Рубрика «гравитационные волны»

Спросите Итана: если свет сжимается и расширяется вместе с пространством, как мы можем засечь гравитационные волны? - 1
Вид с воздуха на детектор гравитационных волн Virgo, расположенный в муниципалитете Кашина близ города Пиза в Италии. Virgo – это гигантский лазерный интерферометр Майкельсона с плечами длиной по 3 км, дополняющий два одинаковых детектора LIGO длиной по 4 км.

За последние три года у человечества появился новый тип астрономии, отличающийся от традиционных. Для изучения Вселенной мы уже не просто ловим свет телескопом или нейтрино при помощи огромных детекторов. Кроме этого, мы также впервые можем видеть рябь, присущую самому пространству: гравитационные волны. Детекторы LIGO, которые теперь дополняет Virgo, и скоро будут дополнять ещё KAGRA и LIGO India, обладают чрезвычайно длинными плечами, которые расширяются и сжимаются при проходе гравитационных волн, выдавая обнаруживаемый сигнал. Но как это работает? Наш читатель спрашивает:

Если длины волн света растягиваются и сжимаются вместе с самим пространством-временем, как LIGO может обнаружить гравитационные волны? Они ведь расширяют и сжимают два плеча детектора, поэтому волны внутри них тоже должны расширяться и сжиматься. Разве укладывающееся в плечо количество длин волн не будет оставаться постоянным, в результате чего интерференционная картина не будет меняться, и волны будет нельзя засечь?

Это один из самых распространённых парадоксов, которые представляют себе люди, размышляющие о гравитационных волнах. Давайте разберёмся и найдём ему решение!
Читать полностью »

Длиннее, мощнее, точнее — Европа собирается построить гравитационно-волновой детектор нового поколения под названием Einstein Telescope.

Einstein Telescope: детектор гравитационных волн нового поколения - 1
Einstein Telescope концепт-арт, credit: www.gwoptics.org

Детектор LIGO только-только начал работать пару лет назад, и даже еще не достиг запланированной чувствительности. Однако ученым очевидно, что чувствительности LIGO будет недостаточно для настоящей гравитационно-волновой астрономии.

Я расскажу о том, что ограничивает LIGO, и как подземный криогенный детектор в 2,5 раза длиннее LIGO сможет обойти эти ограничения.

Читать полностью »

Как же LIGO может регистрировать гравитационные волны, если они растягивают свет вместе с пространством между зеркалами?

Как LIGO может увидеть гравитационные волны, если в ОТО свет растягивается вместе с пространством? - 1

Этот вопрос непременно возникает, когда заходит разговор о детектировании гравитационных волн (ГВ). Обычно аргумент приводят такой: мы знаем, что есть гравитационное красное смещение, т.е. гравитация растягивает длины волн. Разумно предположить, что в LIGO свет тоже будет растягиваться, и длины волн, которые мы используем как «линейку» для измерения расстояния между зеркалами, растянутся в той же мере, что и само расстояние. Как же можно тогда пользоваться интерферометром для измерения гравитационных волн?

Представим возможные ответы на него:

  1. ГВ не влияют на свет, так что вопрос не имеет смысла.
  2. ГВ растягивают длину волны света, но очень слабо, так что мы не замечаем.
  3. Это не имеет значения, принцип детектирования не чувствителен к длине волны.
  4. Детекторы на самом деле и не работают.

Читать полностью »

Две команды исследователей значительно продвинулись к доказательству гипотезы стабильности чёрных дыр, важнейшей математической проверке Общей теории относительности Эйнштейна.

Для проверки уравнений Эйнштейна необходимо проткнуть чёрную дыру - 1

В ноябре 1915 года на лекции в Прусской академии наук, Альберт Эйнштейн описал идею, перевернувшую представление человечества о Вселенной. Вместо того, чтобы принимать геометрию пространства и времени фиксированной, Эйнштейн объяснил, что мы живём в четырёхмерной реальности под названием пространство-время, чья форма колеблется, реагируя на материю и энергию.

