Интерферометр ligo – все о космосе

Открытие гравитационных волн | Лаборатория космических исследований

Опубликовано vribinek в пт, 12/02/2016 – 22:00

В 1916 году великий физик Альберт Эйнштейн объявил миру  о всем известной сегодня Общей теории относительности, согласно которой существуют некие гравитационные волны, которые, как и другие виды волн, являются колебаниями.

По теории Эйнштейна гравитационные волны  – это колебания ткани пространства-времени. Это удивительное предположение целый век оставалось лишь теорией, заставляя ломать умы множества ученых. Некоторые пытались ее доказать, кто-то старался опровергнуть.

И вот, наконец, этим многочисленным спорам был положен конец.

11 февраля 2016 года на пресс-конференции в Национальном пресс-клубе в Вашингтоне было официально объявлено о долгожданном открытии гравитационных волн. Авторами открытия стали группа исследователей, объединенных в международную гравитационную обсерваторию LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

Ученые давно предполагали, что наиболее мощные гравитационные волны вызывают крупные космические катаклизмы. Например, столкновение двух крупных объектов, взрывы звезд, образование Черных дыр и другие.

После такого рода явлений, возникшие гравитационные волны должны распространиться по Вселенной, а однажды и достичь Земли, где их уже будут ждать в LIGO.  Суть ловли этих волн была следующей. Два лазерных луча направляют перпендикулярно друг другу по трубам огромной длины. В LIGO длина трубы 4 километра.

Затем при  помощи зеркал лучи сводят в один, а далее исследуют стандартную интерференционную картину. Когда гравитационные волны достигли Земли, пространство сузится в одном направлении и расширится в перпендикулярном. Следовательно, расстояния, проделанные лучами, изменятся.

Это и отразится на интерференционной картинке, которая выглядит как концентрические окружности (т.е. окружности замкнутые сами на себе).

Многие годы в LIGO проделывали вышеупомянутый опыт, но он, увы, не давал ни малейшего результата. Однако недавно обсерваторию улучшили, сделав лазерные интерферометры гораздо чувствительнее, и назвали ее Advanced LIGO.

После этого ученым и удалось добиться нужного результата, наконец, увидев с помощью LIGO гравитационные волны. По предположениям ученых волны пришли от столкновения двух сверхмассивных черных дыр, что дает весомый аргумент  в пользу существования черных дыр, которое еще не доказано.

Данное столкновение произошло аж 1,3 миллиарда лет назад, и только сейчас гравитационные возмущения достигли Земли.

Таким образом, 11 февраля 2016 года миру было представлено одно из великих открытий, подтверждающее известную теорию Эйнштейна и дающее начало новой эре гравитационно-волновой астрономии.

Теперь, не останавливаясь на достигнутом, физики будут пытаться безустанно разгадать некоторые загадки темной материи и ранних этапов развития Вселенной, а также заглянуть в области, где  нарушается ОТО, что значительно продвинет современную астрофизику, приближая нас к величайшим загадкам Вселенной…

Источник: http://www.spacephys.ru/otkrytie-gravitatsionnykh-voln

На гребне метрического тензора

11 февраля участники коллаборации LIGO проведут пресс-конференцию, в которой сделают некое важное объявление. Этот проект занимается поиском гравитационных волн с помощью лазерной интерферометрии.

Чтобы подготовить читателя, мы собрали основную информацию о гравитационных волнах в вопросах и ответах.

В составлении этого материала нам помогал руководитель научной группы Российского квантового центра, профессор МГУ и участник проекта LIGO Михаил Городецкий.

— Откуда взялась идея гравитационных волн?Впервые гравитационные волны были предложены самим Эйнштейном в работе 1916, то есть почти ровно 100 лет назад.

Уравнение для волн является следствием уравнений теории относительности и выводятся не самым простым образом. То есть даже на теоретическом уровне существование таких волн, вообще говоря не слишком очевидно.

Спустя два года, в 1918 году вышла работа, целиком посвященная этим волнам. Пожалуй, ее можно считать основополагающей в этом направлении исследований.

— Что может испускать гравитационные волны?

Источником гравитационных волн является любое тело, обладающее массой, которое движется с ускорением. В модельном случае волны выводятся для пары вращающихся вокруг общего центра масс тел. Испускание волн является механизмом потери энергии для такой системы.

В реальности на роль таких тел претендуют пары черных дыр или нейтронных звезд, вращающихся вокруг общего центра масс достаточно быстро и достаточно близко друг от друга.

Из-за потери энергии за счет гравитационного-излучения эти тела постепенно сближаются, увеличивая скорость обращения и, тем самым, частоту испускаемых гравитационных волн, пока не сольются в одно тело.

Основная часть гравитационного излучения приходится на последние доли секунды перед слиянием, когда тела начинают двигаться со скоростями, сравнимыми со скоростью света.

Замечательно то, что физики умеют на компьютерах рассчитывать гравитационные сигналы от таких событий, если задать начальные условия. Также источниками гравитационных волн могут быть взрывы сверхновых.

Главное, чтобы такой взрыв не был идеально симметричным, иначе волн не получится. Подойдет и быстро вращающийся, но тоже не симметричный компактный объект.

— Что колеблется в гравитационных волнах?

В проект входят две обсерватории на расстоянии 3002 километра друг от друга. У каждой обсерватории есть детектор. Это L-образная труба с плечами по 4 километра каждая, внутри которой создается высокий вакуум. Луч лазера расщепляют перед рукавами. Два дочерних луча проходят по рукавам, а потом вновь объединяются. Если пространство-время невозмутимо, то лучи совпадут по фазе.

В том случае, если сквозь детектор проходит гравитационная волна, лучи пройдут не совсем одинаковой путь и совпадут не полностью. Образуется интерференционная картинка, которую и ищут исследователи.Когда речь идет про звуковые волны, то мы говорим о колебаниях воздуха. С гравитационными волнами все сложнее: по сути в них колеблется даже не само пространство, а его геометрия.

В теории относительности гравитация описывается в терминах кривизны пространства. За геометрию в этой теории отвечает метрика: грубо говоря, это такая штука, которая каждой точке пространства-времени присваивает 10 чисел, записанных в виде симметричной 4 на 4 матрицы. Числа меняются от точки к точке и характеризуют геометрию.

Собственно эта метрика и меняется периодически во времени.

— Если я встречу гравитационную волну, я что-нибудь почувствую?

Колебания геометрии означает, что в пространстве будут периодически изменяться расстояния между объектами, углы между кривыми. Например, можно провести такой мысленный эксперимент. Представим, что на белой стене у нас нарисован круг. Грубо говоря, если навстречу нам будет идти волна, то мы увидим, как этот круг деформируется, например, в эллипс и обратно.

Если говорить про другие чувства, не только зрение, то еще один способ интерпретировать волну — это, фактически, меняющаяся со временем приливная сила, действующая на любое тело (градиент ускорения).

Поэтому, если бы эта волна была в квинтильон раз (1018) больше, чем те, что приходят из далекого космоса, а частота раз в сто меньше, вы бы почувствовали, что ваше тело растягивает и сжимает какая-то непонятная сила.

Именно на этом принципе — почувствовать дрожание, вызванное таким периодическим воздействием, работают так называемые резонансные детекторы на болванках (многотонных чушках из алюминиевого сплава, охлаждаемые до криогенных температур и обвешанных детекторами). От них отказались из-за слабой по сравнению с LIGO чувствительностью.

— А гравитационные волны поперечные или продольные?

Когда речь идет об обычных волнах, можно говорить о колебании некоторых точек, например, молекул воздуха, и как это колебание соотносится с правлением движения волны, за которое обычно берут направление переноса энергии.

 Гравитационные волны, как уже говорилось, представляют собой сложные колебания геометрии пространства-времени, задаваемые метрикой. Но для удаленных источников гравитационные волны все-таки можно назвать поперечными.

В отличие от, скажем, электромагнитных волн они характеризуются не поперечным вектором, а поперечным тензором h.

Поэтому можно выделить две поляризации, соответствующие не ортогональным векторам, а повернутым на 45 градусов тензорам h+ и h× (наклонный крестик умножения, а не буква x), которые соответствуют одновременному периодическому расширению/сжатию верх-низ/право-лево или по диагоналям если смотреть по направлению распространения волны.

— Ладно, 100 лет назад эти волны предсказали. А почему их еще не нашли?

Штука в том, что гравитационные волны очень и очень слабые по всем параметрам. Вернемся к эксперименту с кругом. Представим что волна сжимает пространство так, что круг превращается в эллипс.

Можно взять отношение малого радиуса к эллипсу к большому и обозначить его через h. Типичное значение h для проходящих через Землю гравитационных волн должно составлять 10-21.

В оригинальной работе Эйнштейна была предсказана мощность гравитационного излучения метрового стального стержня, вращающегося с предельной скоростью — она составила 10-37 ватт.

Для того, чтобы образовалась более или менее регистрируемая гравитационная волна, требуются мощные катастрофические события типа столкновения черных дыр или нейтронных звезд или взрывы близких сверхновых. Понятно, что такие события происходят достаточно редко.

Но физики научились приблизительно расчитывать вероятность таких событий и, соответственно, вероятность их обнаружения при заданной чувствительности. Еще в 1992 году получили оценки, что для надежной регистрации нескольких событий в год требуется чувствительность, которые гравитационные антенны достигли только сейчас.

Здесь действует простое соображение. Допустим, что при данной чувствительности расчеты показывают, что мы в среднем будем наблюдать 1 событие в сто лет. Если мы увеличим чувствительность в десять раз (как это случилось с новой антенной LIGO под названием Advanced LIGO), насколько нам это поможет.

Ответ — мы будем тогда в среднем наблюдать 10 событий в год, то есть вероятность обнаружить что-то повышается в 1000 раз. Дело в том, что мы при этом в 10 раз увеличиваем расстояние на котором можем засечь событие, а значит в 1000 раз увеличиваем объем «прослушиваемого» пространства.

Таким образом, короткое наблюдение современной антенны дает больше данных чем десятилетия всех предыдущих наблюдений.

— А разве совсем недавно уже не находили гравитационные волны?

Да, в марте 2014 года появилась информация, что эксперимент BICEP2 такие волны нашел. Тогда речь шла не о прямой регистрации, а о наблюдении неоднородностей в поляризации реликтового излучения.

