Кто предсказал гравитационные волны

В этой статье маг Ольга Васильева отвечает на вопрос «Кто предсказал гравитационные волны?».

Подобные сцены, скорее всего, были разыграны в MIT, в Ливингстоне, в Ханфорде и в Европе, поскольку LIGO является международным проектом ценой в миллиард долларов. И чтобы этот момент свершился, потребовалось сто лет. Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в своей общей теории относительности в 1915 году, а физики обнаружили их косвенное доказательство в 70-х и 80-х. Но прямое обнаружение оставалось призрачным — до сих пор. И история гравитационных волн, а также того, что они могут нам сказать, только начинается.

Вот как все было. Фиксируем для истории. 14 сентября 2015 года в 5:51 утра детекторы LIGO в Ливингстоне и Ханфорде зарегистрировали сигналы с разницей в миллисекунды. Волны этих сигналов близко соответствовали прогнозируемым (смотри ниже).

Это как звуковой отпечаток пальца, похожий на сигнатуры распада, которые физики высоких энергий используют для идентификации субатомных частиц, рождающихся при столкновениях на Большом адронном коллайдере. И именно это вы ожидаете обнаружить в своих данных, если две черные дыры массой в 30 солнц (то есть в 30 раз больше нашего собственного Солнца), закручивающиеся по спирали по направлению друг к другу, сольются в процессе массивного события и пошлют мощные ударные волны, рябью растекающиеся по пространству-времени, где-то за 1,3 миллиарда световых лет от нас.

По одному только сигналу физики смогли вывести массы обеих черных дыр, изучая частоту (одна была 29 солнечных масс, другая 36). После слияния, новообразованной черной дыре не хватило примерно 3 солнечных масс — они были извергнуты в мощном всплеске гравитационных волн. Представьте, как три наших солнца внезапно аннигилируют, и вы поймете, о какой энергии идет речь. Изучение амплитуды показало, что столкновение произошло в 1,3 миллиарда световых лет от нас в южном полушарии.

Это не только первое обнаружение гравитационных волн, но и также первое доказательство существования бинарных систем черных дыр. И все это стало понятно по данным сразу после того, как обновленная Advanced LIGO начала работать. И она пока еще не работает со всей чувствительностью. Когда заработает, ученые ожидают увидеть намного больше событий, приоткрыть окошко в механизмы работы Вселенной. Вайнштейн сказал, что еще 12 связанных с LIGO работ будет опубликовано не сегодня завтра.

Подумайте о новых возможностях в таком ключе: каждый раз, когда астрономы смотрели на нашу Вселенную в свете определенной длины волны — рентгеновском, инфракрасном, радио, гамма — они открывали аспекты, которых раньше не видели. Гравитационные волны будут такими же, только будут больше похожи на звук, чем на свет. Теперь мы будем не только смотреть на Вселенную, но и слушать ее. Мы всю жизнь были глухими, но теперь нам вернули слух.

Мингарелли работает с коллаборацией NanoGRAV (северо-американской наногерцевой обсерваторией гравитационных волн), частью крупного международного консорциума, в который входят European Pulsar Timing Array и Parkes Pulsar Timing Array в Австралии. Как следует из названия, ученые NanoGRAV охотятся на низкочастотные гравитационные волны в режиме от 1 до 10 наногерц; чувствительность LIGO находится в килогерцевой (слышимой) части спектра, ищет очень длинные волны.

Эта коллаборация опирается на данные пульсаров, собранные обсерваторией Аресибо в Пуэрто-Рико и телескопом Грин-Бэнк в Западной Вирджинии. Пульсары это быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые образуются, когда звезды массивнее Солнца взрываются и коллапсируют в себя. Они вращаются все быстрее и быстрее по мере сжатия, подобно тому как грузик на конце веревки крутится тем быстрее, чем короче становится веревка.

Они также испускают мощные всплески излучения по мере вращения, как маяк, которые фиксируются как импульсы света на Земле. И это периодическое вращение чрезвычайно точное — почти так же точно, как атомные часы. Оно делает их идеальными космическими детекторами гравитационных волн. Первое непрямое доказательство пришло в процессе изучения пульсаров в 1974 году, когда Джозеф Тейлор-младший и Расселл Халс обнаружили, что пульсар, вращающийся вокруг нейтронной звезды, медленно сжимается со временем — такой эффект можно было бы ожидать, если бы он преобразовывал часть своей массы в энергию в форме гравитационных волн.

В случае NanoGRAV, дымящимся пистолетом будет своего рода мерцание. Импульсы должны приходить одновременно, но если в них попадает гравитационная волна, они будут приходить чуть раньше или позже, поскольку пространство-время будет сжиматься или растягиваться по мере прохождения волны.

Цель LISA проста: используя лазерные интерферометры, космический аппарат попытается точно измерить относительное положение двух 1,8-дюймовых золото-платиновых кубов в состоянии свободного падения. Размещенные в отдельных электродных боксах в 15 дюймах друг от друга, тестовые объекты будут защищены от солнечного ветра и других внешних сил, так что будет возможно обнаружить крошечное движение, вызванное гравитационными волнами (будем надеяться).

Наконец, есть два эксперимента, спроектированных для поиска отпечатков, оставленных первичными гравитационными волнами в реликтовом излучении (послесвечении Большого Взрыва): BICEP2 и миссия спутника Планка. BICEP2 заявил об обнаружении таковой в 2014 году, но оказалось, что сигнал был фальшивым (виновата космическая пыль).

Обе коллаборации продолжают охоту в надежде пролить свет на раннюю историю нашей Вселенной — и, надеюсь, подтверждение ключевых прогнозов инфляционной теории. Эта теория предсказала, что вскоре после своего рождения Вселенная пережила быстрый рост, который не мог не оставить мощных гравитационных волн, оставшихся отпечатком в реликтовом излучении в форме особых световых волн (поляризации).

Каждый из четырех режимов гравитационных волн откроет астрономам четыре новых окна на Вселенную.

Но мы-то знаем, о чем вы думаете: пора запускать варп-двигатель, чуваки! Поможет ли открытие LIGO построить Звезду Смерти на следующей неделе? Конечно, нет. Но чем лучше мы поймем гравитацию, тем шире мы будем понимать, как строить подобные вещи. В конце концов, это работа ученых, этим они зарабатывают на хлеб. Понимая, как работает Вселенная, мы можем больше полагаться на свои возможности.

11.02.2016 в 19:29, просмотров: 21559

Волны, или зафиксированные учеными колебания пространства-времени, пришли на Землю от катастрофы, произошедшей далеко во Вселенной 1,3 миллиарда лет назад. На основании наблюдавшихся сигналов ученые LIGO оценили, что две столкнувшиеся чёрные дыры имели массы в 29 и 36 раз больше массы Солнца. За доли секунды примерно три солнечных массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной. Анализируя моменты прихода сигналов, детектор в Ливигстоне записал событие на 7 миллисекунд ранее детектора в Хэнфорде. Ученые утверждают, что источник сигнала был расположен в южном полушарии.

Гравитационные волны на Земле вызывают чрезвычайно малое изменение размеров. Детекторы LIGO обнаружили относительные колебания величиною в 10 в -19 м (это во столько же раз меньше размера атома, во сколько атом меньше яблока).

Группа российских ученых в рамках проекта занималась задачей повышения чувствительности антенн, точнее искала пути снижения уровня различных шумов.

Он пояснил, что источниками гравитационных волн, которые мы теперь можем слышать, являются катастрофические события, например, слияния черных дыр, нейтронных звезд.

Сенсацию представили миру 11 февраля на пресс-конференции в Вашингтоне. Если опустить все детали, то команде международного проекта LIGO Scientific Collaboration удалось зафиксировать гравитационные волны в лабораторных условиях. Для этого они использовали несколько обсерваторий-детекторов, принцип работы которых знать нам необязательно. Сами обсерватории располагаются в штатах Луизиана и Вашингтон. Их основная сфера деятельности – это изучение лазерно-интерферометрических и гравитационно-волновых данных. Чтобы найти эту ранее мифическую гравитационную волну, были построены специально под проект LIGO два интерферометра (расположены они перпендикулярно, но а длину имеют в 4 километра). Всё это удовольствие, конечно, стоит колоссальных денег. Исследователи считали, что волны образуются путём слияния двух черных дыр, и если эти волны обнаружить, то к теории относительности отпадет масса вопросов, которые делали её лишь теорией.

Разумеется, учёные зафиксировали сигнал этого слияния. Произошло это ещё 14 сентября 2015 года. Возникшая черная дыра обладала массой в 62 солнца (первая черная дыра была массой в 36 солнц, а вторая в 29), а находилась она в 1,3 миллиарда световых лет от нашей затерянной на периферии космоса планете (следовательно, событие, которое было зафиксировано, произошло 1,3 миллиарда лет назад!). Гравитационные волны, которые начали распространяться в момент слияния дыр, неслись в нашу сторону со скоростью света, но постепенно они стихали. В итоге их было сложно отличить от привычных вибраций на планете вроде обычного шума.

Почему есть такая сильная связь между теорией относительности Альберта Эйнштейна и гравитационными волнами? Если ты являешься физиком, то без труда ответишь на этот вопрос. Всё дело в уравнениях волнового типа, предложенных Эйнштейном, решение которых соответствует возмущениям пространства-времени, движущимся со скоростью света. Возможно, ты знаешь, что эти уравнения были предложены ещё в 1915 году, но сто лет (сто лет и один год, если быть точным) никто не находил им подтверждения. Разумеется, до этой самой конференции в Вашингтоне, которая прошла 11 февраля. И это событие окрестили величайшим в науке за последнее время. То, что было в теории, стало правдой и на практике.

И всё же, если говорить о гравитационных волнах самым простым языком, что они доказывают? Какой прок нам оттого, что Эйнштейн был прав? Учёные всегда ошибаются, а вскоре становятся правыми или подвергаются забвению. Посторонним людям трудно определить гениальность их исследований. Остаётся только слепо восхищаться, либо позабыть об этой части человеческой жизни. Но не в этом случае, ведь открытие прямым образом влияет на человеческий вектор развития, осознания человечеством своего места во Вселенной.

Дело в том, что гравитационные волны, как долгое время считали учёные, являются следствием Большого Взрыва, а значит, началом нашей Вселенной, первопричиной пространства и времени. Выходит, теперь мы с уверенностью можем утверждать, что единственная истина зарождения Вселенной кроется не в священных книжках, не в трудах астрологов и магов, а в теории Большого Взрыва. Разумеется, в ней есть пробелы, но они, уж на этот раз, не столь существенны, как та громадная неизвестность, что существовала до тех пор, пока мы не осознавали подлинность гравитационных волн. Тем самым люди в очередной раз могут убедиться в преимуществах научного подхода в организации человеческого общества.

Ученые получили окончательное доказательство существования волн, предсказанных Эйнштейном. Это настоящий триумф, доказывающий верность теории относительности.
– Tages-Anzeiger –

Многие из нас думали, что сейчас человек находится в состоянии научного застоя, но последние события доказывают только то, что мы либо в преддверии, либо в процессе новой научно-технической революции. И при этом мы продолжаем наблюдать мракобесие и религиозные войны, которые, по сути, оттого и активизировались, что не могут противопоставить свои догматы суровой и всепоглощающей научной действительности. У них нет ответа на вопросы, которые есть у научного сообщества. И рано или поздно им будет уготовано своё местечко на обломках истории.

Но мы отвлеклись от самой науки, а ведь обещали рассказать более подробно. Фиксирование гравитационной волны не было самоцелью. На самом деле ученые никогда не будут бросать такие катастрофически огромные денежные ресурсы на изучение какой-нибудь определенной проблемы. Потому мы можем выделить несколько научных результатов, каждый из которых является чертовски важным для дальнейшего развития человечества.

