As ondas gravitacionais estão abertas! O que a descoberta das ondas gravitacionais significa para a pessoa média

Agora vivemos em um Universo cheio de ondas gravitacionais.

Antes do anúncio histórico na manhã de quinta-feira da reunião da National Science Foundation (NSF) em Washington, havia apenas rumores de que o Observatório de Ondas Gravitacionais Interferométricas a Laser (LIGO) havia descoberto um componente-chave da Teoria Geral da Relatividade de Albert Einstein, mas agora sabemos a realidade é mais profunda, do que pensávamos.

Com incrível clareza, o LIGO foi capaz de "ouvir" o momento anterior à fusão do sistema binário (dois buracos negros girando em torno um do outro) em um único todo, criando um sinal de onda gravitacional tão claro de acordo com o modelo teórico que não requerem discussão. O LIGO testemunhou o "renascimento" de um poderoso buraco negro, que aconteceu há cerca de 1,3 bilhão de anos.

Ondas gravitacionais sempre foram e sempre serão, passando pelo nosso planeta (na verdade, passando por nós), mas só agora sabemos como encontrá-los. Agora abrimos nossos olhos para vários sinais cósmicos, vibrações causadas por eventos de energia conhecidos, e estamos testemunhando o nascimento de uma nova área astronomia.

O som de dois buracos negros se fundindo:

“Agora podemos ouvir o universo”, disse Gabriela Gonzalez, física e porta-voz do LIGO, durante a reunião triunfante de quinta-feira. nova era: O campo da astronomia gravitacional é agora uma realidade."

Nosso lugar no Universo está mudando muito e essa descoberta pode ser fundamental, como a descoberta das ondas de rádio e o entendimento de que o Universo está se expandindo.

A Teoria da Relatividade Torna-se Mais Válida

As tentativas de explicar o que são as ondas gravitacionais e por que são tão importantes são tão complexas quanto as equações que as descrevem, mas encontrá-las não só fortalece as teorias de Einstein sobre a natureza do espaço-tempo, como agora temos uma ferramenta para sondar a parte do universo que era invisível para nós. Agora podemos estudar as ondas cósmicas criadas pelos eventos mais energéticos do universo e talvez usar as ondas gravitacionais para fazer novas descobertas físicas e explorar novos fenômenos astronômicos.

“Agora temos que provar que temos a tecnologia para ir além da descoberta de ondas gravitacionais, porque isso abre muitas oportunidades para nós”, disse Lewis Lehner, do Instituto de Física Teórica de Ontário, em entrevista após a declaração de quinta-feira.

A pesquisa de Lehner se concentra em objetos densos (como buracos negros) que criam poderosas ondas gravitacionais. Embora não esteja associado à colaboração do LIGO, Lehner rapidamente percebeu a importância dessa descoberta histórica. “Não há sinais melhores”, disse ele.

A descoberta se baseia em três caminhos, raciocina. Primeiro, agora sabemos que as ondas gravitacionais existem e sabemos como detectá-las. Em segundo lugar, o sinal detectado pelas estações LIGO em 14 de setembro de 2015 é uma forte evidência da existência de um sistema binário de buracos negros, e cada buraco negro pesa várias dezenas de massas solares. O sinal é exatamente o que esperávamos ver como resultado da fusão de dois buracos negros, um pesando 29 vezes o Sol e o outro 36 vezes. Em terceiro lugar, e talvez o mais importante, "a possibilidade de ser enviado para um buraco negro" é definitivamente a evidência mais forte da existência de buracos negros.

Intuição cósmica

Este evento foi acompanhado de sorte, como muitas outras descobertas científicas. O LIGO é o maior projeto financiado pelo National Fundação Científica que começou em 2002. Descobriu-se que depois de muitos anos de busca pelo sinal indescritível das ondas gravitacionais, o LIGO não é sensível o suficiente e em 2010 os observatórios foram congelados, enquanto o trabalho cooperação internacional para aumentar sua sensibilidade. Cinco anos depois, em setembro de 2015, nasceu o "LIGO melhorado".

Na época, o cofundador do LIGO e peso-pesado da física teórica, Kip Thorne, estava confiante no sucesso do LIGO, dizendo à BBC: "Estamos aqui. Nós atingimos o campo grande jogo. E está bem claro que vamos levantar o véu do sigilo.” E ele estava certo, alguns dias após a reconstrução, uma onda de ondas gravitacionais varreu nosso planeta, e o LIGO foi sensível o suficiente para detectá-las.

Essas fusões de buracos negros não são consideradas nada de especial; estima-se que tais eventos ocorram a cada 15 minutos em algum lugar do universo. Mas foi essa fusão que aconteceu no lugar certo (a uma distância de 1,3 bilhão de anos-luz) na hora certa (1,3 bilhão de anos atrás) para os observatórios LIGO captarem seu sinal. Era um sinal puro do universo, e Einstein o previu, e suas ondas gravitacionais se revelaram reais, descrevendo um evento cósmico 50 vezes mais poderoso que o poder de todas as estrelas do universo juntas. Essa enorme explosão de ondas gravitacionais foi registrada pelo LIGO como um sinal de chirp de alta frequência à medida que os buracos negros espiralavam em um.

Para confirmar a propagação das ondas gravitacionais, o LIGO consiste em duas estações de observação, uma na Louisiana e outra em Washington. Para eliminar falsos positivos, o sinal da onda gravitacional deve ser detectado em ambas as estações. Em 14 de setembro, o resultado foi obtido primeiro na Louisiana e depois de 7 milissegundos em Washington. Os sinais combinaram e, com a ajuda da triangulação, os físicos conseguiram descobrir que se originaram no céu do Hemisfério Sul.

