Что такое гравитационные волны
Спросите Итана №74: гравитационные волны
Свет и звук – это известные нам волны. Но волны бывают и гравитационными.
Следовательно, пространству самому по себе и времени самому по себе суждено исчезнуть в тенях, и только лишь объединение их двоих сохранится в роли независимой реальности.
— Герман Минковский
Когда Эйнштейн предложил свою общую теорию относительности, она не просто потрясла основы физики, но и полностью разрушила их, чтобы построить новые. Вместо материи, существующей в точках пространства и моментах времени, она предположила, что у пространства и времени есть свои собственные измерения в четырёхмерной структуре пространства-времени, и эта структура меняется из-за присутствия и взаимодействия всей находящейся в ней материи и энергии. Её истинность подтверждается несколькими её успешными и удивительными предсказаниями, от гравитационного красного смещения, до изгибания звёздного света из-за присутствия материи.
Выбранный сегодня из присланных вами вопрос стал самым коротким за всю историю наших статей, и принадлежит Адаму Рабангу, который спрашивает:
Дорогой Итан,
Что, чёрт возьми, такое гравитационные волны?
Спасибо,
Адам.
Начнём с обсуждения другого типа волн, с которым вы можете быть знакомы: водных волн.
Начать можно с идеально спокойной и плоской воды. Поверхность воды остаётся спокойной и нетронутой воздействием внешних сил. Что случится, если аккуратно поместить, скажем, насекомое на поверхность?
Оно слегка деформирует поверхность, поскольку гравитационное притяжение насекомого прилагает силу к поверхности, что приводит к её искривлению. Если мы сделаем что-нибудь менее нежное, например, уроним объект с большой высоты на поверхность воды – что мы увидим?
Мы увидим знакомую рябь, которую мы связываем с волнами на воде. Мы побеспокоили поверхность воды, и энергия распространяется наружу с определённой скоростью, в зависимости от свойств среды (воды), по которой идёт волна.
Если мы начнём рассматривать волны света, всё останется аналогичным, хотя и станет менее интуитивным.
Свет также можно представить себе как рябь, распространяющуюся в пространстве-времени. У него есть определённая энергия, зависящая от частоты/длины волны, скорость распространения, скорость света в определённой среде, и он двигается в определённом направлении, определяемом условиями, в которых он возник, а затем следует по пути, определяемом кривизной пространства-времени.
Но как создаётся свет? Как появляется реальный фотон? Один из способов – взаимодействие частиц (или античастиц) друг с другом: существует конечная вероятность того, что две любые взаимодействующие частицы произведут хотя бы один фотон.
Ещё один, более интересный способ, происходит от эффекта, которому нет аналога в классических волнах: когда заряженная частица двигается в присутствии магнитного поля.
Да, магнитное поле заставляет частицу менять направление: это действует сила Лоренца. Но когда частица двигается в магнитном поле, она также испускает излучение в виде фотонов: циклотронное излучение на низких энергиях/скоростях/полях, или синхротронное в более релятивистских условиях.
Этот тип излучения появляется не только в экспериментах на Земле, но и в природной лаборатории Вселенной – например, в джетах гигантской, самой массивной из ближайших галактик, Messier 87.
И вот мы дошли до гравитации. У электричества есть два вида зарядов – положительный и отрицательный – а у гравитации один: масса, или, точнее, энергия. В то время, как электрические поля и магнитные поля влияют на заряженные частицы, у гравитации есть лишь один тип поля: искривление пространства.
Но с гравитацией во Вселенной ситуация та же, что и с электромагнетизмом: у нас имеются гравитационно заряженные частицы, двигающиеся в гравитационных полях.
И хотя в некоторых деталях физические законы различаются, эффект получается один и тот же: излучение. В нашем случае это не электромагнитное излучение, а гравитационное! Рябь, путешествующая со скоростью света по ткани пространства-времени, переносящая энергию.
Эффект увеличивается в случае быстро ускоряющихся масс в изменяющихся гравитационных полях, например, когда нейтронная звезда объединяется с другой, или находится на малой и уменьшающейся орбите с другим телом, оставшимся от звезды.
