Так что же такое "Гравитационные волны"?
Гравитационные волны - это "пульсации" в ткани пространства-времени, вызванные ускорением массивных объектов. Впервые они были предсказаны общей теорией относительности Альберта Эйнштейна в 1916 году, однако лишь в 21 веке технологии были достаточно развиты, чтобы их обнаружить. В этой статье мы объясним, что такое гравитационные волны, как они обнаруживаются и каково их значение в области физики и астрономии.
Гравитационные волны возникают, когда два массивных объекта (черные дыры, нейтронные звезды или белые карлики) вращаются друг вокруг друга. При движении по орбите они излучают энергию в виде гравитационных волн. Данные волны распространяются со скоростью света и вызывают растяжение и сжатие пространства-времени.
Гравитационная волна - это искривление, которое перемещается в пространстве-времени подобно тому, как водная волна перемещается по поверхности озера
На деле же, общая теория относительности Эйнштейна сыграла гораздо бОльшую роль в открытии гравитационных волн. Вот для наглядности "представление Земли в мире" Ньютона и Эйнштейна:
И как же, собственно, гравитационные волны обнаружить?
На данный момент обнаружением гравитационных волн активно занимается лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) - самый известный и успешный детектор гравитационных волн. Он использует лазерные лучи для измерения расстояния между зеркалами, подвешенными на расстоянии нескольких километров друг от друга. Когда гравитационная волна проходит через детектор, она вызывает мизерное изменение расстояния между зеркалами, которое может быть зафиксировано лазерными лучами.
LIGO начал свое первое наблюдение в 2002 году и с тех пор претерпел несколько модернизаций для улучшения чувствительности. Самая значительная модернизация была проведена в 2015 году, в результате которой чувствительность детектора увеличилась в 10 раз. Эта модернизация, известная как Advanced LIGO, позволила LIGO впервые обнаружить гравитационные волны.
Первое обнаружение гравитационных волн было сделано 14 сентября 2015 года, и оно было вызвано столкновением двух черных дыр. Это открытие, известное как GW150914, стало революционным достижением в области физики и астрономии. С тех пор LIGO обнаружил еще несколько гравитационных волн, включая первое обнаружение слияния бинарных нейтронных звезд и первое обнаружение слияния черных дыр.
Научное сотрудничество LIGO (LSC), представляющее собой международную группу из более чем 1000 ученых, управляет детекторами LIGO и анализирует собранные данные. LSC тесно сотрудничает с другими детекторами гравитационных волн по всему миру, такими как детектор Virgo в Италии и детектор KAGRA в Японии, чтобы увеличить шансы на обнаружение гравитационных волн и повысить точность измерений.
Ворота небес широко распахнулись,ты едешь на черной клубящейся туче...
Обнаружение гравитационных волн открыло новую область астрономии, называемую гравитационно-волновой астрономией. Ученые могут использовать гравитационные волны для изучения Вселенной таким образом, который ранее был невозможен. Например, они могут использовать гравитационные волны для изучения свойств черных дыр и нейтронных звезд, а также для того, чтобы узнать больше о происхождении Вселенной. Кроме того, обнаружение гравитационных волн подтвердило общую теорию относительности Эйнштейна, а также открыло новые возможности для изучения фундаментальной физики и обнаружения других загадочных явлений, таких как темная материя и темная энергия.
Гравитационные волны также способны произвести революцию в нашем понимании Вселенной таким образом, который мы еще не можем себе представить. С разработкой новых и более чувствительных детекторов ученые смогут обнаружить гравитационные волны от более широкого круга источников, включая сверхновые, бинарные системы и даже сам Большой взрыв.
Подведём итоги...
В последние годы было обнаружено множество гравитационных волн, включая первое обнаружение слияния бинарных нейтронных звезд и первое обнаружение слияния черных дыр. Эти открытия не только подтвердили существование гравитационных волн, но и позволили по-новому взглянуть на Вселенную.
Продолжая изучать гравитационные волны, мы можем ожидать открытия новой и захватывающей информации о Вселенной и о том, как она устроена. Будет интересно посмотреть, как эта новая область науки будет развиваться в будущем.
Комментарии (30)
Dynasaur
25.01.2023 13:06+6Никогда не понимал - если гравитационная волна деформрует "ткань пространства-времени", то почему вместе с тканью не деформируется также и лазерный луч? Он существует где-то вне "ткани пространства времени"? А если свет деформируется сместе с "тканью" и всеми окружающими предметами, то как он позволяет заметить деформацию?
flx0
25.01.2023 13:34+2Лазерный луч - это не стационарный объект. Лазер постоянно излучает новые фотоны, приемник - поглощает. Когда проходит гравитационная волна - изменяются расстояния, проходимые этими вновь излученными фотонами, а их длина волны остается той же.