Эйнштейн подробно расписал эту важную идею в нескольких уравнениях, называемых "уравнениями Эйнштейна" (или уравнениями гравитационного поля), формирующих ядро его ОТО. Эту теорию подтвердили все экспериментальные проверки, которым она подвергалась в следующее столетие.
Читать полностью »

Спросите Итана: может ли материя убежать из-за горизонта событий во время слияния чёрных дыр? - 1
У чёрных дыр должны быть аккреционные диски, с которых в них падает материя, и после пересечения горизонта событий у материи уже не должно быть способа выбраться обратно. Может ли что-то повлиять на этот порядок вещей?

Единожды попав за горизонт событий чёрной дыры, выбраться уже не получится. Нет такой скорости, которая помогла бы выбраться оттуда, для этого не хватит даже скорости света. Но, согласно общей теории относительности, пространство в присутствии массы и энергии искривляется, а слияние чёрных дыр – один из наиболее экстремальных вариантов в природе. Есть ли возможность упасть в ЧД, пересечь горизонт событий, а затем убежать оттуда, пока этот горизонт искажается в результате массивного слияния? Такой вопрос возник у нашего читателя:

Если две ЧД объединятся, возможно ли, чтобы материя, находящаяся внутри горизонта событий одной из ЧД, смогла убежать оттуда? Может ли она убежать и переместиться в другую, более массивную ЧД? А убежать сразу за пределы обоих горизонтов?

Идея, конечно, безумная. Но достаточно ли она безумна, чтобы сработать? Давайте выясним.
Читать полностью »

Слияние нейтронных звёзд поставило крест на альтернативах тёмной материи и тёмной энергии - 1
В последние моменты слияния две нейтронные звезды не просто испускают гравитационные волны – происходит взрыв катастрофической мощности, отзывающийся по всему электромагнитному спектру. Разница во времени прибытия между светом и гравитационными волнами позволяет нам многое узнать о Вселенной

Спросите астрофизика о величайшей загадке Вселенной на сегодня – и два наиболее частых ответа будут «тёмная материя» и «тёмная энергия». То, из чего состоит всё на нашей Земле, атомы, которые в свою очередь состоят из фундаментальных частиц, составляют лишь 5% бюджета космической энергии. И либо 95% энергии Вселенной содержится в двух этих формах, в форме тёмной материи и тёмной энергии, которые по сию пору не наблюдались напрямую, либо с нашим представлением о Вселенной что-то кардинально не так. Альтернативы этим теориям исследовали достаточно долго, и различные их варианты проводили к немного различным физическим последствиям. После того, как мы впервые пронаблюдали слияние нейтронных звёзд и приняли сигналы в виде гравитационных волн и света довольно широкого спектра, огромная часть этих альтернатив была отвергнута. Тёмная материя и тёмная энергия выдержали проверку экспериментом.
Читать полностью »

Спросите Итана: почему свет прибыл на 1,7 секунды позже гравитационных волн при слиянии нейтронных звёзд? - 1

Слияние двух нейтронных звёзд в представлении художника. Искажения решётки пространства-времени изображают гравитационные волны, испущенные при столкновении, а узкие лучи – это джеты гамма-излучения, выстреливающие через несколько секунд после гравитационных волн (астрономы видят их как вспышки гамма-лучей)

17 августа, после путешествия длительностью в 130 млн лет, сигнал в виде гравитационных волн от двух нейтронных звёзд, двигавшихся навстречу друг другу по спирали на последних этапах слияния, прибыл на Землю. После столкновения поверхностей двух звёзд сигнал резко завершился, и наступила тишина. И хотя эти останки звёзд диаметром, возможно, всего в 20 км, двигались со скоростью порядка 30% от световой, сразу после столкновения мы не увидели ничего. И только 1,7 с спустя прибыл первый сигнал: свет в виде гамма-лучей. Откуда задержка? Отличный вопрос, заданный нашим читателем:

Давайте обсудим важность разницы в 1,7 с между временем прибытия гравитационных волн и вспышки гамма-лучей во время последнего события с нейтронными звёздами.

