¿Qué pueden dar las ondas gravitacionales? Encontramos ondas gravitacionales

Valentin Nikolayevich Rudenko comparte la historia de su visita a la ciudad de Kashina (Italia), donde pasó una semana en la entonces recién construida "antena gravitacional": un interferómetro óptico de Michelson. De camino al destino, el taxista pregunta para qué se construyó la instalación. “Aquí la gente piensa que es para hablar con Dios”, admite el conductor.

- ¿Qué son las ondas gravitacionales?

- La onda gravitacional es uno de los "portadores de información astrofísica". Hay canales visibles de información astrofísica, los telescopios juegan un papel especial en la "visión lejana". Los astrónomos también han dominado los canales de baja frecuencia (microondas e infrarrojos, y de alta frecuencia), rayos X y gamma. Además de la radiación electromagnética, podemos registrar flujos de partículas desde el espacio. Para ello, se utilizan telescopios de neutrinos - detectores de neutrinos cósmicos de gran tamaño - partículas que interactúan débilmente con la materia y por tanto son difíciles de registrar. Casi todos los tipos de "portadores de información astrofísica" teóricamente predichos y estudiados en laboratorio se han dominado de manera confiable en la práctica. La excepción fue la gravedad: la interacción más débil del micromundo y la más fuerza poderosa en el macrocosmos.

La gravedad es geometría. Las ondas gravitacionales son ondas geométricas, es decir, ondas que cambian las características geométricas del espacio cuando pasan por este espacio. A grandes rasgos, son ondas que deforman el espacio. La deformación es el cambio relativo en la distancia entre dos puntos. La radiación gravitacional se diferencia de todos los demás tipos de radiación precisamente en que son geométricos.

- ¿Einstein predijo ondas gravitacionales?

- Formalmente, se cree que las ondas gravitacionales fueron predichas por Einstein, como una de las consecuencias de su teoría general relatividad, pero de hecho, su existencia se vuelve obvia ya en teoría especial relatividad.

La teoría de la relatividad asume que debido a la atracción gravitacional, es posible el colapso gravitacional, es decir, la contracción de un objeto como resultado del colapso, en términos generales, en un punto. Entonces la gravedad es tan fuerte que la luz ni siquiera puede escapar de ella, por lo tanto, tal objeto se llama figurativamente un agujero negro.

- ¿Cuál es la peculiaridad de la interacción gravitacional?

Una característica de la interacción gravitacional es el principio de equivalencia. Según él, la reacción dinámica de un cuerpo de prueba en un campo gravitacional no depende de la masa de este cuerpo. En pocas palabras, todos los cuerpos caen con la misma aceleración.

La fuerza gravitacional es la más débil que conocemos hoy.

- ¿Quién fue el primero en intentar atrapar la onda gravitacional?

- El experimento de ondas gravitacionales fue realizado por primera vez por Joseph Weber de la Universidad de Maryland (EE. UU.). Creó un detector gravitacional, que ahora se encuentra en el Museo Smithsonian en Washington DC. En 1968-1972, Joe Weber realizó una serie de observaciones con un par de detectores separados, tratando de aislar casos de "coincidencia". La técnica de las coincidencias se toma prestada de la física nuclear. La baja significación estadística de las señales gravitacionales recibidas por Weber provocó una actitud crítica hacia los resultados del experimento: no había certeza de que fuera posible fijar ondas gravitacionales. Posteriormente, los científicos intentaron aumentar la sensibilidad de los detectores de tipo Weber. Se necesitaron 45 años para desarrollar un detector, cuya sensibilidad era adecuada para las predicciones astrofísicas.

Durante el comienzo del experimento antes de la fijación, se llevaron a cabo muchos otros experimentos, se registraron impulsos durante este período, pero su intensidad fue demasiado baja.

- ¿Por qué no se anunció de inmediato que la señal estaba arreglada?

- Las ondas gravitacionales se registraron en septiembre de 2015. Pero incluso si se registró una coincidencia, es necesario, antes de declarar, demostrar que no es accidental. En una señal tomada de cualquier antena, siempre hay picos de ruido (ráfagas a corto plazo), y uno de ellos puede ocurrir accidentalmente simultáneamente con una ráfaga de ruido en otra antena. Es posible probar que la coincidencia no ocurrió por casualidad solo con la ayuda de evaluaciones estadísticas.

- ¿Por qué son tan importantes los descubrimientos en el campo de las ondas gravitacionales?

- La capacidad de registrar el fondo gravitacional relicto y medir sus características, como densidad, temperatura, etc., permite acercarse al comienzo del universo.

Lo atractivo es que la radiación gravitacional es difícil de detectar porque interactúa muy débilmente con la materia. Pero, gracias a esta misma propiedad, pasa sin absorción de los objetos más distantes de nosotros con las propiedades más misteriosas, desde el punto de vista de la materia.

Podemos decir que la radiación gravitacional pasa sin distorsión. El objetivo más ambicioso es investigar la radiación gravitacional que se separó de la materia primaria en Teoría. Big Bang, que fue creado en el momento de la creación del universo.

- ¿El descubrimiento de las ondas gravitacionales descarta la teoría cuántica?

La teoría de la gravedad asume la existencia de un colapso gravitacional, es decir, la contracción de objetos masivos hasta un punto. Al mismo tiempo, la teoría cuántica desarrollada por la Escuela de Copenhague sugiere que, debido al principio de incertidumbre, es imposible indicar simultáneamente exactamente parámetros como la coordenada, la velocidad y el momento de un cuerpo. Existe un principio de incertidumbre, es imposible determinar exactamente la trayectoria, porque la trayectoria es tanto una coordenada como una velocidad, etc. Solo se puede definir un cierto corredor de confianza condicional dentro de este error, que está asociado con los principios de incertidumbre . La teoría cuántica niega categóricamente la posibilidad de objetos puntuales, pero los describe de forma estadísticamente probabilística: no indica específicamente coordenadas, pero indica la probabilidad de que tenga determinadas coordenadas.

La cuestión de la unificación de la teoría cuántica y la teoría de la gravedad es una de las cuestiones fundamentales de la creación de una teoría de campo unificado.

Continúan trabajando en ello ahora, y las palabras "gravedad cuántica" significan un campo de la ciencia completamente avanzado, la frontera del conocimiento y la ignorancia, donde todos los teóricos del mundo están trabajando ahora.

