Что такое гравитационные волны?

Гравитационные волны - изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Излучаются движущимися массами, но после излучения отрываются от них и существуют независимо от этих масс. Математически связаны с возмущением метрики пространства-времени и могут быть описаны как «рябь пространства-времени».

В общей теории относительности и в большинстве других современных теорий гравитации гравитационные волны порождаются движением массивных тел с переменным ускорением. Гравитационные волны свободно распространяются в пространстве со скоростью света. Ввиду относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) эти волны имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО). Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами обсерватории LIGO, на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух чёрных дыр и образования одной более массивной вращающейся чёрной дыры. Косвенные свидетельства их существования были известны с 1970-х годов - ОТО предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем двойных звёзд за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн. Прямая регистрация гравитационных волн и их использование для определения параметров астрофизических процессов является важной задачей современной физики и астрономии.

Если представить себе наше пространство-время как сеть координат, то гравитационные волны - это возмущения, рябь, которая будет бежать по сетке, когда массивные тела (например, черные дыры) искажают пространство вокруг себя.

Это можно сравнить с землетрясением. Представьте, что вы живете в городе. В нем есть какие-то маркеры, которые создают городское пространство: дома, деревья и так далее. Они неподвижны. Когда где-то поблизости от города происходит крупное землетрясение, колебания доходят до нас - и колебаться начинают даже неподвижные дома и деревья. Вот эти колебания и являются гравитационными волнами; а объекты, которые колеблются, - это пространство и время.

Почему ученые так долго не могли зарегистрировать гравитационные волны?

Конкретные усилия по обнаружению гравитационных волн начались в послевоенный период с несколько наивных устройств, чувствительности которых, очевидно, не могло хватить для регистрации таких колебаний. Со временем стало понятно, что детекторы для поиска должны быть очень масштабные - и они должны использовать современную лазерную технику. Именно с развитием современных лазерных технологий появилась возможность контролировать геометрию, возмущения которой и являются гравитационной волной. Мощнейшее развитие технологий сыграло ключевую роль в этом открытии. Какими бы гениальными ни были ученые, еще 30–40 лет назад сделать это было технически просто невозможно.

Почему обнаружение волн так важно для физики?

Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном в общей теории относительности около ста лет назад. Все XX столетие находились физики, которые ставили под сомнение эту теорию, хотя появлялось все больше и больше подтверждений. И наличие гравитационных волн - это такое критическое подтверждение теории.

Кроме того, до регистрации гравитационных волн о том, как ведет себя гравитация, мы знали только на примере небесной механики, взаимодействия небесных тел. Но было понятно, что гравитационное поле имеет волны и пространство-время может деформироваться подобным образом. То, что мы до этого не видели гравитационных волн, было белым пятном в современной физике. Сейчас это белое пятно закрыто, положен еще один кирпич в основание современной физической теории. Это фундаментальнейшее открытие. Ничего сравнимого за последние годы не было.

«В ожидании волн и частиц» - документальный фильм про поиск гравитационных волн (автор Dmitry Zavilgelskiy)

Есть в регистрации гравитационных волн и практический момент. Наверное, после дальнейшего развития технологий можно будет говорить о гравитационной астрономии - о том, чтобы наблюдать следы наиболее высокоэнергичных событий во Вселенной. Но сейчас говорить об этом рано, речь идет только о самом факте регистрации волн, а не о выяснении характеристик объектов, которые генерируют эти волны.

11 февраля 2016-го года международная группа ученых, в том числе из России, на пресс-конференции в Вашингтоне объявила об открытии, которое рано или поздно изменит развитие цивилизации. Удалось на практике доказать гравитационные волны или волны пространства-времени. Их существование предсказал еще 100 лет назад Альберт Эйнштейн в своей .

Никто не сомневается, что это открытие будет удостоено Нобелевской премии. Учёные не торопятся говорить о его практическом применении. Но напоминают, что еще совсем недавно человечество точно также не знало, что делать с электромагнитными волнами, которые в итоге привели к настоящей научно-технической революции.

Что такое гравитационные волны простым языком

Гравитация и всемирное тяготение – это одно и то же. Гравитационные волны являются одним из решений ОТС. Распространяться они должны со скоростью света. Излучает его любое тело, движущееся с переменным ускорением.

Например, вращается по своей орбите с переменным ускорением, направленным к звезде. И это ускорение постоянно изменяется. Солнечная система излучает энергию порядка нескольких киловатт в гравитационных волнах. Это ничтожная величина, сравнимая с 3 старыми цветными телевизорами.

Другое дело – два вращающихся вокруг друг друга пульсара (нейтронных звезды). Они вращаются по очень тесным орбитам. Такая «парочка» была обнаружена астрофизиками и наблюдалась долгое время. Объекты готовы были друг на друга упасть, что косвенно свидетельствовало, что пульсары излучают волны пространства-времени, то есть энергию в их поле.

Гравитация – сила тяготения. Нас тянет к земле. А суть гравитационной волны – изменение этого поля, чрезвычайно слабое, когда до нас доходит. К примеру, возьмем уровень воды в водоёме. Напряженность гравитационного поля — ускорение свободного падения в конкретной точке. По нашему водоёму бежит волна, и вдруг меняется ускорение свободного падения, совсем чуть-чуть.

