Что такое гравитационные волны?
Гравитационные волны не только представляют собой окончательное подтверждение общей теории относительности, они предоставят нам новый способ увидеть космос. Но что это за рябь в пространстве-времени и откуда они берутся?
Несмотря на то, что событие GW150914 имеет не самое броское название, оно довольно значимо для нашего понимания Вселенной. Это событие, название которого включает в себя приставку "GW", что является сокращением от "Gravitational Wave", и дату наблюдения - 15/09/14 - ознаменовало первое в истории человечества прямое обнаружение гравитационных волн.
Это событие стало революционным по двум направлениям: во-первых, оно успешно подтвердило предсказание, сделанное в общей теории относительности Альберта Эйнштейна почти за столетие до этого. Предсказание о том, что указанные события, происходящие во Вселенной, не только искривляют пространство-время, но в некоторых случаях действительно могут вызывать рябь в этой космической ткани.
Второй важный аспект этого наблюдения заключался в том, что оно представляло собой совершенно новый способ "увидеть" Вселенную, ее события и объекты. Этот новый метод исследования космоса привел к появлению совершенно новой формы астрономии - многоканальная астрономия. Она сочетает "традиционные" наблюдения Вселенной в электромагнитном спектре с обнаружением гравитационных волн, что позволяет нам наблюдать объекты, которые ранее были невидимы для нас.
Таким образом, открытие гравитационных волн действительно открыло совершенно новое окно в космос, но что такое гравитационные волны, что они говорят об объектах, которые их создают, и как мы обнаруживаем такие крошечные колебания в самой реальности?
Гравитационные волны: Основы
- Гравитационные волны - это рябь в ткани пространства-времени.
- Эта рябь движется от своего источника со скоростью света.
- Прохождение гравитационных волн сжимает и растягивает само пространство.
- Гравитационные волны можно обнаружить, измерив эти бесконечно малые изменения расстояния между объектами.
- Они создаются, когда объект или событие, искривляющее пространство-время, заставляет эту кривизну изменять форму.
- Среди причин гравитационных волн - сталкивающиеся черные дыры и нейтронные звезды, сверхновые и звезды, испытывающие гравитационный коллапс.
Теоретические основы
Представьте, что вы сидите на берегу озера, спокойно наблюдая за безмятежной поверхностью воды, ненарушаемой ни природой, ни ветром, ни даже малейшим дуновением ветерка. Вдруг мимо пробегает маленький ребенок и бросает камешек в озеро. Спокойствие на мгновение нарушается. Но, даже когда спокойствие возвращается, вы наблюдаете, как рябь распространяется от центра озера, уменьшаясь по мере того, как они достигают берегов, часто расходясь или отражаясь обратно, когда они сталкиваются с препятствием.
Поверхность озера - это вольная двухмерная аналогия ткани пространства-времени, камешек представляет событие, подобное столкновению двух черных дыр, а наше положение на Земле эквивалентно травинке на берегу, едва ощущающей рябь, которая сильно уменьшилась на пути к нам.
Гравитационные волны были впервые предсказаны Анри Пуанкаре в 1905 году как возмущения в ткани пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света, но потребовалось еще десять лет, чтобы эта концепция действительно была воспринята физиками. Это произошло, когда Альберт Эйнштейн предсказал то же явление как часть своей революционной геометрической теории гравитации 1916 года, более известной как общая теория относительности.
Хотя эта теория наиболее известна тем, что предполагала, что объекты с массой будут вызывать искривление пространства-времени, она также пошла дальше, предположив, что ускоряющийся объект должен изменить эту кривизну и вызвать пульсацию в пространстве-времени. Такие нарушения в пространстве-времени были бы недопустимы при ньютоновском представлении о гравитации, которое рассматривало ткань пространства и времени как отдельные сущности, на которых просто разыгрываются события Вселенной.
Но на динамичной и изменчивой стадии единого пространства-времени Эйнштейна такие колебания были допустимы.