Реликтовое излучение — это излучение, оставшееся от самой ранней эпохи существования Вселенной. Волны, которые ищут с помощью проекта, остались от Большого взрыва и их длина сравнима с размером Вселенной.

Спустя некоторое время, однако, возникли сомнения в достоверности самого открытия. Оказалось, что авторы недостаточно учли влияние космической пыли, которая оказалась способна имитировать следы от гравитационных волн.

В результате, статистическая значимость результата понижалась несколько раз, что, в конце концов закончилось статьей в Nature, отменившей по сути это открытие

— Я что-то слышал про гравитационные волны в атмосфере Земли…

Читайте также:  Метеоритный дождь - все о космосе

Есть забавная терминологическая коллизия. В гидродинамике есть класс поверхностных волн, в которых сила, возвращающая колеблющуюся поверхность к состоянию равновесия, это просто сила тяжести. Такие волны в русскоязычной терминологии тоже называются гравитационными.

Штука в том, что обычные волны на поверхности пруда — это и есть гравитационные волны в этой терминологии. Их найти труда не составляет.

— Если есть волна, она несет энергию. А что является квантом гравитационных волн?В настоящее время квантовая теория гравитации не разработана.

Хотя можно по аналогии с электромагнитной теорией ввести гипотетический квант гравитационного поля — гравитон, бозон без массы со спином 2. Пока попытки объединить квантовую теорию с общей теорией относительности наталкиваются на большие сложности.

Есть сценарии, где гравитационные антенны могут помочь в продвижении к такому объединению.

— Как укладывается этот квант в стандартную модель? Или он не укладывается?Он не укладывается, поскольку гравитация в ОТО описывается особым образом как кривизна пространства-времени, в котором действует стандартная модель. Для введения гравитона требуется квантовая теория гравитации, которая еще не создана. 

— Вообще, какие теории совместимы, а какие несовместимы с существованием гравиволн?В общем-то все признанные современные теории совместимы с существованием гравитационных волн.

Если удастся в будущем найти какие-то расхождения с расчетами по ОТО (например в ультрарелятивистском случае, когда сливающиеся массы двигаются со скоростями близкими к скорости света) это может быть свидетельствами за или против новых теорий.


— Какие эксперименты ищут гравиволны? Как это делается?Для поиска гравитационных волн есть несколько подходов (приведем их в порядке роста длин волн/уменьшения частот).1. Резонансные детекторы на болванках — выше их уже упоминали. Это исторически первый тип антенн, предложенный Джо Вебером.

Это, например, проекты AURIGA, MiniGRAIL2. Лазерные интерферометрические антенны — LIGO, Virgo, GEO600, KARGA3. Космические интерферометрические антенны — проект LISA (в прошлом году был запущен тестовый спутник для этого проекта).

Это поиск гораздо более длинноволновых гравитационных волн, чем в проекте LIGO.

4. Долговременное слежение за пульсарами во Вселенной. Пульсары представляют собой очень точные космические «часы». Гравитационные волны от слияния гигантских черных дыр, — вроде тех, что находятся в ядрах галактик, — должны приводит к изменениям хода пульсарных часов. Даже когда частоты обращения еще малы.

Заметить эти изменения можно сравнивая разные пульсары между собой. В прошлом году были опубликованы первые отрицательные результаты такого эксперимента. Они говорят о том, что сейчас (а точнее миллиарды лет назад с учетом космологических расстояний) столкновения таких сверхмассивных черных дыр нигде не происходят.

Либо мы просто еще не понимаем чего-то важного.

5.Проект BICEP, который занимается поиском первичных гравитационных волн в поляризации реликтового излучения. О результатах этих наблюдений уже говорилось выше.

Андрей Коняев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: https://nplus1.ru/news/2016/02/10/grawaves

В поисках гравитационных волн: проект лиго

В списке наиболее важных и интересных проблем современной физики и астрофизики, составленном академиком В. Л. Гинзбургом (см. “Наука и жизнь” №№ 11, 12, 1999 г.), под номером 22 фигурирует технически сложная задача – прием гравитационных волн, приходящих из космоса.

Построенная для этой цели установка ЛИГО положила начало новому научному направлению – гравитационно-волновой астрономии.Схема интерферометра Майкельсона.

Идея существования гравитационных волн восходит к работам Эйнштейна, точнее, к созданной им к 1916 году общей теории относительности (ОТО) – теории пространства и времени, объединившей эти два понятия.

Общая теория относительности, по существу, – это теория гравитации, устанавливающая связь тяготения с геометрией пространства – времени.

Геометрические свойства четырехмерного пространства-времени, как и обычного трехмерного пространства, целиком определяются находящейся в пространстве материей, которая создает гравитационное поле. Влияние гравитации на геометрию проявляется в том, что она искривляет пространство-время. Мы не можем представить себе это наглядно (как в случае двухмерного “пространства”, скажем, листа бумаги, который легко представить себе и плоским и изогнутым), но можем описать математически.

Эйнштейн показал, что в поле тяготения пространство – время обладает кривизной. Слабой кривизне соответствует обычная ньютоновская гравитация, управляющая Солнечной системой.

Но в мощных гравитационных полях, создаваемых массивными космическими объектами, пространство-время искривлено очень сильно. А если такой объект совершает колебательное или вращательное движение, кривизна меняется.