Гравитационные волны (или гравитационное излучение) проявляют себя через эту рябь в пространстве-времени, и она приводит ко вполне определённым искривлениям в размере и направлении любой встречающейся на пути материи и/или электромагнитного излучения.
В теории эти волны можно обнаружить напрямую через интерферометр с длинной базой, и сейчас над этими поисками работают в разных проектах, включая коллаборацию LIGO. [ровно через год после написания этой статьи LIGO обнаружил гравитационные волны – прим.перев.]
Если случится чудо, запустят космическую антенну лазерных интерферометров, или LISA, которая гарантированно обнаружит этот эффект. LISA поскольку будет искать его в том диапазоне, где должно происходить большое количество событий!
У нас уже есть непрямое свидетельство существования гравитационных волн, поскольку мы наблюдаем предсказанное уменьшение орбит пульсаров, происходящее в течение многих лет – наблюдение, совпадающее с предсказанием ОТО. С другой стороны, ОТО также предсказывает, что орбиты должны угасать из-за испускания гравитационных волн. Если бы могли обнаружить их напрямую, это стало бы подтверждением одного из последних основных предсказаний одной из величайших физических теорий.
Так что такое гравитационные волны? Это новая форма излучения – гравитационное излучение – испускаемое массивными или переносящими энергию частицами, путешествующими в гравитационных полях. Если частица ускоряется или гравитационное поле меняется, интенсивность излучения увеличивается, и с течением времени оно уносит энергию со скоростью света, в результате чего орбиты угасают, а также появляется возможность обнаружения этих волн. При правильном подходе мы можем получить новый тип астрономии – гравитационная астрономия – технология для этого уже существует!
В числе разных источников гравитационных волн находится и космическая инфляция. Недавно опубликованные коллаборацией Планка результаты накладывают ограничения на возможные типы инфляции, благодаря отсутствию её влияния на поляризацию микроволнового космического излучения, и отбрасывают целый класс инфляционных моделей – моделей хаотической инфляции.
Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.
Что такое гравитационные волны. Когда и как их открыли
Когда кто-то говорит что-то про гравитационные волны, многим остается только недоумевать и не понимать, что это вообще такое. Если вы этого не знали, расслабьтесь — даже ученые не могут дать на это развернутый ответ. Конечно, в целом они понимают, что это такое и откуда берется, но белые пятна в этой истории все равно еще остаются. Даже то, что несколько лет назад их смогли зафиксировать, не дает развернутого ответа на вопрос, что же это такое. Все из-за того, что они появляются в далеком космосе и уже потом доходят до нас. Примечательно, что предсказал их существование еще Альберт Эйнштейн, а современные ученые только сейчас начинают подбираться к их разгадке. Понимание того, откуда они берутся и что из себя представляют, пусть и примерное, очень интересно. Попробуем рассказать об этом попроще и без лишних сложных формул.
Понимание гравитационных волн может дать нам что-то большее, чем просто сами эти волны.
Что такое гравитационные волны
Если говорить грубо, то гравитационные волны — это небольшие искажения пространства и времени. Что-то типа ряби. Причиной их появления становятся события, которые происходят далеко в космосе и имеют действительно эпические масштабы.
О существовании гравитационных волн знали довольно давно, так как еще в 1915 году о них рассказал Альберт Эйнштейн, но одно дело знать, а совсем другое — доказать, показать и объяснить. Этим ученые и занимались почти 100 лет.
Считается, что гравитационные волны, которые были зафиксированы лазерными интерферометрами гравитационно-волновой обсерватории (ЛИГО), образовались от столкновения двух черных дыр, которые превратились в одну большую черную дыру. Зафиксировали гравитационные волны 14 сентября 2015 года.
Лаборатория ЛИГО работает под управлением Калифорнийского технологического института и Массачусетского технологического института. Находится в городах Хэнфорд, штат Вашингтон, и Ливингстон, штат Луизиана, а финансируется за счет средств Национального научного фонда США
Откуда берутся гравитационные волны
Интересно, что событие, которое привело к образованию зафиксированных гравитационных волн, произошло примерно 1,3 миллиарда лет назад, а размер черных дыр, которые тогда столкнулись, был всего в 29 и 36 раз больше нашего Солнца.
