Ondas gravitacionales largas de la imagen en conexión. ¡Las ondas gravitacionales están abiertas! Generando ondas gravitacionales

Mueva la mano y las ondas gravitacionales se extenderán por todo el Universo.
S. Popov, M. Prokhorov. Ondas fantasmas del universo

En astrofísica, ha ocurrido un evento que lleva décadas esperando. Después de medio siglo de búsqueda, finalmente se han descubierto las ondas gravitacionales, las oscilaciones del propio espacio-tiempo, predichas por Einstein hace cien años. El 14 de septiembre de 2015, el observatorio LIGO actualizado registró un estallido de ondas gravitacionales generadas por la fusión de dos agujeros negros con masas de 29 y 36 masas solares en una galaxia distante a una distancia de aproximadamente 1.300 millones de años luz. La astronomía de ondas gravitacionales se ha convertido en una rama completa de la física; nos ha abierto una nueva forma de observar el Universo y nos permitirá estudiar los efectos previamente inaccesibles de la fuerte gravedad.

Ondas gravitacionales

Se pueden inventar diferentes teorías de la gravedad. Todos ellos describirán igualmente bien nuestro mundo, siempre y cuando nos limitemos a una y solo su manifestación: la ley de Newton de la gravitación universal. Pero hay otros efectos gravitacionales más sutiles que se han probado experimentalmente en la escala del sistema solar y apuntan a una teoría en particular: la relatividad general (GR).

La relatividad general no es solo un conjunto de fórmulas, es una visión fundamental de la esencia de la gravedad. Si en la física ordinaria el espacio sirve sólo como fondo, un contenedor para fenomeno fisico, entonces, en la relatividad general, él mismo se convierte en un fenómeno, una cantidad dinámica que cambia de acuerdo con las leyes de la relatividad general. Son estas distorsiones del espacio-tiempo con respecto a un fondo uniforme - o, en el lenguaje de la geometría, distorsiones de la métrica del espacio-tiempo - y se sienten como gravedad. En resumen, la relatividad general revela el origen geométrico de la gravedad.

La relatividad general tiene una predicción importante: ondas gravitacionales. Se trata de distorsiones del espacio-tiempo, que son capaces de "separarse de la fuente" y, de forma autosuficiente, volar. Es la gravedad en sí misma, de nadie, la suya. Albert Einstein finalmente formuló la relatividad general en 1915 y se dio cuenta casi de inmediato de que las ecuaciones que obtuvo admiten la existencia de tales ondas.

Como ocurre con cualquier teoría honesta, una predicción tan clara de la relatividad general debe verificarse experimentalmente. Cualquier cuerpo en movimiento puede emitir ondas gravitacionales: planetas, una piedra lanzada hacia arriba y un movimiento de la mano. El problema, sin embargo, es que la interacción gravitacional es tan débil que ninguna configuración experimental es capaz de detectar la radiación. ondas gravitacionales de "emisores" ordinarios.

Para "impulsar" una onda poderosa, es necesario distorsionar enormemente el espacio-tiempo. La variante ideal son dos agujeros negros que giran uno alrededor del otro en una danza cercana, a una distancia del orden de su radio gravitacional (Fig. 2). Las distorsiones de la métrica serán tan fuertes que una parte notable de la energía de este par se irradiará en ondas gravitacionales. Al perder energía, el par se acercará, girando cada vez más rápido, distorsionando la métrica cada vez más y generando ondas gravitacionales aún más fuertes, hasta que, finalmente, se produce una reestructuración radical de todo el campo gravitacional de este par y los dos agujeros negros se fusionan. en uno.

Tal fusión de agujeros negros es una explosión de tremendo poder, pero toda esta energía irradiada no pasa a la luz, ni a las partículas, sino a las vibraciones del espacio. La energía irradiada constituirá una parte notable de la masa original de los agujeros negros, y esta radiación se esparcirá en una fracción de segundo. Fluctuaciones similares darán lugar a fusiones de estrellas de neutrones. Una liberación de energía de ondas gravitacionales ligeramente más débil acompaña a otros procesos, por ejemplo, el colapso de un núcleo de supernova.

El estallido de ondas gravitacionales de la fusión de dos objetos compactos tiene un perfil muy específico y bien calculado, que se muestra en la Fig. 3. El período de oscilación lo establece el movimiento orbital de dos objetos uno alrededor del otro. Las ondas gravitacionales se llevan la energía; como resultado, los objetos se acercan y giran más rápido, y esto se puede ver tanto en la aceleración de las oscilaciones como en la amplificación de la amplitud. En algún momento, se produce una fusión, se emite la última onda fuerte y luego sigue un "anillo posterior" de alta frecuencia ( ringdown) - la sacudida del agujero negro formado, que "arroja" todas las distorsiones no esféricas (esta etapa no se muestra en la imagen). Conocer este perfil de firma ayuda a los físicos a buscar una señal débil de dicha fusión en datos de detectores muy ruidosos.

Las oscilaciones de la métrica del espacio-tiempo, el eco de ondas gravitacionales de una explosión grandiosa, se esparcirán por el Universo en todas las direcciones desde la fuente. Su amplitud se debilita con la distancia, por analogía con la forma en que el brillo de una fuente puntual disminuye con la distancia a ella. Cuando un estallido de una galaxia distante llega a la Tierra, las fluctuaciones métricas serán del orden de 10-22 o incluso menos. En otras palabras, la distancia entre objetos que no están conectados físicamente entre sí aumentará y disminuirá periódicamente en una cantidad tan relativa.

El orden de magnitud de este número es fácil de obtener a partir de consideraciones de escala (ver el artículo de V.M. Lipunov). En el momento de la fusión de estrellas de neutrones o agujeros negros de masas estelares, las distorsiones de la métrica justo al lado de ellos son muy grandes, del orden de 0,1, por lo que hay una gravedad fuerte. Una distorsión tan severa afecta a una región del orden del tamaño de estos objetos, es decir, varios kilómetros. Con la distancia de la fuente, la amplitud de la oscilación cae en proporción inversa a la distancia. Esto significa que a una distancia de 100 Mpc = 3 × 10 21 km, la amplitud de oscilación se reducirá en 21 órdenes de magnitud y se convertirá en aproximadamente 10-22.

Por supuesto, si la fusión tiene lugar en nuestra galaxia de origen, los temblores del espacio-tiempo que han llegado a la Tierra serán mucho más fuertes. Pero tales eventos ocurren cada pocos miles de años. Por lo tanto, realmente debería contar solo con un detector de este tipo que pueda detectar la fusión de estrellas de neutrones o agujeros negros a una distancia de decenas a cientos de megaparsecs, lo que significa que cubrirá muchos miles y millones de galaxias.

Cabe agregar aquí que ya se ha descubierto una indicación indirecta de la existencia de ondas gravitacionales, e incluso se le otorgó el Premio Nobel de Física de 1993. Las observaciones a largo plazo del púlsar en el sistema binario PSR B1913 + 16 han demostrado que el período orbital disminuye exactamente a la velocidad predicha por la relatividad general, teniendo en cuenta las pérdidas de energía debidas a la radiación gravitacional. Por esta razón, prácticamente ningún científico duda de la realidad de las ondas gravitacionales; la única pregunta es cómo atraparlos.

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La búsqueda de ondas gravitacionales comenzó hace aproximadamente medio siglo y casi de inmediato se convirtió en una sensación. Joseph Weber de la Universidad de Maryland diseñó el primer detector resonante: un cilindro de aluminio de una sola pieza de dos metros con sensores piezoeléctricos sensibles en los lados y buen aislamiento de vibraciones de vibraciones extrañas (Fig. 4). Cuando pasa una onda gravitacional, el cilindro resuena en el tiempo con las distorsiones del espacio-tiempo, que deberían ser registradas por los sensores. Weber construyó varios detectores de este tipo, y en 1969, después de analizar sus lecturas durante una de las sesiones, dijo en texto plano que había registrado el "sonido de ondas gravitacionales" en varios detectores espaciados a dos kilómetros entre sí (J. Weber , 1969. Evidencia del descubrimiento de la radiación gravitacional). La amplitud de las fluctuaciones declaradas por él resultó ser increíblemente grande, del orden de 10-16, es decir, un millón de veces mayor que el valor esperado típico. El mensaje de Weber fue recibido con gran escepticismo en la comunidad científica; Además, otros grupos experimentales, armados con detectores similares, no pudieron captar ni una sola señal similar en el futuro.

Sin embargo, los esfuerzos de Weber dieron impulso a toda esta área de investigación y lanzaron la búsqueda de las olas. Desde la década de 1970, gracias a los esfuerzos de Vladimir Braginsky y sus colegas de la Universidad Estatal de Moscú, la URSS también entró en esta carrera (ver sobre la ausencia de señales de ondas gravitacionales). Una historia interesante sobre esos tiempos está en el ensayo Si una niña cae en un agujero ... Braginsky, por cierto, es uno de los clásicos de toda la teoría de las medidas ópticas cuánticas; Primero llegó al concepto del límite cuántico estándar de medición, una limitación clave en las mediciones ópticas, y mostró cómo, en principio, pueden superarse. Se mejoró el esquema resonante de Weber y, gracias al enfriamiento profundo de la instalación, el ruido se redujo drásticamente (ver la lista y el historial de estos proyectos). Sin embargo, la precisión de tales detectores totalmente metálicos todavía era insuficiente para detectar de manera confiable los eventos esperados y, además, están sintonizados para resonar solo en un rango de frecuencia muy estrecho cerca de kilohercios.

Los detectores parecían ser mucho más prometedores, en los que no se usa un objeto resonante, pero se rastrea la distancia entre dos cuerpos suspendidos independientemente, no conectados, por ejemplo, dos espejos. Debido a la fluctuación del espacio causada por la onda gravitacional, la distancia entre los espejos será un poco mayor, a veces un poco menor. En este caso, cuanto mayor sea la longitud del brazo, mayor será el desplazamiento absoluto causado por una onda gravitacional de una amplitud determinada. Estas vibraciones se pueden sentir por el rayo láser que corre entre los espejos. Tal esquema es capaz de registrar oscilaciones en un amplio rango de frecuencia, desde 10 hercios hasta 10 kilohercios, y este es exactamente el intervalo en el que se emitirán pares de estrellas de neutrones fusionados o agujeros negros de masas estelares.

La implementación moderna de esta idea basada en el interferómetro de Michelson es la siguiente (Fig. 5). Los espejos están suspendidos en dos cámaras de vacío de varios kilómetros de largo, perpendiculares entre sí. A la entrada de la instalación, el rayo láser se divide, atraviesa ambas cámaras, se refleja en los espejos, regresa y se vuelve a conectar en un espejo semitransparente. El factor de calidad del sistema óptico es extremadamente alto, por lo que el rayo láser no solo va y viene una vez, sino que se retrasa en esta cavidad óptica durante mucho tiempo. En el estado "silencioso", las longitudes se eligen de modo que los dos haces después de la reunificación se extingan entre sí en la dirección del sensor, y luego el fotodetector está en plena sombra. Pero tan pronto como los espejos se muevan una distancia microscópica bajo la acción de ondas gravitacionales, la compensación de los dos rayos se vuelve incompleta y el fotodetector captará la luz. Y cuanto más fuerte sea el desplazamiento, más brillante será la luz que verá el fotosensor.

Las palabras "desplazamiento microscópico" ni siquiera se acercan a captar la sutileza del efecto. El desplazamiento de los espejos por la longitud de onda de la luz, es decir, micrones, es fácil de notar, incluso sin ajustes. Pero con una longitud de brazo de 4 km, esto corresponde a oscilaciones espacio-temporales con una amplitud de 10 −10. Notar el desplazamiento de los espejos por el diámetro del átomo tampoco es un problema: basta con lanzar un rayo láser que se desplazará hacia adelante y hacia atrás miles de veces y obtendrá la incursión de fase requerida. Pero incluso esto da la fuerza de 10-14. ¡Y tenemos que bajar la escala de los desplazamientos millones de veces más, es decir, aprender a registrar un desplazamiento en el espejo ni siquiera en un átomo, sino en milésimas de núcleo atómico!

Los físicos tuvieron que superar muchas dificultades en el camino hacia esta tecnología verdaderamente asombrosa. Algunos de ellos son puramente mecánicos: necesita colgar espejos masivos en una suspensión que cuelga de otra suspensión, que en una tercera suspensión, y así sucesivamente, y todo para eliminar las vibraciones externas tanto como sea posible. Otros problemas también son instrumentales, pero ópticos. Por ejemplo, cuanto más potente sea el haz que circula en sistema óptico, el fotosensor puede ver el desplazamiento de los espejos más débil. Pero un rayo demasiado potente calentará de manera desigual los elementos ópticos, lo que afectará negativamente a las propiedades del rayo en sí. Este efecto debe ser compensado de alguna manera, y para esto, en la década de 2000, se lanzó todo un programa de investigación sobre este tema (para una historia sobre este estudio, vea la noticia Superando un obstáculo en el camino hacia un detector de ondas gravitacionales altamente sensible ". Elements ", 27/06/2006). Finalmente, existen limitaciones físicas puramente fundamentales asociadas con el comportamiento cuántico de los fotones en el resonador y el principio de incertidumbre. Limitan la sensibilidad del sensor a un valor llamado límite cuántico estándar. Sin embargo, los físicos ya han aprendido a superarlo con la ayuda de un estado cuántico de luz láser inteligentemente preparado (J. Aasi et al., 2013. Sensibilidad mejorada del detector de ondas gravitacionales LIGO mediante el uso de estados de luz comprimidos).

Hay una lista completa de países en la carrera por las ondas gravitacionales; Rusia también tiene su propia instalación, en el Observatorio Baksan, y, por cierto, se describe en el documental de divulgación científica de Dmitry Zavilgelsky. "Esperando ondas y partículas"... Los líderes de esta carrera son ahora dos laboratorios: Proyecto americano LIGO y el detector Virgo italiano. LIGO incluye dos detectores idénticos ubicados en Hanford, Washington y Livingston, Louisiana, a 3.000 km de distancia. Tener dos instalaciones es importante por dos razones a la vez. Primero, la señal se considerará registrada solo si ambos detectores la ven al mismo tiempo. Y en segundo lugar, por la diferencia en la llegada de un estallido de onda gravitacional en dos instalaciones, y puede alcanzar los 10 milisegundos, es posible determinar aproximadamente de qué parte del cielo proviene esta señal. Es cierto que con dos detectores el error será muy grande, pero cuando Virgo entre en funcionamiento, la precisión aumentará notablemente.

