Гравітаційні хвилі, що можуть дати. Ми знайшли гравітаційні хвилі

Валентин Миколайович Руденко ділиться історією свого візиту до міста Кашина (Італія), де він провів тиждень на тоді ще щойно побудованій «гравітаційній антені» – оптичному інтерферометрі Майкельсона. Дорогою до місця призначення таксист цікавиться, навіщо побудована установка. "Тут люди думають, що це для розмови з Богом", - зізнається водій.

– Що таке гравітаційні хвилі?

– Гравітаційна хвиля – один із «переносників астрофізичної інформації». Існують видимі канали астрофізичної інформації, особлива роль «дальньому баченні» належить телескопам. Астрономи освоїли також низькочастотні канали – мікрохвильовий та інфрачервоний, і високочастотні – рентгенівські та гамма-. Крім електромагнітного випромінювання ми можемо реєструвати потоки частинок з Космосу. Для цього використовують нейтринні телескопи – великогабаритні детектори космічних нейтрино – частинок, які слабо взаємодіють із речовиною і тому важко реєструються. Майже всі теоретично передбачені та лабораторно-досліджені види «переносників астрофізичної інформації» надійно освоєні на практиці. Виняток становила гравітація – найслабша взаємодія у мікросвіті та сама потужна силау макросвіті.

Гравітація – це геометрія. Гравітаційні хвилі – геометричні хвилі, тобто хвилі, що змінюють геометричні характеристики простору, коли проходять по цьому простору. Грубо кажучи, це хвилі, що деформують простір. Деформація – це відносна зміна відстані між двома точками. Гравітаційне випромінювання відрізняється від інших типів випромінювань саме тим, що вони геометричні.

– Гравітаційні хвилі передбачив Ейнштейн?

– Формально вважається, що гравітаційні хвилі передбачив Ейнштейн, як один із наслідків його загальної теоріївідносності, але фактично їх існування стає очевидним вже в спеціальної теоріївідносності.

Теорія відносності передбачає, що з-за гравітаційного тяжіння можливий гравітаційний колапс, тобто стягування об'єкта в результаті колапсування, грубо кажучи, крапку. Тоді гравітація така сильна, що навіть не може вийти світло, тому такий об'єкт образно називається чорною дірою.

– У чому полягає особливість гравітаційної взаємодії?

Особливістю гравітаційної взаємодії є принцип еквівалентності. Відповідно до нього динамічна реакція пробного тіла в гравітаційному полі не залежить від маси цього тіла. Простіше кажучи, всі тіла падають із однаковим прискоренням.

Гравітаційна взаємодія – найслабша з відомих нам сьогодні.

- Хто першим намагався зловити гравітаційну хвилю?

– Гравітаційно-хвильовий експеримент першим провів Джозеф Вебер із Мерілендського університету (США). Він створив гравітаційний детектор, який тепер зберігається у Смітсонівському музеї у Вашингтоні. У 1968-1972 році Джо Вебер провів серію спостережень на парі просторово рознесених детекторів, намагаючись виділити випадки збігів. Прийом збігів запозичений із ядерної фізики. Невисока статистична значимість гравітаційних сигналів, отриманих Вебером, викликала критичне ставлення до результатів експерименту: був впевненості у тому, що вдалося зафіксувати гравітаційні хвилі. Надалі вчені намагалися збільшити чутливість детекторів веберівського типу. На розробку детектора, чутливість якого була адекватна астрофізичному прогнозу, пішло 45 років.

За час початку експерименту до фіксації пройшло багато інших експериментів, були зафіксовані імпульси за цей період, але вони мали дуже маленьку інтенсивність.

– Чому про фіксацію сигналу оголосили не одразу?

– Гравітаційні хвилі було зафіксовано ще у вересні 2015 року. Але навіть якщо збіг був зафіксований, треба перш, ніж оголошувати, довести, що він не є випадковим. У сигналі, що знімається з будь-якої антени, завжди є шумові викиди (короткочасні сплески), і один з них може статися одночасно з шумовим сплеском на іншій антені. Довести, що збіг стався невипадково можна лише з допомогою статистичних оцінок.

– Чому відкриття в галузі гравітаційних хвиль такі важливі?

– Можливість зареєструвати реліктове гравітаційне тло та виміряти його характеристики, такі як щільність, температура тощо, дозволяє підійти до початку світобудови.

Привабливим є те, що гравітаційне випромінювання важко виявити, бо воно дуже слабко взаємодіє із речовиною. Але, завдяки цій же властивості, воно і проходить без поглинань з найдальших від нас об'єктів з найтаємничішими, з погляду матерії, властивостями.

Можна сміливо сказати, що гравітаційні випромінювання проходять без спотворення. Найбільш амбітна мета – досліджувати те гравітаційне випромінювання, яке відокремлено від первинної матерії в Теорії Великого Вибуху, що утворилася в момент створення Всесвіту.

– Чи виключає відкриття гравітаційних хвиль квантову теорію?

Теорія гравітації передбачає існування гравітаційного колапсу, тобто стягування потужних об'єктів у крапку. У той же час квантова теорія, яку розвивала Копенгагенська школа передбачає, що завдяки принципу невизначеності не можна одночасно вказати точно такі параметри як координата, швидкість та імпульс тіла. Тут є принцип невизначеності, не можна визначити точно траєкторію, тому що траєкторія - це і координата, і швидкість і т. д. Можна визначити лише певний умовний коридор в межах цієї помилки, яка пов'язана з принципами невизначеності. Квантова теорія категорично заперечує можливість точкових об'єктів, але визначає їх статистично імовірнісним чином: конкретно вказує координати, а показує можливість, що вона має певні координати.

Питання об'єднання квантової теорії та теорії гравітації – одне з фундаментальних питань створення єдиної теорії поля.

Над ним зараз продовжують працювати, і слова "квантова гравітація" означають абсолютно передову сферу науки, межу знань і незнань, де зараз працюють всі теоретики світу.

– Що може дати відкриття у майбутньому?