Такие опыты начались в 60-е годы прошлого столетия. В ту пору придумывали так: подвешивали огромный алюминиевый цилиндр, охлажденный во избежание внутренних тепловых колебаний. И ждали, когда до нас внезапно дойдет волна от столкновения, например, двух массивных черных дыр. Исследователи были полны энтузиазма и говорили, что весь земной шар может испытать воздействие гравитационной волны, прилетевшей из космического пространства. Планета начнет колебаться, и можно будет изучить эти сейсмические волны (сжатия, сдвига и поверхностные).

Важная статья об устройстве простым языком, и как американцы и LIGO украли идею советских учёных и построили интроферометры, позволившие сделать открытие. Никто не говорит об этом, все молчат!

Между прочим, гравитационное излучение больше интересно с позиции реликтового излучения, найти которое пытаются по изменению спектра электромагнитного излучения. Реликтовое и электромагнитное излучение появились 700 тыс. лет после Большого взрыва, затем в процессе расширения вселенной, заполненной горячим газом с бегающими ударными волнами, превратившимися позже в галактики. При этом, естественно, должны были излучаться гигантское, умопомрачительное количество волн пространства-времени, влияющих на длину волны реликтового излучения, которое в то время еще было оптическим. Отечественный астрофизик Сажин пишет и регулярно публикует статьи на эту тему.

Неверная интерпретация открытия гравитационных волн

«Висит зеркало, на него действует гравитационная волна, и оно начинает колебаться. И даже самые незначительные колебания амплитудой меньше размера атомного ядра замечаются приборами» — такая неверная интерпретация, например, используется в статье Википедии. Не поленитесь, найдите статью советских учёных 1962 года.

Во-первых, зеркало должно быть массивным, чтобы почувствовать «рябь». Во-вторых, его нужно охлаждать практически до абсолютного нуля (по Кельвину), чтобы избежать собственных тепловых колебаний. Скорее всего не то что в 21 веке, а вообще никогда не удастся обнаружить элементарную частицу — носителя гравитационных волн:

Гравитационные волны, теоретически предсказанные Эйнштейном еще в 1917 году, всё еще дожидаются своего первооткрывателя.

В конце 1969 года профессор физики Мэрилендского университета Джозеф Вебер сделал сенсационное заявление. Он объявил, что обнаружил волны тяготения, пришедшие на Землю из глубин космоса. До того времени ни один ученый не выступал с подобными претензиями, да и сама возможность детектирования таких волн считалась далеко не очевидной. Однако Вебер слыл авторитетом в своей области, и посему коллеги восприняли его сообщение с полной серьезностью.

Однако вскоре наступило разочарование. Амплитуды волн, якобы зарегистрированных Вебером, в миллионы раз превышали теоретическую величину. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрофизики предположили, что там скрывается гигантская черная дыра, которая ежегодно пожирает тысячи звезд и выбрасывает часть поглощенной энергии в виде гравитационного излучения, а астрономы занялись тщетным поиском более явственных следов этого космического каннибализма (сейчас доказано, что черная дыра там действительно есть, но ведет она себя вполне пристойно). Физики из США, СССР, Франции, Германии, Англии и Италии приступили к экспериментам на детекторах того же типа - и не добились ничего.

Ученые до сих пор не знают, чему приписать странные показания приборов Вебера. Однако его усилия не пропали даром, хотя гравитационные волны до сих пор так и не обнаружены. Несколько установок для их поиска уже построены или строятся, а лет через десять такие детекторы будут выведены и в космос. Вполне возможно, что в не столь отдаленном будущем гравитационное излучение станет такой же наблюдаемой физической реальностью, как и электромагнитные колебания. К сожалению, Джозеф Вебер этого уже не узнает - он умер в сентябре 2000 года.

Что такое волны тяготения

Часто говорят, что гравитационные волны - это распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения. Такое определение правильно, но неполно. Согласно общей теории относительности, тяготение возникает из-за искривления пространственно-временного континуума. Волны тяготения - это флуктуации пространственно-временной метрики, которые проявляют себя как колебания гравитационного поля, поэтому их часто образно называют пространственно-временной рябью. Гравитационные волны были в 1917 году теоретически предсказаны Альбертом Эйнштейном. В существовании их никто не сомневается, но гравитационные волны всё еще дожидаются своего первооткрывателя.

Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания волн тяготения необходимы ускорения, но не любые. Цилиндр, который вращается вокруг своей оси симметрии, испытывает ускорение, однако его гравитационное поле остается однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле станет осциллировать, и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.

Этот вывод относится к любому телу (или системе тел), несимметричному относительно оси вращения (в таких случаях говорят, что тело имеет квадрупольный момент). Система масс, квадрупольный момент которой меняется со временем, всегда излучает гравитационные волны.

Основные свойства гравитационных волн

Астрофизики предполагают, что именно излучение гравитационных волн, отбирая энергию, ограничивает скорость вращения массивного пульсара при поглощении вещества соседней звезды.

Гравитационные маяки космоса

Гравитационное излучение земных источников чрезвычайно слабо. Стальная колонна массой 10 000 тонн, подвешенная за центр в горизонтальной плоскости и раскрученная вокруг вертикальной оси до 600 об./мин, излучает мощность примерно 10 -24 Вт. Поэтому единственная надежда обнаружить волны тяготения - найти космический источник гравитационного излучения.