Распространение этих изменений (возмущений) в пространстве рождает “волны кривизны”, которые и получили название гравитационных волн (см. “Наука и жизнь” №11, 1969 г.; № 1, 1972 г.; № 8, 1989 г.).

И подобно тому, как электромагнитная волна с квантово-механической точки зрения представляет собой поток фотонов, квантование волны гравитационной приводит к понятию гравитона – частицы с нулевой массой покоя.

Излучение колеблющимися массами гравитационных волн очень напоминает излучение электромагнитных волн колеблющимися электрическими зарядами. Согласно ОТО, гравитационные волны имеют такую же скорость, как электромагнитные волны, и тоже переносят энергию.

Они вызывают движение (смещение) тел, встречающихся на их пути, но ожидаемый эффект настолько мал, что до сих пор не обнаружен. Еще в 1916 году Эйнштейн вычислил мощность гравитационного излучения вращающегося стержня длиной 1 метр.

Если даже раскрутить его до такой скорости, что центробежная сила достигнет предела прочности материала на разрыв, мощность излучения окажется равной всего-навсего 10-37 Вт, что зарегистрировать невозможно.

Это делает совершенно нереальным обнаружение гравитационных волн от каких-либо “земных” источников – нужны гигантские массы и столь огромные мощности для приведения их в движение, что эта задача технически невыполнима.

Ситуация становится более благоприятной, если в качестве источников гравитационных волн использовать космические объекты, в которых необходимые требования – колоссальные массы и огромные скорости вращения – обеспечены, так сказать, самой природой.

Из них наиболее подходят двойные звезды, вращающиеся вокруг общего центра масс, и пульсары – вращающиеся нейтронные звезды. Энергия гравитационного излучения этих источников огромна.

Но и здесь, к сожалению, нет оснований для слишком оптимистических надежд, ибо эти источники находятся на громадных расстояниях от Земли (десятки световых лет), и к нам приходит ничтожная часть их гравитационного излучения.

Например, мощность гравитационного излучения двойной звезды йота Волопаса, находящейся на расстоянии 40 световых лет от Земли и состоящей из двух звезд массами 1,35 и 0,68 массы Солнца, согласно расчетам, составляет 2·1023 Вт.

Земли же достигает поток излучения плотностью 10-17 Вт/см2, а от всех двойных звезд нашей Галактики приходит не намного больше – 10-14 Вт/см2 гравитационной энергии. Частота этого излучения лежит в диапазоне нескольких десятков герц.

Другой пример – излучение знаменитого пульсара PSR 0531 в Крабовидной туманности.

Если даже предположить, что он излучает гравитационные волны мощностью порядка 1031 Вт (оценка, как полагают, явно завышенная), то и тогда плотность потока на Земле из-за гигантского расстояния до источника (5500 световых лет) составила бы всего 3·10-14 Вт/см2. Чувствительность же гравитационных детекторов до сих пор ограничивается величиной 10-1-10-3 Вт/см2, т. е. по крайней мере на 11 порядков меньше, чем нужно.

Однако кроме периодического гравитационного излучения от двойных звезд и пульсаров могут наблюдаться очень мощные всплески (импульсы) излучения при различных космических катаклизмах, вроде вспышек сверхновых, приводящих к образованию нейтронных звезд или черных дыр, или при их столкновениях друг с другом.

Поток гравитационного излучения, возникающего при вспышке сверхновой, примерно в 1015 раз больше, чем поток от ближайшей двойной звезды. Появляется реальная возможность зарегистрировать такое излучение, но трудность состоит в том, что заранее неизвестно, когда и откуда придет всплеск.

А в нашей Галактике сверхновые вспыхивают далеко не часто: в среднем один раз за 30 лет.

Поэтому следует рассчитывать на прием излучения и от других галактик: сфера радиусом около 10 миллионов световых лет содержит примерно 300 галактик, и можно ожидать, что импульсы гравитационного излучения с плотностью потока ­ 10-3 Вт/см2 будут приходить несколько раз в год. Но и эта величина находится на пределе чувствительности, и детектировать такие всплески гравитационных волн чрезвычайно трудно.

Первый эксперимент такого рода был осуществлен Д. Вебером (США) в 1969 году. Его гравитационный детектор состоял из двух разнесенных на 1000 километров алюминиевых цилиндров длиной по 1,5 м, диаметром 60 см и весом полторы тонны, подвешенных на тонких нитях в вакуумной камере.

Пьезоэлектрические датчики, приклеенные к цилиндрам, преобразовывали их колебания, вызванные гравитационной волной, в электрические сигналы. Они свидетельствовали о регистрации волн довольно большой мощности.

Однако результаты экспериментов Вебера вскоре были поставлены под сомнение, так как приводили к некоторым абсурдным заключениям, не согласующимся с известными фактами, например к непомерно большим потерям массы в ядре Галактики. Впоследствии эти сомнения перешли в уверенность: было доказано, что гравитационное излучение мощностью, отвечающей наблюдениям Вебера, из космоса не приходит.