Dynasaur
25.01.2023 14:02Если применить ваше объяснение к, например, акустическим волнам - они тоже не должны деформироваться вместе с материей? То есть, если представить длиннющий рельс, по торцу которого бьёт молот, акустическая волна в нём также будет достигать противоположного торца за разное время и в иной фазе в случае прохождения гравитационной волны?
flx0
25.01.2023 14:32+1Если ваш рельс магически удлиннился или укоротился без изменения акустических свойств, то звук от следующего удара молотом дойдет до противоположного торца за другое время и в другой фазе.
Dynasaur
25.01.2023 14:53+1То есть, акустические свойства материи меняются при прохождении гравитационной волны, а оптические нет - я правильно понял ваш ответ? Не понял только почему.
flx0
25.01.2023 15:17+5Гравитационные волны влияют ровно на одну вещь - на расстояния. Грубо говоря, раньше между источником и приемником был 1 метр, пришел пик волны, стал 1.1 метр. Следующему фотону придется лететь дольше. (а тот фотон, который там в это время уже летел и оттого деформировался вместе с этим расстоянием, нас вообще не интересует)
Только в реальности волны, конечно, слабже, поэтому вместо того чтобы стоять с секундомером и замерять напрямую время, приходится измерять разность фаз отраженного света.
Вообще, про теоретическую основу этого всего есть хорошая лекция https://www.youtube.com/watch?v=CZoeBmrtJO0
Shkaff
25.01.2023 16:57+2Вы все верно пишете. Добавлю только, что это все работает в приближении очень большой длины волны для грав. волны. Условно говоря, чтобы за то время, пока фотон находится в плече, ГВ не сильно меняла расстояние. В противном случае будет возникать ситуация, когда каждый фотон попадает под действие изменяющейся ГВ. И в общем случае это надо учитывать.
Ark_V
25.01.2023 18:48Гравитационные волны влияют ровно на одну вещь - на расстояния.
А как же тогда "ткань пространства-времени"? Ведь пространство и время неразрывны в пространственно-временном континууме, и следовательно гравитационные волны должны изменять не только интервалы расстояния, но и одновременно интервалы времени в тех же пропорциях и длину волны вместе с ними.
flx0
25.01.2023 23:06В приближении линейной гравитации всегда существует система координат, в которой гравитационная волна поляризована строго в двух пространственных измерениях. Когда в одном направлении она расстояния вытягивает, в другом сжимает, и наоборот. Распространяется она при этом в перпендикулярном им третьем пространственном направлении. Если интересно, гуглите про поперечную калибровку / transverse-traceless gauge.
Dynasaur
25.01.2023 15:01+2Вообще, деформации пространства-времени влияют так же и на свет, чему есть масса подтверждений. Например, эффект гравитационной линзы вблизи чёрных дыр - деформируется ПВ и луч света искривляется вместе с ПВ. Поэтому не понятно почему в детекторе он не деформируется вместе с ПВ.
Shkaff
25.01.2023 15:22+2Он деформируется. Но растягивается только та часть луча, которая находилась внутри интерферометра в момент прохождения волны. Эта часть со скоростью света вылетает к детекторам и заменяется новой, уже не растянутой. Я подробно писал, как это происходит, в отдельной статье. В целом же ГВ действует на свет иначе, чем на расстояние между зеркалами. Ну и правильно там пишут ниже: детекторы работают как часы, а не как линейка, поэтому искривление света не имеет значения.
mastan
25.01.2023 19:06Скорее так - гравитация искривляет кратчайший путь света, а не фотоны сами по себе.
Readme
25.01.2023 13:58+3На Хабре было много замечательных статей на тему гравитационных волн, в которых в том числе поднимался и этот вопрос. Если кратко:
Детектор — не линейка, а часы
https://habr.com/ru/post/426785/
https://habr.com/ru/post/407499/
mastan
25.01.2023 19:01Выходит, что не деформируется. Возможно потому, что фотон это переносчик взаимодействия, а не вещество.
Аналогичный эффект проявляется в космологическом красном смещении - длина волны фотона становится короче, пока он летит в расширяющейся вселенной.
