Onde gravitazionali: scoperte! Cos'è un'onda gravitazionale

Onde gravitazionali - rappresentazione artistica

Le onde gravitazionali sono perturbazioni della metrica spazio-temporale che si staccano dalla sorgente e si propagano come onde (le cosiddette “increspature spazio-temporali”).

Nella relatività generale e in molti altri teorie moderne Nella gravità, le onde gravitazionali sono generate dal movimento di corpi massicci con accelerazione variabile. Le onde gravitazionali si propagano liberamente nello spazio alla velocità della luce. A causa della relativa debolezza delle forze gravitazionali (rispetto ad altre), queste onde hanno una grandezza molto piccola, difficile da registrare.

Onda gravitazionale polarizzata

Le onde gravitazionali sono previste dalla teoria della relatività generale (GR) e da molti altri. Sono stati rilevati direttamente per la prima volta nel settembre 2015 da due rilevatori gemelli, che hanno rilevato onde gravitazionali probabilmente risultanti dalla fusione di due per formare un unico buco nero rotante, più massiccio. Prove indirette della loro esistenza sono note fin dagli anni '70: la Relatività Generale prevede la velocità di convergenza dei sistemi vicini dovuta alla perdita di energia dovuta all'emissione di onde gravitazionali, che coincide con le osservazioni. La registrazione diretta delle onde gravitazionali e il loro utilizzo per determinare i parametri dei processi astrofisici è un compito importante della fisica e dell'astronomia moderne.

Nell'ambito della relatività generale, le onde gravitazionali sono descritte da soluzioni delle equazioni di Einstein di tipo ondulatorio, che rappresentano una perturbazione della metrica dello spazio-tempo che si muove alla velocità della luce (in approssimazione lineare). La manifestazione di questo disturbo dovrebbe essere, in particolare, una variazione periodica della distanza tra due masse di prova in caduta libera (cioè non influenzate da alcuna forza). Ampiezza H l'onda gravitazionale è una quantità adimensionale, una variazione relativa della distanza. Le ampiezze massime previste delle onde gravitazionali provenienti da oggetti astrofisici (ad esempio sistemi binari compatti) e fenomeni (esplosioni, fusioni, catture da parte di buchi neri, ecc.) quando misurate sono molto piccole ( H=10 −18 -10 −23). Un'onda gravitazionale debole (lineare), secondo la teoria generale della relatività, trasferisce energia e quantità di moto, si muove alla velocità della luce, è trasversale, quadrupolare ed è descritta da due componenti indipendenti situate ad un angolo di 45° tra loro ( ha due direzioni di polarizzazione).

Diverse teorie prevedono diversamente la velocità di propagazione delle onde gravitazionali. Nella relatività generale è uguale alla velocità della luce (in approssimazione lineare). In altre teorie della gravità può assumere qualsiasi valore, compreso l'infinito. Secondo la prima registrazione delle onde gravitazionali, la loro dispersione risultò compatibile con un gravitone privo di massa e la velocità fu stimata pari alla velocità della luce.

Generazione di onde gravitazionali

Un sistema di due stelle di neutroni crea increspature nello spaziotempo

Un'onda gravitazionale viene emessa da qualsiasi materia che si muove con accelerazione asimmetrica. Perché si verifichi un'onda di ampiezza significativa sono necessarie una massa estremamente grande dell'emettitore e/o accelerazioni enormi; l'ampiezza dell'onda gravitazionale è direttamente proporzionale derivata prima dell'accelerazione e la massa del generatore, cioè ~ . Tuttavia, se un oggetto si muove ad una velocità accelerata, significa che su di esso agisce una forza proveniente da un altro oggetto. A sua volta, quest’altro oggetto sperimenta l’effetto opposto (secondo la terza legge di Newton), e si scopre che è così M 1 UN 1 = − M 2 UN 2 . Si scopre che due oggetti emettono onde gravitazionali solo in coppia e, a causa dell'interferenza, si cancellano a vicenda quasi completamente. Pertanto, la radiazione gravitazionale nella teoria della relatività generale ha sempre il carattere multipolare di una radiazione almeno quadrupolare. Inoltre, per gli emettitori non relativistici nell'espressione dell'intensità della radiazione c'è un piccolo parametro dove è il raggio gravitazionale dell'emettitore, R- la sua dimensione caratteristica, T- periodo caratteristico di movimento, C-velocità della luce nel vuoto.

Le sorgenti più forti di onde gravitazionali sono:

collisioni (masse gigantesche, accelerazioni molto piccole),
collasso gravitazionale di un sistema binario di oggetti compatti (accelerazioni colossali con una massa abbastanza grande). Come caso speciale e molto interessante: la fusione di stelle di neutroni. In un tale sistema, la luminosità delle onde gravitazionali è vicina alla massima luminosità di Planck possibile in natura.

Onde gravitazionali emesse da un sistema a due corpi

Due corpi che si muovono in orbite circolari attorno centro generale masse

Due corpi legati gravitazionalmente dotati di massa M 1 e M 2, muovendosi in modo non relativistico ( v << C) in orbite circolari attorno al loro comune centro di massa a distanza R l'uno dall'altro emettono, in media nel periodo, onde gravitazionali della seguente energia:

Di conseguenza, il sistema perde energia, il che porta alla convergenza dei corpi, cioè a una diminuzione della distanza tra loro. Velocità di avvicinamento dei corpi:

Per il Sistema Solare, ad esempio, la maggiore radiazione gravitazionale è prodotta dal sottosistema e. La potenza di questa radiazione è di circa 5 kilowatt. Pertanto, l'energia persa ogni anno dal Sistema Solare a causa della radiazione gravitazionale è del tutto trascurabile rispetto all'energia cinetica caratteristica dei corpi.

Collasso gravitazionale di un sistema binario

Qualsiasi stella doppia, quando i suoi componenti ruotano attorno a un centro di massa comune, perde energia (come ipotizzato - a causa dell'emissione di onde gravitazionali) e, alla fine, si fonde insieme. Ma per le stelle doppie ordinarie, non compatte, questo processo richiede molto tempo, molto più a lungo dell’era attuale. Se un sistema binario compatto è costituito da una coppia di stelle di neutroni, buchi neri o una combinazione di entrambi, la fusione può avvenire entro diversi milioni di anni. Innanzitutto gli oggetti si avvicinano e il loro periodo di rivoluzione diminuisce. Quindi, nella fase finale, si verifica una collisione e un collasso gravitazionale asimmetrico. Questo processo dura una frazione di secondo e durante questo tempo l'energia viene dispersa nella radiazione gravitazionale che, secondo alcune stime, ammonta a oltre il 50% della massa del sistema.

Soluzioni esatte di base delle equazioni di Einstein per le onde gravitazionali

Onde del corpo di Bondi-Pirani-Robinson

Queste onde sono descritte da una metrica della forma . Se introduciamo una variabile e una funzione, dalle equazioni della relatività generale otteniamo l'equazione

Metrica Takeno

ha la forma , -le funzioni soddisfano la stessa equazione.

Metrica di Rosen

Dove soddisfare

Metrica di Perez

In cui

Onde cilindriche di Einstein-Rosen

In coordinate cilindriche, tali onde hanno la forma e vengono eseguite

Registrazione delle onde gravitazionali

La registrazione delle onde gravitazionali è piuttosto difficile a causa della debolezza di queste ultime (piccola distorsione della metrica). I dispositivi per la loro registrazione sono rilevatori di onde gravitazionali. I tentativi di rilevare le onde gravitazionali sono stati fatti dalla fine degli anni '60. Onde gravitazionali di ampiezza rilevabile nascono durante il collasso di un sistema binario. Eventi simili si verificano nell'area circostante circa una volta ogni dieci anni.

D'altra parte, la teoria della relatività generale prevede l'accelerazione della rotazione reciproca delle stelle binarie a causa della perdita di energia nell'emissione di onde gravitazionali, e questo effetto è registrato in modo affidabile in diversi sistemi noti di oggetti binari compatti (in particolare , pulsar con compagne compatte). Nel 1993, “per la scoperta di un nuovo tipo di pulsar, che fornì nuove opportunità nello studio della gravità” agli scopritori della prima doppia pulsar PSR B1913+16, Russell Hulse e Joseph Taylor Jr. è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica. L'accelerazione di rotazione osservata in questo sistema coincide completamente con le previsioni della relatività generale per l'emissione di onde gravitazionali. Lo stesso fenomeno è stato registrato in diversi altri casi: per le pulsar PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (solitamente abbreviato J0651) e per il sistema binario RX J0806. Ad esempio, la distanza tra le due componenti A e B della prima stella binaria delle due pulsar PSR J0737-3039 diminuisce di circa 2,5 pollici (6,35 cm) al giorno a causa della perdita di energia dovuta alle onde gravitazionali, e ciò avviene in accordo con relatività generale . Tutti questi dati vengono interpretati come conferma indiretta dell'esistenza delle onde gravitazionali.

Secondo le stime, le fonti più forti e frequenti di onde gravitazionali per i telescopi e le antenne gravitazionali sono le catastrofi associate al collasso dei sistemi binari nelle galassie vicine. Si prevede che nel prossimo futuro diversi eventi simili all'anno verranno registrati su rilevatori gravitazionali migliorati, distorcendo la metrica nelle vicinanze di 10 −21 -10 −23 . Le prime osservazioni di un segnale di risonanza parametrica ottico-metrico, che permette di rilevare l'effetto delle onde gravitazionali provenienti da sorgenti periodiche come una binaria stretta sulla radiazione dei maser cosmici, potrebbero essere state ottenute presso l'Osservatorio radioastronomico russo Accademia delle Scienze, Pushchino.

Un'altra possibilità per rilevare lo sfondo delle onde gravitazionali che riempiono l'Universo è la tempistica ad alta precisione delle pulsar distanti: l'analisi del tempo di arrivo dei loro impulsi, che cambia tipicamente sotto l'influenza delle onde gravitazionali che attraversano lo spazio tra la Terra e la pulsar. Le stime per il 2013 indicano che la precisione temporale deve essere migliorata di circa un ordine di grandezza per rilevare le onde di fondo provenienti da più fonti nel nostro Universo, un compito che potrebbe essere portato a termine prima della fine del decennio.

Secondo i concetti moderni, il nostro Universo è pieno di onde gravitazionali relitte apparse nei primi istanti successivi. La loro registrazione consentirà di ottenere informazioni sui processi all'inizio della nascita dell'Universo. Il 17 marzo 2014 alle 20:00 ora di Mosca presso il Centro di Astrofisica di Harvard-Smithsonian, un gruppo americano di ricercatori che lavora al progetto BICEP 2 ha annunciato la rilevazione di disturbi tensoriali diversi da zero nell'Universo primordiale dovuti alla polarizzazione della massa cosmica radiazione di fondo a microonde, che è anche la scoperta di queste onde gravitazionali relitte. Tuttavia, quasi subito questo risultato è stato contestato, poiché, come si è scoperto, il contributo non è stato adeguatamente preso in considerazione. Uno degli autori, J. M. Kovats ( Kovac J.M.), ha ammesso che “i partecipanti e i giornalisti scientifici sono stati un po’ frettolosi nell’interpretare e riportare i dati dell’esperimento BICEP2”.