Гравітаційні хвилі неминуче повинні лягти у фундамент сучасної наукияк одна із складових нашого знання. Їм відводиться істотна роль еволюції Всесвіту і з допомогою цих хвиль Всесвіт слід вивчати. Відкриття сприяє загальному розвитку науки та культури.

Якщо наважитися вийти за рамки сучасної науки, то припустимо уявити лінії телекомунікаційної гравітаційного зв'язку, реактивні апарати на гравітаційній радіації; гравітаційно-хвильові прилади інтроскопії

– Чи мають відношення гравітаційні хвилі до екстрасенсорики та телепатії?

Не мають. Описані ефекти – ефекти квантового світу, ефекти оптики.

Розмовляла Ганна Уткіна

11 лютого 2016 року міжнародна група вчених, у тому числі з Росії, на прес-конференції у Вашингтоні оголосила про відкриття, яке рано чи пізно змінить розвиток цивілізації. Вдалося практично довести гравітаційні хвилі чи хвилі простору-часу. Їхнє існування передбачив ще 100 років тому Альберт Ейнштейн у своїй.

Ніхто не сумнівається, що це відкриття буде удостоєне Нобелівської премії. Вчені не поспішають говорити про його практичне застосування. Але нагадують, що ще зовсім недавно людство так само не знало, що робити з електромагнітними хвилями, які зрештою призвели до справжньої науково-технічної революції.

Що таке гравітаційні хвилі простою мовою

Гравітація і всесвітнє тяжіння – це те саме. Гравітаційні хвилі є одним із рішень ОТС. Поширюватися вони мають зі швидкістю світла. Випромінює його будь-яке тіло, що рухається зі змінним прискоренням.

Наприклад, обертається за своєю орбітою зі змінним прискоренням, спрямованим до зірки. І це прискорення постійно змінюється. сонячна системавипромінює енергію порядку кількох кіловат у гравітаційних хвилях. Це незначна величина, порівнянна з трьома старими кольоровими телевізорами.

Інша справа - два пульсари, що обертаються навколо один одного (нейтронні зірки). Вони обертаються на дуже тісні орбіти. Така «парочка» була виявлена ​​астрофізиками і тривалий час. Об'єкти були готові один на одного впасти, що опосередковано свідчило, що пульсари випромінюють хвилі простору-часу, тобто енергію в їхньому полі.

Гравітація – сила тяжіння. Нас тягне до землі. А суть гравітаційної хвилі – зміна цього поля, надзвичайно слабка, коли до нас доходить. Наприклад, візьмемо рівень води у водоймищі. Напруженість гравітаційного поля – прискорення вільного падіння у конкретній точці. По нашому водоймищі біжить хвиля, і раптом змінюється прискорення вільного падіння, зовсім трохи.

Такі досліди розпочалися у 60-ті роки минулого століття. На той час вигадували так: підвішували величезний алюмінієвий циліндр, охолоджений, щоб уникнути внутрішніх теплових коливань. І чекали, коли до нас раптово дійде хвиля від зіткнення, наприклад двох масивних чорних дірок. Дослідники були сповнені ентузіазму і казали, що весь земну кулюможе зазнати впливу гравітаційної хвилі, що прилетіла з космічного простору. Планета почне вагатися, і можна буде вивчити ці сейсмічні хвилі (стиснення, зсуви та поверхневі).

Важлива стаття про влаштування простою мовою, і як американці та LIGO вкрали ідею радянських вчених та побудували інтроферометри, що дозволили зробити відкриття. Ніхто не говорить про це, усі мовчать!

Між іншим, гравітаційне випромінювання більше цікаве з позиції реліктового випромінювання, яке намагаються по зміні спектру електромагнітного випромінювання. Реліктове і електромагнітне випромінювання з'явилися 700 тис. років після Великого вибуху, потім у процесі розширення всесвіту, заповненого гарячим газом з ударними хвилями, що бігають, перетворилися пізніше на галактики. При цьому, природно, повинні були випромінюватись гігантська, запаморочлива кількість хвиль простору-часу, що впливають на довжину хвилі реліктового випромінювання, яке на той час ще було оптичним. Вітчизняний астрофізик Сажин пише та регулярно публікує статті на цю тему.

Невірна інтерпретація відкриття гравітаційних хвиль

«Висить дзеркало, на нього діє гравітаційна хвиля, і воно починає вагатися. І навіть найменші коливання амплітудою менше розміру атомного ядра помічаються приладами» — така неправильна інтерпретація, наприклад, використовується у статті Вікіпедії. Не полінуйтеся, знайдіть статтю радянських вчених 1962 року.

По-перше, дзеркало має бути масивним, щоб відчути «брижі». По-друге, його потрібно охолоджувати практично до абсолютного нуля (за Кельвіном), щоб уникнути власних теплових коливань. Швидше за все не те, що в 21 столітті, а взагалі ніколи не вдасться виявити елементарну частинку- Носія гравітаційних хвиль:

У четвер, 11 лютого, група вчених з міжнародного проекту LIGO Scientific Collaboration заявили, що їм вдалося, існування яких ще в 1916 році передбачив Альберт Ейнштейн. За твердженням дослідників, 14 вересня 2015 року вони зафіксували гравітаційну хвилю, яка була викликана зіткненням двох чорних дірок масою у 29 та 36 разів більше масиСонця, після чого вони злилися в одну велику чорну дірку. За їхніми словами, це сталося приблизно 1,3 мільярда років тому на відстані 410 мегапарсеків від нашої галактики.

Детально про гравітаційні хвилі та масштабне відкриття ЛІГА.net розповів Богдан Гнатик, український вчений, астрофізик, доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Астрономічної обсерваторії Київського національного університетуімені Тараса Шевченка, який очолював обсерваторію з 2001 по 2004 рік.

Теорія простою мовою

Фізика вивчає взаємодію між тілами. Встановлено, що між тілами існує чотири види взаємодії: електромагнітна, сильна та слабка ядерна взаємодія та гравітаційна взаємодія, яку ми всі відчуваємо. Внаслідок гравітаційної взаємодії планети обертаються навколо Сонця, тіла мають вагу та падають на землю. З гравітаційною взаємодією людина стикається постійно.

У 1916 році, 100 років тому, Альберт Ейнштейн побудував теорію гравітації, яка покращувала ньютонівську теорію гравітації, зробила її математично правильною: вона стала відповідати всім вимогам фізики, почала враховувати те, що гравітація поширюється з дуже великою, але кінцевою швидкістю. Це по праву одне з найграндіозніших досягнень Ейнштейна, оскільки він побудував теорію гравітації, яка відповідає всім явищам фізики, які ми сьогодні спостерігаємо.

Ця теорія також передбачала існування гравітаційних хвиль. Основою цього передбачення було те, що гравітаційні хвилі існують у результаті гравітаційної взаємодії, що виникає внаслідок злиття двох потужних тіл.

Що таке гравітаційна хвиля

Складною мовоюце збудження метрики простору-часу. "Скажімо, простір має певну пружність і ним можуть бігти хвилі. Це схоже на те, коли ми у воду кидаємо камінчиків і від нього розбігаються хвилі", - розповів ЛІГА.net доктор фізико-математичних наук.

Вченим вдалося експериментально довести, що подібне коливання мало місце у Всесвіті та у всіх напрямках пробігла гравітаційна хвиля. "Астрофізичним способом вперше було зафіксовано явище такої катастрофічної еволюції подвійної системи, коли зливаються два об'єкти в один, а це злиття призводить до дуже інтенсивного виділення гравітаційної енергії, яка потім у вигляді гравітаційних хвиль поширюється у просторі", - пояснив учений.

Ці гравітаційні хвилі дуже слабкі і щоб вони похитнули простір-час, потрібна взаємодія дуже великих і масивних тіл, щоб напруженість гравітаційного поля була великою в місці генерування. Але, незважаючи на їхню слабкість, спостерігач через певний час (рівний відстані до взаємодії розділеної на швидкість проходження сигналу) зареєструє цю гравітаційну хвилю.

Наведемо приклад: якби Земля впала на Сонце, то сталася б гравітаційна взаємодія: виділилася б гравітаційна енергія, утворилася б гравітаційна сферично-симетрична хвиля і спостерігач міг би її зареєструвати. "Тут же сталося аналогічне, але унікальне, з погляду астрофізики, явище: зіткнулися два масивні тіла - дві чорні дірки", - зазначив Гнатик.

Повернемося до теорії

Чорна діра - це ще одне пророцтво загальної теорії відносності Ейнштейна, яке передбачає, що тіло, яке має величезну масу, але ця маса сконцентрована в малому обсязі, здатне істотно спотворювати простір навколо себе, аж до його замикання. Тобто, передбачалося, що коли досягається критична концентрація маси цього тіла - така, що розмір тіла буде меншим, ніж так званий гравітаційний радіус, то навколо цього тіла простір замкнеться і топологія його буде такою, що ніякий сигнал із нього за межі замкнутого простору поширитися не зможе.

"Тобто, чорна діра, простими словами, це масивний об'єкт, який настільки важкий, що замикає навколо себе простір-час", - каже вчений.

І ми, за його словами, можемо надсилати будь-які сигнали цьому об'єкту, а він нам – ні. Тобто ніякі сигнали не можуть виходити за межі чорної діри.

Чорна діра живе за звичайними фізичними законами, але в результаті сильної гравітації, жодне матеріальне тіло, навіть фотон, не здатне вийти за межі цієї критичної поверхні. Чорні діри утворюються в ході еволюції звичайних зірок, коли відбувається колапс центрального ядра і частина речовини зірки, колапсуючи, перетворюється на чорну дірку, а інша частина зірки викидається у вигляді оболонки Наднової зірки, перетворюючись на так званий "спалах" Наднової зірки.

Як ми побачили гравітаційну хвилю

Наведемо приклад. Коли на поверхні води у нас є два поплавці і вода спокійна – то відстань між ними постійна. Коли приходить хвиля, вона зміщує ці поплавці і відстань між поплавцями зміниться. Хвиля пройшла – і поплавці повертаються на свої колишні позиції, а відстань між ними відновлюється.

Аналогічним чином поширюється і гравітаційна хвиля у просторі-часі: вона стискає та розтягує тіла та об'єкти, що зустрічаються на її шляху. "Коли на шляху хвилі зустрічається якийсь об'єкт – він деформується вздовж своїх осей, а після її проходження – повертається до колишньої форми. Під дією гравітаційної хвилі всі тіла деформуються, але ці деформації – дуже незначні", – каже Гнатик.

Коли пройшла хвиля, яку зафіксували вчені, то відносний розмір тіл у просторі змінився на величину порядку 1 помножити на 10 мінус 21-го ступеня. Наприклад, якщо взяти метрову лінійку, то вона стиснулася на таку величину, яка становила її розмір, помножений на 10 мінус 21-го ступеня. Це дуже мізерна величина. І проблема в тому, що вченим потрібно було навчитися цю відстань виміряти. Звичайні методи давали точність порядку 1 до 10 9 ступеня мільйонам, а тут необхідна набагато більш висока точність. І тому створили звані гравітаційні антени (детектори гравітаційних хвиль).

Антена, яка зафіксувала гравітаційні хвилі, побудована таким чином: існує дві труби приблизно по 4 кілометри в довжину, розташовані у формі літери "Г", але з однаковими плечима і під прямим кутом. Коли на систему падає гравітаційна хвиля, вона деформує крила антени, але в залежності від її орієнтації вона деформує одне більше, а друге - менше. І тоді виникає різницю ходу, інтерференційна картина сигналу змінюється – виникає сумарна позитивна чи негативна амплітуда.

"Тобто, проходження гравітаційної хвилі аналогічне хвилі на воді, що проходить між двома поплавками: якби ми міряли відстань між ними під час і після проходження хвилі, то ми б побачили, що відстань змінилася б, а потім знову стала колишньою", - розповів Гнатик.

Тут вимірюється відносна зміна відстані двох крил інтерферометра, з яких кожне має близько 4 кілометрів у довжину. І тільки дуже точні технології та системи дозволяють виміряти таке мікроскопічне усунення крил, викликане гравітаційною хвилею.

