Спросите Итана №74: гравитационные волны

в 8:03, , рубрики: астрономия, Вселенная, гравитационные волны, гравитация, Научно-популярное, спросите итана, физика

Свет и звук – это известные нам волны. Но волны бывают и гравитационными.

Следовательно, пространству самому по себе и времени самому по себе суждено исчезнуть в тенях, и только лишь объединение их двоих сохранится в роли независимой реальности.
— Герман Минковский

Когда Эйнштейн предложил свою общую теорию относительности, она не просто потрясла основы физики, но и полностью разрушила их, чтобы построить новые. Вместо материи, существующей в точках пространства и моментах времени, она предположила, что у пространства и времени есть свои собственные измерения в четырёхмерной структуре пространства-времени, и эта структура меняется из-за присутствия и взаимодействия всей находящейся в ней материи и энергии. Её подтвердило несколько удивительных предсказаний, от гравитационного красного смещения, до изгибания звёздного света из-за присутствия материи.

Спросите Итана №74: гравитационные волны - 1

Выбранный сегодня из присланных вами вопрос стал самым коротким за всю историю наших статей, и принадлежит Адаму Рабангу, который спрашивает:

Дорогой Итан,
Что, чёрт возьми, такое гравитационные волны?
Спасибо,
Адам.

Начнём с обсуждения другого типа волн, с которым вы можете быть знакомы: водных волн.

Спросите Итана №74: гравитационные волны - 2

Начать можно с идеально спокойной и плоской воды. Поверхность воды остаётся спокойной и нетронутой воздействием внешних сил. Что случится, если аккуратно поместить, скажем, насекомое на поверхность?

Спросите Итана №74: гравитационные волны - 3

Оно слегка деформирует поверхность, поскольку гравитационное притяжение насекомого прилагает силу к поверхности, что приводит к её искривлению. Если мы сделаем что-нибудь менее нежное, например, уроним объект с большой высоты на поверхность воды – что мы увидим?

youtu.be/QQ37RLXNAgc

Мы увидим знакомую рябь, которую мы связываем с волнами на воде. Мы побеспокоили поверхность воды, и энергия распространяется наружу с определённой скоростью, в зависимости от свойств среды (воды), по которой идёт волна.

Если мы начнём рассматривать волны света, всё останется аналогичным, хотя и станет менее интуитивным.

Спросите Итана №74: гравитационные волны - 4

Свет также можно представить себе как рябь, распространяющуюся в пространстве-времени. У него есть определённая энергия, зависящая от частоты/длины волны, скорость распространения, скорость света в определённой среде, и он двигается в определённом направлении, определяемом условиями, в которых он возник, а затем следует по пути, определяемом кривизной пространства-времени.

Спросите Итана №74: гравитационные волны - 5

Но как создаётся свет? Как появляется реальный фотон? Один из способов – взаимодействие частиц (или античастиц) друг с другом: существует конечная вероятность того, что две любые взаимодействующие частицы произведут хотя бы один фотон.

Спросите Итана №74: гравитационные волны - 6
Спросите Итана №74: гравитационные волны - 7

Ещё один, более интересный способ, происходит от эффекта, которому нет аналога в классических волнах: когда заряженная частица двигается в присутствии магнитного поля.

Да, магнитное поле заставляет частицу менять направление: это действует сила Лоренца. Но когда частица двигается в магнитном поле, она также испускает излучение в виде фотонов: циклотронное излучение на низких энергиях/скоростях/полях, или синхротронное в более релятивистских условиях.

Этот тип излучения появляется не только в экспериментах на Земле, но и в природной лаборатории Вселенной – например, в джетах гигантской, самой массивной из ближайших галактик, Messier 87.

Спросите Итана №74: гравитационные волны - 8

И вот мы дошли до гравитации. У электричества есть два вида зарядов – положительный и отрицательный – а у гравитации один: масса, или, точнее, энергия. В то время, как электрические поля и магнитные поля влияют на заряженные частицы, у гравитации есть лишь один тип поля: искривление пространства.

Но с гравитацией во Вселенной ситуация та же, что и с электромагнетизмом: у нас имеются гравитационно заряженные частицы, двигающиеся в гравитационных полях.

Спросите Итана №74: гравитационные волны - 9

И хотя в некоторых деталях физические законы различаются, эффект получается один и тот же: излучение. В нашем случае это не электромагнитное излучение, а гравитационное! Рябь, путешествующая со скоростью света по ткани пространства-времени, переносящая энергию.

Эффект увеличивается в случае быстро ускоряющихся масс в изменяющихся гравитационных полях, например, когда нейтронная звезда объединяется с другой, или находится на малой и уменьшающейся орбите с другим телом, оставшимся от звезды.

Гравитационные волны (или гравитационное излучение) проявляют себя через эту рябь в пространстве-времени, и она приводит ко вполне определённым искривлениям в размере и направлении любой встречающейся на пути материи и/или электромагнитного излучения.

image
image

В теории эти волны можно обнаружить напрямую через интерферометр с длинной базой, и сейчас над этими поисками работают в разных проектах, включая коллаборацию LIGO. [ровно через год после написания этой статьи LIGO обнаружил гравитационные волны – прим.перев.]
Если случится чудо, запустят космическую антенну лазерных интерферометров, или LISA, которая гарантированно обнаружит этот эффект, поскольку будет искать его в том диапазоне, где должно происходить большое количество событий!

Спросите Итана №74: гравитационные волны - 12

У нас уже есть непрямое свидетельство существования гравитационных волн, поскольку мы наблюдаем предсказанное уменьшение орбит пульсаров, происходящее в течение многих лет – наблюдение, совпадающее с предсказанием ОТО. С другой стороны, ОТО также предсказывает, что орбиты должны угасать из-за испускания гравитационных волн. Если бы могли обнаружить их напрямую, это стало бы подтверждением одного из последних основных предсказаний одной из величайших физических теорий.

Спросите Итана №74: гравитационные волны - 13

Так что такое гравитационные волны? Это новая форма излучения – гравитационное излучение – испускаемое массивными или переносящими энергию частицами, путешествующими в гравитационных полях. Если частица ускоряется или гравитационное поле меняется, интенсивность излучения увеличивается, и с течением времени оно уносит энергию со скоростью света, в результате чего орбиты угасают, а также появляется возможность обнаружения этих волн. При правильном подходе мы можем получить новый тип астрономии – гравитационная астрономия – технология для этого уже существует!

В числе разных источников гравитационных волн находится и космическая инфляция. Недавно опубликованные коллаборацией Планка результаты накладывают ограничения на возможные типы инфляции, благодаря отсутствию её влияния на поляризацию микроволнового космического излучения, и отбрасывают целый класс инфляционных моделей – моделей хаотической инфляции.

Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.

Автор: SLY_G

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля