гравітаційні хвилі
Гравітація, або сила в усьому сущому
Перш за все варто з'ясувати, що насправді являє собою гравітація. Так-так - це та сила тяжіння, яка змушує падати яблука на голови вчених, а бутерброди маслом вниз, і не дає Землі відірватися від Сонця і полетіти подорожувати по галактиці. Однак в сучасній фізиці вона поділяється на дві важливих і невід'ємних частини.
за Ньютону
Закон зворотних квадратів. Чим більше відстань - тим менше інтенсивність
Перша, більш поверхнева і очевидна - це гравітація Ньютона. У ній все досить просто: чим важче тіло, тим сильніше воно притягує до себе інші об'єкти. Місяць, яка в рази легше Землі, обертається навколо планети, а не навпаки - цей принцип кожен спостерігав сам. При цьому тяжіння різко падає з відстанню відповідно до закону зворотних квадратів, який діє на будь-яке випромінювання або поширення енергії. Тому вироненний космонавтами гайкові ключі починають обертатися навколо їх космічної станції, а відразу не навколо Землі, а центр галактики. який набагато масивніше Сонця, що не перетягує у нашого світила планети.
Ідеальною демонстрацією ньютонівської гравітації є звичайний камінь. Якщо кинути його вперед, він полетить по похилій, прямуючи до землі в міру того, як надійшла для рукою імпульс буде ставати слабкіше щодо гравітації. Чим сильніше кидати, тим далі камінь пролетить - а якщо надати йому достатній швидкості, він може вийти на орбіту Землі, або зовсім покинути Сонячну систему.
Для того щоб побудувати космічну ракету, запустити супутник і злітати на сусідні планети, викладу гравітації Ньютоном і його послідовниками, на кшталт Кеплера, досить. Більш того, ці викладу успішно використовуються сьогодні для визначення мас астероїдів та інших планет, а також в інших практичних цілях.
Навіть класична Ньютовская механіка дозволяла розраховувати вражають речі. На зображенні - схема гіпотетичного суборбітального літака Київ-Караганда. Дивитися в повному розмірі.
За Ейнштейну і теорії відносності
Однак в Теорії відносності гравітація розглядається куди глибше. Відповідно до неї, будь-яке тіло, що володіє масою, викривляє єдине тимчасово-просторове «полотно» - і чим більше маса, чим сильніше воно буде викривлений. Приклад з каменем тут зазнає разючі зміни. Відповідно до теорії відносності, кинутий камінь не притягується до Землі і летить незмінно по прямій лінії - сам простір викривляється так, що в міру загасання імпульсу він встромляється назад в Землю. А обертаючись, маси закручують простір і час навколо себе цілими спіралями, як на водостічних сливах. Тому супутники обертаються навколо планет, планети навколо зірок, зірки навколо галактичних центрів - і так до нескінченності.
Для того щоб зрозуміти, звідки береться гравітаційна енергія, розглянемо базову формулу Спеціальної теорії відносності Ейнштейна - E = mc². E тут - це кінетична енергія тіла; витрати сили, потрібні для прискорення будь-якого об'єкта зі стану спокою. Однак в механіці теорії відносності виявилося, що енергія потрібна навіть для того, щоб тіло не рухалося! Відповідно до цих положень, будь-яка маса має на увазі наявність в ній потенційної енергії. Практичний вихід теорії взаімовместімості енергії і маси знайшовся в ядерній фізиці - щодо нерухомі, але зате важкі уран і плутоній створюють величезну кількість енергії в реакторах і бомбах.
Яблуко Ньютона спотворює простір-час Ейнштейна
Інших підтверджень спотворення простору і часу гравітацією безліч: це і гравітаційне лінзування. під час якого масивні об'єкти спотворюють обриси зірок за ними, і інфрачервоне зміщення світлових хвиль, теж спершу відкрите «на папері». Ці феномен не припадають пилом в коморах людського знання - з їх допомогою з'ясовуються справжні кольори і обриси віддалених об'єктів, а також розробляються технології майбутніх міжзоряних подорожей.
Гравітаційні хвилі в подвійній системі тел в поданні художника (анімоване). Світлові стовпи в центрі - це так звані релятивістські струмені.
хвилі відносності
Тепер, коли ми розібралися з основами гравітації, перейдемо до гравітаційних хвилях - родзинку нашої програми. Як ми бачимо, передумови того, що гравітація має хвильову природу, були ще в теорії гравітації Ньютона - там вона поширювалася зі швидкістю світла, як хвиля, і підпадала під дію закону зворотних квадратів.
Однак Теорія відносності додає більшої наочності хвильову природу. Отже, ми вже знаємо, що рухаючись і обертаючись, масивне тіло створює спотворення часу і простору - і чим швидше тіло рухається і / або обертається, тим сильніше підсумкове спотворення. Тут діє закон, характерний також для електричних і магнітних полів: якщо швидкість руху буде непостійною, будуть створюватися хвилі. Тільки гравітаційне хвилі - це не просто коливання енергії, а й коливання часу і простору. Образно кажучи, на гребені хвилі предмети і хвилини стискаються, стають коротшими, а на схилі - розгладжуються, приходять в порядок.
Ці просторово-часові хвилі і є виходом тієї гравітаційної енергії, про яку ми згадували вище. Однак для їх появи залишається одна необхідна умова - змінна, непостійна швидкість елементів гравітаційної системи. А це зустрічається досить рідко. Наприклад, в Сонячній системі все планети сповільнюються в афелії, найдальшої від Сонця точці орбіти, і прискорюються в перигелії. Однак маси планет в порівнянні з масою Сонця занадто малі, а перепади швидкості - незначні. Тому в вигляді гравітаційних хвиль Сонце не втрачає навіть сотої частки тієї енергії, яку вивільняє своїм випромінюванням.
Інша річ подвійні системи масивних об'єктів на кшталт зірок і чорних дір. Будучи відносно близько один від одного, вони обертаються одночасно в двох напрямках - навколо загального центру ваги між ними і навколо власної осі. Оскільки подвійні системи мають тенденцію до злиття, вони обертаються все ближче один до одного, а тому все інтенсивніше. Такий танець гігантів, на думку самого Ейнштейна, створює сильні гравітаційні хвилі. Також джерелом коливань можуть служити потужні катаклізми на кшталт спалахів наднових.
Почути самий тихий звук
Складність виявлення гравітаційних хвиль в першу чергу полягала в тому, що гравітація сама по собі неймовірно слабка - в 10 40 разів слабкіше будь-яких електромагнітних імпульсів! Якщо з сорочки раптом відвалиться ґудзик, сила гравітації Землі подолає сумарне тяжіння сорочки і вашого тіла і «упустить» гудзик на підлогу. Але якщо гудзик буде магнітної, вона так і залишиться на місці - електромагнітна зв'язок двох маленьких предметів розміром з десятикопеечную монету буде сильніше гравітації цілої планети! Крім того, потужні джерела гравітаційних збурень, як правило, знаходяться досить далеко від Землі, і тому хвилі від них слабшають через горезвісного закону зворотних квадратів. Це і добре - будь вони ближче, Земля могла б постраждати від куди більш сильних фізичних явищ, як ось випромінювання.
Тому вченим з LIGO, які зайнялися пошуком гравітаційних хвиль, довелося побудувати титанічну установку, що представляє дві 4-кілометрові перпендикулярні труби, наповнені вакуумом. Крізь них пропускаються лазерні промені, час проходження яких чітко фіксуються - разом це так званий гравітаційно-хвильової інтерферометр. Коли гравітаційна хвиля проходить через Землю, простір спотворюється, і лазер спершу сповільнюється в першій трубі, а потім прискорюється у другій - або навпаки.
Комп'ютерна симуляція хвиль від зіткнення двох чорних дір
Однак коли прилад пустили в справа, він показав себе найкращим чином. Зіграло роль і подія, гравітаційні хвилі якого вдалося засікти - злиття двох чорних дір, маса яких перевищувала сонячну в 36 і 29 (± 5) разів! Наближаючись один до одного, вони оберталися одна біля одної зі швидкістю, яка доходить до 40% швидкості світла - а під час зіткнення вихлюпнулася енергія, в 50 разів потужніше за випромінювання всіх зірок у видимому Всесвіті за такий же відрізок часу. Цей момент також став піковим по інтенсивності і силі хвиль - після нього в гравітаційному «ефірі» наступили тиша і спокій.
Плоди відкриття
Можливість реєстрації гравітаційних хвиль відкриває «новий вимір» в астрономії. Телескопи, нині обмежені в оптичному діапазоні, багатому на перешкоди і спотворення, за допомогою гравітаційних хвиль і їх відображень отримувати тривимірну картину спостережуваних об'єктів. Технологія, яку зараз застосували дослідники, була ще «сирий» - але в майбутньому гравітаційні хвилі дозволять досліджувати об'єкти, які приховують від нас галактики і туманності.
Крім того, були підтверджені багато теорій, до сих пір були предметом дискусій. Так, було доведено можливість існування подвійних систем чорних дір, які можуть поглинати одна одну. Також зміцнилися положення Загальної теорії відносності щодо гравітації, через що реєстрацію гравітаційних хвиль в пресі називають «подарунком Ейнштейну до 100-річчя Теорії відносності». А ще можливість «чути» хвилі гравітації дасть можливість проникнути в таємниці темної матерії. яка до сих пір морочить голову вченим зі всього світу.
