Эйнштейн был прав: гравитационные волны существуют. Гравитационные волны — открыты! Способ преобразования гравитационных волн в механическое движение

Астрофизики подтвердили существование гравитационных волн, существование которых предсказывал еще Альберт Эйнштейн около 100 лет назад. Их удалось зафиксировать с помощью детекторов гравитационно-волновой обсерватории LIGO, которая находится в США.

Впервые в истории человечество зафиксировало гравитационные волны — колебания пространства-времени, пришедшие на Землю от столкновения двух черных дыр, произошедшего далеко во Вселенной. Вклад в это открытие есть и у российских ученых. В четверг исследователи рассказывают о своем открытии по всему миру — в Вашингтоне, Лондоне, Париже, Берлине и других городах, в том числе и в Москве.

На фото имитация столкновения черных дыр

На пресс-конференции в офисе компании Rambler&Co Валерий Митрофанов, руководителю российской части коллаборации LIGO объявил об открытии гравитационных волн:

«Нам выпала честь участвовать в этом проекте и представить результаты вам. Расскажу теперь смысл открытия по-русски. Мы видели прекрасные картинки с изображением детекторов LIGO в США. Расстояние между ними – 3000 км. Под действием гравитационной волны произошел сдвиг одного из детекторов, после чего мы их и обнаружили. Сначала на компьютере мы увидели просто шум, а потом началась раскачка массы детекторов Хэмфорда. После расчетов полученных данных мы смогли определить, что именно черные дыры столкнулись на расстоянии 1,3 млдр. световых лет отсюда. Сигнал был очень четкий, он вылез из шума очень явно. Многие нам сказали, что нам повезло, но природа сделала нам такой подарок. Гравитационные волны открыты – это несомненно.»

Астрофизики подтвердили слухи о том, что с помощью детекторов гравитационно-волновой обсерватории LIGO им удалось зафиксировать гравитационные волны. Это открытие позволит человечеству значительно продвинуться в понимании того, как устроена Вселенная.

Открытие произошло еще 14 сентября 2015 года одновременно двумя детекторами в Вашингтоне и Луизиане. Сигнал поступил на детекторы в результате столкновения двух черных дыр. Столько времени понадобилось ученым для того, чтобы убедиться, что именно гравитационные волны были продуктом столкновения.

Столкновение дыр произошло со скоростью около половины скорости света, а это примерно 150 792 458 м/с.

«Ньютоновская гравитация описывалась в плоском пространстве, а Эйнштейн перевел его в плоскость времени и предположил, что оно его искривляет. Гравитационное взаимодействие очень слабое. На Земле опыт по созданию гравитационных волн невозможен. Обнаружить их смогли только после слияния черных дыр. Смещение детектора произошло, только представьте, на 10 в -19 метра. Руками это не пощупать. Только при помощи очень точных приборов. Как это сделать? Лазерный луч, с помощью которого был зафиксирован сдвиг, уникальный по своей природе. Лазерная гравитационная антенна второго поколения LIGO вступила в строй в 2015 году. Чувствительность позволяет регистрировать гравитационные возмущения примерно раз в месяц. Это передовая мировой и американской науки, ничего точнее в мире нет. Мы надеемся, что он сможет преодолеть Стандартный квантовый предел чувствительности», – пояснил открытие Сергей Вятчанин, сотрудник физфака МГУ и коллаборации LIGO.

Стандартный квантовый предел (СКП) в квантовой механике — ограничение, накладываемое на точность непрерывного или многократно повторяющегося измерения какой-либо величины, описываемой оператором, который не коммутирует сам с собой в разные моменты времени. Предсказан в 1967 году В. Б. Брагинским, а сам термин Стандартный квантовый предел (англ. Standard Quantum Limit, SQL) был предложен позднее Торном. СКП тесно связан с соотношением неопределенностей Гейзенберга.

Подводя итоги Валерий Митрофанов рассказал о планах дальнейших исследований:

«Это открытие – начало новой гравитационно-волновой астрономии. По каналу гравитационных волн мы рассчитываем узнать больше о Вселенной. Нам известен состав только 5% материи, остальное – загадка. Гравитационные детекторы позволят увидеть небо в «гравитационных волнах». В будущем мы надеемся увидеть начало всего, то есть реликтовое излучение Большого взрыва и понять, что именно было тогда».

Впервые гравитационные волны были предложены Альбертом Эйнштейном в 1916 году, то есть почти ровно 100 лет назад. Уравнение для волн является следствием уравнений теории относительности и выводятся не самым простым образом.

Канадский физик-теоретик Клиффорд Берджесс ранее опубликовал письмо, в котором говорится, что обсерватория зафиксировала гравитационное излучение, вызванное слиянием двойной системы черных дыр с массами 36 и 29 солнечных масс в объект массой 62 массы Солнца. Столкновение и несимметричный гравитационный коллапс длятся доли секунды, и за это время в гравитационное излучение — рябь пространства-времени — уходит энергия, составляющая, до 50 процентов от массы системы.

Гравитационная волна — волна гравитации, порождаемая в большинстве теорий тяготения движением гравитирующих тел с переменным ускорением. Ввиду относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) эти волны должны иметь весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации. Их существование было предсказано около века назад Альбертом Эйнштейном.

Но мне больше интересно, что из неожиданного можно обнаружить с помощью гравитационных волн. Каждый раз, когда люди наблюдали Вселенную по-новому, мы открывали много неожиданных вещей, которые переворачивали наше представление о Вселенной. Я хочу найти эти гравитационные волны и обнаружить что-то, о чем мы понятия не имели раньше.

Поможет ли это нам сделать настоящий варп-двигатель?

Поскольку гравитационные волны слабо взаимодействуют с веществом, их вряд ли можно использовать для движения этого вещества. Но даже если бы вы могли, гравитационная волна движется всего лишь со скоростью света. Для варп-двигателя они не подойдут. Хотя было бы круто.

Как насчет антигравитационных устройств?

Чтобы создать антигравитационное устройство, нам нужно превратить силу притяжения в силу отталкивания. И хотя гравитационная волна распространяет изменения гравитации, это изменение никогда не будет отталкивающим (или отрицательным).

Гравитация всегда притягивает, поскольку отрицательной массы, похоже, не существует. В конце концов, существует положительный и отрицательный заряд, северный и южный магнитный полюс, но только положительная масса. Почему? Если бы отрицательная масса существовала, шар вещества падал бы вверх, а не вниз. Он бы отталкивался от положительной массы Земли.

Что это означает для возможности путешествий во времени и телепортации? Можем ли мы найти практическое применение этому явлению, кроме изучения нашей Вселенной?

Сейчас лучший способ путешествия во времени (и только в будущее) - это путешествовать с околосветовой скоростью (вспомним парадокс близнецов в ОТО) либо отправиться в область с повышенной гравитацией (такого рода путешествие во времени было продемонстрировано в «Интерстелларе»). Поскольку гравитационная волна распространяет изменения в гравитации, будут рождаться и очень малые флуктуации в скорости времени, но поскольку гравитационные волны по сути слабые, слабые также и временные флуктуации. И хотя я не думаю, что можно применить это к путешествиям во времени (или телепортации), никогда не говори никогда (спорю, у вас перехватило дыхание).

Настанет ли день, когда мы перестанем подтверждать Эйнштейна и снова начнем поиски странных вещей?

Конечно! Поскольку гравитация самая слабая из сил, с ней также трудно экспериментировать. До сих пор каждый раз, когда ученые подвергали ОТО проверке, они получали точно спрогнозированные результаты. Даже обнаружение гравитационных волн в очередной раз подтвердило теорию Эйнштейна. Но я полагаю, когда мы начнем проверять мельчайшие детали теории (может, с гравитационными волнами, может, с другим), мы будем находить «забавные» вещи, вроде не совсем точного совпадения результата эксперимента с прогнозом. Это не будет означать ошибочность ОТО, лишь необходимость уточнения ее деталей.

Каждый раз, когда мы отвечаем на один вопрос о природе, появляются новые. В конце концов, у нас появятся вопросы, которые будет круче, чем ответы, которые может позволить ОТО.

Можете ли вы объяснить, как это открытие может быть связано или повлияет на теорию единого поля? Мы оказались ближе к ее подтверждению или же развенчанию?

Сейчас результаты сделанного нами открытия в основном посвящают проверке и подтверждению ОТО. Единая теория поля ищет способ создать теорию, которая объяснит физику очень малого (квантовая механика) и очень большого (общая теория относительности). Сейчас эти две теории можно обобщить, чтобы объяснить масштабы мира, в котором мы живем, но не более. Поскольку наше открытие сосредоточено на физике очень большого, само по себе оно мало продвинет нас в направлении единой теории. Но вопрос не в этом. Сейчас только-только родилась область гравитационно-волновой физики. Когда мы узнаем больше, мы обязательно расширим наши результаты и в области единой теории. Но перед пробежкой нужно пройтись.

Теперь, когда мы слушаем гравитационные волны, что должны услышать ученые, чтобы буквально выс*ать кирпич? 1) Неестественные паттерны/структуры? 2) Источники гравитационных волн из регионов, которые мы считали пустыми? 3) Rick Astley - Never gonna give you up?

Когда я прочитала ваш вопрос, я сразу вспомнила сцену из «Контакта», в которой радиотелескоп улавливает паттерны простых чисел. Вряд ли такое можно встретить в природе (насколько нам известно). Так что ваш вариант с неестественным паттерном или структурой был бы наиболее вероятен.

Не думаю, что мы когда-то будем уверены в пустоте в определенном регионе космоса. В конце концов, система черных дыр, которую мы обнаружили, была изолирована, и из этого региона не приходил никакой свет, но мы все равно обнаружили там гравитационные волны.

Что касается музыки… Я специализируюсь на отделении сигналов гравитационных волн от статического шума, который мы постоянно измеряем на фоне окружающей среды. Если бы я нашла в гравитационной волне музыку, особенно которую слышала раньше, это был бы розыгрыш. Но музыка, которую на Земле никогда не слышали… Это было бы как с простыми случаями из «Контакта».

Раз эксперимент регистрирует волны по изменению расстояния между двумя объектами, амплитуда одного направления больше, чем другого? В противном случае не означают ли считываемые данные, что Вселенная меняется в размерах? И если так, подтверждает ли это расширение или что-нибудь неожиданное?

