Что такое гравитационные волны?
Начнем разговор о гравитационных волнах с общей теории относительности Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1915 году. Он говорил, что пространство и время не являются отдельными сущностями, а переплетены в единый континуум, так называемую ткань пространства-времени. Все массивные тела заставляют эту ткань изгибаться и искривляться. То есть, согласно Эйнштейну, гравитация не является силой в пространстве, а проявлением кривизны пространства-времени. В частности, в астрономии массивные тела, такие как звезды, планеты и черные дыры, изгибают пространство-время по-разному, притягивая друг друга – и это взаимодействие мы называем гравитацией.
Известная цитата Джона Уилера кратко это подводит: “Пространство-время говорит материи, как двигаться, материя говорит пространству-времени, как изгибаться.” Позже Уилер придумает термин для объектов настолько плотных и массивных, что они искривляют пространство-время до такой степени, что даже свет не может из них вырваться – 'черные дыры’.
Создавая ткань пространства-времени, общая теория относительности также отвергает представление о том, что пространство строго стационарно, или что время абсолютно. Пространству-времени разрешается растягиваться, сжиматься и крутиться. Гравитационные волны – это волны в пространстве-времени, которые, как предсказывает общая теория относительности, излучаются, когда массивные тела двигаются и возмущают его асимметричным образом (с переменным ускорением) – например, когда две звезды вращаются друг вокруг друга. Или если взять картофелину и раскрутить ее, она тоже будет излучать гравитационные волны. Однако эффект даже от самых массивных тел настолько невообразимо мал, что даже Эйнштейн думал, что будет невозможно обнаружить гравитационные волны с Земли.
Но редко что доставляет такое удовольствие физикам, как опровержение чужих теорий, даже если это теории Альберта Эйнштейна. Наблюдение за двойным пульсаром Халса-Тейлора в 1974 году показало, что его орбита сокращалась на протяжении десятилетия именно таким образом, как это предсказывала ОТО: гравитационные волны уносили энергию и угловой момент двойной системы. Это косвенное подтверждение излучения гравитационных волн было удостоено Нобелевской премии по физике 1993 года.
Примерно в то же время, когда был открыт двойной пульсар Халса-Тейлора, М. Е. Герценштейн и В. И. Пустовойт придумали использовать огромные лазерные интерферометры, которые могли бы напрямую обнаруживать гравитационные волны. Американские коллеги, включая Рея Вайсса из MIT, развили эту идею в полноценную концепцию детектора. Такие детекторы могли бы наблюдать волны, излучаемые самыми плотными объектами во Вселенной – нейтронными звёздами и чёрными дырами, вращающимися друг вокруг друга и сталкивающимися. Кип Торн, бывший аспирант Джона Уилера, возглавил работу по теоретическому расчету гравитационных волновых сигналов, которые излучались бы при этих столкновениях. Вскоре была создана организация детекторов LIGO, и в Соединенных Штатах на рубеже тысячелетия были построены две обсерватории в Ливингстоне, Луизиана, и Хэнфорде, Вашингтон. Первое прямое обнаружение гравитационных волн, названное 'GW150914' по дате события 14 сентября 2015 года, было удостоено Нобелевской премии по физике 2017 года. С тех пор к силам присоединились еще два наземных детектора, Virgo, управляемый Европейской обсерваторией гравитационных волн (EGO) в Пизе, Италия, и KAGRA в Японии.
Эра наблюдения за гравитационными волнами получила дальнейшее развитие в июне 2023 года с открытием командами тайминга пульсаров по всему миру фоновых стохастических гравитационных волн низкой частоты. С этим открытием мы смогли наблюдать Вселенную на совсем других частотах, позволяя нам проникать глубже в ее тайны.
Прямое наблюдение гравитационных волн позволяет нам изучать Вселенную в прежде недоступных режимах и проверять на прочность общую теорию относительности в надежде, что однажды мы обнаружим какую-то новую теорию Вселенной.
Новый посланник
Разные частицы несут разную информацию об излучивших их объектах. Таких посланников глубокого космоса четыре: Космические лучи (заряженные энергетические частицы), Гравитационные волны, Фотоны/свет (электромагнитное излучение) и Нейтрино (очень маленькие, нейтральные частицы, редко взаимодействующие с другой материей). Темная материя может быть добавлена в этот список, но это четыре, которые были прямо обнаружены до сих пор.
Многоканальная астрономия использует несколько каналов (космические лучи, гравитационные волны, электромагнитное излучение и нейтрино) одновременно для измерения одного объекта. Комбинирование каналов таким образом дает нам независимые измерения одного и того же астрономического объекта и может многое рассказать нам о процессах, происходящих в этих объектах. С ее помощью было совершено несколько важных открытий, значительно продвинувших наше понимание Вселенной:
Солнечные вспышки наблюдались как в электромагнитных, так и в космических лучах.
Блазар TXS 0506+056, в котором было обнаружено излучение как в фотонах (гамма-лучах), так и в нейтрино.
Сверхновая 1987A (SN1987A) наблюдалась в фотонах и нейтрино (экспериментом Камиоканде, который завершил модернизацию как раз вовремя, чтобы увидеть нейтрино).
Добавление гравитационных волн в качестве нового канала сродни приобретению ещё одного органа чувств для понимания нашей вселенной. Это сочетание уже привело к успеху в обнаружении с использованием нескольких каналов в слиянии нейтронных звезд GW170817 и сопровождающих его вспышки света. (Прим.пер. Я подробно писал про это событие на хабре).
GW170817 было слиянием двух нейтронных звезд, зафиксированным гравитационно-волновыми детекторами LIGO-Virgo 17 августа 2017 года. Коллаборация LIGO-Virgo в реальном времени отправила сообщение об обнаружении астрономическому сообществу через Сеть координат гамма-лучей (GCN) (GCN теперь была обновлена и получила название “Общая сеть координат”). После этого Fermi-GBM также передала наблюдение короткого гамма-всплеска, GRB170817A, который произошел в той же области небосвода, что и событие GW, и всего через 1.7 секунды после регистрации слияния LIGO-Virgo. Несколько часов спустя событие пронаблюдали в оптическом диапазоне, SSS17a. GCN, отправленные в реальном времени, можно найти в Архиве GCN.
Это был первый случай наблюдения объекта одновременно в гравитационных волнах и фотонах, что стало важным успехом многоканальной астрономии! Благодаря информации о гравитационных волнах мы получили представление о системе до и во время слияния (например, о массах исходных нейтронных звезд), а благодаря электромагнитному обнаружению астрономы увидели килонову и смогли определить, в какой галактике произошло слияние!
Источники гравитационных волн
Существует несколько типов источников гравитационных волн: некоторые из которых наблюдались (например, слияния компактных двойных систем, включающие нейтронные звезды или черные дыры, с помощью детекторов LIGO-Virgo), а некоторые в основном являются теоретическими объектами.
Слияния компактных двойных систем
Когда мы говорим о наблюдении гравитационных волн, мы много слышим о компактных объектах – черных дырах, нейтронных звездах и белых карликах. Так что же это за объекты?
Черные дыры по сути представляют собой одну точку с чрезвычайно сильным гравитационным притяжением – таким сильным, что даже свет не может выйти за пределы ее тяготения! На определенном радиусе (так называемом радиусе Шварцшильда) никакая информация (включая свет) не может выйти, поскольку скорость убегания из черной дыры внутри этого радиуса превышает скорость света. Сфера, описываемая этим радиусом Шварцшильда, называется горизонтом событий черной дыры.
Нейтронные звезды образуются, когда звезда становится сверхновой. Сверхновые с коллапсирующим ядром (II типа, CCSNe) оставляют после себя нейтронную звезду, когда массивная звезда (>8 солнечных масс) схлопывается в себя. Они чрезвычайно плотные (обычно порядка 10^17 кг/м^2, в сравнении с плотностью Земли около 5 x 10^3 кг/м^2), и обычно могут иметь массу от примерно 1.1 до примерно 2 солнечных масс (это определяется пределом Толмена–Оппенгеймера–Волкова) с диаметром всего 10-20 км.
Белые карлики образуются, когда звезды с небольшой или средней массой больше не имеют достаточно энергии для продолжения процесса слияния, и звезда схлопывается. Эти объекты также невероятно плотные (около 10^9 кг/м^2) и имеют меньшую массу, чем нейтронные звезды: их масса обычно меньше солнечной (~0.15), максимум до 1.4 солнечных масс (верхний предел масс белых карликов определяется пределом Чандрасекара).
В космосе все объекты постоянно взаимодействуют друг с другом через гравитацию. Однако только эти компактые объекты достаточно плотные для излучения гравитационных волн, которые мы можем наблюдать на Земле (о других источниках ниже).
Когда два таких объекта вращаются друг вокруг друга в двойной системе, когда они сближаются друг с другом и в конечном итоге сливаются, их гравитационные волны достаточно сильны для обнаружения гравитационно-волновыми детекторами.
Рисунок 2 иллюстрирует слияние двух компактных объектов. В начале временной шкалы объекты сбилжающтся по спирали, и на средней панели можно увидеть в основном гравитационные волны постоянной частоты. Когда объекты приближаются друг к другу, между 0.35-0.40 с на временной шкале, пики волн становятся ближе друг к другу (это означает, что период уменьшается, что одновременно означает увеличение частоты). Когда они сливаются (примерно на 0.42 с), мы видим, что период становится чрезвычайно коротким, в то же время деформация достигает своего максимального значения. После слияния волна быстро затухает на стадии, называемой звоном.
Этот тип гравитационно-волнового события, вовлекающего две черные дыры, был впервые обнаружен наземными лазерными интерферометрами (см. раздел про это далее в этом путеводителе) в 2015 году коллаборацией LIGO-Virgo. Пока что компактные двойные системы являются единственным источником гравитационных волн, который мы напрямую обнаружили. В первом цикле наблюдений, который длился до весны 2016б было обнаружено еще два подобных события.
Во время второго наблюдательного цикла (O2) в 2017 году к двум детекторам LIGO присоединился Virgo, европейский детектор гравитационных волн в Пизе, Италия. Вместе они обнаружили новый тип слияния компактных двойных систем, на этот раз с участием двух нейтронных звёзд (см. выше описание GW170817). В отличие от столкновений черных дыр, которые, как известно, не испускают свет, это конкретное событие сопровождалось настоящим космическим фейерверком, поскольку нейтронные звезды разрывали друг друга на части во время слияния и выбрасывали вещество, излучавшее гамма-лучи и рентгеновские лучи. Образовавшаяся килонова излучала ультрафиолетовые, видимые и радио волны электромагнитного спектра. Используя принципы многоканальной астрономии, учение смогли получить много информации о формировании тяжёлых элементов, таких как золото и платина, и о том, что гравитационные волны распространяются со скоростью света.
Непрерывные гравитационные волны
Компактному объекту не всегда нужен партнёр, чтобы испускать гравитационные волны. Любой движущийся объект может создавать эти волны, но это движение должно быть асимметричным, с так называемым квадрупольным моментом. Поэтому, хотя идеально сферические вращающиеся звезда или черная дыра не могут излучать гравитационные волны, быстро вращающаяся картофелина может. Хотя нет доказательств существования вращающихся картошек в космосе, мы знаем о пульсарах, которые являются быстро вращающимися нейтронными звёздами, испускающими лучи радиоволн.
Иногда такие пульсары могут быть несимметричными, и тогда они испускают гравитационные волны. Но любые деформации на нейтронной звезде вряд ли будут в форме гор и долин, как на Земле. Сила притяжения на них столь велика,что самая высокая гипотетическая гора на нейтронной звезде может возвышаться всего на несколько долей миллиметра в высоту! Таким образом, деформации нейтронных звёзд можно рассматривать как незначительные отклонения от идеальной сферы к эллипсу, измеряемые величиной, известной как эллиптичность.
В то же время, быстро вращающаяся нейтронная звезда с эллиптичностью может вибрировать вокруг своей оси вращения, испуская гравитационные волны. В отличие от слияний двойных систем, где волны появляются как громкие “вспышки” сигнала, гравитационные волны от изолированных источников будут очень слабыми и будут продолжаться, пока нейтронная звезда не перестанет вибрировать. Эти 'Непрерывные гравитационные волны' ищут в каждом наблюдательном цикле LIGO-Virgo, как для уже известных нам пульсаров, так и для пока не открытых. Пока не было подтверждено ни одного источника непрерывных волн. Но ненаблюдение гравитационных волн от известных пульсаров позволяет нам наложить ограничения на их эллиптичность и, в свою очередь, оценить высоту самых высоких гор на них.
Стохастический фон
Когда сверчки начинают стрекотать вечером, мы можем слышать отдельных ранних певцов, ищущих партнера. Как только наступает ночь, звук бесчисленного стрекота сливается в шум, пронизывающий весь лес. По мере создания более чувствительных детекторов гравитационных волн, мы услышим аналогичный фоновый шум, вызванный стрекотом гравитационных волн. Это называется Стохастическим фоном гравитационных волн. Пока LIGO и Virgo не обнаружили такого фона от слияния объектов звездной массы. Но когда речь идет о слияниях сверхмассивных черных дыр, тайминг пульсаров (читайте ниже!) позволяет успешно улавливать этот шепот Вселенной!
Первичные гравитационные волны
Первичные гравитационные волны получили свое название от своего происхождения: это гравитационные волны, которые возникли вскоре после Большого взрыва, во время периода ускоренного расширения, известного как инфляция. Эти волны могли возникнуть одновременно с Космическим микроволновым фоном (реликтовым излучением), и их обнаружение стало бы ключевым в подтверждении теории инфляции.
Во время инфляции возникали малые флуктуации массы и энергии, которые порождали эти первичные гравитационные волны, а также формировали Вселенную такой, какой мы её видим сегодня. Эти волны имели бы чрезвычайно низкую частоту (огромную длину волны), что ставит их вне диапазона частот, которые могут обнаружить современные детекторы гравитационных волн. Даже если бы мы могли их обнаружить, считается, что эти первичные гравитационные волны перекрываются со стохастическим фоном, что добавляет сложности наблюдению такого типа гравитационных волн. Некотоыре эксперименты (напр. BICEP) пытаются обнаружить такие волны косвенным образом, наблюдая за реликтовым излучением.
Другие экзотические источники
Существует ряд других гипотез об источниках гравитационных волн. Звёзды, состоящие из экзотического, плотного вещества, например кварковые звёзды, могут излучать непрерывные или кратковременные гравитационные волны, подобно нейтронным звёздам или чёрным дырам. Другая популярная идея - это взаимодействие частиц тёмной материи, таких как аксионы, с вращающимися чёрными дырами. В таком сценарии возникают ”гравитационные атомы" с чёрной дырой в центре и аксионами, вращающимися вокруг, как электроны, и набирающими импульс через взаимодействия с излучением от аккреционного диска и замедляющими вращение чёрной дыры. Признаки этого снижения вращения или переходов бозонов внутри орбитальных уровней могут быть обнаружены через гравитационные волны; LIGO-Virgo могут ограничить силу этого взаимодействия в своих наблюдениях, которые будут уточнены космическими детекторами, такими как LISA.
Спектр гравитационных волн
Источников гравитационных волн, о которых шла речь выше, излучают на разных частотах. Таким образом, подобно электромагнитному спектру, который простирается от радиоволн с длинными волнами до гамма-лучей с самыми короткими длинами волн и радуги видимого света посередине, мы можем нанести все, что ударяет по барабанам пространства-времени, в спектр гравитационных волн. Он варьируется от волн, охватывающих несколько световых лет из-за движений сверхмассивных чёрных дыр, до "коротких" всплесков с длинами волн порядка километров, излучаемых сталкивающимися чёрными дырами и нейтронными звёздами звёздной массы. Соответственно, возмущения пространства-времени из-за этих волн могут происходить на временных шкалах от нескольких лет до нескольких секунд. Задача, следовательно, состоит в том, чтобы придумать способы обнаружения этого широкого разнообразия гравитационных волн, не забывая о том, что их физический размер, когда они достигают Земли, всё ещё невероятно мал.
Обнаружение гравитационных волн
Лазерные интерферометры
Как можно обнаружить крошечные искажения в пространстве-времени, вызванные гравитационными волнами? Одно из решений, которое до сих пор оказалось очень успешным, использует интерферометрию – наблюдения изменений в интерференционных картинках от проходящих через детектор гравитационных волн. Итак, как работает интерферометр и как он использовался в контексте гравитационных волн?
Интерферометры работают, сводя на делителе луча два или более источников света для создания интерференционной картины, которая может быть использована для проведения невероятно малых измерений. Примерную схему интерферометра LIGO можно увидеть на рисунке 3.
В детекторе гравитационных волн интерферометр настроен таким образом, чтобы два луча полностью компенсировали друг друга (деструктивная интерференция), так что сигнал появляется только тогда, когда гравитационная волна изменяет длину каждого плеча интерферометра. Это позволяет нам «видеть» гравитационную волну наиболее ясно. Это называется прямым обнаружением гравитационных волн, поскольку мы видим сами волны в изменениях интенсивности света. (прим. пер. Более подробно про работу интерферометра я писал в статье на хабре)
Интерферометры могут быть наземными или космическими, поэтому мы обсудим оба типа в следующих разделах.
Наземные – LIGO, Virgo и KAGRA (LVK)
До сих пор наземные интерферометры были нашим главным инструментом наблюдения гравитационных волн. У каждого из детекторов есть свой лазерный интерферометр, который имеет две плечи длиной 4 км, образующие L-образную форму. Однако 4 км недостаточно для измерения мельчайших изменений из пространства-времени, вызванных гравитационной волной. Чтобы решить эту проблему, свет отражается в каждом плече в резонаторе Фабри-Перо до 300 раз, увеличивая эффективное расстояние, которое свет проходит перед интерференцией, до 1200 км.
Три названия (LIGO, Virgo и KAGRA) относятся к 3 коллаборациям детекторов гравитационных волн. LIGO состоит из двух детекторов в США: один в Ливингстоне, Луизиана, и другой в Хэнфорде, Вашингтон. Virgo располагается недалеко от Пизы, Италия, а KAGRA — шахте Камиока в Японии (прим. пер. кстати, я недавно туда съездил и скоро допишу статью про этот уникальный детектор!).
Одной из проблем наблюдения за гравитационными волнами является локализация источника гравитационных волн. Это делается путем сравнения информации о времени прибытия гравитационной волны на разные детекторы. Из-за конечной скорости гравитационных волн (она равна скорости света), сигнал приходит на детекторы с задержкой, что позволяет триангулировать положение источника на небе.
С двумя детекторами ГВ может быть локализована на большой бананообразной области неба, но с добавлением третьего (или более) детектора(ов) точно значительно вырастает, как видно по размерам регионов, показанных на рисунке 4. Выделенные регионы показывают области, где могло произойти слияние: для двух детекторов это большие участки неба, но они значительно уменьшены с добавлением детектора Virgo для 2 последних ГВ на изображении, GW170817 и GW170814.
(Прим. пер. В будущем планируется строительство новых детекторов, таких как Cosmic Explorer и Einstein Telescope, о которых я писал ранее на хабре.)
Космические
Но почему ограничиваться только наземными детекторами? Что, если мы построим детектор в космосе?
Именно это и сделает планируемый первый космический детектор гравитационных волн, Космическая лазерная интерферометрическая антенна, LISA. LISA — это миссия, возглавляемая Европейским космическим агентством (ESA), при поддержке стран-членов ESA и NASA. Она будет состоять из трех спутников, с тем же типом интерферометра, как и детекторы LVK.
Естественно, строительство в космосе очень сложно, но и дает существенные преимущества. Длина плеча LISA составит 2,5 миллиона километров – почти в полмиллиона раз больше, чем у наземных детекторов. Это сделает LISA чувствительным к гравитационным волнам на гораздо меньших частотах, чем детекторы LVK, открывая окно для новых типов источников гравитационных волн, таких как двойные системы сверхмассивных черных дыр и двойные системы с экстремальным соотношением масс (EMRI), а также различные другие астрофизические источники. В LISA будет наблюдаться так много сигналов одновременно, что одной из ключевых проблем, над которой в настоящее время работают, является то, как разобраться со всеми этими сигналами и получить хоть какую-то полезную информацию.
Прим. пер. Помимо LISA, есть еще несколько подобных проектов: DECIGO, TianQin
Тайминг пульсаров
Пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звезды, испускающие пучки радиоволн — являются одними из самых точных хронометров во Вселенной. Их невероятно предсказуемое и точное излучение сигналов, подобно маяку, делает пульсары ценным инструментом в изучении изменения структуры пространства-времени. Отслеживание периода вращения и сокращение орбиты вышеупомянутого двойного пульсара Халса-Тейлора привело к первым доказательствам существования гравитационных волн. Теперь астрономы отслеживают группу пульсаров, распределенных по всей галактике, чтобы увидеть, влияют ли проходящие гравитационные волны на их период вращения. Известные как Массивы для тайминга пульсаров (PTAs), эти наблюдения проводятся сотрудничеством астрономов с использованием ряда радиотелескопов по всему миру. Среди них выделяются NanoGrav, Международный массив тайминга пульсаров (IPTA), Индийский массив тайминга пульсаров (InPTA), и Европейский массив тайминга пульсаров (EPTA).
Вместо обнаружения отдельных событий гравитационных волн, таких как слияния компактных объектов, наблюдаемых наземными интерферометрами, PTAs могут выявить стохастический фон гравитационных волн всех этих событий, звучащих в унисон. Для этого NANOGrav более десятилетия отслеживал более 50 миллисекундных пульсаров (MSPs), раскиданных по Млечному Пути, используя телескоп Грин-Бэнк и обсерваторию Аресибо. Поскольку гравитационная волна изменяет наблюдаемиый период таких пульсаров, PTAs можно рассматривать как детекторы размером с галактику. Чтобы узнать больше о теории за PTAs и стохастическом фоне, ознакомьтесь с этим astrobite о важной статье в этой области.
Обнаружение фона гравитационных волн с помощью тайминга пульсаров требует многолетних наблюдений. NANOGrav сообщила о первых намеках на сигнал в анализе своего 12,5-летнего набора данных в 2021 году. Потребовалось еще два года, чтобы этот космический гул был подтвержден (с участием других коллабораций PTA) как было объявлено в июне 2023 года.
Пока еще сигнал не дотягивает до стандартного в науке уровня 5σ, поэтому мы говорим про источники сигнала с некоторой осторожностью. Наиболее вероятной причиной этого ГВ фона является коллективный гул множества сталкивающихся сверхмассивных черных дыр при столкновении галактик. Это наблюдение, если подтвердится, будет играть важное значение в теоретическом понимании космических процессов. Дело в том, что мы пока не понимаем, как именно происходит столкновение черных дыр в центре галактик. Когда галактики сталкиваются, звезды вышибаются из гравитационных полей черных дыр, притягивая их ближе друг к другу. Но это происходит только до тех пор, пока черные дыры не окажутся на расстоянии около одного парсека друг от друга, что немного больше расстояния между Солнцем и нашей ближайшей звездой. После этого не остается звезд, которые могут унести энергию, и нужен какой-то другой механизм, чтобы притянуть черные дыры ближе, на расстояние, где гравитационное излучение возьмет верх и завершит процесс столкновения. В противном случае они бы с радостью вращались вокруг друг друга вечно. Это известно как "проблема последнего парсека"; наблюдение за слияниями SMBH означает, что некий механизм играет промежуточную роль и оставляет больше вопросов для будущих наблюдений!
Другие методы
Первый когда-либо созданный детектор гравитационных волн мог поместиться на большом обеденном столе. Это был резонатор Вебера — буквально большой и тяжелый цилиндрический кусок из металла , обычно из алюминия. Резонатор назван в честь его изобретателя, физика из Университета Мэриленда Джозефа Вебера. У этих болванок была точно настроенная резонансная частота около 1 килогерца. Резонаторы Вебера измеряли изменения в резонансной частое под действием гравитационных волн с использованием пьезоэлектрических датчиков. На практике огромное количество окружающих вибраций и теплового шума означали, что даже более современные тяжелые и охлажденные до низких температур детекторы в виде болванок так и не достигли чувствительности, необходимой для обнаружения гравитационных волн.
Есть другой уникальный способ попытаться обнаружить гравитационные волны как 'побочный продукт' - можно отправлять и получать радиоимпульсы от межпланетных космических аппаратов таких как Cassini (Сатурн) и Juno (Юпитер), и проверять, есть ли какие-либо отклонения от ожидаемого местоположения космического аппарата. Эти по сути действуют как интерферометр с одним плечом, что делает это точным способом измерения ГВ с помощью космических зондов во время их десятилетнего путешествия по Солнечной системе.
Другой косвенный способ обнаружения гравитационных волн - это мониторинг точной астрометрии или позиций звезд в небесных каталогах, таких как Gaia. Учитывая точность этих каталогов, любые коррелированные возмущения в положении звезд на небе из-за гравитационных волн могут быть потенциально обнаружимы.
Взгляд в будущее
Как мы видим из этого Путеводителя, область гравитационно-волновой астрономии сделала огромный шаг за последние 50 лет и уже была удостоена двух Нобелевских премий (косвенное обнаружение в 1993 году и прямое обнаружение в 2017 году).
С недавним объявлением об обнаружении фона гравитационных волн мы находимся на заре захватывающей эры изучения гравитационных волн низких частот! На более высоком конце спектра детекторы LIGO-Virgo-KAGRA в настоящее время работают в рамках их совместного четвертого наблюдательного цикла O4, который начался в мае 2023 года, с улучшенной чувствительностью и множеством усовершенствований инструментов. Добавление LISA обеспечит новое окно для наблюдения новых источников гравитационных волн, отличных от тех, которые можно увидеть с помощью LVK, а дополнительные детекторы, нацеленные на другие источники гравитационных волн, могут многое рассказать нам о нашей Вселенной.
От космологии до гравитационного линзирования, от проверки Общей теории относительности до понимания свойств и происхождения каждого из источников, гравитационно-волновая астрономия открывает множество новых научных вопросов для исследования и понимания устройства нашей Вселенной как в первые моменты ее существования, так и в событиях, происходящих в настоящее время.
От переводчика:
Другие мои статьи про космос на хабре:
Einstein Telescope: детектор гравитационных волн нового поколения
Как LIGO может увидеть гравитационные волны, если в ОТО свет растягивается вместе с пространством?
Впервые зарегистрированы гравитационные волны от слияния нейтронных звезд — и свет от них
В канале "Гомеостатическая Вселенная" я травлю байки про свою научную жизнь, делюсь особо интересными новостями и кидаюсь противоречивыми мнениями про науку, подключайтесь!
Комментарии (51)
elprog74
09.11.2023 14:08+2Спасибо, интересная статья.
Мне только одно не понятно - когда гравитационная волна доходит до детектора-интерферомера она влияет только на световой луч, а на геометрию интерферометра не влияет? Или влияние на геометрию как то учитывается? Не попадалось ничего на жив тему..
Shkaff Автор
09.11.2023 14:08+4Есть две точки зрения (абсолютно равнозначные для относительно коротких плечей интеферометра): в одной ГВ растягивает свет, но не влияет на геометрию интерферометра. В другой — ГВ смещает зеркала (действует как приливная сила), но не влияет на свет.
Для длинных интерферометров это сложная комбинация эффектов гравитационного красного смещения и разницы в ходе часов под действием ГВ.
Kodim
09.11.2023 14:08+2А как это возможно, что грав волна (растягивание пространства) может влиять на свет, но не влиять на геометрию или наоборот? И свет и интерферометр в пространстве, соответственно, искривление пространства влияет на них одинаково. Если, условно говоря, интерферометр космического масштаба поместить возле звезды, производящей грав.линзирование, и интерферометр искривится аналогично световому лучу.
Shkaff Автор
09.11.2023 14:08+6Я написал целый пост на хабре про это:)
Но простой ответ такой: в системе координат, где вы "сидите" на центральном делителе луча, для вас система выглядит так, как будто плечи растягиваются (но частота света не меняется). Если выбрать другую систему координат, где зеркала покоятся, ГВ будет только изменять частоту света и не двигать зеркала. Но для этой системы координат нет хорошего наглядного представления.Смысла в вопросе "что происходит на самом деле" нет: с разных точек зрения происходит разное, это теория относительности.
irnaz
09.11.2023 14:08если последовательно двигаться от одной точки к другой с записью происходящего ? по идее если сопоставить все относительности получится единная картина происходящего.
Shkaff Автор
09.11.2023 14:08+4Дело в том, что это не "другая точка" в пространстве, а принципиально другая система координат. Дело в том, что мы не наблюдаем движение зеркал напрямую, а лишь некоторый результат: интерференцию на делителе луча. Вот эта интерференция не зависит от выбора координат, а остальные эффекты — это наша попытка представить, как оно происходит, и вот оно зависит от выбора координат.
