Gravitacinės bangos

Гравитационни вълни

„Вълни“ в пространство-времето, възникващи при интензивно ускорение на масивни обекти, например при сливане на черни дупки или неутронни звезди

Нов космически пратеник

Гравитационните вълни са деформации на самото пространство-време, които се разпространяват със скоростта на светлината. Те бяха предсказани за първи път от Алберт Айнщайн през 1916 г., въз основа на решения на уравненията на общата теория на относителността, когато разпределението на маса-енергията се ускорява неравномерно. Десетилетия тези вълни изглеждаха твърде слаби, за да бъдат засечени от човечеството. Всичко се промени през 2015 г., когато Лазерната интерферометрична обсерватория за гравитационни вълни (LIGO) за първи път директно откри гравитационни вълни, идващи от сливане на черни дупки. Това постижение се счита за едно от най-големите в съвременната астрофизика.

За разлика от електромагнитното излъчване, което може да бъде погълнато или разсеяно от материята, гравитационните вълни почти не се възпрепятстват при преминаване през материята. Те неутрално предават информация за най-силните космически събития – сблъсъци на черни дупки, сливане на неутронни звезди, а може би дори колапси на свръхнови, допълвайки арсенала на традиционната астрономия. По същество детекторите на гравитационни вълни функционират като „ухо“, чувствително към вибрациите на пространство-времето, разкриващо явления, невидими за обикновените телескопи.

2. Теоретични основи

2.1 Уравнения на Айнщайн и малки возмущения

Общата теория на относителността се основава на уравненията на Айнщайн, които свързват геометрията на пространство-времето gμν с тензора на стрес-енергия Tμν. Далеч от масивни тела (във вакуум) важи Rμν = 0, следователно пространство-времето е локално плоско. Но, разглеждайки пространство-времето като почти плоско с малки возмущения, се получават вълнови уравнения:

gμν = ημν + hμν,

тук ημν е метричният тензор на Минковски, а hμν ≪ 1 са малки поправки. Линейното решение на уравненията на Айнщайн показва, че hμν се разпространява със скоростта на светлината – това са гравитационните вълни.

2.2 Поляризации: h+ и h×

Според общата теория на относителността, гравитационните вълни имат два трансверсални начина на поляризация, обозначени като „+" и „×". Когато преминават през наблюдател, разстоянията в перпендикулярни посоки периодично се разтягат и свиват. За сравнение, електромагнитните вълни имат трансверсални електрически и магнитни осцилации, но с различен спин (спин-2 за гравитационните вълни срещу спин-1 за фотоните).

2.3 Излъчване на енергия в двойки

Квадруполната формула на Айнщайн показва, че мощността (енергията за единица време), излъчвана под формата на гравитационни вълни, зависи от третата времева производна на квадруполния момент на разпределението на масата. Сферично симетричното или диполното движение не произвежда гравитационни вълни, затова при двойки, където масивни компактни обекти (черни дупки, неутронни звезди) се въртят един около друг, променливият квадрупол предизвиква значително излъчване на GW. Енергията „изтича“ от системата, орбитата се свива до крайното сливане, излъчвайки мощна гравитационна вълна, която може да бъде засечена дори от стотици мегапарсеци.

3. Косвени доказателства до 2015 г.

3.1 Двоен пулсар PSR B1913+16

Много преди директното откриване Ръсел Хълс и Джозеф Тейлър през 1974 г. откриха първия двоен пулсар. Наблюдаваното скъсяване на орбитата му съответстваше на загуба на енергия чрез гравитационни вълни, според прогнозите на общата теория на относителността, с изключително висока точност (~0,2% грешка). Това беше косвено потвърждение, че GW наистина отнемат орбитална енергия [1].

3.2 Други двойни пулсари

Други системи (напр. „двойният пулсар“ J0737–3039) допълнително потвърдиха изчезването на орбитата. Съвпадението на тези наблюдения с формулата на квадрупола на ОТО увери, че гравитационните вълни съществуват, макар и да не бяха директно засечени.

4. Директно откриване: LIGO, Virgo и KAGRA

4.1 Постижение на LIGO (2015 г.)

След десетилетия развитие интерферометрите Advanced LIGO в щатите Вашингтон (Ханфорд) и Луизиана (Ливингстън) заснеха първата директна гравитационна вълна на 14 септември 2015 г. (обявена февруари 2016 г.). Сигналът на вълната, наречен GW150914, произхожда от сливане на ~36 и ~29 слънчеви маси черни дупки на разстояние ~1,3 млрд. светлинни години. В орбитата си „въртящи се“, те излъчваха „чирп“ на амплитудата и честотата на вълната, завършващ с крайното сливане [2].

Това откритие потвърди:

  • Съществуват двойки черни дупки в локалната Вселена.
  • Формата на вълната съвпада с числените модели на относителността.
  • Въртенето на черните дупки и крайната маса съответстват на теорията.
  • Валидността на ОТО в режим на изключително силно поле.

4.2 Други детектори: Virgo, KAGRA, GEO600

Virgo (в Италия) през 2017 г. напълно се присъедини към наблюденията. През август същата година тройното откриване на GW170814 от друго сливане BH-BH позволи по-добро локализиране на събитието в небето и проверка на поляризациите. KAGRA (в Япония), разположена под земята и използваща криогенни огледала, се стреми да намали шумовете, като по този начин допълва световната мрежа. Няколко детектора на различни места значително уточняват определянето на източника в небето и подобряват възможното електромагнитно търсене.

4.3 Сливане на BNS: много сигнална астрономия

През август 2017 г. наблюдаваното GW170817 от сливане на две неутронни звезди LIGO–Virgo даде и гама-лъчева избухване ~1,7 с по-късно, както и видими/IR следи от килонова. Това е първото много сигнално наблюдение, идентифицирало началната галактика (NGC 4993), показало, че сливането произвежда тежки (r-процес) елементи и още по-силно потвърдило, че гравитационните вълни пътуват близо до скоростта на светлината. Това отвори нова ера в астрофизиката, съчетавайки гравитационни данни с електромагнитни наблюдения.

5. Явления и последствия

5.1 Сливане на черни дупки

Сливане на черни дупки (BBH) често не излъчва светлина, ако няма газ, но гравитационният сигнал сам разкрива масите, въртенето, разстоянието и крайната фаза на пръстена. Десетки открити BBH събития показват разпределение на масите (~5–80 слънчеви маси), въртене и скорост на сближаване на орбитата. Това значително разшири познанията за популациите на черните дупки.

5.2 Сблъсъци на неутронни звезди

Сблъсъци на неутронни звезди (BNS) или BH–NS могат да предизвикат кратки гама избухвания, килонови, емисия на неутрино, увеличавайки знанията за ядрена материя при много висока плътност. Произходът е такъв, че сближаването води до производство на тежки елементи чрез r-процеса. Гравитационните вълни плюс електромагнитният сигнал предоставят ценни данни за нуклеосинтезата.

5.3 Проверка на общата теория на относителността

Формата на гравитационните вълни позволява проверка на общата теория на относителността при силни гравитационни полета. До момента наблюденията не показват отклонения от ОТО – нито диполно излъчване, нито следи от масивен гравитон. Очаква се, че по-точните данни в бъдеще ще позволят откриване на фини корекции или потвърждаване на нови явления. Допълнително, честотите на пръстеновидно затихване след сливане на ЧД проверяват теоремата за „безкосмести ЧД“ (характеризирани само с маса, въртене, заряд).

6. Бъдеща астрономия на гравитационните вълни

6.1 Постоянно усъвършенствани наземни детектори

LIGO и Virgo, както и KAGRA, подобрявайки чувствителността, – Advanced LIGO се планира да достигне ~4×10-24 деформация при 100 Hz. GEO600 подпомага R&D. Следващите наблюдателни кампании (O4, O5) могат да открият стотици BH–BH сливане годишно и десетки NS–NS сливане, формирайки „каталог“, от който ще се изяснят честотата на сливане, разпределението на масите, въртенето и може би неочаквани явления.

6.2 Космически интерферометри: LISA

LISA (Laser Interferometer Space Antenna), планирана от ESA/NASA (~2030-те), трябва да открие нискочестотни (mHz) вълни от двойки свръхмасивни черни дупки, екстремално неравномерни масови съотношения при сближавания (EMRI) и може би космически струни или следи от инфлация. LISA с дължина на ръцете 2,5 млн. км в космоса ще наблюдава източници, недостъпни за земните детектори (с по-висока честота), като по този начин допълва настоящите диапазони на LIGO/Virgo.

6.3 Масиви за измерване на времето на пулсарите

Нанохерцовия диапазон изследват масиви за измерване на времето на пулсарите (PTA) – NANOGrav, EPTA, IPTA, измервайки фини отклонения в корелациите на пристигането на пулсарните сигнали. Те се стремят да открият стохастичен фон, произтичащ от двойки свръхмасивни черни дупки в ядрата. Първите възможни сигнали може би вече се появяват, очакват се по-сигурни потвърждения. Успехът би завършил покритието на спектъра на гравитационните вълни от ~kHz до нанохерци.

7. По-широко значение в астрофизиката и космологията

7.1 Формиране на компактни двойки

Каталогът на наблюденията на гравитационни вълни показва как се формират двойки черни дупки или неутронни звезди: как пътищата на звездната еволюция определят разпределението на масите и въртенето, дали принадлежат на двойни системи, как химичният състав влияе. Тези данни допълват електромагнитното наблюдение, позволявайки усъвършенстване на моделите на звездните популации.