- ¿Qué puede aportar el descubrimiento en el futuro?

Las ondas gravitacionales deben estar inevitablemente en la base. ciencia moderna como uno de los componentes de nuestro conocimiento. Se les asigna un papel esencial en la evolución del Universo, y con la ayuda de estas ondas se debe estudiar el Universo. El descubrimiento contribuye al desarrollo general de la ciencia y la cultura.

Si decide ir más allá del alcance de la ciencia actual, entonces está permitido imaginar las líneas de telecomunicaciones. enlace gravitacional, aparatos de chorro de radiación gravitacional, dispositivos de introscopia de ondas gravitacionales.

- ¿Las ondas gravitacionales tienen que ver con la percepción extrasensorial y la telepatía?

No tengo. Los efectos descritos son los efectos del mundo cuántico, los efectos de la óptica.

Entrevistado por Anna Utkina

El 11 de febrero de 2016, un grupo internacional de científicos, incluso de Rusia, en una conferencia de prensa en Washington anunció un descubrimiento que tarde o temprano cambiará el desarrollo de la civilización. Fue posible probar en la práctica ondas gravitacionales u ondas de espacio-tiempo. Su existencia fue predicha hace 100 años por Albert Einstein en la suya.

Nadie duda de que este descubrimiento será honrado premio Nobel... Los científicos no tienen prisa por hablar sobre su aplicación práctica. Pero recuerdan que hasta hace poco, la humanidad tampoco sabía qué hacer con las ondas electromagnéticas, lo que finalmente condujo a una verdadera revolución científica y tecnológica.

¿Qué son las ondas gravitacionales en términos simples?

La gravedad y la gravedad son lo mismo. Las ondas gravitacionales son una de las soluciones OTS. Deben propagarse a la velocidad de la luz. Se irradia desde cualquier cuerpo que se mueva con aceleración variable.

Por ejemplo, gira en su órbita con aceleración variable dirigida hacia la estrella. Y esta aceleración cambia constantemente. sistema solar emite energía del orden de varios kilovatios en ondas gravitacionales. Esta es una cifra insignificante en comparación con 3 televisores en color antiguos.

Otra cosa son dos púlsares (estrellas de neutrones) que giran uno alrededor del otro. Giran en órbitas muy cercanas. Tal "pareja" fue descubierta por astrofísicos y fue observada durante mucho tiempo. Los objetos estaban listos para caer unos sobre otros, lo que indirectamente indicaba que los púlsares emiten ondas espacio-temporales, es decir, energía en su campo.

La gravedad es la fuerza de la gravedad. Nos atrae el suelo. Y la esencia de una onda gravitacional es un cambio en este campo, extremadamente débil cuando nos llega. Por ejemplo, tomemos el nivel del agua en un depósito. La fuerza del campo gravitacional es la aceleración de la gravedad en un punto específico. Una ola atraviesa nuestro embalse y, de repente, la aceleración de la caída libre cambia bastante.

Tales experimentos comenzaron en los años 60 del siglo pasado. En ese momento, pensaron de esta manera: se suspendió un enorme cilindro de aluminio, enfriado para evitar vibraciones térmicas internas. Y esperaron a que una ola de una colisión, por ejemplo, de dos agujeros negros masivos, nos alcanzara de repente. Los investigadores estaban entusiasmados y dijeron que todos tierra puede experimentar el impacto de una onda gravitacional que llega del espacio exterior. El planeta comenzará a tambalearse y se podrán estudiar estas ondas sísmicas (compresión, cizallamiento y superficie).

Un artículo importante sobre el dispositivo en términos simples, y cómo los estadounidenses y LIGO robaron la idea de los científicos soviéticos y construyeron los introferómetros que permitieron hacer el descubrimiento. ¡Nadie habla de eso, todo el mundo está en silencio!

Por cierto, la radiación gravitacional es más interesante desde el punto de vista de la radiación reliquia, que están tratando de encontrar cambiando el espectro de radiación electromagnética. La reliquia y la radiación electromagnética aparecieron 700 mil años después del Big Bang, luego en el proceso de expansión del universo, lleno de gas caliente con ondas de choque viajeras, que luego se convirtieron en galaxias. En este caso, naturalmente, se debería haber emitido una cantidad gigantesca y alucinante de ondas espacio-temporales, que afectaron la longitud de onda de la radiación de la reliquia, que todavía era óptica en ese momento. El astrofísico nacional Sazhin escribe y publica regularmente artículos sobre este tema.

Malinterpretar el descubrimiento de ondas gravitacionales

“Un espejo cuelga, una onda gravitacional actúa sobre él y comienza a vibrar. E incluso los instrumentos notan las fluctuaciones más pequeñas con una amplitud menor que el tamaño de un núcleo atómico "; una interpretación errónea de este tipo, por ejemplo, se utiliza en un artículo de Wikipedia. No seas perezoso, encuentra un artículo de científicos soviéticos de 1962.

Primero, el espejo debe ser masivo para sentir las ondas. En segundo lugar, debe enfriarse hasta casi el cero absoluto (Kelvin) para evitar las vibraciones térmicas naturales. Lo más probable es que no solo en el siglo XXI, sino que en general nunca sea posible encontrar partícula elemental- el portador de ondas gravitacionales:

El jueves 11 de febrero, un grupo de científicos del proyecto internacional LIGO Scientific Collaboration anunció que habían tenido éxito, cuya existencia predijo Albert Einstein allá por 1916. Según los investigadores, el 14 de septiembre de 2015 registraron una onda gravitacional, que fue provocada por la colisión de dos agujeros negros con una masa de 29 y 36 veces mas masa El sol, después de lo cual se fusionaron en un gran agujero negro. Según ellos, esto sucedió supuestamente hace 1.300 millones de años a una distancia de 410 Megaparsecs de nuestra galaxia.

Los detalles sobre las ondas gravitacionales y el descubrimiento a gran escala de LIGA.net dijeron Bogdan Hnatyk, Científico ucraniano, astrofísico, doctor en ciencias físicas y matemáticas, investigador principal del Observatorio Astronómico de Kiev Universidad Nacional el nombre de Taras Shevchenko, quien dirigió el observatorio de 2001 a 2004.