Но это обычное дело в ОТО: разные наблюдатели видят совершенно разную картину происходящего. Физика дела от этого не меняется.
kauri_39
09.11.2023 14:08У меня вопрос не про гравволны, а про возможное рождение из вакуума частиц материи в гравполе чёрных дыр, частным случаем которого является излучение Хокинга. Если рождение частиц происходит не только на горизонте событий ЧД, но и в большей мере - лод их горизонтом, то тогда ЧД должны не испаряться, а постоянно наращивать свою массу. Тем более, что их гравполе может служить лишь катализатором превращения квантов вакуума в кванты материи, а кванты вакуума с избытком поступают во Вселенную и вызывают её расширение. Могут ли подтверждать эту гипотезу результаты двух исследований - о возможном постоянном росте масс парных ЧД (исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters в 2021 г.) и о постоянном росте масс ЧД по мере расширения Вселенной (публикация 2023 г. в The Astrophysical Journal Letters.)?
Shkaff Автор
09.11.2023 14:08+1Если рождение частиц происходит не только на горизонте событий ЧД, но и в большей мере - лод их горизонтом,
Это не так, я не знаю, почему вы так решили. Вот тут я переводил другую статью как раз про это (и мы там с вами даже общались).
Если позволите, я не буду комментировать ваши фантазии насчет поступления квантов во Вселенную (мы многажды на этот счет общались уже).
Могут ли подтверждать эту гипотезу результаты двух исследований - о возможном постоянном росте масс парных ЧД (исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters в 2021 г.) и о постоянном росте масс ЧД по мере расширения Вселенной (публикация 2023 г. в The Astrophysical Journal Letters.)?
Во-первых, не думаю, что это связано, а во-вторых, эти работы — это только модели и гипотезы, я не думаю, что их стоит рассматривать как подтверждение чего-либо.
kauri_39
09.11.2023 14:08Спасибо. Может, для проверки гипотез из публикаций по ссылкам организуют специальные исследования. Астрономы умеют измерять массы ЧД, как сказал астроном Алексей Моисеев. Была бы воля руководства и финансирование.
.gif){kind=link}
.png){kind=link}
lazy_val
09.11.2023 14:08+2Случилась в начале 80-х забавная история, один из аспирантов В.Б.Брагинского уронил монокристалл сапфира, предназначенный для гравитационно-волнового детектора. После чего монокристалл перестал быть монокристаллом. Понятно, что в результате диссертация по графитационным волнам не состоялась, зато появилась диссертация на тему "как покоцанный кристалл сапфира превратить обратно в монокристалл" ))
Sorgarus
09.11.2023 14:08-1Все это бред про черные дыры, выдумки фантастов. На самом деле это просто очень плотные мертвые звезды и свет не проходит потому что они состоят из твердого вещества и никакого горизонта событий нету.
Shkaff Автор
09.11.2023 14:08+2Одобрил коммент, чисто чтоб другие тоже могли посмеяться.
Sorgarus
09.11.2023 14:08-2Вы видели черную дыру вблизи?
Shkaff Автор
09.11.2023 14:08+3А вы видели мертвые звезды из твердого вещества вблизи?
smrl
09.11.2023 14:08+5Но ведь, на самом деле, если смягчить
мракобесностьформу замечания, это же стандартный вопрос из зала на лекциях про черные дыры:
Если допустить, что ОТО работает, но при этом существует некий (неоткрытый пока) закон, из-за которого вещество невозможно сжать сильно глубже горизонта событий. Будет ли такой объект отличаться от черной дыры для удаленного наблюдателя?
Можно ли установить это различие имеющимися наблюдениями?
Является ли описание того, что происходит под горизонтом событий, фальсифицируемым - или же нефальсифицируемым принципиально, согласно выводам той же ОТО? (То есть, по сути, предметом веры и "выдумками", как выразился человек.)Shkaff Автор
09.11.2023 14:08+3Строго говоря, ОТО не говорит ничего про то, что происходит под горизонтом (с точки зрения внешнего наблюдателя). Для наблюдателя же, падающего в ЧД, ничего особенного не должно происходить.
Когда мы говорим про ЧД, мы говорим не о сингулярности в центре (их не существует скорее всего — чисто из-за квантовой гравитации), а о существовании горизонта событий. Когда мы говорим о слиянии ЧД, это тоже слияние их горизонтов событий. И вообще, есть такой подход к описанию ЧД — мембранная парадигма — в котором внутри ЧД нет вообще ничего, а вся масса "размазана" по горизонту событий. С точки зрения внешнего наблюдателя никаких отличий не будет.
Еще другой момент: даже само понятие "внутри" ЧД не очень четко определено, ведь сингулярность располагается не в точке пространства, а во времени — в далеком будущем. Так что я не думаю, что мы можем сказать, что "внутри" ЧД — просто очень плотная звезда.
Является ли то, что происходит под горизонтом проверяемым? Думаю, да: парадокс о падении информации и испарении ЧД должен как-то решаться. Но как именно, я понятия не имею:)
smrl
09.11.2023 14:08-1Вот видите. У вас наблюдатель бесконечно падает в объект, который испаряется за конечное время. Просто падает под горизонт в глубину, не замечает ничего особенного, говорите вы - и тут же добавляете, что при этом он испаряется, причем не оттуда, где летит, а где-то из района горизонта событий, который остался у него далеко позади в прошлом.
И вы хотите, чтобы простые люди от сохи и питона в это верили? Сам-то дедушка Эйнштейн сомневался даже во всего лишь пугающем дальнодействии - а тут такое!Shkaff Автор
09.11.2023 14:08Наблюдатель не падает бесконечно, я вроде такого не писал. ЧД испаряется за конечное время, так что и наблюдатель падает конечное время. Более того, с его точки зрения он долетит до центра довольно быстро. Дальше в какой-то момент его разорвет на элементарные частицы, конечно) Но это процесс займет гораздо-гораздо меньше времени, чем испарение ЧД.
Наблюдатель сам не испаряется, и тем более испарение происходит не из-за горизонта событий, я тоже про это не писал ничего)
И вы хотите, чтобы простые люди от сохи и питона в это верили?
Простые люди могут не верить, но выставлять свое невежество напоказ тоже не стоит:) Если у простых людей есть конкретные аргументы, они могут написать тут или еще лучше — опубликоваться в научном журнале. Или, если не понимают, попросить объяснить у тех, кто понимает.
А сказать "вы все вретиии" — ну такое, смех.
smrl
09.11.2023 14:08Наблюдатель сам не испаряется
Серьезно?
У вас, с одного конца: должна откуда-то браться энергия, которая будет уходить в излучение Хокинга.
С другого конца: когда черная дыра испарилась, от наблюдателя ничего не должно остаться - ну, если не считать того самого излучения Хокинга.
Но при всем при этом наблюдатель, вы говорите, не испаряется? Тогда, может, прямо укажете, где он?и тем более испарение происходит не из-за горизонта событий, я тоже про это не писал ничего
Как это, не из-за горизонта? Вот же ваши слова, только что:
с его точки зрения он долетит до центра довольно быстро... Но это процесс займет гораздо-гораздо меньше времени, чем испарение ЧД.
Выходит, всё у вас в центр свалилось, а потом прямо оттуда испаряется.
