CC BY
18
УДК 004.056.53
Ишкулов Э.Р. студент 4 курса Сиротин И.В. студент 4 курса Прянишников Н.А. студент 4 курса
факультет «Телекоммуникаций и Радиотехники»
ФГБОУ ВО ПГУТИ Россия, г. Самара Ishkulov E.R.
Sirotin I.V.
Pryanishnikov N.A. 4th year student
Faculty of " Telecommunications and Radio Engineering" Volga State University of Telecommunications and Informatics
Russia, Samara
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ
Аннотация: Данная статья посвящена открытию гравитационных волн, проблеме их обнаружения, в том числе какой проект внес большой вклад в открытие.
Ключевые слова: Гравитационные волны, черные дыры, пульсар,
LIGO.
GRAVITATIONAL WAVES
Abstract: This article is devoted to the discovery of gravitational waves, the problem of their detection, including which project made a great contribution to the discovery.
Keywords: Gravitational waves, black holes, pulsar, LIGO.
Гравитационные волны предсказал Альберт Эйнштейн ровно 103 года назад, в 1916 году. Это малая часть его общей теории относительности, но может ли гравитационные волны понять обычный человек, если честно вряд ли. Ведь для этого нужно понять, что многое чему нас учили, неправда. Например, что все орбиты по которым вращаются планеты, на самом деле не круги, а прямые линии, что это не мы падаем на землю, а она непрерывно падает на нас снизу, и что гравитации как силы, вообще не существует, это всего лишь искажение в самой ткани вселенной. Конечно, мы продолжаем использовать физику Ньютоном, потому что она удобнее, и вполне подходит для наших нужд. Но на самом деле в науке безраздельно правит теория относительности.
Как мы знаем теория относительности, годится не только для изучений далекой вселенной и ядерных реакций, у нее есть и более осязаемое доказательства, это GPS в нашем телефоне. Дело в кривизне пространства-времени, на очень высоких орбитах и скоростях, как у спутников GPS (20000 км), время течет немного быстрее чем на земле, отличие крохотное 38 микросекунд в сутки. Но GPS-у нужна точность в 50 наносекунд. Если бы
Эйнштейн ошибался, систему GPS уводила бы на 10 км. в сутки, и она стала бы совершенно бесполезна.
Волна — это такое периодичное колебание, которое переносит энергию на расстояние. Одни волны распространяются сквозь материю, как волны на море, другие сквозь энергетические поля, как электромагнитные волны (радиосигналы, свет, рентген и т.д.). Но гравитационные волны особенные, они составляют колебаться не поле и даже не материю они колеблют саму ткань пространства-времени. Это та самая ткань, в которой Ньютон нам не помощник. Выглядит это примерно так:
Проблема в том, что пространство-время, очень жесткая штука, если бы мы каким-то образом попытались его согнуть, она оказалась бы в 8.3 * 1020 раз жестче алмаза (1024 < 1200 Гпа), поэтому гравитационные волны такие слабые, их почти невозможно заметить, даже если бы вы были размером с атом, вы бы их все равно не почувствовали. Но почему они такие слабые, ведь гравитациия удерживает вместе звезды, планеты и галактики? Дело в том, что волны, это всего лишь побочный эффект гравитации, как рябь на воде, побочный эффект движения корабля.
Их существование было косвенно доказано при изучении пульсара PSR B1913+16, за это в 1993г. Джозефу Хотону Тейлору дали нобелевскую премию. Именно радиотелескоп «Аресибо», нашел особые двойные пульсары, они выбрасывали гравитационную энергию так быстро, что сближались на глазах у ученых. И все-таки напрямую засечь и измерить гравитационные волны, никак не получалось.
Как же их тогда измерить? Очень просто, взять очень большую линейку, причем сверх прямую и сверх точную, и ждать пока она сожмется или растянется, а что сверх прямое, и точное точное, конечно же лазерный луч. Именно так работает детектор проекта LIGO. По сути, это две трубы с зеркалами на концах, каждой длиной 4 км. Один лазерный луч делят на двое, и запускают в эти трубы, затем лучи вновь объединяются, и образуют особый узор, это называется интерференцией света. Малейшие изменения в длине луча, и узор сразу меняется, поэтому из труб откачан воздух, а сам детектор тщательно изолирован от любых вибраций, вроде сейсмическх толчков, проезжающих поездов, или ветра. Точность интерферометра LIGO: они могут измерить колебания равной 1/1000 ширины протона.
