Гравитационные волны

Волна возникает потому, что гравитационные поля, следующие за объектом, не могут двигаться мгновенно. В случае, когда небесное тело неожиданно меняет свое расположение гравитационному полю требуется время, чтобы измениться и последовать за ним. А когда тело прыгает туда-сюда постоянно — появляется устойчивая гравитационная волна. Характерный пример —  пульсары, вращаясь с большой скоростью они создают сильную пространственную рябь в космосе.

Но проблема в том, что размеры гравитационных волн невероятно малы, особенно это касается относительно небольших тел. Например, электроны, вибрирующие в антенне, тоже создают гравитационные волны (в конце концов они тоже материя), но эти волны очень-очень слабые. 200 Ваттный радиопередатчик создает гравитационные волны, которые в квинтиллионы раз слабее изучаемых электромагнитных волн. Вот почему здесь на Земле можно обнаружить только самые большие и самые мощные астрономические события, такие как — быстро вращающиеся нейтронные звезды, сливающиеся черные дыры или взрыв сверхновой.

Как мы можем обнаружить гравитационные волны?

Наиболее серьезной попыткой обнаружить гравитационные волны стала Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, или детектор LIGO, в Соединенных Штатах. Он состоит из двух объектов, разделенных расстоянием в 3000 км. Каждый детектор тщательно отслеживает любые гравитационные волны, проходящие в космосе.

Эти обсерватории используют триангуляцию для определения величины и направления волны. По крайней мере так планировалось с 2002 по 2010 год. Но в результате оказалось, что как бы ученые не вслушивались, они ничего не обнаруживали.

Но ученые так просто не сдались, немного подумав перестроили детекторное оборудование, повысив его чувствительность в 10 раз. И это сработало, в 2015 году уже появился первый результат.

Но на Земле очень сложно ловить гравитационные волны. Много помех. Поэтому ученые предложили установить приборы космического базирования, которые могли бы обеспечить большую чувствительность и увеличить шансы на обнаружение гравитационной волны.

Итак, хорошие новости! Предполагая, что физики и Эйнштейн правы, мы должны увидеть обнаружение гравитационной волны в ближайшие несколько десятилетий, завершая серию предсказаний о том, как безумно странно ведет себя наша Вселенная.

Оригинал статьи - https://bozon-higgs.ru/chto-takoe-gravitatsionnye-volny/

В сентябре 2015 года были замечены сигнатуры от слияния двух массивных объектов, двух черных дыр. Гравитационные волны этого события докатились до Земли, где и были пойманы детекторами, расположенными в США и Италии. В чем же тут уникальность? В том, что события подобного рода очень важны для понимания Вселенной и происходят они далеко не каждый день.

Из теории относительности мы знаем, что массивные тела могут влиять на форму пространства-времени вокруг себя. Черные дыры — это как раз те самые тела, настолько массивные, что несут в себе точку невозврата, называемую «горизонтом событий». Это невидимая граница, за которой пространство искажается настолько, что ни один предмет, молекула или атом вернуться обратно уже не могут. Всё, что упало внутрь горизонта событий неизбежно падает в сингулярность.

И когда два таких тела встречаются вместе, происходит нечто феноменальное — образуется новая черная дыра еще больших размеров.

Как это происходит?

Обычно история начинается издалека, с двух черных дыр, которые блуждают в пространстве до тех пор, пока не встретятся. В этот момент они начинают взаимодействовать и кружиться друг против друга по довольно тесной орбите. В процессе вращения они теряют энергию в виде гравитационных волн. И чем ближе они находятся, тем сильнее возмущения пространства. Когда орбита объектов сжимается до минимума, количество гравитационных волн вырастает до максимума.

В какой-то момент взаимное притяжение деформирует оба тела, сближая их, пока они не сольются и не станут единым целым в виде арахиса. Подобно очень вытянутому мыльному пузырю, этот «арахис» колеблется и вибрирует до тех пор, пока не приобретает сферическую форму. В этот момент новообразованная черная дыра испускает невероятное количество гравитационных импульсов и всевозможных излучений.