Нам нужно увидеть множество гравитационных волн, приходящих из множества разных направлений во Вселенной, прежде чем мы сможем ответить на этот вопрос. В астрономии это создает модель популяции. Как много различных типов вещей существует? Это главный вопрос. Как только мы заимеем много наблюдений и начнем видеть неожиданные паттерны, к примеру, что гравитационные волны определенного типа приходят из определенной части Вселенной и больше ниоткуда, это будет крайне интересный результат. Некоторые паттерны могли бы подтвердить расширение (в котором мы весьма уверены), либо другие явления, о которых мы пока не знали. Но сначала нужно увидеть много больше гравитационных волн.

Мне совершенно непонятно, как ученые определили, что измеренные ими волны принадлежат двум сверхмассивным черным дырам. Как можно с такой точностью определить источник волн?

Методы анализа данных используют каталог предсказанных сигналов гравитационных волн для сравнения с нашими данными. Если имеется сильная корреляция с одним из таких прогнозов, или шаблонов, то мы не только знаем, что это гравитационная волна, но и знаем, какая система ее образовала.

Каждый отдельный способ создания гравитационной волны, будь то слияние черных дыр, вращение или смерть звезд, все волны имеют разные формы. Когда мы обнаруживаем гравитационную волну, мы используем эти формы, как предсказывала ОТО, чтобы определить их причину.

Откуда мы знаем, что эти волны произошли из столкновения двух черных дыр, а не какого-нибудь другого события? Возможно ли предсказать, где или когда произошло такое событие, с любой степенью точности?

Как только мы узнаем, какая система произвела гравитационную волну, мы можем предсказать, насколько сильной была гравитационная волна вблизи от места своего рождения. Измеряя ее силу по мере достижения Земли и сравнивая наши измерения с предсказанной силой источника, мы можем рассчитать, как далеко находится источник. Поскольку гравитационные волны движутся со скоростью света, мы также можем рассчитать, как долго гравитационные волны двигались к Земле.

В случае с обнаруженной нами системой черных дыр, мы измерили максимальное изменение длины рукавов LIGO на 1/1000 диаметра протона. Эта система расположена в 1,3 миллиарда световых лет. Гравитационная волна, обнаруженная в сентябре и анонсированная на днях, двигалась к нам 1,3 миллиарда лет. Это произошло до того, как на Земле образовалась животная жизнь, но уже после возникновения многоклеточных.

Во время объявления было заявлено, что другие детекторы будут искать волны с более длинным периодом - некоторые из них будут вовсе космическими. Что вы можете рассказать об этих крупных детекторах?

В разработке действительно находится космический детектор. Он называется LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Поскольку он будет в космосе, он будет достаточно чувствительным к низкочастотным гравитационным волнам, в отличие от земных детекторов, вследствие естественных вибраций Земли. Будет сложно, поскольку спутники придется разместить дальше от Земли, чем бывал человек. Если что-то пойдет не так, мы не сможем отправить астронавтов на ремонт, . Чтобы проверить необходимые технологии, . Пока что она справилась со всеми поставленными задачами, но миссия еще далека от завершения.

Можно ли преобразовать гравитационные волны в звуковые? И если да, на что они будут похожи?

Можно. Конечно, вы не услышите просто гравитационную волну. Но если взять сигнал и пропустить через динамики, то услышать можно.

Что нам делать с этой информацией? Излучают ли эти волны другие астрономические объекты с существенной массой? Можно ли использовать волны для поиска планет или простых черных дыр?

При поиске гравитационных значений имеет значение не только масса. Также ускорение, которое присуще объекту. Обнаруженные нами черные дыры вращались друг вокруг друга со скоростью в 60% световой, когда сливались. Поэтому мы смогли обнаружить их во время слияния. Но теперь от них больше не поступает гравитационных волн, поскольку они слились в одну малоподвижную массу.

Так что все, что обладает большой массой и движется очень быстро, создает гравитационные волны, которые можно уловить.

Экзопланеты вряд ли будут обладать достаточной массой или ускорением, чтобы создать обнаружимые гравитационные волны. (Я не говорю, что они их не создают вообще, только то, что они будут недостаточно сильными или с другой частотой). Даже если экзопланета будет достаточно массивной, чтобы производить нужные волны, ускорение разорвет ее на части. Не забывайте, что самые массивные планеты, как правило, представляют собой газовых гигантов.

Насколько верна аналогия волн в воде? Можем ли мы «оседлать» эти волны? Существуют ли гравитационные «пики», как уже известные «колодцы»?

Поскольку гравитационные волны могут двигаться через вещество, нет никакого способа оседлать их или использовать их для движения. Так что никакого гравитационно-волнового серфинга.

«Пики» и «колодцы» - это прекрасно. Гравитация всегда притягивает, поскольку не существует отрицательной массы. Мы не знаем почему, но ее никогда не наблюдали в лаборатории или во Вселенной. Поэтому гравитацию обычно представляют в виде «колодца». Масса, которая движется вдоль этого «колодца», будет сваливаться вглубь; так работает притяжение. Если у вас будет отрицательная масса, то вы получите отталкивание, а вместе с ним и «пик». Масса, которая движется на «пике», будет изгибаться от него. Так что «колодцы» существуют, а «пики» нет.

