляризация).

Различните теории предсказват различно скоростта на разпространение на гравитационните вълни. В общата теория на относителността тя е равна на скоростта на светлината (в линейно приближение). В други теории за гравитацията тя може да приеме всякаква стойност, включително безкрайност. Според първата регистрация на гравитационните вълни, тяхната дисперсия се оказа съвместима с безмасов гравитон, а скоростта беше оценена като равна на скоростта на светлината.

Генериране на гравитационни вълни

Система от две неутронни звезди създава вълни в пространство-времето

Гравитационна вълна се излъчва от всяка материя, движеща се с асиметрично ускорение. За да възникне вълна със значителна амплитуда, е необходима изключително голяма маса на излъчвателя и/или огромни ускорения; амплитудата на гравитационната вълна е правопропорционална първа производна на ускорениетои масата на генератора, тоест ~ . Ако обаче даден обект се движи с ускорена скорост, това означава, че някаква сила действа върху него от друг обект. На свой ред този друг обект изпитва обратния ефект (според 3-тия закон на Нютон) и се оказва, че м 1 а 1 = − м 2 а 2 . Оказва се, че два обекта излъчват гравитационни вълни само по двойки и в резултат на интерференция те взаимно се елиминират почти напълно. Следователно гравитационното излъчване в общата теория на относителността винаги има многополюсен характер поне на квадруполното излъчване. В допълнение, за нерелативистични излъчватели в израза за интензитета на излъчване има малък параметър, където е гравитационният радиус на излъчвателя, r- неговия характерен размер, T- характерен период на движение, ° С- скоростта на светлината във вакуум.

Най-силните източници на гравитационни вълни са:

  • сблъсък (гигантски маси, много малки ускорения),
  • гравитационен колапс на двоична система от компактни обекти (колосални ускорения с доста голяма маса). Като частен и най-интересен случай - сливането неутронни звезди. В такава система светимостта на гравитационните вълни е близка до максималната светимост на Планк, възможна в природата.

Гравитационни вълни, излъчвани от система от две тела

Две тела, движещи се по кръгови орбити около общ център на масата

Две гравитационни обвързано тялос масите м 1 и м 2, движещ се нерелативистично ( v << ° С) в кръгови орбити около техния общ център на маса на разстояние rедин от друг, излъчват гравитационни вълни със следната енергия средно за периода:

В резултат на това системата губи енергия, което води до сближаване на телата, тоест до намаляване на разстоянието между тях. Скорост на приближаване на телата:

За Слънчевата система, например, най-голямото гравитационно излъчване се произвежда от подсистемата и . Мощността на това излъчване е приблизително 5 киловата. По този начин енергията, която Слънчевата система губи от гравитационното излъчване на година, е напълно незначителна в сравнение с характерната кинетична енергия на телата.

Гравитационен колапс на двойна система

Всяка двойна звезда, когато нейните компоненти се въртят около общ център на масата, губи енергия (както се предполага - поради излъчването на гравитационни вълни) и в крайна сметка се слива заедно. Но за обикновените некомпактни двойни звезди този процес отнема много дълго време, много по-дълго от сегашната епоха. Ако една компактна бинарна система се състои от двойка неутронни звезди, черни дупки или комбинация от двете, тогава сливането може да се случи в рамките на няколко милиона години. Първо, обектите се приближават и периодът им на въртене намалява. След това на последния етап настъпва сблъсък и асиметричен гравитационен колапс. Този процес продължава част от секундата и през това време енергията се губи в гравитационно излъчване, което според някои оценки възлиза на повече от 50% от масата на системата.

Основни точни решения на уравненията на Айнщайн за гравитационните вълни

Телесни вълни на Бонди-Пирани-Робинсън

Тези вълни се описват с метрика от формата . Ако въведем променлива и функция, тогава от уравненията на общата теория на относителността получаваме уравнението

Takeno Metric

има формата , -функциите отговарят на същото уравнение.

