X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Изучение вопроса гравитационных волн имеет длительную историю. Так, многие работы Альберта Эйнштейна, включая и предсказание гравитационных волн, были основаны на теории гравитации Ньютона. Наблюдения Ньютоном природных явлений привели его к открытию закона гравитации. На основании опытных данных, Ньютон сделал вывод, что все объекты притягиваются друг к другу и сила тяготения значительна для больших масс, и уменьшается по мере удаления объектов друг от друга. Он назвал этот закон законом гравитации. Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в своем воздействии на любую материю. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие. Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления — орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падение тел. Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией (еще в античные времена Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью). Хотя теория Ньютона объясняла следствия воздействия гравитации, вопрос о том за счет чего она действует оставался тайной в течение следующих 300 лет [1]. Гравитационные волны по теории относительности Эйнштейна заключается в том, что любое тело, обладающее массой, искривляет единое временно-пространственное «полотно» — и чем больше масса, тем сильнее оно будет искривлено. Согласно этой теории, брошенный камень не притягивается к Земле и летит неизменно по прямой линии — само пространство искривляется так, что по мере затухания импульса он втыкается обратно в Землю. А вращаясь, массы закручивают пространство и время вокруг себя целыми спиралями, как на водосточных сливах. Поэтому спутники вращаются вокруг планет, планеты вокруг звезд, звезды вокруг галактических центров — и так до бесконечности. Для того чтобы понять, откуда берется гравитационная энергия, рассмотрим базовую формулу Специальной теории относительности Эйнштейна — [E=mc²].

E— это кинетическая энергия тела, т.е. энергия движения. Однако по теории относительности оказалось, что энергия нужна даже для того, чтобы тело не двигалось. Соответственно этим положениям, любая масса подразумевает наличие в ней потенциальной энергии. Практический выход теории взаимовместимости энергии и массы нашелся в ядерной физике — относительно неподвижные, но зато тяжелые уран и плутоний создают громадное количество энергии в реакторах и бомбах. Первоначально вся эта концепция существовала только в виде математических уравнений в тетрадях Эйнштейна. Тогда, в начале XX века, сложно было найти какие-то подтверждения этой теории. Но сейчас теория гравитационного искажения пространства используется даже в быту. Навигационная технология GPS, вшитая во все современные телефоны, работает по принципу сверки высокоточных часов наземного устройства и спутника. Поэтому на спутнике часы искусственным образом замедляются — ведь на телефоне, который находится на поверхности Земли, ближе к гравитационному центру, время идет заметно медленнее! Других подтверждений искажения пространства и времени гравитацией уйма: это и гравитационное линзирование, во время которого массивные объекты искажают очертания звезд за ними, и инфракрасное смещение световых волн, тоже сперва открытое «на бумаге». Эти феномены не пылятся в кладовках человеческого знания — с их помощью выясняются истинные цвета и очертания удаленных объектов, а также разрабатываются технологии будущих межзвёздных путешествий.Т.о. двигаясь и вращаясь, массивное тело создает искажение времени и пространства — и чем быстрее тело движется и/или вращается, тем сильнее итоговое искажение. Только гравитационное волны — это не просто колебания энергии, но и колебания времени и пространства. Образно говоря, на гребне волны предметы и минуты сжимаются, становятся короче, а на скате — разглаживаются, приходят в порядок. Эти пространственно-временные волны и есть выход той гравитационной энергии, о которой говорилось выше. Однако для их появления остается одно необходимое условие — переменная, непостоянная скорость элементов гравитационной системы. А это встречается достаточно редко. Как и привычные нам волны, скорость распространения их зависит от «упругости» среды, через которую они путешествуют. В данном случае такой средой выступает само пространство-время, а гравитационные волны путешествуют со скоростью света.