Teoría en lenguaje sencillo

La física estudia la interacción entre cuerpos. Se ha establecido que existen cuatro tipos de interacción entre cuerpos: electromagnética, interacción nuclear fuerte y débil e interacción gravitacional, que todos sentimos. Debido a la interacción gravitacional, los planetas giran alrededor del Sol, los cuerpos tienen peso y caen al suelo. El hombre se enfrenta constantemente a la interacción gravitacional.

En 1916, hace 100 años, Albert Einstein construyó una teoría de la gravedad, que mejoró la teoría newtoniana de la gravedad, la hizo matemáticamente correcta: comenzó a cumplir con todos los requisitos de la física, comenzó a tomar en cuenta el hecho de que la gravedad se propaga a velocidad muy alta, pero finita. Este es, con razón, uno de los mayores logros de Einstein, ya que construyó una teoría de la gravedad que corresponde a todos los fenómenos de la física que observamos hoy.

Esta teoría también sugirió la existencia ondas gravitacionales... La base de esta predicción fue que las ondas gravitacionales existen como resultado de la interacción gravitacional que ocurre debido a la fusión de dos cuerpos masivos.

¿Qué es la onda gravitacional?

Lenguaje complicado es la emoción de la métrica del espacio-tiempo. "Digamos que el espacio tiene cierta elasticidad y las ondas pueden atravesarlo. Es como cuando arrojamos una piedra al agua y las olas se dispersan", dijo el doctor en Física y Matemáticas a LIGA.net.

Los científicos lograron probar experimentalmente que tal oscilación tuvo lugar en el Universo y una onda gravitacional corrió en todas direcciones. "El método astrofísico fue el primero en registrar el fenómeno de una evolución tan catastrófica de un sistema binario, cuando dos objetos se fusionan en uno, y esta fusión conduce a una liberación muy intensa de energía gravitacional, que luego se propaga en el espacio en forma de ondas gravitacionales ", explicó el científico.

Estas ondas gravitacionales son muy débiles y para que puedan sacudir el espacio-tiempo, es necesaria la interacción de cuerpos muy grandes y masivos para que la fuerza del campo gravitacional sea grande en el lugar de generación. Pero, a pesar de su debilidad, el observador después de un cierto tiempo (igual a la distancia a la interacción dividida por la velocidad de propagación de la señal) registrará esta onda gravitacional.

Pongamos un ejemplo: si la Tierra cayera sobre el Sol, entonces se produciría la interacción gravitacional: se liberaría energía gravitacional, se formaría una onda gravitacional esféricamente simétrica y el observador podría registrarla. "Un fenómeno similar, pero único, desde el punto de vista de la astrofísica, ocurrió aquí: dos cuerpos masivos chocaron, dos agujeros negros", señaló Gnatyk.

De vuelta a la teoría

Un agujero negro es otra predicción de la teoría de la relatividad general de Einstein, que establece que un cuerpo que tiene una masa enorme, pero esta masa está concentrada en un volumen pequeño, puede distorsionar significativamente el espacio a su alrededor, hasta su cierre. Es decir, se asumió que cuando se alcanza una concentración crítica de la masa de este cuerpo, tal que el tamaño del cuerpo será menor que el llamado radio gravitacional, entonces se cerrará el espacio alrededor de este cuerpo y se cerrará su topología. Será tal que ninguna señal de él se propague fuera del espacio cerrado.

"Es decir, un agujero negro, en palabras simples, es un objeto masivo, que es tan pesado que cierra el espacio-tiempo alrededor de sí mismo ", dice el científico.

Y nosotros, según él, podemos enviar cualquier señal a este objeto, pero él no puede enviarnos ninguna. Es decir, ninguna señal puede ir más allá del agujero negro.

Un agujero negro vive de acuerdo con las leyes físicas ordinarias, pero como resultado de la fuerte gravedad, ni un solo cuerpo material, ni siquiera un fotón, puede ir más allá de esta superficie crítica. Los agujeros negros se forman durante la evolución de las estrellas ordinarias, cuando el núcleo central colapsa y parte de la materia de la estrella, colapsando, se convierte en un agujero negro, y la otra parte de la estrella es expulsada como una envoltura de supernova, convirtiéndose en el tan- llamado "destello" de la supernova.

Cómo vimos una onda gravitacional

Pongamos un ejemplo. Cuando tenemos dos flotadores en la superficie del agua y el agua está tranquila, la distancia entre ellos es constante. Cuando llega una ola, desplaza estos flotadores y la distancia entre los flotadores cambiará. La ola ha pasado, y los flotadores vuelven a sus posiciones anteriores, y se restablece la distancia entre ellos.

De manera similar, una onda gravitacional se propaga en el espacio-tiempo: comprime y estira los cuerpos y objetos que se encuentran en su camino. "Cuando un objeto se encuentra en el camino de una onda, se deforma a lo largo de sus ejes, y después de su paso, vuelve a su forma anterior. Bajo la acción de una onda gravitacional, todos los cuerpos se deforman, pero estas deformaciones son muy insignificantes. ", dice Gnatyk.

Cuando pasó la onda, que fue registrada por los científicos, el tamaño relativo de los cuerpos en el espacio cambió en una cantidad del orden de 1 multiplicado por 10 a la potencia menos 21. Por ejemplo, si toma una regla métrica, entonces se encogió en una cantidad tal que era su tamaño, multiplicado por 10 a la potencia menos 21. Ésta es una cantidad muy exigua. Y el problema era que los científicos necesitaban aprender a medir esta distancia. Los métodos convencionales dieron una precisión del orden de 1 en 10 a la novena potencia de un millón, pero aquí se necesita una precisión mucho mayor. Para ello se crearon las denominadas antenas gravitacionales (detectores de ondas gravitacionales).

La antena, que registra las ondas gravitacionales, está construida de esta manera: hay dos tubos, de unos 4 kilómetros de longitud, ubicados en forma de letra "L", pero con los mismos hombros y en ángulos rectos. Cuando una onda gravitacional golpea el sistema, deforma las alas de la antena, pero dependiendo de su orientación, deforma una más y la otra menos. Y luego hay una diferencia de ruta, el patrón de interferencia de la señal cambia: hay una amplitud total positiva o negativa.