Во-первых, люди наконец нашли прямое подтверждение существованию черных дыр. Да, теоретически мы знали о черных дырах уже уйму лет, а вот пощупать эту теорию не могли. Сейчас же можно с полной уверенностью сказать, что черные дыры существуют. Это утверждение справедливо и для двойных черных дыр (ведь учёные наблюдали за слиянием двух отдельных черных дыр), то есть всё это реально. К тому же, до этого момента не было особых инструментов, которые помогли бы изучать нам эти космические объекты, а ведь вокруг черных дыр так много интересной жути, которая подогревается фантастическими фильмами, вроде путешествий во времени или коридоров в другие Вселенные.

Черные дыры – это вроде костей динозавров Вселенной, так что в некотором смысле мы можем сделать что-то вроде звездной археологии и посмотреть на историю Вселенной через продукты этих больших звезд.
– физик Брайан Грин –

Во-вторых, мы поняли, с какой скоростью двигается гравитация. Ньютон считал её бесконечно большой, Лаплас, высчитывая её по движениям Луны, думал, что скорость гравитации превышает скорость света в 50 миллионов раз. До этого момента существовала куча теорий, которые объяснили скорость гравитации тем или иным способом. И только старина Эйнштейн думал, что её скорость равна скорости света. После того как учёные из LIGO замерили разницу между временем прихода гравитационной волны, они обнаружили соответствие скорости гравитации скорости света. Впрочем, это не означает, что все остальные гравитационные теории абсолютно неверны, ведь некоторые из них строятся на базе общей теории относительности. В перспективе они могут оказаться более точными, но это уже мелочи, ведь мы уже можем отбросить немалое количество несостоятельных теорий.

В-третьих, теперь у человечества появился ещё один способ наблюдения за Вселенной: так называемая гравитационно-волновая астрономия, а значит, многие астрономы в скором будущем будут учиться именно по этому профилю и изучать тонкости космического бытия с позиции гравитационных волн. Появился огромный простор для исследований, который никем особо не пройден, и это хорошо. Новая область вдохнет некоторый дух авантюризма в учёные умы. К тому же, всегда приятно осознавать, что ты работаешь в самом передовом направлении, которое, на твоё счастье, признано уже с самого начала своего существования.

Когда Эйнштейн написал свое уравнение специальной теории относительности о замедлении времени и прочем, практического применения не было видно никакого. Не прошло и ста лет, как оно появляется. Другой пример – это Фарадей, который показывал свои опыты электромагнитной индукции в середине XIX века. Когда его спросили, зачем это нужно, он сказал, что это ни зачем не нужно, это фундаментальная наука. Сейчас любой наш двигатель, электромотор работает по этому принципу.
– Рубен Саакян, профессор физики Университетского колледжа Лондона –

В случае с открытием гравитационных волн дела обстоят точно так же. Если ты надеешься, что завтра благодаря им появятся летающие автомобили или машины времени, то придется умерить свой пыл и немного подождать. В конечном итоге такие фундаментальные для науки события всегда находят практическое применение в жизни человека. Но что именно это будет? Какая-нибудь очередная безделушка, которая упростит нам и без того простую жизнь, или что-то грандиозное, что-то, что поможет нам преодолеть границы видимого космоса? Прогнозировать не будем, хотя всегда можно пофантазировать на эту тему. Остаётся лишь надеяться, что человек будет благоразумным.

А пока можно только пожелать исследователям из LIGO дальнейших успехов. Чувствительность гравитационно-волнового детектора собираются увеличить в несколько раз, тем временем вскоре понастроят новые, чтобы не только Штаты занимались этим трудоёмким делом. К примеру, скоро начнет свою работу детектор Advanced Virgo в Италии, а KAGRA – в Японии. Также будет построен десятикилометровый Einstein Telescope и телескоп LISA с длиной плеч интерферометра в 5 миллионов километров. Всё это великолепие будет обитать в Европе. Вполне возможно, что и Россия подключится к процессу, ведь если человечество хочет идти в будущее, то оно должно объединиться на этом пути. Вряд ли одной стране под силу вытянуть всю эту махину.