Аналогия с водой прекрасна, пока мы говорим о том, что сила волны уменьшается вместе с пройденным расстоянием от источника. Водяная волна будет становиться меньше и меньше, а гравитационная волна - слабее и слабее.

Как это открытие повлияет на наше описание инфляционного периода Большого Взрыва?

На данный момент это открытие пока практически никак не затрагивает инфляцию. Чтобы делать заявления вроде этого, необходимо наблюдать реликтовые гравитационные волны Большого Взрыва. Проект BICEP2 полагал, что косвенно наблюдал эти гравитационные волны, но оказалось, что виной всему космическая пыль. Если он получит нужные данные, вместе с ними подтвердится и существование короткого периода инфляции вскоре после Большого Взрыва.

LIGO сможет непосредственно увидеть эти гравитационные волны (это также будет самый слабый тип гравитационных волн, который мы надеемся обнаружить). Если мы их увидим, то сможем заглянуть глубоко в прошлое Вселенной, как не заглядывали раньше, и по полученным данным судить об инфляции.

Спустя сто лет после теоретического предсказания, которое в рамках общей теории относительности сделал Альберт Эйнштейн, ученым удалось подтвердить существование гравитационных волн. Начинается эра принципиально нового метода изучения далекого космоса — гравитационно-волновой астрономии.

Открытия бывают разные. Бывают случайные, в астрономии они встречаются часто. Бывают не совсем случайные, сделанные в результате тщательного «прочесывания местности», как, например, открытие Урана Вильямом Гершелем. Бывают серендипические — когда искали одно, а нашли другое: так, например, открыли Америку. Но особое место в науке занимают запланированные открытия. Они основаны на четком теоретическом предсказании. Предсказанное ищут в первую очередь для того, чтобы подтвердить теорию. Именно к таким открытиям относятся обнаружение бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере и регистрация гравитационных волн с помощью лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO. Но для того чтобы зарегистрировать какое-то предсказанное теорией явление, нужно довольно неплохо понимать, что именно и где искать, а также какие инструменты необходимы для этого.

Гравитационные волны традиционно называют предсказанием общей теории относительности (ОТО), и это в самом деле так (хотя сейчас такие волны есть во всех моделях, альтернативных ОТО или же дополняющих ее). К появлению волн приводит конечность скорости распространения гравитационного взаимодействия (в ОТО эта скорость в точности равна скорости света). Такие волны — возмущения пространства-времени, распространяющиеся от источника. Для возникновения гравитационных волн необходимо, чтобы источник пульсировал или ускоренно двигался, но определенным образом. Скажем, движения с идеальной сферической или цилиндрической симметрией не подходят. Таких источников достаточно много, но часто у них маленькая масса, недостаточная для того, чтобы породить мощный сигнал. Ведь гравитация — самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий, поэтому зарегистрировать гравитационный сигнал очень трудно. Кроме того, для регистрации нужно, чтобы сигнал быстро менялся во времени, то есть имел достаточно высокую частоту. Иначе нам не удастся его зарегистрировать, так как изменения будут слишком медленными. Значит, объекты должны быть еще и компактными.

Первоначально большой энтузиазм вызывали вспышки сверхновых, происходящие в галактиках вроде нашей раз в несколько десятков лет. Значит, если удастся достичь чувствительности, позволяющей видеть сигнал с расстояния в несколько миллионов световых лет, можно рассчитывать на несколько сигналов в год. Но позднее оказалось, что первоначальные оценки мощности выделения энергии в виде гравитационных волн во время взрыва сверхновой были слишком оптимистичными, и зарегистрировать подобный слабый сигнал можно было бы только в случае, если б сверхновая вспыхнула в нашей Галактике.

Еще один вариант массивных компактных объектов, совершающих быстрые движения, — нейтронные звезды или черные дыры. Мы можем увидеть или процесс их образования, или процесс взаимодействия друг с другом. Последние стадии коллапса звездных ядер, приводящие к образованию компактных объектов, а также последние стадии слияния нейтронных звезд и черных дыр имеют длительность порядка нескольких миллисекунд (что соответствует частоте в сотни герц) — как раз то что надо. При этом выделяется много энергии, в том числе (а иногда и в основном) в виде гравитационных волн, так как массивные компактные тела совершают те или иные быстрые движения. Вот они — наши идеальные источники.

Правда, сверхновые вспыхивают в Галактике раз в несколько десятков лет, слияния нейтронных звезд происходят раз в пару десятков тысяч лет, а черные дыры сливаются друг с другом еще реже. Зато сигнал гораздо мощнее, и его характеристики можно достаточно точно рассчитать. Но теперь нам надо научиться видеть сигнал с расстояния в несколько сотен миллионов световых лет, чтобы охватить несколько десятков тысяч галактик и обнаружить несколько сигналов за год.

