Гравитационные волны

Авторы проекта Audio Universe решили, что гравитационные волны (пульсации ткани пространства-времени, возникающие в результате движения массивных объектов, например слияниях черных дыр) идеально подходят для сонификации, то есть преобразования данных в звук.

По словам участников проекта, сонификацию можно использовать для создания захватывающих и увлекательных образовательных ресурсов, чтобы сделать астрономию более доступной для широких масс.

Наука Космос Технологии 🐼 https://t.me/Science_techno_progress
Каждый день интересные и познавательные посты)

Объявление об этом необычном открытии, означавшем огромный скачок вперед в астрофизических исследованиях, было сделано 11 февраля 2016 года, восемь лет назад. Результат окончательно доказал существование гравитационных волн, гипотеза о которых была выдвинута столетием ранее Альбертом Эйнштейном в его теории общей теории относительности.

Рябь пространства-времени в том первом сигнале, зафиксированном на Земле, была вихревым танцем двух черных дыр, которые сближались друг с другом, пока не слились. Гравитационные волны, порожденные этим событием, распространялись в течение 1,4 миллиарда лет, прежде чем достигли интерферометров LIGO в США и Virgo в Каскине (около Пизы).

Почему так трудно обнаружить гравитационные волны?

Гравитационные волны — это волны, порожденные ускорением масс, которые своей гравитацией деформируют окружающее пространство-время. Эти волны распространяются наружу, вызывая рябь в ткани пространства-времени, и несут в себе энергию в виде гравитационного излучения.

Впервые они были предложены Оливером Хевисайдом в 1893 году, а затем Анри Пуанкаре в 1905 году. Только в 1916 году Альберт Эйнштейн продемонстрировал, что гравитационные волны являются результатом его теории общей теории относительности в виде пульсаций в пространстве-времени. Однако характер приближений Эйнштейна заставил многих, включая самого Эйнштейна, усомниться в этом результате.

Обнаружение гравитационных волн с Земли — сложная задача, требующая сложнейших приборов и тщательного анализа данных. Среди основных используемых методов — лазерная интерферометрия. Она использует чувствительную интерференцию световых волн для обнаружения бесконечно малых изменений в длине прибора.

Лазерные интерферометры, такие как LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) и Virgo, состоят из длинных L-образных рукавов длиной в несколько километров, по которым движется лазерный луч. Когда гравитационная волна проходит через Землю, она вызывает деформации пространства-времени, которые влияют на путь света. Измеряя разность фаз между лазерными лучами, проходящими через рукава, можно с высокой точностью обнаружить эти изменения длины.

Трудность обнаружения гравитационных волн заключается главным образом в технологической задаче изоляции помех от окружающей среды. Небольшие сейсмические движения, вибрации, вызванные движением транспорта, или даже тепловой шум молекул в воздухе могут маскировать сигналы гравитационных волн.

Кроме того, гравитационные волны чрезвычайно слабы. Когда они приходят на Землю от космических событий, таких как слияние черных дыр или далеких нейтронных звезд, их влияние на длину измерений ничтожно мало, порядка долей атомного размера. Это требует чрезвычайно чувствительной аппаратуры. И большие аналитические способности, чтобы отличить реальные сигналы от фонового шума и инструментальных артефактов.

Косвенное доказательство

Доказательство существования гравитационных волн впервые было получено в 1974 году благодаря движению бинарной системы нейтронных звезд PSR B1913+16. В ней одна из звезд является пульсаром, который при вращении испускает радиочастотные электромагнитные импульсы через точные и регулярные промежутки времени.

Рассел Халс и Джозеф Тейлор продемонстрировали, что со временем частота импульсов укорачивается. И что звезды постепенно движутся по спирали навстречу друг другу с потерей энергии, которая в точности соответствует ожидаемой энергии, излучаемой как гравитационная энергия в виде волн.

За эту работу Халс и Тейлор были удостоены Нобелевской премии по физике в 1993 году. Дальнейшие наблюдения этого пульсара и других в нескольких системах, таких как система двойного пульсара PSR J0737-3039, также впоследствии подтвердили теорию общей относительности. Однако это были косвенные свидетельства, а не реальные обнаружения явления.

Первое прямое наблюдение гравитационных волн

В 9:50:45 UTC 14 сентября 2015 года неожиданный сигнал достиг детекторов интерферометра LIGO в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана). Детекторы LIGO работали на полную мощность, но еще не приступили к поисковой фазе, которая должна была начаться 18 сентября. Поэтому изначально вопрос заключался в том, были ли эти сигналы реальными обнаружениями или имитацией для тестирования.

Сигнал длился более 0,2 секунды и за это время увеличился по частоте и амплитуде с 35 до 250 Гц. Через 3 минуты после получения сигнала включилось автоматическое предупреждение о возможном обнаружении.

После предупреждения последовательность внутренних сообщений электронной почты подтвердила, что никаких тестов на симулированных данных не проводилось и что данные чисты. Это было первое прямое обнаружение сигнала гравитационной волны.

Подтверждение

Более детальный статистический анализ сигнала и 16 дней окружающих данных в период с 12 сентября по 20 октября 2015 года подтвердил, что это событие, названное GW150914, является реальным. Оценка значимости составила не менее 5,1 сигмы, что соответствует 99,99994 %-ному уровню доверия.

Аналогичный сигнал достиг Ливингстона за 7 миллисекунд до прибытия в Хэнфорд. Гравитационные волны распространяются со скоростью света, и расхождение в прибытии сигнала соответствовало времени прохождения света между двумя объектами.

Во время события детектор гравитационных волн Virgo в Италии был отключен и находился в процессе обновления. Если бы он работал, то, вероятно, был бы достаточно чувствителен, чтобы обнаружить сигнал. А вот интерферометр GEO600, расположенный вблизи Ганновера, Германия, оказался недостаточно чувствительным, чтобы обнаружить сигнал.

Астрофизическое происхождение

По оценкам ученых, космическое событие, породившее сигнал GW150914, произошло на расстоянии около 1,4 миллиарда световых лет. Анализ сигнала, а также предполагаемое красное смещение, обусловленное расстоянием до события, позволили предположить, что он был получен в результате слияния двух черных дыр с массами около 30 и 35 солнечных масс, в результате чего образовалась конечная черная дыра с массой 62 солнечных масс.

Недостающие 3 солнечные массы были излучены в виде гравитационных волн, и было подсчитано, что в течение последних 20 миллисекунд слияния мощность излучаемых волн в 50 раз превышала суммарную мощность света, излучаемого всеми звездами в наблюдаемой Вселенной.

За 0,2-секундную продолжительность детектируемого сигнала относительная орбитальная тангенциальная скорость черных дыр увеличилась с 30 до 60 % от скорости света. Орбитальная частота в 75 Гц указывает на то, что в момент слияния объекты находились на расстоянии всего 350 км друг от друга.

На основе дальнейшего анализа ученые также реконструировали историю этих черных дыр, родительские звезды которых должны были сформироваться примерно через 2 миллиарда лет после Большого взрыва и иметь массу, в 40-100 раз превышающую массу Солнца.

Последующие наблюдения и открытия

С 14 сентября 2015 года LIGO и Virgo сообщили о многочисленных наблюдениях гравитационных волн, возникающих при слиянии бинарных систем черных дыр. 16 октября 2017 года коллаборации LIGO и Virgo объявили о первом в истории обнаружении гравитационных волн, возникающих в результате слияния бинарной системы нейтронных звезд с массами от 0,86 до 2,26 солнечных масс.

В отличие от бинарных слияний черных дыр, бинарные слияния нейтронных звезд, как ожидалось, должны давать электромагнитный аналог, то есть световой сигнал, связанный с этим событием. Гамма-всплеск, GRB 170817A, действительно был обнаружен космическим телескопом Fermi Gamma-ray Space Telescope НАСА. Он произошел через 1,7 секунды после переходного сигнала, представляющего собой гравитационную волну.

В 2021 году было объявлено о первом обнаружении гравитационных волн от бинарной системы нейтронная звезда-черная дыра детекторами LIGO и VIRGO. Это позволило сначала установить ограничения на количество таких систем.

В июне 2023 года NANOGrav опубликовал данные за 15 лет, содержащие первое свидетельство стохастического фона гравитационных волн. Это настоящий фоновый рокот Вселенной. Он проявляется как непрерывный сигнал из-за непрерывной суперпозиции и комбинации составляющих его гравитационных волн. До этого момента он всегда оставался необнаружимым.

Как ваш вес меняется в разных странах, какие волны распространяют чёрные дыры и что такое невесомость.

1. Гравитация Земли слабее, чем ваш магнит на холодильнике

В мире есть четыре так называемые фундаментальные силы: сильная ядерная, которая обеспечивает стабильность атомных ядер, слабая ядерная, ответственная за радиоактивный распад, электромагнитная сила и наша любимая гравитация. Именно последняя удерживает Землю, другие планеты и звёзды, солнечные системы и галактики от распада.