Давайте посмотрим, что мы увидели, и попробуем понять, откуда берётся эта задержка.
Читать полностью »

Предыдущая статья о результатах, полученных из экспериментов LIGO/VIRGO по распознаванию гравитационных волн, носила информационный характер и не ставила своей целью педагогические наставления. Сейчас я попытаюсь ответить на вопросы моих читателей и друзей по этой теме. Некоторые хотели лучше представить то, что произошло, а другие хотели уточнить, почему это открытие стало таким важным. Поэтому я написал эту статью, в которой объяснил, что такое нейтронные звёзды и чёрные дыры, и на что похоже их слияние, и уточнил, в чём важность упомянутого анонса. Его важность содержится в нескольких моментах, и их довольно сложно свести к какому-то одному. Кроме этого я даю ответы и на другие вопросы.

Для начала, оговорюсь: я не эксперт по сложной теме слияния чёрных дыр и получающихся в результате этого взрывах, известных, как «килоновые». Они гораздо сложнее слияния чёрных дыр. Некоторые детали я и сам пока узнаю. Надеюсь, что мне удалось избежать ошибок, но в некоторых случаях у меня нет всех ответов.

Базовые вопросы о нейтронных звёздах, чёрных дырах и их слиянии

Что такое нейтронные звёзды, чёрные дыры, и как они связаны?

Читать полностью »

Гравитационные волны стали самым важным инструментом из доступных астрономам. Они уже используются для подтверждения того, что крупные чёрные дыры (ЧД) – с массами в десять или больше раз, чем у Солнца – и слияния этих крупных ЧД, формирующие ещё более крупные ЧД, не так уж редко происходят во Вселенной. В октябре 2017 года этот инструмент совершил рывок вперёд.

Уже давно было известно, что нейтронные звёзды (НЗ), схлопнувшиеся останки звёзд, взорвавшихся и ставших сверхновыми, во Вселенной встречаются часто. И почти столько же известно, что НЗ иногда ходят парами. (Именно так были впервые опосредованно открыты гравитационные волны в 1970-х). Звёзды часто формируют пары, и иногда обе звезды взрываются и становятся сверхновыми, а их остатки в виде НЗ обращаются вокруг друг друга. Согласно теории относительности Эйнштейна, пара звёзд должна постепенно терять энергию, испуская в космос гравитационные волны, и медленно, но верно два этих объекта должны по спирали падать друг на друга. В итоге, по прошествии миллионов или даже миллиардов лет они сталкиваются и сливаются в более крупную НЗ или в ЧД. В результате этого столкновения происходят два события.

  1. Возникает некая очень яркая вспышка света – электромагнитные волны – о подробностях которой мы можем только догадываться. Некоторые из этих волн будут видимым светом, а большая их часть – невидимой, например, гамма-излучением.
  2. Возникают гравитационные волны, подробности которых легче подсчитать, из-за чего их можно различить, но нельзя было обнаружить, пока LIGO и VIRGO не начали сбор данных: LIGO за последние несколько лет, а VIRGO за последние несколько месяцев.

Читать полностью »

Нобелевская премия по физике за 2017 год ожидаемо досталась Кипу Торну, Райнеру Вайссу и Берри Беришу за экспериментальное обнаружение гравитационных волн на лазерно-интерферометрических приборах LIGO. Этот успех (а обнаружение гравитационных волн (ГВ) от двух сливающихся черных дыр первый раз произошло 14 сентября 2015 года) стал плодом примерно 50-летнего развития техники для детектирования ГВ. В результате этого развития инструмент LIGO обладает леденящими характеристиками, впрочем, никакие человеческие эпитеты не передают уровня прецизионности этой машины.

image
Лазерно-интерферометрическая гравитационная обсерватория LIGO в Ливингстоне, Луизиана, США.

Сегодня поговорим об инженерном устройстве LIGO. Но прежде — о гравитационных волнах вообще.
Читать полностью »