В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды. Причина проста: мощность гравитационного излучения такой системы растет в обратной пропорции к пятой степени ее поперечника. Еще лучше, если траектории звезд сильно вытянуты, так как при этом возрастает скорость изменения квадрупольного момента. Совсем хорошо, если двойная система состоит из нейтронных звезд или черных дыр. Такие системы подобны гравитационным маякам в космосе - их излучение имеет периодический характер.

В космосе существуют и «импульсные» источники, порождающие короткие, но чрезвычайно мощные гравитационные всплески. Подобное происходит при коллапсе массивной звезды, предшествующем взрыву сверхновой. Однако деформация звезды должна быть асимметричной, иначе излучение не возникнет. Во время коллапса гравитационные волны могут унести с собой до 10% полной энергии светила! Мощность гравитационного излучения в этом случае составляет порядка 10 50 Вт. Еще больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд, здесь пиковая мощность достигает 10 52 Вт. Превосходный источник излучения - столкновение черных дыр: их массы могут превышать массы нейтронных звезд в миллиарды раз.

Еще один источник гравитационных волн - космологическая инфляция. Сразу после Большого взрыва Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться, и меньше чем за 10 -34 секунды ее поперечник увеличился с 10 -33 см до макроскопического размера. Этот процесс неизмеримо усилил гравитационные волны, существовавшие до его начала, и их потомки сохранились до сих пор.

Косвенные подтверждения

Первое доказательство существования волн тяготения связано с работами американского радиоастронома Джозефа Тейлора и его студента Расселла Халса. В 1974 году они обнаружили пару обращающихся друг вокруг друга нейтронных звезд (излучающий в радиодиапазоне пульсар с молчаливым компаньоном). Пульсар вращался вокруг своей оси со стабильной угловой скоростью (что бывает далеко не всегда) и поэтому служил исключительно точными часами. Эта особенность позволила измерить массы обеих звезд и выяснить характер их орбитального движения. Оказалось, что период обращения этой двойной системы (около 3 ч 45 мин) ежегодно сокращается на 70 мкс. Эта величина хорошо согласуется с решениями уравнений общей теории относительности, описывающих потерю энергии звездной пары, обусловленную гравитационным излучением (впрочем, столкновение этих звезд случится нескоро, через 300 млн лет). В 1993 году Тейлор и Халс были удостоены за это открытие Нобелевской премии.

Гравитационно-волновые антенны

Как обнаружить гравитационные волны экспериментально? Вебер использовал в качестве детекторов сплошные алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезодатчиками на торцах. Их с максимальной тщательностью изолировали от внешних механических воздействий в вакуумной камере. Два таких цилиндра Вебер установил в бункере под полем для гольфа Мэрилендского университета, и один - в Аргоннской национальной лаборатории.

Идея эксперимента проста. Пространство под действием гравитационных волн сжимается и растягивается. Благодаря этому цилиндр вибрирует в продольном направлении, выступая в качестве гравитационно-волновой антенны, а пьезоэлектрические кристаллы переводят вибрации в электрические сигналы. Любое прохождение космических волн тяготения практически одновременно действует на детекторы, разнесенные на тысячу километров, что позволяет отфильтровать гравитационные импульсы от различного рода шумов.

Веберовские датчики были в состоянии заметить смещения торцов цилиндра, равные всего 10 -15 его длины - в данном случае 10 -13 см. Именно такие колебания Веберу удалось обнаружить, о чем он впервые и сообщил в 1959 году на страницах Physical Review Letters . Все попытки повторить эти результаты оказались тщетными. Данные Вебера к тому же противоречат теории, которая практически не позволяет ожидать относительных смещений выше 10 -18 (причем гораздо вероятнее значения менее 10 -20). Не исключено, что Вебер напутал при статистической обработке результатов. Первая попытка экспериментально обнаружить гравитационное излучение закончилась неудачей.

В дальнейшем гравитационно-волновые антенны значительно усовершенствовали. В 1967 году американский физик Билл Фэйрбанк предложил охлаждать их в жидком гелии. Это не только позволило избавиться от большей части тепловых шумов, но и открыло возможность применения сквидов (сверхпроводящих квантовых интерферометров), точнейших сверхчувствительных магнитометров. Реализация этой идеи оказалась сопряжена с множеством технических трудностей, и сам Фэйрбанк до нее не дожил. К началу 1980-х годов физики из Стэнфордского университета построили установку с чувствительностью 10 -18 , однако волн не зарегистрировали. Сейчас в ряде стран действуют ультракриогенные вибрационные детекторы волн тяготения, работающие при температурах лишь на десятые и сотые доли градуса выше абсолютного нуля. Такова, например, установка AURIGA в Падуе. Антенной для нее служит трехметровый цилиндр из алюминиево-магниевого сплава, диаметр которого составляет 60 см, а вес - 2,3 т. Он подвешен в вакуумной камере, охлаждаемой до 0,1 К. Его сотрясения (с частотой порядка 1000 Гц) передаются на вспомогательный резонатор массой в 1 кг, который колеблется с такой же частотой, но много большей амплитудой. Эти вибрации регистрируются измерительной аппаратурой и анализируются с помощью компьютера. Чувствительность комплекса AURIGA - около 10 -20 -10 -21 .