Ах да, забыл! У вас же не наблюдатели испаряются, а что-то еще?(Заметьте! Вы сами подмешали испарение черных дыр к классической ОТО, зачем-то решив отстаивать фальсифицируемость ОТО для удаленного наблюдателя. Будто не знаете, что такое вульгарное спаривание квантовой и относительности получается только в стиле "тут считаем, а тут рыбу заворачивали".)
А сказать "вы все вретиии" — ну такое, смех.
Да при чем тут "все" и "врети"?
Вы же сами зачем-то вперемешку, без разграничения, даете все подряд: и то, что можно считать фактами, - и то, что требует постоянных оговорок в духе "есть основания предположить, что". Прямо болезнь какая-то у молодого поколения популяризаторов. (Именно молодого. Более старые - как-то аккуратнее в таких акцентах.)Shkaff Автор
09.11.2023 14:08Серьезно?
У вас, с одного конца: должна откуда-то браться энергия, которая будет уходить в излучение Хокинга.
С
другого конца: когда черная дыра испарилась, от наблюдателя ничего не
должно остаться - ну, если не считать того самого излучения Хокинга.
Но при всем при этом наблюдатель, вы говорите, не испаряется? Тогда, может, прямо укажете, где он?Конечно: его разорвало на элементарные частицы.
Как это, не из-за горизонта? Вот же ваши слова, только что:
с его точки зрения он долетит до центра довольно быстро... Но это процесс займет гораздо-гораздо меньше времени, чем испарение ЧД.
Выходит, всё у вас в центр свалилось, а потом прямо оттуда испаряется.
Не знаю, как у вас так выходит. Я ничего такого не говорил. Вы просто видимо не понимаете разницы в точках зрения двух наблюдателей.
(Заметьте! Вы сами подмешали испарение черных дыр к классической ОТО,
зачем-то решив отстаивать фальсифицируемость ОТО для удаленного
наблюдателя. Будто не знаете, что такое вульгарное спаривание квантовой и
относительности получается только в стиле "тут считаем, а тут рыбу
заворачивали".)Вы забываете свои же слова, ну бывает, чо. Я фальсифицировал не ОТО, а то, что происходит за горизонтом. Для этого необходимо идти за пределы ОТО, конечно.
Да при чем тут "все" и "врети"?
Вы же сами зачем-то вперемешку, без
разграничения, даете все подряд: и то, что можно считать фактами, - и
то, что требует постоянных оговорок в духе "есть основания предположить,
что".Я тут даю свою точку зрения, а не пишу научпоп. И я пишу всегда "я считаю". Когда я пишу статьи, я всегда делаю нужные оговорки.
Прямо болезнь какая-то у молодого поколения популяризаторов.
(Именно молодого. Более старые - как-то аккуратнее в таких акцентах.)Классно, ничего по сути не можете сказать, давайте на личности переходить. Болезнь прям какая-то у старичков, видимо.
smrl
09.11.2023 14:08-1Конечно: его разорвало на элементарные частицы.
Ну что за детский сад с анекдотом про жену, которая берет деньги из тумбочки.
А эти частицы-то потом куда делись, когда черная дыра испарилась?
(Как вы вообще понимаете "потерю информации", интересно? Просто красивый термин без наполнения в конкретных случаях?)чо
Ну вот. А я тут про какую-то интеллектуальную неопрятность распинался...
MishaRash
09.11.2023 14:08+1Опять-таки, стоит смягчить форму замечания.
Я вижу смежное противоречие в следующем: пусть хокинговское испарение незначительно, есть только аккреция. С одной стороны, прирост массы чёрной дыры на космологических масштабах времени бывает значительным, с другой — вещество до горизонта вроде как падает совсем бесконечно долго (всё с точки зрения удалённого наблюдателя).
Правда, стоит понимать, что когда падающее тело подойдёт очень близко к горизонту, условие ЧД
начнёт выполняться для большего радиуса. Возможно, в результате время падения под сдвинувшийся горизонт для внешнего наблюдателя окажется конечным, хоть и большим. Но я слабо представляю, как именно это посчитать.UPD: Хотя сигнал из-под горизонта всё равно никогда не выйдет по определению, так что его пересечение входящим телом не должно происходить с точки зрения внешнего наблюдателя.
Shkaff Автор
09.11.2023 14:08+1Возможно, в результате время падения под сдвинувшийся горизонт для
внешнего наблюдателя окажется конечным, хоть и большим. Но я слабо
представляю, как именно это посчитать.Ну мы ж, собственно, именно это и наблюдаем во время слияния двух ЧД.
так что его пересечение входящим телом не должно происходить с точки зрения внешнего наблюдателя.
Да, по идее падающее тело замедляется почти до полной остановки до момента окончания испарение, когда происходит взрывное высвобождение энергии.
MishaRash
09.11.2023 14:08+1Я подумал дальше в ключе "что именно возможно физически измерить или пронаблюдать" и вроде получил решение своего противоречия.
Горизонт же не наблюдается. Даже "Телескоп Горизонта Событий" на самом деле видит только фотонные кольца, которые формируются на радиусе около трёх Шварцшильдовских (и дальше).
А метрика Шварцшильда действует снаружи сферического распределения масс (даже если до чёрной дыры дело не доходит) — это лишь решение уравнение Эйнштейна в вакууме (при нулевом тензоре энергии-импульса) с данной симметрией.
Тогда вроде бы ничего страшного, что аккрецированный материал с точки зрения удалённого наблюдателя никогда не упадёт под горизонт, а будет практически висеть чуть-чуть над ним. Важно, что он провалился глубже практически всех остальных объектов, и они будут "чувствовать" увеличенную массу.
P.S. Некоторые сомнения у меня только относительно гравитационных волн при слиянии, хотя они тоже могут формироваться возмущениями пространства немного над горизонтами.
Shkaff Автор
09.11.2023 14:08Да, все так.
P.S. Некоторые сомнения у меня только относительно гравитационных волн при слиянии, хотя они тоже могут формироваться возмущениями пространства немного над горизонтами.
Слияние ЧД — это слияние горизонтов, а не сингулярностей. Когда одна ЧД приближается достаточно близко к другой, радиусы их горизонтов событий расширяются (соответственно суммарной массе в области пространства) и "проглатывают" друг друга.
Гравитационные волны возникают над горизонтами, конечно: точнее, вблизи ЧД там вообще черти что происходит, а именно волны возникают уже на достаточно большом удалении.
smrl
09.11.2023 14:08Да странно тут смягчать. Смотрите: Хокинг стартует в парадигме квантовой теории поля, положив ее на искривленный фон. Получает результат, который выглядит особенно убедительным, потому что прекрасно ложится в парадигму термодинамики. Однако если применять этот результат последовательно (до конца черной дыры), то получается прямое противоречие с квантовой парадигмой, откуда он стартовал.
В математике это - доказательство от противного, вообще-то.
Однако вышло так, что если смотреть только на промежуточную часть результата - само излучение - то это первый квантовый расчет на искривленном фоне, который хоть как-то удалось довести до вменяемого результата (да и красивого, чего уж там). К тому же, аналогичный (по эйнштейновской эквивалентности) результат можно получить и без черной дыры (эффект Унру). Поэтому отношение как к писаной торбе понятно. Но простительно ли?MishaRash
09.11.2023 14:08У Хокинга вроде бы пустое пространство вокруг чёрной дыры предполагается. Если там будет ещё какое-то вещество (реальные, а не виртуальные частицы), оно в принципе может многое поменять. Так что я не берусь рассуждать о поглощении ЧД вещества вместе с испарением.
