Gravitacinės bangos

Гравитационные волны

«Рябь» пространства-времени, возникающая при интенсивном ускорении массивных объектов, например, при слиянии чёрных дыр или нейтронных звёзд

Новый космический посланник

Гравитационные волны – это деформации самого пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света. Они были впервые предсказаны Альбертом Эйнштейном в 1916 году на основе решений уравнений общей теории относительности, когда распределение массы-энергии неравномерно ускоряется. Десятилетиями эти волны казались слишком слабыми, чтобы человечество могло их зафиксировать. Всё изменилось в 2015 году, когда Обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) впервые непосредственно обнаружила гравитационные волны, исходящие от сливающихся чёрных дыр. Это достижение считается одним из величайших в современной астрофизике.

В отличие от электромагнитного излучения, которое может поглощаться или рассеиваться материей, гравитационные волны почти без препятствий проходят через вещество. Они нейтрально передают информацию о самых мощных космических событиях – столкновениях чёрных дыр, слияниях нейтронных звёзд, возможно, даже коллапсах сверхновых, дополняя арсенал традиционной астрономии. По сути, детекторы гравитационных волн работают как «ухо», чувствительное к колебаниям пространства-времени, раскрывая явления, невидимые обычным телескопам.

2. Теоретические основы

2.1 Уравнения Эйнштейна и малые возмущения

Общая теория относительности основана на уравнениях поля Эйнштейна, связывающих геометрию пространства-времени gμν с тензором энергии-импульса Tμν. Вдали от массивных тел (в вакууме) справедливо Rμν = 0, следовательно, пространство-время локально плоское. Однако, рассматривая пространство-время как почти плоское с малыми возмущениями, получаются волновые уравнения:

gμν = ημν + hμν,

здесь ημν – метрика Минковского, а hμν ≪ 1 – малые поправки. Линейное решение уравнений Эйнштейна показывает, что hμν распространяется со скоростью света – это и есть гравитационные волны.

2.2 Поляризации: h+ и h×

Согласно общей теории относительности, гравитационные волны имеют два поперечных способа поляризации, обозначаемых «+» и «×». При их прохождении через наблюдателя расстояния в перпендикулярных направлениях периодически растягиваются и сжимаются. Для сравнения, электромагнитные волны имеют поперечные электрические и магнитные колебания, но с другим спином (спин-2 для гравитационных волн против спина-1 для фотонов).

2.3 Излучение энергии в двойных системах

Квадрупольная формула Эйнштейна показывает, что мощность (энергия за время), излучаемая в виде гравитационных волн, зависит от третьей производной по времени квадрупольного момента распределения массы. Сферически симметричное или дипольное движение не производит гравитационных волн, поэтому в случаях двойных систем, где массивные компактные объекты (чёрные дыры, нейтронные звёзды) вращаются друг вокруг друга, изменяющийся квадруполь вызывает значительное излучение GW. Энергия «утекает» из системы, орбита сжимается до конечного слияния, испуская мощную гравитационную волну, которую можно обнаружить даже с расстояний в сотни мегапарсек.

3. Косвенные доказательства до 2015 года

3.1 Двойной пульсар PSR B1913+16

Задолго до прямого обнаружения Рассел Халс и Джозеф Тейлор в 1974 году нашли первый двойной пульсар. Наблюдаемое сокращение его орбиты соответствовало потере энергии из-за гравитационных волн согласно прогнозам общей теории относительности с очень высокой точностью (~0,2 % погрешности). Это было косвенным подтверждением, что GW действительно отнимают орбитальную энергию [1].

3.2 Другие двойные пульсары

Другие системы (например, «двойной пульсар» J0737–3039) ещё больше подтвердили сокращение орбиты. Совпадение этих наблюдений с квадрупольной формулой ОТО убедило, что гравитационные волны существуют, хотя их не фиксировали напрямую.

4. Прямое обнаружение: LIGO, Virgo и KAGRA

4.1 Достижение LIGO (2015 г.)

После десятилетий разработки интерферометры Advanced LIGO в штатах Вашингтон (Хэнфорд) и Луизиана (Ливингстон) зафиксировали первую прямую гравитационную волну 14 сентября 2015 года (объявлено в феврале 2016 г.). Сигнал волны, названный GW150914, исходил от сливающихся ~36 и ~29 солнечных масс чёрных дыр на расстоянии ~1,3 млрд световых лет. В орбите, «вращаясь» друг вокруг друга, они излучали «щелчок» амплитуды и частоты волны, завершающийся конечным слиянием [2].

