Топ-100 Обнаружение гравитационных волн

Регистрация гравитационных волн

Главное научное открытие десятилетия

Слияние двух черных дырГравитационные волны были впервые зарегистрированы напрямую 14 сентября 2015 года двумя детекторами коллаборации LIGO, расположенными в Северной Америке. Они появились как результат слияния двух черных дыр (в 29 и 36 раз тяжелее Солнца), превратившихся в одну, с массой в 62 раза больше солнечной. При этом примерно три солнечные массы были выделены в виде гравитационных волн с максимальной мощностью излучения, в  50 раз превосходившую мощность излучения всей видимой вселенной. Это событие произошло 1,3 миллиарда лет назад.

Такой эксперимент стал небывалым прорывом, ведь ранее удавалось провести лишь косвенные наблюдения за потерей энергии пульсарами. Полученные данные еще раз подтвердили общую теорию относительности, сформулированную в  1915 году Альбертом Эйнштейном, и прекрасно уложились в существующие теоретические модели.

Физики смогли продемонстрировать астрономам новые пути в изучении космоса с помощью гравитации. До этого основной объем информации о далеких объектах получали, используя электромагнитные диапазоны (оптический, рентгеновский, инфракрасный и ультрафиолетовый).

Научная коллаборация LIGO была создана именно физиками, в то время как астрономы продолжали исследовать космос традиционными методами. Технически проект LIGO состоит из двух обсерваторий в Ливингстоне и Хэнфорде, расстояние между ними составляет 3002 километра. Ожидается, что гравитационные волны распространяются со скоростью света и такое расстояние даст разницу в показаниях в 10 миллисекунд, что позволит узнать направление сигнала.

Коллаборация LIGO объединяет более чем тысячу ученых из США и 14 других стран. Россия представлена двумя группами из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород).

Что же такое гравитационные волны?

Струны во Вселенной на ранних этапах ее развитияГравитационные волны - изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Излучаются движущимися массами, но после излучения отрываются от них и существуют независимо от этих масс. Математически связаны с возмущением метрики пространства-времени и могут быть описаны как «рябь пространства-времени».

Для наглядности можно привести аналогию  с шариком на капроне. Если шарик начнет двигаться, то капрон, выступающий в роли пространства – времени, начнет колебаться. От движущегося шарика начнут распространяться волны, являющиеся аналогами гравитационных колебаний.

Что нас ждет

Совершенствование методов регистрации гравитационных волн приведет к революции в науке. В перспективе это позволит c высокой точностью измерить скорость расширения 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.

Препятствием для новых методов изучения вселенной может стать стоимость подобных обсерваторий, к примеру, затраты на обсерватории проекта LIGO составили примерно 370 миллионов долларов.

Что такое черная дыра

Детектор LIGOВ 1916 году немецким ученым Карлом Шварцшильдом было найдено первое решение для уравнений общей теории относительности Эйнштейна. В нем описывается гравитационное поле, которое создано центрально – симметричным распределением масс, обладающих нулевым 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.

Шварцшильд описал статическую (то есть не вращающуюся) черную дыру, в природе таких, вероятно, не существует. В реальности такой объект будет вращаться, и иметь ненулевой заряд, для чего ему достаточно поглотить хотя бы одну заряженную частицу. Описание вращающихся черных дыр впервые сделано Роем Керром в 1963 году.