Масса полученной черной дыры, как правило, несколько меньше суммы двух изначальных масс объектов. Это связано с тем, что часть энергии тратится во время сближения и вращения, причем большая часть в момент слияния.

Поскольку начальные массы черных дыр могут быть огромными (в миллионы раз больше массы Солнца), даже несколько процентов от этой массы — это очень много энергии. Неудивительно, что слияние черных дыр по праву считается самым мощным событием во Вселенной, мощнее даже взрывов сверхновых.

Наблюдения

Наземные детекторы LIGO способны измерять сигналы, излучаемые сливающейся черной дырой массой в 30 раз больше Солнца. На заключительной фазе инспирации черные дыры разгоняются до скорости в 60% от скорости света, а их гравитационные волны располагаются в диапазоне 100 – 300 Гц.

Чтобы наблюдать слияние сверхмассивных черных дыр, необходимы наблюдения на более низких частотах. На Земле это сделать сложно из-за помех вызванных самой планетой – землетрясения, извержения и так далее. Поэтому в будущем планируется вывести три космических аппарата на расстоянии 2 миллионов километров друг от друга и регистрировать гравитационные волны в диапазоне частот от 0,1 Гц до 30 МГц. Задача амбициозная, но вполне выполнимая.

Оригинал статьи - https://bozon-higgs.ru/unikalnoe-kosmicheskoe-sobytie-sliyanie-dvuh-chernyh-dyr/

итоговый результат классического метода: delta_t_obshchiy = delta_t_sto + delta_t_oto = 7.21 - 33.44 = -26.23 микросекунды

как это предлагаю делать я (через параметр t'):

формула параметра t' объединяет эффекты СТО и ОТО в одну компактную формулу: t' = k1 * (v^2 / c^2) + k2 * (phi / c^2)

где: k1 = 0.5 k2 = -0.5

те же данные используются для расчета: v = 3874 м/с phi = 6.95e7 м^2/с^2 c = 299792458 м/с

расчет через параметр t': t' = 0.5 * (3874^2 / 299792458^2) - 0.5 * (6.95e7 / 299792458^2) t' = 7.21 - 33.44 = -26.23 микросекунды

сравнение двух методов:

оба метода дают одинаковый результат: -26.23 микросекунды. однако метод через t' имеет следующие преимущества:

• единая формула вместо двух отдельных,

• проще для программной реализации,

• возможность легко добавлять квантовые поправки через член delta_kvant.

выводы:

после исправления коэффициентов (k1 = 0.5, k2 = -0.5), формула t' дает тот же результат, что и классический метод, но обладает следующими преимуществами:

• единство: одна формула вместо двух,

• простота: легче для реализации,

• универсальность: возможность учета дополнительных эффектов (например, квантовых).

другие области применения:

• улучшение точности GPS-систем до сантиметрового уровня,

• создание сверхточных атомных часов нового поколения,

• моделирование релятивистских эффектов вблизи черных дыр,

• исследование ранней Вселенной,

• разработка квантовых процессоров времени.

источники данных:

• Living Reviews in Relativity: "Relativity in the Global Positioning System" [https://link.springer.com/article/10.12942/lrr-2003-1]

• Neil Ashby: "Relativity and the Global Positioning System" [https://www.mathpages.com/rr/s6-06/6-06.htm] (альтернативный источник с подробными расчетами)

• Wayback Machine: Архивированная версия NASA Technical Reports [https://web.archive.org/web/*/https://ntrs.nasa.gov/citations/19970019385]

Если ссылка на NTRS все еще недоступна, вы можете использовать Wayback Machine для поиска архивированной версии документа или обратиться к статьям Neil Ashby, которые содержат подробные расчеты релятивистских коррекций для GPS. Все данные в манифесте основаны на актуальных научных источниках.