Так вот, гравитация — самая слабая фундаментальная сила из всех. И учёные никак не возьмут в толк почему.

Вы можете сказать: но ведь гравитация обеспечивает движение звёзд, галактик и других огромных объектов, как она может быть слабой? Ну, повесьте на холодильник магнитик. А теперь ответьте на вопрос, почему крошечный холодильник притягивает его сильнее, чем вся планета.

А слабые и сильные атомные силы ещё мощнее, чем электромагнитные. Магнит вы, по крайней мере, можете без посторонней помощи с холодильника снять, а вот расщеплять атомы голыми руками люди пока ещё не научились. Для сравнения: электрическая сила между электроном и протоном внутри атома примерно в один нониллион (это единица с 30 нулями) раз сильнее, чем гравитационное притяжение между ними.

И это является одной из главных загадок физики. У учёных есть предположение, что Вселенная может иметь дополнительные измерения, скрытые от нашего восприятия. И гравитация распространяется во всех них, в то время как электромагнитные силы, а также сильная и слабая ядерные силы ограничены нашим четырёхмерным пространством‑временем.

Возможно даже, наша гравитация влияет на объекты в других вселенных, если они существуют. А на наши объекты, в свою очередь, воздействует их притяжение. Это могло бы объяснить, почему наша Вселенная расширяется быстрее, чем следовало бы из расчётов. По крайней мере, такую теорию предлагают физики, которым не нравится теория тёмной материи и энергии.

Но несмотря на все предположения, сейчас не существует экспериментальных доказательств, подтверждающих или опровергающих это.

2. Гравитация создаёт волны

Представьте себе, что пространство‑время — это натянутая ткань. Ну или поверхность пруда, если вам так больше нравится. При движении массивных объектов вроде чёрных дыр или при слиянии нейтронных звёзд получаются искривления в пространстве‑времени — будто складки на ткани. Или словно волны, расходящиеся от места падения камня в пруд. Вот примерно так и выглядят гравитационные волны.

Аналогии, конечно, немного натянутые, потому что и ткань, и поверхность пруда плоские, а Вселенная трёхмерная, но примеров получше учёные пока не придумали.

Гравитационные волны отличаются от звуковых или световых, поэтому мы не можем услышать или увидеть их. Однако с помощью специальных приборов, называемых лазерными интерферометрами, учёные могут их обнаруживать. Это позволяет исследовать далёкие массивные объекты и изучать космические явления, происходящие в самых отдалённых уголках Вселенной.

Существование гравитационных волн предсказал ещё Альберт Эйнштейн сотню лет назад.

Но только недавно человечество разработало и применило инструменты для их обнаружения. Один из них — лазерно‑интерферометрическая обсерватория LIGO. Именно она впервые в 2015 году зафиксировала гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от Земли.

Они проходят через все преграды, включая пустоту, и не подвержены поглощению или отражению. А ещё распространяются по Вселенной со скоростью света.

3. Гравитация на Земле неоднородная

Вы наверняка уже видели эту анимацию. По Сети гуляет миф, якобы именно так выглядит наша планета без океанов. Но на самом деле это модель не самой Земли, а её гравитационного поля.

Видите ли, притяжение сильнее там, где сосредоточена большая масса. И поле гравитации на Земле неоднородно по нескольким причинам. Во‑первых, наша планета не является идеальным шаром. Она немного сплюснута у полюсов и расширена у экватора, что приводит к неравномерному распределению массы.

Во‑вторых, поверхность Земли очень неровная. У нас есть высокие горы, глубокие океанские впадины и другие ландшафтные формы, которые имеют разную массу. И в‑третьих, внутри планеты материалы также распределены неравномерно. Все эти факторы приводят к тому, что гравитация на Земле варьируется от места к месту.

Это значит, что в разных местах нашей планеты вы будете весить по‑разному.

Скажем, если вы находитесь в Коломбо в Шри‑Ланке, то ваш вес будет чуть меньше, чем если бы вы были в Катманду в Непале. Индийский океан является одним из регионов с самой низкой относительной гравитацией в мире, в то время как тяжёлые Гималаи, напротив, увеличивают её.

Другой пример: долгое время учёные не понимали, почему в регионе вокруг Гудзонова залива в Канаде гравитация слабее, чем должна быть в теории. Оказалось, что там тают вековые ледники, масса их уменьшается, а следовательно, и сила притяжения снижается.