После этого было предложено довольно много методов обнаружения гравитационных волн и схем гравитационных детекторов: с использованием ротационных антенн – вращающихся “гантелей” (В. Б. Брагинский и др.), спутников, лазеров, сверхпроводящих магнитометров и лазерных интерферометров.

В интерферометре складываются две световые волны, идущие по разным путям. Если эти волны когерентны (имеют неизменную разность фаз и длину волны), при их сложении образуется устойчивая картина в виде системы полос. Когда длина пути, по которому проходит одна из волн, меняется, полосы смещаются на величину, пропорциональную этому изменению.

Поэтому при регистрации гравитационных волн интерферометрическим методом одна световая волна отражается от зеркал, приклеенных к массивным цилиндрам, вместо датчиков, использованных Вебером. Вибрация цилиндров под воздействием волны вызывает колебания интерференционной картины, а современные электронные методы позволяют обнаружить смещения в сотые доли микрона.

Читайте также:  Астероиды солнечной системы - все о космосе

Но до сих пор обнаружить гравитационные волны еще никому не удалось.

К 1992 году в США был подготовлен грандиозный проект по созданию обсерватории для поиска гравитационных волн с использованием лазерных интерферометров – ЛИГО (LIGO – Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) общей стоимостью более двухсот миллионов долларов.

В его осуществлении приняли участие ученые и инженеры двух крупнейших научных центров США – Калифорнийского и Массачусетского технологических институтов, специалисты из промышленности, из Колорадского, Стэнфордского и Сиракузского университетов.

Технология для ЛИГО разрабатывалась двадцать лет.

За это время было построено и исследовано несколько вариантов лазерных интерферометров, изготовлено уникальное помехозащитное оборудование и отработан окончательный вариант всей системы, на которой планируется проводить обширные исследовательские программы.

Проект ЛИГО ставит своей целью экспериментально изучить проблему нелинейной гравитации, черных дыр и гравитонов, выведя ее из сферы теоретических построений, и подтвердить, что пульсации кривизны пространства-времени – гравитационные волны – существуют.

ЛИГО может позволить исследователям сделать заключение о величине спина (собственного момента количества движения) гравитона. По разнице во времени прибытия электромагнитных и гравитационно-волновых всплесков от одного удаленного события гравитационная обсерватория позволит определить, одинаковы ли скорости этих волн.

Если они приходят одновременно, гравитон, как и предсказывает теория, имеет нулевую массу покоя.

Особенность проекта ЛИГО – возможность использования нескольких интерферометров и создания таких оптических схем, в которых одна и та же пробная масса служит общей для двух или нескольких интерферометров.

Сигналы от двойных или нейтронных звезд могут приходить в частотном диапазоне, простирающемся от очень низких частот до примерно 1 кГц.

Созданная аппаратура может воспринимать частоты от 40 Гц до нескольких килогерц с максимумом чувствительности на частоте 100 Гц.

Исследователи ожидают, что их уникальная установка, открывающая новое поколение гравитационных телескопов, позволит получить фундаментальные результаты, приближающие нас к разгадке многих тайн Вселенной.

Детальное описание иллюстрации

Источник: https://www.nkj.ru/archive/articles/7118/

Обсерватории LIGO впервые зарегистрировали гравитационные волны, предсказанные Эйнштейном

Впервые в истории научного познания и исследования учёные смогли наблюдать рябь в ткани пространства-времени, которая широко известна под названием гравитационных волн.

Эта рябь сумела достигнуть Земли, возникнув во время одного из глобальных катаклизмов в очень далёкой Вселенной.

Открытие гравитационных волн подтверждает главное предсказание Общей теории относительности Эйнштейна, опубликованную им в 1915 году, и открывает новую удивительную и непредсказуемую тропинку исследования космического пространства.

Гравитационные волны несут в себе полную информацию о своём чрезвычайном происхождении и о природе той гравитационной силы, которая была катализатором этого события.

Физики пришли к заключению, что обнаруженные волны образовались во время заключительного сверхмалого отрезка времени, за которое произошло слияние двух чёрных дыр и образовалась одна более массивная.

Такой процесс объединения чёрных дыр также предсказан, но никогда ещё не наблюдался.

Теперь, что касаемо самого обнаружения.

Гравитационные волны были обнаружены 14 сентября 2015 года в 12:51 мск двумя обсерваториями LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), одна из которых расположена в Ливингстоне, штат Луизиана, а другая в Хэнфорде, штат Вашингтон. Они удалены друг от друга на 3002 километра. Поскольку скорость распространения гравитационных волн, как ожидают, равна скорости света, это расстояние даёт разницу в 10 миллисекунд, которая позволит определить направление на источник зарегистрированного сигнала.

Основываясь на наблюдаемых сигналах, учёные LIGO оценивают, что чёрные дыры, участвующие в событии, обладали массами в 29 и 36 раз массивнее Солнца, а само событие произошло 1.3 миллиарда лет назад.

Масса, приблизительно равная трём солнечным, была преобразована в гравитационные волны за очень короткий отрезок секунды с пиковой выходной мощностью примерно в 50 раз большей, чем сейчас можно наблюдать в видимой Вселенной.

Оценив время, которое потребовалось сигналу, чтобы дойти до обсерватории — Ливингстон зарегистрировал событие на 7 миллисекунд раньше Хэнфорда — учёные с уверенностью говорят, что источник был расположен в южном полушарии.

Эти графики показывают сигналы гравитационных волн, которые были обнаружены обсерваториями-близнецами LIGO в Ливингстоне Хэнфорде. Сигнал пришёл от двух сливающихся чёрных дыр. Два верхних графика показывают отдельные сигналы двух обсерваторий (толстые линии), а также сигнал, предсказанный теорией (тонкая линия).

Нижний график показывает соответсвие между сигналами двух обсерваторий. Сигналы от Хэнфордского датчика были инвертированы для сравнения, поскольку в обсерваториях ориентация датчиков различная. График также был немного смещён один относительно другого, поскольку в Ливингстон сигнал дошёл на семь тысячных секунд быстрее.

В итоге график говорит, что обе обсерватории зарегистрировали один и тот же сигнал. Источник: LIGO.

Согласно Общей теории относительности, пара чёрных дыр, движущихся друг вокруг друга, теряет энергию посредством эмиссии гравитационных волн, что заставляет их постепенно приближаться друг к другу в течение миллиардов лет, и намного более быстрее в заключительные минуты события.

Во время заключительной доли секунды эти две чёрные дыры сталкиваются друг с другом на скорости, равной примерно половине скорости света, и формируют одну-единственную более массивную, преобразуя часть объединённой массы дыр в энергию, согласно эквивалентности этих двух параметров. Это знаменитое выражение Эйнштейна E=mc2.

Именно эта энергия испускается в виде заключительного мощного взрыва гравитационных волн. Именно эти волны и наблюдали детекторы LIGO.

Существование гравитационных волн первоначально было продемонстрировано в середине 70-х годов XX века Джозефом Хотоном Тейлором младшим и его коллегами. В 1974 году они обнаружили двойную систему, состоящую из пульсара, движущегося по орбите вокруг нейтронной звезды.

В 1982 году Тейлор и коллеги обнаружили, что орбита пульсара медленно сжималась в течение длительного времени посредством высвобождения энергии в форме гравитационных волн.

За обнаружение этого пульсара и демонстрацию того, что таким особым образом можно измерять гравитационные волны, учёные были награждены Нобелевской премией в области физики в 1993 году.

А новое открытие LIGO является первым наблюдением самих гравитационных волн, которые удалось зарегистрировать исследовав крошечные флуктуации, которые волны передают пространству-времени, по мере движения к Земле.

Приблизительное расположение источника гравитационных волн, обнаруженных 14 сентября 2015 года. Здесь показано небо южного полушария. Цветные линии указывают различные вероятности того, откуда шли волны: фиолетовым цветом обведена область, о которой с 90-процентной уверенностью можно сказать, что оттуда прибыл сигнал.

И в то же самое время внутри фиолетовой области есть своя градация. Жёлтая линия показывает вероятность прибытия сигнала именно из того участка, она характеризует 10-процентную вероятность. Под заштрихованной областью справа в виде нечёткого пятна видно Большое Магелланово Облако. Чуть ниже его — Малое.

Источник: LIGO

Это открытие стало возможным благодаря улучшениям, которые были применены на всей инфраструктуре обсерваторий LIGO, вследствие чего проводимые обзоры стали получать наименование Advanced LIGO.

Главная модернизация коснулась увеличения чувствительности детекторов, что позволило существенно увеличить объём исследуемой Вселенной. В полностью снаряжённом состоянии обновлённая система LIGO в десять раз чувствительнее прежней модификации.

Это может показаться удивительным, но гравитационные волны были обнаружены сразу во время первого исследования Advanced LIGO.

Первоначально интерферометр LIGO был предложен в качестве средства поиска гравитационных волн в 80-х годах XX века Райнером Вайсом, заслуженного профессора физических наук Массачусетского технологического института; Кипом Торном и Рональдом Дривером — профессорами физических наук в Калифорнийском технологическом институте.

Каждая обсерватория LIGO оборудована 4-километровым L-образным рукавом, который расщепляет лазерный луч на два. Эти лучи движутся вперёд и назад по рукаву, который имеет 1.22 метра в диаметре и внутри которого создана практически идеальная вакуумная среда.

Эти лучи используются для того, чтобы контролировать расстояние между зеркалами, точно установленными в концах рукавов. Каждый рукав содержит в себе интерферометр Майкельсона, а зеркала нужны для того, чтобы сформировать резонатор Фабри-Перо.

Согласно теории Эйнштейна, расстояние между зеркалами изменится на бесконечно малую величину в тот момент, когда гравитационная волна пройдёт через датчик.

В результате в такой системе удаётся зарегистрировать изменение в длине рукавов, меньше, чем одна десятитысячная от диаметра протона (10-19 метров).

Но, одной регистрации события мало.

Необходимо заручиться поддержкой независимых и отстоящих друг от друга на большие расстояния других обсерваторий, чтобы вычислить направление на событие, которое вызвало возникновение гравитационных волн.

Также это необходимо для того, чтобы убедиться, что сигнал пришёл именно из космоса, а не откуда-то ещё. Поэтому лаборатория LIGO тесно сотрудничает с индийскими учёными из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики.

Ранее исследователи из другой коллаборации BICEP заявляли, что смогли зафиксировать первородные гравитационные волны, но затем эта информация была опровергнута.