Ondas gravitacionais: como podem ser úteis?

Então, temos a confirmação do sinal de fusão do buraco negro, e daí? Esta é uma descoberta histórica, o que é compreensível - 100 anos atrás, Einstein não podia nem sonhar em descobrir essas ondas, mas aconteceu.

Teoria geral A relatividade foi uma das realizações científicas e filosóficas mais profundas do século 20 e forma a base da pesquisa mais intelectual da realidade. Na astronomia, as aplicações da relatividade geral são claras: desde a lente gravitacional até a medição da expansão do universo. Mas não está nada claro uso pratico teorias de Einstein, mas o máximo de tecnologias modernas usar lições da teoria da relatividade em algumas coisas que são consideradas simples. Por exemplo, pegue os satélites de navegação global, eles não serão precisos o suficiente a menos que uma simples correção para a dilatação do tempo (prevista pela relatividade) seja aplicada.

É claro que a relatividade geral tem aplicações no mundo real, mas quando Einstein apresentou sua teoria em 1916, sua aplicação era altamente questionável, o que parecia óbvio. Ele simplesmente conectou o Universo como o via, e a teoria geral da relatividade nasceu. E agora outro componente da teoria da relatividade foi comprovado, mas como as ondas gravitacionais podem ser usadas? Astrofísicos e cosmólogos estão definitivamente intrigados.

“Depois de coletarmos dados de pares de buracos negros que atuarão como faróis espalhados pelo universo”, disse o físico teórico Neil Turok, diretor do Instituto de Física Teórica, na quinta-feira, durante uma apresentação em vídeo. velocidade de expansão do universo, ou a quantidade de energia escura com extrema precisão, muito mais precisa do que podemos hoje.”

“Einstein desenvolveu sua teoria com algumas pistas da natureza, mas com base em uma sequência lógica. Em 100 anos, você verá uma confirmação muito precisa de suas previsões.”

Além disso, o evento de 14 de setembro tem algumas características físicas que ainda precisam ser exploradas. Por exemplo, Lehner notou que a partir da análise de um sinal de onda gravitacional, pode-se medir o "spin" ou momento angular de uma fusão de um buraco negro. "Se você trabalha em uma teoria há muito tempo, deve saber que um buraco negro tem um giro muito, muito especial", disse ele.

A formação de ondas gravitacionais durante a fusão de dois buracos negros:

Por alguma razão, a rotação final do buraco negro é mais lenta do que o esperado, indicando que os buracos negros estão colidindo em baixa velocidade, ou eles estavam em uma colisão que fez com que o momento angular da junta se opusesse. "É muito interessante, por que a natureza fez isso?", disse Lehner.

Este quebra-cabeça recente pode trazer de volta alguma física básica que foi deixada de fora, mas, mais intrigante, pode revelar uma física “nova”, incomum que não se encaixa na relatividade geral. E isso revela outras aplicações das ondas gravitacionais: por serem criadas por fortes fenômenos gravitacionais, temos a capacidade de sondar esse ambiente de longe, com possíveis surpresas pelo caminho. Além disso, poderíamos combinar as observações do astro fenômenos físicos com forças eletromagnéticas para entender melhor a estrutura do universo.

Inscrição?

Naturalmente, após os grandes anúncios feitos a partir do complexo de descobertas científicas, muitas pessoas fora do comunidade científica estão interessados ​​em como eles podem afetá-los. A profundidade da descoberta pode ser perdida, o que, é claro, também se aplica às ondas gravitacionais. Mas considere outro caso, quando Wilhelm Roentgen descobriu os raios X em 1895, durante experimentos com tubos de raios catódicos, poucas pessoas sabem que apenas alguns anos depois, essas ondas eletromagnéticas se tornará um componente-chave na medicina cotidiana, desde o diagnóstico até o tratamento. Da mesma forma, com a primeira criação experimental de ondas de rádio em 1887, Heinrich Hertz confirmou as equações eletromagnéticas conhecidas de James Clerk Maxwell. Só depois de algum tempo, na década de 90 do século XX, Guglielmo Marconi, que criou o rádio transmissor e o rádio receptor, provou sua aplicação prática. Além disso, as equações de Schrödinger que descrevem mundo complexo a dinâmica quântica está agora sendo usada no desenvolvimento da computação quântica ultrarrápida.

Tudo descobertas científicasúteis, e muitos eventualmente têm usos diários que damos como garantidos. Atualmente, a aplicação prática das ondas gravitacionais está limitada à astrofísica e cosmologia - agora temos uma janela no "universo escuro" que não é visível à radiação eletromagnética. Sem dúvida, cientistas e engenheiros encontrarão outros usos para essas pulsações cósmicas além de sentir o universo. No entanto, para detectar essas ondas, deve haver bom progresso em engenharia óptica no LIGO, em que novas tecnologias aparecerão ao longo do tempo.

Os astrofísicos confirmaram a existência de ondas gravitacionais, cuja existência foi prevista por Albert Einstein há cerca de 100 anos. Eles foram registrados usando detectores do observatório de ondas gravitacionais LIGO, localizado nos Estados Unidos.

Pela primeira vez na história, a humanidade registrou ondas gravitacionais - flutuações no espaço-tempo que chegaram à Terra a partir da colisão de dois buracos negros que ocorreram longe no Universo. Cientistas russos também contribuem para esta descoberta. Na quinta-feira, os pesquisadores falam sobre sua descoberta em todo o mundo - em Washington, Londres, Paris, Berlim e outras cidades, incluindo Moscou.

A foto mostra uma imitação da colisão de buracos negros

Em uma coletiva de imprensa no escritório da Rambler & Co, Valery Mitrofanov, chefe da parte russa da colaboração LIGO, anunciou a descoberta das ondas gravitacionais:

“Estamos honrados em participar deste projeto e apresentar os resultados para vocês. Vou agora dizer-lhe o significado da descoberta em russo. Nós vimos belas fotos apresentando detectores LIGO dos EUA. A distância entre eles é de 3.000 km. Sob a influência de uma onda gravitacional, um dos detectores se deslocou, após o que os descobrimos. No início, vimos apenas ruído no computador e, em seguida, começou o acúmulo da massa dos detectores Hamford. Depois de calcular os dados obtidos, pudemos determinar que foram os buracos negros que colidiram a uma distância de 1,3 mlrd. anos-luz daqui. O sinal era muito claro, ele saiu do barulho com muita clareza. Muitos nos disseram que tivemos sorte, mas a natureza nos deu esse presente. Ondas gravitacionais foram descobertas - com certeza."

Os astrofísicos confirmaram rumores de que, usando os detectores do observatório de ondas gravitacionais LIGO, eles conseguiram detectar ondas gravitacionais. Essa descoberta permitirá que a humanidade faça progressos significativos na compreensão de como o universo funciona.

A descoberta ocorreu em 14 de setembro de 2015, simultaneamente por dois detectores em Washington e Louisiana. O sinal chegou aos detectores como resultado da colisão de dois buracos negros. Tanto tempo levou os cientistas para se certificarem de que eram as ondas gravitacionais que eram o produto da colisão.

A colisão de buracos ocorreu a uma velocidade de cerca de metade da velocidade da luz, que é aproximadamente 150.792.458 m/s.

“A gravidade newtoniana foi descrita no espaço plano, e Einstein a traduziu para o plano do tempo e sugeriu que ela o dobrasse. A interação gravitacional é muito fraca. Na Terra, a experiência de criar ondas gravitacionais é impossível. Eles foram capazes de detectá-los somente após a fusão dos buracos negros. O detector mudou, imagine, de 10 a -19 metros. Não toque com as mãos. Apenas com a ajuda de instrumentos muito precisos. Como fazer isso? O feixe de laser com o qual a mudança foi detectada é único na natureza. A antena de gravidade a laser LIGO de segunda geração entrou em operação em 2015. A sensibilidade permite registrar as perturbações gravitacionais cerca de uma vez por mês. Este é o mundo avançado e a ciência americana, não há nada mais preciso no mundo. Esperamos que seja capaz de superar o limite quântico padrão de sensibilidade”, explicou a descoberta. Sergey Vyatchanin, funcionário da Faculdade de Física da Universidade Estadual de Moscou e da colaboração LIGO.

O limite quântico padrão (SQL) na mecânica quântica é uma limitação imposta à precisão de uma medição contínua ou muitas vezes repetida de uma quantidade descrita por um operador que não comuta consigo mesmo em momentos diferentes. Previsto em 1967 por V. B. Braginsky, e o termo Limite Quântico Padrão (SQL) foi proposto posteriormente por Thorne. O SQL está intimamente relacionado com a relação de incerteza de Heisenberg.

Resumindo, Valery Mitrofanov falou sobre planos para mais pesquisas:

“Esta descoberta é o início de uma nova astronomia de ondas gravitacionais. Através do canal de ondas gravitacionais, esperamos aprender mais sobre o Universo. Conhecemos a composição de apenas 5% da matéria, o resto é um mistério. Os detectores gravitacionais permitirão que você veja o céu em "ondas gravitacionais". No futuro, esperamos ver o começo de tudo, ou seja, radiação de fundo Big Bang e entender o que exatamente aconteceu então.

Pela primeira vez, as ondas gravitacionais foram propostas por Albert Einstein em 1916, ou seja, quase exatamente 100 anos atrás. A equação para ondas é uma consequência das equações da teoria da relatividade e não é derivada da maneira mais simples.

O físico teórico canadense Clifford Burgess publicou anteriormente uma carta dizendo que o observatório havia detectado radiação gravitacional causada pela fusão de um sistema binário de buracos negros com massas de 36 e 29 massas solares em um objeto com massa de 62 massas solares. A colisão e o colapso gravitacional assimétrico duram frações de segundo e, durante esse tempo, até 50% da massa do sistema entra em radiação gravitacional - as ondulações do espaço-tempo.

Uma onda gravitacional é uma onda gravitacional gerada na maioria das teorias da gravidade pelo movimento de corpos gravitacionais com aceleração variável. Tendo em vista a relativa fraqueza das forças gravitacionais (em comparação com outras), essas ondas devem ter uma magnitude muito pequena, difícil de registrar. Sua existência foi prevista há cerca de um século por Albert Einstein.

Ondas Gravitacionais - Imagem do Artista

As ondas gravitacionais são perturbações da métrica do espaço-tempo que se afastam da fonte e se propagam como ondas (as chamadas "ondulações do espaço-tempo").

Na teoria geral da relatividade e na maioria das outras teorias modernas da gravidade, as ondas gravitacionais são geradas pelo movimento de corpos massivos com aceleração variável. As ondas gravitacionais propagam-se livremente no espaço à velocidade da luz. Devido à relativa fraqueza das forças gravitacionais (em comparação com outras), essas ondas têm uma magnitude muito pequena, difícil de registrar.

onda gravitacional polarizada

As ondas gravitacionais são previstas pela teoria da relatividade geral (GR), muitas outras. Eles foram detectados diretamente pela primeira vez em setembro de 2015 por dois detectores gêmeos, que registraram ondas gravitacionais, provavelmente resultantes da fusão dos dois e da formação de mais um buraco negro giratório massivo. A evidência indireta de sua existência é conhecida desde a década de 1970 - a relatividade geral prevê a taxa de convergência de sistemas próximos que coincide com as observações devido à perda de energia para a emissão de ondas gravitacionais. O registro direto de ondas gravitacionais e seu uso para determinar os parâmetros de processos astrofísicos é tarefa importante física e astronomia modernas.

No quadro da relatividade geral, as ondas gravitacionais são descritas por soluções das equações de Einstein do tipo onda, que representam uma perturbação da métrica espaço-tempo movendo-se à velocidade da luz (em uma aproximação linear). A manifestação desta perturbação deve ser, em particular, uma mudança periódica na distância entre duas massas de teste em queda livre (isto é, não afetadas por nenhuma força). Amplitude h onda gravitacional é uma quantidade adimensional - uma mudança relativa na distância. As amplitudes máximas previstas de ondas gravitacionais de objetos astrofísicos (por exemplo, sistemas binários compactos) e fenômenos (explosões, fusões, capturas por buracos negros, etc.) h=10 −18 -10 −23). Uma onda gravitacional fraca (linear), de acordo com a teoria geral da relatividade, transporta energia e momento, move-se à velocidade da luz, é transversal, quadrupolo e é descrita por dois componentes independentes localizados em um ângulo de 45° entre si. (tem duas direções de polarização).

Várias teorias preveem a velocidade de propagação das ondas gravitacionais de diferentes maneiras. Na relatividade geral, é igual à velocidade da luz (em uma aproximação linear). Em outras teorias da gravidade, pode assumir qualquer valor, inclusive ad infinitum. De acordo com os dados do primeiro registro de ondas gravitacionais, sua dispersão se mostrou compatível com o gráviton sem massa, e a velocidade foi estimada como igual a velocidade Sveta.

Geração de ondas gravitacionais

Um sistema de duas estrelas de nêutrons cria ondulações no espaço-tempo

Uma onda gravitacional é emitida por qualquer matéria que se mova com aceleração assimétrica. Para o surgimento de uma onda de amplitude significativa, é necessária uma massa extremamente grande do emissor ou/e grandes acelerações, a amplitude da onda gravitacional é diretamente proporcional à primeira derivada da aceleração e a massa do gerador, ou seja, ~ . No entanto, se algum objeto está se movendo em uma taxa acelerada, isso significa que alguma força está agindo sobre ele do lado de outro objeto. Por sua vez, este outro objeto experimenta a ação inversa (de acordo com a 3ª lei de Newton), enquanto acontece que m 1 uma 1 = − m 2 uma 2 . Acontece que dois objetos irradiam ondas gravitacionais apenas em pares e, como resultado da interferência, eles se extinguem mutuamente quase completamente. Portanto, a radiação gravitacional na teoria da relatividade geral sempre tem o caráter de radiação pelo menos quadrupolar em termos de multipolaridade. Além disso, para emissores não relativísticos, a expressão para a intensidade de radiação contém um pequeno parâmetro onde é o raio gravitacional do emissor, r- seu tamanho característico, T- período característico de movimento, cé a velocidade da luz no vácuo.

As fontes mais fortes de ondas gravitacionais são:

  • colidindo (massas gigantes, acelerações muito pequenas),
  • colapso gravitacional de um sistema binário de objetos compactos (aceleração colossal em grande massa). Como privado e mais caso interessante- a fusão de estrelas de nêutrons. Em tal sistema, a luminosidade da onda gravitacional está próxima da maior luminosidade de Planck possível na natureza.

Ondas gravitacionais emitidas por um sistema de dois corpos

Dois corpos movendo-se em órbitas circulares em torno de um centro de massa comum

Dois corpos gravitacionalmente ligados com massas m 1 e m 2, movendo-se não relativisticamente ( v << c) em órbitas circulares em torno de seu centro de massa comum a uma distância r umas das outras, irradiam ondas gravitacionais da seguinte energia, em média ao longo do período:

Como resultado, o sistema perde energia, o que leva à convergência dos corpos, ou seja, à diminuição da distância entre eles. Velocidade de aproximação dos corpos:

Por sistema solar, por exemplo, o subsistema e produz a maior radiação gravitacional. A potência desta radiação é de aproximadamente 5 quilowatts. Assim, a energia perdida pelo sistema solar para a radiação gravitacional por ano é completamente desprezível em comparação com a energia cinética característica dos corpos.

Colapso gravitacional de um sistema binário

Qualquer estrela binária, quando seus componentes giram em torno de um centro de massa comum, perde energia (como se supõe - devido à emissão de ondas gravitacionais) e, no final, se funde. Mas para estrelas binárias comuns, não compactas, esse processo leva muito tempo, muito mais do que a idade atual. Se o sistema binário compacto consiste em um par de estrelas de nêutrons, buracos negros ou uma combinação de ambos, a fusão pode ocorrer em vários milhões de anos. Primeiro, os objetos se aproximam e seu período de revolução diminui. Então, no estágio final, há uma colisão e um colapso gravitacional assimétrico. Esse processo dura uma fração de segundo e, durante esse tempo, a energia é perdida em radiação gravitacional, que, segundo algumas estimativas, é mais de 50% da massa do sistema.

Soluções exatas básicas das equações de Einstein para ondas gravitacionais

Ondas do corpo de Bondi - Pirani - Robinson

Essas ondas são descritas por uma métrica da forma . Se introduzirmos uma variável e uma função , então das equações GR obtemos a equação

Tirar nenhuma métrica

tem a forma , -funções, satisfazem a mesma equação.

Métrica Rosen

Onde satisfazer

Métrica Perez

Em que

Ondas Cilíndricas Einstein-Rosen

Em coordenadas cilíndricas, tais ondas têm a forma e são cumpridas

Registro de ondas gravitacionais

O registro de ondas gravitacionais é bastante complicado devido à fraqueza do último (pequena distorção da métrica). Os instrumentos para seu registro são detectores de ondas gravitacionais. Tentativas de detectar ondas gravitacionais foram feitas desde o final da década de 1960. Ondas gravitacionais de amplitude detectável são produzidas durante o colapso de um binário. Eventos semelhantes ocorrem nas proximidades aproximadamente uma vez por década.

Por outro lado, a relatividade geral prevê uma aceleração da rotação mútua de estrelas binárias devido à perda de energia para a emissão de ondas gravitacionais, e este efeito foi registrado de forma confiável em vários sistemas conhecidos de objetos compactos binários (em particular, pulsares com companheiros compactos). Em 1993, "pela descoberta de um novo tipo de pulsar que deu novas possibilidades no estudo da gravidade" aos descobridores do primeiro pulsar duplo PSR B1913+16, Russell Hulse e Joseph Taylor Jr. foi premiado premio Nobel em física. A aceleração de rotação observada neste sistema coincide completamente com as previsões da relatividade geral para a emissão de ondas gravitacionais. O mesmo fenômeno foi registrado em vários outros casos: para os pulsares PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (geralmente abreviado como J0651) e o sistema binário RX J0806. Por exemplo, a distância entre os dois componentes A e B da primeira estrela binária dos dois pulsares PSR J0737-3039 diminui cerca de 2,5 polegadas (6,35 cm) por dia devido à perda de energia para ondas gravitacionais, e isso acontece de acordo com relatividade geral. Todos esses dados são interpretados como confirmação indireta da existência de ondas gravitacionais.

Segundo estimativas, as fontes mais fortes e frequentes de ondas gravitacionais para telescópios e antenas gravitacionais são catástrofes associadas ao colapso de sistemas binários em galáxias próximas. Espera-se que em um futuro próximo, detectores gravitacionais avançados registrem vários desses eventos por ano, distorcendo a métrica nas proximidades em 10 −21 -10 −23 . As primeiras observações do sinal de ressonância paramétrica óptico-métrica, que permite detectar o efeito de ondas gravitacionais de fontes periódicas do tipo binário próximo sobre a radiação de masers cósmicos, podem ter sido obtidas no Observatório de Radioastronomia da Rússia Academia de Ciências, Pushchino.

Outra possibilidade para detectar o fundo das ondas gravitacionais que preenchem o Universo é a cronometragem de alta precisão de pulsares distantes - análise do tempo de chegada de seus pulsos, que caracteristicamente muda sob a ação das ondas gravitacionais que passam pelo espaço entre a Terra e o pulsar. De acordo com estimativas de 2013, a precisão do tempo precisa ser aumentada em cerca de uma ordem de magnitude para poder detectar ondas de fundo de várias fontes em nosso universo, e essa tarefa pode ser resolvida antes do final da década.

De acordo com conceitos modernos, nosso Universo está repleto de ondas gravitacionais relíquias que apareceram nos primeiros momentos depois. Seu registro fornecerá informações sobre os processos no início do nascimento do Universo. Em 17 de março de 2014, às 20:00, horário de Moscou, no Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, um grupo americano de pesquisadores que trabalham no projeto BICEP 2 anunciou a detecção de perturbações de tensores não nulos no início do Universo pela polarização do CMB, que é também a descoberta dessas ondas gravitacionais relíquias. No entanto, quase imediatamente esse resultado foi contestado, pois, como se viu, a contribuição de . Um dos autores, J. M. Kovats ( Kovac J. M.), reconheceu que "com a interpretação e cobertura dos dados do experimento BICEP2, os participantes do experimento e os jornalistas científicos foram um pouco precipitados".

Confirmação experimental da existência

O primeiro sinal de onda gravitacional registrado. À esquerda, dados do detector em Hanford (H1), à direita, em Livingston (L1). A hora é contada a partir de 14 de setembro de 2015, 09:50:45 UTC. Para visualizar o sinal, ele foi filtrado por um filtro de frequência com largura de banda de 35-350 Hz para suprimir grandes flutuações fora da faixa de alta sensibilidade dos detectores; filtros passa-banda também foram usados ​​para suprimir o ruído das próprias instalações. Linha superior: tensões h nos detectores. GW150914 chegou primeiro em L1 e após 6 9 +0 5 −0 4 ms em H1; para comparação visual, os dados de H1 são mostrados no gráfico L1 invertido e deslocado no tempo (para levar em conta a orientação relativa dos detectores). Segunda linha: tensões h do sinal da onda gravitacional, passadas pelo mesmo filtro passa-banda 35-350 Hz. A linha cheia é o resultado da relatividade numérica para um sistema com parâmetros compatíveis com os encontrados com base no estudo do sinal GW150914, obtido por dois códigos independentes com uma correspondência resultante de 99,9. As linhas grossas cinzas são os intervalos de confiança de 90% da forma de onda recuperada dos dados do detector por dois métodos diferentes. A linha cinza escuro modela os sinais esperados de fusões de buracos negros, a linha cinza claro não usa modelos astrofísicos, mas representa o sinal como uma combinação linear de wavelets sinusoidais-gaussianas. As reconstruções se sobrepõem em 94%. Terceira linha: Erros residuais após extrair a previsão filtrada do sinal de relatividade numérica do sinal filtrado dos detectores. Linha inferior: representação do mapa de frequência de tensão mostrando o aumento da frequência dominante do sinal ao longo do tempo.

