Гравитационные волны все о них. – Гравитационные волны предсказал Эйнштейн? Кто и когда сделал открытие

Группа ученых из 16 стран впервые получила доказательство существования гравитационных волн на практике. В этом им помогли две черные дыры, которые соединились в одну 1,3 млрд лет назад. В процессе произошел такой выброс энергии, который заставил Землю трястись, как желе. «Фонтанка» попыталась разобраться в представленных доказательствах.

Источник: LIGO

«Мы зафиксировали гравитационную волну», - заявил на пресс-конференции в Вашингтоне исполнительный директор лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO Дэвид Рейтс. Его слова вызвали шквал аплодисментов. Все же не так часто фундаментальная наука радует открытиями вселенского масштаба.

Исследование действительно выходит за пределы планеты. Источник колебаний, который удалось обнаружить ученым, находится где-то в южной части звездного неба. Волна пришла со стороны Магеллановых Облаков, которые являются галактиками-спутниками Млечного пути. Возможное местонахождение источника с разной вероятностью отмечено на карте ниже.

Около 1,3 млрд лет назад, полагают ученые, там развивались фантастические события, когда две черные дыры попали под влияние друг друга и стали сближаться. Напомним, «черные дыры» - условное название для космических объектов, которые притягивают к себе все, что находится рядом. Сила притяжения настолько велика, что даже свет не может вырваться за их пределы. Из-за этого на фоне ярких звезд и освещаемых ими объектов «черные дыры» выглядят абсолютно темными.

И вот два таких объекта начали притягиваться друг к другу, двигаясь по улитке. Тем самым они создавали возмущения в гравитационном поле, и от их движения начали расходиться гравитационные волны. Процесс завершился логично: соединением в один космический объект. Визуально это похоже на деление клетки, которое знакомо всем из учебника по биологии, запущенное в обратном направлении.

Исследователи LIGO отмечают критический момент за миллисекунду до окончательного соединения двух «черных дыр» в одну, когда произошел выброс энергии, в 50 раз превышающий энергию всех звезд во Вселенной.

Источник: LIGO

Своеобразный «девятый вал» прошелся по Вселенной и докатился до Земли. Волна ударила в планету и повлияла на ее гравитационное поле. Для наглядности ученые пояснили, что эффект был похож на то, что будет, если ткнуть чем-нибудь желе и оно начнет трястись. Впрочем, для планеты такие сотрясения неопасны, и ничем, кроме сверхчувствительных приборов, они не зафиксированы. Сооснователь LIGO Райнер Вейс при этом наглядно продемонстрировал, как конкретно волна проходит через гравитационное поле.

К тому времени, как волна дошла до Земли, экспериментальные исследования в поисках гравитационных волн велись уже четверть века. Надо сказать, что теоретическая возможность существования гравитационных волн упоминается в нескольких теориях. Например, согласно общей теории относительности Эйнштейна скорость распространения гравитационной волны равняется скорости света в линейном приближении.

Однако экспериментально опровергнуть или подтвердить ни одну из теорий было невозможно, ввиду того, что обнаружить гравитационную волну очень сложно. Чтобы понять масштаб такого явления, надо знать, что в Солнечной системе самыми мощными источниками гравитационных волн являются, собственно, Солнце и Юпитер. И мощность этих волн составляет ничтожные, по сравнению с кинетической энергией этих тел, 5 киловатт.

Однако 14 сентября 2015 года сразу двум гравитационно-волновым обсерваториям в США удалось зафиксировать колебания, которые впоследствии были идентифицированы учеными как гравитационные волны. Сначала колебания зафиксировали в городе Хэнфорд штата Вашингтон, а через 7 миллисекунд в Ливингстоне штата Луизиана. Перепроверка всех данных заняла еще около полугода. После этого ученые смогли рассказать, как им удалось поймать гравитационную волну.