В настоящее время теория гравитационных волн вышла на новый виток развития [2-8]. Возник вопрос об источнике гравитационных волн. Самые мощные источники — это либо сближающиеся нейтронные звезды или черные дыры, которые перед коллапсом вращаются друг вокруг друга на сумасшедших скоростях, либо мощнейшие взрывы сверхновых. Но, даже если рассматривать потенциальное столкновение двух массивных черных дыр, которые мы бы смогли увидеть, результирующие колебания пространства-времени на Земле имели бы порядок 10^-21м. Как следствие, это делает обнаружение гравитационных волн, даже самых мощных, очень тонкой задачей, требующей невероятной точности. Конечно, случись коллапс черных дыр относительно недалеко от Земли, эффект был бы сильнее. Но события, приводящие к мощным гравитационным волнам, происходят в отдельно взятой галактике раз в сотни тысяч лет. Поэтому можно надеяться увидеть только эффекты от далеких событий, произошедших в других галактиках за сотни миллионов световых лет.

Первый всплеск гравитационных волн от слияния черных дыр был зарегистрирован 14 сентября 2015 года благодаря модернизации LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория).

11 февраля 2016 года официально было объявлено об обнаружении гравитационных волн, которые образовались в результате слияния двух черных дыр общей массой в 53 Солнца. Инструмент LIGO, построенный специально для такого эксперимента, представляет собой огромный интерферометр Майкельсона-Морли. Это результат 25-ти лет кропотливой работы и вложение 650-ти миллионов долларов. Прибор представляет из себя 2 перпендикулярные вакуумные трубы, длинной 4 километра, на концах которых крепятся зеркала. Луч лазера расщепляется на 2 пучка, которые направляются на зеркала по трубам, отражаются и, вновь соединяясь друг с другом, попадают на детектор. Длины подобраны так, что в спокойном состоянии лучи лазеров при воссоединении гасят друг друга, но, когда проходить гравитационная волна, одна труба сжимается, другая растягивается, лучи проходят другое расстояние, компенсация становится неполной и это улавливает детектор. Причем речь идет о невероятных изменениях длины- в тысячи раз меньше атомного ядра. Гравитационные волны регистрируются со всех направлений, ведь гравитация ничем не экранируется, она совершенно спокойно проходит сквозь Землю.

За этот вклад в науку американские ученые: Райнер Вайсс, профессор физики Массачусетского технологического института, а также Кип Торн и Барри Бариш, профессора физики Калифорнийского технологического института, получили Нобелевскую премию по физике в 2017 году с формулировкой "за решающий вклад в детектор LIGO и за наблюдение гравитационных волн".

Из параметров черных дыр можно получить много информации о космосе и формировании Вселенной. Во-первых, наблюдение гравитационных волн — это первое свидетельство существования парных черных дыр (ЧД). Во-вторых, массы этих черных дыр неожиданно велики — никто не ожидал, что парные черные дыры такой массы встречаются столь часто. Интересные выводы можно сделать о возрасте систем ЧД. Чем раньше с начала Вселенной образовалась звезда, тем меньше вещества предыдущих звезд в ней — меньше содержание металлов. С другой стороны, масса ЧД зависит от количества металлов в ней, поэтому по измеренным массам ЧД можно сказать, насколько молоды были звезды, из которых они образовались. Из этого следует любопытное заключение, что парные ЧД могут образовываться как в звездных кластерах (если окружение достаточно молодое), так и изолированно, что раньше известно не было. Наблюдая за параметрами ЧД, можно сказать как эти дыры были образованы — изолированно или нет. Дальнейшее наблюдение за параметрами ЧД, такими как орбитальный момент, может дать еще больше понимания в космологических процессах.

В настоящее время обсерватории LIGO и VIRGO обнаружили в общей сложности пять слияний черных дыр и одно слияние нейтронных звезд, а после некоторых обновлений обещают стать еще чувствительнее. Это означает, что в следующий раз, когда они заработают, они смогут улавливать еще более тонкие и далекие сигналы. В последующие годы заработают детекторы KAGRA и LIGO в Индии, открывая возможности еще более точных гравитационно-волновых измерений. Гравитационные волны сверхновых, мерцания пульсаров, слияния двойных звезд и даже поглощений черными дырами нейтронных звезд могут быть также на горизонте. Однако не только LIGO занимается поиском гравитационных волн! В 2030-х годах будет запущена LISA (Laser Interferometer Space Antenna), которая позволит нам находить гравитационные волны сверхмассивных черных дыр, а также волны объектов с низкой частотой. В отличие от LIGO, сигналы LISA позволят нам предсказывать, когда и где будут происходить слияния, чтобы наши оптические телескопы были готовы запечатлеть такое крупное событие. Измерения поляризации космического микроволнового фона позволят выделить остаточные гравитационные волны после инфляции, а также другие сигналы гравитационные волн, которые накапливались миллиарды лет. Это совершенно новая область научных исследований.