Conferma sperimentale dell'esistenza

Il primo segnale di onda gravitazionale registrato. A sinistra ci sono i dati del rilevatore di Hanford (H1), a destra - di Livingston (L1). Il tempo viene conteggiato dal 14 settembre 2015, 09:50:45 UTC. Per visualizzare il segnale, questo viene filtrato con un filtro di frequenza con banda passante di 35-350 Hertz per sopprimere grandi fluttuazioni al di fuori dell'intervallo di alta sensibilità dei rilevatori; sono stati utilizzati anche filtri elimina banda per sopprimere il rumore degli impianti stessi. Riga superiore: tensioni h nei rilevatori. GW150914 è arrivato prima a L1 e 6 9 +0 5 −0 4 ms dopo a H1; Per un confronto visivo, i dati di H1 sono mostrati nel grafico L1 in forma invertita e spostata nel tempo (per tenere conto dell'orientamento relativo dei rilevatori). Seconda riga: tensioni h provenienti dal segnale dell'onda gravitazionale, passate attraverso lo stesso filtro passa banda 35-350 Hz. La linea continua è il risultato della relatività numerica per un sistema con parametri compatibili con quelli rilevati in base allo studio del segnale GW150914, ottenuto da due codici indipendenti con una corrispondenza risultante di 99,9. Le linee spesse grigie rappresentano le regioni di confidenza al 90% della forma d'onda ricostruita dai dati del rilevatore mediante due metodi diversi. La linea grigio scuro modella i segnali attesi dalla fusione di buchi neri, la linea grigio chiaro non utilizza modelli astrofisici, ma rappresenta il segnale come una combinazione lineare di onde sinusoidali-gaussiane. Le ricostruzioni si sovrappongono del 94%. Terza riga: errori residui dopo aver estratto la previsione filtrata del segnale di relatività numerica dal segnale filtrato dei rivelatori. Riga inferiore: una rappresentazione della mappa frequenza-tensione, che mostra l'aumento della frequenza dominante del segnale nel tempo.

11 febbraio 2016 dalle collaborazioni LIGO e VIRGO. Il segnale di fusione di due buchi neri con un'ampiezza massima di circa 10 −21 è stato registrato il 14 settembre 2015 alle 9:51 UTC da due rilevatori LIGO a Hanford e Livingston, a 7 millisecondi di distanza, nella regione di massima ampiezza del segnale ( 0,2 secondi) combinato il rapporto segnale-rumore era 24:1. Il segnale è stato designato GW150914. La forma del segnale corrisponde alla previsione della relatività generale per la fusione di due buchi neri con masse di 36 e 29 masse solari; il buco nero risultante dovrebbe avere una massa pari a 62 solare e un parametro di rotazione UN= 0,67. La distanza dalla sorgente è di circa 1,3 miliardi, l'energia emessa in decimi di secondo nella fusione è l'equivalente di circa 3 masse solari.

Storia

La storia del termine stesso "onda gravitazionale", la ricerca teorica e sperimentale di queste onde, nonché il loro utilizzo per studiare fenomeni inaccessibili ad altri metodi.

1900 - Lorentz suggerisce che la gravità “...può diffondersi ad una velocità non superiore a quella della luce”;
1905 - Poincaré introdusse per primo il termine onda gravitazionale (onde gravifique). Poincaré, a livello qualitativo, rimosse le consolidate obiezioni di Laplace e dimostrò che le correzioni associate alle onde gravitazionali alle leggi di gravità newtoniane generalmente accettate vengono annullate, quindi l'ipotesi dell'esistenza delle onde gravitazionali non contraddice le osservazioni;
1916 - Einstein dimostra che, nel quadro della relatività generale, un sistema meccanico trasferisce energia alle onde gravitazionali e, grosso modo, qualsiasi rotazione relativa alle stelle fisse deve prima o poi arrestarsi, anche se, ovviamente, in condizioni normali, si verificano perdite di energia dell'ordine di grandezza sono trascurabili e praticamente non misurabili (in questo lavoro credeva anche erroneamente che un sistema meccanico che mantenga costantemente la simmetria sferica possa emettere onde gravitazionali);
1918 – Einstein derivò una formula di quadrupolo in cui l'emissione di onde gravitazionali risulta essere un effetto di ordine, correggendo così l'errore nel suo lavoro precedente (un errore è rimasto nel coefficiente, l'energia dell'onda è 2 volte inferiore);
1923 - Eddington - mette in dubbio la realtà fisica delle onde gravitazionali "...che si propagano...alla velocità del pensiero". Nel 1934, quando preparò la traduzione russa della sua monografia “La teoria della relatività”, Eddington aggiunse diversi capitoli, inclusi capitoli con due opzioni per il calcolo delle perdite di energia mediante un’asta rotante, ma notò che i metodi utilizzati per i calcoli approssimati della relatività generale, a suo parere, non sono applicabili a sistemi legati gravitazionalmente, per cui restano dei dubbi;
1937 - Einstein, insieme a Rosen, studia le soluzioni delle onde cilindriche alle esatte equazioni del campo gravitazionale. Nel corso di questi studi iniziarono a dubitare che le onde gravitazionali potessero essere un artefatto di soluzioni approssimate delle equazioni della relatività generale (è nota la corrispondenza riguardante una recensione dell'articolo “Esistono le onde gravitazionali?” di Einstein e Rosen). Successivamente trovò un errore nel suo ragionamento: la versione finale dell'articolo con modifiche fondamentali fu pubblicata sul Journal of the Franklin Institute;
1957 - Herman Bondi e Richard Feynman propongono l'esperimento mentale del “bastone di perline” in cui comprovano l'esistenza di conseguenze fisiche delle onde gravitazionali nella relatività generale;
1962 - Vladislav Pustovoit e Mikhail Herzenstein descrivono i principi dell'uso degli interferometri per rilevare le onde gravitazionali a onda lunga;
1964 - Philip Peters e John Matthew descrivono teoricamente le onde gravitazionali emesse da sistemi binari;
1969 - Joseph Weber, fondatore dell'astronomia delle onde gravitazionali, segnala il rilevamento di onde gravitazionali utilizzando un rilevatore risonante, un'antenna gravitazionale meccanica. Questi rapporti danno origine a una rapida crescita del lavoro in questa direzione, in particolare Rainier Weiss, uno dei fondatori del progetto LIGO, iniziò in quel periodo gli esperimenti. Ad oggi (2015) nessuno è riuscito ad ottenere conferme attendibili di questi eventi;
1978 – Joseph Taylor hanno riportato il rilevamento di radiazione gravitazionale nel sistema di pulsar binarie PSR B1913+16. La ricerca di Joseph Taylor e Russell Hulse merita premio Nobel in fisica per il 1993. All'inizio del 2015, tre parametri post-kepleriani, inclusa la riduzione del periodo dovuta all'emissione di onde gravitazionali, erano stati misurati per almeno 8 di questi sistemi;
2002 - Sergey Kopeikin e Edward Fomalont hanno utilizzato l'interferometria delle onde radio a base ultra lunga per misurare la deflessione della luce nel campo gravitazionale di Giove in dinamica, che per una certa classe di ipotetiche estensioni della relatività generale rende possibile stimare la velocità di gravità: la differenza rispetto alla velocità della luce non deve superare il 20% (questa interpretazione non è generalmente accettata);
2006 - il team internazionale di Martha Bourgay (Parkes Observatory, Australia) ha riportato una conferma significativamente più accurata della relatività generale e della sua corrispondenza con l'entità della radiazione delle onde gravitazionali nel sistema di due pulsar PSR J0737-3039A/B;
2014 - Gli astronomi dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysicals (BICEP) riportano il rilevamento di onde gravitazionali primordiali durante la misurazione delle fluttuazioni nella radiazione cosmica di fondo a microonde. Al momento (2016), le fluttuazioni rilevate non sono considerate di origine relitta, ma sono spiegate dall'emissione di polvere nella Galassia;
2016 - squadra internazionale LIGO ha segnalato il rilevamento dell’evento di transito di onde gravitazionali GW150914. Per la prima volta, osservazione diretta di corpi massicci interagenti in campi gravitazionali ultraforti con velocità relative ultraelevate (< 1,2 × R s , v/c >0.5), che ha permesso di verificare la correttezza della relatività generale con una precisione di diversi termini post-newtoniani di ordine elevato. La dispersione misurata delle onde gravitazionali non contraddice le misurazioni precedentemente effettuate della dispersione e del limite superiore sulla massa di un ipotetico gravitone (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.