Estrictamente hablando, la idea de la detección interferométrica de ondas gravitacionales fue propuesta por primera vez por los físicos soviéticos M.E. Hertsenstein y V.I. Pustovoit en 1962. Luego, se inventó el láser y Weber se dedicó a crear sus detectores resonantes. Sin embargo, este artículo no se notó en Occidente y, en verdad, no afectó el desarrollo proyectos reales(ver el resumen histórico Física de la detección de ondas gravitacionales: detectores resonantes e interferométricos).

El observatorio de gravedad LIGO fue iniciado por tres científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y el Instituto de Tecnología de California (Caltech). Se trata de Rainer Weiss, quien implementó la idea de un detector interferométrico de ondas gravitacionales, Ronald Drever, que logró suficiente estabilidad de luz láser para registrarse, y Kip Thorne, el teórico-maestro del proyecto, ahora bien conocido por el público en general. como asesor científico de la película "Interstellar". O historia temprana Las creaciones de LIGO se pueden leer en una entrevista reciente con Rainer Weiss y en un flashback de John Preskill.

Las actividades relacionadas con el proyecto de detección interferométrica de ondas gravitacionales comenzaron a fines de la década de 1970, y en un principio la realidad de esta aventura también fue cuestionada por muchos. Sin embargo, después de demostrar una serie de prototipos, se redactó y aprobó el proyecto actual de LIGO. Fue construido a lo largo de la última década del siglo XX.

Aunque el impulso inicial del proyecto provino de los Estados Unidos, LIGO es un proyecto verdaderamente internacional. Quince países han invertido en él, económica e intelectualmente, y más de mil personas son miembros de la colaboración. Los físicos soviéticos y rusos jugaron un papel importante en la implementación del proyecto. Desde el principio, el grupo ya mencionado de Vladimir Braginsky de la Universidad Estatal de Moscú participó activamente en la implementación del proyecto LIGO, y luego el Instituto de Física Aplicada de Nizhny Novgorod se unió a la colaboración.

El observatorio LIGO se puso en funcionamiento en 2002 y hasta 2010 se llevaron a cabo seis sesiones de observación científica. No se detectaron de manera confiable ráfagas de ondas gravitacionales, y los físicos solo pudieron establecer límites superiores en la frecuencia de tales eventos. Sin embargo, esto no los sorprendió demasiado: las estimaciones mostraban que en esa parte del Universo, que luego fue "escuchada" por el detector, la probabilidad de un cataclismo suficientemente poderoso era pequeña: aproximadamente una vez cada varias décadas.

Tramo de casa

De 2010 a 2015, las colaboraciones de LIGO y Virgo modernizaron radicalmente el equipo (Virgo, sin embargo, todavía está en proceso de preparación). Y ahora el objetivo tan esperado estaba a la vista. LIGO - o mejor dicho, aLIGO ( LIGO avanzado) - ahora estaba listo para captar ráfagas generadas por estrellas de neutrones a una distancia de 60 megaparsecs, y agujeros negros - cientos de megaparsecs. El volumen del Universo, abierto a la escucha de ondas gravitacionales, se ha multiplicado por diez en comparación con las sesiones anteriores.

Por supuesto, es imposible predecir cuándo y dónde será la próxima onda gravitacional "explosión". Pero la sensibilidad de los detectores actualizados permitió contar con varias fusiones de estrellas de neutrones por año, por lo que ya se podía esperar la primera explosión durante la primera sesión de observación de cuatro meses. Si hablamos de todo el proyecto aLIGO que duró varios años, entonces el veredicto fue extremadamente claro: o caerán ráfagas una tras otra, o algo en la relatividad general no funciona en principio. Ambos serán grandes revelaciones.

Del 18 de septiembre de 2015 al 12 de enero de 2016 se llevó a cabo la primera sesión de observación de aLIGO. Durante todo este tiempo, circularon rumores sobre el registro de ondas gravitacionales en Internet, pero la colaboración se mantuvo en silencio: "estamos recopilando y analizando datos y aún no estamos listos para reportar los resultados". Una intriga adicional fue creada por el hecho de que en el proceso de análisis, los propios miembros de la colaboración no pueden estar completamente seguros de que están viendo un estallido real de ondas gravitacionales. El hecho es que en LIGO, una ráfaga generada por computadora a veces se introduce artificialmente en el flujo de datos reales. Se llama "inyección a ciegas", y de todo el grupo solo tres personas (!) Tienen acceso al sistema, que lo realiza en un momento arbitrario. El equipo debe rastrear este aumento, analizarlo de manera responsable, y solo en las últimas etapas del análisis "las tarjetas se abren" y los miembros de la colaboración descubrirán si fue evento real o una prueba de vigilancia. Por cierto, en uno de esos casos en 2010, llegó incluso a escribir un artículo, pero la señal detectada resultó ser solo un "relleno ciego".

Digresión lírica

Para volver a sentir la solemnidad del momento, propongo mirar esta historia desde el otro lado, desde el interior de la ciencia. Cuando es difícil, inaccesible tarea científica no se presta a varios años; este es un momento de trabajo normal. Cuando no se rinde durante más de una generación, se percibe de una manera completamente diferente.

Como colegial, lees libros de divulgación científica y aprendes sobre este acertijo científico difícil de resolver, pero tremendamente interesante. Como estudiante, estudias física, haces informes y, a veces, al grano o no, las personas que te rodean te recuerdan su existencia. Luego, usted mismo hace ciencia, trabaja en otra área de la física, pero escucha regularmente acerca de intentos fallidos de resolverlo. Usted, por supuesto, comprende que en algún lugar se está trabajando activamente para resolverlo, pero el resultado final para usted como persona externa permanece sin cambios. El problema se percibe como un fondo estático, como una decoración, como un elemento eterno y casi inmutable de la física en la escala de su vida científica. Como una tarea que siempre ha sido y será.

Y luego lo resuelven. Y de repente, en una escala de varios días, sientes que la imagen física del mundo ha cambiado y que ahora es necesario formularla en diferentes expresiones y hacer otras preguntas.

Para las personas que trabajan directamente en la búsqueda de ondas gravitacionales, esta tarea, por supuesto, no se mantuvo sin cambios. Ven el objetivo, saben lo que se necesita lograr. Ellos, por supuesto, esperan que la naturaleza también los encuentre y los arroje en algunos galaxia cercana una oleada poderosa, pero al mismo tiempo entienden que incluso si la naturaleza no es tan solidaria, ya no se esconderá de los científicos. La única pregunta es cuándo exactamente podrán lograr sus objetivos técnicos. La historia de este sentimiento de un hombre que ha estado buscando ondas gravitacionales durante varias décadas se puede escuchar en la película ya mencionada. "Esperando ondas y partículas".

Apertura

En la Fig. 7 muestra el resultado principal: el perfil de la señal registrada por ambos detectores. Se puede ver que, en el contexto del ruido, al principio, la oscilación de la forma deseada aparece débilmente y luego aumenta en amplitud y frecuencia. La comparación con los resultados de las simulaciones numéricas nos permitió averiguar qué objetos observamos fusionándose: eran agujeros negros con masas de aproximadamente 36 y 29 masas solares, que se fusionaban en un agujero negro con una masa de 62 masas solares (el error de todos estos números, correspondientes a un intervalo de confianza del 90%, son 4 masas solares). Los autores señalan de pasada que el agujero negro resultante es el agujero negro de masa estelar más pesada jamás observado. La diferencia entre la masa total de los dos objetos originales y el agujero negro final es de 3 ± 0,5 masas solares. Este defecto de masa gravitacional en unos 20 milisegundos se transformó por completo en la energía de las ondas gravitacionales emitidas. Los cálculos mostraron que la potencia máxima de las ondas gravitacionales alcanzó 3,6 · 10 56 erg / s, o, en términos de masa, alrededor de 200 masas solares por segundo.

La significancia estadística de la señal detectada es 5.1σ. En otras palabras, si asumimos que estas fluctuaciones estadísticas se superpusieron entre sí y produjeron accidentalmente un estallido similar, tal evento tendría que esperar 200 mil años. Esto nos permite afirmar con confianza que la señal detectada no es una fluctuación.

El tiempo de demora entre los dos detectores fue de aproximadamente 7 milisegundos. Esto permitió estimar la dirección de llegada de la señal (Fig. 9). Como solo hay dos detectores, la localización resultó ser muy aproximada: la región de la esfera celeste adecuada en términos de parámetros es de 600 grados cuadrados.

La colaboración de LIGO no se limitó a señalar el hecho del registro de ondas gravitacionales, sino que también realizó el primer análisis de las consecuencias que esta observación tiene para la astrofísica. En el artículo Implicaciones astrofísicas de la fusión de agujeros negros binarios GW150914, publicado el mismo día en la revista Las cartas del diario astrofísico, los autores estimaron la frecuencia con la que se producen tales fusiones de agujeros negros. Resultó al menos una fusión en un gigaparsec cúbico por año, lo que concuerda con las predicciones de los modelos más optimistas al respecto.

¿Qué te dicen las ondas gravitacionales?

El descubrimiento de un nuevo fenómeno después de décadas de búsqueda no es el final, sino solo el comienzo de una nueva rama de la física. Por supuesto, el registro de ondas gravitacionales de la fusión de los dos negros es importante en sí mismo. Esta es una prueba directa de la existencia de agujeros negros, y la existencia de agujeros negros dobles, y la realidad de las ondas gravitacionales y, en general, una prueba de la corrección del enfoque geométrico de la gravedad, en el que se basa la relatividad general. Pero para los físicos, no menos valioso es el hecho de que la astronomía de ondas gravitacionales se está convirtiendo en una nueva herramienta de investigación, lo que les permite estudiar lo que antes era inaccesible.

Primero, es una nueva forma de ver el Universo y estudiar los cataclismos cósmicos. No hay obstáculos para las ondas gravitacionales, atraviesan todo el Universo sin ningún problema. Son autosuficientes: su perfil contiene información sobre el proceso que los generó. Finalmente, si una explosión grandiosa genera un estallido óptico, de neutrinos y gravitacional, entonces puede intentar atraparlos a todos, compararlos entre sí y descubrir con detalles previamente inaccesibles lo que sucedió allí. Poder captar y comparar señales tan diferentes de un evento es el objetivo principal de la astronomía de todas las señales.

Cuando los detectores de ondas gravitacionales se vuelvan aún más sensibles, podrán registrar el temblor del espacio-tiempo no en el momento mismo de la fusión, sino unos segundos antes. Enviarán automáticamente su señal de alerta a la red común de estaciones de observación, y los satélites-telescopios astrofísicos, habiendo calculado las coordenadas de la fusión propuesta, tendrán tiempo de girar en la dirección correcta en estos segundos y empezar a disparar al cielo antes que el óptico. comienza la ráfaga.

En segundo lugar, el estallido de ondas gravitacionales te permitirá aprender cosas nuevas sobre las estrellas de neutrones. La fusión de estrellas de neutrones es, de hecho, el último y más extremo experimento sobre estrellas de neutrones que la naturaleza puede realizar para nosotros, y nosotros, como espectadores, solo tendremos que observar los resultados. Las consecuencias observacionales de tal fusión pueden variar (Fig. 10), y al escribir sus estadísticas, podemos comprender mejor el comportamiento de las estrellas de neutrones en condiciones tan exóticas. Visión general lo último Se pueden encontrar casos en esta dirección en la publicación reciente S. Rosswog, 2015. Imagen de múltiples mensajeros de fusiones binarias compactas.

En tercer lugar, el registro de una explosión proveniente de una supernova y su comparación con las observaciones ópticas nos permitirá finalmente comprender los detalles de lo que está sucediendo en el interior, al comienzo del colapso. Ahora los físicos todavía tienen dificultades con el modelado numérico de este proceso.

Cuarto, los físicos que se ocupan de la teoría de la gravedad tienen un codiciado "laboratorio" para estudiar los efectos de la gravedad fuerte. Hasta ahora, todos los efectos de la relatividad general que pudimos observar directamente estaban relacionados con la gravedad en campos débiles. Lo que sucede en condiciones de fuerte gravedad, cuando las distorsiones del espacio-tiempo comienzan a interactuar fuertemente con ellas mismas, solo podríamos adivinarlo a partir de manifestaciones indirectas, a través del eco óptico de catástrofes cósmicas.

En quinto lugar, existe una nueva oportunidad para probar exóticas teorías de la gravedad. Tales teorías en física moderna ya mucho, ver, por ejemplo, el capítulo dedicado a ellos del popular libro de A. N. Petrov "Gravity". Algunas de estas teorías se asemejan a la relatividad general ordinaria en el límite de campo débil, pero pueden ser muy diferentes de ella cuando la gravedad se vuelve muy fuerte. Otros admiten la existencia de un nuevo tipo de polarización para las ondas gravitacionales y predicen una velocidad ligeramente diferente a la de la luz. Finalmente, hay teorías que incluyen dimensiones espaciales adicionales. Lo que se puede decir sobre ellos sobre la base de las ondas gravitacionales es una pregunta abierta, pero está claro que aquí se puede sacar provecho de cierta información. También recomendamos leer la opinión de los propios astrofísicos sobre lo que cambiará con el descubrimiento de las ondas gravitacionales en la selección de Post Science.

Planes para el futuro

Las perspectivas para la astronomía de ondas gravitacionales son muy alentadoras. Ahora solo ha terminado la primera, la sesión de observación más corta del detector aLIGO, y ya en este corto tiempo se captó una señal clara. Sería más exacto decir esto: la primera señal se captó incluso antes del inicio oficial, y la colaboración aún no ha informado sobre los cuatro meses de trabajo. Quién sabe, tal vez ya haya algunas ráfagas adicionales allí. De una forma u otra, pero además, a medida que aumenta la sensibilidad de los detectores y se expande la parte del Universo disponible para las observaciones de ondas gravitacionales, el número de eventos registrados crecerá como una avalancha.

El calendario esperado de sesiones de la red LIGO-Virgo se muestra en la Fig. 11. La segunda sesión de seis meses comenzará a fines de este año, la tercera sesión durará casi todo el 2018 y en cada etapa aumentará la sensibilidad del detector. En la región de 2020, aLIGO debería alcanzar la sensibilidad planificada, lo que permitirá al detector sondear el Universo en busca de una fusión de estrellas de neutrones ubicadas a una distancia de hasta 200 Mpc de nosotros. Para eventos aún más enérgicos de fusiones de agujeros negros, la sensibilidad puede alcanzar casi un gigaparsec. De una forma u otra, el volumen del Universo disponible para la observación aumentará diez veces más en comparación con la primera sesión.