Гравитационные волны возникли из возможности найти волнообразное решение тензорных уравнений, лежащих в основе общей теории относительности. Эйнштейн считал, что гравитационные волны должны массово генерироваться при взаимодействии массивных тел, таких как двойные системы сверхплотных нейтронных звезд и сливающиеся черные дыры.
На самом деле такая рябь в пространстве-времени должна создаваться любыми ускоряющимися объектами, но связанные с Землей ускоряющиеся объекты вызывают возмущения, которые слишком малы, чтобы их можно было обнаружить. Вот почему наши исследования должны быть обращены к областям космоса, где природа предоставляет нам гораздо более массивные объекты.
Поскольку эти пульсации распространяются от своего источника во всех направлениях со скоростью света, они несут информацию о событии или объекте, который их создал. Но не только это, гравитационные волны могут многое рассказать нам о природе самого пространства-времени.
Откуда берутся гравитационные волны?
Существует ряд событий, которые могут запустить гравитационные волны, достаточно мощные для того, чтобы мы могли обнаружить их с помощью невероятно точного оборудования здесь, на Земле. Эти события являются одними из самых мощных и бурных, какие только может предложить Вселенная. Например, самые сильные волнения в пространстве-времени, вероятно, вызваны столкновением черных дыр.
Другие столкновения связаны с производством сильных гравитационных волн; например, слияние черной дыры и нейтронной звезды или столкновение двух нейтронных звезд друг с другом.
Но космическому телу не всегда нужен партнер, чтобы создавать волны. Звездный коллапс в результате взрыва сверхновых - процесс, который оставляет после себя звездные остатки, такие как черные дыры и нейтронные звезды, - также приводит к образованию гравитационных волн.
Чтобы понять, как возникают гравитационные волны, стоит обратиться к пульсарам - двойным системам из двух нейтронных звезд, которые испускают регулярные импульсы электромагнитного излучения в радиочастотной области спектра.
Теория Эйнштейна предполагает, что подобная система должна терять энергию за счет излучения гравитационных волн. Это означает, что орбитальный период системы должен уменьшаться вполне предсказуемым образом.
Звезды сближаются, поскольку в системе остается меньше энергии для сопротивления их взаимному гравитационному притяжению, и в результате скорость их орбиты увеличивается, а значит, импульсы радиоволн излучаются через более короткие промежутки времени. Это означает, что время, необходимое для того, чтобы радиоволна оказалась непосредственно перед нашей линией видимости, уменьшится, что мы можем измерить.
Именно это и наблюдалось в системе Халса-Тейлора (PSR B1913±16), открытой в 1974 году и состоящей из двух быстро вращающихся нейтронных звезд. Это наблюдение принесло Расселу А. Халсу и Джозефу Х. Тейлору-младшему из Принстонского университета Нобелевскую премию по физике 1993 года. Нобелевский комитет объяснил это следующим образом: "за открытие нового типа пульсара, открытие, которое открыло новые возможности для изучения гравитации".
Хотя это, безусловно, впечатляющее и важное научное достижение, это все же было лишь косвенным доказательством существования гравитационных волн. В то время как предсказанный Эйнштейном эффект укорочения вращения пульсара определенно присутствовал, это не было фактическим прямым обнаружением.
Несмотря на то, что Эйнштейн не был свидетелем этого выдающегося достижения, он предсказал, что это единственный способ получить хоть какой-то намек на гравитационные волны. Великий физик считал, что эти пространственно-временные пульсации будут настолько слабыми, что их невозможно будет обнаружить никакими технологическими средствами, которые только можно было представить в то время.
К счастью, Эйнштейн ошибался.
Как обнаружить гравитационные волны?
Неудивительно, что для обнаружения гравитационных волн требуется оборудование с огромной чувствительностью. Хотя эффект гравитационных волн - сжимание и растяжение самого пространства - звучит как нечто, что должно быть прежде всего заметно, степень, в которой происходит это возмущение, настолько мала, что совершенно незаметна.