Поэтому, если вас не устраивает цифра на весах, просто смените место жительства, и килограмм‑другой сразу сбросите. Правда, масса останется той же, но вес‑то уменьшится. Физика.

4. Гравитация искривляет свет

Несложно заметить, как гравитация влияет на физические объекты. Благодаря ей мы твёрдо стоим на Земле, а не улетаем в космос, яблоки падают сверху вниз, Солнце нарезает круги вокруг ядра галактики и так далее.

Но эта сила влияет не только на материю, но и на свет. Именно поэтому чёрные дыры так называются: у них тяготение настолько мощное, что весь притягиваемый ими свет не может покинуть гравитационного поля.

Но иногда фотоны не падают на массивный объект, а просто пролетают мимо, лишь слегка поменяв траекторию.

Это явление известно как гравитационное линзирование. Оно происходит из‑за того, что гравитация искажает пространство и время вокруг массивных объектов вроде звёзд и галактик. И в итоге свет, проходящий мимо этих массивных объектов, следует по изогнутому пути, а не по прямой линии.

Гравитационное линзирование было впервые предсказано Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности. Он предположил, что свет от далёкого объекта будет искривляться, проходя мимо близкой к нам массивной звезды. Его теория была экспериментально подтверждена во время солнечного затмения в 1919 году.

Гравитационное линзирование может привести к созданию впечатляющих эффектов, таких как «кольца Эйнштейна» или «крест Эйнштейна» — когда свет от далёкой галактики искривляется вокруг более близкой, создавая кольца, подковы и прочие световые фигуры.

Это явление также используется астрономами для изучения тёмной материи. Поскольку она не излучает свет, её невозможно наблюдать напрямую. Но мы можем обнаружить её присутствие через эффекты гравитационного линзирования.

5. Невесомость — это не отсутствие гравитации

Если вы спросите первого попавшегося человека, почему на МКС астронавты плавают в воздухе, он, скорее всего, ответит, что в космосе нет гравитации. Это, разумеется, не так, иначе как бы Солнце могло удерживать планеты на своих орбитах?

Вот почему это утверждение неверно. Представьте себе, что вы находитесь в самолёте и он внезапно начинает пикировать. Если вы подбросите в этот момент мячик, он, конечно, будет падать. Но так как самолёт тоже летит вниз, вам будет казаться, что игрушка парит в воздухе. Это и есть состояние невесомости. Кстати, астронавты перед полётами в космос адаптируются к нему в пикирующих самолётах.

Борта для таких тренировок сотрудники NASA иронично называют Vomit Comet — «рвотная комета». Сами догадайтесь почему.

То же самое происходит с астронавтами на орбите. Космический корабль или станция постоянно стремятся к Земле из‑за гравитации. Но так как они движутся вперёд достаточно быстро, то никогда не падают, а на каждом витке пролетают вокруг планеты. Это создаёт иллюзию отсутствия притяжения, хотя правильнее такое состояние называть «микрогравитацией».

На самом деле всё пространство пронизано гравитацией, и не существует места в космосе, где бы её не было. Учёные полагают, что, хотя скорость её распространения ограничена скоростью света, а её сила быстро уменьшается по мере удаления от источника, сам диапазон действия бесконечен.

То есть на вас сейчас вполне себе действуют гравитационные волны от какой‑нибудь чёрной дыры, которым требуется десятки тысяч лет, чтобы долететь до Земли. Просто их сила в сравнении с гравитацией нашей планеты очень мала. И это хорошо, знаете ли.

P.S.: Спасибо всем кто читает, подписывается, ставит "+" и поддерживает рублем (https://pay.cloudtips.ru/p/9c59405f). Всем хорошего настроения и удачного дня! Ещё увидимся.

P.P.: Предлагаю немного отметить среду, что-то настроение такое)

Источник

Что такое гравитация и каково её значение в физике и астрофизике? Кто и когда первым описал данное явление? Как на протяжении времени менялась и формулировалась теория гравитации?
Рассказывает Антон Бирюков, астрофизик, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории космических проектов Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга.

Что такое гравитационные волны? Как их изучают? Какими бывают источники гравитационных волн? Кому и когда была присуждена Нобелевская премия за их изучение? Где и как работает детектор гравитационных волн? Какие перспективы в будущем у этого направления исследований? Об этом и многом другом простым языком рассказывает Гор Оганесян, астрофизик, PhD, научный сотрудник Научного института Гран-Сассо (GSSI).