Столкновение двух черных дыр вызывает образование гравитационных волн.
Если верить общей теории относительности — а поводов не верить ей становиться все меньше — пара черных дыр, которые вращаются друг вокруг друг друга, уже сами по себе излучают гравитационные волны и тратят на это очень много энергии.
Самые распространенные мифы о гравитации. Что из этого правда?
Сближение черных дыр для столкновения происходит в течение миллиардов лет, но в последние минуты перед столкновением их скорость очень сильно вырастает. В итоге, они ускоряются настолько, что столкновение происходит на скорости равной примерно половине скорости света. Если вспомнить известную формулу, где E=mc2, становится понятно, почему высвобождается так много энергии, если в формуле фигурирует скорость и масса, да еще и в квадрате.
Изучение гравитационных волн
За изучение гравитационных волн даже присуждена нобелевская премия. Получили ее Джозеф Тейлор-младший и Рассел Халс. В 1976 году они обнаружили бинарную систему, в которой орбита пульсара постепенно снижалась со временем и при этом выделялось большое количество энергии. Они смогли доказать, что это и были гравитационные волны. Нобелевскую премию они получили в 1993 году за обнаружение пульсара и объяснение происходящего с ним.
Не надо путать объяснение факта существования гравитационных волн и их обнаружение. ЛИГО именно зафиксировала волны, то есть доказала, что все предыдущие открытия не были ошибкой.
Открытие было сделано далеко не с первой попытки и даже не первой версией ЛИГО. Пришлось сначала провести работы по модернизации до второй версии, которая была намного чувствительнее. Зато гравитационные волны после модернизации были открыты практически сразу, буквально при первом запуске.
Работы по модернизации проводились большим количеством исследовательских институтов и лабораторий со всего мира, включая США, Европу и даже Австралию. Изначально финансирование создания ЛИГО началось в 1992 году, хотя впервые подобный проект был предложен группой ученых еще в 1980 году. Многие признавали, что это был большой риск, но все равно верили, что они добьются результата.
На данный момент ЛИГО осуществляет исследования, используя огромное научное сотрудничество (LIGO Scientific Collaboration (LSC)). В группу исследователей входит более 1000 ученых из университетов 15 стран мира.
Многие из ученых, которые участвуют в исследованиях, считают открытие гравитационных волн началом новой эры, так как теперь область гравитационно-волновой астрономии стала реальна.
Открытие гравитационных волн позволяет человечеству приступить к исследованиям деформированных частей Вселенной. То есть тех объектов, которые сделаны из искривлений пространства-времени. Столкновение черных дыр и следы этого события являются только началом долгого пути. Главное, что теперь этот путь отрыт и можно идти по нему уверенной поступью.
Как работает LIGO
В основе каждой из двух лабораторий LIGO используется Г-образные интерферометры длиной 4 километра с лазерными лучами, расщепляющимися на два луча, которые движутся туда-сюда внутри трубы. Ее диаметр составляет примерно 1,2 метра и внутри создан почти идеальный вакуум.
Если бы Альберт Эйнштейн сейчас, спустя сто лет после своего открытия увидел бы результаты исследований LIGO, он был бы рад, что оказался прав.
Пучки света нужны для того, чтобы можно было контролировать расстояние между зеркалами, которые расположены в разных концах интерферометра. Теория Эйнштейна гласит, что расстояние между зеркалами будет изменяться на бесконечно малую величину, когда между ними проходит гравитационная волна. Изменения расстояния не должны превышать одной десятитысячной протона. Их-то и надо зафиксировать. Ученые продолжают работать в этом направлении и о самых интересных их открытиях мы расскажем в нашем новостном Telegram-канале.
Обсерватории должны быть именно разнесены на большое расстояние, чтобы определить направление событий, которые и являются причиной гравитационных волн. Заодно так можно убедиться, что волны пришли именно из космоса и не связаны с местными явлениями.