Это обнаружение подтвердило:

  • Существуют двойные чёрные дыры в локальной Вселенной.
  • Форма волны совпадает с численными моделями теории относительности.
  • Вращение чёрных дыр и конечная масса соответствуют теории.
  • Действие ОТО в режиме очень сильного поля.

4.2 Другие детекторы: Virgo, KAGRA, GEO600

Virgo (в Италии) в 2017 году полностью присоединился к наблюдениям. В августе того же года тройное обнаружение GW170814 от другого слияния BH-BH позволило лучше локализовать событие на небе и проверить поляризации. KAGRA (в Японии), установленная под землей и использующая криогенные зеркала, стремится снизить шумы, тем самым дополняя глобальную сеть. Несколько детекторов в разных местах значительно уточняют определение источника на небе и улучшают возможный поиск электромагнитного излучения.

4.3 Слияние BNS: многосигнальная астрономия

В августе 2017 года наблюдавшийся GW170817 от слияния двух нейтронных звёзд LIGO–Virgo дал также гамма-всплеск примерно через 1,7 с, а также видимые/ИК сдвиги килоновы. Это первое многосигнальное наблюдение, идентифицировавшее исходную галактику (NGC 4993), показавшее, что слияния производят тяжёлые (r-процесс) элементы и ещё более подтвердившее, что гравитационные волны распространяются со скоростью, близкой к скорости света. Это открыло новую эру астрофизики, сочетая гравитационные данные с электромагнитными наблюдениями.

5. Явления и последствия

5.1 Слияния чёрных дыр

Слияния чёрных дыр (BBH) часто не излучают свет, если отсутствуют газы, но гравитационный сигнал сам раскрывает массы, спины, расстояние и конечную фазу кольца. Десятки обнаруженных событий BBH показывают распределение масс (~5–80 масс Солнца), спины и скорость сближения орбит. Это значительно расширило понимание популяций чёрных дыр.

5.2 Столкновения нейтронных звёзд

Столкновения нейтронных звёзд (BNS) или BH–NS могут вызывать короткие гамма-всплески, килоновы, эмиссию нейтрино, расширяя знания о ядерной материи при очень высокой плотности. Происхождение таково, что сближение приводит к образованию тяжёлых элементов r-процесса. Гравитационные волны вместе с электромагнитным сигналом дают ценные данные о нуклеосинтезе.

5.3 Проверка общей теории относительности

Форма гравитационных волн позволяет проверять общую теорию относительности в условиях сильного поля. До сих пор наблюдения не показывают отклонений от ОТО – ни дипольного излучения, ни следов массивного гравитона. Ожидается, что данные с более высокой точностью в будущем позволят обнаружить тонкие поправки или подтвердить новые явления. Дополнительно, частоты кольцевания после слияния BH проверяют теорему «лысой BH» (характеризуемой только массой, спином, зарядом).

6. Будущая астрономия гравитационных волн

6.1 Постоянно совершенствуемые наземные детекторы

LIGO и Virgo, а также KAGRA, улучшая чувствительность, – Advanced LIGO планируется приблизить к ~4×10-24 деформации при 100 Гц. GEO600 помогает в НИОКР. Следующие наблюдательные кампании (O4, O5) могут обнаружить сотни слияний BH–BH в год и десятки слияний NS–NS, формируя «каталог», из которого будут выявлены частота слияний, распределение масс, спины и, возможно, неожиданные явления.

6.2 Космические интерферометры: LISA

LISA (Laser Interferometer Space Antenna), планируемая ESA/NASA (~2030-е годы), должна обнаружить волны более низкой частоты (мГц) от пар сверхмассивных чёрных дыр, экстремально неравномерных по массе сближений (EMRI) и, возможно, космических струн или следов инфляции. Длина рук LISA в космосе составляет 2,5 млн км, что позволит наблюдать источники, недоступные наземным детекторам (с более высокой частотой), дополняя текущие диапазоны LIGO/Virgo.

6.3 Массивы измерений времени пульсаров

Наногерцевый диапазон исследуют массивы измерений времени пульсаров (PTA) — NANOGrav, EPTA, IPTA, измеряя тонкие отклонения корреляций времени прихода пульсаров. Они стремятся обнаружить стохастический фон, возникающий от двойных систем сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик. Первые возможные сигналы, возможно, уже появляются, ожидаются более надёжные подтверждения. Успех завершит покрытие спектра гравитационных волн от ~кГц до наногерц.

