Гравитационные волны — последнее предсказание Эйнштейна

Существование гравитационных волн — последнее предсказание Альберта Эйнштейна в рамках Общей Теории Относительности, которое до сих пор не смогли подтвердить с помощью прямых наблюдений. Но в последнее время это понятие часто попадает в заголовки новостей в контексте возможного обнаружения c помощью инструмента LIGO.

Так что же такое гравитационные волны и действительно ли их открыли?



Альберт Эйнштейн, имея крайне мало реальных данных, смог предсказать множество физических явлений и сложить их в элегантную теорию. Учёные до сих пор находят её экспериментальные подтверждения, хотя и прошло уже больше ста лет.

Эйнштейн показал, что гравитация — всего лишь иллюзия. На деле же это искривления пространства-времени, вызванные объектами обладающими массой. И такой подход имеет ряд последствий, которые не ограничиваются всемирным тяготением.

Среди правильных догадок Эйнштейна можно выделить замедление времени в гравитационных полях, гравитационное линзирование, увлечение инерциальных систем отчета вблизи вращающихся массивных тел — все они были подтверждены экспериментами. Эйнштейн смог предсказать все это вслепую, практически без ошибок.

Но есть еще одно следствие из ОТО (Общей Теории Относительности), которое до сих пор не нашло должного подтверждения — гравитационные волны.

Гравитационные волны и ОТО

В понимании Эйнштейна гравитация — это не сила, а искривление пространства-времени. Чтобы лучше себе это представить, возьмите кусок ткани (пространства-времени), натяните его, а затем положите сверху тяжелый шарик (планету или звезду). Ткань вокруг шарика продавится и сформирует «колодец». Благодаря искривлениям вокруг шарика, остальные объекты будут менять свою траекторию, проходя рядом, по сравнению с тем, как бы они путешествовали по ровной ткани — они будут «притягиваться» друг к другу. И чем массивнее шарик, тем больше «колодец», тем сильнее притяжение.

Данная аналогия не на 100% верная, но для понимая концепции гравитационных волн вполне достаточна.

Начните двигать шарик, и сможете увидеть «волны» бегущие по ткани. Они похожи на те, которые расходятся после того, как камень войдет в гладкую воду.

Подобная ситуация должна происходить и с гравитацией. Возьмите ускоряющийся нужным образом массивный объект, и он начнет производить «волны». Расходящиеся флуктуации пространства-времени, которое то сжимается, то разжимается.

Для этого вам нужно движение массы, которые не будет иметь сферической или цилиндрической симметрии. Т.е. вращающаяся сфера или цилиндр не будут производить гравитационных волн. Но если в систему добавить, например, две сферы с общим центром вращения, то ситуация кардинально меняется.

Как выглядят гравитационные волны?

Гравитационные волны — это флуктуации в плотности пространства-времени, которое то сжимается, то разжимается. Так что если бы гравитационная волна прошла сквозь вас, то вы бы становились то выше и уже, то ниже и толще. И так пока волна не пройдет.

Как и привычные нам волны, скорость распространения их зависит от «упругости» среды, через которую они путешествуют. В данном случае такой средой выступает само пространство-время, а гравитационные волны путешествуют со скоростью света.

В этом нет ничего удивительного, здесь нет чудесных совпадений. Скорость света на самом деле никак не зависит от света. Это скорость причинности — свойство пространства-времени, глубоко зашитое в саму его природу.

Скорость света в уравнении Эйнштейна

В Общей Теории Относительности это отображено в уравнении Эйнштейна, где «вшита» скорость света.

Как можно засечь гравитационные волны?

Для начала нужно понимать, откуда гравитационные волны могут появиться. Самые мощные их источники — это либо сближающиеся нейтронные звезды или черные дыры, которые перед коллапсом вращаются друг вокруг друга на сумасшедших скоростях, либо мощнейшие взрывы сверхновых.

Но есть проблема.

Даже если мы возьмем потенциальное столкновение двух массивных черных дыр, которые мы бы смогли увидеть, результирующие колебания пространства-времени на Земле имели бы порядок 10^-21. Так что, например, ваш рост менялся бы менее, чем на одну миллионную часть радиуса протона.

Как следствие, это делает обнаружение гравитационных волн, даже самых мощных, очень скрупулезной задачей, требующей невероятной точности.