Определившись с источниками, начнем проектировать детектор. Для этого надо понять, что же делает гравитационная волна. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что прохождение гравитационной волны вызывает приливную силу (обычные лунные или солнечные приливы — это отдельное явление, и гравитационные волны тут ни при чем). Так что можно взять, например, металлический цилиндр, снабдить датчиками и изучать его колебания. Это несложно, поэтому такие установки начали делать еще полвека назад (есть они и в России, сейчас в Баксанской подземной лаборатории монтируется усовершенствованный детектор, разработанный командой Валентина Руденко из ГАИШ МГУ). Проблема в том, что такой прибор будет видеть сигнал без всяких гравитационных волн. Есть масса шумов, с которыми трудно бороться. Можно (и это было сделано!) установить детектор под землей, попытаться изолировать его, охладить до низких температур, но все равно для того, чтобы превысить уровень шума, понадобится очень мощный гравитационно-волновой сигнал. А мощные сигналы приходят редко.

Поэтому был сделан выбор в пользу другой схемы, которую в 1962 году выдвинули Владислав Пусто-войт и Михаил Герценштейн. В статье, опубликованной в ЖЭТФ (Журнал экспериментальной и теоретической физики), они предложили использовать для регистрации гравитационных волн интерферометр Майкельсона. Луч лазера бегает между зеркалами в двух плечах интерферометра, а затем лучи из разных плеч складываются. Анализируя результат интерференции лучей, можно измерить относительное изменение длин плеч. Это очень точные измерения, поэтому, если победить шумы, можно достичь фантастической чувствительности.

В начале 1990-х было принято решение о строительстве нескольких детекторов по такой схеме. Первыми в строй должны были войти относительно небольшие установки, GEO600 в Европе и ТАМА300 в Японии (числа соответствуют длине плеч в метрах) для обкатки технологии. Но основными игроками должны были стать установки LIGO в США и VIRGO в Европе. Размер этих приборов измеряется уже километрами, а окончательная плановая чувствительность должна была бы позволить видеть десятки, если не сотни событий в год.

Почему нужны несколько приборов? В первую очередь для перекрестной проверки, поскольку существуют локальные шумы (например, сейсмические). Одновременная регистрация сигнала на северо-западе США и в Италии была бы прекрасным свидетельством его внешнего происхождения. Но есть и вторая причина: гравитационно-волновые детекторы очень плохо определяют направление на источник. А вот если разнесенных детекторов будет несколько, указать направление можно будет довольно точно.

Лазерные исполины

В своем первоначальном виде детекторы LIGO были построены в 2002 году, a VIRGO — в 2003-м. По плану это был лишь первый этап. Все установки поработали по несколько лет, а в 2010-2011 годах были остановлены для доработки, чтобы затем выйти на плановую высокую чувствительность. Первыми заработали детекторы LIGO в сентябре 2015 года, VIRGO должна присоединиться во второй половине 2016-го, и начиная с этого этапа чувствительность позволяет надеяться на регистрацию как минимум нескольких событий в год.

После начала работы LIGO ожидаемый темп всплесков составлял примерно одно событие в месяц. Астрофизики заранее оценили, что первыми ожидаемыми событиями должны стать слияния черных дыр. Связано это с тем, что черные дыры обычно раз в десять тяжелее нейтронных звезд, сигнал получается мощнее, и его «видно» с больших расстояний, что с лихвой компенсирует меньший темп событий в расчете на одну галактику. К счастью, долго ждать не пришлось. 14 сентября 201 5 года обе установки зарегистрировали практически идентичный сигнал, получивший наименование GW150914.

С помощью довольно простого анализа можно получить такие данные, как массы черных дыр, мощность сигнала и расстояние до источника. Масса и размер черных дыр связаны очень простым и хорошо известным образом, а по частоте сигнала сразу можно оценить размер области выделения энергии. В данном случае размер указывал на то, что из двух дыр массой 25-30 и 35-40 солнечных масс образовалась черная дыра с массой более 60 солнечных масс. Зная эти данные, можно получить и полную энергию всплеска. В гравитационное излучение перешло почти три массы Солнца. Это соответствует светимости 1023 светимостей Солнца — примерно столько же, сколько за это время (сотые доли секунды) излучают все звезды в видимой части Вселенной. А из известной энергии и величины измеренного сигнала получается расстояние. Большая масса слившихся тел позволила зарегистрировать событие, произошедшее в далекой галактике: сигнал шел к нам примерно 1,3 млрд лет.

Более детальный анализ позволяет уточнить отношение масс черных дыр и понять, как они вращались вокруг своей оси, а также определить и некоторые другие параметры. Кроме того, сигнал с двух установок позволяет примерно определить направление всплеска. К сожалению, пока тут точность не очень велика, но с вводом в строй обновленной VIRGO она возрастет. А еще через несколько лет начнет принимать сигналы японский детектор KAGRA. Затем один из детекторов LIGO (изначально их было три, одна из установок была сдвоенной) будет собран в Индии, и ожидается, что тогда будут регистрироваться многие десятки событий в год.

Эра новой астрономии

На данный момент самый важный результат работы LIGO — это подтверждение существования гравитационных волн. Кроме того, уже первый всплеск позволил улучшить ограничения на массу гравитона (в ОТО он имеет нулевую массу), а также сильнее ограничить отличие скорости распространения гравитации от скорости света. Но ученые надеются, что уже в 2016 году они смогут получать с помощью LIGO и VIRGO много новых астрофизических данных.