Интерферометры

Еще один способ детектирования волн тяготения основан на отказе от массивных резонаторов в пользу световых лучей. Первыми в 1962 году его предложили советские физики Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт, а двумя годами позже и Вебер. В начале 1970-х сотрудник исследовательской лаборатории корпорации Hughes Aircraft Роберт Форвард (в прошлом аспирант Вебера, в дальнейшем весьма известный писатель-фантаст) построил первый такой детектор с вполне приличной чувствительностью. Тогда же профессор Массачусетского технологического института (MIT) Райнер Вайсс выполнил очень глубокий теоретический анализ возможностей регистрации гравитационных волн с помощью оптических методов.

Эти методы предполагают использование аналогов прибора, с помощью которого 125 лет назад физик Альберт Майкельсон доказал, что скорость света строго одинакова по всем направлениям. В этой установке, интерферометре Майкельсона, пучок света попадает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластинки. Затем пучки опять сливаются и падают на экран, где возникает интерференционная картина (светлые и темные полосы и линии). Если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картинка должна измениться, если нет - остаться такой же, что и раньше.

Интерференционный детектор волн тяготения работает сходным образом. Проходящая волна деформирует пространство и изменяет длину каждого плеча интерферометра (пути, по которому свет идет от делителя до зеркала), растягивая одно плечо и сжимая другое. Интерференционная картинка меняется, и это можно зарегистрировать. Но это непросто: если ожидаемое относительное изменение длины плеч интерферометра составляет 10 -20 , то при настольных размерах прибора (как у Майкельсона) оно оборачивается колебаниями амплитудой порядка 10 -18 см. Для сравнения: волны видимого света в 10 трлн раз длиннее! Можно увеличить протяженность плеч до нескольких километров, однако проблемы всё равно останутся. Лазерный источник света должен быть и мощным, и стабильным по частоте, зеркала - идеально плоскими и идеально отражающими, вакуум в трубах, по которым распространяется свет, - максимально глубоким, механическая стабилизация всей системы - воистину совершенной. Короче говоря, интерференционный детектор гравитационных волн - прибор дорогой и громоздкий.

Сегодня самая большая установка такого рода - американский комплекс LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory ). Он состоит из двух обсерваторий, одна из которых находится на тихоокеанском побережье США, а другая - неподалеку от Мексиканского залива. Измерения производят с помощью трех интерферометров (два в штате Вашингтон, один в Луизиане) с плечами четырехкилометровой длины. Установка снабжена зеркальными накопителями света, которые увеличивают ее чувствительность. «С ноября 2005 года все три наших интерферометра работают в нормальном режиме, - рассказал «Популярной механике» представитель комплекса LIGO Питер Солсон, профессор физики Сиракузского университета. - Мы постоянно обмениваемся данными с другими обсерваториями, пытающимися обнаружить гравитационные волны частотой в десятки и сотни герц, возникшие при самых мощных взрывах сверхновых и слиянии нейтронных звезд и черных дыр. Сейчас в строю находится немецкий интерферометр GEO 600 (длина плеч - 600 м), расположенный в 25 км от Ганновера. 300-метровый японский прибор TAMA в настоящее время модернизируется. Трехкилометровый детектор Virgo в окрестностях Пизы подключится к общим усилиям в начале 2007-го, причем на частотах менее 50 Гц он сможет превзойти LIGO. Установки с ультракриогенными резонаторами действуют с возрастающей эффективностью, хотя их чувствительность всё же несколько меньше нашей».

Перспективы

Что же ожидает методы обнаружения гравитационных волн в ближайшем будущем? Об этом «Популярной механике» рассказал профессор Райнер Вайсс: «Через несколько лет в обсерваториях комплекса LIGO установят более мощные лазеры и более совершенные детекторы, что приведет к 15-кратному увеличению чувствительности. Сейчас она составляет 10 -21 (на частотах порядка 100 Гц), а после модернизации превысит 10 -22 . Модернизированный комплекс, Advanced LIGO, в 15 раз увеличит глубину проникновения в космос. В этом проекте активно участвует профессор МГУ Владимир Брагинский, один из пионеров изучения гравитационных волн.

На середину следующего десятилетия запланирован запуск космического интерферометра LISA (Laser Interferometer Space Antenna ) с длиной плеч в 5 миллионов километров, это совместный проект NASA и Европейского космического агентства. Чувствительность этой обсерватории будет в сотни раз выше, чем возможности наземных инструментов. Она в первую очередь предназначена для поиска низкочастотных (10 -4 -10 -1 Гц) гравитационных волн, которые невозможно уловить на поверхности Земли из-за атмосферных и сейсмических помех. Такие волны испускают двойные звездные системы, вполне типичные обитатели Космоса. LISA также сможет регистрировать волны тяготения, возникшие при поглощении черными дырами обыкновенных звезд. А вот для детектирования реликтовых гравитационных волн, несущих информацию о состоянии материи в первые мгновения после Большого взрыва, скорее всего, потребуются более продвинутые космические инструменты. Такая установка, Big Bang Observer , сейчас обсуждается, однако вряд ли ее удастся создать и запустить ранее чем через 30-40 лет».

Валентин Николаевич Руденко делится историей своего визита в город Кашина (Италия), где он провел неделю на тогда еще только что построенной «гравитационной антенне» – оптическом интерферометре Майкельсона. По дороге к месту назначения таксист интересуется, для чего построена установка. «Тут люди думают, что это для разговора с Богом», – признается водитель.

