В третий раз за полтора года Усовершенствованный лазерный интерферометр Гравитационно-волновая обсерватория обнаружил гравитационные волны. Гипотеза, выдвинутая Эйнштейном столетие назад, отождествление этих пульсаций в пространстве-времени - в третий раз, не менее - выполняет обещание области астрономии, которая десятилетиями завлекала ученых, но, казалось, всегда лежала просто из наша досягаемость
Связанный контент
- Как астрофизики нашли черную дыру там, где никто не мог
- Познакомьтесь с командой ученых, которые обнаружили гравитационные волны
- Гравитационные волны ударяют дважды
Как астрофизик-гравитационно-волновой и член Научного сотрудничества LIGO, я, естественно, очень рад видеть, как многие из нас становятся реальностью. Но я привык находить свою собственную работу более интересной и захватывающей, чем другие люди, поэтому степень, в которой весь мир, кажется, очарован этим достижением, стала чем-то неожиданным.
Впрочем, волнение вполне заслуженное. Обнаружив эти гравитационные волны в первый раз, мы не только прямо проверили ключевое предсказание теории относительности Эйнштейна убедительным и впечатляющим образом, но и открыли совершенно новое окно, которое революционизирует наше понимание космоса.,
Уже эти открытия повлияли на наше понимание вселенной. И ЛИГО только начинается.
**********
По своей сути этот новый способ понимания вселенной проистекает из нашей вновь обретенной способности слышать ее саундтрек. Гравитационные волны на самом деле не являются звуковыми волнами, но аналогия уместна. Оба типа волн несут информацию одинаковым образом, и оба являются совершенно независимыми явлениями от света.
Гравитационные волны - это пульсации в пространстве-времени, которые распространяются наружу от интенсивно бурных и энергичных процессов в космосе. Они могут быть созданы объектами, которые не сияют, и они могут путешествовать сквозь пыль, вещество или что-то еще, не будучи поглощенными или искаженными. Они несут уникальную информацию об их источниках, которая доходит до нас в первозданном состоянии, давая нам истинное ощущение источника, который не может быть получен никаким другим способом.
Общая теория относительности говорит нам, среди прочего, что некоторые звезды могут стать настолько плотными, что они закрывают себя от остальной части вселенной. Эти необычные объекты называются черными дырами. Общая теория относительности также предсказывала, что, когда пары черных дыр тесно вращаются вокруг друг друга в двойной системе, они пробуждают пространство-время, саму ткань космоса. Именно это нарушение пространства-времени посылает энергию через вселенную в форме гравитационных волн.
Эта потеря энергии заставляет двоичный файл еще сильнее сжиматься, пока в конечном итоге две черные дыры не соприкоснутся друг с другом и не сформируют одну черную дыру. Это впечатляющее столкновение генерирует больше энергии в гравитационных волнах, чем излучается в виде света всеми звездами во вселенной вместе взятых. Эти катастрофические события длятся всего десятки миллисекунд, но за это время они являются наиболее мощными явлениями со времен Большого взрыва.
Эти волны несут информацию о черных дырах, которые невозможно получить никаким другим способом, поскольку телескопы не могут видеть объекты, которые не излучают свет. Для каждого события мы можем измерить массы черных дыр, их скорость вращения или «вращения», а также детали их расположения и ориентации с различной степенью достоверности. Эта информация позволяет нам узнать, как эти объекты формировались и развивались в течение космического времени.
В то время как у нас ранее были убедительные доказательства существования черных дыр, основанные на влиянии их гравитации на окружающие звезды и газ, подробная информация о гравитационных волнах неоценима для изучения происхождения этих впечатляющих событий.
Вид с воздуха детектора гравитационных волн LIGO в Ливингстоне, Луизиана. (LIGO, CC BY-NC-ND) **********
Чтобы обнаружить эти невероятно тихие сигналы, исследователи сконструировали два прибора LIGO, один в Хэнфорде, штат Вашингтон, и другой в 3000 милях в Ливингстоне, штат Луизиана. Они разработаны, чтобы использовать уникальный эффект, который гравитационные волны оказывают на все, с чем они сталкиваются. Когда гравитационные волны проходят мимо, они изменяют расстояние между объектами. Прямо сейчас через вас проходят гравитационные волны, заставляющие вашу голову, ноги и все, что находится между ними, двигаться вперед и назад предсказуемым, но незаметным способом.
Вы не можете почувствовать этот эффект или даже увидеть его под микроскопом, потому что это изменение невероятно крошечное. Гравитационные волны, которые мы можем обнаружить с помощью LIGO, изменяют расстояние между каждым концом детекторов длиной 4 километра всего на 10⁻¹⁸ метров. Насколько маленький это? В тысячу раз меньше, чем размер протона - вот почему мы не можем увидеть его даже под микроскопом.
Ученые LIGO работают над его подвеской оптики. (Лаборатория ЛИГО, ЦК BY-ND) Для измерения такого небольшого расстояния LIGO использует метод, называемый «интерферометрия». Исследователи разбили свет от одного лазера на две части. Каждая часть затем движется вниз по одному из двух перпендикулярных плеч, каждый из которых имеет длину 2, 5 мили. Наконец, эти двое объединяются и могут вмешиваться друг в друга. Прибор тщательно откалиброван, так что при отсутствии гравитационной волны помехи лазера приводят к почти идеальной компенсации - свет от интерферометра не выходит.
Тем не менее, проходящая гравитационная волна будет растягивать одну руку одновременно, когда она сжимает другую руку. При изменении относительной длины плеч помехи от лазерного излучения больше не будут идеальными. Именно это крошечное изменение количества помех фактически измеряет Advanced LIGO, и это измерение говорит нам, какой должна быть детальная форма проходящей гравитационной волны.
Слушать
Звук столкновения двух черных дыр:Все гравитационные волны имеют форму «чириканья», где как амплитуда (сродни громкости), так и частота или высота сигналов возрастают со временем. Однако характеристики источника закодированы в точных деталях этого чириканья и того, как он развивается со временем.
Форма гравитационных волн, которые мы наблюдаем, в свою очередь, может рассказать нам подробности об источнике, который не может быть измерен каким-либо другим способом. С помощью первых трех достоверных обнаружений Advanced LIGO мы уже обнаружили, что черные дыры встречаются чаще, чем мы когда-либо ожидали, и что наиболее распространенная разновидность, которая образуется непосредственно из коллапса массивных звезд, может быть более массивной, чем мы ранее мысль была возможна. Вся эта информация помогает нам понять, как массивные звезды развиваются и умирают.
Три подтвержденных обнаружения LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) и одно обнаружение с более низкой достоверностью (LVT151012) указывают на популяцию двойных черных дыр звездной массы, которые после слияния превышают 20 масс Солнца - больше, чем был известен раньше. (LIGO / Caltech / Sonoma State (Аврора Симоннет), CC BY-ND) **********
Это самое последнее событие, которое мы обнаружили 4 января 2017 года, является самым отдаленным источником, который мы наблюдали до сих пор. Поскольку гравитационные волны распространяются со скоростью света, когда мы смотрим на очень далекие объекты, мы также оглядываемся назад во времени. Это самое недавнее событие также является самым древним источником гравитационных волн, который мы до сих пор обнаружили, произошедшим более двух миллиардов лет назад. Тогда сама вселенная была на 20 процентов меньше, чем сегодня, и многоклеточная жизнь еще не возникла на Земле.
Масса последней черной дыры, оставшейся после этого последнего столкновения, в 50 раз превышает массу нашего Солнца. До первого обнаруженного события, которое весило в 60 раз больше массы Солнца, астрономы не думали, что такие массивные черные дыры могут быть сформированы таким образом. Хотя во втором событии было всего 20 солнечных масс, обнаружение этого дополнительного очень массивного события позволяет предположить, что такие системы не только существуют, но могут быть относительно распространенными.
В дополнение к их массам, черные дыры также могут вращаться, и их вращения влияют на форму их гравитационно-волнового излучения. Эффекты спина измерить труднее, но это последнее событие демонстрирует не только вращение, но и, возможно, вращение, которое не ориентировано вокруг той же оси, что и орбита двойного. Если аргументы в пользу такого смещения можно усилить, наблюдая за будущими событиями, это будет иметь важные последствия для нашего понимания того, как образуются эти пары черных дыр.
В ближайшие годы у нас будет больше инструментов, таких как LIGO, для прослушивания гравитационных волн в Италии, в Японии и в Индии, чтобы узнать больше об этих источниках. Мои коллеги и я все еще с нетерпением ожидаем первого обнаружения бинарного файла, содержащего, по крайней мере, одну нейтронную звезду - тип плотной звезды, которая была недостаточно массивной, чтобы разрушаться вплоть до черной дыры.
Большинство астрономов предсказывали, что пары нейтронных звезд будут наблюдаться раньше, чем пары черных дыр, поэтому их дальнейшее отсутствие станет проблемой для теоретиков. Их возможное обнаружение откроет множество новых возможностей для открытий, включая перспективу лучшего понимания чрезвычайно плотных состояний вещества и потенциального наблюдения уникальной световой сигнатуры с использованием обычных телескопов из того же источника, что и сигнал гравитационной волны.
Мы также ожидаем обнаружить гравитационные волны в течение следующих нескольких лет из космоса, используя очень точные естественные часы, называемые пульсарами, которые посылают импульсы излучения на нашем пути с очень регулярными интервалами. В конечном итоге мы планируем разместить на орбите чрезвычайно большие интерферометры, где они могут избежать постоянного грохота Земли, который является ограничивающим источником шума для детекторов Advanced LIGO.
Почти каждый раз, когда ученые строили новые телескопы или ускорители частиц, они открывали вещи, которые никто не мог предсказать. Как бы ни были известны известные перспективы открытий в этой новой области астрофизики гравитационных волн, я, как теоретик, больше всего взволнован неизвестными чудесами, которые нас еще ждут.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Шон МакВильямс, доцент кафедры физики и астрономии, Университет Западной Вирджинии