7. Более широкое значение в астрофизике и космологии

7.1 Формирование компактных двойных систем

Каталог наблюдений гравитационных волн показывает, как формируются двойные системы чёрных дыр или нейтронных звёзд: как пути эволюции звёзд определяют распределение масс и спинов, принадлежат ли они двойным системам, как влияет химический состав. Эти данные дополняют электромагнитные наблюдения, позволяя улучшать модели популяций звёзд.

7.2 Исследование фундаментальной физики

Помимо проверки теории общей относительности, гравитационные волны могут накладывать ограничения на другие теории (например, если гравитон имеет массу, существуют дополнительные измерения). Также они позволяют «калибровать» космическую шкалу расстояний (стандартные сирены), если известен красный сдвиг источника — это независимый способ измерения постоянной Хаббла, возможно, помогающий решить текущую проблему напряжённости Хаббла.

7.3 Мультисигнальные исследования

Слияния нейтронных звёзд (например, GW170817) объединяют данные гравитационных волн и электромагнитные наблюдения. В будущем можно будет детектировать нейтрино, если ядерные коллапсы, слияния BH–NS их излучают. Такой мультисигнальный метод даёт исключительные знания о взрывных явлениях, ядерной физике, образовании элементов r-процесса, формировании BH. Это похоже на нейтринный урок SN 1987A, но теперь на гораздо более высоком уровне.

8. Экзотические сценарии и будущие возможности

8.1 Первичные чёрные дыры и ранняя Вселенная

Гравитационные волны из раннего периода могли бы возникать от слияний первичных чёрных дыр, космической инфляции или фазовых переходов в эпохи микросекунд. Будущие детекторы (LISA, новые наземные интерферометры, измерения поляризации КМФ) могут обнаружить эти архаичные следы, раскрывая природу ранней Вселенной.

8.2 Экзотические объекты или тёмное взаимодействие

Если существуют экзотические объекты (например, бозонные звёзды, гравастары) или новые фундаментальные поля, форма волн их слияний может отличаться от чёрных дыр. Это позволило бы ощутить физику, выходящую за пределы общей теории относительности или указывающую на неизвестное взаимодействие с «тёмным сектором». Пока аномалий не обнаружено, но с ростом чувствительности мы можем выявить неожиданные явления.

8.3 Возможные сюрпризы

Исторически каждый новый «окно» космических наблюдений показывал неожиданные, непредвиденные явления — радио-, рентгеновская, гамма-астрономия так расширили наш кругозор. Гравитационно-волновая астрономия может открыть пока невообразимые открытия: от всплесков космических струн до ещё не изученных компактных слияний или примеров спин-2 полей.

9. Заключение

Гравитационные волны, ранее лишь теоретический нюанс релятивистской теории Эйнштейна, стали важнейшим способом прямого изучения энергетически самых мощных и загадочных космических событий. Открытие LIGO в 2015 году подтвердило столетний прогноз, начав эпоху гравитационно-волновой астрономии. Последующие обнаружения слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд укрепили законы релятивистской теории и раскрыли космическое разнообразие компактных двойных систем, недоступное только электромагнитными наблюдениями.

Этот новый космический источник информации приводит к:

  • Тщательные возможности проверки ОТО в сильных полях.
  • Лучшее понимание эволюции звёзд, ведущей к слияниям чёрных дыр или нейтронных звёзд.
  • Открытие мультисигнальной синергии с электромагнитными данными, расширяющей понимание астрофизики.
  • Потенциальные космологические измерения (постоянной Хаббла) и тесты экзотической физики (например, массивного гравитона).

Смотря в будущее, усовершенствованные наземные интерферометры, космические миссии, такие как LISA, и массивы времени пульсаров расширят наши возможности прослушивания как по частоте, так и по дальности, обеспечивая, что исследования гравитационных волн останутся одной из самых живых областей современной астрофизики. Надежда обнаружить совершенно новые явления, проверить существующие модели или даже раскрыть фундаментальные свойства пространственно-временного континуума гарантирует, что физика гравитационных волн будет привлекать внимание учёных ещё долго.

Nuorodos ir tolesnis skaitymas

  1. Hulse, R. A., & Taylor, J. H. (1975). «Открытие пульсара в двойной системе.» The Astrophysical Journal Letters, 195, L51–L53.
  2. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). «Наблюдение гравитационных волн от слияния двойной чёрной дыры.» Physical Review Letters, 116, 061102.
  3. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2017). «GW170817: Наблюдение гравитационных волн от слияния двойной нейтронной звезды.» 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 гравитационными волнами.» Living Reviews in Relativity, 12, 2.
Вернуться в блог