11 de fevereiro de 2016 por colaborações LIGO e VIRGO. O sinal da fusão de dois buracos negros com amplitude máxima de cerca de 10 −21 foi detectado em 14 de setembro de 2015 às 09:51 UTC por dois detectores LIGO em Hanford e Livingston separados por 7 milissegundos, na região de sinal máximo amplitude (0,2 segundos) combinada a relação sinal-ruído foi de 24:1. O sinal foi designado GW150914. A forma do sinal corresponde à previsão da relatividade geral para a fusão de dois buracos negros com massas de 36 e 29 massas solares; o buraco negro resultante deve ter uma massa de 62 massas solares e um parâmetro de rotação uma= 0,67. A distância até a fonte é de cerca de 1,3 bilhão, a energia irradiada em décimos de segundo na fusão equivale a cerca de 3 massas solares.

História

A própria história do termo "onda gravitacional", a busca teórica e experimental dessas ondas, bem como sua utilização para estudar fenômenos inacessíveis a outros métodos.

  • 1900 - Lorentz sugeriu que a gravidade "... pode se propagar a uma velocidade não maior que a velocidade da luz";
  • 1905 - Poincaré introduziu pela primeira vez o termo onda gravitacional (onde gravifique). Poincaré, em um nível qualitativo, removeu as objeções bem estabelecidas de Laplace e mostrou que as correções associadas às ondas gravitacionais às leis da gravidade da ordem geralmente aceitas de Newton se cancelam, de modo que a suposição da existência de ondas gravitacionais não contradiz as observações;
  • 1916 - Einstein mostrou que, no âmbito da GR, um sistema mecânico transferiria energia para ondas gravitacionais e, grosso modo, qualquer rotação relativa a estrelas fixas deve parar mais cedo ou mais tarde, embora, é claro, em condições normais, perdas de energia de a ordem é desprezível e praticamente não pode ser medida (nesta obra, ele ainda acreditava erroneamente que um sistema mecânico que mantém constantemente a simetria esférica pode irradiar ondas gravitacionais);
  • 1918 - Einstein derivou uma fórmula de quadrupolo na qual a radiação das ondas gravitacionais acaba sendo um efeito de ordem, corrigindo assim o erro em seu trabalho anterior (houve um erro no coeficiente, a energia da onda é 2 vezes menor);
  • 1923 - Eddington - questionou a realidade física das ondas gravitacionais "... propagam-se... na velocidade do pensamento". Em 1934, ao preparar uma tradução russa de sua monografia The Theory of Relativity, Eddington acrescentou vários capítulos, incluindo capítulos com duas variantes de cálculo de perdas de energia por uma haste giratória, mas observou que os métodos usados ​​para cálculos aproximados da relatividade geral, em seu opinião, não são aplicáveis ​​a sistemas acoplados gravitacionalmente, restando dúvidas;
  • 1937 - Einstein, juntamente com Rosen, investiga soluções de ondas cilíndricas das equações exatas do campo gravitacional. No decorrer desses estudos, eles tiveram dúvidas de que as ondas gravitacionais pudessem ser um artefato de soluções aproximadas para as equações GR (há uma correspondência conhecida sobre a revisão do artigo de Einstein e Rosen "As ondas gravitacionais existem?"). Mais tarde, ele encontrou um erro no raciocínio, a versão final do artigo com edições fundamentais já foi publicada no Journal of the Franklin Institute;
  • 1957 - Herman Bondy e Richard Feynman propuseram um experimento de pensamento "bengala com contas" no qual eles comprovaram a existência das consequências físicas das ondas gravitacionais na relatividade geral;
  • 1962 - Vladislav Pustovoit e Mikhail Gertsenshtein descrevem os princípios do uso de interferômetros para detectar ondas gravitacionais de comprimento de onda longo;
  • 1964 - Philip Peters e John Matthew descreveram teoricamente as ondas gravitacionais emitidas por sistemas binários;
  • 1969 - Joseph Weber, fundador da astronomia de ondas gravitacionais, relata a detecção de ondas gravitacionais usando um detector ressonante - uma antena gravitacional mecânica. Esses relatórios dão origem a um rápido crescimento do trabalho nessa direção, em particular, Rene Weiss, um dos fundadores do projeto LIGO, iniciou experimentos nessa época. Até o momento (2015), ninguém conseguiu obter confirmação confiável desses eventos;
  • 1978 - Joseph Taylor relataram a detecção de radiação gravitacional no sistema binário do pulsar PSR B1913+16. O trabalho de Joseph Taylor e Russell Hulse rendeu o Prêmio Nobel de Física de 1993. No início de 2015, três parâmetros pós-keplerianos, incluindo a diminuição do período devido à emissão de ondas gravitacionais, foram medidos para pelo menos 8 desses sistemas;
  • 2002 - Sergey Kopeikin e Edward Fomalont fizeram medições dinâmicas da deflexão da luz no campo gravitacional de Júpiter usando interferometria de ondas de rádio com uma linha de base extralonga, que para uma certa classe de extensões hipotéticas da relatividade geral permite estimar a velocidade da gravidade - a diferença da a velocidade da luz não deve exceder 20% (esta interpretação geralmente não é aceita);
  • 2006 - a equipe internacional de Martha Burgay (Parks Observatory, Austrália) relatou uma confirmação muito mais precisa da relatividade geral e a correspondência com ela da magnitude da radiação da onda gravitacional no sistema de dois pulsares PSR J0737-3039A/B;
  • 2014 - Astrônomos do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (BICEP) relataram a detecção de ondas gravitacionais primordiais em medições de flutuações de CMB. No momento (2016), as flutuações detectadas não são consideradas de origem relíquia, mas são explicadas pela radiação de poeira na Galáxia;
  • 2016 - Equipe internacional LIGO anunciou a detecção do evento da passagem de ondas gravitacionais GW150914. Pela primeira vez, a observação direta de corpos massivos em interação em campos gravitacionais superfortes com velocidades relativas super altas (< 1,2 × R s , v/c >0.5), o que permitiu verificar a exatidão da relatividade geral com uma precisão de vários termos pós-newtonianos de alta ordem. A dispersão medida de ondas gravitacionais não contradiz as medições anteriores da dispersão e limite superior as massas do gráviton hipotético (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.


11 de fevereiro de 2016 é considerado o dia oficial da descoberta (detecção) de ondas gravitacionais. Foi então, em uma coletiva de imprensa realizada em Washington, que os líderes da colaboração LIGO anunciaram que uma equipe de pesquisadores conseguiu registrar esse fenômeno pela primeira vez na história da humanidade.

Profecias do grande Einstein

A existência de ondas gravitacionais foi sugerida por Albert Einstein no início do século passado (1916) no âmbito da Teoria da Relatividade Geral (GR) formulada por ele. Só podemos nos maravilhar com as brilhantes habilidades do famoso físico, que, com um mínimo de dados reais, foi capaz de tirar conclusões tão abrangentes. Entre os muitos outros fenômenos físicos previstos que foram confirmados no próximo século (retardar o fluxo do tempo, mudar a direção radiação eletromagnética em campos gravitacionais, etc.) até recentemente não era possível detectar praticamente a presença desse tipo de interação ondulatória de corpos.

Gravidade - uma ilusão?

Em geral, à luz da Teoria da Relatividade, a gravidade dificilmente pode ser chamada de força. perturbações ou curvatura do contínuo espaço-tempo. bom exemplo ilustrar este postulado pode servir como um pedaço de pano esticado. Sob o peso de um objeto maciço colocado em tal superfície, um recesso é formado. Outros objetos que se movem próximos a essa anomalia irão alterar a trajetória de seu movimento, como se fossem “atraídos”. E então mais peso objeto (quanto maior o diâmetro e a profundidade da curvatura), maior a "força de atração". Quando se move pelo tecido, pode-se observar o aparecimento de uma "ondulação" divergente.

Algo semelhante acontece no espaço do mundo. Qualquer matéria massiva em movimento rápido é uma fonte de flutuações na densidade do espaço e do tempo. Uma onda gravitacional com amplitude significativa é formada por corpos com massas extremamente grandes ou quando se movem com grandes acelerações.

características físicas

As flutuações da métrica do espaço-tempo se manifestam como mudanças no campo gravitacional. Esse fenômeno também é chamado de ondulações do espaço-tempo. A onda gravitacional atua sobre os corpos e objetos encontrados, comprimindo-os e esticando-os. Os valores de deformação são muito pequenos - cerca de 10 -21 do tamanho original. Toda a dificuldade de detectar esse fenômeno foi que os pesquisadores tiveram que aprender a medir e registrar tais mudanças com a ajuda de equipamentos apropriados. O poder da radiação gravitacional também é extremamente pequeno - para todo o sistema solar é de alguns quilowatts.

A velocidade de propagação das ondas gravitacionais depende ligeiramente das propriedades do meio condutor. A amplitude de oscilação diminui gradualmente com a distância da fonte, mas nunca chega a zero. A frequência está na faixa de várias dezenas a centenas de hertz. A velocidade das ondas gravitacionais no meio interestelar se aproxima da velocidade da luz.

evidência circunstancial

Pela primeira vez, a confirmação teórica da existência de ondas gravitacionais foi obtida pelo astrônomo americano Joseph Taylor e seu assistente Russell Hulse em 1974. Estudando as extensões do Universo usando o radiotelescópio do Observatório de Arecibo (Porto Rico), os pesquisadores descobriram o pulsar PSR B1913 + 16, que é um sistema binário de estrelas de nêutrons girando em torno de um centro de massa comum com velocidade angular constante ( um caso bastante raro). A cada ano, o período de revolução, que era originalmente de 3,75 horas, é reduzido em 70 ms. Este valor é bastante consistente com as conclusões das equações GR que prevêem um aumento na velocidade de rotação de tais sistemas devido ao gasto de energia para a geração de ondas gravitacionais. Posteriormente, vários pulsares duplos e anãs brancas com comportamento semelhante foram descobertos. Os radioastrônomos D. Taylor e R. Hulse receberam o Prêmio Nobel de Física em 1993 por descobrirem novas possibilidades para estudar campos gravitacionais.

Uma onda gravitacional indescritível

A primeira declaração sobre a detecção de ondas de gravidade veio do cientista da Universidade de Maryland Joseph Weber (EUA) em 1969. Para isso, ele usou duas antenas gravitacionais de seu próprio projeto, separadas por uma distância de dois quilômetros. O detector ressonante era um cilindro de alumínio de dois metros de peça única e bem vibrado, equipado com sensores piezoelétricos sensíveis. A amplitude das flutuações supostamente registradas por Weber acabou sendo mais de um milhão de vezes maior do que o valor esperado. As tentativas de outros cientistas usando tais equipamentos para repetir o "sucesso" do físico americano não trouxeram resultados positivos. Alguns anos depois, o trabalho de Weber nessa área foi reconhecido como insustentável, mas deu impulso ao desenvolvimento de um “boom gravitacional” que atraiu muitos especialistas para essa área de pesquisa. By the way, o próprio Joseph Weber até o final de seus dias tinha certeza de que ele recebeu ondas gravitacionais.

Melhoria do equipamento de recebimento

Na década de 70, o cientista Bill Fairbank (EUA) desenvolveu o projeto de uma antena de onda gravitacional resfriada usando SQUIDs - magnetômetros supersensíveis. As tecnologias que existiam naquela época não permitiam que o inventor visse seu produto, realizado em "metal".

De acordo com este princípio, o detector gravitacional Auriga foi feito no Laboratório Nacional Legnard (Pádua, Itália). O projeto é baseado em um cilindro de alumínio-magnésio, com 3 metros de comprimento e 0,6 m de diâmetro, o dispositivo receptor pesando 2,3 toneladas é suspenso em uma câmara de vácuo isolada resfriada quase ao zero absoluto. Um ressonador auxiliar de quilogramas e um complexo de medição baseado em computador são usados ​​para fixar e detectar tremores. A sensibilidade declarada do equipamento é 10 -20 .

Interferômetros

O funcionamento dos detectores de interferência de ondas gravitacionais é baseado nos mesmos princípios pelos quais opera o interferômetro de Michelson. O feixe de laser emitido pela fonte é dividido em dois fluxos. Após múltiplas reflexões e viagens ao longo dos ombros do dispositivo, os fluxos são novamente reunidos, e o último é usado para julgar se alguma perturbação (por exemplo, uma onda gravitacional) afetou o curso dos raios. Equipamentos semelhantes foram criados em muitos países:

  • GEO 600 (Hannover, Alemanha). O comprimento dos túneis de vácuo é de 600 metros.
  • TAMA (Japão) com acostamentos de 300 m.
  • VIRGO (Pisa, Itália) é um projeto conjunto franco-italiano lançado em 2007 com túneis de 3 km.
  • LIGO (EUA, Costa do Pacífico), caçando ondas gravitacionais desde 2002.

Este último vale a pena considerar com mais detalhes.

LIGO Avançado

O projeto foi criado por iniciativa de cientistas dos Institutos de Tecnologia de Massachusetts e Califórnia. Inclui dois observatórios separados por 3 mil km, em e Washington (cidades de Livingston e Hanford) com três interferômetros idênticos. O comprimento dos túneis de vácuo perpendiculares é de 4 mil metros. Essas são as maiores estruturas desse tipo atualmente em operação. Até 2011, inúmeras tentativas de detectar ondas de gravidade não trouxeram resultados. A significativa modernização realizada (Advanced LIGO) aumentou a sensibilidade dos equipamentos na faixa de 300-500 Hz em mais de cinco vezes, e na região de baixas frequências (até 60 Hz) em quase uma ordem de grandeza, atingindo um valor tão cobiçado de 10 -21 . O projeto atualizado começou em setembro de 2015, e os esforços de mais de mil funcionários da colaboração foram recompensados ​​com os resultados.

Ondas gravitacionais detectadas

Em 14 de setembro de 2015, detectores LIGO avançados com intervalo de 7 ms registraram ondas gravitacionais que atingiram nosso planeta a partir do maior fenômeno ocorrido nos arredores do Universo observável - a fusão de dois grandes buracos negros com massas 29 e 36 vezes massa do Sol. Durante o processo, que ocorreu há mais de 1,3 bilhão de anos, cerca de três massas solares de matéria foram gastas na radiação de ondas gravitacionais em questão de frações de segundo. A frequência inicial fixa das ondas gravitacionais foi de 35 Hz, e o valor de pico máximo atingiu 250 Hz.

Os resultados obtidos foram repetidamente submetidos a verificação e processamento abrangentes, e interpretações alternativas dos dados obtidos foram cuidadosamente cortadas. Finalmente, no ano passado, foi anunciado à comunidade mundial o registro direto do fenômeno previsto por Einstein.

Um fato que ilustra o trabalho titânico dos pesquisadores: a amplitude das flutuações nas dimensões dos braços do interferômetro foi de 10 a 19 m - esse valor é tanto menor que o diâmetro de um átomo quanto menor que uma laranja.

Perspectivas futuras

A descoberta feita mais uma vez confirma que a Teoria Geral da Relatividade não é apenas um conjunto de fórmulas abstratas, mas fundamentalmente Um novo olhar sobre a essência das ondas gravitacionais e da gravidade em geral.

Em pesquisas posteriores, os cientistas têm grandes esperanças para o projeto ELSA: a criação de um interferômetro orbital gigante com braços de cerca de 5 milhões de km, capaz de detectar até mesmo pequenas perturbações de campos gravitacionais. A intensificação do trabalho nesse sentido pode dizer muito sobre as principais etapas do desenvolvimento do Universo, sobre processos difíceis ou impossíveis de observar em bandas tradicionais. Não há dúvida de que os buracos negros, cujas ondas gravitacionais serão registradas no futuro, dirão muito sobre sua natureza.

Estudar a radiação gravitacional relíquia que pode contar sobre os primeiros momentos do nosso mundo após Big Bang, serão necessários instrumentos espaciais mais sensíveis. Esse projeto existe Observador do Big Bang), mas sua implementação, segundo especialistas, é possível não antes de 30 a 40 anos.