Giovedì 11 febbraio un gruppo di scienziati del progetto internazionale LIGO Scientific Collaboration ha annunciato di esserci riuscito, la cui esistenza era stata prevista da Albert Einstein nel 1916. Secondo i ricercatori, il 14 settembre 2015, hanno registrato un'onda gravitazionale causata dalla collisione di due buchi neri che pesano 29 e 36 volte la massa del Sole, dopo di che si sono fusi in un grande buco nero. Secondo loro, ciò sarebbe avvenuto 1,3 miliardi di anni fa, a una distanza di 410 Megaparsec dalla nostra Galassia.

LIGA.net ha parlato in dettaglio delle onde gravitazionali e della scoperta su larga scala Bogdan Hnatyk, scienziato ucraino, astrofisico, dottore in scienze fisiche e matematiche, ricercatore leader presso l'Osservatorio Astronomico di Kiev Università Nazionale prende il nome da Taras Shevchenko, che diresse l'osservatorio dal 2001 al 2004.

Teoria in un linguaggio semplice

La fisica studia l'interazione tra i corpi. È stato stabilito che esistono quattro tipi di interazione tra i corpi: interazione elettromagnetica, interazione nucleare forte e debole e interazione gravitazionale, che tutti sentiamo. A causa dell'interazione gravitazionale, i pianeti ruotano attorno al Sole, i corpi hanno peso e cadono a terra. Gli esseri umani sono costantemente confrontati all’interazione gravitazionale.

Nel 1916, 100 anni fa, Albert Einstein costruì una teoria della gravità che migliorò quella di Newton, la rese matematicamente corretta: cominciò a soddisfare tutti i requisiti della fisica e cominciò a tenere conto del fatto che la gravità si propaga a una velocità molto elevata. velocità elevata ma finita. Questo è giustamente uno dei più grandi successi di Einstein, poiché ha costruito una teoria della gravità che corrisponde a tutti i fenomeni fisici che osserviamo oggi.

Questa teoria ne suggeriva anche l'esistenza onde gravitazionali. La base di questa previsione era che le onde gravitazionali esistono come risultato dell'interazione gravitazionale che si verifica a causa della fusione di due corpi massicci.

Cos'è un'onda gravitazionale

Lingua difficile questa è l'eccitazione della metrica spazio-temporale. "Diciamo che lo spazio ha una certa elasticità e le onde possono attraversarlo. È simile a quando gettiamo un sasso nell'acqua e le onde si disperdono da esso", ha detto a LIGA.net il dottore in scienze fisiche e matematiche.

Gli scienziati sono stati in grado di dimostrare sperimentalmente che un'oscillazione simile ha avuto luogo nell'Universo e che un'onda gravitazionale si è diffusa in tutte le direzioni. “A livello astrofisico, per la prima volta, è stato registrato il fenomeno di un'evoluzione così catastrofica di un sistema binario, quando due oggetti si fondono in uno solo, e questa fusione porta ad un rilascio molto intenso di energia gravitazionale, che poi si diffonde nello spazio sotto forma delle onde gravitazionali”, ha spiegato lo scienziato.

Come appare (foto - EPA)

Queste onde gravitazionali sono molto deboli e affinché possano scuotere lo spazio-tempo è necessaria l'interazione di corpi molto grandi e massicci in modo che l'intensità del campo gravitazionale sia elevata nel punto di generazione. Ma, nonostante la loro debolezza, l'osservatore dopo un certo tempo (pari alla distanza dell'interazione divisa per la velocità del segnale) registrerà quest'onda gravitazionale.

Facciamo un esempio: se la Terra cadesse sul Sole, si verificherebbe un'interazione gravitazionale: l'energia gravitazionale verrebbe rilasciata, si formerebbe un'onda gravitazionale a simmetria sferica e l'osservatore potrebbe registrarla. "Qui si è verificato un fenomeno simile, ma unico dal punto di vista astrofisico: due corpi massicci si sono scontrati: due buchi neri", ha osservato Gnatyk.

Torniamo alla teoria

Un buco nero è un'altra previsione della teoria generale della relatività di Einstein, la quale prevede che un corpo che ha una massa enorme, ma questa massa è concentrata in un piccolo volume, è in grado di distorcere notevolmente lo spazio attorno a sé, fino alla sua chiusura. Cioè, si presumeva che quando viene raggiunta una concentrazione critica della massa di questo corpo, tale che la dimensione del corpo sarà inferiore al cosiddetto raggio gravitazionale, lo spazio attorno a questo corpo sarà chiuso e la sua topologia sarà tale che nessun segnale da esso si diffonderà oltre lo spazio chiuso.

"Cioè, un buco nero, in parole semplici, è un oggetto massiccio, così pesante da chiudere lo spazio-tempo attorno a sé”, afferma lo scienziato.

E noi, secondo lui, possiamo inviare qualsiasi segnale a questo oggetto, ma lui non può inviarcelo. Cioè, nessun segnale può andare oltre il buco nero.

Un buco nero vive secondo le leggi fisiche ordinarie, ma a causa della forte gravità, nessun corpo materiale, nemmeno un fotone, è in grado di andare oltre questa superficie critica. I buchi neri si formano durante l'evoluzione delle stelle ordinarie quando collassano nucleo centrale e parte della materia della stella, collassando, si trasforma in un buco nero, e l'altra parte della stella viene espulsa sotto forma di un guscio di Supernova, trasformandosi nella cosiddetta “esplosione” di una Supernova.

Come abbiamo visto l'onda gravitazionale

Facciamo un esempio. Quando abbiamo due galleggianti sulla superficie dell'acqua e l'acqua è calma, la distanza tra loro è costante. Quando arriva un'onda, sposta questi galleggianti e la distanza tra i galleggianti cambierà. L'onda è passata e i galleggianti ritornano nelle loro posizioni precedenti e la distanza tra loro viene ripristinata.

Un'onda gravitazionale si propaga nello spazio-tempo in modo simile: comprime e allunga i corpi e gli oggetti che incontra sul suo cammino. "Quando un certo oggetto viene incontrato lungo il percorso di un'onda, si deforma lungo i suoi assi e dopo il suo passaggio ritorna alla sua forma precedente. Sotto l'influenza di un'onda gravitazionale, tutti i corpi sono deformati, ma queste deformazioni sono molto insignificante”, dice Gnatyk.

Quando l'onda registrata dagli scienziati passò, la dimensione relativa dei corpi nello spazio cambiò di una quantità dell'ordine di 1 per 10 alla meno 21a potenza. Ad esempio, se prendi un righello del metro, si è ridotto di una quantità pari alla sua dimensione moltiplicata per 10 alla meno 21a potenza. Questa è una quantità molto piccola. E il problema era che gli scienziati dovevano imparare a misurare questa distanza. I metodi convenzionali fornivano una precisione dell'ordine di 1 su 10 alla nona potenza di milioni, ma qui è necessaria una precisione molto più elevata. A questo scopo sono state create le cosiddette antenne gravitazionali (rivelatori di onde gravitazionali).

Osservatorio LIGO (foto - EPA)

L'antenna che ha registrato le onde gravitazionali è costruita in questo modo: ci sono due tubi, lunghi circa 4 chilometri, disposti a forma di lettera “L”, ma con gli stessi bracci e ad angolo retto. Quando un'onda gravitazionale colpisce un sistema, deforma le ali dell'antenna, ma a seconda del suo orientamento ne deforma una di più e l'altra di meno. E poi si verifica una differenza di percorso, il modello di interferenza del segnale cambia: appare un'ampiezza totale positiva o negativa.

“Cioè, il passaggio di un’onda gravitazionale è simile a un’onda sull’acqua che passa tra due galleggianti: se misurassimo la distanza tra loro durante e dopo il passaggio dell’onda, vedremmo che la distanza cambierebbe, per poi diventare lo stesso di nuovo”, ha detto Gnatyk.

Qui viene misurata la variazione relativa della distanza delle due ali dell'interferometro, ciascuna delle quali è lunga circa 4 chilometri. E solo tecnologie e sistemi molto precisi possono misurare lo spostamento microscopico delle ali causato da un’onda gravitazionale.

Ai confini dell'Universo: da dove viene l'onda?

Gli scienziati hanno registrato il segnale utilizzando due rilevatori, che si trovano in due stati degli Stati Uniti: Louisiana e Washington, a una distanza di circa 3mila chilometri. Gli scienziati sono stati in grado di stimare dove e da quale distanza proveniva questo segnale. Le stime mostrano che il segnale proveniva da una distanza di 410 Megaparsec. Un megaparsec è la distanza percorsa dalla luce in tre milioni di anni.

Per renderlo più facile da immaginare: la galassia attiva più vicina a noi con un buco nero supermassiccio al centro è Centaurus A, che si trova a una distanza di quattro Megaparsec dalla nostra, mentre la Nebulosa di Andromeda è a una distanza di 0,7 Megaparsec. "Cioè, la distanza da cui proviene il segnale dell'onda gravitazionale è così grande che il segnale ha viaggiato verso la Terra per circa 1,3 miliardi di anni. Si tratta di distanze cosmologiche che raggiungono circa il 10% dell'orizzonte del nostro Universo", ha detto lo scienziato.

A questa distanza, in una galassia lontana, due buchi neri si sono fusi. Questi fori, da un lato, erano di dimensioni relativamente piccole e, dall'altro, la grande ampiezza del segnale indica che erano molto pesanti. È stato stabilito che le loro masse erano rispettivamente 36 e 29 masse solari. La massa del Sole, come è noto, è pari a 2 volte 10 alla 30esima potenza di un chilogrammo. Dopo la fusione, questi due corpi si sono fusi e ora al loro posto si è formato un unico buco nero, che ha una massa pari a 62 masse solari. Allo stesso tempo, circa tre masse del Sole si riversarono fuori sotto forma di onde gravitazionali.

Chi ha fatto la scoperta e quando

Gli scienziati del progetto internazionale LIGO sono riusciti a rilevare un'onda gravitazionale il 14 settembre 2015. LIGO (Osservatorio di gravitazione dell'interferometria laser)è un progetto internazionale al quale partecipano numerosi Stati, apportando un certo contributo finanziario e scientifico, in particolare Stati Uniti, Italia, Giappone, che sono all'avanguardia nel campo di questa ricerca.