"Es decir, el paso de una onda gravitacional es similar a una onda en el agua que pasa entre dos flotadores: si mediéramos la distancia entre ellos durante y después del paso de la onda, entonces veríamos que la distancia cambiaría, y luego sería lo mismo otra vez ", dijo Gnatyk.

También mide el cambio relativo en la distancia entre las dos alas del interferómetro, cada una de las cuales tiene unos 4 kilómetros de longitud. Y solo tecnologías y sistemas muy precisos pueden medir un desplazamiento tan microscópico de las alas causado por una onda gravitacional.

En la frontera del universo: de donde vino la ola

Los científicos registraron la señal utilizando dos detectores ubicados en Estados Unidos en dos estados: Luisiana y Washington a una distancia de unos 3 mil kilómetros. Los científicos pudieron estimar de dónde provenía esta señal y desde qué distancia. Las estimaciones muestran que la señal provino de una distancia de 410 Megaparsecs. Megaparsec es la distancia que recorre la luz en tres millones de años.

Para que sea más fácil de imaginar: la galaxia activa más cercana con un agujero negro supermasivo en el centro es Centaurus A, que está a una distancia de cuatro Megaparsecs de la nuestra, mientras que la Nebulosa de Andrómeda está a una distancia de 0.7 Megaparsecs. "Es decir, la distancia desde la que vino la señal de la onda gravitacional es tan grande que la señal fue a la Tierra durante unos 1.300 millones de años. Son distancias cosmológicas que alcanzan alrededor del 10% del horizonte de nuestro Universo", dijo el científico. dijo.

A tal distancia, en alguna galaxia distante, dos agujeros negros se fusionaron. Estos orificios, por un lado, eran de tamaño relativamente pequeño y, por otro lado, la alta intensidad de la amplitud de la señal indica que eran muy pesados. Se encontró que sus masas eran, respectivamente, 36 y 29 masas solares. La masa del Sol, como saben, es un valor que es igual a 2 veces 10 elevado a la trigésima potencia de un kilogramo. Después de la fusión, estos dos cuerpos se fusionaron y ahora se ha formado un agujero negro en su lugar, que tiene una masa igual a 62 veces la masa del Sol. Al mismo tiempo, alrededor de tres masas solares salpican en forma de energía de ondas gravitacionales.

Quién hizo el descubrimiento y cuándo

Los científicos del proyecto internacional LIGO lograron detectar una onda gravitacional el 14 de septiembre de 2015. LIGO (Observatorio de gravitación por interferometría láser) es un proyecto internacional en el que participan una serie de estados, que han realizado una cierta contribución financiera y científica, en particular EE.UU., Italia, Japón, que son líderes en el campo de esta investigación.

Se registró la siguiente imagen: hubo un desplazamiento de las alas del detector gravitacional, como resultado del paso real de una onda gravitacional por nuestro planeta y por esta instalación. Esto no se informó entonces, porque la señal tuvo que ser procesada, "limpiada", encontrando su amplitud y verificada. Este es un procedimiento estándar: desde el descubrimiento real hasta el anuncio del descubrimiento, se necesitan varios meses para emitir una declaración fundamentada. "Nadie quiere estropear su reputación. Todos estos son datos secretos, antes de la publicación de los que nadie sabía de ellos, solo había rumores", dijo Hnatyk.

Historia

Las ondas gravitacionales se han estudiado desde los años 70 del siglo pasado. Durante este tiempo, se han creado varios detectores y varios investigación básica... En la década de los 80, el científico estadounidense Joseph Weber construyó la primera antena gravitacional en forma de cilindro de aluminio, de unos varios metros de tamaño, equipada con sensores piezoeléctricos que se suponía debían registrar el paso de una onda gravitacional.

La sensibilidad de este dispositivo era un millón de veces peor que la de los detectores actuales. Y, por supuesto, entonces realmente no pudo arreglar la onda, aunque Weber dijo que lo hizo: la prensa escribió al respecto y hubo un "boom gravitacional": el mundo inmediatamente comenzó a construir antenas gravitacionales. Weber animó a otros científicos a estudiar las ondas gravitacionales y continuar los experimentos sobre este fenómeno, gracias a lo cual fue posible elevar la sensibilidad de los detectores un millón de veces.

Sin embargo, el fenómeno mismo de las ondas gravitacionales se registró en el siglo pasado, cuando los científicos descubrieron un púlsar doble. Este fue un registro indirecto del hecho de que existen ondas gravitacionales, probado gracias a observaciones astronómicas... El púlsar fue descubierto por Russell Hulse y Joseph Taylor en 1974 mientras observaban el radiotelescopio del Observatorio de Arecibo. Los científicos recibieron el Premio Nobel en 1993 "por el descubrimiento de un nuevo tipo de púlsar, que brindó nuevas posibilidades en el estudio de la gravedad".

Investigación en el mundo y Ucrania

En Italia, un proyecto similar llamado Virgo está a punto de completarse. Japón también tiene la intención de lanzar un detector similar en un año, India también está preparando un experimento de este tipo. Es decir, en muchas partes del mundo existen detectores similares, pero aún no han alcanzado ese modo de sensibilidad, por lo que podemos hablar de fijar ondas gravitacionales.

"Oficialmente, Ucrania no es miembro de LIGO y tampoco participa en los proyectos italianos y japoneses. Entre esas direcciones fundamentales, Ucrania participa ahora en el proyecto LHC (LHC - Gran Colisionador de Hadrones) y en el CERN" ( convertirse oficialmente en miembro solo después de pagar la tarifa de entrada) ", - El doctor en ciencias físicas y matemáticas Bogdan Gnatyk dijo a LIGA.net.

Según él, Ucrania ha sido miembro de pleno derecho de la colaboración internacional CTA (MCHT-Cherenkov Telescope Array) desde 2015, que está construyendo un moderno multitelescopio. TeV rango gamma (con energías de fotones de hasta 1014 eV). "Las principales fuentes de tales fotones son precisamente las vecindades de los agujeros negros supermasivos, cuya radiación gravitacional fue detectada por primera vez por el detector LIGO. Por lo tanto, la apertura de nuevas ventanas en astronomía - ondas gravitacionales y multi TeV El campo electromagnético nos promete muchos más descubrimientos en el futuro ”, añade el científico.

