Гравитационные волны (обсерватория LIGO)

Гравитационные волны (обсерватория LIGO)

Если тела с большой массой движутся с ускорением, вокруг них в пространстве-времени возникает рябь, которую называют гравитационными волнами.

Физика

Этикетки

гравитационные волны, обсерватория LIGO, черная дыра, гравитация, интерференция, лазерный луч, пространство-время, Эйнштейн, теория относительности, относительность, нейтронная звезда, волна, интерфаза, скорость света, астрономия, астрофизика, обсерватория, Ньютон, длина волны, свет, физика

Связанные экстра

Сцены

Общая теория относительности

Общая теория относительности

В ньютоновской физике структура пространства остаётся неизменной при любом протекающем в нём физическом явлении. Силы, а следовательно и сила притяжения, действуют только на тела. Значит для событий существует независимое ни от чего пространство и время. В модели Ньютона планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам.

Общая теория относительности Эйнштейна понимает гравитацию как искривление (деформацию) пространства-времени под воздействием тел с большой массой. Это означает, что не существует постоянного, независимого от нас пространства, тела изменяют пространство вокруг себя. Небольшие объекты со своей точки зрения совершают движение по прямой линии, а с точки зрения наблюдателя они двигаются по искривлённой траектории.

Для описания большинства планетарных орбит применима и модель Ньютона, но уравнения Эйнштейна более точны. С их помощью можно прогнозировать, например, последовательное смещение орбиты Меркурия, в то время как модель Ньютона не способна это заранее предсказывать.

Гравитационные волны

Гравитационные волны

Если тела с большой массой движутся с ускорением или по круговой орбите, то вокруг них в пространстве-времени образуется рябь, которая распространяется со скоростью света. Это гравитационные волны.

Когда через какую-либо точку пространства проходит гравитационная волна, пространство-время в ней на короткое время сжимается, а затем растягивается. Это изменение настолько мало, что до появления LIGO обнаружить его было невозможно. Наиболее сильные гравитационные волны возникают при слиянии чёрных дыр. В это время в форме гравитационных волн высвобождается такое количество энергии, что этот процесс можно назвать самым интенсивным космическим излучением энергии, известным науке до сих пор. По мощности с ним не может соперничать даже взрыв сверхновой звезды.

Сеть обсерваторий LIGO

Сеть обсерваторий LIGO

Для того, чтобы измерительные приборы были способны отличить истинные космические сигналы от шумов земного происхождения, необходимо сравнить сигналы, принятые несколькими обсерваториями, которые находятся на расстоянии нескольких тысяч километров друг от друга.
Приборы LIGO настолько чувствительны, что способны воспринимать самые слабые земные колебания, источником которых могут быть, например, землетрясения, волнение океана или взрывы.

Другим преимуществом измерений, проводящихся параллельно в нескольких обсерваториях, является то, что разница во времени прибытия и регистрации космических сигналов позволяет определить направление их источника.

Первоначально действовали только две обсерватории: одна в Луизиане, другая в штате Вашингтон. Для точного определения направления источника сигналов этих двух станций оказалось недостаточно. Во второй половине 2017 года к проекту LIGO присоединилась итальянская обсерватория VIRGO, что сделало возможным ещё более точное определение направления прибывающих космических сигналов.

Обсерватория LIGO

Cтруктура LIGO

В центральном здании обсерватории находятся наиболее важные части измерительного прибора: лазерный источник, зеркала, детекторы и компьютеры для обработки сигналов.

От центрального здания отходят два перпендикулярных друг другу плеча, в каждом из которых находится труба с вакуумом. В этих трубах через вакуум пропускается лазерный луч. В конце каждой трубы установлено по зеркалу. Обработка данных и 24-часовое наблюдение может осуществляться в любой точке мира. Значительная часть занятых в проекте LIGO учёных работает не в обсерватории.

Структура

Как происходит измерение?

Действие LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) основано на мгновенном изменении длин при прохождении гравитационной волны через определённую точку пространства. В одном направлении длины растягиваются, а в другом сжимаются.

Замер изменения длины обоих плеч LIGO происходит с помощью интерферометра. В ходе этого лазерный луч разделяют на две части посредством полупрозрачного зеркала. Два луча лазера проходят по перпендикулярным друг другу плечам прибора и отражаются от зеркал на их концах, затем возвращаются к полупрозрачному зеркалу и снова соединяются. В зависимости от разницы между путями, проделанными этими лучами, они взаимно усиливают или ослабляют друг друга.
Если разность путей составляет половину длины волны, лучи гасят друг друга, а если разность равняется длине волны, то происходит взаимное усиление.
Этот метод можно использовать для замерения изменения длины световой волны в её допустимом диапазоне.
Чем больше путь лазерного луча во время измерения, тем выше чувствительность прибора. В интерферометрах Луизианы и Вашингтона луч лазера проходит путь в 4 км. При прохождении гравитационной волны по плечам обсерватории изменение длины 4-километрового плеча составляет не более одной тысячной диаметра протона, однако прибор способен его регистрировать!

Как происходит измерение?

Слияние чёрных дыр

Слияние чёрных дыр

Первое официально зарегистрированное наблюдение LIGO состоялось 14 сентября 2015 года. Обе обсерватории приняли похожие сигналы. Очищенная от шумов форма сигнала полностью совпадала с той предсказанной компьютерными моделями формой колебаний, которая возникает при слиянии двух чёрных дыр массами 36 и 29 солнечных масс.

Обнаружение продолжалось всего 0,2 секунды. Длительность колебаний хорошо показывает, что в пространстве-времени интенсивность и частота всплесков росли по мере того, как две чёрные дыры вращались друг вокруг друга, постепенно сокращая витки, пока наконец не произошло их слияние, и сигналы угасли.