К счастью, существует отрасль физики, которая довольно хорошо разбирается в крошечных явлениях. Чтобы обнаружить гравитационные волны, исследователи используют эффект, называемый интерференцией, продемонстрированный в самом известном эксперименте квантовой физики всех времен - эксперименте с двойной щелью.
Физики поняли, что лазерный интерферометр может быть использован для измерения крошечного сжимания и растяжения пространства, поскольку это приведет к тому, что рукава оборудования сократятся на минутную величину. Это означает, что при разделении лазера и направлении его через рукава интерферометра сжатие пространства, вызванное прохождением гравитационной волны, приведет к тому, что один лазер придет немного раньше другого - это означает, что они находятся вне фазы и вызывают деструктивную интерференцию. Таким образом, эта разница во времени прихода вызывает интерференцию, которая указывает на то, что гравитационные волны прошли через один из рукавов.
Но не любой лазерный интерферометр подойдет. Физикам понадобится интерферометр настолько большой, что он станет настоящим достижением инженерной мысли. На помощь приходит лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO).
Детектор LIGO использует два лазерных излучателя, расположенных в обсерваториях Хэнфорд и Ливингстон, которые разделены тысячами километров и образуют невероятно чувствительный интерферометр. От этих излучателей лазеры направляются вниз по "рукавам" интерферометра, которые на самом деле являются вакуумными камерами длиной 4 км.
В результате получилась настолько чувствительная система, что она может измерить отклонение в пространстве-времени размером в 1/10 000 размера атомного ядра. В астрономическом контексте это эквивалентно наблюдению звезды на расстоянии 4,2 световых лет и определению ее местоположения с точностью до ширины человеческого волоса! Это самое маленькое измерение, которое когда-либо практически пытались провести в каком-либо научном эксперименте.
И в 2015 году эта кропотливая работа окупилась.
14 сентября 2015 года коллаборация LIGO и Virgo заметила гравитационно-волновой сигнал, исходящий от спирального слияния двух черных дыр, одна из которых в 29 раз больше массы Солнца, а другая - в 36 раз больше массы нашей звезды. По изменениям в полученном сигнале ученые также смогли наблюдать образовавшуюся одиночную черную дыру.
Сигнал, названный GW150914, стал не только первым наблюдением гравитационных волн, но и первым случаем, когда человечество "увидело" двойную систему черных дыр со звездной массой, доказав, что такие слияния могут существовать в современную эпоху Вселенной.
Различные виды гравитационных волн
С момента первого обнаружения гравитационных волн исследователи сделали ряд важных и откровенных открытий. Они позволили ученым классифицировать различные типы гравитационных волн и объекты, которые могут их порождать.
Непрерывные гравитационные волны
Считается, что одиночный вращающийся массивный объект, такой как нейтронная звезда, может вызывать непрерывный сигнал гравитационных волн в результате несовершенства сферической формы этой звезды. Если скорость вращения остается постоянной, то и гравитационные волны, которые она излучает, будут постоянно одинаковой частоты и амплитуды, подобно тому, как певец держит одну ноту. Исследователи создали симуляцию того, как будет звучать приходящая непрерывная гравитационная волна, если сигнал, обнаруженный LIGO, преобразовать в звук.
Звук непрерывной гравитационной волны, подобной той, которую производит нейтронная звезда, можно услышать ниже.
Компактные бинарные спиральные гравитационные волны
Все сигналы, обнаруженные LIGO до сих пор, подпадают под эту категорию как гравитационные волны, создаваемые парами массивных вращающихся объектов, таких как черные дыры или нейтронные звезды.
Эти источники подразделяются на три отдельные подкатегории:
- Бинарная черная дыра (BBH)
- бинарная нейтронная звезда (BNS)
- Бинарная нейтронная звезда-черная дыра (NSBH).