Professori Rainer Weiss e Kip Thorne (foto - EPA)

È stata registrata la seguente immagine: le ali del rilevatore gravitazionale si sono spostate a causa del passaggio effettivo di un'onda gravitazionale attraverso il nostro pianeta e attraverso questa installazione. Questo allora non venne segnalato, perché il segnale doveva essere elaborato, “pulito”, trovato e controllato la sua ampiezza. Questo procedura standard: da vera scoperta, prima dell'annuncio dell'apertura, passano diversi mesi per rilasciare una dichiarazione motivata. "Nessuno vuole rovinare la propria reputazione. Questi sono tutti dati segreti, prima della pubblicazione di cui nessuno ne era a conoscenza, c'erano solo voci", ha osservato Hnatyk.

Storia

Le onde gravitazionali sono state studiate fin dagli anni '70 del secolo scorso. Durante questo periodo furono creati numerosi rilevatori e una serie di ricerca di base. Negli anni '80 lo scienziato americano Joseph Weber costruì la prima antenna gravitazionale sotto forma di un cilindro di alluminio, grande circa diversi metri, dotato di sensori piezoelettrici che avrebbero dovuto registrare il passaggio di un'onda gravitazionale.

La sensibilità di questo dispositivo era un milione di volte peggiore degli attuali rilevatori. E, naturalmente, allora non riuscì a rilevare realmente l'onda, anche se Weber dichiarò di averlo fatto: la stampa ne scrisse e si verificò un "boom gravitazionale" - il mondo iniziò immediatamente a costruire antenne gravitazionali. Weber ha incoraggiato altri scienziati a occuparsi delle onde gravitazionali e a continuare gli esperimenti su questo fenomeno, che ha permesso di aumentare la sensibilità dei rilevatori un milione di volte.

Tuttavia, il fenomeno delle onde gravitazionali stesso è stato registrato nel secolo scorso, quando gli scienziati hanno scoperto una doppia pulsar. Questa era una registrazione indiretta del fatto che esistono le onde gravitazionali, dimostrata attraverso osservazioni astronomiche. La pulsar fu scoperta da Russell Hulse e Joseph Taylor nel 1974 durante le osservazioni con il radiotelescopio dell'Osservatorio di Arecibo. Gli scienziati hanno ricevuto il Premio Nobel nel 1993 "per la scoperta di un nuovo tipo di pulsar, che ha fornito nuove opportunità nello studio della gravità".

La ricerca nel mondo e in Ucraina

In Italia, un progetto simile chiamato Virgo è in fase di completamento. Anche il Giappone intende lanciare un rilevatore simile entro un anno e anche l'India sta preparando un simile esperimento. Cioè, esistono rilevatori simili in molte parti del mondo, ma non hanno ancora raggiunto la sensibilità tale da poter parlare di rilevamento delle onde gravitazionali.

"Ufficialmente l'Ucraina non fa parte di LIGO e non partecipa nemmeno ai progetti italiano e giapponese. Tra questi ambiti fondamentali, l'Ucraina ora partecipa al progetto LHC (Large Hadron Collider) e al CERN (diventeremo ufficialmente partecipanti solo dopo aver pagato il biglietto d'ingresso)", ha detto a LIGA.net il dottore in scienze fisiche e matematiche Bohdan Gnatyk.

Secondo lui, dal 2015 l'Ucraina è membro a pieno titolo della collaborazione internazionale CTA (Cerenkov Telescope Array), che sta costruendo un moderno multitelescopio TeV lungo intervallo gamma (con energie fotoniche fino a 1014 eV). "Le principali fonti di tali fotoni sono proprio le vicinanze dei buchi neri supermassicci, la cui radiazione gravitazionale è stata registrata per la prima volta dal rilevatore LIGO. Pertanto, l'apertura di nuove finestre in astronomia - onde gravitazionali e multi TeV“La tecnologia elettromagnetica nogo ci promette molte altre scoperte in futuro”, aggiunge lo scienziato.

Qual è il futuro e in che modo le nuove conoscenze aiuteranno le persone? Gli scienziati non sono d’accordo. Alcuni dicono che questo è solo il prossimo passo nella comprensione dei meccanismi dell'Universo. Altri lo vedono come il primo passo verso le nuove tecnologie per spostarsi nel tempo e nello spazio. In un modo o nell'altro, questa scoperta ha dimostrato ancora una volta quanto poco capiamo e quanto resta da imparare.

Un gruppo di scienziati provenienti da 16 paesi ha per la prima volta ottenuto la prova dell'esistenza pratica delle onde gravitazionali. Sono stati aiutati in questo da due buchi neri che si sono fusi in uno solo 1,3 miliardi di anni fa. Nel processo, si verificò un tale rilascio di energia che fece tremare la Terra come gelatina. Fontanka ha cercato di comprendere le prove presentate.

Fonte: LIGO

"Abbiamo rilevato un'onda gravitazionale", ha detto in una conferenza stampa a Washington Direttore esecutivo Interferometro laser Osservatorio delle onde gravitazionali LIGO David Reits. Le sue parole hanno suscitato una tempesta di applausi. Tuttavia, non capita così spesso che la scienza fondamentale si compiaccia di scoperte su scala universale.

La ricerca si estende davvero oltre il pianeta. La fonte delle vibrazioni, che gli scienziati sono riusciti a rilevare, si trova da qualche parte nella parte meridionale del cielo stellato. L'onda proveniva dalle Nubi di Magellano, che sono galassie satelliti via Lattea. Le possibili posizioni della fonte con diverse probabilità sono contrassegnate sulla mappa sottostante.

Circa 1,3 miliardi di anni fa, credono gli scienziati, lì si verificarono eventi fantastici quando due buchi neri caddero sotto l'influenza l'uno dell'altro e iniziarono ad avvicinarsi l'uno all'altro. Ricordiamo che "buchi neri" è un nome convenzionale per oggetti spaziali che attraggono tutto ciò che si trova nelle vicinanze. La forza di gravità è così forte che nemmeno la luce può sfuggire. Per questo motivo, sullo sfondo delle stelle luminose e degli oggetti da esse illuminati, i "buchi neri" sembrano completamente bui.

E così due di questi oggetti iniziarono ad attrarsi a vicenda, muovendosi lungo la lumaca. Pertanto, crearono disturbi nel campo gravitazionale e le onde gravitazionali iniziarono a divergere dal loro movimento. Il processo si è concluso logicamente: unendosi in un unico oggetto cosmico. Visivamente, questo è simile alla divisione cellulare, familiare a tutti da un libro di testo di biologia, che va nella direzione opposta.

I ricercatori di LIGO notano un momento critico, un millisecondo prima che i due buchi neri si fondano finalmente in uno solo, quando si è verificato un rilascio di energia 50 volte maggiore dell'energia di tutte le stelle dell'Universo.

Fonte: LIGO

Una sorta di “nona onda” attraversò l’Universo e raggiunse la Terra. L'onda ha colpito il pianeta e ha influenzato il suo campo gravitazionale. Per chiarezza, gli scienziati hanno spiegato che l'effetto era simile a quello che accadrebbe se si colpisse la gelatina con qualcosa e questa iniziasse a tremare. Tuttavia, tali terremoti non sono pericolosi per il pianeta e non sono stati rilevati se non da strumenti ultrasensibili. Il cofondatore di LIGO Rainer Weiss ha chiaramente dimostrato come esattamente un'onda passa attraverso un campo gravitazionale.

Quando l'onda raggiunse la Terra, la ricerca sperimentale alla ricerca delle onde gravitazionali era già stata condotta per un quarto di secolo. Va detto che la possibilità teorica dell'esistenza delle onde gravitazionali è menzionata in diverse teorie. Ad esempio, secondo la teoria generale della relatività di Einstein, la velocità di propagazione di un'onda gravitazionale è uguale alla velocità della luce in approssimazione lineare.

Tuttavia, era impossibile confutare o confermare sperimentalmente nessuna delle teorie, poiché rilevare un'onda gravitazionale è molto difficile. Per comprendere la portata di questo fenomeno, è necessario sapere che in sistema solare Le sorgenti più potenti di onde gravitazionali sono, infatti, il Sole e Giove. E la potenza di queste onde è insignificante, rispetto all'energia cinetica di questi corpi, 5 kilowatt.

Tuttavia, il 14 settembre 2015, due osservatori di onde gravitazionali negli Stati Uniti sono riusciti a registrare le oscillazioni, che sono state successivamente identificate dagli scienziati come onde gravitazionali. Innanzitutto, le vibrazioni sono state registrate nella città di Hanford, Washington, e dopo 7 millisecondi a Livingston, Louisiana. Il ricontrollo di tutti i dati ha richiesto circa altri sei mesi. Successivamente, gli scienziati sono stati in grado di spiegare come sono riusciti a catturare un'onda gravitazionale.

Per le misurazioni è stato utilizzato un interferometro laser. L'essenza del suo lavoro è dividere il raggio laser in due, di diversa intensità. Ciascuno di essi raggiunge poi lo specchio, dove viene riflesso e restituito al sistema, e da lì inviato ad uno speciale fotorivelatore. Il principio di funzionamento del sistema è mostrato nel video qui sotto.

Fonte: LIGO

Gli specchi si trovano a notevole distanza dal laser e sono isolati da vibrazioni estranee. Quando un'onda gravitazionale attraversa la Terra, la sua forma cambia e di conseguenza la distanza degli specchi dalla sorgente di radiazione. Di conseguenza, dopo che il raggio laser è stato riflesso dallo specchio, il raggio necessita di una distanza maggiore o minore per raggiungere il fotorilevatore. La differenza microscopica nel laser che colpisce il fotorilevatore è proprio il metodo per determinare un'onda gravitazionale.

Per maggiore chiarezza, gli scienziati hanno determinato l'ampiezza dell'onda gravitazionale in base al colore. Anche la portavoce di LIGO Gabriela Gonzalez dell'Università della Louisiana ha affermato che l'onda gravitazionale rientra nell'intervallo che l'orecchio umano può rilevare. “Possiamo letteralmente sentire l’onda gravitazionale, possiamo sentire l’universo. Tuttavia, quest’onda è così breve che sentiremo solo un suono simile a “splash!”, ha spiegato Gonzalez.

Invitiamo anche i lettori di Fontanka ad ascoltare l'onda gravitazionale apparsa circa 1,3 miliardi di anni fa come risultato della connessione di due “buchi neri” in una galassia molto, molto lontana.

“Recentemente, una serie di esperimenti a lungo termine sull’osservazione diretta delle onde gravitazionali ha generato un forte interesse scientifico”, ha scritto il fisico teorico Michio Kaku nel suo libro del 2004 Einstein’s Cosmos. — Il progetto LIGO (Laser Interferometer for Observing Gravitational Waves) potrebbe essere il primo a “vedere” le onde gravitazionali, molto probabilmente derivanti dalla collisione di due buchi neri nello spazio profondo. LIGO è il sogno di un fisico che diventa realtà, il primo impianto con potenza sufficiente per misurare le onde gravitazionali."

La previsione di Kaku si è avverata: giovedì un gruppo di scienziati internazionali dell'osservatorio LIGO ha annunciato la scoperta delle onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali sono oscillazioni nello spazio-tempo che "sfuggono" a oggetti massicci (come i buchi neri) che si muovono con accelerazione. In altre parole, le onde gravitazionali sono una perturbazione diffusa dello spazio-tempo, una deformazione itinerante del vuoto assoluto.

Un buco nero è una regione dello spazio-tempo la cui attrazione gravitazionale è così forte che persino gli oggetti che si muovono alla velocità della luce (inclusa la luce stessa) non possono lasciarla. Il confine che separa un buco nero dal resto del mondo si chiama orizzonte degli eventi: tutto ciò che accade all'interno dell'orizzonte degli eventi è nascosto agli occhi di un osservatore esterno.

Erin Ryan Una foto di una torta pubblicata online da Erin Ryan.

