Как ИИ изменит нашу жизнь — в специальном проекте Naked Science!
Перейти
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
17.03.2014
Редакция Naked Science
446

В поисках гравитационных волн

Пока мир замер в ожидании объявления Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, которое намечено на сегодняшний вечер, мы представляем некоторые сведения о гравитационных волнах: что они собой представляют, и почему так важно их обнаружение.

5673723008_6d72aa3e31_o
©Wikipedia

Гравитационные волны ? одно из важнейших предсказаний общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которую великий ученый опубликовал в 1915 году. В ней предлагалось новое понимание гравитации, при котором важную роль играет «пространство-время».

 

Общая теория относительности

 

Альберт Эйнштейн скомбинировал вместе понятия трехмерного пространства и времени и представил их в виде единой структуры с четырьмя измерениями. В его представлении речь шла не о «пустоте», а скорее о своего рода ткани, имеющей определенные геометрические свойства.  

 

Такая ткань деформируется под влиянием присутствующих в ней тел. Эйнштейн описывал силу притяжения как результат деформации пространства-времени со стороны объектов, обладающих массой, как, к примеру, наша Земля, Солнце, да и мы сами.

 

Альберт Эйнштейн

©wallpapername.com

 

Пространство-время можно себе представить как простыню, натянутую с четырех сторон. Если положить в ее середину тяжелый предмет, простыня прогнется. В результате даже воздушные шарики, которые почти не влияют на силу натяжения ткани, будут скатываться по простыне вниз, к тяжелому предмету. Это и будет аналогией силы гравитационного притяжения.

 

В отличие от ньютоновской теории всемирного тяготения, согласно которой гравитационные эффекты распространялись мгновенно, в ОТО гравитационное воздействие имеет конечную скорость, равную скорости света в вакууме ? примерно 300 000 км/с.

 

Например, если масса Солнца внезапно увеличится на 10%, все объекты во Вселенной, по Ньютону, немедленно испытают на себе увеличение силы его притяжения. А вот Эйнштейн утверждал, что необходимо определенное количество времени, чтобы удаленные объекты «почувствовали» изменение гравитации. В случае Земли, на это понадобится приблизительно 8 минут.

 

С момента своей публикации, общая теория относительности стала для физиков основой понимания гравитации. ОТО помогла объяснить некоторые эффекты, которые, по ньютоновской теории, не должны были существовать.

 

Так, например, теория Эйнштейна полностью подтвердила наблюдения аномальной прецессии перигелия Меркурия.

 

Гравитационные волны

 

Из представления о том, что само присутствие материи деформирует окружающее пространство, Эйнштейн сделал вывод, что любые крупные изменения массивных тел в космосе «встряхивают» окружающее пространство подобно сейсмическим волнам во время землетрясений, порождая рябь, которая рано или поздно должна достигнуть Земли.

 

К таким событиям относятся столкновения гигантских объектов, например, звезд. Приближаясь по спиралевидным орбитам друг к другу, такие объекты теряют энергию в форме гравитационных волн, которые распространяются по окружающему пространству. Конечное столкновение объектов сопровождается гигантским выбросом гравитационной энергии.

 

Ученые считают, что проходя через определенный участок космоса, гравитационные волны растягивают пространство в одном направлении и одновременно сжимают его в перпендикулярном. Такой тип движения волн называется «квадрупольным излучением».

 

Проблема регистрации гравитационных волн

 

Несмотря на многочисленные подтверждения общей теории относительности, окончательным экспериментальным ее доказательством может послужить лишь регистрация гравитационных волн.

 

Однако задача эта очень непростая. Несмотря на постоянные столкновения гигантских объектов, так называемых «космотрясений», гравитационные волны от них, доходящие со скоростью света до Земли спустя миллионы и миллиарды лет, очень малы, и зарегистрировать их невероятно сложно.

 

Представьте себе камешек, упавший в середину Байкала. Волна, распространившаяся во все стороны от его всплеска, у берега озера будет почти незаметной. 

 

Согласно общей теории относительности, гравитационная волна, достигшая Земли, способна растянуть и сжать крупный объект, например, Останкинскую башню, на одну тысячную диаметра протона.

 

Начало поиска

 

Охота за гравитационными волнами началась еще в 1950-х, когда Джозеф Вебер, физик из Мэрилендского университета, построил целый ряд сверхчувствительных детекторов.

 

Джозеф Вебер

©Virginia Trimble

 

Каждый из них представлял собой крупный алюминиевый брусок, подвешенный на тонких проволоках таким образом, чтобы изолировать от влияния наземных вибраций. По теории Вебера, проходя через алюминиевый стержень, гравитационная волна должна была заставить его колебаться.

 

Разумеется, такие вибрации были бы слишком ничтожны, но специальные кристаллы, связанные с брусками, должны были уловить даже малейшее сжатие алюминия и дать  электрический сигнал.

 

Вебер утверждал, что ему удалось таким образом зарегистрировать гравитационные волны, но другие исследователи, повторив опыт, не смогли воспроизвести его результатов. Несмотря на то, что попытка Джозефа Вебера считается неудачной, его по праву можно назвать пионером в области экспериментальных доказательств гравитационных волн.