Каждый из этих типов бинарных пар создает свой собственный уникальный паттерн гравитационных волн, но имеет один и тот же общий механизм генерации волн - генерацию по спирали. Этот процесс происходит в течение миллионов лет, гравитационные волны уносят энергию из системы и заставляют объекты двигаться по спирали все ближе и ближе, пока они не встретятся. Это также приводит к тому, что объекты движутся все быстрее и, таким образом, создают гравитационные волны все большей силы.
"Стрекот" возможного слияния нейтронных звезд был переведен в звуковые волны, которые можно услышать ниже.
Стохастические гравитационные волны
Небольшие гравитационные волны, которые даже LIGO не в состоянии точно определить, могут проходить над Землей со всех сторон в любое время. Эти волны известны как стохастические гравитационные волны из-за их случайного характера. По крайней мере, часть этого стохастического сигнала, вероятно, возникла во время Большого взрыва.
Если нам удастся обнаружить этот сигнал, он позволит нам "заглянуть" дальше в историю Вселенной, чем любой электромагнитный сигнал, вплоть до эпохи, когда фотоны еще не могли свободно перемещаться в пространстве.
Смоделированный звук этого стохастического сигнала можно услышать ниже.
Учитывая разнообразие объектов и событий во Вселенной, крайне вероятно, что существуют и другие типы сигналов гравитационных волн. Это означает, что поиск таких сигналов - это исследование неизвестного. К счастью, наши возможности по исследованию космоса значительно расширились благодаря способности обнаруживать гравитационные волны.
Новая эра астрономии
GW150914 точно соответствует предсказаниям общей теории относительности, подтверждая самую революционную теорию Эйнштейна почти ровно через шесть десятилетий после его смерти в 1955 году. Это не означает, что гравитационные волны больше не учат нас о Вселенной. На самом деле, эти пульсации в пространстве дали нам совершенно новый взгляд на космос.
До открытия гравитационных волн астрономы ограничивались представлением о Вселенной, окрашенной электромагнитным излучением, и поэтому наши наблюдения ограничивались только этим спектром.
Используя только электромагнитный спектр, астрономы смогли обнаружить астрономические тела и даже космический микроволновый фон (CMB) - "реликт" одного из самых первых событий в ранней Вселенной, эпохи рекомбинации, когда электроны соединялись с протонами, таким образом позволяя фотонам начать путешествовать, а не бесконечно рассеиваться. Таким образом, CMB является маркером того момента, когда Вселенная стала прозрачной для света.
Однако, несмотря на успехи, которые традиционная астрономия позволила нам сделать в понимании космоса, использование электромагнитного излучения сильно ограничено. Оно не позволяет нам непосредственно "увидеть" черные дыры, из которых свет не может выйти. Оно также не позволяет нам увидеть небарионовую, несветящуюся темную материю, преобладающую форму материи в галактиках, составляющую около 85% от общей массы Вселенной. Термин "несветящаяся" означает, что темная материя не взаимодействует с электромагнитным спектром, она не поглощает и не излучает свет. Это означает, что наблюдения только в электромагнитном спектре никогда не позволят нам увидеть большую часть материи во Вселенной.
Очевидно, что это проблема. Но ее можно избежать, используя спектр гравитационных волн, поскольку и черные дыры, и темная материя обладают значительным гравитационным эффектом.
Гравитационные волны также имеют еще одно значительное преимущество перед электромагнитным излучением.
Эта новая форма астрономии измеряет амплитуду бегущей волны, в то время как астрономия электромагнитных волн измеряет энергию волны, которая пропорциональна квадрату амплитуды волны.
Поэтому яркость объекта в традиционной астрономии определяется как 1/расстояние², в то время как "гравитационная яркость" уменьшается всего на 1/расстояние. Это означает, что видимость звезд сохраняется в гравитационных волнах на гораздо большем расстоянии, чем тот же фактор сохраняется в электромагнитном спектре.
Конечно, все это не означает, что гравитационно-волновая астрономия "заменит" традиционную астрономию электромагнитного спектра. На самом деле, эти два направления являются наиболее мощными, когда они объединены в новую захватывающую дисциплину - многоканальную астрономию.