¿Qué sigue y cómo ayudarán los nuevos conocimientos a las personas? Los científicos no están de acuerdo. Algunos dicen que este es solo otro paso para comprender los mecanismos del Universo. Otros ven esto como los primeros pasos hacia nuevas tecnologías para moverse a través del tiempo y el espacio. De una forma u otra, este descubrimiento demostró una vez más lo poco que entendemos y lo mucho que queda por aprender.

Recordemos que el otro día los científicos de LIGO anunciaron un gran avance en física, astrofísica y nuestro estudio del Universo: el descubrimiento de ondas gravitacionales predichas por Albert Einstein hace 100 años. Gizmodo pudo localizar a la Dra. Amber Staver del Observatorio Livingston en Louisiana, una colaboración de LIGO, y preguntó en detalle qué significa esto para la física. Entendemos que será difícil llegar a una comprensión global de una nueva forma de comprender nuestro mundo en unos pocos artículos, pero lo intentaremos.

Se ha realizado una enorme cantidad de trabajo para localizar una sola onda gravitacional hasta la fecha, y este fue un gran avance. Parece que se están abriendo un montón de nuevas posibilidades para la astronomía, pero ¿este primer descubrimiento es una prueba "simple" de que el descubrimiento es posible por sí solo, o ya puedes sacar más provecho de él? logros científicos? ¿Qué espera obtener de esto en el futuro? ¿Habrá métodos más fáciles para detectar estas ondas en el futuro?

De hecho, esta es la primera detección de ruptura, pero el objetivo siempre ha sido usar ondas gravitacionales para hacer nueva astronomía... En lugar de buscar luz visible en el universo, ahora podemos sentir cambios sutiles en la gravedad causados ​​por las cosas más grandes, fuertes y (en mi opinión) más interesantes del universo, incluidas aquellas sobre las que nunca podríamos obtener información con con la ayuda de la luz.

Pudimos aplicar esto nuevo tipo astronomía a las ondas de la primera detección. Usando lo que ya sabemos sobre la relatividad general (relatividad general), pudimos predecir cómo serían las ondas gravitacionales de objetos como agujeros negros o estrellas de neutrones. La señal que encontramos coincide con la predicción de un par de agujeros negros, uno 36 y el otro 29 veces más masivo que el Sol, girando a medida que se acercan el uno al otro. Finalmente, se fusionan en un agujero negro. Entonces, esta no es solo la primera detección de ondas gravitacionales, sino también la primera observación directa de los agujeros negros, porque no se pueden observar con la ayuda de la luz (solo por la materia que gira a su alrededor).

¿Por qué está seguro de que los efectos extraños (como la vibración) no afectan los resultados?

En LIGO, registramos muchos más datos relacionados con nuestro entorno y equipo que los datos que puede contener una señal de onda gravitacional. La razón de esto es que queremos estar lo más seguros posible de que no nos engañen los efectos extraños ni nos engañen acerca de la detección de una onda gravitacional. Si detectamos un terreno anormal en el momento de detectar una señal de onda gravitacional, lo más probable es que rechacemos a este candidato.

Video: Breve acerca de las ondas gravitacionales

Otra medida que tomamos para evitar ver algo aleatorio es que ambos detectores LIGO deberían ver la misma señal con la cantidad de tiempo que tarda una onda gravitacional en viajar entre dos objetos. El tiempo máximo de viaje para dicho viaje es de aproximadamente 10 milisegundos. Para estar seguros de una posible detección, debemos ver señales de la misma forma, casi al mismo tiempo, y los datos que recopilamos sobre nuestro entorno deben estar libres de anomalías.

Hay muchas otras pruebas que pasa un candidato, pero estas son básicas.

¿Existe una forma práctica de generar ondas gravitacionales que se puedan detectar con tales dispositivos? ¿Podemos construir una radio gravitacional o un láser?

Está sugiriendo lo que hizo Heinrich Hertz a fines de la década de 1880 para detectar ondas electromagnéticas en forma de ondas de radio. Pero la gravedad es la más débil de las fuerzas fundamentales que mantienen unido al universo. Por esta razón, el movimiento de masas en un laboratorio u otro objeto para crear ondas gravitacionales será demasiado débil para ser detectado incluso por un detector como LIGO. Para crear ondas lo suficientemente fuertes, tendremos que hacer girar la mancuerna a tal velocidad que romperá cualquier material conocido. Pero en el Universo hay muchos grandes volúmenes de masa que se mueven extremadamente rápido, por lo que estamos construyendo detectores que los buscarán.

¿Esta confirmación cambiará nuestro futuro? ¿Podremos utilizar el poder de estas ondas para explorar el espacio exterior? ¿Será posible comunicarse utilizando estas ondas?

Debido a la cantidad de masa que debe viajar a una velocidad extrema para producir ondas gravitacionales que detectores como LIGO pueden detectar, el único mecanismo conocido para esto son pares de estrellas de neutrones o agujeros negros que giran antes de fusionarse (puede haber otras fuentes). Las posibilidades de que esta civilización avanzada esté manipulando la sustancia son extremadamente pequeñas. Personalmente, no creo que sea genial encontrar una civilización que pueda utilizar las ondas gravitacionales como medio de comunicación, ya que puede acabar con nosotros de forma divertida.

¿Son coherentes las ondas gravitacionales? ¿Pueden hacerse coherentes? ¿Puedes enfocarlos? ¿Qué pasará con un objeto masivo, que se ve afectado por un rayo de gravedad enfocado? ¿Se puede utilizar este efecto para mejorar los aceleradores de partículas?

Algunos tipos de ondas gravitacionales pueden ser coherentes. Imagínese una estrella de neutrones que es casi perfectamente esférica. Si gira rápidamente, pequeñas deformaciones de menos de una pulgada producirán ondas gravitacionales de cierta frecuencia, haciéndolas coherentes. Pero enfocar las ondas gravitacionales es muy difícil porque el universo es transparente para ellas; Las ondas gravitacionales atraviesan la materia y salen sin cambios. Debe cambiar el camino de al menos algunas de las ondas gravitacionales para poder enfocarlas. Quizás una forma exótica de lente gravitacional pueda enfocar al menos parcialmente las ondas gravitacionales, pero será difícil, si no imposible, usarlas. Si pueden enfocarse, seguirán siendo tan débiles que no puedo imaginar ninguna aplicación práctica de ellos. Pero también hablaron de láseres, que son esencialmente luz coherente enfocada, así que quién sabe.

¿Cuál es la velocidad de una onda gravitacional? ¿Tiene misa? Si no, ¿puede moverse? velocidad más rápida Sveta?

Se cree que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz. Esta es la velocidad limitada por la relatividad general. Pero experimentos como LIGO deberían probar esto. Quizás se estén moviendo un poco más lento que la velocidad de la luz. Si es así, entonces la partícula teórica asociada con la gravedad, el gravitón, tendría masa. Dado que la gravedad misma actúa entre masas, esto se sumará a la teoría de la complejidad. Pero no imposibilidades. Estamos usando la navaja de Occam: la explicación más simple suele ser la más correcta.

¿Qué tan lejos tienes que estar de una fusión de agujeros negros para poder hablar de ellos?

En el caso de nuestros agujeros negros binarios, que detectamos a partir de ondas gravitacionales, produjeron un cambio máximo en la longitud de nuestros brazos de 4 kilómetros por 1x10 -18 metros (esto es 1/1000 del diámetro de un protón). También creemos que estos agujeros negros están a 1.300 millones de años luz de la Tierra.

Ahora supongamos que tenemos dos metros de altura y estamos flotando a la distancia de la Tierra al Sol desde un agujero negro. Creo que experimentaría un aplanamiento y estiramiento alternos de unos 165 nanómetros (su altura cambia en más valor durante el día). Se puede vivir.

Si utiliza una nueva forma de escuchar el espacio, ¿qué interesa más a los científicos?

El potencial no se conoce por completo, en el sentido de que puede haber muchas más ubicaciones de las que pensábamos. Cuanto más aprendamos sobre el universo, mejor podremos responder a sus preguntas utilizando ondas gravitacionales. Por ejemplo, estos:

• ¿Qué causa los estallidos de rayos gamma?
• ¿Cómo se comporta la materia en las condiciones extremas de una estrella que colapsa?
• ¿Cuáles fueron los primeros momentos después del Big Bang?
• ¿Cómo se comporta la materia en las estrellas de neutrones?

Pero estoy más interesado en lo inesperado que se puede detectar usando ondas gravitacionales. Cada vez que la gente observaba el Universo de una manera nueva, descubríamos muchas cosas inesperadas que cambiaban nuestra comprensión del Universo al revés. Quiero encontrar estas ondas gravitacionales y descubrir algo de lo que antes no teníamos idea.

¿Nos ayudará esto a hacer un impulso warp real?

Dado que las ondas gravitacionales interactúan débilmente con la materia, difícilmente se pueden usar para mover esta materia. Pero incluso si pudiera, la onda gravitacional solo viaja a la velocidad de la luz. No funcionarán para una unidad warp. Aunque sería genial.

¿Qué hay de los dispositivos antigravedad?

Para crear un dispositivo antigravedad, necesitamos convertir la fuerza de la gravedad en una fuerza de repulsión. Y aunque la onda de gravedad propaga cambios en la gravedad, este cambio nunca es repulsivo (ni negativo).

La gravedad siempre es atractiva porque la masa negativa no parece existir. Después de todo, hay una carga positiva y negativa, un polo magnético norte y sur, pero solo una masa positiva. ¿Por qué? Si existiera masa negativa, la bola de materia caería hacia arriba, no hacia abajo. Sería repelido por la masa positiva de la Tierra.

¿Qué significa esto para los viajes en el tiempo y la teletransportación? Podemos encontrar uso práctico a este fenómeno, además de estudiar nuestro Universo?

Ahora, la mejor manera de viajar en el tiempo (y solo hacia el futuro) es viajar a la velocidad cercana a la de la luz (recuerde la paradoja de los gemelos en la relatividad general) o ir a una región con mayor gravedad (este tipo de viaje en el tiempo se demostró en Interestelar). Dado que la onda gravitacional propaga cambios en la gravedad, se generarán fluctuaciones muy pequeñas en la velocidad del tiempo, pero dado que las ondas gravitacionales son inherentemente débiles, las fluctuaciones temporales también lo son. Y aunque no creo que puedas aplicar esto a los viajes en el tiempo (o la teletransportación), nunca digas nunca (apuesto a que te quedaste sin aliento).

¿Llegará el día en que dejemos de confirmar a Einstein y volvamos a buscar cosas extrañas?

¡Por supuesto! Dado que la gravedad es la más débil de las fuerzas, también es difícil experimentar con ella. Hasta ahora, cada vez que los científicos probaban la relatividad general, recibían resultados predichos con precisión. Incluso la detección de ondas gravitacionales confirmó una vez más la teoría de Einstein. Pero supongo que cuando comencemos a verificar los detalles más pequeños de la teoría (tal vez con ondas gravitacionales, tal vez con otra), encontraremos cosas "divertidas", como una coincidencia no del todo exacta del resultado del experimento con el pronóstico. Esto no significará que la relatividad general sea errónea, solo la necesidad de aclarar sus detalles.

Vídeo: ¿Cómo explotaron las ondas gravitacionales Internet?

Cada vez que respondemos a una pregunta sobre la naturaleza, aparecen otras nuevas. Al final, tendremos preguntas que serán más geniales que las respuestas que la relatividad general puede permitir.

¿Puede explicar cómo este descubrimiento podría relacionarse o afectar la teoría del campo unificado? ¿Estamos más cerca de confirmarlo o desacreditarlo?

Ahora, los resultados de nuestro descubrimiento se dedican principalmente a la verificación y confirmación de la relatividad general. La teoría de campo unificado busca una forma de crear una teoría que explique la física de muy pequeños ( mecánica cuántica) y muy grande (relatividad general). Ahora bien, estas dos teorías se pueden generalizar para explicar la escala del mundo en el que vivimos, pero nada más. Dado que nuestro descubrimiento se centra en la física de lo muy grande, por sí solo no nos hará avanzar mucho hacia una teoría unificada. Pero esa no es la pregunta. Ahora acaba de nacer el campo de la física de ondas gravitacionales. Cuando aprendamos más, definitivamente expandiremos nuestros resultados en el campo de una teoría unificada. Pero antes de trotar, debes caminar.

