Что такое гравитационные волны

Гравитационные волны

что такое гравитационные волны

Гравитационные волны – изображение художника

Гравитационные волны — возмущения метрики пространства-времени, отрывающиеся от источника и распространяющиеся подобно волнам (так называемая «рябь пространства-времени»).

В общей теории относительности и в большинстве других современных теорий гравитации гравитационные волны порождаются движением массивных тел с переменным ускорением. Гравитационные волны свободно распространяются в пространстве со скоростью света. Ввиду относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) эти волны имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Поляризованная гравитационная волна

Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО), многими другими теориями гравитации.

Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами обсерватории LIGO, на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух чёрных дыр и образования одной более массивной вращающейся чёрной дыры.

Косвенные свидетельства их существования были известны с 1970-х годов — ОТО предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем двойных звёзд за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн. Прямая регистрация гравитационных волн и их использование для определения параметров астрофизических процессов является важной задачей современной физики и астрономии.

В рамках ОТО гравитационные волны описываются решениями уравнений Эйнштейна волнового типа, представляющими собой движущееся со скоростью света (в линейном приближении) возмущение метрики пространства-времени.

Проявлением этого возмущения должно быть, в частности, периодическое изменение расстояния между двумя свободно падающими (то есть не испытывающими влияния никаких сил) пробными массами. Амплитудой h гравитационной волны является безразмерная величина — относительное изменение расстояния.

Предсказываемые максимальные амплитуды гравитационных волн от астрофизических объектов (например, компактных двойных систем) и явлений (взрывов сверхновых, слияний нейтронных звёзд, захватов звёзд чёрными дырами и т. п.) при измерениях в Солнечной системе весьма малы (h=10−18—10−23).

Слабая (линейная) гравитационная волна согласно общей теории относительности переносит энергию и импульс, двигается со скоростью света, является поперечной, квадрупольной и описывается двумя независимыми компонентами, расположенными под углом 45° друг к другу (имеет два направления поляризации).

Различные теории по-разному предсказывают скорость распространения гравитационных волн. В общей теории относительности она равна скорости света (в линейном приближении). В других теориях гравитации она может принимать любые значения, в том числе до бесконечности. По данным первой регистрации гравитационных волн их дисперсия оказалась совместимой с безмассовым гравитоном, а скорость оценена как равная скорости света.

Генерация гравитационных волн

Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени

Гравитационную волну излучает любая материя, движущаяся с асимметричным ускорением . Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна первой производной ускорения и массе генератора, то есть ~ .

Однако если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь, этот другой объект испытывает обратное действие (по 3-му закону Ньютона), при этом оказывается, что m1a1 = − m2a2.

Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они взаимно гасятся почти полностью. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения.

Кроме того, для нерелятивистских излучателей в выражении для интенсивности излучения имеется малый параметр где  — гравитационный радиус излучателя, r — его характерный размер, T — характерный период движения, c — скорость света в вакууме.

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:

  • сталкивающиеся галактики (гигантские массы, очень небольшие ускорения),
  • гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе). Как частный и наиболее интересный случай — слияние нейтронных звёзд. У такой системы гравитационно-волновая светимость близка к максимально возможной в природе планковской светимости.

Гравитационные волны, излучаемые системой двух тел

Два тела, движущиеся по круговым орбитам вокруг общего центра масс

Два гравитационно связанных тела с массами m1 и m2, движущиеся нерелятивистски (v 0.5), что позволило проверить корректность ОТО с точностью до нескольких постньютоновских членов высоких порядков.

Измеренная дисперсия гравитационных волн не противоречит сделанным ранее измерениям дисперсии и верхней границы массы гипотетического гравитона (< 1,2 × 10−22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.

По материалам Wikipedia

Источник: https://aboutspacejornal.net/%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5-%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%8B/

Польза гравитационных волн

“Если раньше вы втыкали USB кабель в разъем с третьей попытки, то теперь будете попадать с первой” — поиски практического применения гравитационных волн.

Повлияет ли открытие гравитационных волн на стоимость нефти, курс рубля/тенге/гривны/доллара, продолжительность жизни и глобальное потепление? Т.е.

будет ли практический смысл от данного открытия нам с вами (которые не физики) в ближайшие год-два-пять? Скорее всего нет, потому что аналогичная ситуация была 18 веке. Некто Максвелл предсказал наличие электромагнитных волн.

 Потом господин Герц доказал экспериментально наличие того, что предсказал Максвелл. Однако надои молока не выросли, объем добычи камня и угля остался прежним. Но сейчас наша жизнь немыслима без этого самого электромагнитного излучения.

Поэтому сказать, как именно пригодится нам гравитационные  волны в  повседневной жизни могут только фантасты. Физикам они конечно помогут изучать просторы вселенной, а мы в ближайшее время особых эффектов не почувствуем. Но не исключено, что сидя на пенсии возле грави-печки и общаясь с внуками по грави-интернету вы будете рассказывать им, что помним тот день, когда .!!!!

Мощные или немощные?

Одной из проблем практического применения гравитационных волн видится их “немощность”. Их потому и не могли обнаружить столько лет (поиски начались  еще в СССР в 60-е), потому что уж слишком они слабые. Так например гравитационные волны от взаимодействие Солнца и Юпитера имеют мощность всего . 5 КВатт. Можно запитать обогреватель воды в доме, но только если удастся собрать все волны.

Поэтому зафиксировать удается (пока) лишь очень сильные взаимодействия, как например в случае с этим удачным экспериментом — поймали столкновение черных дыр.
Надеяться на то, что в ближайшее время мы сделаем грави-панели и будем питать дом от гравитационного “излучения” пока еще рано.

Мы пока  толком не научились даже  солнечную энергию использовать, которой много больше и наблюдать ее значительно проще.

А как же гравитация?

Источник: https://vsobolev.com/gravitatsionnyie-volnyi/

Как LIGO может увидеть гравитационные волны, если в ОТО свет растягивается вместе с пространством?

что такое гравитационные волны

Image credit: www.ligo.caltech.edu

Этот вопрос непременно возникает, когда заходит разговор о детектировании гравитационных волн (ГВ). Обычно аргумент приводят такой: мы знаем, что есть гравитационное красное смещение, т.е. гравитация растягивает длины волн.

Разумно предположить, что в LIGO свет тоже будет растягиваться, и длины волн, которые мы используем как «линейку» для измерения расстояния между зеркалами, растянутся в той же мере, что и само расстояние.

Как же можно тогда пользоваться интерферометром для измерения гравитационных волн?

Представим возможные ответы на него:

  1. ГВ не влияют на свет, так что вопрос не имеет смысла.
  2. ГВ растягивают длину волны света, но очень слабо, так что мы не замечаем.
  3. Это не имеет значения, принцип детектирования не чувствителен к длине волны.
  4. Детекторы на самом деле и не работают.

1. А был ли мальчик?

Начнем с того, что детекторы все же работают.
Кладбище звезд: известные нам массы нейтронных звезд и черных дыр, включая наблюдения LIGO. Image credit: www.ligo.caltech.edu

На настоящий момент мы видели больше десятка событий с ГВ.

Самое убедительное — совместное детектирование ГВ и вспышки света от слияния нейтронных звезд. В LIGO увидели ГВ, триангулировали область на небе, откуда они приходят, и сказали телескопам: «Ищите там!». Те посмотрели, и увидели вспышку килоновой именно там, где указали из LIGO.

Так что сомнений в том, что оно работает, особо нет. Давайте разберемся, как именно.

2. Что вообще такое LIGO?

Детектор Virgo — европейский детектор, один из трех детекторов, которые видели гравитационные волны.Image credit: www.ligo.caltech.edu

Гравитационная волна, возникнув при слиянии массивных объектов (например, двух черных дыр), распространяется в пространстве-времени как малое возмущение его кривизны.

Это приводит к тому, что расстояния между объектами слегка меняются, когда волна проходит через них (точнее, само определение расстояния изменяется). В LIGO два плеча интерферометра Майкельсона длиной в 4км изменяются на ~10-18м, и детектор способен уловить это изменение.

Важный момент: если ГВ растягивает одно плечо интерферометра, второе плечо будет сжато пропорционально (в идеале; это следует из квадрупольной природы ГВ и наличия у них двух поляризаций).

На Хабре уже есть хорошая статья про устройство LIGO, так что перейдем собственно к ответу на вопрос, поставленный в начале статьи.

3. Концепция измерений

Анимация, которая демонстрирует принцип работы детектора Для начала рассмотрим пример, который поможет понять основной принцип работы детектора. Настоящий детектор работает с непрерывным светом — лазер все время накачивает резонаторы в LIGO светом, а фотодиоды постоянно регистрируют наличие/отсутствие сигнала.

Но для примера упростим схему: пусть у нас есть источник фотонов, который одновременно посылает фотоны в двух направлениях, там они отражаются от зеркал, и возвращаются на детектор фотонов (в нашем случае делитель луча), как показано на иллюстрации ниже.

Если два зеркала находятся на равном расстоянии от источника фотонов, два фотона вернутся на детектор одновременно (как на рисунке выше). Если ГВ растягивает одно плечо на , и сжимает другое на , то один фотон придет раньше другого на c, как на рисунке выше.

Это очень мало, конечно, и было бы невозможно измерить напрямую, но мы и измеряем несколько иначе. Я хотел просто продемонстрировать главный посыл этого поста:

4. Подробное объяснение

Рассмотрим теперь интерферометр Майкельсона, в который светят непрерывным лазером, луч делится поровну на делителе луча, отражается от конечных зеркал и, возвращаясь обратно на делитель луча, интерферирует.

Для простоты предположим, что ГВ представляет собой «ступеньку» — моментально изменяет метрику на малую величину . Под словами «изменение метрики» мы имеем в виду, что определение расстояния несколько изменяется, т.е. все расстояния возрастают (или уменьшаются) в раз.

Если мы рассмотрим расстояние между делителем луча и конечным зеркалом , при изменении метрики оно возрастет на , так что .

Замечание: важно, что представление ГВ «ступенькой» только полезно для рассмотрения на пальцах, в реальности необходимо рассматривать ГВ как волну с определенной длиной.

Рассмотрим, что происходит со светом в этот момент.
В момент прихода ГВ длина волны света растягивается относительно изначальной длины волны (полупрозрачные кривые). NB: длина волны показана сравнимой с длиной плеча для наглядности, на самом деле длина волны лазера около 1 микрона, а длина плеча — 4 км.

Если у зеркала до растяжения находился узел стоячей волны, он там же и останется после растяжения, как показано на картинке выше. Почему? Этого требует теория относительности: так как не существует выделенной независимой системы покоя, узлу ничего не остается делать, как оставаться там же, где он был относительно поверхности зеркала. То есть, длина волны увеличивается в раз, как и предполагалось в начале статьи по аналогии с гравитационным красным смещением.

Так получается, что все же свет растянулся вместе с детектором, и мы не можем зарегистрировать сигнал? И таки можем! Покажем это на картинке выше: проследим путь конкретного узла в растянутой волне на пути туда и обратно, отметив его кружком. Несмотря на растяжение, свет все еще распространяется со скоростью света. А это значит, что для только что вошедшей в плечо части волны потребуется больше времени, чтобы преодолеть путь туда-обратно (вспомним тут пункт 3 из статьи). То есть, ее фаза по прибытию изменится (как можно видеть на картинке). Более того, свет продолжает накачивать свет с нерастянутой длиной волны.

Фаза, набранная светом на пути от делителя к зеркалу и обратно, зависит от собственной частоты света , наблюдаемой на делителе луча, и времени :

Можно показать (напр. тут или тут), что если длина волны ГВ гораздо больше длины плеча интерферометра, собственная частота практически не меняется. А время задержки будет зависеть от расстояния между зеркалами:

Соответственно, по приходу на делитель луча, фаза света будет обладать задержкой, зависящей от величины метрики . В другом плече все будет происходить так же с точностью до знака перед — ведь это плечо будет не растягиваться, а сжиматься. В итоге на делителе луча разность фаз между двумя плечами будет

Из этого уравнения, кстати, очевидно, почему у детектора такое длинное плечо — чем больше длина L по сравнению с длиной волны, тем чувствительнее детектор. Детекторы следующего поколения, типа Einstein Telescope или Cosmic Explorer, будут еще длиннее — от 10 до 40 км.

Замечу, что в реальности ГВ не бывает «ступенькой», это волна с длиной волны много больше длины плеча, так что за время, пока один «узел» световой волны проходит туда-обратно, растяжением его можно пренебречь. Поэтому первый момент «растяжения» света из рассмотрения «на пальцах» на самом деле фактически отсутствует.

Итак, вывод. Правильный ответ на вопрос в начале статьи: и 2 и 3 — гравитационные волны действуют на свет несколько иначе, нежели на расстояние между зеркалами, но это не имеет значения, так как в любом случае мы измеряем не длину волны, а задержку по фазе. Иными словами,

5. Заключение

Важно подчеркнуть, что гравитационная волна влияет на длину волны света иначе, нежели на расстояние между зеркалами. Связано это в первую очередь с тем, что период ГВ много больше времени, которое занимает у света на путь туда-обратно.

Плечо интерферометра продолжает растягиваться со временем, следуя периоду ГВ, а свет все время поступает «новый» из лазера. Кроме того, в реальном детекторе есть дополнительные зеркала, создающие несколько резонаторов, которые эффективно увеличивают длину плеча. Однако, это не влияет на основную идею.

Так что мы действительно можем наблюдать гравитационные волны, и никакой конспирологии!
Image credit: www.ligo.caltech.edu

6. Новости LIGO

В качестве постскриптума, немного о том, что происходит в LIGO сейчас. Второй цикл наблюдений О2 принес не только наблюдение слияния нейтронных звезд и первое совместное наблюдение ГВ тремя детекторами, включая Virgo, но и множество других событий.

В самом ближайшем будущем результаты анализа данных будут опубликованы, а сами данные станут открытыми и доступными для анализа.

LIGO сейчас заканчивает многочисленные обновления, среди которых установка сжатого света и более мощный лазер, что увеличит чувствительность детектора в несколько раз и позволит наблюдать гораздо больше событий (при хорошем раскладе — по событию в неделю).

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Почему люди хотят жить

В начале следующего года начнется новый цикл наблюдений О3. Литература

Источник: https://habr.com/post/426785/

10 фантастических возможностей, которые открывают перед людьми гравитационные волны

что такое гравитационные волны

Много лет назад существование гравитационных волн предсказал Альберт Эйнштейн.

Примерно через столетие эту рябь в ткани пространства-времени наконец-то сумели обнаружить.

Но почему этот прорыв в науке настолько важен. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно привести 10 фактов о гравитационных волнах:

1. Возможность путешествия во времени

Гравитационные волны и возможность путешествия во времени.

Поклонники научной фантастики во всем мире пришли в восторг, когда существование гравитационных волн было подтверждено. Особый повод для радости вызвал тот факт, что частично уравнения специальной теории относительности Эйнштейна, которая основана на существовании гравитационных волн, доказывают возможность путешествий во времени. Научное сообщество подчеркнуло, что человечество все еще далеко от путешествий во времени, однако если теория верна, то подобное — вопрос времени.

«Еще есть много, в чем нужно разобраться, — сказал председатель отделения астрофизики Принстонского университета. Но общие уравнения относительности говорят, что частицы отрицательной массы и устойчивые червоточины позволяют путешествовать во времени». Далее он уточнил, что истинное путешествие во времени может все же оказаться вне пределов человеческого понимания.

2. Подтверждение локальности

Гравитационные волны: подтверждение локальности.

Следующим значительным фактом, который подтверждает существование гравитационных волн, является теория локальности. Локальность — это теория в физике, в которой говорится, что на объект влияет только его непосредственное окружение. Это кажется достаточно очевидным в квантовую эпоху (хотя эксперименты Белла показали, что квантово запутанные частицы нарушают этот принцип), однако в ньютоновские времена было общепризнано, что гравитация ведет себя по-другому.

