Впервые удалось зарегистрировать гравитационные волны, которые прятались от учёных сто лет с момента предсказания их Альбертом Эйнштейном в 1916 году. Такой труд наверняка будет отмечен Нобелевской премией. «Кот Шрёдингера» выяснил, что это за волны, зачем их искали и каков вклад в открытие российских исследователей, а ещё — как противные мыши пытались воспрепятствовать познанию Вселенной.
14 сентября 2015 года стало неофициальным днём рождения гравитационного телескопа. Учёные давно наблюдают за небом в видимом, радио- и других диапазонах электромагнитного спектра, но впервые они смогли увидеть гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр. Гравитационные волны проходят насквозь любые объекты во Вселенной, умение «ловить» их позволит заглянуть в области космоса, недоступные ранее.
— Дамы и господа, мы обнаружили гравитационные волны, — торжественно объявил Дэвид Рейтце, исполнительный директор лаборатории LIGO на пресс-конференции в Вашингтоне. — Мы сделали это!
Валерий Митрофанов
Профессор кафедры колебаний физического факультета МГУ, руководитель московской группы LIGO.
— Важно, что это прямая регистрация гравитационных волн, а не косвенная. Очень важное событие, что теоретики могут рассчитать процесс слияния чёрных дыр, но впервые его удалось наблюдать здесь, на Земле! — объяснял посетителям пресс-конференции, проходившей одновременно и в Москве, профессор Валерий Митрофанов с кафедры колебаний физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Он и несколько его коллег из коллаборации LIGO представляли детали открытия в России.
Назревает двойное открытие. Ранее вопрос о чёрных дырах вызывал у исследователей лёгкое раздражение: вроде они должны существовать, но никак нельзя было доказать, что наблюдаемый объект — чёрная дыра. Полученный LIGO сигнал трактуется именно так.
Учёные признались, что им немного повезло, — нечасто космические катастрофы такого масштаба происходят относительно недалеко от Земли: 1,3 миллиарда лет назад чёрные дыры массами в 29 и 36 солнечных заключили вечный брачный союз и слились в экстазе. При этом вещество массой в три солнечных превратилось в гравитационное излучение. Наверное, нам тоже повезло — что не так уж и близко, и достаточно давно.
Содержание
- Волнительно
- От «Оскара» до Нобелевской премии
- Исследования с размахом
- Работа по шаблону
- Российский вклад
- Что дальше?
- 2017
- Август
- ←  →
- Первые детектирования гравитационных волн, излучаемых при слияниях двойных чёрных дыр
- Генерация гравитационных волн
- Основные точные решения уравнений Эйнштейна для гравитационных волн
- Регистрация гравитационных волн
- История
Волнительно
Исследование гравитационных волн чем-то напоминает поиски бозона Хиггса: теоретическое предсказание, долгие попытки, сверхдорогие установки. Только если для открытия бозона необходимо было найти частицу в высокоэнергетичном процессе, то для обнаружения гравитационных волн, наоборот, надо было убрать все помехи, чтобы поймать очень низкоэнергетичный сигнал. Это оказалось сложнее: «хиггса» нашли за полвека, на колебания потратили вдвое больше времени.
Что же колеблется? Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в рамках общей теории относительности, опубликованной в 1916 году. Гравитацию он рассматривал не как отдельное взаимодействие, а как свойство пространства-времени. Учёный предложил известную аналогию. Если положить на эластичную поверхность — пусть это будет батут — яблоко, то батут прогнётся, а рисунок, нанесённый на его поверхность, деформируется. Продолжим аналогию. Горошина, положенная рядом, скатится к яблоку без заметных последствий. А вот второе яблоко тоже деформирует поверхность, и в итоге фрукты скатятся в общую яму — от их движения поверхность задрожит, по ней пойдут волны. Это аналог гравитационных волн, для их рождения обязательно должны взаимодействовать два тела.
Осталось представить, что мы нарисованы на этом батуте, а сам он трёхмерный, колебания по нему распространяются во всём пространстве. Гравитационные волны имеют поперечную поляризацию: волны сжатия и растяжения деформируют нас и окружающее пространство в плоскости, перпендикулярной направлению движения волны. Эти колебания можно считать гравитацией, оторвавшейся от тела. Чем крупнее тело, чем сильнее тряхнёт (больше ускорение), тем сильнее волны. Самые сильные колебания рождаются при катастрофических космологических событиях — столкновениях звёзд в двойных системах. Но даже самые мощные гравитационные волны во столько же раз меньше атомного ядра, во сколько оно само меньше апельсина.
Гравитационные волны постоянно рождаются в результате множества событий, происходящих в космосе, а потом отправляются в путешествие по Вселенной со скоростью света. Вы, стол, комната постоянно сжимаетесь по одной оси и расширяетесь по другой от проходящих через вас волн. Но так как плющит и растягивает нас на очень маленькую величину — одну миллиардную триллионной доли метра, — использовать этот эффект для похудения или набора веса не получится.
От «Оскара» до Нобелевской премии
Представители научного сообщества выражают уверенность, что коллаборация учёных, сделавших открытие на установке Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн), получит Нобелевскую премию. За одно открытие награду может получить только три человека и одним из них может стать профессор Калифорнийского технологического института Кип Торн, работавший научным консультантом фильма «Интерстеллар».
Читайте также: Кип Торн: «Зачем мне Бог, если я занимаюсь тем же самым?»
Обнаружить гравитационные волны пытались начиная с 1960-х. Однако заявления об их регистрации неизменно заканчивались опровержением. Технологии не позволяли заметить столь незначительные деформации пространства. В 1974 году удалось показать их наличие косвенным образом. Джозеф Тейлор и Рассел Халс показали, что уменьшение периода изменения мощности излучения пульсара PSR 1913+16 точно соответствует предсказаниям общей теории относительности (ОТО). Пульсар состоит из двух звёзд, одна из которых нейтронная. Наблюдения показали, что период их вращения вокруг общего центра уменьшается на 76 микросекунд в год, что с высокой точностью предсказывалось теорией, учитывавшей потерю энергии на излучение гравитационных волн. Тейлор и Халс получили Нобелевскую премию в 1993 году.
Казалось бы, можно ставить крест на честолюбивых планах прослыть первооткрывателем гравитационных волн и переходить к следующим грантоёмким темам, однако физики — люди дотошные. Любое исследование выполняется с определёнными погрешностями, а вдруг это не ошибка измерения, а неточность предсказаний ОТО? Кроме того, в большинстве случаев наблюдаемые экспериментальные данные можно объяснить механизмом альтернативным очевидному. Поэтому физикам хотелось получить прямые доказательства существования гравитационных волн, но более 40 лет их не удавалось обнаружить.
Исследования с размахом
В качестве линейки, которая должна измерять крошечные величины и не гнуться вместе с пространством, обычно используют интерферометр Майкельсона. Это крест, в соседних коротких «плечах» которого располагаются источник света и детектор, а в длинных установлены два зеркала: в конце с полным отражением, а ближе к перекрестью — с очень высокой отражательной способностью.
Лазерный луч разделяется полупрозрачным зеркалом и проходит в два длинных плеча. В конце лазер отражается от обычного зеркала, и лучи снова встречаются у полупрозрачного зеркала. Разность хода лучей (пройденное ими расстояние) можно подобрать так, чтобы она различалась ровно на половину длины световой волны: в этом случае волны взаимно гасятся и на детектор не будет попадать свет.
Стоит гравитационной волне искривить пространство, как длина плеч немного изменится и разность хода между лучами в плечах станет отличной от половины длины волны. На детектор попадёт часть света. Волна будет зафиксирована!
Установки для обнаружения гравитационных волн последовательно увеличивали длину плеч: 300, 600, 3 000 метров. Установка LIGO, заработавшая в 1999 году, в сентябре 2015-го стартовала в версии Advanced LIGO. По расчётам учёных, она стала в 10 раз чувствительнее и способна принимать гравитационные сигналы от вращающихся друг вокруг друга нейтронных звёзд, находящихся в радиусе 650 миллионов световых лет от Земли. А чем больше радиус, тем выше вероятность, что попадётся объект, испускающий достаточно мощные для обнаружения волны. Зафиксированное событие мощнее, поэтому его удалось разглядеть на большем расстоянии, но оно сравнительно редкое, а вот сигналы от пары нейтронных звёзд учёные надеются принимать раз в месяц.
В конструкции Advanced LIGO длина плеч достигла 4 километров (обычно речь идёт о длинных плечах, так как расстояние от лазера и датчика до пересечения плеч несущественно и составляет десяток метров). В конструкцию входят два аналогичных интерферометра, разнесённых на противоположные стороны американского континента — на 3 000 километров, что позволяет отсеивать случайные события на одном из телескопов и даже определять общее направление на астрономический объект, пославший гравитационную волну.
Для достижения максимальной чувствительности приходится демпфировать все возможные колебания: в плечах откачан воздух, опоры заглублены на 20 метров до стабильных пластов земли. Кроме того, для увеличения чувствительности в каждом плече расположен резонатор Фабри — Перо: почти на выходе из плеча луч встречает зеркало с высокой отражательной способностью, которое сможет преодолеть только после множества попыток. Переотражаясь от зеркал, свет проходит большее расстояние, накапливает сигнал. В результате установка способна почувствовать отклонение зеркала на 10-19 м (одна десятимиллиардная миллиардной части метра).
Работа по шаблону
Грандиозная задача была решена, и 14 сентября учёные поймали сигнал с амплитудой 10-21 (на такую долю изменились плечи интерферометра) и длительностью примерно 25 миллисекунд на частоте от 35 до 250 Гц. Кроме того, было отмечено, что разнесённые на 3 000 километров интерферометры засекли волну с разницей в 7 миллисекунд. Как можно судить о космологическом событии по этим данным?
Учёные заранее рассчитали шаблоны — форму сигналов, которые выдаст детектор при обнаружении гравитационных волн при всевозможных событиях: взрывах сверхновых, столкновении нейтронных звезд и др. Для этого даже привлекались добровольцы в рамках программы Einstein@Home — они предоставляли для расчётов ресурсы своих компьютеров.
По полученному сигналу оценивалась масса объектов: перед слиянием они вращались вокруг общего центра с частотой 250 раз в секунду — она должна была уравновешиваться силой притяжения. Соответствующая масса при такой скорости вращения могла быть только у чёрных дыр. На это указывает и быстрое затухание сигнала после события.
Сравнив расчётную амплитуду для случая с чёрными дырами и ту, которая была измерена на земле, учёные смогли оценить расстояние до события: 1,3 миллиарда световых лет. Наконец, по задержке детектирования сигнала они оценили, откуда пришла волна, — правда, очень приблизительно, описав на небе целую область.
Российский вклад
Интерферометры построены Массачусетским и Калифорнийским технологическими институтами (США). Однако в коллаборации LIGO Scientific Collaboration (LSC) участвуют учёные из разных стран, всего свыше 1400 сотрудников. Среди них исследователи из МГУ им. М. В. Ломоносова и нижегородского Института прикладной физики РАН.
Один из центральных элементов конструкции — зеркала. При массе в 40 килограмм необходимо добиться их позиционирования с точностью до 10-19 метра. Во избежание сейсмического воздействия они расположены на специальных подвесах, которые гасят колебания внешней среды.
— Мы участвуем в этой программе с 1992 года. Исследовали шумы подвеса . Например, наша группа предложила использовать кварцевые нити. В Advanced LIGO они сменили металлические, применявшиеся в Initial LIGO. Это повысило добротность системы, — рассказывает профессор Сергей Вятчанин, заведующий кафедрой физики колебаний физфака МГУ им. М. В. Ломоносова. Он входит в российскую научную группу, организованную членом-корреспондентом РАН Владимиром Брагинским.
Каждое зеркало имеет 500 различных механизмов позиционирования и стабилизации. За тонкую подстройку его положения отвечает электростатический актуатор, который притягивает его в нужное положение. На актуаторы этого типа тоже перешли по совету российской группы, потому что использовавшиеся ранее магнитные были чувствительны к силе земного магнитного поля.