Ahora que escuchamos las ondas gravitacionales, ¿qué necesitan los científicos escuchar para volar literalmente el ladrillo? 1) ¿Patrones / estructuras antinaturales? 2) ¿Fuentes de ondas gravitacionales de regiones que consideramos vacías? 3) Rick Astley - ¿Nunca te rendirás?

Cuando leí tu pregunta, recordé inmediatamente la escena de "Contacto", en la que el radiotelescopio capta patrones. números primos... Es poco probable que esto se pueda encontrar en la naturaleza (hasta donde sabemos). Por lo tanto, su opción con un patrón o estructura antinatural sería lo más probable.

No creo que nunca estaremos seguros de un vacío en una región particular del espacio. Después de todo, el sistema de agujeros negros que encontramos estaba aislado y no venía luz de esta región, pero todavía encontramos ondas gravitacionales allí.

En términos de música ... me especializo en separar las señales de ondas gravitacionales del ruido estático que medimos constantemente contra el fondo. medio ambiente... Si encontrara música en la onda gravitacional, especialmente la que escuché antes, sería una broma. Pero música que nunca se ha escuchado en la Tierra ... Sería como con los casos simples de "Contact".

Dado que el experimento registra ondas al cambiar la distancia entre dos objetos, ¿es la amplitud de una dirección mayor que la de la otra? De lo contrario, ¿los datos que se leen significan que el universo está cambiando de tamaño? Y si es así, ¿es una extensión o algo inesperado?

Necesitamos ver muchas ondas gravitacionales provenientes de muchas direcciones diferentes en el universo antes de poder responder a esta pregunta. En astronomía, esto crea un modelo de población. ¿Cuántos tipos diferentes de cosas hay? Ésta es la pregunta principal. Una vez que tengamos muchas observaciones y comencemos a ver patrones inesperados, por ejemplo, que las ondas gravitacionales de cierto tipo provengan de cierta parte del Universo y de ninguna otra parte, será un resultado extremadamente interesante. Algunos patrones podrían confirmar la expansión (de la que tenemos mucha confianza) u otros fenómenos que aún no conocíamos. Pero primero es necesario ver muchas más ondas gravitacionales.

Es completamente incomprensible para mí cómo los científicos determinaron que las ondas que midieron pertenecían a dos agujeros negros supermasivos. ¿Cómo se puede identificar la fuente de las olas con tanta precisión?

Las técnicas de análisis de datos utilizan un catálogo de señales de ondas gravitacionales predichas para comparar con nuestros datos. Si existe una fuerte correlación con una de estas predicciones o patrones, entonces no solo sabemos que es una onda gravitacional, sino que también sabemos qué sistema la formó.

Todas las formas de crear una onda gravitacional, ya sea la fusión de agujeros negros, la rotación o la muerte de estrellas, todas las ondas tienen formas diferentes. Cuando detectamos una onda gravitacional, usamos estas formas como predice la relatividad general para determinar su causa.

¿Cómo sabemos que estas ondas provienen de la colisión de dos agujeros negros y no de algún otro evento? ¿Es posible predecir dónde o cuándo ocurrió tal evento con algún grado de precisión?

Una vez que sepamos qué sistema produjo la onda gravitacional, podemos predecir qué tan fuerte fue la onda gravitacional cerca de su lugar de nacimiento. Al medir su fuerza cuando llega a la Tierra y comparar nuestras medidas con la fuerza predicha de la fuente, podemos calcular qué tan lejos está la fuente. Dado que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz, también podemos calcular cuánto tiempo tardaron las ondas gravitacionales en viajar hacia la Tierra.

En el caso del sistema de agujeros negros que descubrimos, medimos el cambio máximo en la longitud de los brazos LIGO por 1/1000 del diámetro del protón. Este sistema se encuentra a 1.300 millones de años luz de distancia. La onda gravitacional, descubierta en septiembre y anunciada el otro día, se ha estado moviendo hacia nosotros durante 1.300 millones de años. Esto sucedió antes de que se formara la vida animal en la Tierra, pero después del surgimiento de organismos multicelulares.

En el momento del anuncio, se anunció que otros detectores buscarían ondas de períodos más largos, algunas de las cuales serían cósmicas. ¿Qué nos puedes contar sobre estos grandes detectores?

De hecho, hay un detector espacial en desarrollo. Se llama LISA (Antena espacial de interferómetro láser). Dado que estará en el espacio, será bastante sensible a las ondas gravitacionales de baja frecuencia, a diferencia de los detectores terrestres, debido a las vibraciones naturales de la Tierra. Será difícil, ya que los satélites tendrán que estar ubicados más lejos de la Tierra de lo que nunca lo han estado los humanos. Si algo sale mal, no podremos enviar astronautas a reparar como hicimos con el Hubble en la década de 1990. Para probar la tecnología necesaria, en diciembre se lanzó la misión LISA Pathfinder. Hasta ahora, ha hecho frente a todas las tareas establecidas, pero la misión está lejos de estar completa.

¿Se pueden convertir las ondas gravitacionales en ondas sonoras? Y si es así, ¿cómo se verán?

Poder. Por supuesto, no solo escucharás una onda gravitacional. Pero si toma la señal y la pasa a través de los altavoces, puede escucharla.

Que hacemos con esta informacion? ¿Otros objetos astronómicos con masa significativa emiten estas ondas? ¿Se pueden usar las ondas para encontrar planetas o simples agujeros negros?

Cuando se buscan valores gravitacionales, no es solo la masa lo que importa. También la aceleración que es inherente al objeto. Los agujeros negros que descubrimos giraban uno alrededor del otro al 60% de la velocidad de la luz cuando se fusionaron. Por lo tanto, pudimos detectarlos durante la fusión. Pero ahora ya no reciben ondas gravitacionales, ya que se han fusionado en una masa inactiva.

Entonces, cualquier cosa que tenga mucha masa y se mueva muy rápidamente crea ondas gravitacionales que pueden ser captadas.

Es poco probable que los exoplanetas tengan suficiente masa o aceleración para crear ondas gravitacionales detectables. (No estoy diciendo que no los creen en absoluto, solo que no serán lo suficientemente fuertes o con una frecuencia diferente). Incluso si el exoplaneta es lo suficientemente masivo como para generar las ondas necesarias, la aceleración lo destrozará. No olvide que los planetas más masivos tienden a ser gigantes gaseosos.