 

Реликтовые гравитационные волны

 

Но интерес к гравитационным волнам вызван не только возможностью найти окончательное экспериментальное доказательство общей теории относительности Эйнштейна. Регистрация так называемых реликтовых гравитационных волн, которые распространяются в пространстве со времени Большого Взрыва, позволит заглянуть в момент рождения нашей Вселенной,

 

С этой целью огромный радиотелескоп BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), находящийся на Южном полюсе, уже в течение многих лет сканирует небо в поисках малейших изменений в космическом микроволновом (реликтовом) излучении, которое появилось спустя 380 000 лет после Большого Взрыва. Именно начиная с этого момента космос стал проницаем для световых фотонов, которые начали распространяться во все стороны. 

 

Хотя реликтовое излучение уже давно и хорошо изучено, астрономы считают, что в нем может содержаться информация о реликтовых гравитационных волнах. Фотоны реликтового излучения рассеялись от изначальных атомов и других частиц, образовавшихся после Большого Взрыва, примерно как световые лучи доходят до Земли, рассеиваясь от атомов атмосферы, придавая дневному небу голубой оттенок.

 

Поэтому солнечный свет, падающий на нас, поляризирован ? равно как поляризированы и фотоны реликтового излучения (до 5% по оценкам ученых).

 

Но какое отношение это имеет к гравитационным волнам?

 

Вспомним, что проходя через пространственную ткань, гравитационные волны сжимают ее в одном направлении и растягивают в перпендикулярном. Фотоны, рассеиваясь сквозь измененную материю, слегка поляризируются благодаря гравитационной волне, что должно оставить след в реликтовом излучении.

 

Инфляционная модель Вселенной

 

Обнаружение такой поляризации позволит не только показать существование реликтовых гравитационных волн, но и докажет инфляционную модель ? экспоненциальное расширение Вселенной сразу после Большого Взрыва.

 

Реликтовые гравитационные волны представят доказательства расширения материи непосредственно после Большого Взрыва

©mysearch.org

 

Хотя инфляционная модель, предложенная в 1981 году Аланом Гутом, хорошо объясняет все основные свойства наблюдаемой Вселенной, многие физики отказываются ее принимать, ссылаясь на альтернативные гипотезы. 

 

Тем не менее, инфляция ? единственная теория, которая предсказывает усиление гравитационных волн, вызванное квантовыми флуктуациями в гравитации. Именно благодаря этому усилению возможна регистрация следов гравитационных волн в микроволновом космическом излучении.

 

Напомним, что, по ожиданиям научного сообщества, сегодня в восемь часов вечера по московскому времени будет сделано историческое объявление о регистрации влияния реликтовых гравитационных волн телескопом BICEP.

 

Если открытие подтвердится, это, безусловно, станет крупнейшим событием года в мировой науке и принесет его авторам заслуженную Нобелевскую премию по физике. 

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 10:10
Сергей Васильев

Биологи внесли в ДНК червей гены, кодирующие светочувствительные белки. Это позволило управлять ими при помощи света, заставляя двигаться на зеленый сигнал и останавливаться на красный.

7 часов назад
Анна Новиковская

Около пятой части атмосферы нашей планеты составляет кислород — важный газ, необходимый для существования сложных форм жизни. Ученые полагали, что основным и практически единственным его источником были живые организмы — фотосинтезирующие растения и бактерии. Но теперь, возможно, им придется пересмотреть свои взгляды.

6 часов назад
Алиса Гаджиева

Палеонтологи обнаружили останки никогда ранее не встречавшегося дасплетозавра, который, возможно, был прямым предком Tyrannosaurus rex. Эта находка может разрешить серьезные споры об эволюционной родословной самого знаменитого динозавра.

26 ноября
Александра Медведева

Окаменелость крошечного морского червя, жившего 525 миллионов лет назад, разрешила вековой спор об эволюции мозга членистоногих. Исследование показало, что мозг первых членистоногих не был сегментирован, а нервная система головы и туловища эволюционировала независимо.

24 ноября
Редакция

Режиссер Илай Сасик (Eli Sasich), вдохновившись классическими научно-фантастическими фильмами «Чужой» и «Бегущий по лезвию», несколько лет назад снял короткометражный фильм «Атропа», который стоит посмотреть, если вы интересуетесь наукой и космическими технологиями.

26 ноября
Мария Азарова

Международный коллектив ученых спрогнозировал наши ежедневные потребности в воде в зависимости от антропометрических, экономических и экологических факторов.

1 ноября
Анна Новиковская

Когда мы представляем взаимодействие неандертальцев с нашими предками, первобытными людьми, то обычно думаем об агрессивных стычках и конкуренции на охоте. Однако теперь ученые выяснили, что два вида людей взаимодействовали на протяжении как минимум 200 тысяч лет — это слишком долгий срок для активных военных действий, но достаточный для постепенного «растворения» одного вида в другом.

19 ноября
Анна Новиковская

В последний раз черношейного фазанового голубя видели еще в 1882 году, и с тех пор ученые не знали, живет ли еще в лесах острова Фергуссон эта красивая птица. Теперь, наконец, им повезло: одна из камер запечатлела представителя редчайшего подвида фазановых голубей.

24 ноября
Редакция

Режиссер Илай Сасик (Eli Sasich), вдохновившись классическими научно-фантастическими фильмами «Чужой» и «Бегущий по лезвию», несколько лет назад снял короткометражный фильм «Атропа», который стоит посмотреть, если вы интересуетесь наукой и космическими технологиями.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: