В космосе нашли гравитационные волны, меняющие пространство и время. Что это значит?

Что за гравитационные волны?

Гравитационные 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». 

В общей теории относительности, а также в большинстве других современных указано, что гравитационные волны появляются от движения массивных тел с переменным ускорением. Гравитационные волны свободно распространяются в пространстве со скоростью света. Они имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Гравитационные волны впервые они были обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами обсерватории LIGO, на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух черных дыр и образования одной более массивной вращающейся черной дыры. 

Любая двойная звезда при вращении ее компонентов вокруг общего центра масс теряет энергию (как предполагается — за счет излучения гравитационных волн) и в конце концов сливается воедино. Но для обычных, некомпактных, двойных звезд этот процесс занимает очень много времени, намного больше настоящего возраста Вселенной.

Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звезд, черных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Затем на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая, по некоторым оценкам, более 50% от массы системы.

Как находят гравитационные волны?

Регистрировать гравитационные волны достаточно сложно из-за их слабости. Приборами для их регистрации являются детекторы гравитационных волн. Попытки обнаружения предпринимались с конца 1960-х годов.

Гравитационные волны детектируемой амплитуды рождаются при коллапсе двойного пульсара. Подобные события происходят в окрестностях нашей галактики ориентировочно раз в десятилетие. Наиболее сильными и достаточно частыми источниками гравитационных волн для гравитационных телескопов и антенн являются катастрофы, связанные с коллапсами двойных систем в ближайших галактиках. Ожидается, что в ближайшем будущем на усовершенствованных гравитационных детекторах будет регистрироваться несколько подобных событий в год, искажающих метрику в окрестности Земли на 10⁻²¹—10⁻²³. 

Новые способы обнаружить гравитационные волны

В 2017 году ученые, проводившие эксперимент под названием «Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория» (LIGO), получили Нобелевскую премию по физике за первое в истории прямое обнаружение гравитационных волн, образовавшихся при слиянии двух черных дыр, находящихся примерно в 1,3 млрд световых лет от Земли. Волны, возникшие при этом столкновении, нарушили гравитационно-волновой фон Вселенной и достигли Земли.

Помимо подобных разовых сильных возмущений, которые астрофизики уже научились фиксировать, существует так называемый фон гравитационных волн — постоянный поток гравитационного излучения, которое, согласно теории, постоянно омывает Землю.

Еще одной возможностью обнаружить фон гравитационных волн, заполняющих Вселенную, является высокоточный тайминг удаленных пульсаров — анализ времени прихода их импульсов, которые характерным образом изменяются под действием проходящих через пространство между Землей и пульсаром гравитационных волн.

По оценкам на 2013 год, точность тайминга необходимо поднять примерно на один порядок, чтобы можно было задетектировать фоновые волны от множества источников в нашей Вселенной, и эта задача может быть решена до конца десятилетия. Но прохождение гравитационной волны должно слегка, на несколько наносекунд, менять время регистрации этих вспышек. Таким образом, точно отслеживая тайминг далеких пульсаров, теоретически можно обнаружить и гравитационно-волновой фон галактики. Это подтверждают предварительные результаты проекта NANOGrav.

Какие новые гравитационные волны нашли ученые?

Ученые заявили, что им удалось обнаружить признаки постоянного гравитационного излучения, которое проходит через Вселенную и искажает ткань пространства-времени.

Мы обнаружили сильный сигнал в нашем наборе данных. Пока мы не можем сказать, что это фоновые гравитационные волны, но наша цель становится все ближе. 

Джозеф Саймон, астрофизик и ведущий автор статьи

По словам авторов, никакие другие обсерватории не в состоянии обнаружить фоновые гравитационные волны, потому что ориентированы на поиск разовых событий продолжительностью несколько секунд. В рамках эксперимента ученые отслеживают 45 пульсаров на протяжении нескольких лет — и уже обнаружили признаки слабых изменений в их периодичности. Пульсары можно сравнить с галактическими маяками, постоянно находящимися на одном и том же месте.

Мы же ищем волны, длящиеся годы или десятилетия. Согласно теории, слияние галактик и другие космологические события вызывают постоянный всплеск огромных гравитационных волн. Требуются годы или даже дольше, чтобы одна такая волна прошла мимо Земли. По этой причине никакие другие существующие эксперименты не могут обнаружить их напрямую. 

Джозеф Саймон, астрофизик и ведущий автор статьи

Проходящие гравитационные волны изменяют устойчивую картину света, исходящего от пульсаров, увеличивая или сжимая относительные расстояния, которые эти лучи проходят через пространство. Другими словами, ученые теоретически могут обнаружить фон гравитационных волн, отслеживая коррелированные изменения времени прибытия на Землю излучения пульсаров.

Что делают эти гравитационные волны?

Проходящие гравитационные волны изменяют устойчивую картину света, исходящего от пульсаров, увеличивая или сжимая относительные расстояния, которые эти лучи проходят через пространство. Другими словами, ученые теоретически могут обнаружить фон гравитационных волн, отслеживая коррелированные изменения времени прибытия на Землю излучения пульсаров. Тем не менее, для окончательных выводов этого недостаточно. Поэтому астрономы озвучили планы по созданию IPTA — сети инструментов, которые позволят регистрировать такие отклонения для большого количества пульсаров.

Обнаружение гравитационно-волнового фона будет большим шагом вперед, но только первым шагом. Следующим этапом станет обнаружение их источников, а далее — всего нового, что они способны рассказать нам о Вселенной. 

Джозеф Саймон, астрофизик и ведущий автор статьи

Читать далее

Исследование: люди не смогут управлять сверхразумными машинами с ИИ

Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят

Посмотрите на самые красивые снимки «Хаббла». Что увидел телескоп за 30 лет?