Во-первых, данные гравитационно-волновых обсерваторий — это новый канал изучения черных дыр. Если ранее можно было только наблюдать потоки вещества в окрестностях этих объектов, то теперь можно прямо «увидеть» процесс слияния и «успокоения» образующейся черной дыры, как колеблется ее горизонт, принимая свою окончательную форму (определяемую вращением). Наверное, вплоть до обнаружения хокинговского испарения черных дыр (пока что этот процесс остается гипотезой) изучение слияний будет давать лучшую непосредственную информацию о них.

Во-вторых, наблюдения слияний нейтронных звезд дадут много новой, крайне нужной информации об этих объектах. Впервые мы сможем изучать нейтронные звезды так, как физики изучают частицы: наблюдать за их столкновениями, чтобы понять, как они устроены внутри. Загадка строения недр нейтронных звезд волнует и астрофизиков, и физиков. Наше понимание ядерной физики и поведения вещества при сверхвысокой плотности неполно без разрешения этого вопроса. Вполне вероятно, что именно гравитационноволновые наблюдения сыграют здесь ключевую роль.

Считается, что именно слияния нейтронных звезд ответственны за короткие космологические гамма-всплески. В редких случаях удастся одновременно наблюдать событие сразу и в гамма-диапазоне, и на гравитационно-волновых детекторах (редкость связана с тем, что, во-первых, гамма-сигнал сконцентрирован в очень узкий луч, и он не всегда направлен на нас, а во-вторых, от очень далеких событий мы не зарегистрируем гравитационных волн). Видимо, понадобится несколько лет наблюдений, чтобы удалось это увидеть (хотя, как обычно, может повезти, и это произойдет прямо сегодня). Тогда, кроме всего прочего, мы сможем очень точно сравнить скорость гравитации со скоростью света.

Таким образом, лазерные интерферометры вместе будут работать как единый гравитационно-волновой телескоп, приносящий новые знания и астрофизикам, и физикам. Ну а за открытие первых всплесков и их анализ рано или поздно будет вручена заслуженная Нобелевская премия.

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 . Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами , на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух 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 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 , слияний , захватов чёрными дырами и т. п.) при измерениях в 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 m 1 a 1 = − m 2 a 2 . 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 (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 m 1 и m 2 , движущиеся нерелятивистски (v << c ) по круговым орбитам вокруг их общего центра масс на расстоянии r друг от друга, излучают гравитационные волны следующей энергии, в среднем за период:

Вследствие этого система теряет энергию, что приводит к сближению тел, то есть к уменьшению расстояния между ними. Скорость сближения тел:

Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема и . Мощность этого излучения примерно 5 киловатт. Таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел.

Гравитационный коллапс двойной системы

Любая двойная звезда при вращении её компонент вокруг общего центра масс теряет энергию (как предполагается - за счёт излучения гравитационных волн) и, в конце концов, сливается воедино. Но для обычных, некомпактных, двойных звёзд этот процесс занимает очень много времени, много большее настоящего возраста . Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Затем на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая по некоторым оценкам более 50 % от массы системы.

Основные точные решения уравнений Эйнштейна для гравитационных волн

Объёмные волны Бонди - Пирани - Робинсона

Эти волны описываются метрикой вида . Если ввести переменную и функцию , то из уравнений ОТО получим уравнение

Метрика Такено

имеет вид , -функции, удовлетворяют тому же уравнению.

Метрика Розена

Где удовлетворяют

Метрика Переса

При этом

Цилиндрические волны Эйнштейна - Розена

В цилиндрических координатах такие волны имеют вид и выполняются

Регистрация гравитационных волн

Регистрация гравитационных волн достаточно сложна ввиду слабости последних (малого искажения метрики). Приборами для их регистрации являются детекторы гравитационных волн. Попытки обнаружения гравитационных волн предпринимаются с конца 1960-х годов. Гравитационные волны детектируемой амплитуды рождаются при коллапсе двойного . Подобные события происходят в окрестностях ориентировочно раз в десятилетие.

С другой стороны, общая теория относительности предсказывает ускорение взаимного вращения двойных звёзд из-за потери энергии на излучение гравитационных волн, и этот эффект надёжно зафиксирован в нескольких известных системах двойных компактных объектов (в частности, пульсаров с компактными компаньонами). В 1993 году «за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации» открывателям первого двойного пульсара PSR B1913+16 Расселу Халсу и Джозефу Тейлору мл. была присуждена Нобелевская премия по физике. Ускорение вращения, наблюдаемое в этой системе, полностью совпадает с предсказаниями ОТО на излучение гравитационных волн. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (обычно сокращённо J0651) и системы двойных RX J0806. Например, расстояние между двумя компонентами A и B первой двойной звезды из двух пульсаров PSR J0737-3039 уменьшается примерно на 2,5 дюйма (6,35 см) в день из-за потерь энергии на гравитационные волны, причём это происходит в согласии с ОТО. Все эти данные интерпретируются как непрямые подтверждения существования гравитационных волн.