По информации объединения LIGO.

Источник: http://www.theuniversetimes.ru/observatorii-ligo-vpervye-zaregistrirovali-gravitacionnye-volny-predskazannye-ejnshtejnom.html

Гравитационные волны: что же именно «открыли» учёные LIGO?

11 февраля 2016 г. 21:55

Обнаружение гравитационных волн не напрасно претендует на звание величайшего научного достижения XXI века: помимо подтверждения одной из фундаментальных научных теорий, оно, по всей видимости, станет рождением новой отрасли науки – гравитационной астрономии.

Новость о фиксации лабораторией LIGO гравитационных волн, исходящих от двух столкнувшихся между собой чёрных дыр, стала одной из тех научных сенсаций, которые широко обсуждаются в социальных сетях людьми, имеющими о физике весьма схематичное представление. Попытаемся же разобраться в том, что именно открыли учёные и чем нам всем это «грозит».

Читайте также:  Что такое время? - все о космосе

Гравитационные волны: откуда есть пошли

Почти все, кто интересовался вопросом сделанного учеными лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) открытия, знают, что оно «подтвердило предположения Эйнштейна». Давайте разберёмся, что же это были за предположения и как именно эксперименты LIGO позволили их подтвердить.

Суть гравитационной теории Эйнштейна, которая ещё называется Общей теорией относительности, состояла в том, что гравитационные эффекты обусловлены искажением пространства-времени под действием гравитирующей массы.

Эту идею можно объяснить, если представить себе наше четырёхмерное (три пространственных измерения плюс время) пространство в виде растянутой двухмерной эластичной сетки – чего-то вроде батута. В нормальном состоянии, эта «сетка» натянута равномерно и, если мы возьмём любой узел этой «сетки», то исходящие из него нити сетки будут иметь равное расстояние до других узлов.

Но если мы положим на сеть некий тяжёлый предмет, то та деформируется под его весом. В результате структура «сетки» исказится: нити растянутся, и вблизи массивного предмета станут длиннее, чем на отдалении от него.

Искажение “сетки” пространства-времени под влиянием гравитационного поля Земли

Таким же образом, по теории Эйнштейна, влияет на наше четырёхмерное пространство-время и гравитирующая масса. Т.е. на самом деле гравитационное воздействие объясняется не взаимодействием тел между собой, но их обоюдным влиянием на структуру окружающего их пространства.

Иными словами, Эйнштейн считал, что брошенный под неким углом на поверхности земли теннисный мячик на самом деле летит по прямой, а наблюдаемая траектория его движения (парабола) вызвана тем, что наблюдаемое нами пространство искривлено гравитационным полем Земли.

Искривление траекторий в гравитационном поле на различном расстоянии от массивного объекта

Но это – стационарный случай. А теперь представим себе, что массивное (т.е. имеющее массу) тело не лежит на сетке в состоянии покоя, а движется с ускорением – к примеру, как когда человек подпрыгивает на батуте, или как когда теннисный мяч ударяется о сетку ракетки.

Как мы знаем, в этом случае возникает возмущение, которое распространяется по сетке от точки соприкосновения к краям.

Любой, кто когда-либо играл в теннис, знает, что после удара ракетка несколько мгновений вибрирует – это и есть результат распространения этого возмущения, которое дошло по сетке до самого материала ракетки и далее по нему передалось в её рукоятку.

Нечто подобное, предположил Эйнштейн, должно наблюдаться и в структуре пространства-времени, через которые с ускорением движется некое обладающее массой тело: оно также должно вызывать возмущения пространства-времени, своеобразную «рябь» искажений пространственно-временной метрики. Процесс распространения этих возмущений – и есть та волна, которую решили обнаружить исследователи LIGO.

Иголка в стоге сена

Однако сказать – проще, чем сделать. Гравитационные волны и вызываемые ими искажения пространства-времени слишком слабы для того, чтобы их можно было просто зафиксировать на Земле. Необходимы поистине космические процессы с телами большой массы, движущимися со значительным ускорением.

И такой процесс нашли: им стало столкновение двух чёрных дыр, массы каждой из которых примерно в 30 раз превосходят массу нашего Солнца. Дело в том, что перед столкновением эти чёрные дыры начали вращаться друг относительно друга по постепенно сужающейся спирали.

Вращение является одним из случаев движения с ускорением, а значит, эти чёрные дыры должны испускать гравитационные волны.

По мере сближения чёрных дыр, радиус вращения будет уменьшаться, ускорение – увеличиваться,  а испускаемые ими гравитационные волны должны стать достаточно мощными, чтобы их, в теории, можно было зафиксировать с помощью определённых сверхчувствительных приборов на Земле.

Ловушка для гравитационной волны

Обнаружить искажения пространства-времени, возникающие в результате прохождения гравитационной волны, решили с помощью приборов, называемых интерферометрами. Эти устройства известны уже давно, и активно используются как в экспериментальной физике, так и в промышленности – прежде всего, для сверхточного изменения расстояний.

Как следует из названия, интерферометр в своей работе использует принцип интерференции света. Это явление изучают в школе, но на всякий случай напомню, что интерференция – это взаимодействие двух пучков света, которое, в зависимости от условий, приводит к их ослаблению или усилению.