Gli scienziati iniziarono a catturare le onde gravitazionali mezzo secolo fa: fu allora che il fisico americano Joseph Weber si interessò alla teoria della relatività generale (GTR) di Einstein, si prese un anno sabbatico e iniziò a studiare le onde gravitazionali. Weber inventò il primo dispositivo per rilevare le onde gravitazionali e presto annunciò di aver registrato “il suono delle onde gravitazionali”. Tuttavia, la comunità scientifica ha smentito il suo messaggio.

Tuttavia, è stato grazie a Joseph Weber che molti scienziati si sono trasformati in “cacciatori di onde”. Oggi Weber è considerato il padre del campo scientifico dell'astronomia delle onde gravitazionali.

"Questo è l'inizio di una nuova era dell'astronomia gravitazionale"

L'osservatorio LIGO, dove gli scienziati hanno registrato le onde gravitazionali, è composto da tre installazioni laser negli Stati Uniti: due si trovano nello stato di Washington e uno in Louisiana. Così Michio Kaku descrive il funzionamento dei rilevatori laser: “Il raggio laser viene diviso in due raggi separati, che poi vanno perpendicolari tra loro. Poi, riflessi dallo specchio, si riconnettono. Se un'onda gravitazionale passa attraverso un interferometro (dispositivo di misurazione), la lunghezza del percorso è due raggi laser subiranno disturbi e questo si rifletterà nel loro schema di interferenza. Per garantire che il segnale registrato dal sistema laser non sia casuale, i rilevatori devono essere posizionati all'interno punti diversi Terra.

Solo sotto l’influenza di un’onda gravitazionale gigantesca, molto più grande delle dimensioni del nostro pianeta, tutti i rilevatori funzioneranno contemporaneamente”.

Ora la collaborazione LIGO ha rilevato la radiazione gravitazionale causata dalla fusione di un sistema binario di buchi neri con masse di 36 e 29 masse solari in un oggetto con una massa di 62 masse solari. "Questa è la prima misurazione diretta (è molto importante che sia diretta!) dell'azione delle onde gravitazionali", ha commentato Sergei Vyatchanin, professore alla Facoltà di Fisica dell'Università Statale di Mosca, al corrispondente di Gazeta.Ru dipartimento di scienze. — Cioè, è stato ricevuto un segnale dalla catastrofe astrofisica della fusione di due buchi neri. E questo segnale viene identificato: anche questo è molto importante! È chiaro che questo proviene da due buchi neri. E questo è l'inizio nuova era l'astronomia gravitazionale, che consentirà di ottenere informazioni sull'Universo non solo attraverso fonti ottiche, di raggi X, elettromagnetiche e di neutrini – ma anche attraverso le onde gravitazionali.

Possiamo dire che il 90% dei buchi neri ha cessato di essere oggetti ipotetici. Qualche dubbio resta, ma comunque il segnale captato combacia molto bene con quanto previsto da innumerevoli simulazioni della fusione di due buchi neri secondo la teoria della relatività generale.

Questa è una forte argomentazione a favore dell’esistenza dei buchi neri. Non c’è ancora altra spiegazione per questo segnale. Pertanto, è accettato che esistano i buchi neri”.

"Einstein sarebbe molto felice"

Le onde gravitazionali furono previste da Albert Einstein (che, tra l'altro, era scettico sull'esistenza dei buchi neri) come parte della sua teoria generale della relatività. Nella GR, il tempo viene aggiunto alle tre dimensioni spaziali e il mondo diventa quadridimensionale. Secondo la teoria che ha sconvolto tutta la fisica, la gravità è una conseguenza della curvatura dello spazio-tempo sotto l'influenza della massa.

Einstein ha dimostrato che qualsiasi materia che si muove con accelerazione crea un disturbo nello spazio-tempo: un'onda gravitazionale. Questo disturbo è tanto maggiore quanto maggiore è l'accelerazione e la massa dell'oggetto.

A causa della debolezza delle forze gravitazionali rispetto ad altre interazioni fondamentali, queste onde dovrebbero avere una magnitudo molto piccola, difficile da registrare.

Quando spiegano la relatività generale agli studiosi di discipline umanistiche, i fisici spesso chiedono loro di immaginare un foglio di gomma teso su cui vengono calate enormi sfere. Le palline premono attraverso la gomma e il foglio teso (che rappresenta lo spazio-tempo) si deforma. Secondo la relatività generale, l'intero Universo è di gomma, sulla quale ogni pianeta, ogni stella e ogni galassia lascia delle ammaccature. La nostra Terra ruota attorno al Sole come una pallina, lanciata a rotolare attorno al cono di un imbuto formatosi a seguito della “spinta” dello spazio-tempo da parte di una palla pesante.

DISPOSITIVO/Reuters

La palla pesante è il Sole

È probabile che la scoperta delle onde gravitazionali, che rappresenta la principale conferma della teoria di Einstein, possa meritare il Premio Nobel per la fisica. "Einstein sarebbe molto felice", ha detto Gabriella Gonzalez, portavoce della collaborazione LIGO.

Secondo gli scienziati è troppo presto per parlare dell'applicabilità pratica della scoperta. “Anche se non è Heinrich Hertz (il fisico tedesco che ne dimostrò l’esistenza onde elettromagnetiche. - "Gazeta.Ru") avrebbe potuto pensare che ciò sarebbe accaduto cellulare? NO! "Non possiamo immaginare nulla adesso", ha detto Valery Mitrofanov, professore alla Facoltà di Fisica dell'Università Statale di Mosca. M.V. Lomonosov. — Mi concentro sul film “Interstellar”. Viene criticato, sì, ma anche un uomo selvaggio potrebbe immaginare un tappeto magico. E il tappeto magico si è trasformato in un aeroplano, e basta. E qui bisogna immaginare qualcosa di molto complesso. In Interstellar, uno dei punti è legato al fatto che una persona può viaggiare da un mondo all'altro. Se immagini in questo modo, credi che una persona possa viaggiare da un mondo all'altro, che possano esserci molti universi - qualsiasi cosa? Non posso rispondere di no. Perché un fisico non può rispondere “no” a una domanda del genere! Solo se contraddice alcune leggi di conservazione! Esistono opzioni che non contraddicono le leggi fisiche conosciute. Quindi, è possibile viaggiare attraverso i mondi!”