На межі Всесвіту: звідки прийшла хвиля

Вчені зафіксували сигнал за допомогою двох детекторів, які у США розташовані у двох штатах: Луїзіані та Вашингтон на відстані близько 3 тис кілометрів. Вченим вдалося оцінити, звідки і з якої відстані прийшов цей сигнал. Оцінки показують, що сигнал прийшов з відстані 410 мегапарсеків. Мегапарсек – це відстань, яка світло проходить за три мільйони років.

Щоб було легше уявити: найближча до нас активна галактика з надмасивною чорною діркою в центрі - Центавр А, яка знаходиться від нашої відстані чотири Мегапарсеки, в той же час Туманність Андромеди знаходиться на відстані 0,7 Мегапарсеків. "Тобто відстань, з якої прийшов сигнал гравітаційної хвилі настільки велика, що сигнал йшов до Землі приблизно 1,3 млрд років. Це космологічні відстані, які досягають близько 10% горизонту нашого Всесвіту", - розповів учений.

На такій відстані в якійсь далекій галактиці відбулося злиття двох чорних дірок. Ці дірки, з одного боку, були відносно малими за розмірами, а з іншого боку, велика сила амплітуди сигналу свідчить, що вони дуже важкі. Встановлено, що їх маси були відповідно 36 і 29 мас Сонця. Маса Сонця, як відомо, становить величину, яка дорівнює 2 помножити на 10 до 30 ступеня кілограм. Після злиття ці два тіла злилися і тепер на їхньому місці утворилася одна чорна діра, яка має масу, що дорівнює 62 масам Сонця. При цьому приблизно три маси Сонця виплеснулися у вигляді енергії гравітаційної хвилі.

Хто і коли зробив відкриття

Виявити гравітаційну хвилю вдалося вченим із міжнародного проекту LIGO 14 вересня 2015 року. LIGO (Laser Interferometry Gravitation Observatory)- це міжнародний проект, в якому беруть участь низка держав, які здійснили певний фінансовий та науковий внесок, зокрема США, Італія, Японія, які є передовими у сфері цих досліджень.

Була зафіксована наступна картина: відбулося усунення крил гравітаційного детектора, внаслідок реального проходження гравітаційної хвилі через нашу планету та через цю установку. Про це не повідомили тоді, тому що сигнал потрібно було обробити, "почистити", знайти його амплітуду та перевірити. Це стандартна процедура: від реального відкриття до оголошення про відкриття – проходить кілька місяців для того, щоб видати обґрунтовану заяву. "Ніхто не хоче псувати свою репутацію. Це все секретні дані, до оприлюднення яких – про них ніхто не знав, ходили лише чутки", – зазначив Гнатик.

Історія

Гравітаційні хвилі досліджуються із 70-х років минулого століття. За цей час було створено ряд детекторів та проведено ряд фундаментальних досліджень. У 80-х роках американський вчений Джозеф Вебер побудував першу гравітаційну антену у вигляді алюмінієвого циліндра, який мав розмір близько кількох метрів, оснащений п'єзо-датчиками, які мали зафіксувати проходження гравітаційної хвилі.

Чутливість цього приладу була в мільйон разів гірша за нинішні детектори. І, звичайно, він тоді реально зафіксувати хвилю не міг, хоча Вебер заявив, що він це зробив: преса про це написала і стався "гравітаційний бум" - у світі відразу почали будувати гравітаційні антени. Вебер стимулював інших учених зайнятися гравітаційними хвилями та продовжувати експерименти над цим явищем, завдяки чому вдалося в мільйон разів підняти чутливість детекторів.

Проте саме явище гравітаційних хвиль було зареєстровано ще минулого століття, коли вчені виявили подвійний пульсар. Це була непряма реєстрація факту, що гравітаційні хвилі існують, доведена завдяки астрономічним спостереженням. Пульсар був відкритий Расселом Халсом та Джозефом Тейлором у 1974 році, під час проведення спостережень на радіотелескопі обсерваторії Аресібо. Вчені були удостоєні Нобелівської премії у 1993 році "за відкриття нового типу пульсарів, що дало нові можливості у вивченні гравітації".

Дослідження у світі та Україні

На території Італії близький до завершення аналогічний проект, який має назву Virgo. Японія також має намір за рік запустити аналогічний детектор, Індія також готує такий експеримент. Тобто, у багатьох точках світу існують такі детектори, але вони ще не вийшли на той режим чутливості, щоб можна було говорити про фіксацію гравітаційних хвиль.

"Офіційно Україна не входить до LIGO і також не бере участі в італійському та японському проектах. Серед таких фундаментальних напрямків Україна зараз бере участь у проекті LHC (БАК - Великий адронний колайдер) та в CERN" (офіційно станемо учасником лише після сплати вступного внеску) ", – розповів ЛІГА.net доктор фізико-математичних наук Богдан Гнатик.

За його словами, Україна з 2015 року є повноправним членом міжнародної колаборації CTA (МЧТ-масив черенківських телескопів), яка будує сучасний телескоп. ТеВного гамма діапазону (з енергіями фотонів до 1014 еВ). "Основними джерелами таких фотонів якраз і є околиці надмасивних чорних дірок, гравітаційне випромінювання яких вперше зафіксував детектор LIGO. Тому відкриття нових вікон в астрономії - гравітаційно-хвильового та мульти ТеВного електромагнітного обіцяє нам ще багато відкриттів у майбутньому", - додає вчений.

Що далі та як нові знання допоможуть людям? Вчені розходяться у думках. Одні кажуть, що це лише черговий щабель у розумінні механізмів Всесвіту. Інші бачать у цьому перші кроки на шляху до нових технологій переміщення крізь час та простір. Так чи інакше - це відкриття вкотре довело, як мало ми розуміємо і як багато ще доведеться дізнатися.

Нагадаємо, днями вчені LIGO оголосили про великий прорив у галузі фізики, астрофізики та нашого вивчення Всесвіту: відкриття гравітаційних хвиль, передбачених ще Альбертом Ейнштейном 100 років тому. Ресурсу Gizmodo вдалося знайти доктора Ембер Ставер з обсерваторії Лівінгстона в Луїзіані, колаборації LIGO, і докладно розпитати, що це означає для фізики. Розуміємо, що за кілька статей до глобального розуміння нового способу осягати наш світ прийти буде складно, але намагатимемося.