Для измерения использовался лазерный интерферометр. Суть его работы заключается в разделении лазерного луча на два, отличающиеся интенсивностью. Каждый из них далее доходит до зеркала, где отражается и возвращается в систему, а уже оттуда направляется на специальный фотодетектор. Принцип работы системы изображен на видео ниже.

Источник: LIGO

Зеркала находятся на значительном расстоянии от лазера и изолированы от посторонних колебаний. Когда гравитационная волна проходит сквозь Землю, меняется ее форма, а значит, и расстояние зеркал от источника излучения. В результате, после отражения лазерного луча от зеркала, лучу необходимо большее или меньшее расстояние, чтобы дойти до фотодетектора. Микроскопическая разница в попадании лазера на фотодетектор как раз и является методом определения гравитационной волны.

Для большей наглядности ученые определили цветом амплитуду гравитационной волны. Представитель LIGO из Университета Луизианы Габриэла Гонсалес также заявила, что гравитационная волна находится в том диапазоне, который может уловить человеческое ухо. «Мы буквально можем услышать гравитационную волну, мы можем услышать Вселенную. Однако эта волна настолько короткая, что мы услышим только звук, похожий на «плюк!», - пояснила Гонсалес.

Читателям «Фонтанки» также предлагаем услышать гравитационную волну, которая появилась около 1,3 млрд лет назад в результате соединения двух «черных дыр» в далекой-далекой галактике.

Свободная поверхность жидкости, находящейся в равновесии в поле тяжести, - плоская. Если под влиянием какого-либо внешнего воздействия поверхность жидкости в каком-нибудь месте выводится из ее равновесного положения, то в жидкости возникает движение. Это движение будет распространяться вдоль всей поверхности жидкости в виде волн, называемых гравитационными, поскольку они обусловливаются действием поля тяжести. Гравитационные волны происходят в основном на поверхности жидкости, захватывая внутренние ее слои тем меньше, чем глубже эти слои расположены.

Мы будем рассматривать здесь такие гравитационные волны, в которых скорость движущихся частиц жидкости настолько мала, что в уравнении Эйлера можно пренебречь членом по сравнению с Легко выяснить, что означает это условие физически. В течение промежутка времени порядка периода колебаний, совершаемых частицами жидкости в волне, эти частицы проходят расстояние порядка амплитуды а волны, поэтому скорость их движения - порядка Скорость v заметно меняется на протяжении интервалов времени порядка и на протяжении расстояний порядка вдоль направления распространения волны ( - длина волны). Поэтому производная от скорости по времени - порядка а по координатам - порядка Таким образом, условие эквивалентно требованию

т. е. амплитуда колебаний в волне должна быть мала по сравнению с длиной волны. В § 9 мы видели, что если в уравнении движения можно пренебречь членом то движение жидкости потенциально. Предполагая жидкость несжимаемой, мы можем воспользоваться поэтому уравнениями (10,6) и (10,7). В уравнении (10,7) мы можем теперь пренебречь членом содержащим квадрат скорости; положив и введя в поле тяжести член получим:

(12,2)

Ось выбираем, как обычно, вертикально вверх, а в качестве плоскости х, у выбираем равновесную плоскую поверхность жидкости.

Будем обозначать - координату точек поверхности жидкости посредством ; является функцией координат х, у и времени t. В равновесии так что есть вертикальное смещение жидкой поверхности при ее колебаниях.

Пусть на поверхность жидкости действует постоянное давление Тогда имеем на поверхности согласно (12,2)

Постоянную можно устранить переопределением потенциала (прибавлением к нему независящей от координат величины Тогда условие на поверхности жидкости примет вид

Малость амплитуды колебаний в волне означает, что смещение мало. Поэтому можно считать, в том же приближении, что вертикальная компонента скорости движения точек поверхности совпадает с производной по времени от смещения Но так что имеем:

В силу малости колебаний можно в этом условии взять значения производных при вместо Таким образом, получаем окончательно следующую систему уравнений, определяющих движение в гравитационной волне:

Будем рассматривать волны на поверхности жидкости, считая эту поверхность неограниченной. Будем также считать, что длина волны мала по сравнению с глубиной жидкости; тогда можно рассматривать жидкость как бесконечно глубокую. Поэтому мы не пишем граничных условий на боковых границах и на дне жидкости.

Рассмотрим гравитационную волну, распространяющуюся вдоль оси и однородную вдоль оси в такой волне все величины не зависят от координаты у. Будем искать решение, являющееся простой периодической функцией времени и координаты х:

где ( - циклическая частота (мы будем говорить о ней просто как о частоте), k - волновой вектор волны, - длина волны. Подставив это выражение в уравнение получим для функции уравнение

Его решение, затухающее в глубь жидкости (т. е. при ):

Мы должны еще удовлетворить граничному условию (12,5), Подставив в него (12,5), найдем связь между частотой b волновым вектором (или, как говорят, закон дисперсии волн):

Распределение скоростей в жидкости получается дифференцированием потенциала по координатам:

Мы видим, что скорость экспоненциально падает по направлению в глубь жидкости. В каждой заданной точке пространства (т. е. при заданных х, z) вектор скорости равномерно вращается в плоскости х, оставаясь постоянным по своей величине.

Определим еще траекторию частиц жидкости в волне. Обозначим временно посредством х, z координаты движущейся частицы жидкости (а не координаты неподвижной точки в пространстве), а посредством - значения х, для равновесного положения частицы. Тогда а в правой части (12,8) можно приближенно написать вместо , воспользовавшись малостью колебаний. Интегрирование по времени дает тогда:

Таким образом, частицы жидкости описывают окружности вокруг точек с радиусом, экспоненциально убывающим по направлению в глубь жидкости.

Скорость U распространения волны равна, как будет показано в § 67, Подставив сюда находим, что скорость распространения гравитационных волн на неограниченной поверхности бесконечно глубокой жидкости равна

Она растет при увеличении длины волны.

Длинные гравитационные волны

Рассмотрев гравитационные волны, длина которых мала по сравнению с глубиной жидкости, остановимся теперь на противоположном предельном случае волн, длина которых велика по сравнению с глубиной жидкости.

Такие волны называются длинными.

Рассмотрим сначала распространение длинных волн в канале. Длину канала (направленную вдоль оси х) будем считать неограниченной Сечение канала может иметь произвольную форму и может меняться вдоль его длины. Площадь поперечного сечения жидкости в канале обозначим посредством Глубина и ширина канала предполагаются малыми по сравнению с длиной волны.

Мы будем рассматривать здесь продольные длинные волны, в которых жидкость движется вдоль канала. В таких волнах компонента скорости вдоль длины канала велика по сравнению с компонентами

Обозначив просто как v и опуская малые члены, мы можем написать -компоненту уравнения Эйлера в виде

а -компоненту - в виде

(квадратичные по скорости члены опускаем, поскольку амплитуда волны по-прежнему считается малой). Из второго уравнения имеем, замечая, что на свободной поверхности ) должно быть

Подставляя это выражение в первое уравнение, получаем:

Второе уравнение для определения двух неизвестных можно вывести методом, аналогичным выводу уравнения непрерывности. Это уравнение представляет собой по существу уравнение непрерывности применительно к рассматриваемому случаю. Рассмотрим объем жидкости, заключенный между двумя плоскостями поперечного сечения канала, находящимися на расстоянии друг от друга. За единицу времени через одну плоскость войдет объем жидкости, равный а через другую плоскость выйдет объем Поэтому объем жидкости между обеими плоскостями изменится на

Похоже, что в ближайшие дни мы будем очень много говорить о гравитационных волнах. Но почему иногда их по ошибке называют «волнами тяготения»? В этом мире социальных медиа, где чаще всего ценится в первую очередь краткость, может показаться, что уменьшить словосочетание «гравитационные волны» до «волны тяготения» это не такое уж и большое дело. Тем более что это позволяет сэкономить несколько лишних символов для любителей Твиттера!