El renovado laboratorio italiano Virgo también entrará en juego a finales de este año. Su sensibilidad es ligeramente inferior a la de LIGO, pero también es bastante decente. Gracias al método de triangulación, un triple de detectores espaciados permitirá reconstruir mucho mejor la posición de las fuentes en la esfera celeste. Si ahora, con dos detectores, el área de localización alcanza cientos de grados cuadrados, entonces tres detectores la reducirán a decenas. Además, una antena de ondas gravitacionales similar KAGRA está actualmente en construcción en Japón, que comenzará a operar en dos o tres años, y en India, en la región de 2022, se planea lanzar el detector LIGO-India. Como resultado, varios años después, una red completa de detectores de ondas gravitacionales funcionará y registrará señales con regularidad (Fig. 13).

Finalmente, hay planes para lanzar instrumentos de ondas gravitacionales al espacio, en particular el proyecto eLISA. Hace dos meses, se puso en órbita el primer satélite de prueba, cuya tarea será probar tecnologías. La detección real de ondas gravitacionales aún está lejos de aquí. Pero cuando este grupo de satélites comience a recopilar datos, abrirá otra ventana al universo, a través de ondas gravitacionales de baja frecuencia. Este enfoque de ondas gravitacionales es el principal objetivo a largo plazo de esta área.

Paralelas

El descubrimiento de ondas gravitacionales se ha convertido en el tercer caso en los últimos años en que los físicos finalmente han superado todos los obstáculos y han llegado a las sutilezas previamente desconocidas de la estructura de nuestro mundo. En 2012, se descubrió el bosón de Higgs, una partícula predicha casi medio siglo después. En 2013, el detector de neutrinos IceCube demostró la realidad de los neutrinos astrofísicos y comenzó a "mirar el universo" de una manera completamente nueva, previamente inaccesible, a través de neutrinos de alta energía. Y ahora la naturaleza ha sucumbido al hombre una vez más: se ha abierto una "ventana" de ondas gravitacionales para observar el universo y, al mismo tiempo, los efectos de la fuerte gravedad están disponibles para su estudio directo.

Debo decir, en ninguna parte aquí hubo ningún "obsequio" de la naturaleza. La búsqueda se llevó a cabo durante mucho tiempo, pero no cedió porque entonces, hace décadas, el equipo no alcanzó el resultado en términos de energía, escala o sensibilidad. Fue el desarrollo constante y decidido de tecnologías lo que condujo a la meta, un desarrollo que no se detuvo ni por dificultades técnicas ni por los resultados negativos de años anteriores.

Y en los tres casos, el hecho mismo del descubrimiento no fue el final, sino, por el contrario, el comienzo de una nueva dirección de investigación, se convirtió en un nuevo instrumento para sondear nuestro mundo. Las propiedades del bosón de Higgs se volvieron medibles y, con estos datos, los físicos están tratando de discernir los efectos de la Nueva Física. Gracias al aumento de las estadísticas de neutrinos de alta energía, la astrofísica de neutrinos está dando sus primeros pasos. Al menos ahora se espera lo mismo de la astronomía de ondas gravitacionales, y hay muchas razones para el optimismo.

Fuentes:
1) LIGO Scientific Coll. y Virgo Coll. Observación de ondas gravitacionales de una fusión binaria de agujeros negros // Phys. Rvdo. Letón. Publicado el 11 de febrero de 2016.
2) Documentos de detección: una lista de artículos técnicos que acompañan al artículo de descubrimiento principal.
3) E. Berti. Punto de vista: Los primeros sonidos de la fusión de agujeros negros // Física. 2016. V. 9.N. 17.

Materiales de revisión:
1) David Blair y col. Astronomía de ondas gravitacionales: el estado actual // arXiv: 1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott y LIGO Scientific Collaboration y Virgo Collaboration. Perspectivas para observar y localizar transitorios de ondas gravitacionales con Advanced LIGO y Advanced Virgo // Rev. Viviente Relatividad... 2016. V. 19.N. 1.
3) O. D. Aguiar. Pasado, presente y futuro de los detectores de ondas gravitacionales de masa resonante // Res. Astron. Astrophys. 2011. V. 11.N. 1.
4) La búsqueda de ondas gravitacionales: una selección de materiales en el sitio web de la revista. Ciencias en la búsqueda de ondas gravitacionales.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Detección de ondas gravitacionales por interferometría (tierra y espacio) // arXiv: 1102.3355.
6) V. B. Braginsky. Astronomía de ondas gravitacionales: nuevos métodos de medición // UFN... 2000, Vol. 170, págs. 743–752.
7) Peter R. Saulson.

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 no teníamos idea antes.

¿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 aplicaciones prácticas para este fenómeno además de estudiar nuestro universo?

Ahora La mejor manera 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 Interstellar). 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.

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 está buscando 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 sepamos más, definitivamente ampliaremos 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 aún así 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 de la aparición 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. Para probar las tecnologías requeridas. 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 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 nuestra descripción del período inflacionario 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.

La primera detección directa de ondas gravitacionales se reveló al mundo el 11 de febrero de 2016 y ha generado titulares en todo el mundo. Por este descubrimiento, los físicos recibieron el Premio Nobel en 2017 y lanzaron oficialmente una nueva era de astronomía gravitacional. Pero un grupo de físicos del Instituto Niels Bohr en Copenhague, Dinamarca, está cuestionando el hallazgo basándose en su propio análisis de datos independientes durante los últimos dos años y medio.

Uno de los objetos más misteriosos del mundo, los agujeros negros, llaman la atención con regularidad. Sabemos que chocan, se fusionan, cambian de brillo e incluso se evaporan. Y, sin embargo, en teoría, los agujeros negros pueden conectar los universos entre sí utilizando. Sin embargo, todo nuestro conocimiento y suposiciones sobre estos objetos masivos pueden resultar inexactos. Recientemente, circularon rumores en la comunidad científica de que los científicos recibieron una señal de un agujero negro, cuyo tamaño y masa es tan grande que su existencia es físicamente imposible.

La primera detección directa de ondas gravitacionales se reveló al mundo el 11 de febrero de 2016 y ha generado titulares en todo el mundo. Por este descubrimiento, los físicos recibieron el Premio Nobel en 2017 y lanzaron oficialmente una nueva era de astronomía gravitacional. Pero un grupo de físicos del Instituto Niels Bohr en Copenhague está cuestionando el hallazgo basándose en su propio análisis de datos independientes durante los últimos dos años y medio.

El día oficial del descubrimiento (detección) de ondas gravitacionales es el 11 de febrero de 2016. Fue entonces, en una rueda de prensa celebrada en Washington, que los líderes de la colaboración LIGO anunciaron que un equipo de investigadores había logrado registrar este fenómeno por primera vez en la historia de la humanidad.

Profecías del gran Einstein

Albert Einstein sugirió que las ondas gravitacionales existen a principios del siglo pasado (1916) en el marco de la Teoría General de la Relatividad (GR) formulada por él. Solo queda asombrarnos por las brillantes habilidades del famoso físico, quien, con un mínimo de datos reales, pudo sacar conclusiones de tan gran alcance. Entre los muchos otros fenómenos físicos predichos que encontraron confirmación en el próximo siglo (ralentizar el flujo del tiempo, cambiar la dirección de la radiación electromagnética en los campos gravitacionales, etc.), no fue posible detectar prácticamente la presencia de este tipo de onda. interacción de los cuerpos hasta hace poco.

¿Es la gravedad una ilusión?

En general, a la luz de la teoría de la relatividad, la gravedad difícilmente puede llamarse fuerza. perturbaciones o distorsiones del continuo espacio-tiempo. Un trozo de tela estirado es un buen ejemplo para ilustrar este postulado. Se forma una depresión bajo el peso de un objeto masivo colocado sobre dicha superficie. Otros objetos que se muevan cerca de esta anomalía cambiarán su trayectoria, como si "fueran atraídos". Y cuanto mayor sea el peso del objeto (cuanto mayor sea el diámetro y la profundidad de la curvatura), mayor será la "fuerza de gravedad". Cuando se mueve a lo largo del tejido, se puede observar la aparición de "ondas" divergentes.

Algo similar está sucediendo en el espacio mundial. Cualquier materia masiva que se mueva rápidamente es una fuente de fluctuaciones en la densidad del espacio y el tiempo. Una onda gravitacional con una amplitud significativa está formada por cuerpos con masas extremadamente grandes o cuando se mueven con grandes aceleraciones.

características físicas

Las oscilaciones de la métrica del espacio-tiempo se manifiestan como cambios en el campo gravitacional. Este fenómeno también se denomina ondas espacio-temporales. Una onda gravitacional actúa sobre los cuerpos y objetos encontrados, comprimiéndolos y estirándolos. Los valores de deformación son muy insignificantes, alrededor de 10-21 del tamaño original. Toda la dificultad de detectar este fenómeno radicaba en que los investigadores debían aprender a medir y registrar dichos cambios utilizando el equipo adecuado. El poder de la radiación gravitacional también es extremadamente pequeño: para todo el sistema solar, asciende a varios kilovatios.

La velocidad de propagación de las ondas gravitacionales depende ligeramente de las propiedades del medio conductor. La amplitud de oscilación disminuye gradualmente con la distancia desde la fuente, pero nunca llega a cero. La frecuencia varía de varias decenas a cientos de hercios. La velocidad de las ondas gravitacionales en el medio interestelar se acerca a la velocidad de la luz.

Evidencia indirecta

Por primera vez, la confirmación teórica de la existencia de ondas gravitacionales fue obtenida por el astrónomo estadounidense Joseph Taylor y su asistente Russell Hulse en 1974. Estudiando la inmensidad del universo con el radiotelescopio del Observatorio de Arecibo (Puerto Rico), los investigadores descubrieron el pulsar PSR B1913 + 16, que es un sistema binario de estrellas de neutrones que giran alrededor de un centro de masa común con una velocidad angular constante ( un caso bastante raro). Anualmente, el período orbital, que inicialmente era de 3,75 horas, se reduce en 70 ms. Este valor es bastante consistente con las conclusiones de las ecuaciones de la relatividad general que predicen un aumento en la velocidad de rotación de tales sistemas debido al gasto de energía para la generación de ondas gravitacionales. Posteriormente, se descubrieron varios púlsares dobles y enanas blancas con un comportamiento similar. Los radioastrónomos D. Taylor y R. Hals fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1993 por el descubrimiento de nuevas posibilidades para el estudio de los campos gravitacionales.

Escapar de la onda de gravedad

La primera aplicación para la detección de ondas gravitacionales provino del científico Joseph Weber (EE. UU.) De la Universidad de Maryland en 1969. Para estos fines, utilizó dos antenas gravitacionales de su propio diseño, separadas por una distancia de dos kilómetros. El detector resonante era un cilindro de aluminio de dos metros de una pieza, bien aislado contra vibraciones, equipado con sensores piezoeléctricos sensibles. La amplitud de las fluctuaciones supuestamente registradas por Weber resultó ser más de un millón de veces superior al valor esperado. Los intentos de otros científicos con la ayuda de equipos similares para repetir el "éxito" del físico estadounidense no han dado resultados positivos. Unos años más tarde, el trabajo de Weber en esta área se consideró insostenible, pero dio impulso al desarrollo de un "boom gravitacional", que atrajo a muchos especialistas a esta área de investigación. Por cierto, el propio Joseph Weber hasta el final de sus días estaba seguro de que recibía ondas gravitacionales.

Mejora del equipo receptor

En los años 70, el científico Bill Fairbank (EE. UU.) Desarrolló una antena de ondas gravitacionales, enfriada con el uso de calamares: magnetómetros supersensibles. Las tecnologías existentes en ese momento no permitieron al inventor ver su producto, realizado en "metal".

Este es el principio detrás del detector gravitacional Auriga en el Laboratorio Nacional Legnard (Padua, Italia). El diseño se basa en un cilindro de aluminio-magnesio, de 3 metros de largo y 0,6 m de diámetro, el dispositivo receptor, que pesa 2,3 toneladas, está suspendido en una cámara de vacío aislada enfriada hasta casi el cero absoluto. Para fijar y detectar choques, se utilizan un resonador de kilogramos auxiliar y un complejo de medición basado en computadora. La sensibilidad declarada del equipo es 10-20.

Interferómetros

El funcionamiento de los detectores de interferencia de ondas gravitacionales se basa en los mismos principios por los que funciona el interferómetro de Michelson. El rayo láser emitido por la fuente se divide en dos corrientes. Después de múltiples reflexiones y viajes a lo largo de los brazos del dispositivo, las corrientes se juntan nuevamente y el juicio final se usa para juzgar si alguna perturbación (por ejemplo, una onda gravitacional) afectó la trayectoria de los rayos. En muchos países se han creado equipos similares:

• GEO 600 (Hannover, Alemania). La longitud de los túneles de vacío es de 600 metros.
• TAMA (Japón) con hombros de 300 m.
• VIRGO (Pisa, Italia) es un proyecto conjunto franco-italiano lanzado en 2007 con túneles de tres kilómetros.
• LIGO (EE. UU., Costa del Pacífico), liderando la búsqueda de ondas de gravedad desde 2002.

Vale la pena considerar este último con más detalle.

LIGO avanzado

El proyecto fue iniciado por científicos de Massachusetts y California. institutos tecnológicos... Incluye dos observatorios, separados por 3 mil km, en y Washington (las ciudades de Livingston y Hanford) con tres interferómetros idénticos. La longitud de los túneles de vacío perpendiculares es de 4.000 metros. Estas son las estructuras más grandes de este tipo actualmente en funcionamiento. Hasta 2011, numerosos intentos de detectar ondas gravitacionales no arrojaron ningún resultado. La importante modernización (Advanced LIGO) aumentó la sensibilidad del equipo en el rango de 300-500 Hz en más de cinco veces, y en la región de baja frecuencia (hasta 60 Hz) en casi un orden de magnitud, alcanzando el -valor deseado de 10-21. El proyecto actualizado fue lanzado en septiembre de 2015, y los resultados fueron recompensados ​​con los esfuerzos de más de mil colaboradores.

