Почему обнаружение гравитационных волн так важно?

Гравитационные волны качественно отличаются от других обнаружений.

Как бы мы ни тестировали GR раньше, все же приятно найти совершенно другой тест, который работает так же хорошо. До сих пор наиболее заметными тестами были смещение орбиты Меркурия, правильное отклонение света массивными объектами и красное смещение света, движущегося против гравитации. В этих случаях пространство-время считается статичным (неизменным во времени, без пересечения времени и пространства в метрике). С другой стороны, гравитационные волны включают в себя изменяющееся во времени пространство-время.

Гравитационные волны обеспечивают пробу силы гравитации сильного поля.

До сих пор все тесты проводились в слабых ситуациях, когда вы должны измерять вещи довольно точно, чтобы увидеть разницу между ОТО и ньютоновской гравитацией. В то время как сами гравитационные волны являются предсказанием линеаризованной гравитации и самой сутью небольших возмущений, их источниками будут очень экстремальные условия — слияние черных дыр, взрывающиеся звезды и т. д. Теперь между нашими моделями многое может пойти не так. этих экстремальных явлений и нашу запись сигнала гравитационной волны, но если сигнал согласуется с нашими предсказаниями, это признак того, что мы правы не только в отношении самих волн, но и в отношении их источников.

Гравитационные волны — это новый рубеж в астрофизике.

Этот момент часто забывают, когда мы так отвлекаемся на поиск любого сигнала. Обнаружение первых гравитационных волн — это только начало астрономических наблюдений.

Имея всего два детектора, LIGO , например, не может определять источники на небе лучше, чем «где-то там, примерно». В конце концов, по мере того, как все больше детекторов подключаются к сети, есть надежда, что они смогут лучше локализовать сигналы, чтобы мы могли одновременно наблюдать электромагнитные аналоги. То есть, если событием, вызвавшим волны, является слияние двух нейтронных звезд, можно было бы ожидать, что также будет выпущено много света. Комбинируя оба типа информации, мы можем получить немного больше знаний о системе.

Гравитационные волны также хорошо исследуют физику самых внутренних, наиболее скрытых областей во время катаклизмов. Для большинства взрывов в космосе все, что мы видим сейчас, — это послесвечение — горячая радиоактивная оболочка из оставшегося материала — и мы можем лишь косвенно делать выводы о том, какие процессы происходили в ядре. Гравитационные волны дают новый способ получить представление об этом.

Ответ Криса дает отличное объяснение того, почему гравитационные волны вообще полезны для обнаружения. Вот мое мнение (как человека, занимающегося теорией черных дыр) о том, что особенно интересно в сигнале, о котором было объявлено вчера. Многие из моих мыслей взяты из официальной пресс-конференции NSF и коллоквиумов в моем учреждении.

Само событие

Численный анализ гравитационно-волнового события, измеренного 14 сентября 2015 г., многое рассказал о природе произошедшего события.

Ниже приведен рисунок из отчета LIGO, на котором показан сигнал гравитационной волны:

( источник )

Красная линия на каждом графике — это сигнал гравитационной волны, измеренный обсерваторией в Хэнфорде, штат Вашингтон. Синяя линия — это сигнал гравитационной волны, измеренный обсерваторией в Ливингстоне, штат Луизиана. На верхнем левом графике показан только хэнфордский сигнал, а на верхнем правом графике показан сигнал Ливингстона, наложенный на хэнфордский сигнал (посмотрите, как хорошо они совпадают, доказывая, что это был не локальный источник шума, а скорее сигнал, генерируемый каким-то космическим излучением). расстояние).

Левый график во второй строке наиболее интересен. Светло-серая линия, по сути, показывает сигнал, максимально очищенный от шума (оборудование настолько чувствительно, что всевозможные вещи могут вызывать небольшие джиттеры в сигнале). Красная линия представляет форму волны, которую можно было бы предсказать методами общей численной теории относительности для системы двух черных дыр, спиралевидно сходящихся друг с другом. Не случайно наблюдаемая форма сигнала (светло-серый) и прогнозируемая форма сигнала (красный) так хорошо перекрываются.

Конечно, для проверки статистической значимости этих данных требуется большой объем анализа. Ученые из LIGO обнаружили, что со статистически значимым отклонением эта форма волны, вероятно, была создана двойной системой из двух черных дыр, каждая примерно в тридцать раз массивнее Солнца.

А теперь подробнее, что интересного в этом событии.

Черные дыры в целом

До вчерашнего дня у нас не было прямых доказательств существования черных дыр. Мы были достаточно уверены в существовании черных дыр, но только благодаря косвенным измерениям. Это первое в истории прямое измерение черной дыры — рассматриваемые объекты достаточно массивны и достаточно компактны, чтобы почти наверняка быть черными дырами. Более того, эти данные идеально согласуются с нашими общими релятивистскими предсказаниями относительно того, какое излучение будет высвобождаться при слиянии черных дыр. Это потрясающая новость: у физиков никогда не было полных доказательств того, что черные дыры существовали до вчерашнего дня, хотя общественность может принять это как должное. Черные дыры существуют, и они работают так, как мы думали. Это невероятно!

Типы черных дыр

С астрофизической точки зрения это довольно интересно, потому что обе вдохновляющие черные дыры были примерно в 30 раз массивнее Солнца (далее именуемые «массами в 30 солнечных»). У астрофизиков не было реальных убедительных доказательств существования черных дыр в этом диапазоне масс. Предполагалось, что у нас есть черные дыры в диапазоне 3-20 масс Солнца, и так называемые "сверхмассивные" черные дыры (а это миллионы, миллиарды масс Солнца? Я не астрофизик, поэтому не могу сказать тебе). Это увлекательная астрофизическая проблема — масса черной дыры должна откуда-то браться. Каков процесс образования черной дыры массой около 30 солнечных? Откуда оно берет свое? Насколько он массивен, когда впервые формируется (возможно, из звезды?),

Да, и кстати, мы не только что подтвердили существование двух черных дыр с массой около 30 солнечных. Мы подтвердили существование одной черной дыры массой 62 солнечных — черной дыры, оставшейся после слияния двух. Кстати, давайте немного поговорим об этой последней черной дыре.

Радиация

Коллективная масса двух черных дыр до их слияния составляла ~65 масс Солнца. Масса последней черной дыры составила ~62 массы Солнца.

Это означает, что 3 массы Солнца были излучены гравитационными волнами при слиянии черных дыр. Не впечатлил? Что ж, вот некоторая перспектива: согласно вчерашней конференции NSF, выходная мощность гравитационного излучения в последние моменты слияния черных дыр была больше, чем совокупная выходная мощность каждой звезды во Вселенной вместе взятых.

Это очень много энергии, очень быстро. Что происходит, когда эта энергия высвобождается? Что ж...

Звонок вниз

Это мой личный фаворит, но также и то, о чем у нас меньше всего информации. Если вы снова посмотрите на рисунок, который я включил ранее в этот ответ, скажем, на второй график в левом столбце, вы заметите, что схема выглядит следующим образом:

Слабые колебания, увеличивающиеся по амплитуде по частоте, внезапно очень быстро колеблющиеся с высокой амплитудой, а затем затихающие почти до нуля.

Это внезапное увеличение частоты называется «щебетом», и это то, что искала LIGO. Этот щебет говорит нам все, что нам нужно знать о слиянии черных дыр.

Но как насчет того, что происходит потом? Экспоненциальный спад сигнала соответствует полученной черной дыре (с массой 62 Солнца), которая переходит в стабильное состояние. Вопрос стабильности черной дыры невероятно интересен, а процесс, посредством которого черная дыра оседает после какого-либо серьезного возмущения (например, слияния с другой черной дырой), представляет собой интересный объект для изучения.

По сути, если вы столкнетесь с черной дырой, она зазвонит. Когда вы выводите черную дыру из ее стабильного состояния, вы создаете так называемые квазинормальные режимы — математические описания отклонения от равновесия — которые экспоненциально затухают со временем по мере приближения черной дыры к равновесию.

Экспериментальный сигнал не содержит много информации о звонке вниз. Мы не можем собрать много информации о том, как именно черная дыра переходит в стабильное состояние — во-первых, этот процесс не генерирует очень сильные гравитационные волны и происходит очень быстро.

Но это нормально. На рисунке мы видим, как это происходит. Мы видим, как две черные дыры сливаются, испускают три солнечных массы излучения, а затем приходят в стабильное конечное состояние. Уже одно это невероятно увлекательно.

Да, кстати, одна напутственная мысль: это слияние черных дыр произошло около миллиарда лет назад. Мы только сейчас получаем его сигнал.

В дополнение к тому, что перечисляет Крис Уайт, я хотел бы указать на то, что, кроме нескольких метеоритов и некоторого количества пыли, собранной на пластинах спутников и камней с Марса (и космических лучей, и горстки нейтрино; спасибо Руслану и Кайл Оман), до сих пор вся информация, доходящая до нас из Вселенной — будь то Солнце, более далекие планеты, другие звезды, галактики, реликтовое излучение и т. д. — поступала к нам в виде электромагнитного излучения.

Гравитационные волны — это совершенно новый способ получения знаний о Вселенной. Как от объектов, где мы также видим излучение, так и, например, в какой-то момент инфляции при Большом взрыве, когда с помощью электромагнитного излучения мы не можем заглянуть дальше, чем реликтовое излучение, через 380 000 лет после Большого взрыва (это то, что ребята из BICEP2 думали видели два года назад, а оказалось пыль…).

Кратко добавляя к ответу Криса.

Гравитационные волны ничем не заслоняются. Если заставить детекторы работать на более низких частотах (в космосе), то они смогут «видеть» гравитационные волны, исходящие из-за космического микроволнового фона вплоть до инфляционной эпохи.

Еще одна вещь, которая сегодня стала ясной, заключается в том, что бинарные слияния дают щебет, который дает массу сливающихся компонентов, но также дает точные, независимые оценки расстояния. Эти события являются эквивалентом стандартных свечей для электромагнитных волн - "стандартных сирен".

Гравитационные волны являются основным компонентом таких явлений, как слияние черных дыр.

Считается, что гравитационно-волновое событие GW150914 представляет собой слияние двух черных дыр с предполагаемыми массами 36 + 5 / -4 и 29 ± 4 массы Солнца. Окончательная масса составила 62 ± 4 массы Солнца. Если наши нынешние модели верны, то недостающие 3,0 ± 0,5 массы Солнца ( 5,3% ) были излучены в виде гравитационных волн, и это всего за 0,2 секунды.

Если бы мы не могли обнаружить гравитационные волны, то эти 5% были бы большим пробелом в наших моделях. В этом случае мы знаем, что событие произошло только потому , что мы обнаружили волны, но предположим, что мы наблюдали какое-то подобное событие в электромагнитном спектре, если бы мы не могли также обнаружить гравитационные волны, тогда это было бы большой ошибкой в ​​наших наблюдениях. событие.

С Гравитационными Волнами (ГВ) можно «знать», что Объекты есть, — обнаруживать их, не «видя» — визуально, просто потому, что объект имеет массу.

Все движущееся и имеющее массу излучает ГВ - современные детекторы чувствительны только к объектам с массой, равной массе многих солнц$2\times 10^{30} ~\rm{kg}$(2 с 30 нулями).

Представьте, когда-нибудь у нас появятся датчики-детекторы, способные обнаруживать движение любых объектов с массой, не видя их....

Одним интересным следствием является то, что гравитационные волны считаются еще одним доказательством теории инфляции, которая используется для объяснения однородности Вселенной. Если теория инфляции верна и пространство-время испытало экспоненциальное взрывное расширение, это расширение не должно было происходить с одинаковой скоростью в каждой точке пространства.

На самом деле шансы на это настолько астрономичны, что почти равны нулю. В результате одна точка в пространстве могла расширяться совершенно с другой скоростью, чем окружающие ее точки пространства (я слышал, что это сравнивают с надуванием воздушного шара с дефектом в нем, так что дефект превращается в пузырь). на поверхности при надувании).

Насколько я понимаю, вы получите огромное множество, возможно, даже бесконечное количество альтернативных вселенных , совершенно отдельных, но все же «привязанных» к другим вселенным. И поскольку каждая вселенная обладает своими собственными законами (или их отсутствием?) для описания силы, пространства, времени и т. д., мультивселенная теоретически может существовать вечно, с конечным началом, но без конца. (Источник - один из моих профессоров инженерной физики)

@ Мартин Спасибо за отзыв! По общему признанию, я в значительной степени не знаком с теорией инфляции, но я должен добавить, что профессор моего профессора был членом команды Гута, который помог разработать математику теории инфляции. В любом случае, как я понимаю, хотя существует множество жизнеспособных теорий инфляции, наиболее серьезные модели требуют наличия гравитационного излучения, возникшего в результате Большого взрыва (называемого первичными гравитационными волнами). Согласно теории Гута, инфляция произошла непосредственно перед Большим взрывом, и когда она остановилась, энергия, присутствующая в поле инфлатона, была преобразована в тепло и произошел Большой взрыв (и дедушка всех гравитационных волн).

Теория инфляции все еще довольно нова (ей всего около 40 лет или около того?), поэтому само собой разумеется, что любая новая теория, предлагаемая в настоящее время, вероятно, будет включать ОТО благодаря успеху ОТО. Итак, я предполагаю, что краткий ответ заключается в том, что современные модели инфляции, которые включают ОТО, требуют Первичных Гравитационных Волн, а если Первичные Гравитационные Волны существуют, то Гравитационные Волны существуют.

В дополнение к ответам, данным выше, я хотел бы добавить мощный теоретический аргумент.

Как известно, существует закон Кулона, который гласит, что статическое взаимодействие между заряженными телами ведет себя с расстоянием$r$в качестве$r^{-2}$. Это дальнодействующий закон: если мы коснемся одного заряда, то, согласно этому закону, одновременно почувствует изменение и другой. Эта точка зрения на электрические взаимодействия полностью изменилась, когда Максвелл понял, что световые, электрические и магнитные взаимодействия имеют одинаковую природу; поскольку скорость света конечна, теория Максвелла говорит нам, что если мы коснемся одного заряда, то информация об изменении силы - электромагнитного поля - будет распространяться с конечной скоростью - скоростью света.

Эта концепция, концепция конечности всех взаимодействий, таким образом сохраняется во всех фундаментальных теориях (согласно современной точке зрения) независимо от их природы; потому что это свойство нашего пространства-времени (этот факт фиксируется, например, в явной форме преобразований Лоренца и принципа причинности и вытекает из общих аксиом, основанных на пространственно-временных симметриях).

Общая теория относительности, например, основана на утверждении, что локально наше пространство-время похоже на пространство Минковского, что обуславливает конечность гравитационных взаимодействий. В частности, уравнения общей теории относительности на метрику (уравнения Эйнштейна), будучи линеаризованными в отсутствие материи, формально совпадают с теми, которые мы можем получить, строя свободную теорию спиральности безмассовых частиц 2, исходя из глобальной симметрии Пуанкаре. Последнее описывает волны.

С указанной точки зрения обнаружение гравитационных волн есть нечто большее, чем проверка ОТО, открытие нового метода астрофизических наблюдений или еще один способ проверки ОТО. Это проверка свойства пространства-времени, лежащего в основе всей современной фундаментальной физики.

Неполный список некоторых потенциальных клиентов:

уравнение состояния нейтронной звезды

Гравитационные волны можно использовать для проверки уравнения состояния

Внутренняя структура гамма-всплесков

Динамика гамма-всплесков до сих пор окутана тайной, и ничто так не может проникнуть во внутреннюю структуру гамма-всплесков, как гравитационные волны.

Скорость гравитационных волн

Один из самых очевидных, но до сих пор не установлено, что скорость гравитационных волн равна c (как и должно быть)

Проверка теорий гравитации

Технически ОТО можно реконструировать, ослабив предположения и допустив, например, кручения . Может быть , теория Бранса-Дикке верна ?

Гравитоны

Довольно очевидно

С момента открытия электронно-магнитного излучения способ нашего общения изменился. Так что, возможно, гравитационное излучение принесло бы что-то столь же захватывающее.