Метрика на Росен

Къде да задоволим

Метрика на Перес

При което

Цилиндрични вълни на Айнщайн-Розен

В цилиндрични координати такива вълни имат формата и се изпълняват

Регистрация на гравитационни вълни

Регистрацията на гравитационните вълни е доста трудна поради слабостта на последните (малко изкривяване на метриката). Устройствата за регистрирането им са детектори за гравитационни вълни. От края на 60-те години на миналия век се правят опити за откриване на гравитационни вълни. Гравитационни вълни с откриваема амплитуда се раждат по време на колапса на двойна система. Подобни събития се случват в околността приблизително веднъж на десетилетие.

От друга страна, общата теория на относителността предсказва ускоряването на взаимното въртене на двойните звезди поради загубата на енергия при излъчването на гравитационни вълни и този ефект е надеждно регистриран в няколко известни системи от двоични компактни обекти (по-специално , пулсари с компактни спътници). През 1993 г. „за откриването на нов тип пулсар, който предоставя нови възможности в изследването на гравитацията“ на откривателите на първия двоен пулсар PSR B1913+16 Ръсел Хълс и Джоузеф Тейлър младши. е удостоен с Нобелова награда по физика. Ускорението на въртене, наблюдавано в тази система, напълно съвпада с прогнозите на общата теория на относителността за излъчване на гравитационни вълни. Същото явление е регистрирано в няколко други случая: за пулсарите PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (обикновено съкратено J0651) и двоичната система RX J0806. Например разстоянието между двата компонента A и B на първата двойна звезда от двата пулсара PSR J0737-3039 намалява с около 2,5 инча (6,35 cm) на ден поради загуба на енергия от гравитационни вълни и това се случва в съответствие с обща теория на относителността. Всички тези данни се тълкуват като косвено потвърждение за съществуването на гравитационни вълни.

Според оценките най-силните и най-честите източници на гравитационни вълни за гравитационните телескопи и антени са катастрофи, свързани с колапса на двойни системи в близки галактики. Очаква се в близко бъдеще няколко подобни събития годишно да бъдат записвани на подобрени гравитационни детектори, изкривявайки метриката в близост с 10 −21 -10 −23 . Първите наблюдения на оптично-метричен параметричен резонансен сигнал, който прави възможно откриването на ефекта на гравитационни вълни от периодични източници като близка двойна система върху излъчването на космически мазери, може да са получени в радиоастрономическата обсерватория на Русия Академия на науките, Пущино.

Друга възможност за откриване на фона на гравитационните вълни, изпълващи Вселената, е високоточното определяне на времето на далечни пулсари - анализ на времето на пристигане на техните импулси, което характерно се променя под въздействието на гравитационните вълни, преминаващи през пространството между Земята и пулсара. Прогнозите за 2013 г. показват, че точността на синхронизирането трябва да се подобри с около един порядък, за да се открият фонови вълни от множество източници в нашата Вселена, задача, която може да бъде изпълнена преди края на десетилетието.

Според съвременните представи нашата Вселена е изпълнена с реликтови гравитационни вълни, появили се в първите мигове след това. Тяхната регистрация ще даде възможност да се получи информация за процесите в началото на раждането на Вселената. На 17 март 2014 г. в 20:00 часа московско време в Центъра за астрофизика Харвард-Смитсониън американска група изследователи, работещи по проекта BICEP 2, обявиха откриването на ненулеви тензорни смущения в ранната Вселена чрез поляризацията на космическото микровълново фоново лъчение, което също е откритието на тези реликтни гравитационни вълни. Въпреки това, почти веднага този резултат беше оспорен, тъй като, както се оказа, приносът не беше правилно взет предвид. Един от авторите, J. M. Kovats ( Ковач Дж. М.), призна, че „участниците и научните журналисти са били малко прибързани в тълкуването и докладването на данните от експеримента BICEP2.“

Експериментално потвърждение за съществуването

Първият записан сигнал от гравитационна вълна. Вляво са данните от детектора в Ханфорд (H1), вдясно - в Ливингстън (L1). Времето се отчита от 14 септември 2015 г., 09:50:45 UTC. За визуализиране на сигнала той се филтрира с честотен филтър с лента на пропускане 35-350 херца за потискане на големи колебания извън обхвата на висока чувствителност на детекторите; използвани са и лентови филтри за потискане на шума на самите инсталации. Горен ред: напрежения h в детекторите. GW150914 първо пристигна в L1 и 6 9 +0 5 −0 4 ms по-късно до H1; За визуално сравнение данните от H1 са показани в графиката L1 в обърната и изместена във времето форма (за да се отчете относителната ориентация на детекторите). Втори ред: напрежения h от сигнала на гравитационната вълна, преминали през същия лентов филтър 35-350 Hz. Плътната линия е резултат от числената относителност за система с параметри, съвместими с тези, открити въз основа на изследването на сигнала GW150914, получен от два независими кода с резултатно съвпадение от 99,9. Сивите дебели линии са областите с 90% достоверност на формата на вълната, реконструирана от данните на детектора по два различни метода. Тъмносивата линия моделира очакваните сигнали от сливането на черни дупки, светлосивата линия не използва астрофизични модели, а представя сигнала като линейна комбинация от синусоидални-гаусови вълни. Реконструкциите се припокриват с 94%. Трети ред: Остатъчни грешки след извличане на филтрираната прогноза на числения сигнал на относителността от филтрирания сигнал на детекторите. Долен ред: Представяне на честотната карта на напрежението, показваща увеличаването на доминиращата честота на сигнала с течение на времето.

11 февруари 2016 г. от колаборациите LIGO и VIRGO. Сигналът за сливане на две черни дупки с максимална амплитуда от около 10 −21 беше записан на 14 септември 2015 г. в 9:51 UTC от два детектора LIGO в Ханфорд и Ливингстън, на разстояние 7 милисекунди, в областта на максималната амплитуда на сигнала ( 0,2 секунди) комбинираното съотношение сигнал/шум беше 24:1. Сигналът е обозначен като GW150914. Формата на сигнала съвпада с прогнозата на общата теория на относителността за сливането на две черни дупки с маси 36 и 29 слънчеви маси; получената черна дупка трябва да има маса 62 слънчеви и параметър на въртене а= 0,67. Разстоянието до източника е около 1,3 милиарда, енергията, излъчена за десети от секундата при сливането, е еквивалентна на около 3 слънчеви маси.

История

Историята на самия термин "гравитационна вълна", теоретичното и експерименталното търсене на тези вълни, както и използването им за изследване на явления, недостъпни за други методи.