Первое наблюдение гравитационных волн позволило ускорить строительство глобальной сети, состоящей из огромного количества детекторов. Они позволяют не только закрепить результат, но находить еще больше источников гравитационных волн. В будущем это действительно откроет новые возможности, но пока надо подождать и не мешать ученым работать.
Что такое гравитационные волны
Вчера мир потрясла сенсация: ученые наконец-то обнаружили гравитационные волны, существование которых предсказывал Эйнштейн еще сто лет назад. Это прорыв. Искажение пространства-времени (это и есть гравитационные волны — сейчас объясним, что к чему) обнаружили в обсерватории ЛИГО, а одним из ее основателей является — кто бы вы думали? — Кип Торн, автор книги «Интерстеллар. Наука за кадром».
Рассказываем, почему открытие гравитационных волн так важно, что сказал Марк Цукерберг и, конечно, делимся историей от первого лица. Кип Торн как никто другой знает, как устроен проект, в чем его необычность и какое значение ЛИГО имеет для человечества. Да-да, все так серьезно.
Открытие гравитационных волн
Научный мир навсегда запомнит дату 11 февраля 2016. В этот день участники проекта ЛИГО (LIGO) объявили: после стольких тщетных попыток гравитационные волны найдены. Это реальность. На самом деле их обнаружили немного раньше: в сентябре 2015 года, но вчера открытие было признано официально. В The Guardian считают, что ученые непременно получат Нобелевскую премию по физике.
Причина гравитационных волн — столкновение двух черных дыр, которое произошло аж… в миллиарде световых лет от Земли. Представляете, насколько огромна наша Вселенная! Так как черные дыры — очень массивные тела, они пускают «рябь» по пространству-времени, немного его искажая. Вот и появляются волны, похожие на те, которые распространяются от камня, брошенного в воду.
Вот так можно представить гравитационные волны, идущие к Земле, например, от червоточины. Рисунок из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Полученные колебания преобразовали в звук. Интересно, что сигнал от гравитационных волн приходит примерно на той же частоте, что и наша речь. Так что мы можем своими ушами услышать, как сталкиваются черные дыры. Послушайте, как звучат гравитационные волны.
И знаете что? Совсем недавно Стивен Хокинг заявил, что черные дыры устроены не так, как считалось раньше. Но ведь доказательств того, что они в принципе существуют, не было вовсе. А теперь есть. Черные дыры действительно «живут» во Вселенной.
Так, по мнению ученых, выглядит катастрофа – слияние черных дыр, – источник.
11 февраля состоялась грандиозная конференция, куда съехались больше тысячи ученых из 15 стран. Российские ученые тоже присутствовали. И, конечно, не обошлось без Кипа Торна. «Это открытие — начало изумительного, великолепного квеста для людей: поиска и исследования искривленной стороны Вселенной — объектов и явлений, созданных из искаженного пространства-времени. Столкновение черных дыр и гравитационные волны — наши первые замечательные образцы», — сказал Кип Торн.
Поиск гравитационных волн был одной из главных проблем физики. Теперь они найдены. И гений Эйнштейна подтвержден вновь.
В октябре мы взяли интервью у Сергея Попова, отечественного астрофизика и известного популяризатора науки. Он как в воду глядел! Осенью Сергей Попов сказал: «Мне кажется, что сейчас мы стоим на пороге новых открытий, что в первую очередь связано с работой детекторов гравитационных волн LIGO и VIRGO (Кип Торн как раз внес большой вклад в создание проекта LIGO)». Удивительно, правда?
Гравитационные волны, детекторы волн и LIGO
В книге «Интерстеллар. Наука за кадром» Кип Торн рассказывает: «Я был одним из основателей проекта ЛИГО в 1983 году (вместе с Райнером Вайсом из Массачусетского технологического института и Рональдом Дривером из Калтеха). Я сформулировал научные позиции ЛИГО и два десятка лет упорно работал, помогая воплотить этот проект в жизнь. Сейчас проект ЛИГО близок к готовности, и уже в этом десятилетии ожидается первая регистрация гравитационных волн». А ведь это — ожидание больших открытий — было совсем недавно. Сегодня это свершилось.
Аэрофотоснимок детектора гравитационных волн ЛИГО в Хэнфорде, Вашингтон. Фотография из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Что ж, а теперь немного физики. Для тех, кто действительно хочется разобраться в том, что такое гравитационные волны. Вот художественное изображение тендекс-линий двух черных дыр, которые вращаются по орбитам друг вокруг друга, против часовой стрелки, и затем сталкиваются. Тендекс-линии порождают приливную гравитацию. Идем дальше. Линии, которые исходят из двух наиболее удаленных друг от друга точек на поверхностях пары черных дыр, растягивают все на своем пути, включая попавшую на рисунок подругу художницы. Линии же, исходящие из области столкновения, все сжимают.
Когда дыры вращаются одна вокруг другой, они увлекают следом свои тендекс-линии, которые походят на струи воды из крутящейся поливалки на газоне. На рисунке из книги «Интерстеллар. Наука за кадром» — пара черных дыр, которые сталкиваются, вращаясь одна вокруг другой против часовой стрелки, и их тендекс-линии.
Черные дыры объединяются в одну большую дыру; она деформирована и вращается против часовой стрелки, увлекая за собой тендекс-линии. Неподвижный наблюдатель, находящийся вдали от дыры, почувствует колебания, когда через него будут проходить тендекс-линии: растяжение, затем сжатие, затем растяжение — тендекс-линии стали гравитационной волной. По мере распространения волн деформация черной дыры постепенно уменьшается, и волны также ослабевают.
Когда эти волны достигают Земли, они имеют вид, показанный в верхней части рисунка ниже. Они растягивают в одном направлении и сжимают в другом. Растяжения и сжатия колеблются (от красного вправо-влево, к синему вправо-влево, к красному вправо-влево и т. д.) по мере того, как волны проходят через детектор в нижней части рисунка.
Гравитационные волны, проходящие через детектор ЛИГО.
Детектор представляет собой четыре больших зеркала (40 килограммов, 34 сантиметра в диаметре), которые закреплены на концах двух перпендикулярных труб, называемых плечами детектора. Тендекс-линии гравитационных волн растягивают одно плечо, сжимая при этом второе, а затем, наоборот, сжимают первое и растягивают второе. И так снова и снова. При периодическом изменении длины плеч зеркала смещаются друг относительно друга, и эти смещения отслеживаются с помощью лазерных лучей способом, который называется интерферометрией. Отсюда и название ЛИГО: Лазерно-интерферометрическая гравитационноволновая обсерватория.
Центр управления ЛИГО, откуда отправляют команды детектору и следят за полученными сигналами. Гравитационные детекторы ЛИГО расположены в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана. Фото из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Сейчас ЛИГО — интернациональный проект, в котором участвует 900 ученых из разных стран, со штабом, расположенным в Калифорнийском технологическом институте.
Искривленная сторона Вселенной
Черные дыры, червоточины, сингулярности, гравитационные аномалии и измерения высшего порядка связаны с искривлениями пространства и времени. Поэтому Кип Торн называет их «искривленной стороной Вселенной». У человечества до сих пор очень мало экспериментальных и наблюдательных данных с искривленной стороны Вселенной. Вот почему мы столько внимания отдаем гравитационным волнам: они состоят из искривленного пространства и предоставляют наиболее доступный для нас способ исследовать искривленную сторону.
Представьте, что вам приходилось видеть океан, только когда он спокоен. Вы бы знать не знали о течениях, водоворотах и штормовых волнах. Это напоминает наши сегодняшние знания об искривлении пространства и времени.
Мы почти ничего не знаем о том, как искривленное пространство и искривленное время ведут себя «в шторм» — когда форма пространства бурно колеблется и когда колеблется скорость течения времени. Это необыкновенно манящий рубеж знаний. Ученый Джон Уилер придумал для этих изменений термин «геометродинамика»
Особый интерес в области геометродинамики представляет столкновение двух черных дыр.