И вероятнее всего вы увидите много заголовков в новостях, предвещающих «гравитационные волны науки», замененные словом «тяготение», но не попадайтесь в эту ловушку. В то время как оба слова имеют вес, в сущности, гравитационные волны и волны тяготения это абсолютно разные «существа». Читайте дальше и вы узнаете, чем они отличаются, и даже сможете блеснуть своими гравитационными познаниями в следующий раз перед друзьями в пабе.

Гравитационные волны это, в наиболее общем понимании, некая рябь в пространстве и времени. Теория общей относительности Эйнштейна предсказала их существование более ста лет назад, и они образуются на ускорении (или на самом деле замедлении) массивных объектов в космосе. Если звезда взрывается в качестве сверхновой, то гравитационные волны уносят энергию от детонации со скоростью света. Если две черные дыры сталкиваются, они вызовут рябь в пространстве и времени, напоминающую рябь в пруде, куда был брошен камешек. Если две нейтронных звезды вращаются друг с другом очень тесно, их энергия, которая уносится из системы – как вы уже догадались – называется гравитационными волнами. Если бы мы могли обнаружить и наблюдать эти волны, что возможно сможет позволить новая эра астрономии гравитационных волн, то мы научимся узнавать гравитационные волны и работать с явлениями, которые их воспроизвели. Например, внезапный импульс гравитационных волн может указывать на их получение от взрыва от сверхновой звезды, в то время как непрерывный осциллирующий сигнал может указывать на тесную орбиту двух черных дыр перед их слиянием.

До сих пор гравитационные волны являются теоретическими, несмотря на существование сильного косвенного доказательства. Интересно, что, так как гравитационные волны распространяются через пространство, они будут физически деформировать «ткань» пространства, то есть очень слабо сокращать или расширять пространство между двумя объектами. Эффект ничтожен, но с использованием лазерного интерферометра, такого как лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории или ЛИГО (LIGO), измеряющего малейшее волнение в лазерах, отраженного по 2.5 километровым L-образным вакуумным тоннелям, может быть обнаружено распространение гравитационных волн через нашу планету. В случае ЛИГО есть 2 станции, расположенные на противоположных сторонах США, разделенные почти на 2000 миль. Если гравитационный волновой сигнал является реальным, его сигнатура будет наблюдаться в обоих местах; если это ложный сигнал (то есть мимо просто проехал грузовик), то сигнал обнаружит только одна станция. Хотя ЛИГО начал свою деятельность в 2002 году, ему еще предстоит обнаружить гравитационные волны. Но в сентябре 2015 года система была модернизирована до Продвинутого ЛИГО (Advanced LIGO) и есть надежда, что в четверг физики, наконец, предоставят нам хорошие новости.

Бонус: Первичные гравитационные волны. Возможно, вы помните суматоху с «открытием» BICEP2 (а затем с не-обнаружением) гравитационных волн в слабом изначальном «свечением» Большого взрыва известных как космический микроволновой фон (КМФ). Хотя «открытие» BICEP2 оказалось безнадежным, считается, что крошечные гравитационные волнения вокруг времени Большого взрыва могут оставить свой «отпечаток» в этом древнем излучении в качестве особого вида поляризованного света. Если отпечаток первичных гравитационных волн (те, что произведены Большим взрывом) наблюдается, то могут быть подтверждены некоторые модели космической инфляции и квантовой гравитации.

Тем не менее, это не те гравитационные волны, за которыми охотится ЛИГО. ЛИГО (и подобные ей обсерватории) ищет гравитационные волн, которые генерируются энергетическими событиями, происходящими сейчас в нашей современной Вселенной. Охота на первичные гравитационные волны это подобие археологических раскопок прошлого нашей Вселенной.

