Ещё один пост о гравитационных волнах Для начала, замечательный лонгрид от N+1.
Чтобы подготовить читателя, мы собрали основную информацию о гравитационных волнах в вопросах и ответах. В составлении этого материала нам помогал руководитель научной группы Российского квантового центра, профессор МГУ и участник проекта LIGO Михаил Городецкий.
— Откуда взялась идея гравитационных волн? Впервые гравитационные волны были предложены самим Эйнштейном в работе 1916, то есть почти ровно 100 лет назад.
читать дальше— Что может испускать гравитационные волны? Источником гравитационных волн является любое тело, обладающее массой, которое движется с ускорением. В модельном случае волны выводятся для пары вращающихся вокруг общего центра масс тел. Испускание волн является механизмом потери энергии для такой системы. В реальности на роль таких тел претендуют пары черных дыр или нейтронных звезд, вращающихся вокруг общего центра масс достаточно быстро и достаточно близко друг от друга. Из-за потери энергии за счет гравитационного-излучения эти тела постепенно сближаются, увеличивая скорость обращения и, тем самым, частоту испускаемых гравитационных волн, пока не сольются в одно тело. Основная часть гравитационного излучения приходится на последние доли секунды перед слиянием, когда тела начинают двигаться со скоростями, сравнимыми со скоростью света.
— Что колеблется в гравитационных волнах? Как работает LIGO? В проект входят две обсерватории на расстоянии 3002 километра друг от друга. У каждой обсерватории есть детектор. Это L-образная труба с плечами по 4 километра каждая, внутри которой создается высокий вакуум. Луч лазера расщепляют перед рукавами. Два дочерних луча проходят по рукавам, а потом вновь объединяются. Если пространство-время невозмутимо, то лучи совпадут по фазе. В том случае, если сквозь детектор проходит гравитационная волна, лучи пройдут не совсем одинаковой путь и совпадут не полностью. Образуется интерференционная картинка, которую и ищут исследователи. Когда речь идет про звуковые волны, то мы говорим о колебаниях воздуха. С гравитационными волнами все сложнее: по сути в них колеблется даже не само пространство, а его геометрия. В теории относительности гравитация описывается в терминах кривизны пространства. За геометрию в этой теории отвечает метрика: грубо говоря, это такая штука, которая каждой точке пространства-времени присваивает 10 чисел, записанных в виде симметричной 4 на 4 матрицы. Числа меняются от точки к точке и характеризуют геометрию. Собственно эта метрика и меняется периодически во времени.
— Ладно, 100 лет назад эти волны предсказали. А почему их еще не нашли? Штука в том, что гравитационные волны очень и очень слабые по всем параметрам. Вернемся к эксперименту с кругом. Представим что волна сжимает пространство так, что круг превращается в эллипс. Можно взять отношение малого радиуса к эллипсу к большому и обозначить его через h. Типичное значение h для проходящих через Землю гравитационных волн должно составлять 10-21. В оригинальной работе Эйнштейна была предсказана мощность гравитационного излучения метрового стального стержня, вращающегося с предельной скоростью — она составила 10-37 ватт. Для того, чтобы образовалась более или менее регистрируемая гравитационная волна, требуются мощные катастрофические события типа столкновения черных дыр или нейтронных звезд или взрывы близких сверхновых. Понятно, что такие события происходят достаточно редко. Но физики научились приблизительно расчитывать вероятность таких событий и, соответственно, вероятность их обнаружения при заданной чувствительности. Еще в 1992 году получили оценки, что для надежной регистрации нескольких событий в год требуется чувствительность, которые гравитационные антенны достигли только сейчас. Здесь действует простое соображение. Допустим, что при данной чувствительности расчеты показывают, что мы в среднем будем наблюдать 1 событие в сто лет. Если мы увеличим чувствительность в десять раз (как это случилось с новой антенной LIGO под названием Advanced LIGO), насколько нам это поможет. Ответ — мы будем тогда в среднем наблюдать 10 событий в год, то есть вероятность обнаружить что-то повышается в 1000 раз. Дело в том, что мы при этом в 10 раз увеличиваем расстояние на котором можем засечь событие, а значит в 1000 раз увеличиваем объем «прослушиваемого» пространства. Таким образом, короткое наблюдение современной антенны дает больше данных чем десятилетия всех предыдущих наблюдений.
— А разве совсем недавно уже не находили гравитационные волны? Да, в марте 2014 года появилась информация, что эксперимент BICEP2 такие волны нашел. Тогда речь шла не о прямой регистрации, а о наблюдении неоднородностей в поляризации реликтового излучения. Реликтовое излучение — это излучение, оставшееся от самой ранней эпохи существования Вселенной. Волны, которые ищут с помощью проекта, остались от Большого взрыва и их длина сравнима с размером Вселенной. Спустя некоторое время, однако, возникли сомнения в достоверности самого открытия. Оказалось, что авторы недостаточно учли влияние космической пыли, которая оказалась способна имитировать следы от гравитационных волн. В результате, статистическая значимость результата понижалась несколько раз, что, в конце концов закончилось статьей в Nature, отменившей по сути это открытие
— Я что-то слышал про гравитационные волны в атмосфере Земли... Есть забавная терминологическая коллизия. В гидродинамике есть класс поверхностных волн, в которых сила, возвращающая колеблющуюся поверхность к состоянию равновесия, это просто сила тяжести. Такие волны в русскоязычной терминологии тоже называются гравитационными. Штука в том, что обычные волны на поверхности пруда — это и есть гравитационные волны в этой терминологии. Их найти труда не составляет.
— Если есть волна, она несет энергию. А что является квантом гравитационных волн? В настоящее время квантовая теория гравитации не разработана. Хотя можно по аналогии с электромагнитной теорией ввести гипотетический квант гравитационного поля — гравитон, бозон без массы со спином 2. Пока попытки объединить квантовую теорию с общей теорией относительности наталкиваются на большие сложности. Есть сценарии, где гравитационные антенны могут помочь в продвижении к такому объединению.
— Как укладывается этот квант в стандартную модель? Или он не укладывается? Он не укладывается, поскольку гравитация в ОТО описывается особым образом как кривизна пространства-времени, в котором действует стандартная модель. Для введения гравитона требуется квантовая теория гравитации, которая еще не создана. Полностью материал можно прочесть тут: nplus1.ru/material/2016/02/10/grawaves
Визуальный материал к параграфу о работе LIGO:
Визуальное представление о волнах и вызывающих их процессах (с комментариями):