Була проведена величезна робота щодо виявлення однієї-єдиної гравітаційної хвилі до теперішнього часу, і це стало великим проривом. Схоже, відкривається маса нових можливостей для астрономії - але чи це перше виявлення «простим» доказом того, що виявлення можливе саме по собі, чи ви вже можете витягувати з нього подальші наукові досягнення? Що ви сподіваєтеся отримати від цього у майбутньому? Чи з'являться методи виявлення цих хвиль простіше у майбутньому?

Це справді перше виявлення, прорив, але метою завжди було використовувати гравітаційні хвилі, щоб робити нову астрономію. Замість того, щоб шукати у Всесвіті видиме світло, тепер ми можемо відчувати ледь помітні зміни в гравітації, які викликаються найбільшими, найсильнішими і (на мій погляд) найцікавішими речами у Всесвіті - включаючи і ті, інформацію про які ми ніколи не змогли б отримати з за допомогою світла.

Ми змогли застосувати цей новий типастрономії до хвиль першого виявлення. Використовуючи те, що ми вже знаємо про ОТО (загальну теорію відносності), ми змогли передбачити, на що схожі гравітаційні хвилі об'єктів на зразок чорних дірок або нейтронних зірок. Сигнал, який ми виявили, відповідає передбаченому для пари чорних дірок, одна з яких у 36, а інша в 29 разів масивніша за Сонце, що закручуються в міру наближення один до одного. Нарешті вони зливаються в одну чорну дірку. Тож це не тільки перше виявлення гравітаційних хвиль, а й перше пряме спостереження чорних дірок, адже їх не можна спостерігати за допомогою світла (тільки за речовиною, що обертається навколо них).

Чому ви впевнені, що сторонні ефекти (на зразок вібрації) не впливають на результати?

У LIGO ми записуємо набагато більше даних, пов'язаних з нашим навколишнім середовищем та обладнанням, ніж даних, які можуть містити гравітаційно-хвильовий сигнал. Причина цього в тому, що ми хочемо бути максимально впевненими в тому, що нас не водять за носа сторонні ефекти і не вводять в оману щодо виявлення гравітаційної хвилі. Якщо у момент виявлення сигналу гравітаційної хвилі ми відчуємо ненормальний ґрунт, швидше за все, ми відмовимося від цього кандидата.

Відео: Коротко про гравітаційні хвилі

Інший захід, який ми вживаємо, щоб не побачити щось випадкове, полягає в тому, що обидва детектори LIGO повинні побачити один і той самий сигнал із проміжком часу, який необхідний для переміщення гравітаційної хвилі між двома об'єктами. Максимальний час для такої подорожі – приблизно 10 мілісекунд. Щоб переконатися в можливому виявленні, ми повинні побачити сигнали однієї форми, майже в один час, і дані, які ми збираємо про навколишнє середовище, повинні бути позбавлені аномалій.

Є багато інших тестів, які проходить кандидат, але це є основними.

Чи існує практичний спосіб генерувати гравітаційні хвилі, які можуть бути виявлені за допомогою таких пристроїв? Чи зможемо ми побудувати гравітаційне радіо чи лазер?

Ви пропонуєте те, що Генріх Герц зробив наприкінці 1880-х для виявлення електромагнітних хвиль у формі радіохвиль. Але гравітація - найслабша з фундаментальних сил, які утримують Всесвіт разом. З цієї причини рух мас в лабораторії або на іншому об'єкті з метою створення гравітаційних хвиль буде занадто слабким, щоб його міг уловити навіть такий детектор, як LIGO. Щоб створити досить сильні хвилі, нам доведеться розкрутити гантель такою швидкістю, що вона розірве будь-який відомий матеріал. Але у Всесвіті багато великих обсягів маси, що рухається надзвичайно швидко, тому ми будуємо детектори, які будуть займатися їх пошуком.

Чи змінить це підтвердження наше майбутнє? Чи зможемо ми використати силу цих хвиль для дослідження космічного простору? Чи можна спілкуватися за допомогою цих хвиль?

Через кількість маси, яка повинна рухатися з надзвичайною швидкістю, щоб виробляти гравітаційні хвилі, які здатні виявити детектори на кшталт LIGO, єдиним відомим механізмом цього є пари нейтронних зірок або чорних дірок, що обертаються перед злиттям (можуть бути інші джерела). Шанси те, що це якась просунута цивілізація маніпулює речовиною, дуже малі. Особисто я не думаю, що буде чудово виявити цивілізацію, здатну використовувати гравітаційні хвилі як засіб спілкування, оскільки вона зможе граючи прикінчити нас.

Чи когерентні гравітаційні хвилі? Чи можна їх зробити когерентними? Чи можна їх сфокусувати? Що буде з потужним об'єктом, на який впливає сфокусований пучок гравітації? Чи можна використовувати цей ефект для покращення прискорювачів частинок?

Деякі види гравітаційних хвиль можуть бути когерентними. Уявімо нейтронну зірку, яка майже ідеально сферична. Якщо вона обертається швидко, невеликі деформації менше дюйма будуть виробляти гравітаційні хвилі певної частоти, що робитиме їх когерентними. Але сфокусувати гравітаційні хвилі дуже важко, оскільки Всесвіт прозорий для них; гравітаційні хвилі проходять через матерію та виходять незмінними. Вам потрібно змінити шлях щонайменше частини гравітаційних хвиль, щоб їх сфокусувати. Можливо, екзотична форма гравітаційного лінзування зможе хоча б частково сфокусувати гравітаційні хвилі, але буде складно, якщо можливо, їх використовувати. Якщо їх можна буде сфокусувати, вони, як і раніше, будуть настільки слабкими, що я не уявляю жодного практичного застосування цих. Але також говорили і про лазери, які, по суті, просто сфокусоване когерентне світло, тому хто його знає.

Яка швидкість гравітаційної хвилі? Чи має вона масу? Якщо ні, чи може вона рухатись швидше швидкостісвітла?