Процесс слияния чёрных дыр представляет собой наиболее мощный источник энергии космического пространства. Мощность испускаемой гравитационной волны в максимальной точке события достигла 3,6⋅10⁴⁹ ватт, что в 50 раз превышает мощность общего светового излучения всех звёзд, до сих пор известных во Вселенной.

Сопоставив силу принятых сигналов с силой сигналов, которые были спрогнозированы путём компьютерной симуляции, можно предположительно определить расстояние до источника излучения, поскольку с распространением интенсивность волн непрерывно слабеет. В данном случае расстояние может составлять около 1,4 миллиарда световых лет, а это означает, что зафиксированное прибором событие произошло 1,4 миллиарда лет назад, но его гравитационные волны достигли земной поверхности только сейчас.

Анимация

Речевое сопровождение

В ньютоновской физике структура пространства остаётся неизменной при любом протекающем в нём физическом явлении, а это значит, что для событий существует независимое ни от чего пространство и время. Общая теория относительности Эйнштейна понимает гравитацию как искривление пространства-времени под воздействием тел с большой массой. Это означает, что тела изменяют пространство вокруг себя.
Если тела с большой массой движутся с ускорением или по круговой орбите, то вокруг них в пространстве-времени образуется рябь, которая распространяется со скоростью света. Это гравитационные волны. Когда через какую-либо точку пространства проходит гравитационная волна, пространство-время в ней на короткое время сжимается, а затем растягивается. Это изменение настолько мало, что до появления LIGO обнаружить его было невозможно.

Наиболее сильные гравитационные волны возникают при слиянии чёрных дыр. В это время в форме гравитационных волн высвобождается такое количество энергии, что этот процесс можно назвать самым интенсивным космическим излучением энергии, известным науке до сих пор.

Приборы LIGO настолько чувствительны, что способны воспринимать самые слабые земные колебания. Поэтому для того, чтобы измерительные приборы были способны отличить истинные космические сигналы от шумов земного происхождения, необходимо сравнить сигналы, принятые несколькими обсерваториями, которые находятся на расстоянии нескольких тысяч километров друг от друга. Первоначально действовали только две обсерватории: одна в Луизиане, другая в штате Вашингтон. А во второй половине 2017 года к проекту LIGO присоединилась и итальянская обсерватория VIRGO.

В центральном здании обсерватории находятся наиболее важные части измерительного прибора: лазерный источник, зеркала, детекторы и компьютеры для обработки сигналов. От центрального здания отходят два перпендикулярных друг другу 4-километровых плеча, в каждом из них находится вакуумная труба, через которую пропускается лазерный луч. В конце каждой трубы установлено по зеркалу.

Действие LIGO основано на мгновенном изменении длин при прохождении гравитационной волны через определённую точку пространства. В одном направлении длины растягиваются, а в другом сжимаются. Замер изменения длины обоих плеч LIGO происходит с помощью интерферометра. В ходе этого лазерный луч разделяют на две части посредством полупрозрачного зеркала. Два луча лазера проходят по перпендикулярным друг другу плечам прибора и отражаются от зеркал на их концах, затем возвращаются к полупрозрачному зеркалу и снова соединяются. В зависимости от разницы между путями, проделанными этими лучами, они взаимно усиливают или ослабляют друг друга. Этот метод можно использовать для замерения изменения длины световой волны в её допустимом диапазоне. Чем больше путь лазерного луча во время измерения, тем выше чувствительность прибора. При прохождении гравитационной волны по плечам обсерватории изменение длины 4-километрового плеча составляет не более одной тысячной диаметра протона, однако прибор способен его регистрировать.

Первое официально зарегистрированное наблюдение LIGO состоялось 14 сентября 2015 года. Обнаруженные сигналы возникли при слиянии двух чёрных дыр массами 36 и 29 солнечных масс. Обнаружение продолжалось всего 0,2 секунды. Длительность колебаний хорошо показывает, что в пространстве-времени интенсивность и частота всплесков росли по мере того, как две чёрные дыры вращались друг вокруг друга, постепенно сокращая витки, пока наконец не произошло их слияние, и сигналы угасли.
По силе сигналов можно определить приблизительное расстояние до источника излучения, которое в данном случае может составлять около 1,4 миллиарда световых лет. А это означает, что зафиксированное прибором событие произошло 1,4 миллиарда лет назад, но его гравитационные волны достигли земной поверхности только сейчас.

Связанные экстра

Законы движения Ньютона

В анимации демонстрируются три закона движения Сэр Исаaк Ньютона, означавшие...

Физики, которые изменили мир

Эти великие учёные своими открытиями оказали большое влияние на развитие физики как науки.

Типы звёзд

Эволюция звёзд средней и большой массы.

Типы волн

Волны играют важную роль в различных областях нашей жизни.

Параметры волн

Анимация на примере звуковой волны объясняет основные свойства волн.

Эффект Доплера

Хорошо известно, что звук приближающегося источника звука выше, чем звук удаляющегося...

Развитие небесной механики

Эта сцена посвящена достижениям знаменитых астрономов и физиков, определивших наши...

Обсерватория

Астрономические обсерватории часто строят на больших высотах с целью уменьшения эффекта...

Законы Кеплера

Три важных закона,описывающих движение планет, были сформулированы Иоганном Кеплером.

Космический телескоп "Кеплер"

С помощью космического телескопа "Кеплер" вёлся поиск пригодных для жизни экзопланет,...

Космический телескоп "Хаббл"

Работа космического телескопа "Хаббл" не подвержена атмосферному влиянию.

Галактика - Млечный Путь

Наша Галактика имеет диаметр около 100 000 световых лет, в ней находятся более 100...

Занимательная география и астрономия

Множество интересного и удивительного преподносит нам наша Солнечная система.

Added to your cart.