Волны тяготения это физические возмущения, управляемые восстанавливающей силой тяжести в планетарной среде. Другими словами, волны тяготения являются характерными только для планетарных атмосфер и водоемов. В случае атмосфер, воздух дует через океан, и затем, наталкиваясь на остров, к примеру, вынужден повышаться. С подветренной стороны воздух будет вынужден находиться на более низкой высоте под действием силы тяжести, но его плавучесть будет работать против силы тяжести, заставляя его снова подниматься. В результате часто область колеблющегося воздуха в атмосфере может производить облака в гребнях волн. Примерами волн тяготения являются ветровые волны, приливы и цунами.

Таким образом, получается, что сила тяжести приводит в действие и гравитационные волны и волны тяготения, но они имеют очень разные свойства, которые не следует путать.

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:

Что значит для нас обнаружение гравитационных волн.

Думаю, все уже в курсе, что пару дней назад учёные впервые объявили об обнаружении гравитационных волн. Про это было много новостей, по ТВ, на новостных сайтах и вообще везде. Однако при этом никто не затруднился объяснить доступным языком, что дает нам это открытие в практическом плане.

На самом деле, всё просто, достаточно провести аналогию с подводной лодкой:

Источник:

Обнаружение подводных лодок - является первой и главной задачей при борьбе с ними. Как и всякий предмет, лодка своим присутствием влияет на окружающую среду. Иными словами, лодка имеет собственные физические поля. К более известным физическим полям подводной лодки относятся гидроакустическое, магнитное, гидродинамическое, электрическое, низкочастотное электромагнитное, а также тепловое, оптическое. Выделение физических полей лодки на фоне полей океана (моря) лежит в основе главных способов обнаружения.
Способы обнаружения подводных лодок разделяются по типу физических полей: Акустический, Магнитометрический, Радиолокационный, Газовый, Тепловой и.т.д.

С космосом та же фигня. Мы смотрим на звезды через телескопы, делаем фотографии Марса, ловим излучения и вообще пытаемся познать небеса всеми доступными способами. А теперь, после того как зафиксированы эти волны, добавился и ещё один способ изучения - гравитационный. Мы сможем осмотреть космос основываясь на этих колебаниях.

То есть, как подводная лодка прошла в морском пространстве, и оставила за собой "след", по которому её могут вычислить, точно так же и небесные тела, теперь могут изучаться под другим углом для более полной картины. В будущем, мы сможем посмотреть как гравитационные волны огибают разные светила, галактики, планеты, научимся ещё лучше вычислять космические траектории объектов (А может даже и заранее узнавать и прогнозировать приближения метеоритов) увидим поведение волн в особых условиях, ну и всякое такое.

Что это даст?

Пока не ясно. Но со временем, аппаратура станет более точной и чувствительной, и о гравитационных волнах наберётся богатый материал. Основываясь на этих материалах пытливые умы начнут находить разного рода аномалии, загадки и закономерности. Эти закономерности и аномалии, в свою очередь, будут служить либо опровержением, либо подтверждением старых теорий. Будут создаваться дополнительные математические формулы, интересные гипотезы (Британские учёные выяснили, что голуби находят дорогу домой ориентируясь по гравитационным волнам!) и многое подобное. А жёлтая пресса, обязательно запустит какой-нибудь миф, типа "Гравитационное цунами", которое однажды нагрянет, накроет нашу солнечную систему и всему живому придет кидык. И Вангу приплетут ещё. Короче, весело будет:]

И что в итоге?

В итоге, мы получим более совершенную область науки, которая сможет давать более точное и широкое представление о нашем мире. А если повезёт и учёным попадётся какой-нибудь удивительный эффект... (Типа, если две гравитационные волны в полнолуние "врезаются" друг в друга под определённым углом с нужной скоростью, то случается локальный очаг антигравитации, о-па!)... то мы сможем надеяться на серьёзный научный прогресс.