Гравітаційні хвилі, як вважають, рухаються зі швидкістю світла. Це швидкість, обмежена загальною теорією відносності. Але експерименти на кшталт LIGO мають це перевірити. Можливо, вони рухаються трохи повільніше за швидкість світла. Якщо так, то теоретична частка, яку асоціюють з гравітацією, гравітон, матиме масу. Оскільки гравітація як така діє між масами, це додасть теорії складності. Але не неможливо. Ми використовуємо бритву Оккама: найпростіше пояснення, як правило, є найвірнішим.

Як далеко треба бути від злиття чорних дірок, щоби зуміти про них розповісти?

У випадку з нашими бінарними чорними дірками, які ми виявили по гравітаційних хвиль, вони зробили максимальну зміну довжини наших 4-кілометрових рукавів на 1х10 -18 метрів (це 1/1000 діаметра протона). Ми також вважаємо, що ці чорні дірки в 1,3 мільярди світлових років від Землі.

Тепер припустимо, що наше зростання два метри і ми плаваємо на відстані Землі до Сонця від чорної діри. Думаю, ви випробували б поперемінне сплющування і розтяг приблизно на 165 нанометрів (ваш зростання змінюється на більше значення протягом доби). Це можна пережити.

Якщо використати новий спосіб почути космос, що найбільше цікавить вчених?

Потенціал до кінця невідомий, у тому сенсі, що може бути значно більше місць, ніж ми думали. Чим більше ми дізнаємося про Всесвіт, тим краще ми зможемо відповідати на його питання за допомогою гравітаційних хвиль. Наприклад, на ці:

• Що є причиною гамма-сплесків?
• Як речовина поводиться в екстремальних умовах зірки, що колапсує?
• Якими були перші миті після Великого Вибуху?
• Як поводиться речовина в нейтронних зірках?

Але мені цікаво, що з несподіваного можна виявити за допомогою гравітаційних хвиль. Щоразу, коли люди спостерігали Всесвіт по-новому, ми відкривали багато несподіваних речей, які перевертали наше уявлення про Всесвіт. Я хочу знайти ці гравітаційні хвилі та виявити щось, про що ми поняття не мали раніше.

Чи допоможе нам це зробити справжній варп-двигун?

Оскільки гравітаційні хвилі слабко взаємодіють із речовиною, їх навряд можна використовуватиме руху цієї речовини. Але навіть якби ви могли, гравітаційна хвиля рухається лише зі швидкістю світла. Для варп-двигуна вони не підійдуть. Хоча було б круто.

Як щодо антигравітаційних пристроїв?

Щоб створити антигравітаційний пристрій, нам потрібно перетворити силу тяжіння через відштовхування. І хоча гравітаційна хвиля поширює зміни гравітації, ця зміна ніколи не буде відразливою (або негативною).

Гравітація завжди притягує, оскільки негативної маси, схоже, немає. Зрештою, існує позитивний та негативний заряд, північний та південний магнітний полюс, але тільки позитивна маса. Чому? Якби негативна маса існувала, шар речовини падав би вгору, а не вниз. Він би відштовхувався від позитивної маси Землі.

Що це означає для можливості подорожей у часі та телепортації? Чи можемо ми знайти практичне застосуванняцього явища, крім вивчення нашого Всесвіту?

Зараз найкращий спосіб подорожі в часі (і тільки в майбутнє) - це подорожувати з навколосвітньою швидкістю (згадаймо парадокс близнюків в ОТО) або вирушити в область з підвищеною гравітацією (така подорож у часі була продемонстрована в «Інтерстеларі»). Оскільки гравітаційна хвиля поширює зміни у гравітації, будуть народжуватися і дуже малі флуктуації у швидкості часу, але оскільки гравітаційні хвилі по суті слабкі, слабкі також тимчасові флуктуації. І хоча я не думаю, що можна застосувати це до подорожей у часі (або телепортації), ніколи не говори ніколи (сперечаюся, у вас перехопило подих).

Настане день, коли ми перестанемо підтверджувати Ейнштейна і знову почнемо пошуки дивних речей?

Звичайно! Оскільки гравітація найслабша із сил, із нею також важко експериментувати. Досі щоразу, коли вчені піддавали перевірці ОТО, вони отримували точно спрогнозовані результати. Навіть виявлення гравітаційних хвиль вкотре підтвердило теорію Ейнштейна. Але я вважаю, коли ми почнемо перевіряти найдрібніші деталі теорії (може, з гравітаційними хвилями, може, з іншим), ми знаходитимемо «кумедні» речі, на кшталт не зовсім точного збігу результату експерименту з прогнозом. Не буде означати помилковість ОТО, лише необхідність уточнення її деталей.

Відео: Як гравітаційні хвилі підірвали інтернет?

Щоразу, коли ми відповідаємо одне питання природі, з'являються нові. Зрештою, у нас з'являться питання, які будуть крутішими, ніж відповіді, які може дозволити ОТО.

Чи можете ви пояснити, як це відкриття може бути пов'язане чи вплине теорію єдиного поля? Ми виявилися ближче до її підтвердження чи розвінчання?

Наразі результати зробленого нами відкриття здебільшого присвячують перевірці та підтвердженню ОТО. Єдина теорія поля шукає спосіб створити теорію, яка пояснить фізику дуже малого. квантова механіка) і дуже великого (загальна теорія відносності). Зараз ці дві теорії можна узагальнити, щоб пояснити масштаби світу, де ми живемо, але з більше. Оскільки наше відкриття зосереджено на фізиці дуже великого, саме собою мало просуне нас у напрямі єдиної теорії. Але питання не в цьому. Зараз тільки-но народилася область гравітаційно-хвильової фізики. Коли ми дізнаємося більше, ми обов'язково розширимо наші результати у галузі єдиної теорії. Але перед пробіжкою треба пройтися.

Тепер, коли ми слухаємо гравітаційні хвилі, що повинні почути вчені, щоб буквально вис * цегла? 1) Неприродні патерни/структури? 2) Джерела гравітаційних хвиль із регіонів, які ми вважали порожніми? 3) Rick Astley – Never gonna give you up?