Ondas gravitacionales detectadas

El 14 de septiembre de 2015, los detectores LIGO mejorados con un intervalo de 7 ms registraron ondas gravitacionales que alcanzaron nuestro planeta desde el fenómeno más grande que ocurrió en las afueras del Universo observado: la fusión de dos grandes agujeros negros con masas 29 y 36 veces mayores. masa del sol. Durante el proceso, que tuvo lugar hace más de 1.300 millones de años, en cuestión de fracciones de segundo, se gastaron unas tres masas solares de materia en la radiación de ondas gravitacionales. La frecuencia inicial registrada de ondas gravitacionales fue de 35 Hz y el valor pico máximo alcanzó los 250 Hz.

Los resultados obtenidos se sometieron repetidamente a una verificación y un procesamiento exhaustivos, y se cortaron cuidadosamente las interpretaciones alternativas de los datos obtenidos. Finalmente, el año pasado, se anunció a la comunidad mundial el registro directo del fenómeno predicho por Einstein.

Un hecho que ilustra el trabajo titánico de los investigadores: la amplitud de las fluctuaciones en el tamaño de los brazos de los interferómetros fue de 10-19 m; este valor es tantas veces menor que el diámetro de un átomo, tanto como él mismo es menor. que una naranja.

Perspectivas adicionales

Este descubrimiento confirma una vez más que la Relatividad General no es solo un conjunto de fórmulas abstractas, sino una mirada fundamentalmente nueva a la esencia de las ondas gravitacionales y la gravedad en general.

En investigaciones posteriores, los científicos depositan grandes esperanzas en el proyecto ELSA: la creación de un interferómetro orbital gigante con brazos de aproximadamente 5 millones de km, capaz de detectar incluso alteraciones menores de los campos gravitacionales. La intensificación del trabajo en esta dirección puede decir mucho sobre las principales etapas del desarrollo del Universo, sobre los procesos, cuya observación en rangos tradicionales es difícil o imposible. Sin duda, los agujeros negros, cuyas ondas gravitacionales se registrarán en el futuro, dirán mucho sobre su naturaleza.

Para estudiar la radiación gravitacional relicta, que puede contar los primeros momentos de nuestro mundo después del Big Bang, se necesitarán instrumentos espaciales más sensibles. Tal proyecto existe ( Observador del Big Bang), pero su implementación, según las garantías de los expertos, no es posible antes de 30-40 años.

Cien años después de la predicción teórica realizada por Albert Einstein en el marco de la relatividad general, los científicos pudieron confirmar la existencia de ondas gravitacionales. Comienza la era de un método fundamentalmente nuevo para estudiar el espacio profundo: la astronomía de ondas gravitacionales.

Los descubrimientos son diferentes. Son aleatorios, en astronomía son comunes. Hay algunas no del todo accidentales, realizadas como resultado de un cuidadoso "peinar el terreno", como, por ejemplo, el descubrimiento de Urano por William Herschel. Hay serendipias, cuando buscaban una cosa y encontraron otra: por ejemplo, descubrieron América. Pero los descubrimientos planificados ocupan un lugar especial en la ciencia. Se basan en una clara predicción teórica. Lo que se predice se busca principalmente para confirmar la teoría. Dichos descubrimientos incluyen la detección del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones y el registro de ondas gravitacionales utilizando el observatorio de ondas gravitacionales de interferometría láser LIGO. Pero para registrar algún fenómeno predicho por la teoría, es necesario comprender bastante bien qué es exactamente y dónde buscar, así como qué herramientas se necesitan para esto.

Las ondas gravitacionales se denominan tradicionalmente predicción de la relatividad general (GR), y así es (aunque ahora estas ondas están presentes en todos los modelos que son alternativos a GR o lo complementan). La aparición de ondas es causada por la finitud de la velocidad de propagación de la interacción gravitacional (en relatividad general, esta velocidad es exactamente igual a la velocidad de la luz). Estas ondas son perturbaciones del espacio-tiempo que se propagan desde una fuente. Para la aparición de ondas gravitacionales, es necesario que la fuente pulse o acelere, pero de cierta manera. Digamos que los movimientos con simetría esférica o cilíndrica perfecta no son adecuados. Existen muchas fuentes de este tipo, pero a menudo tienen una masa pequeña, insuficiente para generar una señal potente. Después de todo, la gravedad es la más débil de las cuatro interacciones fundamentales, por lo que es muy difícil registrar una señal gravitacional. Además, para el registro, es necesario que la señal cambie rápidamente con el tiempo, es decir, tenga una frecuencia suficientemente alta. De lo contrario, no podremos registrarlo, ya que los cambios serán demasiado lentos. Esto significa que los objetos también deben ser compactos.

Inicialmente, el gran entusiasmo fue causado por las explosiones de supernovas que ocurren en galaxias como la nuestra cada pocas décadas. Esto significa que si puede lograr una sensibilidad que le permita ver la señal desde una distancia de varios millones de años luz, puede contar con varias señales por año. Pero más tarde resultó que las estimaciones iniciales del poder de liberación de energía en forma de ondas gravitacionales durante una explosión de supernova eran demasiado optimistas, y una señal tan débil solo podría registrarse si una supernova hubiera entrado en erupción en nuestra galaxia.

Otra variante de los objetos compactos masivos de rápido movimiento son las estrellas de neutrones o los agujeros negros. Podemos ver el proceso de su formación o el proceso de interacción entre ellos. Las últimas etapas del colapso de los núcleos estelares, que conducen a la formación de objetos compactos, así como las últimas etapas de la fusión de estrellas de neutrones y agujeros negros, duran del orden de unos pocos milisegundos (que corresponde a una frecuencia de cientos de hercios), justo lo que necesita. Al mismo tiempo, se libera mucha energía, incluso (y en ocasiones principalmente) en forma de ondas gravitacionales, ya que los cuerpos compactos masivos realizan ciertos movimientos rápidos. Estas son nuestras fuentes ideales.

Es cierto que las supernovas estallan en la Galaxia cada pocas décadas, las fusiones de estrellas de neutrones ocurren una vez cada dos decenas de miles de años y los agujeros negros se fusionan entre sí con menos frecuencia. Pero la señal es mucho más potente y sus características se pueden calcular con bastante precisión. Pero ahora necesitamos aprender a ver una señal desde una distancia de varios cientos de millones de años luz para cubrir varias decenas de miles de galaxias y detectar varias señales por año.

Habiendo decidido las fuentes, comencemos a diseñar el detector. Para hacer esto, necesita comprender qué hace la onda gravitacional. Sin entrar en detalles, podemos decir que el paso de una onda gravitacional provoca una fuerza de marea (las mareas lunares o solares ordinarias son un fenómeno aparte, y las ondas gravitacionales no tienen nada que ver con ello). Entonces puede tomar, por ejemplo, un cilindro de metal, equipar con sensores y estudiar sus vibraciones. No es difícil, por lo tanto, tales instalaciones comenzaron a realizarse hace medio siglo (también están en Rusia, ahora se está montando un detector mejorado, desarrollado por el equipo de Valentin Rudenko de la SAI MSU, en el laboratorio subterráneo de Baksan) . El problema es que dicho dispositivo verá la señal sin ondas gravitacionales. Hay toneladas de ruidos con los que es difícil lidiar. Es posible (¡y se ha hecho!) Instalar el detector bajo tierra, intentar aislarlo, enfriarlo a bajas temperaturas, pero aún así, para superar el nivel de ruido, se necesita una señal de onda gravitacional muy potente. Y las señales fuertes son raras.