По оценкам наиболее сильными и достаточно частыми источниками гравитационных волн для гравитационных телескопов и антенн являются катастрофы, связанные с коллапсами двойных систем в ближайших галактиках. Ожидается, что в ближайшем будущем на усовершенствованных гравитационных детекторах будет регистрироваться несколько подобных событий в год, искажающих метрику в окрестности на 10 −21 -10 −23 . Первые наблюдения сигнала оптико-метрического параметрического резонанса, позволяющего обнаружить воздействие гравитационных волн от периодических источников типа тесной двойной на излучение космических мазеров, возможно, были получены на радиоастрономической обсерватории РАН, Пущино.

Ещё одной возможностью детектирования фона гравитационных волн, заполняющих Вселенную, является высокоточный тайминг удалённых пульсаров - анализ времени прихода их импульсов, которое характерным образом изменяется под действием проходящих через пространство между Землёй и пульсаром гравитационных волн. По оценкам на 2013 год, точность тайминга необходимо поднять примерно на один порядок, чтобы можно было задетектировать фоновые волны от множества источников в нашей Вселенной, и эта задача может быть решена до конца десятилетия.

Согласно современным представлениям, нашу Вселенную заполняют реликтовые гравитационные волны, появившиеся в первые моменты после . Их регистрация позволит получить информацию о процессах в начале рождения Вселенной. 17 марта 2014 года в 20:00 по московскому времени в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики американской группой исследователей, работающей над проектом BICEP 2, было объявлено о детектировании по поляризации реликтового излучения ненулевых тензорных возмущений в ранней Вселенной, что также является открытием этих реликтовых гравитационных волн. Однако почти сразу этот результат был оспорен, поскольку, как выяснилось, не был должным образом учтён вклад . Один из авторов, Дж. М. Ковац (Kovac J. M. ), признал, что «с интерпретацией и освещением данных эксперимента BICEP2 участники эксперимента и научные журналисты немного поторопились».

Экспериментальное подтверждение существования

Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал. Слева данные с детектора в Хэнфорде (H1), справа - в Ливингстоне (L1). Время отсчитывается от 14 сентября 2015, 09:50:45 UTC. Для визуализации сигнала он отфильтрован частотным фильтром с полосой пропускания 35-350 Герц для подавления больших флуктуаций вне диапазона высокой чувствительности детекторов, также были применены полосовые режекторные фильтры для подавления шума самих установок. Верхний ряд: напряжения h в детекторах. GW150914 сначала прибыл на L1 и через 6 9 +0 5 −0 4 мс на H1; для визуального сравнения данные с H1 показаны на графике L1 в обращённом и сдвинутом по времени виде (чтобы учесть относительную ориентацию детекторов). Второй ряд: напряжения h от гравитационно-волнового сигнала, пропущенные через такой же полосный фильтр 35-350 Гц. Сплошная линия - результат численной относительности для системы с параметрами, совместимыми с найденными на базе изучения сигнала GW150914, полученный двумя независимыми кодами с результирующим совпадением 99,9. Серые толстые линии - области 90 % доверительной вероятности формы сигнала, восстановленные из данных детекторов двумя различными методами. Тёмно-серая линия моделирует ожидаемые сигналы от слияния чёрных дыр, светло-серая не использует астрофизических моделей, а представляет сигнал линейной комбинацией синусоидально-гауссовых вэйвлетов. Реконструкции перекрываются на 94 %. Третий ряд: Остаточные ошибки после извлечения отфильтрованного предсказания сигнала численной относительности из отфильтрованного сигнала детекторов. Нижний ряд: представление частотной карты напряжений, показывающее возрастание доминирующей частоты сигнала со временем.

11 февраля 2016 года коллаборациями LIGO и VIRGO. Сигнал слияния двух чёрных дыр с амплитудой в максимуме около 10 −21 был зарегистрирован 14 сентября 2015 года в 9:51 UTC двумя детекторами LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне через 7 миллисекунд друг от друга, в области максимальной амплитуды сигнала (0,2 секунды) комбинированное отношение сигнал-шум составило 24:1. Сигнал был обозначен GW150914. Форма сигнала совпадает с предсказанием общей теории относительности для слияния двух чёрных дыр массами 36 и 29 солнечных; возникшая чёрная дыра должна иметь массу 62 солнечные и параметр вращения a = 0,67. Расстояние до источника около 1,3 миллиарда , излучённая за десятые доли секунды в слиянии энергия - эквивалент около 3 солнечных масс.

История

История самого термина «гравитационная волна», теоретического и экспериментального поиска этих волн, а также их использования для исследований явлений недоступных иными методам.