SmartVolk
25.01.2023 14:08+1"Гравитационные волны - это пульсации в ткани пространства-времени"
Это вообще на научном языке написано?
kauri_39
26.01.2023 00:29За тканью пространства-времени скрывается физический вакуум. Но если его пульсации - это гравволны, то гравполем должно быть его расширение и равноускоренное движение из космоса в материю. Физики к такой революции ещё не готовы и могут это подтвердить.
Dynasaur
25.01.2023 17:59Как известно, вращающийся вокруг ядра заряд(электрон) не излучает ЭМ волны. А вращающаяся масса излучает гравитационные. Первое, видимо, объясняется квантовыми эффектами микромира. Вопрос, а если вращать макро-заряд или макро-магнит - они будут излучать ЭМ-волны по аналогии с вращающейся массой?
Shkaff
25.01.2023 18:27+4Вращающийся электрон не излучает, потому что он не вращается. С точки зрения квантовой физики, он стационарен (и вообще там нет частицы, а только волна -- т.е. электрон "размазан" по орбите). А если электрон летит в свободном полете с ускорением - он будет излучать. Соответственно, магнит на орбите будет излучать.
В целом, процесс излучения электромагнитных и гравитационных волн описывается одинаково. С той разницей, что для излучения гравитационных нужно переменное ускорение.
Dynasaur
25.01.2023 19:31Да, спасибо. Последнюю фразу не понял. А в чём разница? Движение по орбите это всегда движение с переменным (по направлению) ускорением. Стало быть для магнита и массы разницы нет?
Shkaff
25.01.2023 20:00По орбите - да. Но в ЭМ случае излучать будут и просто ускоряющиеся заряды (с постоянным ускорением). А вот в случае с ГВ так не будет работать. Просто ускоряющаяся масса не будет излучать.
Ellarihan
26.01.2023 07:42Интересная гифка. Это из какого-то материала по визуализации движения заряженных частиц?
Readme
26.01.2023 13:01Странная анимация, что именно она иллюстрирует? Если это силовые линии электростатического поля точечного заряда в лабораторной системе отсчёта, почему после ускорения/рывка они остаются прямолинейными? (Хотя понаблюдал за конкретной точкой, может так и есть, после начала движения заряда градиент медленно поворачивается за зарядом с запозданием).
Если это силовые линии гравитационного поля, при движении по окружности возникали бы аналогичные искажения, градиент которых можно было бы уловить, но вроде как грав. волны рождаются только рывком массы, поэтому наверное иллюстрация всё-таки к электростатике.
UPD: увидел комментарий выше, таки это электрический заряд. Всё равно вопрос к форме поля, надо обдумать.
UPD2Хе-хе: http://www.tapir.caltech.edu/~teviet/Waves/emfield.html
(This diagram assumes a charge moving at 0.5 times the speed of light, and includes a slight horizontal "squeezing" of the field lines due to relativistic length contraction. However, this squeezing is not essential to any of the subsequent discussion of electromagnetic radiation.)
Ну да, логично, искажения-то есть, но они очень малы даже для скорости заряда c/2.
KvanTTT
25.01.2023 21:15+1Увеличится ли точность или появится ли возможность определять направление распространения гравитационных волн, если добавить еще один тоннель, перпендикулярный двум другим, т.е. вглубь или вверх? Либо хотя бы еще два тоннеля в противоположные стороны?
Tyusha
26.01.2023 00:35Нет, хотя и с оговорками. Направление прихода волны определяется по задержке прихода волны в разные гравитационные обсерватории.
Дополнительные тоннели помогут уточнить поляризацию гравитационной волны. А так она поперечная, то знание поляризации даëт некоторую информацию от направлении еë прихода.
Shkaff
26.01.2023 11:09+1Отчего же, увеличится. Больше интерферометров - больше сигнала. Будет расти линейно. Для плеча вглубь земли, увеличится сигнал со всего неба (кроме как прямо над детектором).
Собственно, Einstein Telescope, например, будет иметь как раз несколько туннелей сразу.
iggr63
25.01.2023 23:49Можно и поменьше чем LIGO интерферометры делать для детектирования гравитационных всплесков. Вот например пентогональный. А есть и побольше, например Лиза.
Shkaff
26.01.2023 11:11Честно говоря, не очень понятно, чем помогает пентагональный. Чем меньше плечо, тем меньше сигнал. Плюс, тем более высокие частоты придется детектировать (где вроде как астрофизических сигналов нет).
saiklo
27.01.2023 14:05есть одна проблема, которую никто не учитывает - это влияние гравитации самой Земли. И эксперименты надо проводить на достаточно отдалении от Земли и Луны. Это даст немного другие данные и может наконец люди начнут думать.
flx0
Эту статью написал ChatGPT?