  • 1900 – Лоренц предполага, че гравитацията „...може да се разпространява със скорост, не по-голяма от скоростта на светлината“;
  • 1905 - Поанкареза първи път въвежда термина гравитационна вълна (onde gravifique). Поанкаре, на качествено ниво, премахна установените възражения на Лаплас и показа, че корекциите, свързани с гравитационните вълни към общоприетите Нютонови закони за гравитацията, се отменят, като по този начин предположението за съществуването на гравитационни вълни не противоречи на наблюденията;
  • 1916 - Айнщайн показа, че в рамките на общата теория на относителността една механична система ще прехвърли енергия към гравитационни вълни и, грубо казано, всяко въртене спрямо неподвижни звезди трябва рано или късно да спре, въпреки че, разбира се, при нормални условия загубите на енергия от порядъка на величината са пренебрежимо малки и практически не могат да бъдат измерени (в тази работа той също погрешно смята, че механична система, която постоянно поддържа сферична симетрия, може да излъчва гравитационни вълни);
  • 1918 - Айнщайнизвлича квадруполна формула, в която излъчването на гравитационни вълни се оказва ефект от реда, като по този начин коригира грешката в предишната си работа (грешка остава в коефициента, енергията на вълната е 2 пъти по-малка);
  • 1923 – Едингтън – поставя под въпрос физическата реалност на гравитационните вълни „...разпространяващи се...със скоростта на мисълта“. През 1934 г., когато подготвя руския превод на своята монография „Теорията на относителността“, Едингтън добавя няколко глави, включително глави с две опции за изчисляване на загубите на енергия от въртящ се прът, но отбелязва, че методите, използвани за приблизителни изчисления на общата теория на относителността, според него не са приложими за гравитационно свързани системи, така че остават съмнения;
  • 1937 - Айнщайн, заедно с Розен, изследва цилиндрични вълнови решения на точните уравнения на гравитационното поле. В хода на тези изследвания те започнаха да се съмняват, че гравитационните вълни могат да бъдат артефакт на приблизителни решения на уравненията на общата теория на относителността (известна е кореспонденцията относно преглед на статията „Съществуват ли гравитационни вълни?“ от Айнщайн и Розен). По-късно той открива грешка в разсъжденията си; окончателната версия на статията с фундаментални промени е публикувана в Journal of the Franklin Institute;
  • 1957 г. - Херман Бонди и Ричард Фейнман предлагат мисловния експеримент на "мънистата бастун", в който те обосновават съществуването на физически последствия от гравитационните вълни в общата теория на относителността;
  • 1962 г. - Владислав Пустовойт и Михаил Херценщайн описват принципите на използване на интерферометри за откриване на дълговълнови гравитационни вълни;
  • 1964 - Филип Питърс и Джон Матю теоретично описват гравитационните вълни, излъчвани от бинарни системи;
  • 1969 г. - Джоузеф Вебер, основател на астрономията на гравитационните вълни, съобщава за откриването на гравитационни вълни с помощта на резонансен детектор - механична гравитационна антена. Тези доклади пораждат бърз растеж на работата в тази посока, по-специално, Rainier Weiss, един от основателите на проекта LIGO, започва експерименти по това време. Към днешна дата (2015 г.) никой не е успял да получи надеждно потвърждение за тези събития;
  • 1978 - Джоузеф Тейлърсъобщава за откриване на гравитационно лъчение в двойната пулсарна система PSR B1913+16. Изследванията на Джоузеф Тейлър и Ръсел Хълс им донесоха Нобеловата награда за физика през 1993 г. Към началото на 2015 г. три пост-кеплеровски параметъра, включително намаляване на периода поради излъчване на гравитационни вълни, са измерени за най-малко 8 такива системи;
  • 2002 г. - Сергей Копейкин и Едуард Фомалонт използваха интерферометрия с радиовълни с ултра дълга база, за да измерят отклонението на светлината в гравитационното поле на Юпитер в динамика, което за определен клас хипотетични разширения на общата теория на относителността прави възможно да се оцени скоростта на гравитация - разликата от скоростта на светлината не трябва да надвишава 20% (тази интерпретация не е общоприета);
  • 2006 г. - международният екип на Марта Бургей (Обсерватория Паркс, Австралия) съобщава за значително по-точно потвърждение на общата теория на относителността и нейното съответствие с големината на радиацията на гравитационната вълна в системата от два пулсара PSR J0737-3039A/B;
  • 2014 г. - Астрономи от Центъра за астрофизика Харвард-Смитсониън (BICEP) докладват за откриването на първични гравитационни вълни, докато измерват флуктуациите в космическото микровълново фоново лъчение. В момента (2016 г.) откритите флуктуации не се считат за реликтов произход, а се обясняват с излъчването на прах в Галактиката;
  • 2016 - международен екип LIGOдокладва за откриването на транзитно събитие на гравитационна вълна GW150914. За първи път директно наблюдение на взаимодействащи масивни тела в ултра-силни гравитационни полета с ултра-високи относителни скорости (< 1,2 × R s , v/c >0,5), което направи възможно да се провери коректността на общата теория на относителността с точност до няколко постнютонови члена от високи порядки. Измерената дисперсия на гравитационните вълни не противоречи на направените по-рано измервания на дисперсията и горната граница на масата на хипотетичен гравитон (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.


Свободната повърхност на течност в равновесие в гравитационно поле е плоска. Ако е под въздействието на някое външно влияниеКогато повърхността на течност се отстрани от нейното равновесно положение на някое място, 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 всеки дадена точкапространство (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