Гравитационные волны пространства-времени

11 февраля 2016 года ученые эксперимента Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) сообщили об обнаружении гравитационных волн.

Сигнал, зарегистрированный обсерваторией LIGO, пришел от двух сталкивающихся черных дыр и достиг приемного устройства обсерватории, представляющего собой сдвоенные детекторы, расположенные на территории США, 14 сентября 2015 г., сказали ученые.

В результате этого космического столкновения сквозь пространство-время со скоростью, близкой к скорости света, понеслись гравитационные волны, подобно тому как от брошенного камня по глади воды расходятся круги.

Исследователи сказали, что это столкновение произошло 1,3 миллиарда лет назад между черными дырами, массы которых составляли 29 и 36 солнечных масс соответственно. В результате этого столкновения примерно 3 солнечных массы материи было превращено в энергию в форме гравитационных волн в течение менее чем одной секунды, добавили ученые.

Это обнаружение является ключевым моментом в истории астрономии и астрофизики. В отличие от световых волн, гравитационные волны не искажаются взаимодействием с материей в процессе движения сквозь космическое пространство, а потому они несут «первозданную» информацию о космических объектах и породивших их событиях.

Обсерватория LIGO регистрирует гравитационные волны при помощи двух перпендикулярных «рукавов», представляющих собой протяженные сооружения, расположенные в форме буквы L.

Из точки, в которой рукава сходятся друг с другом, испускается лазерный луч, который затем разделяется на два когерентных световых потока, идущих каждый по своему рукаву.

При прохождении через детектор обсерватории гравитационной волны длина одного из рукавов уменьшается на крохотную величину, а второго — увеличивается на величину примерно такого же порядка малости. По разности времен прибытия лучей к регистрационному прибору ученые определяют наличие гравитационной волны.

Ученые давно предсказывали, что когда сталкиваются две черные дыры, это должно приводить к высвобождению гигантского количества энергии в форме гравитационных волн.

Чтобы дать представление о масштабе этого космического события, стоит отметить, что его энергия эквивалентна 10^23 солнечных масс. Большая часть этого гигантского количества энергии выделяется на протяжении нескольких последних орбитальных витков, перед тем как две черные дыры сольются в единую вращающуюся черную дыру.

Поэтому двойные черные дыры подобны гравитационным бомбам с часовым механизмом. Они выдают свое присутствие во Вселенной исключительно гравитационным взрывом. «Время на таймере бомбы» определяется исходным расстоянием между двумя черными дырами. И только астрономия, основанная на наблюдениях гравитационных волн, может раскрыть присутствие таких объектов во Вселенной.

Парные черные дыры могут образовываться по нескольким различным механизмам.

Согласно первому механизму, происходит совместная эволюция двух массивных звезд, в результате чего образуется система из двух черных дыр, вращающихся синхронно друг относительно друга, то есть таким образом, что эти черные дыры все время повернуты друг к другу одной стороной. При этом оси их собственного вращения параллельны друг другу, как и в случае большинства планет Солнечной системы.

Другой механизм формирования парных черных дыр предполагает захват одной черной дырой, сформировавшейся внутри плотного звездного скопления, другой черной дыры. Затем такая система из двух черных дыр может быть выброшена из скопления звезд за счет эффекта «гравитационной рогатки». В этом случае оси собственного вращения черных дыр двойной системы будут направлены в разные стороны.

Описанные здесь признаки можно обнаружить при наблюдениях гравитационных волн, излучаемых системами из двух черных дыр.

Исследование будет опубликовано в готовящемся к выходу номере журнала Physical Review Letters.

По материалам: astronews.ru

Дополнительно:

Физики из международной коллаборации LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) экспериментально обнаружили волны пространства-времени. Открытие, в которое большой вклад внесли российские ученые, претендует на прорыв года.

Что именно открыли

Физики напрямую зарегистрировали гравитационные волны. Это произошло 14 сентября 2015 года в 05:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах обсерватории LIGO.

Они были порождены двумя черными дырами (в 29 и 36 раз тяжелее Солнца) в последние доли секунды перед их слиянием в более массивный вращающийся гравитационный объект (в 62 раза тяжелее Солнца). За доли секунды примерно три солнечные массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной. Слияние черных дыр произошло 1,3 миллиарда лет назад (столько времени гравитационное возмущение распространялось до Земли).

Что важно

Во-первых, физики впервые напрямую зарегистрировали гравитационные волны. Ранее это удавалось сделать лишь косвенным путем, наблюдая за потерей энергии пульсарами.

Во-вторых, общая теория относительности, сформулированная в 1915 году Альбертом Эйнштейном, снова была подтверждена.

В-третьих, ученые еще раз доказали существование черных дыр. Эксперименты физиков отлично объясняются современными теоретическими моделями.