Однако если применять этот результат последовательно (до конца черной дыры), то получается прямое противоречие с квантовой парадигмой, откуда он стартовал.
Вы имеете в виду потерю квантовой информации?
Вроде бы ясно, что до самого конца чёрной дыры применять текущий анализ излучения Хокинга нельзя, потому что рано или поздно потребуется высокоэнергетическая квантовая гравитация, о которой мы слишком мало знаем.
Ну и, строго говоря, именно излучение Хокинга чёрных дыр никогда не наблюдалось (что не расходится с теорией — оно получается слишком уж слабым), и даже с эффектом Унру, похоже, всё очень спорно. Получилось только построить экспериментальную аналогию со звуковыми волнами в веществе.
smrl
09.11.2023 14:08и даже с эффектом Унру, похоже, всё очень спорно
Так я как раз за то, чтобы осторожно относиться к таким результатам, не считая их автоматически за данность в реальном мире.
Но для тех, кто привык к современным расчетным техникам теории поля (настолько, что перестал делать оговорки про все то, что в этих техниках заметается под ковер), трение о вакуум на низкочастотном ускорении выглядит прямо-таки неизбежным - там прямо автоматом все получается, собирается как фигурка из стандартных деталек лего.
MishaRash
09.11.2023 14:08Согласно ОТО, после того, как вещество оказалось под горизонтом, уже не важно, что дальше происходит. Важно только, какие у него были энергия, импульс, момент импульса и электрический заряд.
Кроме того, для множества наружных эффектов в принципе вроде и не нужно, чтобы вещество падало под горизонт, достаточно, чтобы оно провалилось дальше других объектов, на которые оно будет влиять.
Возможно, излучение Хокинга — единственное проявление, для которого важно именно существование горизонта. Но его наблюдение практически безнадёжно в обозримом будущем, и ещё тут не очень очевидно, как наличие дополнительного вещества возле, но вне чёрной дыры на него влияет.
На пресс-конференции Телескопа горизонта событий после публикации снимка чёрной дыры в нашей галактике (Стрелец A*) был специальный доклад Рамеша Нараяна про то, насколько мы уверены, что это именно ЧД. Если вкратце, то полной гарантии нет, т.к. на самом деле наблюдаются фотонные кольца, формирующиеся как минимум в несколько раз дальше горизонта от центра. Но эти наблюдения дают очень строгое ограничение, в каком объёме должна быть заключена (практически) вся колоссальная масса. И с учётом этого все существующие альтернативные идеи вызывают явное противоречие. Например, твёрдая поверхность над горизонтом при любом коэффициенте отражения должна светиться (или отсвечивать) слишком ярко относительно наблюдаемого.
smrl
09.11.2023 14:08Ну про твердое вещество это топикстартер размахнулся, конечно.
Я-то к другому подводил. Если уж мы предполагаем, что излучение Хокинга есть - а формируется оно на обширной области больше всей черной дыры - то не странно ли при этом считать, что эффекты объединенной квантово-гравитационной теории будут существенны только вблизи сингулярности, игнорируя возможность их существенного влияния во всем объеме черной дыры, начиная с граничной области.
Leo_m61
09.11.2023 14:08А. Энштейн говорил, что пространство и время не являются отдельными сущностями, а переплетены в единый континуум, так называемую ткань пространства-времени. Возможно это так, но так же может быть и по другому... :) А если предположить, что то - что мы называем "временем" есть просто некая функция взаимодействия собственно пространства (как физической сущности), и собственно материи (тоже физической сущности) в различных ее формах? Что тогда?
Shkaff Автор
09.11.2023 14:08+3Может быть как угодно, но только ОТО дает правильные предсказания (гравитационные волны были предсказаны за сто лет до открытия, ОТО используется в навигации повсеместно), так что любая другая теория должна как минимум давать все те же предсказания и иметь точный математический аппарат. Без этого "а что если" не имеют смысла и просто не нужны: даже чисто с точки зрения бритвы Оккама.
kauri_39
09.11.2023 14:08Совершенно верно: сменить одну рабочую теорию может только другая, более общая рабочая теория - с не менее точным математическим аппаратом. Но есть проблема: она не всегда рождается сразу. Как правило, рождению новой теории предшествует её пребывание в зачаточной стадии - на уровне новых философских идей, их первичного выражения в математическом виде. Причём точность расчётов по "зачаточной теории" может уступать точности, достигаемой с помощью старой теории. Это нормально, вспомним теорию Коперника и теорию Птолемея. Законы Кеплера появились позже.
Вы и сами сторонник развития МОНД, а не придумывания разных сортов тёмной материи. Возможно, новая рабочая теория должна учитывать природу гравитации? Её несложно открыть, если видеть причину эквивалентности инертной массы и гравитационной массы, проявляемых в физическом вакууме. Да, это философия, но если её отсекать бритвой Оккама (мечом Прокруста?), то откуда появится новый Кеплер, новый Эйнштейн?
MishaRash
09.11.2023 14:08Новой идее придётся побыть непопулярной и не претендовать на звание единственно правильного решения всех проблем, пока проверка точных последствий не будет проработана. Мы не можем заранее надёжно предсказать, какая теория из всех позиционирующих себя как прорывные окажется более рабочей во всех практических деталях. Многие уже критиковали, например, теорию струн за чисто социологическую, не оправданную научными критериями популярность.
Авторам нередко "очевидно", что именно их идея наиболее правильная. Их можно понять, но это не продуктивный подход. Именно автору на первых порах стоит быть наиболее активным объективным критиком своей теории, потому что остальных ещё надо как-то убедить проявить интерес.
Пара исторических примеров:
У Кеплера до открытия тех самых законов была очень дорогая ему идея о последовательности вписанных/описанных многогранников в планетные сферы, дающие почти правильные отношения радиусов орбит. Однако он смог признать, что на тогдашней точности наблюдения опровергали эту красивую структуру, и стал искать лучшее описание.
Эддингтон наоборот, стал очень уж рьяным последователем теории Эйнштейна, и анализ наблюдений солнечного затмения 1919 вызвал (и до сих пор вызывает) большие подозрения в предвзятости подтверждения и недостаточности объективной точности, и не был особо успешным в переубеждении скептиков. (Позже были проведены аналогичные измерения, уже не вызывающие таких сомнений.)
dfgwer
09.11.2023 14:08У мена вопрос по поводу гравиметрии (не волновое).
Я слышал(возможно неверно), что современные гравиметрические спутники могут засечь небольшой холмик или двигающееся крупное судно. Насколько гравиметрия может быть чувствительной?
Допустим у нас есть сценарий с Экспанции, когда астероид направили на Землю или другой объект. Насколько такое реально засечь через гравиметрию? Допустим сеть из сотни гравиметрических спутников, сферой вокруг Земли на дистанции в несколько миллионов км.
Shkaff Автор
09.11.2023 14:08Ну по идее, нет каких-то принципиальных ограничений: спутники работают, сравнивая фоновое поле с возмущения (относительно друг друга). Если спутников очень много, чувствительность будет большой тоже. Но сотни спутников на сферу с радиусом в миллион км не хватит точно: они будут так далеко друг от друга, что по сути чувствовать только некоторый средний фон, а не возмущения. Более того, на таких расстояниях эффекты ОТО будут играть очень большую роль, и просто поддержание спутников в стационарном состоянии относительно друг друга будет очень сложным.