– Что такое гравитационные волны?

– Гравитационная волна один из «переносчиков астрофизической информации». Существуют видимые каналы астрофизической информации, особая роль в «дальнем видении» принадлежит телескопам. Астрономы освоили также низкочастотные каналы – микроволновой и инфракрасный, и высокочастотные – рентгеновские и гамма-. Кроме электромагнитного излучения, мы можем регистрировать потоки частиц из Космоса. Для этого используют нейтринные телескопы – крупногабаритные детекторы космических нейтрино – частиц, которые слабо взаимодействуют с веществом и поэтому трудно регистрируются. Почти все теоретически предсказанные и лабораторно-исследованные виды «переносчиков астрофизической информации» надежно освоены на практике. Исключение составляла гравитация – самое слабое взаимодействие в микромире и самая мощная сила в макромире.

Гравитация – это геометрия. Гравитационные волны – геометрические волны, то есть волны, которые меняют геометрические характеристики пространства, когда проходят по этому пространству. Грубо говоря, это – волны, деформирующие пространство. Деформация – это относительное изменение расстояния между двумя точками. Гравитационное излучение отличается от всех других типов излучений именно тем, что они геометрические.

– Гравитационные волны предсказал Эйнштейн?

– Формально считается, что гравитационные волны предсказал Эйнштейн, как одно из следствий его общей теории относительности, но фактически их существование становится очевидным уже в специальной теории относительности.

Теория относительности предполагает, что из-за гравитационного притяжения возможен гравитационный коллапс, то есть стягивание объекта в результате коллапсирования, грубо говоря, в точку. Тогда гравитация такая сильная, что из нее даже не может выйти свет, поэтому такой объект образно называется черной дырой.

– В чем заключается особенность гравитационного взаимодействия?

Особенностью гравитационного взаимодействия является принцип эквивалентности. Согласно ему динамическая реакция пробного тела в гравитационном поле не зависит от массы этого тела. Проще говоря, все тела падают с одинаковым ускорением.

Гравитационное взаимодействие – самое слабое из известных нам сегодня.

– Кто первым пытался поймать гравитационную волну?

– Гравитационно-волновой эксперимент первым провел Джозеф Вебер из Мэрилендского университета (США). Он создал гравитационный детектор, который теперь хранится в Смитсоновском музее в Вашингтоне. В 1968-1972 году Джо Вебер провел серию наблюдений на паре пространственно разнесенных детекторов, пытаясь выделить случаи «совпадений». Прием совпадений заимствован из ядерной физики. Невысокая статистическая значимость гравитационных сигналов, полученных Вебером, вызывала критическое отношение к результатам эксперимента: не было уверенности в том, что удалось зафиксировать гравитационные волны. В дальнейшим ученые пытались увеличить чувствительность детекторов веберовского типа. На разработку детектора, чувствительность которого была адекватна астрофизическому прогнозу, ушло 45 лет.

За время начала эксперимента до фиксации прошло много других экспериментов, были зафиксированы импульсы за этот период, но у них была слишком маленькая интенсивность.

– Почему о фиксации сигнала объявили не сразу?

– Гравитационные волны были зафиксированы еще в сентябре 2015 года. Но даже если совпадение было зафиксировано, надо прежде, чем объявлять, доказать, что оно не является случайным. В сигнале, снимаемом с любой антенны, всегда есть шумовые выбросы (кратковременные всплески), и один из них случайно может произойти одновременно с шумовым всплеском на другой антенне. Доказать, что совпадение произошло не случайно можно только с помощью статистических оценок.

– Почему открытия в области гравитационных волн так важны?

– Возможность зарегистрировать реликтовый гравитационный фон и измерить его характеристики, такие как плотность, температура и т.п., позволяет подойти к началу мироздания.

Привлекательным является то, что гравитационное излучение трудно обнаружить, потому что оно очень слабо взаимодействует с веществом. Но, благодаря этому же свойству, оно и проходит без поглощений из самых далеких от нас объектов с самыми таинственными, с точки зрения материи, свойствами.

Можно сказать, что гравитационные излучения проходят без искажения. Наиболее амбициозная цель – исследовать то гравитационное излучение, которое было отделено от первичной материи в Теории Большого Взрыва, которое создалось в момент создания Вселенной.

– Исключает ли открытие гравитационных волн квантовую теорию?

Теория гравитации предполагает существование гравитационного коллапса, то есть стягивание массивных объектов в точку. В то же время, квантовая теория, которую развивала Копенгагенская школа предполагает, что, благодаря принципу неопределенности, нельзя одновременно указать точно такие параметры как координата, скорость и импульс тела. Здесь есть принцип неопределенности, нельзя определить точно траекторию, потому что траектория – это и координата, и скорость и т. д. Можно определить только некий условный доверительный коридор в пределах этой ошибки, которая связана с принципами неопределенности. Квантовая теория категорически отрицает возможность точечных объектов, но описывает их статистически вероятностным образом: не конкретно указывает координаты, а указывает вероятность того, что она имеет определенные координаты.

Вопрос об объединении квантовой теории и теории гравитации – один из фундаментальных вопросов создания единой теории поля.

Над ним сейчас продолжают работать, и слова “квантовая гравитация” означают совершенно передовую область науки, границу знаний и незнаний, где сейчас работают все теоретики мира.

– Что может дать открытие в будущем?

Гравитационные волны неизбежно должны лечь в фундамент современной науки как одна из составляющих нашего знания. Им отводится существенная роль в эволюции Вселенной и с помощью этих волн Вселенную следует изучать. Открытие способствует общему развитию науки и культуры.

Если решиться выйти за рамки сегодняшней науки, то допустимо представить себе линии телекоммуникационной гравитационной связи, реактивные аппараты на гравитационной радиации, гравитационно-волновые приборы интроскопии.

– Имеют ли отношение гравитационные волны к экстрасенсорике и телепатии?

Не имеют. Описанные эффекты – это эффекты квантового мира, эффекты оптики.

Беседовала Анна Уткина

Гравитационные волны – изображение художника

Гравитационные волны - возмущения метрики пространства-времени, отрывающиеся от источника и распространяющиеся подобно волнам (так называемая «рябь пространства-времени»).

В общей теории относительности и в большинстве других современных теорий гравитации гравитационные волны порождаются движением массивных тел с переменным ускорением. Гравитационные волны свободно распространяются в пространстве со скоростью света. Ввиду относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) эти волны имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Поляризованная гравитационная волна

Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО), многими другими . Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами , на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух и образования одной более массивной вращающейся чёрной дыры. Косвенные свидетельства их существования были известны с 1970-х годов - ОТО предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн. Прямая регистрация гравитационных волн и их использование для определения параметров астрофизических процессов является важной задачей современной физики и астрономии.

В рамках ОТО гравитационные волны описываются решениями уравнений Эйнштейна волнового типа, представляющими собой движущееся со скоростью света (в линейном приближении) возмущение метрики пространства-времени. Проявлением этого возмущения должно быть, в частности, периодическое изменение расстояния между двумя свободно падающими (то есть не испытывающими влияния никаких сил) пробными массами. Амплитудой h гравитационной волны является безразмерная величина - относительное изменение расстояния. Предсказываемые максимальные амплитуды гравитационных волн от астрофизических объектов (например, компактных двойных систем) и явлений (взрывов , слияний , захватов чёрными дырами и т. п.) при измерениях в весьма малы (h =10 −18 -10 −23). Слабая (линейная) гравитационная волна согласно общей теории относительности переносит энергию и импульс, двигается со скоростью света, является поперечной, квадрупольной и описывается двумя независимыми компонентами, расположенными под углом 45° друг к другу (имеет два направления поляризации).

Различные теории по-разному предсказывают скорость распространения гравитационных волн. В общей теории относительности она равна скорости света (в линейном приближении). В других теориях гравитации она может принимать любые значения, в том числе до бесконечности. По данным первой регистрации гравитационных волн их дисперсия оказалась совместимой с безмассовым гравитоном, а скорость оценена как равная скорости света.

Генерация гравитационных волн

Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени

Гравитационную волну излучает любая материя, движущаяся с асимметричным ускорением. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна первой производной ускорения и массе генератора, то есть ~ . Однако если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь, этот другой объект испытывает обратное действие (по 3-му закону Ньютона), при этом оказывается, что m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они взаимно гасятся почти полностью. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения. Кроме того, для нерелятивистских излучателей в выражении для интенсивности излучения имеется малый параметр где - гравитационный радиус излучателя, r - его характерный размер, T - характерный период движения, c - скорость света в вакууме.

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:

• сталкивающиеся (гигантские массы, очень небольшие ускорения),
• гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе). Как частный и наиболее интересный случай - слияние нейтронных звёзд. У такой системы гравитационно-волновая светимость близка к максимально возможной в природе планковской светимости.

Гравитационные волны, излучаемые системой двух тел

Два тела, движущиеся по круговым орбитам вокруг общего центра масс

Два гравитационно связанных тела с массами m 1 и m 2 , движущиеся нерелятивистски (v << c ) по круговым орбитам вокруг их общего центра масс на расстоянии r друг от друга, излучают гравитационные волны следующей энергии, в среднем за период:

Вследствие этого система теряет энергию, что приводит к сближению тел, то есть к уменьшению расстояния между ними. Скорость сближения тел:

Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема и . Мощность этого излучения примерно 5 киловатт. Таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел.

Гравитационный коллапс двойной системы

Любая двойная звезда при вращении её компонент вокруг общего центра масс теряет энергию (как предполагается - за счёт излучения гравитационных волн) и, в конце концов, сливается воедино. Но для обычных, некомпактных, двойных звёзд этот процесс занимает очень много времени, много большее настоящего возраста . Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Затем на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая по некоторым оценкам более 50 % от массы системы.

Основные точные решения уравнений Эйнштейна для гравитационных волн

Объёмные волны Бонди - Пирани - Робинсона

Эти волны описываются метрикой вида . Если ввести переменную и функцию , то из уравнений ОТО получим уравнение

Метрика Такено

имеет вид , -функции, удовлетворяют тому же уравнению.

Метрика Розена

Где удовлетворяют

Метрика Переса

При этом

Цилиндрические волны Эйнштейна - Розена

В цилиндрических координатах такие волны имеют вид и выполняются

Регистрация гравитационных волн

Регистрация гравитационных волн достаточно сложна ввиду слабости последних (малого искажения метрики). Приборами для их регистрации являются детекторы гравитационных волн. Попытки обнаружения гравитационных волн предпринимаются с конца 1960-х годов. Гравитационные волны детектируемой амплитуды рождаются при коллапсе двойного . Подобные события происходят в окрестностях ориентировочно раз в десятилетие.