А вот от перехода с кварцевых зеркал на сапфировые российская команда, наоборот, отговорила: при нормальных температурах они добавляют шума больше, чем кварцевые, используемые сейчас. Но при переходе к сверхнизким температурам могут пригодиться.
Впрочем, Вятчанин не преувеличивает значение российского вклада. Он говорит, что это американский проект, их сложнейшие конструкции, их инженерное обеспечение.
— Года два назад начал утекать вакуум, — вспоминает профессор МГУ один из самых неожиданных случаев. — Давление внутри длинных плеч — одна триллионная от атмосферного, чтобы газ не вносил помехи в измерения. Однако откачивать его очень дорого, этот процесс занимает 40 дней. Для зеркал даже созданы шлюзы, чтобы не заполнять весь четырёхкилометровый туннель воздухом при операциях с ними. Поэтому утечка вакуума была большой проблемой. Инженерам пришлось обследовать трубы по всей длине — выяснилось, что интерферометр стал пристанищем для мышей. Помёт грызунов оказался настолько едким, что проедал сталь — образовывались микротрещины, через которые стравливалось давление. Пришлось зачищать от мышей все четыре километра трубы.
Ещё одной проблемой, которую предсказали российские учёные, стали нелинейные эффекты. Установка использует лазер мощностью 20 ватт, поскольку лучи задерживаются в плечах, многократно переотражаясь, мощность излучения составляет 40 киловатт. При таких значениях может наблюдаться параметрическая неустойчивость, в результате которой часть мощности теряется, практически проходя сквозь зеркало.
Точность измерения после выхода Advanced LIGO на полную мощность достигнет стандартного квантового предела, возникающего из-за того, что нельзя одновременно точно измерить импульс и координату тела:
— Представляете прибор длиной 4 километра, у которого на 40-килограммовой пробной массе проявляются квантовые свойства! Удивительно, правда?! — восхищается Вятчанин. И добавляет, что сейчас уже разрабатываются устройства, которые помогут обойти квантовые ограничения. Для этого надо измерять не координату, а скорость смещения зеркал.
Что дальше?
В научном плане открытие гравитационных волн — ещё одно экспериментальное подтверждение общей теории относительности, которую уже многократно проверили. Сергей Вятчанин не сомневается, что рано или поздно они были бы обнаружены:
— Если их не удаётся засечь, это говорит только о недостаточной чувствительности установки. Для нас это ещё один канал информации. Сейчас есть оптические, радио-, нейтринные детекторы, гравитационные дополнят их — позволят уточнять, что происходит.
Ученые смоделировали различные космические события, создали шаблоны сигналов для них и, обнаружив следующий гравитационный всплеск, сразу смогут сказать, что произошло.
Пока Advanced LIGO не может точно определить направление в небе, откуда пришёл сигнал. Для точной ориентации нужен третий интерферометр. Сейчас с LIGO сотрудничают проекты VIRGO в Италии (антенна 3 км) и англо-германский GEO (600 метров). Их модернизация вкупе с планами постройки в Индии интерферометра Indigo дарят надежду, что в будущем учёные смогут-таки определять, в каком именно месте Вселенной произошло событие, гравитационный отклик которого достиг Земли.
Гравитационные волны — это колебания ткани пространства-времени, которые разбегаются от массивных объектов, движущихся с переменным ускорением. Похожим образом перемещающийся электрический заряд порождает волны электромагнитные, но только их гораздо легче зарегистрировать. Об открытии было объявлено на специально созванной NSF (National Science Foundation — национальный научный фонд) конференции. Источником волн стали две черные дыры массой около 30 масс Солнца каждая, которые, двигаясь на околосветовых скоростях, столкнулись, образовав одну дыру бОльшего размера. При этом суммарная масса единой дыры оказалась на три солнечные массы меньше, чем сумма двух масс: оставшаяся энергия была испущена в форме гравитационных волн.
«Когда волна от столкновения дошла до Земли, она начала трястись — примерно как трясется желе», — рассказал исполнительный директор LIGO Дэвид Райц (David Reitze). По расчетам ученых, столкновение произошло 1,3 млрд лет назад и длилось около 20 миллисекунд.
Спикер LIGO Габриела Гонзалес (Gabriela Gonzalez) рассказала, что мы можем слышать гравитационные волны и даже запустила аудиозапись.
Гравитационные волны предсказал еще Альберт Эйнштейн, но все экспериментальные попытки их обнаружить заканчивались провалом. Дело в том, что даже сильные гравитационные волны вызывают лишь крохотные изменения: объекты, удаленные друг от друга на расстояние метра, будут как бы колебаться на волнах пространства-времени и становиться то ближе, то дальше друг от друга на 10−18—10−23 метра. Именно поэтому ученые рассчитывали обнаружить гравитационные волны только от очень тяжелых объектов вроде сталкивающихся галактик, вращающихся черных дыр или двойных звездных систем.
В коллаборации LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) для этого использовали наземные гравитационные телескопы — гигантские Г-образные антенны с длиной плеч по четыре километра. Внутри них в условиях высокого вакуума распространялись лазерные лучи, которые отражались от подвешенных в противоположных концах антенн зеркал. А поскольку гравитационная волна периодически растягивала и сжимала плечи телескопа, разные лучи, шедшие по разным оптическим путям, приходили на выход с небольшими задержками. Именно их в конечном счете и регистрировали экспериментаторы по возникающей при взаимодействии лучей характерной интерференционной картине.
Из этих данных ученые сделали вывод об отклонении на уровне 10−19 м — сигнале, который свидетельствовал о прохождении гравитационной волны, порожденной системой двух черных дыр на расстоянии около 50 миллионов световых лет от Земли.
В экспериментах активно участвовали научные группы под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова и член-корреспондента РАН Александра Сергеева (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород).
Они боролись с квантовыми эффектами, искажающими сигналы сверхчувствительных антенн (зафиксированное отклонение в 10−19 м в 10 000 раз меньше радиуса протона) и также разрабатывали саму конструкцию телескопа. В частности, именно российские физики предложили подвешивать зеркала на кварцевых нитях вместо стальных, что снизило посторонние шумы в системе.
В прошлом году физики уже сообщали о наблюдении следов гравитационных волн в реликтовом космическом излучении, но тогда их результаты признали ошибкой. Теперь гравитационные волны пронаблюдали в более прямых измерениях. Если эти данные не будут опровергнуты, это станет очередным подтверждением общей теории относительности и откроет путь к давней мечте физиков — созданию теории квантовой гравитации и, возможно, даже теории великого объединения, описывающей все виды физического взаимодействия в единых терминах и уравнениях.
Подробнее об открытии читайте в статье.
2017Август |
←  → |
Конференции и симпозиумы |
Первые детектирования гравитационных волн, излучаемых при слияниях двойных чёрных дыр
Д. Райтце
California Institute of Technology, 1200 East California Boulevard, Pasadena, CA, 91125, USA
Научные коллаборации LIGO и Virgo провели первый сеанс наблюдений «O1» с 12 сентября 2015 г. по 19 января 2016~г. с помощью новых модернизированных интерферометров LIGO, расположенных в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана). В течение сеанса наблюдений O1 и идущего в настоящее время сеанса O2 было уверенно зарегистрировано три гравитационно-волновых события от сливающихся двойных чёрных дыр звёздной массы. Четвёртое событие-кандидат также, вероятно, связано со сливающейся двойной системой из чёрных дыр. Из формы гравитационно-волнового сигнала удаётся оценить астрофизические параметры сливающихся двойных систем и чёрной дыры, образующейся после слияния компонент. Первое детектирование гравитационных волн подтверждает существование двойных чёрных дыр и имеет далеко идущие последствия для астрофизики, делая гравитационные волны мощным инструментом для изучения Вселенной.
Список литературы (28) Статьи, ссылающиеся на эту (3)
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 << 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 Солнца и Юпитера. 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 Вселенной. 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 пульсара. Подобные события происходят в окрестностях нашей Галактики 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 белых карликов 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 Земли 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 Большого взрыва. 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 межзвёздной пыли. 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 было объявлено об экспериментальном открытии гравитационных волн 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 световых лет, 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 × Rs, 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.