7.2 Изследване на основната физика

Освен проверката на общата теория на относителността, гравитационните вълни могат да наложат ограничения върху други теории (напр. ако гравитонът има маса, съществуват допълнителни измерения). Те също позволяват „калибриране“ на космическата скала на разстоянията (стандартни сирени), ако знаем червеното отместване на източника – това е независим метод за измерване на константата на Хъбъл, който може да помогне за разрешаване на настоящия проблем с напрежението на Хъбъл.

7.3 Мултисигнални изследвания

Сливането на неутронни звезди (напр. GW170817) обединява гравитационни вълни и електромагнитни данни. В бъдеще ще е възможно да се детектират неутрино, ако ядрените колапси, сливането BH–NS ги излъчват. Този мултисигнален метод предоставя изключителни знания за експлозивни явления, ядрена физика, образуването на r-процесни елементи, формирането на BH. Това е подобно на неутринното наблюдение на SN 1987A, но сега на много по-високо ниво.

8. Екзотични сценарии и бъдещи възможности

8.1 Първични черни дупки и ранната Вселена

Гравитационните вълни от ранния период биха могли да произхождат от сливането на първични черни дупки, космическата инфлация или фазови преходи в микро-секундните епохи. Бъдещите детектори (LISA, ново поколение наземни интерферометри, измервания на поляризацията на КМФ) могат да забележат тези архаични следи, разкривайки ранната природа на Вселената.

8.2 Екзотични обекти или тъмно взаимодействие

Ако съществуват екзотични обекти (напр. бозонни звезди, гравастари) или нови фундаментални полета, формата на вълните от сливането им може да се различава от тази на черните дупки. Това би позволило да се усети физика, надхвърляща общата теория на относителността или указваща неизвестно взаимодействие с „тъмния сектор“. До момента не са открити аномалии, но с нарастване на чувствителността можем да открием неочаквани явления.

8.3 Възможни изненади

Исторически всеки нов „прозорец“ към космическото наблюдение е разкривал неочаквани, непредвидени явления – радио, рентгенова, гама астрономия така разшири нашия хоризонт. Гравитационната вълнова астрономия може да отвори досега немислими открития: от избухвания на космически струни до все още непознати компактни сливания или примери на спин-2 полета.

9. Заключение

Гравитационните вълни, които бяха само теоретичен нюанс на Айнщайновата теория на относителността, се превърнаха в изключително важен начин за директно изследване на най-енергичните и най-загадъчните космически събития. Откритието на LIGO през 2015 г. потвърди столетна прогноза и започна епохата на гравитационната вълнова астрономия. Последващите открития на сливане на черни дупки и неутронни звезди утвърдиха законите на относителността и разкриха космическото разнообразие на компактни двойки, недостъпно само с електромагнитни наблюдения.

Този нов космически източник на информация води до:

  • Подробни възможности за проверка на ОТО в силни гравитационни полета.
  • По-добро разбиране на звездната еволюция, водеща до сливане на черни дупки или неутронни звезди.
  • Отваряне на мултисигнална синергия с електромагнитни данни, разширявайки разбирането на астрофизиката.
  • Потенциални космологични (Хъбълова константа) измервания и тестове на екзотична физика (напр. масивен гравитон).

Поглеждайки към бъдещето, усъвършенстваните наземни интерферометри, космическите мисии като LISA и масивите за времеизмерване на пулсари ще разширят нашите възможности за слушане както по отношение на честотата, така и на разстоянието, гарантирайки, че изследванията на гравитационните вълни ще останат една от най-жизнените области на съвременната астрофизика. Надеждата да се открият напълно нови явления, да се проверят съществуващите модели или дори да се разкрият фундаментални свойства на пространствено-времевия континуум гарантира, че физиката на гравитационните вълни ще привлича вниманието на учените още дълго време.

Връзки и допълнително четене

  1. Hulse, R. A., & Taylor, J. H. (1975). „Откриване на пулсар в двойна система.“ The Astrophysical Journal Letters, 195, L51–L53.
  2. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). „Наблюдение на гравитационни вълни от сливане на двойна черна дупка.“ Physical Review Letters, 116, 061102.
  3. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2017). „GW170817: Наблюдение на гравитационни вълни от сливане на двойна неутронна звезда.“ Physical Review Letters, 119, 161101.
  4. Maggiore, M. (2008). Gravitational Waves, Volume 1: Theory and Experiments. Oxford University Press.
  5. Sathyaprakash, B. S., & Schutz, B. F. (2009). „Физика, астрофизика и космология с гравитационни вълни.“ Living Reviews in Relativity, 12, 2.
Върнете се в блога