Gravitacinės bangos

Гравітаційні хвилі

«Мерехтіння» простору-часу, що виникає при інтенсивному прискоренні масивних об’єктів, наприклад, при злитті чорних дір або нейтронних зір

Новий космічний посланець

Гравітаційні хвилі – це деформації самого простору-часу, що поширюються зі швидкістю світла. Вперше їх передбачив Альберт Ейнштейн у 1916 році, базуючись на розв’язках рівнянь загальної теорії відносності, коли розподіл маси-енергії нерівномірно прискорюється. Десятиліттями ці хвилі здавалися надто слабкими, щоб людство могло їх зафіксувати. Все змінилося у 2015 році, коли Обсерваторія гравітаційних хвиль лазерного інтерферометра (LIGO) вперше безпосередньо виявила гравітаційні хвилі, що поширюються від злитих чорних дір. Це досягнення вважається одним із найбільших здобутків сучасної астрофізики.

На відміну від електромагнітного випромінювання, яке може поглинатися або розсіюватися матерією, гравітаційні хвилі майже безперешкодно проходять крізь матерію. Вони нейтрально передають інформацію про найпотужніші космічні події – зіткнення чорних дір, злиття нейтронних зір, можливо, навіть колапс наднових, доповнюючи арсенал традиційної астрономії. По суті, детектори гравітаційних хвиль працюють як «слух», чутливий до коливань простору-часу, що виявляє явища, невидимі звичайним телескопам.

2. Теоретичні основи

2.1 Рівняння Ейнштейна та малі збурення

Загальна теорія відносності базується на рівняннях поля Ейнштейна, які пов’язують геометрію простору-часу gμν зі стрес-енергетичним тензором Tμν. Далеко від масивних тіл (у вакуумі) виконується Rμν = 0, отже простір-час локально плоский. Але, розглядаючи простір-час як майже плоский з невеликими збуреннями, отримуємо хвильові рівняння:

gμν = ημν + hμν,

тут ημν – метрика Мінковського, а hμν ≪ 1 – малі поправки. Лінійне розв’язання рівнянь Ейнштейна показує, що hμν поширюється зі швидкістю світла – це і є гравітаційні хвилі.

2.2 Поляризації: h+ і h×

Відповідно до загальної теорії відносності, гравітаційні хвилі мають два поперечні способи поляризації, позначені «+» та «×». Коли вони проходять повз спостерігача, відстані в напрямках, перпендикулярних до руху, періодично розтягуються і стискаються. Для порівняння, електромагнітні хвилі мають поперечні електричні та магнітні коливання, але інший спін (спін-2 для гравітаційних хвиль проти спін-1 для фотонів).

2.3 Випромінювання енергії у подвійних системах

Квадрупольна формула Ейнштейна показує, що потужність (енергія за час), що поширюється у вигляді гравітаційних хвиль, залежить від третьої похідної за часом квадрупольного моменту розподілу маси. Сферично симетричний або дипольний рух не генерує гравітаційних хвиль, тому у випадках подвійних систем, де масивні компактні об’єкти (чорні діри, нейтронні зорі) обертаються один навколо одного, змінний квадруполь викликає значне випромінювання GW. Енергія «витікає» зі системи, орбіти стискаються до кінцевого злиття, випромінюючи потужну гравітаційну хвилю, яку можна виявити навіть з сотень мегапарсек.

3. Непрямі докази до 2015 року

3.1 Подвійний пульсар PSR B1913+16

Задовго до прямого виявлення Рассел Халс і Джозеф Тейлор у 1974 році знайшли перший подвійний пульсар. Спостережуване скорочення його орбіти відповідало втраті енергії через гравітаційні хвилі, згідно з прогнозами загальної теорії відносності, з дуже високою точністю (~0,2 % похибка). Це було непряме підтвердження, що GW реально забирають орбітальну енергію [1].

3.2 Інші подвійні пульсари

Інші системи (наприклад, «подвійний пульсар» J0737–3039) ще більше підтвердили скорочення орбіти. Збіг цих спостережень із формулою квадруполя ОТО переконував, що гравітаційні хвилі існують, хоча їх безпосередньо не було зафіксовано.

4. Пряме виявлення: LIGO, Virgo та KAGRA

4.1 Досягнення LIGO (2015 р.)

Після десятиліть розробок інтерферометри Advanced LIGO у штатах Вашингтон (Генфорд) та Луїзіана (Лівінгстон) зафіксували першу пряму гравітаційну хвилю 14 вересня 2015 року (оголошено у лютому 2016). Сигнал хвилі, названий GW150914, походив від злиття приблизно 36 та 29 сонячних мас чорних дір на відстані близько 1,3 млрд світлових років. У орбіті, «обертаючись», вони випромінювали «щебет» амплітуди та частоти хвилі, що завершився кінцевим злиттям [2].

Це виявлення підтвердило:

  • Існують подвійні чорні діри у локальному Всесвіті.
  • Форма хвилі збігається з чисельними моделями відносності.
  • Обертання чорних дір і кінцева маса відповідають теорії.
  • Дію ОТО у режимі надсильного поля.

4.2 Інші детектори: Virgo, KAGRA, GEO600

Virgo (в Італії) у 2017 році повністю приєднався до спостережень. У серпні того ж року потрійне виявлення GW170814 від іншого злиття BH-BH дозволило краще локалізувати подію на небі та перевірити поляризації. KAGRA (в Японії), розташована під землею та що використовує кріогенні дзеркала, прагне зменшити шуми, таким чином доповнюючи світову мережу. Кілька детекторів у різних місцях значно уточнюють визначення джерела на небі та покращують можливий електромагнітний пошук.

4.3 Злиття BNS: багатосигнальна астрономія

У серпні 2017 року спостережений GW170817 від злиття двох нейтронних зірок LIGO–Virgo дав також гамма-спалах приблизно через 1,7 с, а також видимі/ІЧ відблиски кілонової. Це перше багатосигнальне спостереження, що ідентифікувало початкову галактику (NGC 4993), показало, що злиття виробляють важкі (r-процес) елементи і ще більше підтвердило, що гравітаційні хвилі рухаються зі швидкістю, близькою до світлової. Це відкрило нову еру астрофізики, поєднуючи гравітаційні дані з електромагнітними спостереженнями.

5. Явища та наслідки

5.1 Злиття чорних дір

Злиття чорних дір (BBH) часто не випромінюють світло, якщо немає газу, але гравітаційний сигнал сам розкриває маси, спіни, відстань і кінцеву фазу кільця. Десятки виявлених подій BBH показують розподіл мас (~5–80 сонячних мас), спіни та швидкість зближення орбіти. Це значно розширило розуміння популяцій чорних дір.

5.2 Зіткнення нейтронних зірок

Зіткнення нейтронних зірок (BNS) або ЧД–НЗ можуть спричинити короткі гамма-спалахи, кілонові, емісію нейтрино, розширюючи знання про ядерну матерію за умов дуже високої щільності. Походження таке, що зближення спричиняє виробництво важких елементів r-процесу. Гравітаційні хвилі разом з електромагнітним сигналом дають цінні дані про нуклеосинтез.

5.3 Перевірка загальної теорії відносності

Форма гравітаційних хвиль дозволяє перевіряти загальну теорію відносності в умовах сильного поля. До цього часу спостереження не показують відхилень від ЗТВ – ні дипольного випромінювання, ні слідів масивного гравітона. Очікується, що дані вищої точності в майбутньому дозволять виявити тонкі поправки або підтвердити нові явища. Додатково, частоти кільцевих коливань після злиття ЧД перевіряють теорему «безволосих ЧД» (характеризованих лише масою, спіном, зарядом).

6. Астрономія гравітаційних хвиль майбутнього

6.1 Постійне вдосконалення наземних детекторів

LIGO і Virgo, а також KAGRA, покращуючи чутливість, – Advanced LIGO планується довести до ~4×10-24 деформації при 100 Гц. GEO600 допомагає в R&D. Наступні кампанії спостережень (O4, O5) можуть виявити сотні злиттів ЧД–ЧД на рік і кілька десятків злиттів НЗ–НЗ, формуючи «каталог», з якого стане відомо частоту злиттів, розподіл мас, спіни та, можливо, несподівані явища.

6.2 Космічні інтерферометри: LISA

LISA (лазерна космічна антена-інтерферометр), запланована ESA/NASA (~2030-ті роки), має виявляти низькочастотні (мГц) хвилі від пар надмасивних чорних дір, екстремально нерівномасових зближень (EMRI) і, можливо, космічних струн або слідів інфляції. Довжина рук LISA у космосі становитиме 2,5 млн км, що дозволить спостерігати джерела, недоступні для земних детекторів (вищої частоти), доповнюючи поточні діапазони LIGO/Virgo.

6.3 Масиви вимірювань часу пульсарів

Наногерцовий діапазон досліджують масиви вимірювань часу пульсарів (PTA) – NANOGrav, EPTA, IPTA, вимірюючи тонкі відхилення кореляцій часу приходу пульсарів. Вони прагнуть виявити стохастичний фон, що походить від пар надмасивних чорних дір у ядрах галактик. Перші можливі сигнали, можливо, вже з’являються, очікуються надійні підтвердження. Успіх завершить покриття спектра гравітаційних хвиль від ~кГц до наногерц.

7. Ширше значення в астрофізиці та космології

7.1 Формування компактних пар

Каталог спостережень гравітаційних хвиль показує, як формуються пари чорних дір або нейтронних зір: як шляхи еволюції зір визначають розподіл мас і спінів, чи належать вони до подвійних систем, як впливає хімічний склад. Ці дані доповнюють електромагнітне спостереження, дозволяючи вдосконалювати моделі зоряних популяцій.

7.2 Дослідження фундаментальної фізики

Окрім перевірки загальної теорії відносності, гравітаційні хвилі можуть накладати обмеження на інші теорії (наприклад, якщо гравітон має масу, існують додаткові виміри). Вони також дозволяють «калібрувати» космічний масштаб відстаней (стандартні сирени), якщо відомий червоний зсув джерела – це незалежний спосіб вимірювання сталої Габла, що може допомогти розв’язати нинішню проблему напруги Габла.

7.3 Багатосигнальні дослідження

Злиття нейтронних зір (наприклад, GW170817) поєднують гравітаційно-хвильові та електромагнітні дані. У майбутньому можна буде детектувати нейтрино, якщо ядерні колапси, злиття ЧД–НЗ їх випромінюють. Такий багатосигнальний метод дає унікальні знання про вибухові явища, ядерну фізику, утворення елементів r-процесу, формування ЧД. Це схоже на нейтринний урок SN 1987A, але тепер на значно вищому рівні.

8. Екзотичні сценарії та майбутні можливості

8.1 Первинні чорні діри та ранній Всесвіт

Гравітаційні хвилі з раннього періоду могли б походити від первинних чорних дір, злиттів, космічної інфляції або фазових переходів у мікросекундні епохи. Майбутні детектори (LISA, нове покоління наземних інтерферометрів, вимірювання поляризації КМФ) можуть зафіксувати ці архаїчні сліди, розкриваючи ранню природу Всесвіту.

8.2 Екзотичні об'єкти або темна взаємодія

Якщо існують екзотичні об'єкти (наприклад, бозонові зорі, гравастари) або нові фундаментальні поля, форма їхніх злиттів може відрізнятися від чорних дір. Це дозволило б відчути фізику, що виходить за межі загальної теорії відносності або вказує на невідому взаємодію з «темним сектором». Поки аномалій не виявлено, але з підвищенням чутливості ми можемо виявити несподівані явища.

8.3 Можливі несподіванки

Історично кожне нове «вікно» космічного спостереження виявляло несподівані, непередбачені явища – радіо-, рентгенівська, гамма-астрономія так розширили наш кругозір. Астрономія гравітаційних хвиль може відкрити поки що немислимі відкриття: від спалахів космічних струн до ще не вивчених компактних злиттів чи прикладів спін-2 полів.

9. Висновок

Гравітаційні хвилі, які раніше були лише теоретичним нюансом Ейнштейна у теорії відносності, стали надзвичайно важливим способом безпосередньо досліджувати енергійніші та загадковіші космічні події. Відкриття LIGO у 2015 році підтвердило столітню передбачення, започаткувавши еру астрономії гравітаційних хвиль. Подальші виявлення злиттів чорних дір і нейтронних зірок закріпили закони відносності та розкрили космічне різноманіття компактних подвійних систем, недосяжне лише електромагнітними спостереженнями.

Це нове космічне джерело інформації призводить до:

  • Ретельні можливості перевірки ЗТ у сильному полі.
  • Краще розуміння еволюції зірок, що веде до злиття чорних дір або нейтронних зірок.
  • Багатосигнальна синергія з електромагнітними даними, розширюючи розуміння астрофізики.
  • Потенційні космологічні (постійна Хабла) вимірювання та тести екзотичної фізики (наприклад, масивний гравітон).

Дивлячись у майбутнє, вдосконалені наземні інтерферометри, космічні місії як LISA та масиви часу пульсарів розширять наші можливості слухання як у частотному, так і в дистанційному сенсі, забезпечуючи, що дослідження гравітаційних хвиль залишаться однією з найжвавіших галузей сучасної астрофізики. Сподівання виявити цілком нові явища, перевірити існуючі моделі або навіть розкрити фундаментальні властивості простору-часу гарантують, що фізика гравітаційних хвиль ще довго привертатиме увагу науковців.

Посилання та подальше читання

  1. Hulse, R. A., & Taylor, J. H. (1975). “Відкриття пульсара в подвійній системі.” The Astrophysical Journal Letters, 195, L51–L53.
  2. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). “Спостереження гравітаційних хвиль від злиття подвійної чорної діри.” Physical Review Letters, 116, 061102.
  3. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2017). “GW170817: Спостереження гравітаційних хвиль від злиття подвійної нейтронної зорі.” 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). “Фізика, астрофізика та космологія з гравітаційними хвилями.” Living Reviews in Relativity, 12, 2.
Повернутися до блогу