Столкновение двух невращающихся черных дыр. Модель из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
На рисунке выше изображен момент столкновения двух черных дыр. Как раз такое событие позволило ученым зафиксировать гравитационные волны. Эта модель построена для невращающихся черных дыр. Сверху: орбиты и тени дыр, вид из нашей Вселенной. Посередине: искривленное пространство и время, вид из балка (многомерного гиперпространства); стрелками показано, как пространство вовлекается в движение, а изменяющимися цветами — как искривляется время. Снизу: форма испускаемых гравитационных волн.
Гравитационные волны от Большого взрыва
Слово Кипу Торну. «В 1975 году Леонид Грищук, мой добрый приятель из России, сделал сенсационное заявление. Он сказал, что в момент Большого взрыва возникло множество гравитационных волн, причем механизм их возникновения (прежде неизвестный) был таков: квантовые флуктуации (случайные колебания — прим. ред) гравитационного поля при Большом взрыве были многократно усилены первоначальным расширением Вселенной и так стали изначальными гравитационными волнами. Эти волны, если их удастся обнаружить, могут рассказать нам, что происходило в момент зарождения нашей Вселенной».
Если ученые найдут первоначальные гравитационные волны, мы узнаем, как зародилась Вселенная.
Люди разгадали далеко на все загадки Вселенной. Все еще впереди.
В последующие годы, по мере того как совершенствовались наши представления о Большом взрыве, стало очевидно: эти изначальные волны должны быть сильными на длинах волн, соизмеримых с величиной видимой Вселенной, то есть на длинах в миллиарды световых лет. Представляете, сколько это. А на длинах волн, которые охватывают детекторы ЛИГО (сотни и тысячи километров), волны, скорее всего, окажутся слишком слабыми, чтобы их распознать.
Он окружен щитами, экранирующими аппарат от излучения окружающего ледяного покрова. В правом верхнем углу показан обнаруженный в реликтовом излучении след — поляризационный узор. Линии электрического поля направлены вдоль коротких светлых штрихов.
След начала Вселенной
В начале девяностых космологи поняли, что эти гравитационные волны длиной в миллиарды световых лет должны были оставить уникальный след в электромагнитных волнах, наполняющих Вселенную, — в так называемом космическом микроволновом фоне, или реликтовом излучении. Это положило начало поискам святого Грааля. Ведь если обнаружить этот след и вывести из него свойства изначальных гравитационных волн, можно узнать, как зарождалась Вселенная.
В марте 2014 года, когда Кип Торн писал эту книгу, команда Джеми Бока, космолога из Калтеха, кабинет которого находится рядом с кабинетом Торна, наконец обнаружила этот след в реликтовом излучении.
Это совершенно потрясающее открытие, но есть один спорный момент: след, найденный командой Джеми, мог быть вызван не гравитационными волнами, а чем-то еще.
Если действительно найден след гравитационных волн, возникших при Большом взрыве, значит, произошло космологическое открытие такого уровня, какие случаются, быть может, раз в полвека. Оно дает шанс прикоснуться к событиям, которые происходили спустя триллионную от триллионной от триллионной доли секунды после рождения Вселенной.
Это открытие подтверждает теории, гласящие, что расширение Вселенной в тот миг было чрезвычайно быстрым, на сленге космологов — инфляционно быстрым. И возвещает наступление новой эры в космологии.
Гравитационные волны и «Интерстеллар»
Вчера на конференции по поводу открытия гравитационных волн Валерий Митрофанов, руководитель московской коллаборации ученых LIGO, в которую входят 8 ученых из МГУ, отметил, что сюжет фильма «Интерстеллар» хоть и фантастичен, но не так далек от действительности. А все потому, что научным консультантом был Кип Торн. Сам же Торн выразил надежду, что верит в будущие пилотируемые полеты человека к черной дыре. Пусть они случатся не так скоро, как хотелось бы, и все же сегодня это намного реальнее, чем было раньше.
Не так уж и далек день, когда люди покинут пределы нашей галактики.
Такая вот речь. И это человек, который просто интересуется наукой. Можно себе представить, какая буря эмоций захлестнула ученых, которые внесли свою лепту в открытие. Кажется, мы стали свидетелями новой эры, друзья. Это поразительно.