С другой стороны, общая теория относительности предсказывает ускорение взаимного вращения двойных звёзд из-за потери энергии на излучение гравитационных волн, и этот эффект надёжно зафиксирован в нескольких известных системах двойных компактных объектов (в частности, пульсаров с компактными компаньонами). В 1993 году «за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации» открывателям первого двойного пульсара PSR B1913+16 Расселу Халсу и Джозефу Тейлору мл. была присуждена Нобелевская премия по физике. Ускорение вращения, наблюдаемое в этой системе, полностью совпадает с предсказаниями ОТО на излучение гравитационных волн. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (обычно сокращённо J0651) и системы двойных RX J0806. Например, расстояние между двумя компонентами A и B первой двойной звезды из двух пульсаров PSR J0737-3039 уменьшается примерно на 2,5 дюйма (6,35 см) в день из-за потерь энергии на гравитационные волны, причём это происходит в согласии с ОТО. Все эти данные интерпретируются как непрямые подтверждения существования гравитационных волн.

По оценкам наиболее сильными и достаточно частыми источниками гравитационных волн для гравитационных телескопов и антенн являются катастрофы, связанные с коллапсами двойных систем в ближайших галактиках. Ожидается, что в ближайшем будущем на усовершенствованных гравитационных детекторах будет регистрироваться несколько подобных событий в год, искажающих метрику в окрестности на 10 −21 -10 −23 . Первые наблюдения сигнала оптико-метрического параметрического резонанса, позволяющего обнаружить воздействие гравитационных волн от периодических источников типа тесной двойной на излучение космических мазеров, возможно, были получены на радиоастрономической обсерватории РАН, Пущино.

Ещё одной возможностью детектирования фона гравитационных волн, заполняющих Вселенную, является высокоточный тайминг удалённых пульсаров - анализ времени прихода их импульсов, которое характерным образом изменяется под действием проходящих через пространство между Землёй и пульсаром гравитационных волн. По оценкам на 2013 год, точность тайминга необходимо поднять примерно на один порядок, чтобы можно было задетектировать фоновые волны от множества источников в нашей Вселенной, и эта задача может быть решена до конца десятилетия.

Согласно современным представлениям, нашу Вселенную заполняют реликтовые гравитационные волны, появившиеся в первые моменты после . Их регистрация позволит получить информацию о процессах в начале рождения Вселенной. 17 марта 2014 года в 20:00 по московскому времени в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики американской группой исследователей, работающей над проектом BICEP 2, было объявлено о детектировании по поляризации реликтового излучения ненулевых тензорных возмущений в ранней Вселенной, что также является открытием этих реликтовых гравитационных волн. Однако почти сразу этот результат был оспорен, поскольку, как выяснилось, не был должным образом учтён вклад . Один из авторов, Дж. М. Ковац (Kovac J. M. ), признал, что «с интерпретацией и освещением данных эксперимента BICEP2 участники эксперимента и научные журналисты немного поторопились».

Экспериментальное подтверждение существования

Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал. Слева данные с детектора в Хэнфорде (H1), справа - в Ливингстоне (L1). Время отсчитывается от 14 сентября 2015, 09:50:45 UTC. Для визуализации сигнала он отфильтрован частотным фильтром с полосой пропускания 35-350 Герц для подавления больших флуктуаций вне диапазона высокой чувствительности детекторов, также были применены полосовые режекторные фильтры для подавления шума самих установок. Верхний ряд: напряжения h в детекторах. GW150914 сначала прибыл на L1 и через 6 9 +0 5 −0 4 мс на H1; для визуального сравнения данные с H1 показаны на графике L1 в обращённом и сдвинутом по времени виде (чтобы учесть относительную ориентацию детекторов). Второй ряд: напряжения h от гравитационно-волнового сигнала, пропущенные через такой же полосный фильтр 35-350 Гц. Сплошная линия - результат численной относительности для системы с параметрами, совместимыми с найденными на базе изучения сигнала GW150914, полученный двумя независимыми кодами с результирующим совпадением 99,9. Серые толстые линии - области 90 % доверительной вероятности формы сигнала, восстановленные из данных детекторов двумя различными методами. Тёмно-серая линия моделирует ожидаемые сигналы от слияния чёрных дыр, светло-серая не использует астрофизических моделей, а представляет сигнал линейной комбинацией синусоидально-гауссовых вэйвлетов. Реконструкции перекрываются на 94 %. Третий ряд: Остаточные ошибки после извлечения отфильтрованного предсказания сигнала численной относительности из отфильтрованного сигнала детекторов. Нижний ряд: представление частотной карты напряжений, показывающее возрастание доминирующей частоты сигнала со временем.

11 февраля 2016 года коллаборациями LIGO и VIRGO. Сигнал слияния двух чёрных дыр с амплитудой в максимуме около 10 −21 был зарегистрирован 14 сентября 2015 года в 9:51 UTC двумя детекторами LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне через 7 миллисекунд друг от друга, в области максимальной амплитуды сигнала (0,2 секунды) комбинированное отношение сигнал-шум составило 24:1. Сигнал был обозначен GW150914. Форма сигнала совпадает с предсказанием общей теории относительности для слияния двух чёрных дыр массами 36 и 29 солнечных; возникшая чёрная дыра должна иметь массу 62 солнечные и параметр вращения a = 0,67. Расстояние до источника около 1,3 миллиарда , излучённая за десятые доли секунды в слиянии энергия - эквивалент около 3 солнечных масс.