Коли я прочитала ваше запитання, я одразу згадала сцену з «Контакту», в якій радіотелескоп уловлює патерни. простих чисел. Навряд чи таке можна зустріти у природі (наскільки нам відомо). Так що ваш варіант з неприродним патерном або структурою був би найімовірнішим.

Не думаю, що ми колись будемо впевнені у порожнечі у певному регіоні космосу. Зрештою, система чорних дірок, яку ми виявили, була ізольована, і з цього регіону не приходило жодне світло, але ми все одно виявили там гравітаційні хвилі.

Що стосується музики… Я спеціалізуюся на відділенні сигналів гравітаційних хвиль від статичного шуму, який ми постійно вимірюємо на фоні довкілля. Якби я знайшла у гравітаційній хвилі музику, особливо яку чула раніше, це був би розіграш. Але музика, яку на Землі ніколи не чули… Це було б, як із простими випадками з «Контакту».

Якщо експеримент реєструє хвилі щодо зміни відстані між двома об'єктами, амплітуда одного напрямку більша, ніж іншого? А якщо ні, то чи не означають зчитувані дані, що Всесвіт змінюється в розмірах? І якщо так, підтверджує це розширення чи щось несподіване?

Нам потрібно побачити безліч гравітаційних хвиль, що приходять з багатьох різних напрямків у Всесвіті, перш ніж ми зможемо відповісти на це питання. В астрономії створює модель популяції. Як багато різних типів речей існує? Це найголовніше питання. Як тільки ми матимемо багато спостережень і почнемо бачити несподівані патерни, наприклад, що гравітаційні хвилі певного типу приходять з певної частини Всесвіту і більше звідки, це буде надзвичайно цікавий результат. Деякі патерни могли б підтвердити розширення (у якому ми впевнені), або інші явища, про які ми поки що не знали. Але спочатку потрібно побачити набагато більше гравітаційних хвиль.

Мені зовсім незрозуміло, як вчені визначили, що виміряні ними хвилі належать двом надмасивним чорним діркам. Як можна з такою точністю визначити джерело хвиль?

Методи аналізу даних використовують каталог передбачуваних сигналів гравітаційних хвиль порівняння з нашими даними. Якщо є сильна кореляція з одним із таких прогнозів або шаблонів, то ми не тільки знаємо, що це гравітаційна хвиля, але й знаємо, яка система її утворила.

Кожен окремий спосіб створення гравітаційної хвилі, чи це злиття чорних дірок, обертання чи смерть зірок, усі хвилі мають різні форми. Коли виявляємо гравітаційну хвилю, ми використовуємо ці форми, як передбачала ОТО, щоб визначити їхню причину.

Звідки ми знаємо, що ці хвилі сталися зі зіткнення двох чорних дірок, а не якоїсь іншої події? Чи можливо передбачити, де або коли сталася така подія, з будь-яким ступенем точності?

Як тільки ми дізнаємося, яка система зробила гравітаційну хвилю, ми можемо передбачити, наскільки сильною була гравітаційна хвиля поблизу місця свого народження. Вимірюючи її силу в міру досягнення Землі і порівнюючи наші виміри з передбаченою силою джерела, ми можемо розрахувати, наскільки далеко знаходиться джерело. Оскільки гравітаційні хвилі рухаються зі швидкістю світла, ми можемо розрахувати, як довго гравітаційні хвилі рухалися до Землі.

У випадку з виявленою нами системою чорних дірок ми виміряли максимальну зміну довжини рукавів LIGO на 1/1000 діаметра протона. Ця система розташована у 1,3 мільярда світлових років. Гравітаційна хвиля, виявлена ​​у вересні та анонсована днями, рухалася до нас 1,3 мільярда років. Це сталося до того, як на Землі утворилося тваринне життя, але вже після виникнення багатоклітинних.

Під час оголошення було заявлено, що інші детектори шукатимуть хвилі з довшим періодом – деякі з них будуть зовсім космічними. Що ви можете розповісти про цих великих детекторів?

У розробці справді знаходиться космічний детектор. Він називається LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Оскільки він буде в космосі, він буде досить чутливим до низькочастотних гравітаційних хвиль, на відміну від земних детекторів, внаслідок природних вібрацій Землі. Буде складно, оскільки супутники доведеться розмістити далі від Землі, ніж бувала людина. Якщо щось піде не так, ми не зможемо відправити астронавтів на ремонт, як із Хабблом у 1990-х. Щоб перевірити потрібні технології, у грудні запустили місію LISA Pathfinder. Поки що вона впоралася з усіма поставленими завданнями, але місія ще далека від завершення.

Чи можна перетворити гравітаційні хвилі на звукові? І якщо так, то на що вони будуть схожі?

Можна, можливо. Звичайно, ви не почуєте просто гравітаційної хвилі. Але якщо взяти сигнал і пропустити через динаміки, то можна почути.

Що нам робити із цією інформацією? Чи випромінюють ці хвилі інші астрономічні об'єкти із значною масою? Чи можна використовувати хвилі для пошуку планет чи простих чорних дір?

При пошуку гравітаційних значень має значення як маса. Також прискорення, властиве об'єкту. Виявлені нами чорні дірки оберталися один навколо одного зі швидкістю 60% світлової, коли зливалися. Тому ми змогли виявити їх під час злиття. Але тепер від них більше не надходить гравітаційних хвиль, оскільки вони об'єдналися в одну малорухливу масу.

Так що все, що має велику масу і рухається дуже швидко, створює гравітаційні хвилі, які можна вловити.

Екзопланети навряд чи матимуть достатню масу або прискорення, щоб створити виявлені гравітаційні хвилі. (Я не говорю, що вони їх не створюють взагалі, тільки те, що вони будуть недостатньо сильними або з іншою частотою). Навіть якщо екзопланета буде масивною, щоб виробляти потрібні хвилі, прискорення розірве її на частини. Не забувайте, що найпотужніші планети, як правило, є газовими гігантами.

Наскільки вірна аналогія хвиль у воді? Чи можемо ми осідлати ці хвилі? Чи існують гравітаційні «піки», як відомі «колодязі»?