Por lo tanto, se hizo una elección a favor de un esquema diferente, que fue propuesto por Vladislav Pustovoit y Mikhail Hertsenstein en 1962. En un artículo publicado en ZhETF (Journal of Experimental and Theoretical Physics), propusieron utilizar un interferómetro de Michelson para registrar ondas gravitacionales. Un rayo láser pasa entre espejos en dos brazos del interferómetro, y luego se agregan los rayos de diferentes brazos. Analizando el resultado de la interferencia de los rayos, es posible medir el cambio relativo en la longitud de los brazos. Estas son medidas muy precisas, por lo que si supera el ruido, puede lograr una sensibilidad fantástica.

A principios de la década de 1990, se decidió construir varios detectores de acuerdo con este esquema. Las primeras en entrar en servicio fueron unidades relativamente pequeñas, GEO600 en Europa y TAMA300 en Japón (los números corresponden a la longitud de los brazos en metros) para el rodaje tecnológico. Pero se suponía que los principales actores serían las instalaciones de LIGO en los EE. UU. Y las instalaciones de VIRGO en Europa. El tamaño de estos dispositivos ya se mide en kilómetros, y la sensibilidad final planificada debería haber permitido ver decenas, si no cientos, de eventos por año.

¿Por qué se necesitan varios accesorios? Principalmente para validación cruzada ya que hay ruido localizado (por ejemplo, sísmico). El registro simultáneo de la señal en el noroeste de Estados Unidos y en Italia sería una excelente prueba de su origen externo. Pero también hay una segunda razón: los detectores de ondas gravitacionales son muy deficientes para determinar la dirección hacia la fuente. Pero si hay varios detectores espaciados, será posible indicar la dirección con bastante precisión.

Gigantes láser

En su forma original Los detectores LIGO se construyeron en 2002 y los detectores VIRGO en 2003. Según el plan, esta fue solo la primera etapa. Todas las instalaciones llevan varios años en funcionamiento, y en 2010-2011 se pararon para revisión, para luego alcanzar la alta sensibilidad prevista. Los detectores LIGO entraron en funcionamiento por primera vez en septiembre de 2015, VIRGO debe incorporarse en el segundo semestre de 2016 y, a partir de esta etapa, la sensibilidad nos permite esperar registrar al menos varios eventos al año.

Desde el inicio de LIGO, la tasa esperada de ráfagas fue de aproximadamente un evento por mes. Los astrofísicos han estimado de antemano que los primeros eventos esperados deberían ser fusiones de agujeros negros. Esto se debe al hecho de que los agujeros negros suelen ser diez veces más pesados ​​que las estrellas de neutrones, la señal es más potente y es "visible" desde largas distancias, que compensa con creces la menor tasa de eventos por galaxia. Afortunadamente, no tuvimos que esperar mucho. El 14 de septiembre de 201 5, ambas instalaciones registraron una señal casi idéntica, que se denominó GW150914.

Con un análisis bastante simple, puede obtener datos como las masas de los agujeros negros, la intensidad de la señal y la distancia a la fuente. La masa y el tamaño de los agujeros negros están relacionados de una manera muy simple y conocida, y a partir de la frecuencia de la señal se puede estimar inmediatamente el tamaño de la región de liberación de energía. En este caso, el tamaño indicó que un agujero negro con una masa de más de 60 masas solares se formó a partir de dos agujeros con una masa de 25-30 y 35-40 masas solares. Conociendo estos datos, puede obtener toda la energía de la ráfaga. Casi tres masas solares han pasado a la radiación gravitacional. Esto corresponde a la luminosidad de 1023 luminosidades del Sol, aproximadamente la misma que durante este tiempo (centésimas de segundo) todas las estrellas en la parte visible del Universo emiten. Y a partir de la energía conocida y la magnitud de la señal medida, se obtiene la distancia. Gran masa los cuerpos fusionados hicieron posible registrar un evento que ocurrió en una galaxia distante: la señal nos llegó durante unos 1.300 millones de años.

Un análisis más detallado nos permite aclarar la proporción de masa de los agujeros negros y comprender cómo giraron alrededor de su eje, así como determinar algunos otros parámetros. Además, la señal de dos instalaciones permite determinar aproximadamente la dirección de la ráfaga. Desafortunadamente, hasta ahora la precisión no es muy alta aquí, pero con la puesta en servicio del VIRGO actualizado aumentará. Y en unos años el detector japonés KAGRA comenzará a recibir señales. Luego, uno de los detectores LIGO (inicialmente había tres, una de las instalaciones era dual) se ensamblará en India, y se espera que luego se registren muchas docenas de eventos al año.

La era de la nueva astronomía

Hasta ahora, el resultado más importante del trabajo de LIGO es la confirmación de la existencia de ondas gravitacionales. Además, la primera ráfaga permitió mejorar las restricciones sobre la masa del gravitón (en relatividad general tiene masa cero), así como restringir más fuertemente la diferencia entre la velocidad de propagación de la gravedad y la velocidad de la luz. Pero los científicos esperan que en 2016 puedan recibir una gran cantidad de datos astrofísicos nuevos utilizando LIGO y VIRGO.

Primero, los datos de los observatorios de ondas gravitacionales son un nuevo canal para estudiar los agujeros negros. Si antes solo era posible observar los flujos de materia en las cercanías de estos objetos, ahora se puede "ver" directamente el proceso de fusión y "calma" del agujero negro emergente, cómo vibra su horizonte, asumiendo su forma final ( determinado por rotación). Probablemente, hasta el descubrimiento de la evaporación Hawking de los agujeros negros (hasta ahora este proceso sigue siendo una hipótesis), el estudio de las fusiones proporcionará la mejor información directa sobre ellas.

En segundo lugar, las observaciones de fusiones de estrellas de neutrones proporcionarán mucha información nueva y muy necesaria sobre estos objetos. Por primera vez, podremos estudiar las estrellas de neutrones de la forma en que los físicos estudian las partículas: observar sus colisiones para comprender cómo funcionan en su interior. El misterio de la estructura de las entrañas de las estrellas de neutrones preocupa tanto a los astrofísicos como a los físicos. Nuestra comprensión de la física nuclear y el comportamiento de la materia a densidad ultra alta es incompleta sin abordar este problema. Es probable que las observaciones de ondas gravitacionales jueguen un papel clave aquí.

Se cree que las fusiones de estrellas de neutrones son responsables de las breves explosiones cosmológicas de rayos gamma. En casos raros, será posible observar simultáneamente un evento tanto en el rango gamma como en los detectores de ondas gravitacionales (la rareza se debe al hecho de que, en primer lugar, la señal gamma se concentra en un haz muy estrecho, y no es siempre dirigido a nosotros, pero en segundo lugar, no registraremos ondas gravitacionales de eventos muy distantes). Al parecer, se necesitarán varios años de observación para poder ver esto (aunque, como de costumbre, puedes tener suerte, y sucederá justo hoy). Entonces, entre otras cosas, podremos comparar con mucha precisión la velocidad de la gravedad con la velocidad de la luz.

Por lo tanto, los interferómetros láser funcionarán juntos como un solo telescopio de ondas gravitacionales, brindando nuevos conocimientos tanto a los astrofísicos como a los físicos. Pues bien, por el descubrimiento de las primeras ráfagas y su análisis, tarde o temprano se entregará el merecido Premio Nobel.