История

История самого термина «гравитационная волна», теоретического и экспериментального поиска этих волн, а также их использования для исследований явлений недоступных иными методам.

• 1900 - Лоренц предположил, что гравитация «…может распространятся со скоростью, не большей скорости света»;
• 1905 - Пуанкаре впервые ввёл термин гравитационная волна (onde gravifique). Пуанкаре, на качественном уровне, снял устоявшиеся возражения Лапласа и показал, что связанные с гравитационными волнами поправки к общепринятым законам тяготения Ньютона порядка сокращаются, таким образом, предположение о существовании гравитационных волн не противоречит наблюдениям;
• 1916 - Эйнштейн показал, что в рамках ОТО механическая система будет передавать энергию гравитационным волнам и, грубо говоря, любое вращение относительно неподвижных звёзд должно рано или поздно остановиться, хотя, конечно, в обычных условиях потери энергии порядка ничтожны и практически не поддаются измерению (в этой работе он ещё ошибочно полагал, что механическая система, постоянно сохраняющая сферическую симметрию, может излучать гравитационные волны);
• 1918 - Эйнштейн вывел квадрупольную формулу, в которой излучение гравитационных волн оказывается эффектом порядка , тем самым исправив ошибку в своей предыдущей работе (осталась ошибка в коэффициенте, энергия волны в 2 раза меньше);
• 1923 - Эддингтон - поставил под сомнение физическую реальность гравитационных волн «…распространяются… со скоростью мысли». В 1934 году, при подготовке русского перевода своей монографии «Теория относительности», Эддингтон добавил несколько глав, включая главы с двумя вариантами расчётов потерь энергии вращающимся стержнем, но отметил, что использованные методы приближенных расчётов ОТО, по его мнению, неприменимы к гравитационно связанным системам, поэтому сомнения остаются;
• 1937 - Эйнштейн совместно с Розеном исследовал цилиндрические волновые решения точных уравнений гравитационного поля. В ходе этих исследований у них возникли сомнения, что гравитационные волны, возможно, являются артефактом приближенных решений уравнений ОТО (известна переписка относительно рецензии на статью Эйнштейна и Розена «Существуют ли гравитационные волны?»). Позднее он нашёл ошибку в рассуждениях, окончательный вариант статьи с фундаментальными правками был опубликован уже в «Journal of the Franklin Institute»;
• 1957 - Герман Бонди и Ричард Фейнман предложили мысленный эксперимент «трость с бусинками» в котором обосновали существование физических последствий гравитационных волн в ОТО;
• 1962 - Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн описали принципы использования интерферометров для обнаружения длинноволновых гравитационных волн;
• 1964 - Филип Петерс и Джон Мэтью теоретически описали гравитационные волны, излучаемые двойными системами;
• 1969 - Джозеф Вебер, основатель гравитационно-волновой астрономии, сообщает об обнаружении гравитационных волн с помощью резонансного детектора - механической гравитационной антенны. Эти сообщения порождают бурный рост работ в этом направлении, в частности, Ренье Вайс, один из основателей проекта LIGO, начал эксперименты в то время. На настоящий момент (2015) никому так и не удалось получить надёжных подтверждений этих событий;
• 1978 - Джозеф Тейлор сообщил об обнаружении гравитационного излучения в двойной системе пульсара PSR B1913+16. Исследования Джозефа Тейлора и Рассела Халса заслужили Нобелевскую премию по физике за 1993 год. На начало 2015 года три пост-кеплеровских параметра, включающих уменьшение периода вследствие излучения гравитационных волн, было измерено, как минимум, для 8 подобных систем;
• 2002 - Сергей Копейкин и Эдвард Фомалонт произвели с помощью радиоволной интерферометрии со сверхдлинной базой измерения отклонения света в гравитационном поле Юпитера в динамике, что для некоторого класса гипотетических расширений ОТО позволяет оценить скорость гравитации - отличие от скорости света не должно превышать 20 % (данная трактовка не общепринята);
• 2006 - международная команда Марты Бургей (Обсерватория Паркса, Австралия) сообщила о существенно более точных подтверждениях ОТО и соответствия ей величины излучения гравитационных волн в системе двух пульсаров PSR J0737-3039A/B;
• 2014 - астрономы Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (BICEP) сообщили об обнаружении первичных гравитационных волн при измерениях флуктуаций реликтового излучения. На настоящий момент (2016) обнаруженные флуктуации считаются не имеющими реликтового происхождения, а объясняются излучением пыли в Галактике;
• 2016 - международная команда LIGO сообщила об обнаружении события прохождения гравитационных волн GW150914. Впервые сообщено о прямом наблюдении взаимодействующих массивных тел в сверхсильных гравитационных полях со сверхвысокими относительными скоростями (< 1,2 × R s , v/c > 0.5), что позволило проверить корректность ОТО с точностью до нескольких постньютоновских членов высоких порядков. Измеренная дисперсия гравитационных волн не противоречит сделанным ранее измерениям дисперсии и верхней границы массы гипотетического гравитона (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.