Оскільки гравітаційні хвилі можуть рухатися через речовину, немає способу осідлати їх або використовувати їх для руху. Тож ніякого гравітаційно-хвильового серфінгу.

«Піки» та «колодязі» - це чудово. Гравітація завжди притягує, оскільки немає негативної маси. Ми не знаємо чому, але її ніколи не спостерігали у лабораторії чи у Всесвіті. Тому гравітацію зазвичай представляють як «колодязь». Маса, яка рухається вздовж цієї «криниці», звалюватиметься вглиб; так працює тяжіння. Якщо у вас буде негативна маса, ви отримаєте відштовхування, а разом з ним і «пік». Маса, яка рухається на піку, буде згинатися від нього. Тож «колодязі» існують, а «піки» немає.

Аналогія з водою прекрасна, поки ми говоримо про те, що сила хвилі зменшується разом із пройденою відстанню від джерела. Водяна хвиля буде ставати менше і менше, а гравітаційна хвиля - слабша і слабша.

Як це відкриття вплине на опис інфляційного періоду Великого Вибуху?

На даний момент це відкриття поки що практично не зачіпає інфляцію. Щоб робити заяви на кшталт цього, необхідно спостерігати реліктові гравітаційні хвилі Великого Вибуху. Проект BICEP2 вважав, що опосередковано спостерігав ці гравітаційні хвилі, але виявилося, що винний у всьому космічний пил. Якщо він отримає потрібні дані, разом з ними підтвердиться існування короткого періоду інфляції невдовзі після Великого Вибуху.

LIGO зможе безпосередньо побачити ці гравітаційні хвилі (це буде найслабший тип гравітаційних хвиль, який ми сподіваємося виявити). Якщо ми їх побачимо, то зможемо зазирнути глибоко у минуле Всесвіту, як не заглядали раніше, і за отриманими даними судити про інфляцію.

Що таке гравітаційні хвилі?

Гравітаційні хвилі - зміни гравітаційного поля, що поширюються подібно до хвиль. Випромінюються рухомими масами, але після випромінювання відриваються від них і існують незалежно від цих мас.Математично пов'язані з обуренням метрики простору-часу і можуть бути описані як «брижі простору-часу».

У загальній теорії відносності та в більшості інших сучасних теорійГравітації гравітаційні хвилі породжуються рухом потужних тіл зі змінним прискоренням. Гравітаційні хвилі вільно поширюються у просторі зі швидкістю світла. Через відносну слабкість гравітаційних сил (у порівнянні з іншими) ці хвилі мають дуже малу величину, що важко піддається реєстрації.

Гравітаційні хвилі пророкуються загальною теорією відносності (ОТО). Вперше вони були безпосередньо виявлені у вересні 2015 року двома детекторами-близнюками обсерваторії LIGO, на яких були зареєстровані гравітаційні хвилі, що виникли, ймовірно, внаслідок злиття двох чорних дірок та утворення однієї масивнішої обертової чорної діри. Непрямі свідчення їх існування були відомі з 1970-х років - ОТО передбачає збіги зі спостереженнями темпи зближення тісних систем подвійних зірокрахунок втрати енергії на випромінювання гравітаційних хвиль. Пряма реєстрація гравітаційних хвиль та їх використання для визначення параметрів астрофізичних процесів є важливим завданням сучасної фізики та астрономії.

Якщо уявити наш простір-час як мережа координат, то гравітаційні хвилі - це обурення, бриж, яка бігтиме по сітці, коли масивні тіла (наприклад, чорні дірки) спотворюють простір навколо себе.

Це можна порівняти із землетрусом. Уявіть, що ви живете у місті. У ньому є якісь маркери, які створюють міський простір: будинки, дерева тощо. Вони нерухомі. Коли десь поблизу міста відбувається великий землетрус, коливання доходять до нас - і коливатися починають навіть нерухомі будинки та дерева. Ось ці коливання є гравітаційними хвилями; а об'єкти, що коливаються, - це простір і час.

Чому вчені так довго не могли зареєструвати гравітаційні хвилі?

Конкретні зусилля з виявлення гравітаційних хвиль розпочалися післявоєнний період з кілька наївних пристроїв, чутливості яких, очевидно, було вистачить реєстрації таких коливань. Згодом стало зрозуміло, що детектори для пошуку мають бути дуже масштабні – і вони мають використовувати сучасну лазерну техніку. Саме з розвитком сучасних лазерних технологій з'явилася можливість контролювати геометрію, обурення якої є гравітаційною хвилею. Найпотужніший розвиток технологій відіграв ключову роль у цьому відкритті. Хоч би якими геніальними були вчені, ще 30–40 років тому зробити це було технічно просто неможливо.

Чому виявлення хвиль таке важливе для фізики?

Гравітаційні хвилі були передбачені Альбертом Ейнштейном у загальній теорії відносності близько ста років тому. Всі XX століття перебували фізики, які ставили під сумнів цю теорію, хоча з'являлося дедалі більше підтверджень. І наявність гравітаційних хвиль – це таке критичне підтвердження теорії.

Крім того, до реєстрації гравітаційних хвиль про те, як поводиться гравітація, ми знали лише на прикладі небесної механіки, взаємодії небесних тіл. Але було зрозуміло, що гравітаційне поле має хвилі і простір-час може деформуватися подібним чином. Те, що ми до цього не бачили гравітаційних хвиль, було білою плямою у сучасній фізиці. Зараз ця біла пляма закрита, покладена ще одна цегла в основу сучасної фізичної теорії. Це фундаментальне відкриття. Нічого порівнянного за Останніми рокамине було.

«Чекаючи хвиль і частинок» - документальний фільмпро пошук гравітаційних хвиль(Автор Dmitry Zavilgelskiy)

Є у реєстрації гравітаційних хвиль та практичний момент. Напевно, після подальшого розвиткутехнологій можна буде говорити про гравітаційну астрономію - про те, щоб спостерігати сліди найбільш високоенергійних подій у Всесвіті. Але зараз говорити про це рано, йдеться лише про факт реєстрації хвиль, а не про з'ясування характеристик об'єктів, які генерують ці хвилі.