Гравитационная волна

Поляризованная гравитационная волна

Гравитацио́нная волна́ в общей теории относительности — гипотетическая волна гравитации (порождаемая, как предполагается, движением гравитирующих тел с переменным ускорением), «отрывающаяся» от источника гравитации и свободно распространяющаяся в пространстве, приводящая к изменению (возмущению) гравитационного поля в окружающем пространстве (т. н. «рябь пространства-времени»). Ввиду относительной слабости (по сравнению с прочими) гравитационных сил, эти волны должны иметь весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО) и многими другими теориями гравитации, но ввиду их чрезвычайной малости пока не зарегистрированы напрямую. Тем не менее, косвенные свидетельства их существования достаточно весомы — ОТО предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем двойных звёзд за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн. Прямая регистрация гравитационных волн, которую, как планируется, смогут провести на новом поколении гравитационных телескопов Advanced LIGO/VIRGO, является важной задачей современной физики и астрономии.

В рамках ОТО гравитационные волны описываются решениями уравнений Эйнштейна волнового типа, представляющими собой движущееся со скоростью света возмущение метрики пространства-времени. Проявлением этого возмущения должно быть, в частности, периодическое изменение расстояния между двумя свободно падающими (то есть не испытывающими влияния никаких сил) пробными массами. Амплитудой h гравитационной волны является безразмерная величина — относительное изменение расстояния. Предсказываемые максимальные амплитуды гравитационных волн от астрофизических объектов (например, компактных двойных систем) и явлений (взрывов сверхновых, слияний нейтронных звёзд, захватов звёзд чёрными дырами и т. п.) при измерениях в Солнечной системе весьма малы (h=10⁻¹⁸—10⁻²³). Слабая (линейная) гравитационная волна согласно общей теории относительности двигается со скоростью света, является поперечной, квадрупольной и описывается двумя независимыми компонентами, расположенными под углом 45° друг ко другу (имеет два направления поляризации).

Различные теории по-разному предсказывают скорость распространения гравитационных волн. В общей теории относительности она равна скорости света в линейном приближении. В других теориях гравитации она может принимать любые значения, в том числе до бесконечности.

Генерация гравитационных волн

Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени

Гравитационную волну излучает любая движущаяся ускоренно материя. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна первой производной ускорения и массе генератора, то есть ~ $m\frac{da}{dt}$. Однако если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь, этот другой объект испытывает обратное действие (по 3-му закону Ньютона), при этом оказывается, что m₁a₁ = −m₂a₂. Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они существенно взаимно гасятся. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения. Кроме того для нерелятивистских излучателей в выражении для интенсивности излучения имеется малый параметр $\left(\frac{r}{c T}\right)^4$ (r — характерный размер излучателя, T — характерный период движения излучателя, c — скорость света в вакууме).

Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема Солнца и Юпитера. Мощность этого излучения примерно 5 киловатт, таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел.

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:

• сталкивающиеся галактики (гигантские массы, небольшие ускорения),
• гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе). Как частный и наиболее интересный случай — это слияние нейтронных звёзд. У такой системы гравитационно-волновая светимость близка к максимально возможной в природе планковской светимости.

Гравитационный коллапс двойной системы

Любая двойная звезда при вращении её компонент вокруг общего центра масс теряет энергию (как предполагается — за счёт излучения гравитационных волн) и, в конце концов, сливается воедино. Но, для обычных, некомпактных двойных звёзд этот процесс занимает очень долгое время, много большее настоящего возраста Вселенной. Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Однако на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая по некоторым оценкам более 50 % от массы системы.

Основные используемые метрики

Объёмные волны Бонди-Пирани-Робинсона

Эти волны описываются метрикой вида $ds^2=(dx^0)^2-((dx^1)^2+\alpha(dx^1)^2+2\beta(dx^2dx^3)+\gamma(dx^3)^2)$. Если ввести переменную $u=x^0-x^1$ и функцию $\lambda=\alpha\gamma-\beta^2$, то из уравнений ОТО получим уравнение $\frac{d^2\lambda}{du^2}-\frac{1}{2}\frac{d\lambda}{du}\frac{d(\ln\lambda)}{du}-\frac{d\alpha}{du}\frac{d\gamma}{du}-\left(\frac{d\beta}{du}\right)^2=0$

Метрика Такено

имеет вид $ds^2=(P+S)(dx^0)^2-2Sdx^0dx^1-(P-S)(dx^1)^2-\alpha(dx^2)^2-2\beta(dx^2dx^3)-\gamma(dx^3)^2$, $P, S$ -функции, $\alpha, \beta, \gamma$ удовлетворяют тому же уравнению.