Мало того, таких линеек нужно две, что бы одна подтверждала результы другой, в данном случае LIGO Хэнфорд и LIGO Ливингстон, удаленных друг от друга на 3002 километра. Кроме того, два детектора работают как наш уши, по задержке (в 10 миллисекунд) в прибытие сигнала и другим отличиям, они могут определить направление на источник зарегистрированного сигнала. Но даже с такими супер линейками, мы можем уловить только самый сильный гравитационные волны во вселенной. Например от столкновения черных дыр или нейтронных звезд.
На расстоянии около 1,3 млрд. световых лет от земли, больше миллирда лет назад, столкнулись две черные дыры,каждая из них была массой 36 и 29 солнечных масс, но при этом крохотной, меньше московской
области. Эти дыры миллионы лет вращались друг вокруг друга, они были такими тяжелыми и вращались так быстро, что теряли гравитационную энергию, поэтому со временем становились все ближе. Наконец этот танец длиной в миллионы лет закончился, причем всего за несколько секунд, под конец дыры оказались всего в десяти километрах друг от друга, а крутилиси они так быстро, что делали десятки и даже сотни оборотов в секунду, почти со скоростью света. Перед столкновением, черные дыры крутились так быстро, что буквально дергали пространтсво-время вокруг себя с невероятной силой, а значит гравитационная рябь вокруг них, становилась все сильнее. Ученые подсчитали, что всего за одну последнюю секунду они высвободили гравитационной энергии примерно в три раза больше, чем энергия солнца за всю его прошлую и будущую жизнь. Для сравнения, вращение нашей земли вокруг солнца вырабатывает целых 200 Вт гравитационных волн.
Самое интересное, что мы чуть не пропустили это зрелище. В 2010 году детекторы LIGO отключили, чтобы сделать им апгрейт и увеличить чувствительность, потом в 2015году LIGO снова запустили, но лишь в тестовом режиме. Буквально за три дня до настоящего, официального запуска LIGO,14-ого сентября 2015 года, эхо ужасного столкновения черных дыр, наконец долетела до земли, при этом все остальные лазерные линейки в мире (VIRGO, GEO600, TAMA300) тогда не работали или были слишком слабыми. Так LIGO, все же смог уловить весточку, которая шла к нам миллиард лет. Об открытии было объявлено 11 февраля 2016 года.
Но все-таки, зачем нам сейчас нужны гравитационные волны? Что они меняют? Почему об этом все говорят? Видите ли, Эйнштейн и его коллеги, смотрели далеко в будущее, как бинокль. Люди которые смотрели под ноги казалось, что их теории бесполезная ерунда. Но мы знаем, что потом из этих теорий вышла ядерная энергия, GPS, компьютеры и множество других вещей которыми мы пользуемся сейчас. Также многие люди 18-ого века думали, что электричество годится только для забавных фокусов, например для экспериментов над лягушками, а паровой двигатель изобрели еще в древней греции, но он стал всего лишь игрушкой для богатых. Сейчас мы тоже как и тогда, смотрим себе под ноги. Мы пока не знаем, что они нам подарят, но уже знаем, что они могут нам рассказать в ближайшие годы. Например сигнал LIGO стал первым надежным доказательством того, что черные дыры существуют, раньше мы находили их только по косвенным признакам. В этом есть своя ирония, ведь при жизни сам Эйнштейн был против гипотезы о существовании черных дыр. К тому же у нас появились новые глаза для наблюдения за вселенной. Например многие считают, что в центре нашей галактики, сверхмассивная черная дыра, теперь если на нее что-нибудь «упадет», мы сможем это зарегистрировать. Говорят, что с помощью гравитационных волн, получится доказать или опровергнуть теорию струн. Уже сейчас строятся новые гравитационные телескопы (Телескоп Эйнштейна), а через 16 лет в космос полетит новая гравитационная лазерная линейка ( eLISA), только в этот раз длиной в 1 млн. км.. Она будет в тысячу
раз точнее, будет ловить сотни сигналов в год, и даже сможет точно показать от куда они прилетели. Поэтому если сегодня вас спросят, зачем мерить гравитационные волны, просто вспомните о том, что может быть когда-нибудь, мы и сами научимся искривлять пространство и время.
Использованные источники:
1. A Brief History of Gravitational Waves [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.mdpi.com/2218-1997/2/3/22
2. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett. 116.061102
3. Гравитационные волны [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www.femto.com.ua/articles/part 1/0855.html
4. Открытие гравитационных волн: теоретические аспекты [Электронный ресурс] - Режим доступа: https: //phys.msu.ru/rus/about/sovphys/ISSUES-2016/02(118)-2016/22790/