Учение Ньютона о силе тяжести заключалось в том, что последствия изменения массы объекта мгновенно могут вызвать изменения в гравитационной силе во всей Вселенной. С точки зрения эйнштейновской теории, это означало бы, что гравитационные волны движутся быстрее скорости света.

Ньютон сам с недоверием относился к этой теории, поскольку подобное означало бы, что сила тяжести способна распространяться без такой среды, как воздух. Существование гравитационных волн доказывает, что Ньютон был прав, усомнившись в собственной идее нелокальности, поскольку гравитационные волны перемещаются через фундаментальные частицы, называемые гравитацией, и они движутся со скоростью света.

3. Близнецы во Вселенной

Гравитационные волны: близнецы во Вселенной.

Объединение двух черных дыр в супермассивную черную дыру — это то, что уже давно теоретизировалось, но никогда не было доказано до тех пор, пока пара ученых, вооруженных сверхчувствительным оборудованием не заявили, что такое событие произошло 1,3 миллиарда лет назад. Без ответа, правда, остался вопрос о том, как эти две черные дыры оказались достаточно близко друг от друга, чтобы слиться.

Преобладающая теория гласит, что они родились в результате коллапса одной звезды (черные дыры образуются, когда звезда взрывается, превращаясь в сверхновую). Ранее не было доказательств того, может ли одна сверхновая генерировать две черные дыры, но благодаря данным анализа гравитационных волн, можно изучать новые теории, подобные этой.

4. Новый взгляд на Вселенную

Гравитационные волны: новый взгляд на Вселенную.

Теперь, когда человечество может обнаружить гравитационные волны, у ученых есть совершенно новый способ изучения Вселенной. До сих пор способность ученых исследовать, что происходит в глубинах космоса, ограничивалась анализом электромагнитных волн, таких как свет и радиоволны, которые проходят через космос.

Этот метод анализа ограничен, поскольку черные дыры не излучают свет, и если электромагнитные волны приближаются достаточно близко к черной дыре, они огибают ее. Гравитационные волны невосприимчивы к этой проблеме, и поэтому ученые теперь могут анализировать данные, которые поступают непосредственно из черных дыр.

5. Новые виды оружия

Гравитационные волны: новые виды оружия.

Ни для кого не является секретом, что человечество любит оружие. С каждым новым открытием ученых, один из первых вопросов — «можно ли использовать это открытие в качестве оружия». К счастью, астрофизики быстро указали, что идея использовать гравитационные волны для создания межзвездных кораблей — это абсолютная чушь, равно как и идея превратить их в оружие.

Но это не помешало Разведывательному управлению Министерства обороны США сформировать комиссию для изучения идеи о том, могут ли высокочастотные гравитационные волны представлять угрозу безопасности США.

6. Более продвинутые LIGO

Гравитационные волны: более продвинутые LIGO.

Сегодня существует новый любимый способ изучать Вселенную, кроме телескопов. Обычные методы изучения космоса включают в себя анализ различных форм электромагнитного излучения при его движении в космосе. Основная проблема использования электромагнитных волн для изучения космоса заключается в том, что они часто искажаются, прежде чем достигают Земли.

Но это не проблема для гравитационных волн, которые можно обнаружить с помощью лавинного интерферографа в лазерно-интерферометрических гравитационно-волновых обсерваториях (LIGO). В настоящее время для анализа гравитационных волн существует только две обсерватории LIGO.

Это связано с тем, что они крайне дорогие (к примеру, обслуживание американской LIGO в течение 40 лет будет стоить более 1,1 млрд. долларов), а также их строили в качестве научного эксперимента, основанного на недоказанной теории. С подтверждением существования гравитационных волн правительства будут более охотно тратить деньги на разработку новых и более продвинутых LIGO.

7. Новая технология связи

Гравитационные волны: новая технология связи.

С древних времен электромагнитные волны были предпочтительным средством общения. Люди использовали дымовые сигналы, телефоны и радиоприемники. Электромагнитные волны — отличный способ общения, потому что они распространяются со скоростью света и способны покрывать большие расстояния.

Единственные недостатки, которые обнаружились при использовании электромагнитных волн для коммуникации, — это то, что они легко поглощаются любым веществом. Гравитационные волны решают эту проблему, потому что они состоят из частиц настолько крошечных, что они проходят через любое вещество без малейших усилий.

Отсутствие проблемы «прямой видимости» при использовании гравитационных волн значительно сократило бы потребность в периферийных устройствах, таких как спутники и релейные станции, что значительно снизило бы затраты на связь. Единственный недостаток заключается в том, что гравитационные волны очень сложно сгенерировать, а обнаружить их еще сложнее.

8. Различные гравитационные волны

Гравитационные волны: «рябь» в пространстве и времени.

Гравитационные волны, о которых идет речь в этой статье, — «рябь» в пространстве и времени. Они могут распространяться через пустоту космоса со скоростью света. Также есть понятие гравитационных волн в гидродинамике — это явление, которое возникает в жидкости. Оно представляет собой разновидность волн на поверхности жидкости, при которых сила тяжести возвращает деформированную поверхность жидкости к состоянию равновесия.

9. Предсказания Эйнштейна

Гравитационные волны: предсказания Эйнштейна.

Сегодня уже общеизвестным является то, что подавляющее большинство предсказаний Эйнштейна оказались правильными. А особенно уникальным при этом является то, что Эйнштейн был почти полностью физиком-теоретиком. В то время как большинство ученых полагаются на сложные эксперименты, чтобы доказать что-либо, Эйнштейн просто выдвигал теории, которые доказывали другие люди, когда для этого появлялись соответствующие технологии.

Впервые предсказания Эйнштейна о кривизне пространства и времени были подтверждены в 1919 году, через 14 лет после публикации его специальной теории относительности. В ней ученый предсказал, что видимый свет от звезд будет изгибаться вокруг Солнца. Астрономы со скептицизмом относились к этому, однако, когда произошло солнечное затмение 1919 года, они увидели это в свои телескопы.

10. Бесполезны для обычного человека

Гравитационные волны: бесполезны для обычного человека.

И самое важное, что нужно знать о гравитационных волнах. Хотя еще одна из теорий Эйнштейна доказала свою верность, в этом абсолютно ничего нового. Ученые убедились, что гравитационные волны существуют на самом деле.

Но они существовали в течение миллиардов лет до появления человечества и будут существовать после его исчезновения. У ученых действительно есть повод радоваться, но что означают гравитационные волны для среднестатистического человека. Абсолютно ничего.

Источник: https://interesnosti.com/1598400107098934115/10-fantasticheskih-vozmozhnostej-kotorye-otkryvayut-pered-lyudmi-gravitatsionnye-volny/

Шесть вопросов, на которые могут ответить гравитационные волны — TotSamiySunny — КОНТ

О первом прямом обнаружении гравитационных волн, как ожидают, будет заявлено 11 февраля учеными обсерватории LIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Используя два гигантских детектора LIGO — один в Ливингстоне, штат Луизиана, а другой в Хэнфорде, штат Вашингтон — ученые измеряли рябь пространства-времени, которая рождается в процессе столкновения двух черных дыр и, похоже, наконец нашли, что искали.

Такое заявление подтвердило бы предсказанные еще Альбертом Эйнштейном гравитационные волны, которые он 100 лет назад сделал частью своей общей теории относительности, но на этом последствия не закончатся. Будучи вибрацией ткани пространства-времени, гравитационные волны часто сравниваются со звуком, их даже преобразовывали в звуковые дорожки. Гравитационно-волновые телескопы позволили бы ученым «слышать» явления так же, как световые телескопы их «видят».

Когда LIGO боролась за финансирование американским правительством в начале 1990-х, ее основными соперниками на слушаниях в Конгрессе были астрономы. «Тогда считали, что LIGO не имеет ничего общего с астрономией», — говорит Клиффорд Вилл, теоретик ОТО в Университете Флориды в Гейнсвилле, один из первых сторонников LIGO. Но с тех пор многое изменилось.

Добро пожаловать в область гравитационно-волновой астрономии. Давайте пройдемся по вопросам и явлениям, которые она могла бы раскрыть.

Существуют ли черные дыры на самом деле?

Сигнал, который ожидается от анонса LIGO, возможно, был произведен двумя сливающимися черными дырами. Подобные события — самые энергетические из известных; сила гравитационных волн, излучаемых ими, может ненадолго затмить все звезды наблюдаемой Вселенной в сумме. Сливающиеся черные дыры также весьма просто интерпретировать по весьма чистым гравитационным волнам.

Слияние черных дыр происходит, когда две черных дыр вращаются по спирали друг относительно друга, излучая энергию в виде гравитационных волн. Эти волны имеют характерный звук (ЛЧМ), который можно использовать для измерения массы двух этих объектов. После этого черные дыры обычно сливаются.

«Представьте два мыльных пузыря, которые подходят так близко, что образуют один пузырь. Деформируется более крупный пузырь», — говорит Тибальд Дамур, гравитационный теоретик из Института передовых научных исследований близ Парижа. Окончательная черная дыра будет идеально сферической формы, но предварительно должна испустить гравитационные волны предсказуемого типа.

Одним из важнейших научных последствий обнаружения слияния черных дыр будет подтверждение существования черных дыр — по крайней мере идеально круглых объектов, состоящих из чистого, пустого, искривленного пространства-времени, как предсказывает общая теория относительности. Другое последствие — слияние проходит так, как предсказывали ученые. У астрономов есть масса косвенных подтверждений этого феномена, но пока это были наблюдения звезд и перегретого газа на орбите черных дыр, а не самих черных дыр.

«Научное сообщество, включая меня, недолюбливает черные дыры. Мы принимаем их как должное, — говорит Франс Преториус, специалист по симуляциям ОТО в Принстонском университете в Нью-Джерси. — Но если задуматься о том, какое это удивительное предсказание, нам нужно воистину удивительное доказательство».

Движутся ли гравитационные волны со скоростью света?

Когда ученые начинают сравнивать наблюдения LIGO с наблюдениями других телескопов, первое, что они проверяют, это в одно ли время прибыл сигнал. Физики считают, что гравитация передается частицами-гравитонами, гравитационным аналогом фотонов.

Если, как у фотонов, у этих частиц нет массы, то гравитационные волны будут двигаться со скоростью света, соответствуя предсказанию о скорости гравитационных волн в классической теории относительности.

(На их скорость может влиять ускоряющееся расширение Вселенной, но это должно проявляться на дистанциях, значительно превосходящих те, что покрывает LIGO).

Вполне возможно, впрочем, что гравитоны обладают небольшой массой, а значит, гравитационные волны будут двигаться со скоростью меньше световой. Так что, например, если LIGO и Virgo обнаружат гравитационные волны и выяснят, что волны прибыли на Землю позже связанных с космическим событием гамма-лучей, это может иметь судьбоносные последствия для фундаментальной физики.

Состоит ли пространство-время из космических струн?

Еще более странное открытие может случиться, если всплески гравитационных волн будут обнаружены выходящими из «космических струн».

Эти гипотетические дефекты кривизны пространства-времени, которые могут быть, а могут и не быть связаны с теорий струн, должны быть бесконечно тонкими, но растянутыми на космические расстояния.

Ученые прогнозируют, что космические струны, если они существуют, могут случайно перегибаться; если струна перегнется, она вызовет гравитационный всплеск, который могли бы измерить детекторы вроде LIGO или Virgo.

Могут ли нейтронные звезды быть неровными?

Нейтронные звезды — это остатки больших звезд, которые коллапсировали под собственным весом и стали настолько плотными, что электроны и протоны начали плавиться в нейтроны. Ученые плохо понимают физику нейтронных дыр, но гравитационные волны могли бы многое о них рассказать. К примеру, интенсивная гравитация на их поверхности приводит к тому, что нейтронные звезды становятся почти идеально сферическими.

Но некоторые ученые предположили, что на них могут быть также «горы» — высотой в несколько миллиметров — которые делают эти плотные объекты диаметром в 10 километров, не больше, слегка асимметричными.

Нейтронные звезды обычно крутятся очень быстро, поэтому асимметричное распределение массы будет деформировать пространство-время и производить постоянный гравитационно-волновой сигнал в форме синусоиды, замедляя вращение звезды и излучая энергию.

Пары нейтронных звезд, которые вращаются друг вокруг друга, также производят постоянный сигнал. Подобно черным дырам, эти звезды движутся по спирали и в конечном счете сливаются с характерным звуком. Но его специфика отличается от специфики звука черных дыр.

Отчего взрываются звезды?

Черные дыры и нейтронные звезды образуются, когда массивные звезды перестают светить и коллапсируют сами в себя. Астрофизики думают, что этот процесс лежит в основе всех распространенных типов взрывов сверхновых типа II.

Моделирование таких сверхновых пока не показало, отчего они зажигаются, но прослушивание гравитационно-волновых всплесков, испускаемых настоящей сверхновой, как полагают, может дать ответ.

В зависимости от того, на что похожи волны всплесков, насколько они громкие, как часто происходят и как коррелируют со сверхновыми, за которыми следят электромагнитные телескопы, эти данные могут помочь исключить кучу существующих моделей.

Как быстро расширяется Вселенная?

Расширение Вселенной означает, что далекие объекты, которые удаляются от нашей галактики, выглядят более красными, чем являются в действительности, поскольку излучаемый ими свет растягивается по мере их движения. Космологи оценивают темпы расширения Вселенной, сравнивая красное смещение галактик с тем, как далеки они от нас. Но это расстояние обычно оценивается по яркости сверхновых типа Ia, и эта методика оставляет кучу неопределенностей.

Если несколько детекторов гравитационных волн по всему миру обнаружат сигналы от слияния одних и тех же нейтронных звезд, вместе они могут абсолютно точно оценить громкость сигнала, а вместе с тем и расстояние, на котором произошло слияние.

Они также смогут оценить направление, а с ним и выявить галактику, в которой произошло событие.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Псалтырь о здравии что это такое

Сравнивая красное смещение этой галактики с расстоянием до сливающихся звезд, можно получить независимый темп космического расширения, возможно, более точный, чем позволяют современные методы.

ИЛЬЯ ХЕЛЬ

Источник: https://cont.ws/post/199519

Что вы должны знать о гравитационных волнах

В четверг (11 февраля) в 10:30 утра, Национальный Научный Фонд в Вашингтоне соберёт вместе ученых из Caltech, MIT и Научное Сотрудничество ЛИГ, чтобы объявить научному сообществу о результатах усилий предпринятых Лазерной Интерферометрической Гравитационно-Волновой Обсерваторией (ЛИГО) по обнаружению гравитационных волн.

В результате некоторых очень специфических слухов, направленных на возможное открытие этой неуловимой пульсации в космическом пространстве, большие надежды на то, что научное сотрудничество ЛИГО окончательно положит конец лихорадочным рассуждениям и объявит об открытии гравитационных волн.

Но почему это так важно? И что такое «гравитационные волны»?

Гравитационные волны в их наиболее обобщенном смысле – это пульсация в космическом пространстве. Предположенные Альбертом Эйнштейном чуть более 100 лет назад, эти пульсации переносят гравитационную энергию от ускорения массивных объектов в космосе.

Мы можем представить гравитационные волны, как рябь на поверхности пруда; бросьте камешек в воду и волны пойдут по поверхности от упавшего объекта. Гравитационные волны похожи: столкните две чёрные дыры (как пример), и «рябь» пойдет в космическом пространстве, перенося энергию от места столкновения со скоростью света.

Существуют не доказанные наблюдения наличия гравитационных волн, но их выявление считалось не возможным до недавнего времени.

Что их производит?

Чёрные дыры самые массивные и плотные объекты, существующие во Вселенной, и, вероятно, являются очагами активности гравитационных волн, особенно при их столкновении и слиянии. Слияние чёрных дыр считается ключом роста механизма этих гравитационных гигантов.

Когда две галактики сливаются их центральные, очень тяжелые, черные дыры начинают вращаться друг вокруг друга по спирали, а затем сталкиваются, образуя большую чёрную дыру. В этом случае, гравитационные волны происходят из вращающихся по спирали чёрных дыр до их столкновения.

Чем больше сближаются объекты, тем сильнее увеличивается гравитационная энергия волн, забирая всё больше и больше энергии от чёрных дыр до их столкновения, звеня, как «колокольчик» после их слияния.

Другое энергетическое явление, генерирующее быстрое извержение гравитационных волн – сверхновые звёзды. После того, как у массивной звезды заканчивается водородное топливо, она взрывается, образуя массивное гравитационное давление. В результате взрыва, произойдет выстрел пульсации гравитационных волн, который пойдет сквозь космическое пространство.

Гравитационные волны также могут создаваться быстро вращающимися объектами, но тут есть одна уловка. Только асимметричные (т.е. не симметричные) огромные вращающиеся объекты могут испускать гравитационные волны в периодической форме.

Например, быстро вращающаяся нейтронная звезда с выпуклым скоплением веществ с одной стороны полушария будет «расшевеливать» пространство-время для создания гравитационных волн. Однако идеально симметричная нейтронная звезда не будет создавать гравитационные волны.

Самый простой способ понять это — представить мяч овальной формы, вращающийся на поверхности бассейна; пока мяч крутится, он создает крупные волны на поверхности воды. Мяч круглой формы, с другой стороны, будет создавать едва заметную рябь на поверхности.

Большой Взрыв, предположительно, также вызвал мощный поток гравитационных волн, при зарождении Вселенной, около 14 миллиардов лет назад. Тем не менее, эти начальные гравитационные волны, вряд ли будут обнаружены, так как их сигнал слишком слаб в современной Вселенной.

Но предпринимаются попытки их обнаружения в «фоновом свечении» Большого Взрыва. Таким проектом считается телескоп BICEP2 на Южном Полюсе, который ищет очень специфичный тип поляризации в космическом микроволновом фоне, предположительно вызванный первичными гравитационными волнами.

Несмотря на недавние объявление, эти сигналы пока что не обнаружены.

Как мы их можем обнаружить?

В 2002 году Лазерная Интерферометрическая Гравитационно-волновая Обсерватория (ЛИГО) начала работу над конкретной задачей: непосредственным обнаружением гравитационных волн проходящих через наш локальный объём пространства.

Гравитационные волны передаются в космическом пространстве и могут быть обнаружены в любой части неба ночью и днём, проходя через туманности, звёзды и даже твёрдые планеты.

Эти волны, теоретически, постоянно проходят сквозь космическое пространство, путешествуя абсолютно беспрепятственно.

Эти волны могут быть везде, но их эффект удивительно слаб, и ЛИГО был разработан, для зондирования возможного их существования. ЛИГО состоит из двух наблюдательных станций расположенных на расстоянии 2 тысячи миль друг от друга – одна в Вашингтоне, другая в Луизиане. Обе станции идентичны, и имеют два длинных L-образных туннеля. Каждый туннель длиной 2,5 мили.

В угле «L» находится сложнейшая оптическая лаборатория, использующая лазеры, для обнаружения крошечных колебаний в расстоянии, вызванных прохождением гравитационной волны. По многоразовому «подпрыгиванию» лазеров вдоль тоннеля, и последующего сравнения лучей, оборудование ЛИГО способно обнаружить самое незначительное изменение фазы. Эта чрезвычайно точная техника называется интерферометрия.

Любое изменение фазы может означать небольшое искривление пространства-времени – крошечное изменение расстояния, эквивалентное 1/1000 ширине протона.

До сих пор, ЛИГО не могло обнаружить любые сигналы гравитационных волн, но с обновлением до Advanced LIGO, ситуация может измениться.

Наличие двух станции имеет решающее значение для Advanced LIGO. Если одна станция обнаруживает изменение пространства-времени, а другая нет, ученые могут исключить распространение гравитационных волн. Эти ложные срабатывания могут быть вызваны вибрацией от проезжающего грузовика или при сильном ветре во время шторма. Только если две станции зафиксируют одно и то же событие, подтвердится существование сигнала гравитационной волны.

Другие наземные детекторы гравитационной волны, такие как Virgo (Италия) и GEO 600 (Германия), также используют интерферометрию, чтобы уловить эти крошечные колебания пространства-времени. Недавно стартовала миссия LISA Pathfinder для тестирования ключевых технологий, с помощью космического интерферометра следующего поколения Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA), который планирует запустить Европейское Космическое Агентство в 2034 году.

Почему они так важны?

Подтверждение обнаружения гравитационных волн станет окончательным слиянием теоретической физики и технологического развития. Гравитационные волны рождены непосредственно из общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает природу пространства и времени.

Это удивительно, что 100 лет назад, год в год, Эйнштейн посеял семена для этих волнений в пространстве-времени, только для того, чтобы через век мы смогли разработать технологию и попытались фактически их обнаружить.

Их обнаружение подтвердит ещё одно предположение общей теории относительности и поможет нам в будущем найти ответы некоторые из самых неприятных головоломок, стоящих перед астрофизиками и космологами.

Непосредственное обнаружение гравитационных волн, несомненно, событие достойное Нобелевской премии и научное сообщество не сомневается, что это достижение будет в одном ряду с открытием бозона Хиггса в 2012 году и возможно, даже с понятием Эдвина Хаббла о расширении Вселенной в 1929 году.

Любопытно, что он предположил, что разные космические явления будут создавать различные по частоте гравитационные волны. Современная астрономия сфокусирована на использовании электромагнитного спектра для исследования Вселенной.

Традиционно, видимая часть света электромагнитного спектра, использовалась астрономами, чтобы открыть планеты и даже заглянуть в соседние галактики.

По мере развития астрономических методов и модернизации технологий, астрономы начали изучать волны различной частоты, такие как рентгеновские лучи, чтобы увидеть энергетические события вокруг чёрных дыр, и инфракрасное излучение, чтобы заглянуть в звёздообразующие туманности.

Но непосредственное обнаружение гравитационных волн будет сдвигом парадигмы. С достаточным количеством детекторов гравитационных волн, мы сможем «увидеть» предметы и объекты, которые остаются невидимыми для электромагнитного спектра.

Две столкнувшиеся чёрные дыры, для примера, не могут создавать достаточно много электромагнитного излучения, но они могут создать огромный гравитационно-волновой сигнал.

И, как и электромагнитное излучение, частота гравитационных волн будет описывать природу явлений порождающих их.

В конечном счёте, мы сможем создать гравитационную карту близлежащей Вселенной с временными явлениями, как сверхновые звёзды, и периодические пульсации от вращения чёрных дыр. Астрономические гравитационные волны создадут революцию в нашем восприятии Вселенной.

Читайте нас на Яндекс.Дзен

Источник: https://v-kosmose.com/chto-vyi-dolzhnyi-znat-o-gravitatsionnyih-volnah/

Что такое гравитационные волны?

Астрофизик и популяризатор науки Сергей Попов объяснил журналисту «Медузы» Константину Бенюмову, что такое гравитационные волны и как они бегут по пространству-времени.

Scitechdaily.com

Фактрум публикует это небольшое любопытное интервью.

— Начиная с общей теории относительности мы считаем, что гравитация связана с геометрией пространства-времени; современные теории гравитации — геометрические. В этих теориях геометрию пространства описывают метрикой: на плоскости это легко нарисовать — такой ковер, разлинованный в клеточку. Это плоское пространство.

Мы можем его по-всякому изгибать, но лучше делать это не руками, а, например, массивными телами — любое тяжелое тело искажает пространство вокруг себя. Дальше — если это тяжелое тело будет ерзать, или, к примеру, два тяжелых тела будут крутиться вокруг общего центра звезды, то они будут периодически возмущать пространство, и по пространству побежит рябь.

Вот это и есть гравитационные волны.

Представьте себе, что кто-то плывет по воде, и от него по поверхности идут волны. Вот примерно так же и гравитационные волны бегут по пространству-времени. И когда они проходят какой-то кусочек, где мы живем, они возмущают пространство-время вокруг нас. Возмущают совсем слабо, потому что гравитация по сравнению с другими силами очень слабая. Измерить это трудно, но можно. И люди на протяжении последних 50 лет пытались это сделать. И вот, наконец, это получилось.

То, что зафиксировать волны удалось именно сейчас, связано с появлением подходящей аппаратуры?

— Да, в первую очередь это аппаратура. Детектор LIGO, детектор VIRGO, который скоро начнет работать в Европе, — это совершенно потрясающие машины по точности измерений. До этого люди использовали более дешевые, более простые подходы. LIGO — это 25 лет труда, огромные суммы денег, потраченные, в первую очередь, на исследования, на создание новых технологий, на доведение этих технологий до ума и на изготовление этих потрясающе точных приборов.

— Для того, чтобы получить сильный сигнал, нужно не просто массивное тело, а одновременно массивное и компактное. По сути, то, что происходит — это одна черная дыра падает на другую.

В этот момент тяжелые тела взаимодействуют друг с другом и двигаются почти со скоростью света, поэтому много энергии испускается сразу, за очень короткий интервал времени. Поэтому LIGO и VIRGO специально создавали для фиксации сигналов от нейтронных звезд и черных дыр.

Нейтронных звезд больше, и они сливаются чаще, но черные дыры массивнее — их видно с большого расстояния.

Сколько пришлось наблюдать за черными дырами, чтобы обнаружить сливающуюся пару?

— В данном случае LIGO просто повезло. Практически как только они включились, они увидели сигнал — слияние двух очень массивных черных дыр. Сигнал очень сильно зависит от массы. В норме, в среднем черные дыры раза в три, а то и в четыре полегче, но в этом случае удалось увидеть сигнал с очень большого расстояния.

— Естественно, и поэтому тоже важно, что удалось обнаружить две очень тяжелые черные дыры. В обычной ситуации детекторы будут видеть сигналы от слияния двух нейтронных звезд, которые находятся в пять или десять раз ближе к нам.

Последний вопрос: почему сигнал зафиксирован в виде звука?

— Тут есть два момента. Во-первых, люди любят картинки и звуки. Поэтому многие сигналы — колебания звезд, еще какие-то — переводят в звуковую форму. Но здесь волею судеб сигнал на самом деле приходит на частоте, примерно соответствующей частоте нашей речи.

Физически это явления разные, но частоты те же — килогерцы. Поэтому ученые решили, что это такой красивый ход. Нарисованный график, принятый в ходе опыта, говорит о форме гравитационно-волнового сигнала, о том, как волна колеблет зеркала в измерительном приборе.

Но обычно люди хотят не просто загогулину увидеть, а получить какой-то мультимедийный контент.

— Стивен Хокинг: «Чёрная дыра может быть порталом в параллельную Вселенную»

Источник: https://www.factroom.ru/nauka/gravitational-waves

Что такое гравитационная волна?

Официальным днем открытия (детектирования) гравитационных волн считается 11 февраля 2016 года. Именно тогда, на состоявшейся в Вашингтоне пресс-конференции, руководителями коллаборации LIGO было объявлено, что коллективу исследователей удалось впервые в истории человечества зафиксировать это явление.

Пророчества великого Эйнштейна

О том, что гравитационные волны существуют, еще в начале прошлого века (1916 г.) предположил Альберт Эйнштейн в рамках сформулированной им Общей теории относительности (ОТО).

Остается только поражаться гениальным способностям знаменитого физика, который при минимуме реальных данных смог сделать такие далеко идущие выводы.

Среди множества прочих предсказанных физических явлений, нашедших подтверждение в последующее столетие (замедление течения времени, изменение направления электромагнитного излучения в гравитационных полях и пр.) практически обнаружить наличие этого типа волнового взаимодействия тел до последнего времени не удавалось.

Гравитация — иллюзия?

Вообще, в свете Теории относительности гравитацию сложно назвать силой. Это следствие возмущения или искривления пространственно-временного континуума. Хорошим примером, иллюстрирующим данный постулат, может служить натянутый кусок ткани.

Под тяжестью размещенного на такой поверхности массивного предмета образуется углубление. Прочие объекты при движении вблизи этой аномалии будут изменять траекторию своего движения, как бы «притягиваясь». И чем больше вес предмета (больше диаметр и глубина искривления), тем выше «сила притяжения».

При его движении по ткани, можно наблюдать возникновение расходящейся «ряби».

Нечто подобное происходит и в мировом пространстве. Любая ускоренно движущаяся массивная материя является источником флуктуаций плотности пространства и времени. Гравитационная волна с существенной амплитудой, образуется телами с чрезвычайно большими массами или при движении с огромными ускорениями.

Физические характеристики

Колебания метрики пространство-время проявляют себя, как изменения поля тяготения. Это явление иначе называют пространственно-временной рябью. Гравитационная волна воздействует на встреченные тела и объекты, сжимая и растягивая их.

Величины деформации очень незначительны — порядка 10-21 от первоначального размера. Вся трудность обнаружения этого явления заключалась в том, что исследователям необходимо было научиться измерять и фиксировать подобные изменения с помощью соответствующей аппаратуры.

Мощность гравитационного излучения также чрезвычайно мала — для всей Солнечной системы она составляет несколько киловатт.

Скорость распространения гравитационных волн незначительно зависит от свойств проводящей среды. Амплитуда колебаний с удалением от источника постепенно уменьшается, но никогда не достигает нулевого значения. Частота лежит в диапазоне от нескольких десятков до сотен герц. Скорость гравитационных волн в межзвездной среде приближается к скорости света.

Источник: https://FB.ru/article/300169/chto-takoe-gravitatsionnaya-volna

Гравитация, или сила во всем сущем

Прежде всего стоит выяснить, что на самом деле представляет собой гравитация. Да-да — это та сила тяготения, которая заставляет падать яблоки на головы ученых, а бутерброды маслом вниз, и не дает Земле оторваться от Солнца и улететь путешествовать по галактике. Однако в современной физике она разделяется на две важных и неотъемлемых части.

По Ньютону

Закон обратных квадратов. Чем больше расстояние — тем меньше интенсивность

Первая, более поверхностная и очевидная — это гравитация Ньютона. В ней все достаточно просто: чем тяжелее тело, тем сильнее оно притягивает к себе другие объекты. Луна, которая в разы легче Земли, вращается вокруг планеты, а не наоборот — этот принцип каждый наблюдал сам.

При этом притяжение резко падает с расстоянием согласно закону обратных квадратов, который действует на любое излучение или распространение энергии.

Поэтому выроненные космонавтами гаечные ключи начинают вращаться вокруг их космической станции, а сразу не вокруг Земли, а центр галактики, который намного массивнее Солнца, не перетягивает у нашего светила планеты.

Идеальной демонстрацией ньютоновской гравитации является обычный камень. Если бросить его вперед, он полетит по наклонной, устремляясь к земле по мере того, как приданный рукой импульс будет становиться слабее относительно гравитации. Чем сильнее бросать, тем дальше камень пролетит — а если придать ему достаточной скорости, он может выйти на орбиту Земли, или вовсе покинуть Солнечную систему.

Для того чтобы построить космическую ракету, запустить спутник и слетать на соседние планеты, изложения гравитации Ньютоном  и его последователями, вроде Кеплера, достаточно. Более того, эти изложения успешно используются сегодня для определения масс астероидов и других планет, а также в других практических целях.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Воцерковление что это такое

Даже класическая Ньютовская механика позволяла рассчитывать поражающие вещи. На картинке — схема гипотетического суборбитального самолета Москва-Караганда. Смотреть в полном размере.

По Эйнштейну и Теории Относительности

Однако в Теории относительности гравитация рассматривается куда глубже. Согласно ей, любое тело, обладающее массой, искривляет единое временно-пространственное «полотно» — и чем больше масса, чем сильнее оно будет искривлено. Пример с камнем тут претерпевает поразительные изменения.

Согласно теории относительности, брошенный камень не притягивается к Земле и летит неизменно по прямой линии — само пространство искривляется так, что по мере затухания импульса он втыкается обратно в Землю. А вращаясь, массы закручивают пространство и время вокруг себя целыми спиралями, как на водосточных сливах.

Поэтому спутники вращаются вокруг планет, планеты вокруг звезд, звезды вокруг галактических центров — и так до бесконечности.

Для того чтобы понять, откуда берется гравитационная энергия, рассмотрим базовую формулу Специальной теории относительности Эйнштейна — E=mc². E тут — это кинетическая энергия тела; затраты силы, нужные для ускорения какого-либо объекта из состояния покоя.

Однако в механике теории относительности оказалось, что энергия нужна даже для того, чтобы тело не двигалось! Соответственно этим положениям, любая масса подразумевает наличие в ней потенциальной энергии.

Практический выход теории взаимовместимости энергии и массы нашелся в ядерной физике — относительно неподвижные, но зато тяжелые уран и плутоний создают громадное количество энергии в реакторах и бомбах.

Яблоко Ньютона искажает пространство-время Эйнштейна

Источник: https://SpaceGid.com/gravity-waves.html

Гравитационные волны: что же именно «открыли» учёные LIGO?

Обнаружение гравитационных волн не напрасно претендует на звание величайшего научного достижения XXI века: помимо подтверждения одной из фундаментальных научных теорий, оно, по всей видимости, станет рождением новой отрасли науки – гравитационной астрономии.

Новость о фиксации лабораторией LIGO гравитационных волн, исходящих от двух столкнувшихся между собой чёрных дыр, стала одной из тех научных сенсаций, которые широко обсуждаются в социальных сетях людьми, имеющими о физике весьма схематичное представление. Попытаемся же разобраться в том, что именно открыли учёные и чем нам всем это «грозит».

Гравитационные волны: откуда есть пошли

Почти все, кто интересовался вопросом сделанного учеными лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) открытия, знают, что оно «подтвердило предположения Эйнштейна». Давайте разберёмся, что же это были за предположения и как именно эксперименты LIGO позволили их подтвердить.

Суть гравитационной теории Эйнштейна, которая ещё называется Общей теорией относительности, состояла в том, что гравитационные эффекты обусловлены искажением пространства-времени под действием гравитирующей массы.

Эту идею можно объяснить, если представить себе наше четырёхмерное (три пространственных измерения плюс время) пространство в виде растянутой двухмерной эластичной сетки – чего-то вроде батута. В нормальном состоянии, эта «сетка» натянута равномерно и, если мы возьмём любой узел этой «сетки», то исходящие из него нити сетки будут иметь равное расстояние до других узлов.

Но если мы положим на сеть некий тяжёлый предмет, то та деформируется под его весом. В результате структура «сетки» исказится: нити растянутся, и вблизи массивного предмета станут длиннее, чем на отдалении от него.

Искажение «сетки» пространства-времени под влиянием гравитационного поля Земли

Таким же образом, по теории Эйнштейна, влияет на наше четырёхмерное пространство-время и гравитирующая масса. Т.е. на самом деле гравитационное воздействие объясняется не взаимодействием тел между собой, но их обоюдным влиянием на структуру окружающего их пространства.

Иными словами, Эйнштейн считал, что брошенный под неким углом на поверхности земли теннисный мячик на самом деле летит по прямой, а наблюдаемая траектория его движения (парабола) вызвана тем, что наблюдаемое нами пространство искривлено гравитационным полем Земли.

Искривление траекторий в гравитационном поле на различном расстоянии от массивного объекта

Но это – стационарный случай. А теперь представим себе, что массивное (т.е. имеющее массу) тело не лежит на сетке в состоянии покоя, а движется с ускорением – к примеру, как когда человек подпрыгивает на батуте, или как когда теннисный мяч ударяется о сетку ракетки.

Как мы знаем, в этом случае возникает возмущение, которое распространяется по сетке от точки соприкосновения к краям.

Любой, кто когда-либо играл в теннис, знает, что после удара ракетка несколько мгновений вибрирует – это и есть результат распространения этого возмущения, которое дошло по сетке до самого материала ракетки и далее по нему передалось в её рукоятку.

Нечто подобное, предположил Эйнштейн, должно наблюдаться и в структуре пространства-времени, через которые с ускорением движется некое обладающее массой тело: оно также должно вызывать возмущения пространства-времени, своеобразную «рябь» искажений пространственно-временной метрики. Процесс распространения этих возмущений – и есть та волна, которую решили обнаружить исследователи LIGO.

Иголка в стоге сена

Однако сказать – проще, чем сделать. Гравитационные волны и вызываемые ими искажения пространства-времени слишком слабы для того, чтобы их можно было просто зафиксировать на Земле. Необходимы поистине космические процессы с телами большой массы, движущимися со значительным ускорением.

И такой процесс нашли: им стало столкновение двух чёрных дыр, массы каждой из которых примерно в 30 раз превосходят массу нашего Солнца. Дело в том, что перед столкновением эти чёрные дыры начали вращаться друг относительно друга по постепенно сужающейся спирали.

Вращение является одним из случаев движения с ускорением, а значит, эти чёрные дыры должны испускать гравитационные волны.

По мере сближения чёрных дыр, радиус вращения будет уменьшаться, ускорение – увеличиваться, а испускаемые ими гравитационные волны должны стать достаточно мощными, чтобы их, в теории, можно было зафиксировать с помощью определённых сверхчувствительных приборов на Земле.

Ловушка для гравитационной волны

Обнаружить искажения пространства-времени, возникающие в результате прохождения гравитационной волны, решили с помощью приборов, называемых интерферометрами. Эти устройства известны уже давно, и активно используются как в экспериментальной физике, так и в промышленности – прежде всего, для сверхточного изменения расстояний.

Как следует из названия, интерферометр в своей работе использует принцип интерференции света. Это явление изучают в школе, но на всякий случай напомню, что интерференция – это взаимодействие двух пучков света, которое, в зависимости от условий, приводит к их ослаблению или усилению. На практике речь идёт о двух частях одного и того же пучка, разделённого с помощью системы приспособлений.

Две эти части пучка направляются по различным траекториям (оптическим путям), а затем сводятся вместе и направляются на один экран. В результате на экране образуется т.н. интерференционная картина – система чередующихся тёмных и светлых полос, которая зависит от соотношения пройденных оптических путей. Даже незначительное (порядка длины волны света) изменение длины оптического пути, пройденного одним из пучков, даст наблюдаемое измерение интерференционной картины.

Именно поэтому с помощью интерферометра можно зафиксировать даже незначительное изменение геометрических размеров тел.

А причём здесь гравитационные волны, спросит читатель? А дело в том, что изменение метрики пространства-времени, вызываемое гравитационными волнами, как раз и должно, как мы уже говорили выше, проявляться в изменении линейных размеров тел! Именно с помощью интерферометра их и планировали обнаружить.

Сплющивание Земли под воздействием гравитационных волн (для наглядности демонстрации масштаб эффекта сильно увеличен, в реальности воздействие гравитационной волны значительно слабее)

С этой целью в двух точках в США были построены два уникальных интерферометра: один в Ливингстоне (Луизиана), другой в Хенфорде (Вашингтон). Каждый из интерферометров, разнесённых более чем на 3000 километров, должен был вести независимые измерения, которые затем должны были быть сопоставлены между собой. Сами интерферометры также представляли собой весьма незаурядные конструкции: прежде, чем совместиться на экране, два пучка должны были пройти по 4 километра каждый!

Интерферометр в Хенфорде. Хорошо видны «плечи», по которым распространяются световые волны

И это сработало.
http://timer-odessa.net/news/otkritie_veka_amerikanskie_uchenie_zayavili_ob_obnarujenii_gravitatsionnih_voln_443.html
Изменение интерференционной картины было зафиксировано лабораториями LIGO 14 сентября 2015-го года.

Как оказалось впоследствии, эти результаты соответствовали расчётным параметрам, т.е. оказались такими же, какие могли бы быть произведены гравитационной волной, возникшей в ходе столкновения чёрных дыр указанной массы и в указанном месте.

Тот факт, что явление зарегистрировали обе лаборатории LIGO, позволяет практически исключить вероятность случайных совпадений.

Прежде, чем обнародовать результаты, учёные проекта, в котором приняли участие множество научных учреждений из 15 стран, потратили почти полгода на их анализ и перепроверку. Официально об экспериментальном обнаружении гравитационных волн было объявлено 11 февраля 2016-го года. Новость была встречена учёными всего мира с ликованием.

Что это значит?

Попытаемся же понять, что именно вызвало столь бурную радость учёных, многие из которых уже назвали это открытие самым значительным научным достижением XXI столетия?

Эйнштейн был прав насчёт гравитации. Эксперимент LIGO подтвердил существование предсказанных им гравитационных волн, что указывает на справедливость его гипотезы в принципе.

Похоже, что гравитация «работает» именно так, как о ней думал Эйнштейн, и это является важным шагом в познании наиболее таинственного из четырёх известных типов взаимодействий, существующих в природе.

Это – ключевое значение данного эксперимента с точки зрения фундаментальной физики, причём переоценить его важность практически невозможно.

Однако опыты LIGO имеют ценность не только с точки зрения сугубой теории. Существование гравитационных волн, а также обнаружение способа их «захвата» может стать началом новой эры в исследовании космоса: эры «квантовой астрономии», которая позволит изучать явления, недоступные радиоастрономии, уж не говоря о классической «оптической» астрономии, давно уже «упёршейся» в предел своих возможностей.

Гравитационные волны не экранируются другими объектами (например, пылевыми туманностями и тому подобным), а значит, они могут донести до Земли информацию о многих важных космических событиях.

Среди прочего, изучение гравитационных волн может дать ответы на вопрос о скорости расширения Вселенной, проверить существующие теории о физике чёрных дыр, ранних и поздних этапах эволюции звёзд и тому подобное.

Уже не говоря о том значении, которое могут иметь эти наблюдения для работы над теорией гравитации – одного из наиболее беспокоящих современных теорфизиков «белых пятен» познания.

Разумеется, для развития гравитационной астрономии как новой отрасли познания потребуется серьёзное усовершенствование средств наблюдения: по всей видимости, в будущем мы увидим устройства, по сравнению с которыми установка LIGO покажется такой же несовершенной и малочувствительной, как первый телескоп Галилея по сравнению с современными устройствами для наблюдения звёздного неба. Это потребует колоссальных затрат и серьёзнейшей работы лучших инженеров и учёных, которые в другой ситуации, возможно, были бы сочтены чрезмерными. Но теперь мы знаем, что гравитационные волны существуют, что их можно «ловить», и что эти затраты в итоге окажутся оправданными.

Кстати, система LIGO и после 14 сентября 2015-го года фиксировала гравитационные волны, проходящие через нашу планету. Сейчас сотни учёных по всему миру уже работают над интерпретацией этих данных с тем, чтобы понять, какими событиями были вызваны эти наблюдения. Иными словами, гравитационная астрономия уже стала частью арсенала познания мира, находящегося в распоряжении Человечества.

Источник: https://Professionali.ru/Soobschestva/politika/gravitatsionnye-volny-chto-zhe-imenno/

Гравитационная волна • ru.knowledgr.com

В физике гравитационные волны — рябь в искривлении пространства-времени, которая размножается как волна, путешествуя направленный наружу из источника. Предсказанный в 1916 Альбертом Эйнштейном, чтобы существовать на основе его теории Общей теории относительности, гравитационные волны теоретически транспортируют энергию как гравитационную радиацию.

Источники обнаружимых гравитационных волн могли возможно включать двойные звездные системы, составленные из белого, затмевает, нейтронные звезды или черные дыры. Существование гравитационных волн — возможное последствие постоянства Лоренца Общей теории относительности, так как это приносит понятие ограничивающей скорости распространения физических взаимодействий с ним.

Гравитационные волны не могут существовать в ньютоновой теории тяготения, в котором физические взаимодействия размножаются на бесконечной скорости.

Хотя гравитационная радиация не была непосредственно обнаружена, есть косвенная улика для ее существования. Например, Нобелевский приз 1993 года в Физике был присужден за измерения двоичной системы счисления Хулс-Тейлора, которая предполагает, что гравитационные волны — больше, чем математические аномалии.

Различные датчики гравитационной волны существуют и 17 марта 2014, астрономы в Смитсоновском Гарвардом Центре Астрофизики утверждали, что они обнаружили и произвели «первое прямое изображение гравитационных волн через исконное небо» в пределах космического микроволнового фона, представив убедительные свидетельства для инфляции и Большого взрыва. Экспертная оценка будет необходима, прежде чем сможет быть любой научный консенсус об этих новых результатах. 19 июня 2014 о пониженной уверенности в подтверждении космических результатов инфляции сообщили; 19 сентября 2014 о дальнейшем сокращении по секрету сообщили и, 30 января 2015, о еще меньшей уверенности все же сообщили.

Введение

В теории Эйнштейна Общей теории относительности силу тяжести рассматривают как явление, следующее из искривления пространства-времени. Это искривление вызвано присутствием массы. Обычно, чем более массовый, который содержится в пределах данного объема пространства, тем больше искривление пространства-времени будет в границе этого объема.

Поскольку объекты с массой перемещаются в пространстве-времени, искривление изменяется, чтобы отразить измененные местоположения тех объектов. При определенных обстоятельствах ускоряющиеся объекты производят изменения в этом искривлении, которые размножаются за пределы со скоростью света подобным волне способом.

Эти явления размножения известны как гравитационные волны.

Поскольку гравитационная волна встречает отдаленного наблюдателя, тот наблюдатель сочтет пространство-время искаженным эффектами напряжения. Расстояния между свободными объектами увеличиваются и уменьшаются ритмично, когда волна проходит в частоте, соответствующей той из волны. Это происходит несмотря на такие свободные объекты, никогда не подвергаемые неуравновешенной силе.

Величина этого эффекта уменьшается обратно пропорционально с расстоянием от источника. Набор из двух предметов Inspiralling нейтронные звезды предсказаны, чтобы быть сильным источником гравитационных волн, как они соединяются, из-за очень большого ускорения их масс, поскольку они двигаются по кругу близко к друг другу.

Однако из-за астрономических расстояний до этих источников эффекты, когда измерено на Земле предсказаны, чтобы быть очень маленькими, имея напряжения меньше чем 1 части в 10. Ученые пытаются продемонстрировать существование этих волн с еще более чувствительными датчиками. Текущее самое чувствительное измерение об одной части в (с 2012) обеспечено обсерваториями ДЕВЫ и LIGO.

Отсутствие обнаружения в этих обсерваториях обеспечивает верхний предел на частоте таких сильных источников. Пространство, базируемое обсерватория, Лазерная Антенна Пространства Интерферометра, в настоящее время разрабатывается ЕКА.

Гравитационные волны должны проникнуть через области пространства, что электромагнитные волны не могут. Это предполагается, что они будут в состоянии предоставить наблюдателям на Земле с информацией о черных дырах и других экзотических объектах в отдаленной Вселенной.

Такие системы не могут наблюдаться с более традиционными средствами, такими как оптические телескопы и радио-телескопы. В частности гравитационные волны могли представлять интерес для космологов, поскольку они предлагают возможный способ наблюдать очень раннюю вселенную. Это не возможно с обычной астрономией перед перекомбинацией, вселенная была непрозрачна к электромагнитной радиации.

Точные измерения гравитационных волн также позволят ученым проверять общую теорию относительности более тщательно.

В принципе гравитационные волны могли существовать в любой частоте. Однако очень низкочастотные волны было бы невозможно обнаружить и нет никакого вероятного источника для обнаружимых волн очень высокой частоты. Стивен В. Хокинг и Вернер Исраэль перечисляют различные диапазоны частот для гравитационных волн, которые могли быть правдоподобно обнаружены, в пределах от 10 Гц до 10 Гц.

Эффекты мимолетной гравитационной волны

Эффекты мимолетной гравитационной волны могут визуализироваться, воображая совершенно плоскую область пространства-времени с группой неподвижных испытательных частиц, лежащих в самолете (поверхность Вашего экрана).

Поскольку гравитационная волна проходит через частицы вдоль перпендикуляра линии к самолету частиц (т.е. после Вашей линии видения в экран), частицы будут следовать за искажением в пространстве-времени, колеблющемся «крестообразным» способом, как показано мультипликациями.

Область, приложенная испытательными частицами, не изменяется и нет никакого движения вдоль направления распространения.

Источник: http://ru.knowledgr.com/03362828/%D0%93%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F%D0%92%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B0

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Православный Богослов
С нами бог откуда фраза

Закрыть