В-четвертых, физики продемонстрировали астрономам возможности исследования космоса при помощи гравитации. До сих пор основную информацию о далеких объектах ученые получали в электромагнитных диапазонах (оптическом, рентгеновском, инфракрасном и ультрафиолетовом). Основная инициатива создания LIGO исходила от физиков, тогда как астрономы предпочитали продолжать исследования космоса консервативными методами.

Зачем открыли

Повышение чувствительности гравитационно-волновых антенн может привести к открытию множества источников волн пространства-времени. С этой целью могут быть модернизированы существующие гравитационные обсерватории и открыты новые. Прогресс в зарождающемся новом способе исследования космоса ограничивает стоимость гравитационных обсерваторий (LIGO обошлась примерно в 370 миллионов долларов).

В перспективе при помощи гравитационно-волновых антенн можно с высокой точностью измерить ускоренное расширение Вселенной, оценить работоспособность существующих космологических моделей, проверить отклонение от сферической формы нейтронных звезд и обнаружить (в случае их существования) космические струны — одномерные дефекты пространства-времени, возникшие после Большого взрыва.

Что такое гравитационная волна

Гравитационная волна представляет собой колебания пространства-времени — иначе говоря, распространяющуюся в нем рябь: если шарик на капроне начнет периодическое движение, то капрон, выступающий в этой аналогии пространством-временем, также начнет колебаться. Волны от движущегося в центре капроновой поверхности шарика начнут распространяться. Именно они и являются аналогами гравитационных возмущений.

Массивное тело, помещенное в пространство-время, вызывает его искривление. В частности, траектория светового луча, распространяющегося рядом с тяжелым объектом, искривляется от прямолинейной. Эффект был экспериментально подтвержден. Наглядно это можно представить, поместив тяжелый шарик на натянутый капрон: он вызовет прогиб плоской капроновой поверхности, которая в этом случае выступает аналогией пространства-времени.

Что такое черная дыра

В 1916 году немецкий ученый Карл Шварцшильд нашел первое решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Оно описывает гравитационное поле, созданное центрально-симметричным распределением масс с нулевым электрическим зарядом. Это решение содержало так называемый гравитационный радиус тела, определяющий размеры объекта со сферически-симметричным распределением материи, который не способны покинуть фотоны (движущиеся со скоростью света кванты электромагнитного поля).

Определенная таким образом Шварцшильдова сфера тождественна понятию горизонта событий, а массивный ограниченный ею объект — черной дыре. Описанная Шварцшильдом черная дыра является статической, то есть неподвижной (невращающейся). В природе таких дыр, по всей видимости, нет. Практически любая реальная черная дыра будет вращаться и иметь ненулевой заряд (для этого достаточно, чтобы она поглотила хотя бы одну заряженную элементарную частицу). Вращающиеся заряженные черные дыры впервые описал Рой Керр, который за это недавно получил премию Краффорда.

Чья заслуга

Обсерватория LIGO представляет собой гравитационно-волновую антенну, образованную двумя идентичными детекторами, расположенными в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон) в США на расстоянии более трех тысяч километров друг от друга.

Исследования в LIGO осуществляются в рамках одноименной коллаборации более чем тысячи ученых из США и 14 других стран, включая Россию, которая представлена двумя группами из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород).

Слияние черных дыр звучит так:

Этот звук представляет собою тот момент, когда две спиралевидные черные дыры слились в одну. Такое событие, как полагают, происходит во Вселенной каждый 15 минут.

P.S.

Телескоп Fermi нашел источник обнаруженных LIGO гравитационных волн

Телескоп Fermi, располагающийся на околоземной орбите, возможно, обнаружил источник гравитационных волн, ранее зарегистрированных наземными обсерваториями LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory). Об этом сообщается в препринте, размещенном на сайте НАСА.

Космическая обсерватория зафиксировала слабый гамма-сигнал спустя 0,4 секунды после того, как обсерватории LIGO обнаружили волны пространства-времени. Астрофизики, работающие на Fermi, приступили к поиску источника гравитационных волн в электромагнитных диапазонах через час после открытия LIGO.

В гравитационной обсерватории выяснили, что источник события GW150914, связанного с гравитационными волнами, расположен в южном полушарии. Там же, в созвездиях Кита или Рыб, телескоп Fermi обнаружил источник необычных гамма-лучей. Более точно определить его местоположение обсерватория не смогла.

Природа сигнала, полученного Fermi, лучше всего объясняется столкновением двух черных дыр, а не излучением магнетаров, пульсаров или нейтронных звезд. Между тем, набранной космическим телескопом статистики пока недостаточно для заявления об открытии (существует вероятность, что сигнал порожден флуктуациями в атмосфере). Ученые продолжат сотрудничество с LIGO.

Гравитационные волны зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 05:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах-близнецах лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, расположенных в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон) в США.