¿Qué tan cierta es la analogía de la onda de agua? ¿Podemos montar estas olas? ¿Hay "picos" gravitacionales como los "pozos" ya conocidos?

Dado que las ondas gravitacionales pueden moverse a través de la materia, no hay forma de montarlas o usarlas para moverse. Así que nada de surf con ondas de gravedad.

Los picos y los pozos son maravillosos. La gravedad siempre atrae porque no hay masa negativa. No sabemos por qué, pero nunca se ha observado en un laboratorio ni en el universo. Por lo tanto, la gravedad se suele representar como un "pozo". La masa que se mueve a lo largo de este "pozo" se volcará hacia adentro; así es como funciona la atracción. Si tienes masa negativa, obtendrás repulsión y con ella el "pico". La masa que se mueve en el "pico" se desviará. Entonces los "pozos" existen, pero los "picos" no.

La analogía con el agua está bien siempre que estemos hablando del hecho de que la fuerza de la ola disminuye con la distancia recorrida desde la fuente. La onda de agua se volverá cada vez más pequeña y la onda gravitacional se debilitará cada vez más.

¿Cómo afectará este descubrimiento a nuestra descripción del período inflacionario del Big Bang?

Por el momento, este descubrimiento tiene poco o ningún efecto sobre la inflación. Para hacer declaraciones como esta, es necesario observar las ondas gravitacionales relictas del Big Bang. El proyecto BICEP2 creía que estaba observando indirectamente estas ondas gravitacionales, pero resultó que el culpable era el polvo cósmico. Si obtiene los datos que necesita, también confirmará la existencia de un breve período de inflación poco después del Big Bang.

LIGO podrá ver estas ondas gravitacionales directamente (este también será el tipo más débil de ondas gravitacionales que esperamos detectar). Si los vemos, podremos mirar profundamente en el pasado del Universo, como no miramos antes, y juzgar la inflación a partir de los datos recibidos.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Ondas gravitacionales - cambios en el campo gravitacional que se propagan como ondas. Son emitidos por masas en movimiento, pero después de la radiación se desprenden de ellas y existen independientemente de estas masas. Matemáticamente relacionado con la perturbación de la métrica del espacio-tiempo y puede describirse como "ondas del espacio-tiempo".

En la relatividad general y la mayoría de los demás teorías modernas gravedad Las ondas gravitacionales son generadas por el movimiento de cuerpos masivos con aceleración variable. Las ondas gravitacionales se propagan libremente en el espacio a la velocidad de la luz. Debido a la relativa debilidad de las fuerzas gravitacionales (en comparación con otras), estas ondas tienen una magnitud muy pequeña, que es difícil de registrar.

Las ondas gravitacionales son predichas por la relatividad general (GR). Fueron detectados directamente por primera vez en septiembre de 2015 por dos detectores gemelos LIGO, que registraron ondas gravitacionales, probablemente de la fusión de dos agujeros negros y la formación de uno más masivo giratorio. calabozo... La evidencia indirecta de su existencia se conoce desde la década de 1970: la relatividad general predice las tasas de convergencia de sistemas cercanos que coinciden con las observaciones. estrellas dobles debido a la pérdida de energía por la radiación de ondas gravitacionales. El registro directo de ondas gravitacionales y su uso para determinar los parámetros de los procesos astrofísicos es una tarea importante de la física y la astronomía modernas.

Si imaginamos nuestro espacio-tiempo como una cuadrícula de coordenadas, entonces las ondas gravitacionales son perturbaciones, ondas que correrán a lo largo de la cuadrícula cuando cuerpos masivos (por ejemplo, agujeros negros) distorsionen el espacio a su alrededor.

Se puede comparar a un terremoto. Imagina que vives en una ciudad. Tiene una especie de marcadores que crean un espacio urbano: casas, árboles, etc. Están inmóviles. Cuando en algún lugar cercano a la ciudad sucede gran terremoto, las vibraciones nos llegan, e incluso las casas y los árboles inmóviles comienzan a vibrar. Estas vibraciones son las ondas gravitacionales; y los objetos que vibran son el espacio y el tiempo.

¿Por qué los científicos no han podido registrar ondas gravitacionales durante tanto tiempo?

Los esfuerzos concretos para detectar ondas gravitacionales comenzaron en el período de posguerra con algunos ingenuos dispositivos, cuya sensibilidad, obviamente, no podría ser suficiente para detectar tales fluctuaciones. Con el tiempo, quedó claro que los detectores de búsqueda deben ser de gran escala y deben utilizar tecnología láser moderna. Es con el desarrollo de las tecnologías láser modernas que se hizo posible controlar la geometría, cuyas perturbaciones son la onda gravitacional. Los poderosos avances en tecnología jugaron un papel clave en este descubrimiento. No importa cuán brillantes fueran los científicos, hace 30-40 años era técnicamente imposible hacer esto.

¿Por qué la detección de ondas es tan importante para la física?

Las ondas gravitacionales fueron predichas por Albert Einstein en relatividad general hace unos cien años. A lo largo del siglo XX, hubo físicos que cuestionaron esta teoría, aunque aparecieron cada vez más confirmaciones. Y la presencia de ondas gravitacionales es una confirmación fundamental de la teoría.

Además, antes de registrar ondas gravitacionales, sabíamos cómo se comporta la gravedad solo a través del ejemplo de la mecánica celeste, interacción cuerpos celestiales... Pero estaba claro que el campo gravitacional tiene ondas y el espacio-tiempo puede deformarse de manera similar. El hecho de que no hayamos visto ondas gravitacionales antes era un punto ciego en la física moderna. Ahora que esta mancha blanca se ha cerrado, se ha colocado otro ladrillo en la base de la teoría física moderna. Este es un descubrimiento fundamental. Nada comparable para últimos años no tenía.

"Esperando ondas y partículas" - documental sobre la búsqueda de ondas gravitacionales(por Dmitry Zavilgelskiy)

También hay un punto práctico en el registro de ondas gravitacionales. Probablemente despues mayor desarrollo tecnologías será posible hablar sobre astronomía gravitacional, sobre cómo observar los rastros de los eventos de mayor energía en el Universo. Pero ahora es demasiado pronto para hablar de esto, estamos hablando solo del hecho mismo del registro de ondas, y no de aclarar las características de los objetos que generan estas ondas.