Продолжая исследования, результаты, которых получены в 2015 году ученые из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (США) смогли измерить возраст Вселенной при помощи одиночного гравитационно-волнового события, зафиксированного в результате слияния двух нейтронных звезд. Анализ гравитационных волн, возникших в результате этого события, позволяет сделать вывод о присущей им силе. Наблюдаемая сила оказалась меньше, что объясняется удаленностью источника на расстоянии приблизительно 140 миллионов световых лет. Галактика NGC4993, в которой произошло слияние двух нейтронных звезд, движется прочь от нас из-за расширения Вселенной, которую можно измерить по ее спектральным линиям. Зная то, насколько она удалена и как быстро движется, ученые смогли рассчитать время начала расширения — то есть, возраст Вселенной. Она возникла между 11,9 и 15,7 млрд лет назад. Также американские физики уточнили размерность пространства-времени, сравнив расстояние до источника, рассчитанное по затуханию гравитационных волн и по красному смещению электромагнитного излучения. Ученые выполнили такие расчеты для события GW170817 и выяснили, что размерность нашего пространства-времени примерно равна D ≈ 4,0 ± 0,1. Общая теория относительности, и Стандартная модель построены в предположении, что мы живем в четырехмерном пространстве-времени. Точнее, в (3+1)-мерном: 3 пространственных измерения и одно временно́е. С другой стороны, ученые склонны сомневаться в самых элементарных утверждениях. Группа физиков, под руководством Дэвида Сперджела (David Spergel) установила точные ограничения на размерность нашего пространства- времени, анализируя событие GW170817- практически одновременно пришедшие на Землю гравитационные и электромагнитные волны, излученные в результате слияния двух нейтронных звезд. С одной стороны расстояние до источника можно определить по красному смещению электромагнитной компоненты, с другой стороны по затуханию гравитационных волн. Оба эти расстояния вообще то должны совпадать, что накладывает ограничение на скорость затухания и скорость, предсказанная общей теории относительности, т.о. отношение скорости гравитации к скорости света может отличаться от единицы не более, чем на 3*10^-15. Одновременная регистрация электромагнитной и гравитационной составляющей оказывает огромное влияние на развитие альтернативных теорий гравитации.

В настоящее время мы являемся свидетелями интенсивного развития теории гравитационных волн, так как эта теория получила экспериментальное подтверждение и дальнейшие исследования основываются не только на математических выкладках, но и на опытах.

Список использованных источников

Борисов Ю.А. О свойствах гравитационных волн // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 6-4. – С. 645-650.

A. Joyce, L. Lombriser, and F. Schmidt, “Dark Energy Versus Modified Gravity,” Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 66, 95 (2016).

T. Baker, E. Bellini, P. G. Ferreira, M. Lagos, J. Noller, and I. Sawicki, “Strong Constraints on Cosmological Gravity from GW170817 and GRB 170817A,” Phys. Rev. Lett. 119, 251301 (2017).

P. Creminelli and F. Vernizzi, “Dark Energy after GW170817 and GRB170817A,” Phys. Rev. Lett. 119, 251302 (2017).

J. M. Ezquiaga and M. Zumalacárregui, “Dark Energy after GW170817: Dead Ends and the Road Ahead,” Phys. Rev. Lett. 119, 251304 (2017).

A. Goldstein et al., “An Ordinary Short Gamma-Ray Burst with Extraordinary Implications: Fermi-GBM Detection of GRB 170817A,” Astrophys. J. Lett. 848, L14 (2017).

B. P. Abbott et al., “Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB 170817A,” Astrophys. J. Lett. 848, L13 (2017).

Д. Трунин. Гравитационные волны подтвердили четырехмерность Вселенной с точностью до 0,1. [Электронный ресурс] – URL:https://nplus1.ru/news/2018/02/01/dim-gravity

ленной с точностью до 0,1

Код для цитирования: Скопировать