Возмущения порождены парой черных дыр (в 29 и 36 раз тяжелее Солнца) в последние доли секунды перед их слиянием в более массивный вращающийся гравитационный объект (в 62 раза тяжелее Солнца). Слияние черных дыр произошло 1,3 миллиарда лет назад (столько времени гравитационное возмущение распространялось до Земли).

Источник цитат: Lenta.Ru

И ещё:

Гравитационные волны открыты, соответствующие им оптические явления — пока нет

Ещё до того, как официально было подтверждено обнаружение гравитационных волн, ученые начали поиски космических событий в оптическом диапазоне, которые могли сопровождать рождение гравитационных волн.

Две отдельные исследовательские группы сканировали небо в оптическом диапазоне в попытке найти яркий источник света, генерируемого в результате события, ставшего источником зарегистрированных недавно обсерваторией LIGO гравитационных волн.

Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что движение массивных тел искажает пространство-время, следовательно, вокруг массивных тел возникают особые волны, называемые гравитационными. На прошлой неделе обнаружение таких волн было официально подтверждено, однако ещё до подтверждения, когда об источнике гравитационных волн почти ничего не было известно, две группы ученых исследовали небо в оптическом диапазоне, пытаясь обнаружить необычно яркий источник света.

Область пространства, которую пришлось исследовать ученым, поистине огромна — 700 квадратных градусов неба, или 2800 площадок, занимаемых на небе полной Луной. Первое исследование, проведенное командой астрономов во главе с Эдо Бергером из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США, при помощи 4-метрового телескопа «Бланко», расположенного в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо, Чили, в течение трех недель не выявило необычных источников света в оптическом диапазоне, однако позволило наложить на возможный оптический источник ограничение по яркости. Вторая команда исследователей во главе со Стивеном Смартом из университета Квинс, Северная Ирландия, шедшая по следам первой команды, использовала для наблюдений обсерваторию Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System (Pan-STARRS), расположенную на Гавайях. Исследователи также не нашли при наблюдениях в оптическом диапазоне источники-кандидаты на роль необычных событий, обусловивших появление гравитационных волн. В ходе исследования, однако, было обнаружено свыше 50 ранее не замеченных сверхновых.

Эти пионерские работы, хотя и не увенчавшиеся в этот раз успехом, тем не менее, создают научный задел для дальнейших поисков оптических источников, которые возможно будет ассоциировать с обнаруженными обсерваторией LIGO гравитационными волнами, и открывают широкое поле для будущих астрофизических исследований по этому направлению.

Гравитационные волны LIGO: две черные дыры могли сформироваться из одной звезды

14 сентября 2015 г. при помощи обсерватории Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) были обнаружены гравитационные волны, идущие от столкновения двух черных дыр массами 29 и 36 масс Солнца соответственно. Ожидалось, что это событие не будет сопровождаться заметным испусканием электромагнитного излучения, однако космическая гамма-обсерватория НАСА «Ферми» зарегистрировала гамма-всплеск спустя всего лишь долю секунды после обнаружения сигнала обсерваторией LIGO. В новом исследовании предполагается, что эти две черные дыры могли находиться внутри одной массивной звезды, гибель которой сопровождалась испусканием гамма-лучей.

«Это похоже на беременную женщину, вынашивающую двойню», – говорит астрофизик из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра Ави Лоуб.

Обычно, когда массивная звезда подходит к концу своего жизненного цикла, её ядро коллапсирует в одиночную черную дыру. Однако, если звезда вращается слишком быстро, её ядро может вытянуться в гантелеобразную структуру и фрагментироваться затем на два сгустка, каждый из которых формирует отдельную черную дыру.

Очень массивная звезда, требуемая по условиям, предъявляемым наблюдениями обсерватории LIGO, формируется в результате слияния двух меньших по размерам звезд. И так как эти звезды по мере сближения должны были обращаться одна относительно другой со все большей и большей скоростью, то результирующая звезда должна вращаться вокруг своей оси очень быстро.

После того как сформировалась пара черных дыр, внешняя оболочка звезды должна была устремиться к вновь сформированным черным дырам. Для того чтобы стать источником как наблюдаемых обсерваторией LIGO гравитационных волн, так и гамма-всплеска, эти две черные дыры должны были находиться очень близко друг к другу, на расстоянии порядка одного диаметра Земли, а затем объединиться в течение нескольких минут. Вновь сформированная черная дыра затем начинает поглощать падающую на неё материю в количествах порядка одной солнечной массы материала в секунду, что сопровождается испусканием джетов материи и излучения, фиксируемого как гамма-всплеск.

Исследование принято к публикации в журнале Astrophysical Journal Letters и доступно онлайн.

См. также:

• В Солнечной системе открыта девятая планета — Планета X

---