Конечно, случись коллапс черных дыр относительно недалеко от Земли, эффекты был бы сильнее. Но события, приводящие к мощным гравитационным волнам, происходят в отдельно взятой галактике раз в сотни тысяч лет. Поэтому можно надеяться увидеть только эффекты от далеких событий, произошедших в других галактиках за сотни миллионов световых лет.

Именно из-за сложности эксперимента гравитационные волны остаются последним предсказанием ОТО, которое до сих пор не получило прямого подтверждения.

При этом есть непрямые подтверждения. За них была вручена Нобелевская премия по физике в 1993. Ученые Джозеф Тейлор мл. и Рассел Халс наблюдали за парными нейтронными звездами, которые сливались воедино. В процессе они наблюдали за энергетическим излучением от данных событий, и их результаты в точности совпадали с вычислениями, учитывающими эффект гравитационных волн.

Эксперимент LIGO

Но как можно заметить изменения в длине в миллионную долю ширины протона? Как и многие проблемы в физике, эта решается с помощью лазеров.

Инструмент LIGO, построенный специально для такого эксперимента, представляет собой огромный интерферометр Майкельсона-Морли. С помощью похожего эксперимента эта пара ученых доказала отсутствие эфира еще в 1887 году.

Интерферометр

Смысл эксперимента заключается в том, что луч лазера делится на две части, каждая из которых путешествует туда-сюда по перпендикулярным четырехкилометровым вакуумным тоннелям между зеркалами. И так 400 раз. После этого лучи снова сводятся вместе. Если никаких нарушений не было и интерферометр построен достаточно точно, то в результате, волны двух частей изначального луча наложатся так, что мы получим интерференционную картину, при которой волны будут «перекрывать» друг друга.

Размеры LIGO

Если же какие-то нарушения во время путешествия лучей будут присутствовать (например, гравитационные волны), то их можно будет увидеть на итоговой интерференционной картине.

Но в данном случае проблема очевидна. Cтать причиной подобных нарушений может что угодно!

Однако отличить гравитационную волну от проезжающего вагона метро вдали все же можно по характерному поведению в виде определенных колебаний на «выходе» интерферометра.

Из-за высокой вероятности ошибки эксперимент проводили одновременно в нескольких местах. Изначально с LIGO работали три лаборатории — две в США и одна в Италии (VIRGO). И за время наблюдений с 2002 по 2010 было обнаружено ровно ноль гравитационных волн. Ни одной.

Это вовсе не значит, что нужно опускать руки. Во-первых, вероятность события, которое бы спровоцировало гравитационные волны нужной мощности, крайне мала. Во-вторых, чувствительность LIGO была относительно невысока. Инструмент мог обнаруживать изменения в порядка 1/1000 радиуса протона.

Advanced LIGO

Проект LIGO закрыли, чтобы запустить Advanced LIGO — с увеличением чувствительности в 10 раз. Т.е. «область наблюдения» увеличилась сразу в 1000 раз, а это сильно повышает шансы, что нужная гравитационная волна возникнет и будет замечена.

Свою работу обновленный LIGO начал 18 сентября 2015 года. И, возможно, гравитационные волны уже были обнаружены.

Если слухи подтвердятся, то, судя по всему, был уловлен сигнал от двух сливающихся массивных черных дыр.

Подобные результаты будут еще проверяться, перепроверяться и пере-перепроверяться. Команда LIGO даже специально внедряет ложные сигналы, чтобы убедиться, что процесс валидации результатов работает правильно. При этом только три человека из сотен работников лаборатории знают, настоящий сигнал или нет. Все для того, чтобы на 100% убедиться, что если гравитационные волны обнаружат, то это будут точно они, а не какая-то случайная ошибка.

Так что если все подтвердится, то последнее предсказание ОТО Альберта Эйнштейна получит прямое подтверждение. А еще судьба ближайшей Нобелевской премии по физике потеряет какую-либо интригу. Но все же стоит дождаться официальных подтверждений от команды LIGO. Пока что обнаружение гравитационных волн не более чем слух.

Если это произойдет, то это во многом изменит наше понимание Вселенной и, возможно, даст нам новый способ наблюдать и изучать такие объекты как черные дыры, нейтронные звезды и сверхновые.

Даже если сигнал все же окажется фейком или банальной ошибкой, у Advanced LIGO есть еще очень много времени для поисков, а вы теперь знаете, что же такое гравитационные волны и как их ищут.

UPD: 11 февраля 2016 года лаборатория LIGO официально подтвердила первое в истории экспериментальное обнаружение гравитационных волн!

1
Автор: Антон Поздняков