Открытие гравитационных волн

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Current event marker.png В статье описываются текущие события.
Информация может быстро меняться по мере развития событий.
Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал

Об экспериментальном открытии гравитационных волн коллаборациями LIGO и VIRGO было объявлено 11 февраля 2016 года.

История поиска гравитационных волн[править]

Существование гравитационных волн впервые было предсказано в 1916 году[1][2] Альбертом Эйнштейном, основываясь на его теории относительности[3]. Ввиду крайней слабости предсказанных эффектов, долгие годы подтвердить (или опровергнуть) их существование не представлялось возможным. Первое косвенное свидетельство существования гравитационных волн было получено в 1974 году благодаря наблюдению за тесной системой двух нейтронных звёзд PSR B1913+16, за это открытие Рассел Халс и Джозеф Тейлор получили в 1993 году Нобелевскую премию по физике[4][5].

Слияние чёрных дыр[править]

Двойные системы массивных объектов, например система двух чёрных дыр, постоянно излучают гравитационные волны. Излучение постепенно сокращает их орбиты и в конечном счете приводит к их слиянию, порождающему в момент слияния особенно мощную гравитационную волну, буквально «прокатывающуюся» по всей вселенной. Гравитационную волну такой силы способны зарегистрировать гравитационные телескопы. Однако слияния двух чёрных дыр происходят крайне редко[6].

Для поиска сигналов от слияния чёрных дыр в гравитационных волнах необходимо знать форму излучаемых при этих событиях волн. Для этого применяются методы численной относительности — для расчёта сетки базовых моделей слияний, а между ними используются аналитические приближения, основанные на постньютоновском формализме высокого порядка.

Регистрация события GW150914[править]

Сигнал слияния двух чёрных дыр с амплитудой в максимуме около 10−21 был зарегистрирован 14 сентября 2015 года в 9:50:45 UTC двумя детекторами LIGO: сначала в Ливингстоне, а через 7 миллисекунд — в Хэнфорде, в области максимальной амплитуды сигнала (0,2 секунды) комбинированное отношение сигнал—шум составило 24:1. Событие получило обозначение GW150914.

Сигнал был первоначально задетектирован в течение трёх минут после прибытия программой Coherent WaveBurst,[7] ищущей сигналы произвольной формы в потоке данных LIGO и разработанной под руководством физиков Университета Флориды советского происхождения Сергея Григорьевича Клименко и Генаха Викторовича Мицельмахера[8].

Первым из людей, обратившим внимание на сигнал, считается итальянский постдок Марко Драго, работающий в Институте гравитационной физики Общества Макса Планка в Ганновере. На рабочую почту Драго 14 сентября 2015 года через три минуты после получения подозрительного сигнала от LIGO пришло уведомление. Драго оповестил другого постдока из Ганновера Эндрю Лундгрена, в 12:00 по местному времени они позвонили в центры управления в Ливингстоне и Хэнфорде. Примерно через час после получения уведомления (около 11:00 UTC) Драго разослал мейл по всей коллаборации LIGO.[9][10]

Около 6:30 по местному времени (10:30 UTC) Клименко стал проверять электронный почтовый ящик, где уже находилось уведомление от его программы о том, что произошло нечто интересное. Около 07:15 (11:15 UTC) он предупредил о случившемся коллег, работавших на детекторах.[11]

Затем сигнал был подтверждён второй программой, предназначенной для поиска сигналов от слияний компактных двойных по теоретическим образцам[6].

Форма сигнала совпадает с предсказанием общей теории относительности для слияния двух чёрных дыр массами 36±5 и 29±4 солнечных. Возникшая чёрная дыра имеет массу 62±4 массы Солнца и параметр вращения a = 0.67±0.05. Излучённая за десятые доли секунды в слиянии энергия — эквивалент 3±0.5 солнечных масс[12][13][6].

Местонахождение источника[править]

Расстояние до источника было вычислено из сравнения выделившейся мощности, оценку которой дают массы чёрных дыр, и измеренной амплитуды сигнала — 10−21. Расстояние оказалось равным примерно 1,3 млрд световых лет (410±160 мегапарсек, красное смещение z = 0.09±0.03).

Направление на источник сигнала определяется через разницу во времени прохождения сигнала через детекторы. При наличии лишь двух детекторов LIGO эта разница во времени позволяет определить только угол между направлением распространения сигнала и прямой, соединяющей детекторы. Это задаёт конус, на поверхности которого может находиться источник. На карте звёздного неба возможная область нахождения источника выглядит как тонкое кольцо — толщина кольца тем меньше, чем ниже погрешности измерения.

Задержка сигнала составила 6.9±0.5 мс, это позволило вычислить, что источник сигнала GW150914 лежит на конусе, створ которого направлен в южную небесную полусферу. На карте звёздного неба область, где находится источник сигнала, представляет собой тонкое кольцо площадью 140 кв. градусов (с вероятностью 50 %) или 590 кв. градусов (с вероятностью 90 %).

При наличии трёх детекторов, не расположенных на одной прямой, можно было бы указать одно из двух возможных направлений на источник (две точки пересечения двух окружностей на небесной сфере), а четыре детектора позволили бы однозначно определить направление.

Научные результаты[править]

Открытие привело к следующим новым научным результатам[14][15]:

См. также[править]

Примечания[править]

  1. Einstein, A (June 1916). "Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin part 1: 688–696.
  2. Einstein, A (1918). "Über Gravitationswellen". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin part 1: 154–167.
  3. Finley, Dave. "Einstein's gravity theory passes toughest test yet: Bizarre binary star system pushes study of relativity to new limits.". Phys.Org. 
  4. Castelvecchi, Davide (11 February 2016). "Einstein's gravitational waves found at last". Nature News. DOI:10.1038/nature.2016.19361. Проверено 11 February 2016.
  5. Einstein's gravitational waves 'seen' from black holes, BBC News, 11 February 2016.
  6. а б в B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger". Physical Review Letters 116 (6). DOI:10.1103/PhysRevLett.116.061102.
  7. Discovery of gravitational waves
  8. Gravitational waves detected 100 years after Einstein’s prediction — на сайте Флоридского университета
  9. Here’s the first person to spot those gravitational waves | Science | AAAS
  10. Представлен обнаруживший гравитационные волны ученый: Космос: Наука и техника: Lenta.ru
  11. ТАСС: Наука - Гравитационные волны обнаружены в США с помощью алгоритма русского ученого Сергея Клименко
  12. "GRAVITATIONAL WAVES DETECTED 100 YEARS AFTER EINSTEIN’S PREDICTION" (in English). VIRGO. Retrieved 2016-02-11. 
  13. Emanuele Berti (2016-02-11). "Viewpoint: The First Sounds of Merging Black Holes" (in English). Physical Review Letters. Retrieved 2016-02-11. 
  14. Игорь Иванов (11.02.2016). "Гравитационные волны — открыты!". Элементы Большой Науки. Retrieved 2016-02-14.  Unknown parameter |lang= ignored (help); Check date values in: |date= (help)
  15. Сергей Попов, Эмиль Ахмедов, Валерий Рубаков, Анатолий Засов (12.02.2016). "Точка зрения: Что изменит открытие гравитационных волн". ПостНаука. Retrieved 2016-02-14.  Unknown parameter |lang= ignored (help); Check date values in: |date= (help)

Ссылки[править]