На практике речь идёт о двух частях одного и того же пучка, разделённого с помощью системы приспособлений. Две эти части пучка направляются по различным траекториям (оптическим путям), а затем сводятся вместе и направляются на один экран. В результате на экране образуется т.н.

интерференционная картина – система чередующихся тёмных и светлых полос, которая зависит от соотношения пройденных оптических путей. Даже незначительное (порядка длины волны света) изменение длины оптического пути, пройденного одним из пучков, даст наблюдаемое измерение интерференционной картины.

Именно поэтому с помощью интерферометра можно зафиксировать даже незначительное изменение геометрических размеров тел.

А причём здесь гравитационные волны, спросит читатель? А дело в том, что изменение метрики пространства-времени, вызываемое гравитационными волнами, как раз и должно, как мы уже говорили выше, проявляться в изменении линейных размеров тел! Именно с помощью интерферометра их и планировали обнаружить.

Сплющивание Земли под воздействием гравитационных волн (для наглядности демонстрации масштаб эффекта сильно увеличен, в реальности воздействие гравитационной волны значительно слабее)

С этой целью в двух точках в США были построены два уникальных интерферометра: один в Ливингстоне (Луизиана), другой в Хенфорде (Вашингтон).

Каждый из интерферометров, разнесённых более чем на 3000 километров, должен был вести независимые измерения, которые затем должны были быть сопоставлены между собой.

Сами интерферометры также представляли собой весьма незаурядные конструкции: прежде, чем совместиться на экране, два пучка должны были пройти по 4 километра каждый!

Интерферометр в Хенфорде. Хорошо видны «плечи», по которым распространяются световые волны

И это сработало. Изменение интерференционной картины было зафиксировано лабораториями LIGO 14 сентября 2015-го года. Как оказалось впоследствии, эти результаты соответствовали расчётным параметрам, т.е.

оказались такими же, какие могли бы быть произведены гравитационной волной, возникшей в ходе столкновения чёрных дыр указанной массы и в указанном месте.

Тот факт, что явление зарегистрировали обе лаборатории LIGO, позволяет практически исключить вероятность случайных совпадений.

Прежде, чем обнародовать результаты, учёные проекта, в котором приняли участие множество научных учреждений из 15 стран, потратили почти полгода на их анализ и перепроверку. Официально об экспериментальном обнаружении гравитационных волн было объявлено 11 февраля 2016-го года. Новость была встречена учёными всего мира с ликованием.

Что это значит?

Попытаемся же понять, что именно вызвало столь бурную радость учёных, многие из которых уже назвали это открытие самым значительным научным достижением XXI столетия?

Эйнштейн был прав насчёт гравитации. Эксперимент LIGO подтвердил существование предсказанных им гравитационных волн, что указывает на справедливость его гипотезы в принципе.

Похоже, что гравитация «работает» именно так, как о ней думал Эйнштейн, и это является важным шагом в познании наиболее таинственного из четырёх известных типов взаимодействий, существующих в природе.

Это – ключевое значение данного эксперимента с точки зрения фундаментальной физики, причём переоценить его важность практически невозможно.

Однако опыты LIGO имеют ценность не только с точки зрения сугубой теории.

Существование гравитационных волн, а также обнаружение способа их «захвата» может стать началом новой эры в исследовании  космоса: эры «квантовой астрономии», которая позволит изучать явления, недоступные радиоастрономии, уж не говоря о классической «оптической» астрономии, давно уже «упёршейся» в предел своих возможностей.

Гравитационные волны не экранируются другими объектами (например, пылевыми туманностями и тому подобным), а значит, они могут донести до Земли информацию о многих важных космических событиях.

Среди прочего, изучение гравитационных волн может дать ответы на вопрос о скорости расширения Вселенной, проверить существующие теории о физике чёрных дыр, ранних и поздних этапах эволюции звёзд и тому подобное.

Уже не говоря о том значении, которое могут иметь эти наблюдения для работы над теорией гравитации – одного из наиболее беспокоящих современных теорфизиков «белых пятен» познания.

Разумеется, для развития гравитационной астрономии как новой отрасли познания потребуется серьёзное усовершенствование средств наблюдения: по всей видимости, в будущем мы увидим устройства, по сравнению с которыми установка LIGO покажется такой же несовершенной и малочувствительной, как первый телескоп Галилея по сравнению с современными устройствами для наблюдения звёздного неба. Это потребует колоссальных затрат и серьёзнейшей работы лучших инженеров и учёных, которые в другой ситуации, возможно, были бы сочтены чрезмерными. Но теперь мы знаем, что гравитационные волны существуют, что их можно «ловить», и что эти затраты в итоге окажутся оправданными.

Кстати, система LIGO и после 14 сентября 2015-го года фиксировала гравитационные волны, проходящие через нашу планету.

Сейчас сотни учёных по всему миру уже работают над интерпретацией этих данных с тем, чтобы понять, какими событиями были вызваны эти наблюдения.

Иными словами, гравитационная астрономия уже стала частью арсенала познания мира, находящегося в распоряжении Человечества.

Источник: http://timer-odessa.net/statji/gravitatsionnie_volni_chto_je_imenno_otkrili_uchenie_ligo_724.html

Ссылка на основную публикацию