DenisTheMenace
09.11.2023 14:08А почему все везде пишут "триангулировать" про определение положения? Ведь трианглуяция – это разбиение на треугольники. А вот трилатерация – это и есть вычисление положения. Это, блин, как Витя Франкенштейн и его Монстр :) Всегда говорят "Франкенштейн", хотя имеют в виде его создание.
Shkaff Автор
09.11.2023 14:08+2Потому что термин пришел из радиолокации, где он значит именно это: вычисление положения по измерениям с разнесенных в пространстве приборов.
Kodim
Все же черные дыры не являются точками, как сказано в статье. Что там, внутри грав радиуса, сложно предположить, например, есть мнение, что для гигантских (миллиарды+ солнц) по массе черных дыр могут быть звезды, планеты и т.д., так как грав.радиус их составляет световые годы. Вообще, существование сингулярности внутри черных дыр - еще одно облачко на безоблачном небе современной физики
Shkaff Автор
Все верно, да! Там речь идет о сингулярности, но вы правы, что внутри горизонта может быть что угодно, и что вообще синуглярность — непонятно что. Но т.к. это перевод, я не стал сильно уж менять текст.
Kodim
Вот еще интересный момент - как при детектировании гравволн учитывается или проявляется допплеровский эффект? Ведь источники гравволн, сливающиеся черные дыры, нейтронные звезды и т.д., вместе с галактиками, где они находятся, разлетаются от нас. Значит, не будет такой уж симметричной картины гравволн, как на картинке, она будет меняться под влиянием допплеровского эффекта, тем более, частота гравволн невелика и относительно небольшие скорости убегания галактик должны, предположительнро, сильно менять картину принимаемых гравволн. Что по этому поводу Лиго писали? Какие-то поправки рассчитывали/вводили?
Melirius
Вводили. К счастью, это просто линейное растяжение сигнала по времени.
Shkaff Автор
Конечно, это важная часть оценки сигналов, тем более что источники часто очень далеко (десятки и сотни мегапарсек), и их скорость убегания велика (и красное смещение потому тоже). Мы оцениваем расстояние до источника с учетом этого эффекта всегда.
NeoCode
А внутри горизонта событий можно двигаться в произвольном направлении (в том числе и от центра черной дыры, в стороны и т.д.), или только строго к центру? Что говорит об этом математика?
Shkaff Автор
Можно двигаться куда угодно, но от центра — сложнее. По идее, внутри горизонта пространство-время не должно отличаться от обычного (по крайней мере, если вы пересечете горизонт достаточно большой ЧД, вы вполне можете этого вообще не заметить).
me21
Видел утверждение, что двигаться можно только к центру, думал, что оно общепринято. Иногда это подают как "время и пространство меняются местами", приводят аналогию, что как мы можем двигаться только в будущее, так и внутри ЧД только к центру. Встречал даже предположение, что мы уже внутри ЧД, а в будущем всех ждёт сингулярность.
Shkaff Автор
А, в этом смысле. Да, действительно, "центр" ЧД — это не точка в пространстве, а момент во времени. В этом смысле все пути внутри ЧД приведут к сингулярности в будущем. Но в локальном смысле вы можете перемещаться в любом направлении пространства: если вы летите на корабле и перескаете горизонт, вы никогда не вылетите обратно и в конце концов достигнете сингулярности, но ваш путь может быть любым.
MishaRash
Это всё немного зависит от выбора координат.
Не специалист, наверное, знаком в первую очередь с координатами Шварцшильда, в которых сингулярность — это точка вроде как в пространстве с нулевой радиальной координатой,
. С другой стороны, внутри горизонта вдруг оказывается, что перемещение только по радиусу 
теперь времениподобно, а только по времени 
— пространственноподобно. А ещё в координатах Шварцшильда фиктивная (координатная, не физичная) сингулярность на горизонте, так что ещё нетривиально показать, что именно к центру теперь "будущее", а не наоборот.
Есть и другие координаты, например, Крускала-Секереша, которые дают плавный переход через горизонт и имеют определённую времениподобную координату, по которой уже центр чёрной дыры (предполагаемый точечной массой) оказывается поверхностью в будущем. (А ещё там есть такая же точечная белая дыра в прошлом и параллельная вселенная с другой стороны чёрной и белых дыр, в которую, правда, невозможно попасть материальным объектам. Но тут, помимо точечности, ещё предполагается вечность, которая вряд ли имеет отношение к действительности.)
V_Scalar
Спагетиизация это понятно, нуклоны разрываются на кварки, а что дальше, электрон например абсолютно стабилен? Поверхность чёрной дыры, (есть такая модель) это - топологический дефект пространства. Представим шар пространства вращается со скоростью больше с, образуется разрыв (барана или космическая струна или доменная стенка) пространства, за ним частицы будут в тахионном состоянии.
А дальше происходит самое интересное, все фундаментальные фермионы закреплены на бране пятого измерения Калуцы-Клейна. Брана это объект который отражает все частицы без потери энергии, условно говоря как зеркало свёрнутое в окружность или спираль, электрон удерживается этой браной двигаясь по спирали (так называемое условие цилиндричности), Брана состоит из виртуальных фотонов и имеет спин- спиновую связь с зарядом в ней запасена вся масса-энергия частицы. Спиральное движение это волна электрона, диаметр спирали обратно пропорционален длине волны электрона и т.д.
Чёрная дыра имеет важное свойство - спин, электрон также имеет спин, так что может непосредственно обменяться угловым моментом. Известно что аннигиляция электрона и позитрона происходит при определённом направлении спинов, так же в нашем случае только конечно чёрная дыра не анигилирует, здесь лучше подходит аналогия — катализ протона на монополе (модель катализа В Рубакова), монополь является катализатором распада протона, а сам не распадается как и дыра. Аннигилирует электрон на дыру, при этом вся его масса-энергия заключённая во вращении на спирали (орбитале -вполне) передаётся вращающейся поверхности чёрной дыры, примерно как турбине турбодетандера.
Передаётся так же информация квантовое состояния электрона на бране, и там хранится увеличивая поверхность, энтропию и массу дыры (известно что энтропия чёрной дыры равна площади её поверхности, а не объёму). Итак, электрон или кварк потерял свою волну - нулевое колебание и связанную с ней массу, но от электрона остаётся керн сфера -нейтрино движущийся не по орбитали, а по прямой (эта сфера - топологический дефект пространства низшей размерности), который падает в дыру. Внутри дыры ничего интересного нет, просто газ нейтрино, он вращается вместе с пространством, поэтому не испытывает центробежных сил. В плоскости аккреционного диска гравитация наиболее сильна (увлечение), а на полюсах наоборот слабая, поэтому под большим давлением выбрасываются джеты нейтрино, как известно это происходит порциями, давление сбрасывается, выброс прекращается и так далее, дыра пер дит ????, магнитная модель это не объясняет, газ нейтрино вращается поэтому струи закрученные. Поток и энергия нейтрино настолько силен что увлекает само пространство (возможно даже до сверх световых скоростей, как во времена инфляции) и как в ускорителе частиц рождает струи. Струи достигают просто гигантских размеров, никакие магнитные эффекты не смогли бы так разогнать частицы. Таким образом чёрная дыра является гравитационным диполем с отталкивающей силой на полюсах.
V_Scalar
там довольно скучно https://habr.com/ru/articles/772910/#comment_26142992