Гравитационные волны

14 сентября 2014 года астрономы открыли новое окно во Вселенную. Выдающийся проект LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave ObservatoryЛазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) зарегистрировал гравитационные волны, проходящие мимо Земли. Их можно представить себе как рябь на пространственно-временном континууме, и они были предсказаны Альбертом Эйнштейном в 1916 году. По его убеждению, всякий раз, когда огромные объекты перемещаются, от них расходятся волны. Первая зарегистрированная волна была результатом столкновения двух массивных черных дыр в галактике, расположенной на расстоянии миллиардов световых лет от нас.

 

Содержание

  1. Краткая информация о гравитационных волнах
  2. Открытие и исследование гравитационных волн
  3. LIGO для фиксации гравитационных волн

 

Принцип действия общей теории относительности

Принцип действия общей теории относительности. Массивное тело (желтый мяч) растягивает материю пространства-времени (решетка), отклоняя движение красного мяча от прямолинейного.

 

Краткая информация о гравитационных волнах

  • Впервые предсказаны: Альберт Эйнштейн, 1916 год
  • Впервые зарегистрированы: LIGO, 14 сентября 2016 года
  • Первое зарегистрированное событие: столкновение двух массивных черных дыр
  • Последующие регистрации: по крайней мере еще 2
  • Первая фаза регистрации с орбиты: eLisa Pathfinder, 2016 год

 

Спутник eLisa, созданный для исследования гравитационных волн с орбиты, в представлении художника

Спутник eLisa, созданный для исследования гравитационных волн с орбиты, в представлении художника.

 

Открытие и исследование гравитационных волн

В 1916 году молодой физик-теоретик Альберт Эйнштейн выступил с докладом перед группой ученых в Берлине. Работа, в которой излагалась общая теория относительности, была опубликована в 1917 году, с тех пор теория и остается лучшей теорией гравитации в нашем распоряжении.

 

Можно получить представление о том, как эта теория работает, размышляя над ее двумя центральными утверждениями:

 

  1. Присутствие материи искривляет пространство и время.
  2. Объекты перемещаются в искривленном пространстве-времени по кратчайшим траекториям.

 

Простейший способ визуализировать первое положение представить, что вы растянули каучуковое полотно с нанесенной на него сеткой из перпендикулярных прямых. Теперь вообразите, что вы уронили на него массивный шар для боулинга. Полотно деформируется («искривится») из-за присутствия на нем массивного тела (первое утверждение), и тела, передвигающиеся по полотну (представьте себе катящийся с одной стороны полотна на другую стеклянный шарик), будут отклоняться от прямолинейного пути, если тот проходит слишком близко к расположению большого шара (второе утверждение).

 

Конечно, детальное изложение теории относительности предполагает использование сложной математики, но, как и всякая научная теория, она делает предсказания, которые могут быть проверены экспериментально или путем наблюдений. Например, она предсказывает, что лучи света, проходящие в окрестностях Солнца, будут отклоняться от прямолинейного пути из-за искривления пространства, описанного выше. Подтвердил данное предположение британский астроном Артур Эддингтон во время солнечного затмения 1919 года, и это принесло Эйнштейну мировую известность. В течение XX века положения теории относительности были доказаны в различных точных экспериментах одно за другим. Правда, одно из ее предсказаний, имеющее отношение к гравитационным волнам, оставалось неподтвержденным.

 

Простейший способ визуализировать гравитационные волны вернуться к нашему примеру с шаром для боулинга на каучуковом полотне и представить, что мы стали раскачивать его вверх-вниз. Нетрудно себе представить, что, если мы сделаем это, по полотну от шара к краям начнет распространяться рябь. Это и есть аналог гравитационных волн рябь на полотне пространства-времени.

 

Есть две проблемы, с которыми нам придется иметь дело, если мы хотим зарегистрировать гравитационные волны. Одна из них предсказанные искажения невыразимо малы. Другая, имеющая отношение к первой, приемники гравитационных волн должны быть настолько чувствительными, что могли «подобрать» всевозможные посторонние сигналы. Проезжающая по улице машина и даже ветер, дующий в фасад здания, могут генерировать вибрации, которые будут маскироваться под настоящие гравитационные волны.

 

LIGO для фиксации гравитационных волн

LIGO - это поразительный комплекс аппаратуры и один из наиболее амбициозных проектов, когда-либо вводившихся в эксплуатацию. В строй были введены два детектора по одному в штатах Вашингтон и Луизиана: идея заключалась в том, что принимать во внимание будут только те события, которые зафиксируют оба детектора.

 

Основной элемент каждой обсерватории - Г-образная система, состоящая из двух четырехкилометровых труб, каждая с зеркалом в торце и высоким вакуумом внутри. Луч лазера подается в место соединения труб и разделяется на два луча, каждый из которых направляется в свою трубу. В конце каждой из труб он отражается обратно стоящим там зеркалом, и вернувшиеся волны складываются в центральной точке (говоря языком физики, интерферируют). Это чувствительный метод, который позволяет выявлять малые изменения в положении зеркал.

 

Аппаратура LIGO начала работу в 2002 году и совершенствовалась вплоть до 2010 года. После этого она была выключена для проведения масштабной модернизации и снова пущена в 2015-м (сменив название на «Продвинутый LIGO»). 14 сентября 2016 года были зафиксированы первые гравитационно-волновые сигналы, за этим событием 26 декабря того же года последовало другое. В обоих случаях гравитационные волны были результатом слияния двух черных дыр. Фактический сдвиг зеркал во время этих событий составил порядка одной тысячной размера протона.

 

Связь между LIGO и черными дырами становится ясна, если вспомнить, что предсказывает общая теория относительности: наибольшие (и легче всего выявляемые) гравитационные волны генерируются движениями наиболее массивных тел. В двойных системах, в которых обе звезды эволюционировали в черные дыры, эти компактные сверхмассивные тела из-за постоянного излучения гравитационных волн постепенно сближаются друг с другом, двигаясь при этом по спирали. В конце концов, они объединяются в одну массивную черную дыру, порождая в этот момент особенно мощную гравитационную волну.

 

Есть два важных последствия успеха LIGO. Первое это важное доказательство убедительности общей теории относительности. Второе этот проект открывает новое окно во Вселенную, давая нам доступ к одному из самых масштабных событий, которые только можно себе представить. Пока можно только гадать, какие знания откроются нам благодаря этой вновь обретенной возможности.

 

Обсерватория LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана

Обсерватория LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана. За обнаружение гравитационных волн, случившееся в 2016 году, в 2017 году Р. Вайссу, Б. Бэришу и К. Торну была присуждена Нобелевская премия по физике. Впоследствии были зафиксированы и другие гравитационно-волновые сигналы.

 

Хотя несколько стран построили детекторы, подобные тем, что используются LIGO, будущее науки гравитационных волн связано с планами Европейского космического агентства. Проект, названный eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna «Усовершенствованная лазерная интерферометрическая космическая антенна»), включает в себя три спутника, расположенных в вершинах треугольника со сторонами длиной миллионы километров, лежащими на солнечной орбите. Ученые верят, что eLISA сможет зарегистрировать гравитационные волны, разошедшиеся по Вселенной из-за Большого взрыва.