• 1900 - Лоренц предположил, что гравитация «…может распространятся со скоростью, не большей скорости света»;
• 1905 - Пуанкаре впервые ввёл термин гравитационная волна (onde gravifique). Пуанкаре, на качественном уровне, снял устоявшиеся возражения Лапласа и показал, что связанные с гравитационными волнами поправки к общепринятым законам тяготения Ньютона порядка сокращаются, таким образом, предположение о существовании гравитационных волн не противоречит наблюдениям;
• 1916 - Эйнштейн показал, что в рамках ОТО механическая система будет передавать энергию гравитационным волнам и, грубо говоря, любое вращение относительно неподвижных звёзд должно рано или поздно остановиться, хотя, конечно, в обычных условиях потери энергии порядка ничтожны и практически не поддаются измерению (в этой работе он ещё ошибочно полагал, что механическая система, постоянно сохраняющая сферическую симметрию, может излучать гравитационные волны);
• 1918 - Эйнштейн вывел квадрупольную формулу, в которой излучение гравитационных волн оказывается эффектом порядка , тем самым исправив ошибку в своей предыдущей работе (осталась ошибка в коэффициенте, энергия волны в 2 раза меньше);
• 1923 - Эддингтон - поставил под сомнение физическую реальность гравитационных волн «…распространяются… со скоростью мысли». В 1934 году, при подготовке русского перевода своей монографии «Теория относительности», Эддингтон добавил несколько глав, включая главы с двумя вариантами расчётов потерь энергии вращающимся стержнем, но отметил, что использованные методы приближенных расчётов ОТО, по его мнению, неприменимы к гравитационно связанным системам, поэтому сомнения остаются;
• 1937 - Эйнштейн совместно с Розеном исследовал цилиндрические волновые решения точных уравнений гравитационного поля. В ходе этих исследований у них возникли сомнения, что гравитационные волны, возможно, являются артефактом приближенных решений уравнений ОТО (известна переписка относительно рецензии на статью Эйнштейна и Розена «Существуют ли гравитационные волны?»). Позднее он нашёл ошибку в рассуждениях, окончательный вариант статьи с фундаментальными правками был опубликован уже в «Journal of the Franklin Institute»;
• 1957 - Герман Бонди и Ричард Фейнман предложили мысленный эксперимент «трость с бусинками» в котором обосновали существование физических последствий гравитационных волн в ОТО;
• 1962 - Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн описали принципы использования интерферометров для обнаружения длинноволновых гравитационных волн;
• 1964 - Филип Петерс и Джон Мэтью теоретически описали гравитационные волны, излучаемые двойными системами;
• 1969 - Джозеф Вебер, основатель гравитационно-волновой астрономии, сообщает об обнаружении гравитационных волн с помощью резонансного детектора - механической гравитационной антенны. Эти сообщения порождают бурный рост работ в этом направлении, в частности, Ренье Вайс, один из основателей проекта LIGO, начал эксперименты в то время. На настоящий момент (2015) никому так и не удалось получить надёжных подтверждений этих событий;
• 1978 - Джозеф Тейлор сообщил об обнаружении гравитационного излучения в двойной системе пульсара PSR B1913+16. Исследования Джозефа Тейлора и Рассела Халса заслужили Нобелевскую премию по физике за 1993 год. На начало 2015 года три пост-кеплеровских параметра, включающих уменьшение периода вследствие излучения гравитационных волн, было измерено, как минимум, для 8 подобных систем;
• 2002 - Сергей Копейкин и Эдвард Фомалонт произвели с помощью радиоволной интерферометрии со сверхдлинной базой измерения отклонения света в гравитационном поле Юпитера в динамике, что для некоторого класса гипотетических расширений ОТО позволяет оценить скорость гравитации - отличие от скорости света не должно превышать 20 % (данная трактовка не общепринята);
• 2006 - международная команда Марты Бургей (Обсерватория Паркса, Австралия) сообщила о существенно более точных подтверждениях ОТО и соответствия ей величины излучения гравитационных волн в системе двух пульсаров PSR J0737-3039A/B;
• 2014 - астрономы Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (BICEP) сообщили об обнаружении первичных гравитационных волн при измерениях флуктуаций реликтового излучения. На настоящий момент (2016) обнаруженные флуктуации считаются не имеющими реликтового происхождения, а объясняются излучением пыли в Галактике;
• 2016 - международная команда LIGO сообщила об обнаружении события прохождения гравитационных волн GW150914. Впервые сообщено о прямом наблюдении взаимодействующих массивных тел в сверхсильных гравитационных полях со сверхвысокими относительными скоростями (< 1,2 × R s , v/c > 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.

Первое прямое обнаружение гравитационных волн было открыто миру 11 февраля 2016 года и породило заголовки по всему миру. За это открытие в 2017 году физики получили Нобелевскую премию и официально запустили новую эпоху гравитационной астрономии. Но группа физиков из Института Нильса Бора в Копенгагене, Дания, ставят это обнаружение под сомнение, основываясь на собственном независимом анализе данных, который проводился в течение последних двух с половиной лет.

Одни из самых загадочных объектов во , черные дыры, регулярно привлекают к себе внимание. Мы знаем, что они сталкиваются, сливаются, меняют яркость, и даже испаряются. А еще, в теории, черные дыры могут связывать между собой Вселенные с помощью . Однако, все наши знания и предположения об этих массивных объектах могут оказаться неточными. Недавно в научном сообществе появились слухи о том, что ученые получили сигнал, исходящий от черной дыры, размер и масса которой настолько огромны, что ее существование физически невозможно.

Первое прямое обнаружение гравитационных волн было открыто миру 11 февраля 2016 года и породило заголовки по всему миру. За это открытие в 2017 году физики получили Нобелевскую премию и официально запустили новую эпоху гравитационной астрономии. Но группа физиков из Института Нильса Бора в Копенгагене, ставят это обнаружение под сомнение, основываясь на собственном независимом анализе данных, который проводился в течение последних двух с половиной лет.