Метрика Розена

$ds^2=e^{2\mu}[(dx^0)^2-(dx^1)^2]-(u^2)[e^{2\nu}(dx^2)^2-e^{-2\nu}(dx^3)^2]$, где $\mu,\nu$ удовлетворяют $2\frac{d\mu}{du}=u\left(\frac{d\nu}{du}\right)^2$

Метрика Переса

$ds^2=(dx^0)^2-(dx^1)^2-2\varphi(dx^0+dx^1)^2-(dx^2)^2-(dx^3)^2$, при этом $\frac{\partial^2\varphi}{\partial{x^2}\partial{x^2}}+\frac{\partial^2\varphi}{\partial{x^3}\partial{x^3}}=0$

Цилиндрические волны Эйнштейна-Розена

В цилиндрических координатах такие волны имеют вид $ds^2=[(dx^0)^2-dr^2]e^{2\gamma-2\psi}-(dz^2)e^{2\psi}-r^2(d\varphi^2)e^{-2\psi}$ и выполняются

$\frac{\partial^2\psi}{\partial{x^0}^2}-\frac{1}{r}\frac{\partial\psi}{\partial{r}}-\frac{\partial^2\psi}{\partial{r}^2}=0$

$\frac{\partial\gamma}{\partial{r}}=r\left[\left(\frac{\partial\psi}{\partial{r}}\right)^2+\left(\frac{\partial\psi}{\partial{x^0}}\right)^2\right]$

$\frac{\partial\gamma}{\partial{x^0}}=2r\frac{\partial\psi}{\partial{r}}\frac{\partial\psi}{\partial{x^0}}$

Регистрация гравитационных волн

Регистрация гравитационных волн достаточно сложна ввиду слабости последних (малого искажения метрики). Приборами для их регистрации являются детекторы гравитационных волн. Попытки обнаружения гравитационных волн предпринимаются с конца 1960-х годов, но на данный момент нет достоверных сведений об их непосредственной регистрации. Гравитационные волны детектируемой амплитуды рождаются при коллапсе двойного пульсара. Подобные события происходят в окрестностях нашей галактики ориентировочно раз в десятилетие.

С другой стороны, общая теория относительности предсказывает ускорение взаимного вращения двойных звёзд из-за потери энергии на излучение гравитационных волн, и этот эффект надёжно зафиксирован в нескольких известных системах двойных компактных объектов (в частности, пульсаров с компактными компаньонами). В 1993 году «за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации» открывателям первого двойного пульсара PSR B1913+16 Расселу Халсу и Джозефу Тейлору мл. была присуждена Нобелевская премия по физике. Ускорение вращения, наблюдаемое в этой системе, полностью совпадает с предсказаниями ОТО на излучение гравитационных волн. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (обычно сокращённо J0651) и системы двойных белых карликов RX J0806. Например, расстояние между двумя компонентами A и B первой двойной звезды из двух пульсаров PSR J0737-3039 уменьшается примерно на 2,5 дюйма (6,35 см) в день из-за потерь энергии на гравитационные волны, причём это происходит в согласии с ОТО. Все эти данные интерпретируются как непрямые подтверждения существования гравитационных волн.

По оценкам наиболее сильными и достаточно частыми источниками гравитационных волн для гравитационных телескопов и антенн являются катастрофы, связанные с коллапсами двойных систем в ближайших галактиках. Ожидается, что в ближайшем будущем на усовершенствованных гравитационных детекторах будет регистрироваться несколько подобных событий в год, искажающих метрику в окрестности Земли на 10⁻²¹ — 10⁻²³. Первые наблюдения сигнала оптико-метрического параметрического резонанса, позволяющего обнаружить воздействие гравитационных волн от периодических источников типа тесной двойной на излучение космических мазеров, возможно, были получены на радиоастрономической обсерватории РАН, Пущино.

Ещё одной возможностью детектирования фона гравитационных волн, заполняющих Вселенную, является высокоточный тайминг удалённых пульсаров — анализ времени прихода их импульсов, которое характерным образом изменяется под действием проходящих через пространство между Землёй и пульсаром гравитационных волн. По оценкам на 2013 год, точность тайминга необходимо поднять примерно на один порядок, чтобы можно было задетектировать фоновые волны от множества источников в нашей Вселенной, и эта задача может быть решена до конца десятилетия.

Согласно современным представлениям, нашу Вселенную заполняют реликтовые гравитационные волны, появившиеся в первые моменты после Большого взрыва. Их регистрация позволит получить информацию о процессах в начале рождения Вселенной. 17 марта 2014 года в 20:00 по московскому времени в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики американской группой исследователей, работающей над проектом BICEP2, было объявлено о детектировании по поляризации реликтового излучения ненулевых тензорных возмущений в ранней Вселенной, что также является открытием этих реликтовых гравитационных волн. Однако почти сразу этот результат был оспорен, поскольку, как выяснилось, не был должным образом учтён вклад межзвёздной пыли. Один из авторов, Kovac J. M., признал, что «с интерпретацией и освещением данных эксперимента BICEP2 участники эксперимента и научные журналисты немного поторопились» .

См. также

• Гравитон
• Скорость гравитации
• Гравитационный телескоп
• MiniGrail — детектор гравитационных волн
• LISA — детектирование гравитационных волн при помощи космических аппаратов
• Einstein@Home — проект распределённых вычислений для поиска гравитационных волн.
• PSR B1913+16 — двойная система — пульсар, исследование которой дало первое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
• PSR J0737-3039 — двойная система пульсаров, исследование которой дало весомое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
• BICEP
• TOBA
• DECIGO

Литература

• Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7. (см. ISBN )

— Глава XIII

• Мизнер, К. Торн, Уиллер Гравитация. Глава 34.
• Липунов В. М. В мире двойных звезд. М.: Наука, 1986.
• Липунов В. М. Все нейтронные звезды. М.: Просвещение, 1989.
• Липунов В. М. Искусственная Вселенная // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 6. С. 82-89.
• Липунов В. М. Военная тайна астрофизики // Соросовский Образовательный Журнал. № 5. С. 83-89.
• Черепащук А. М. Черные дыры в двойных звездных системах // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 3. С. 87-93.
• Шакура Н. И. Нейтронные звезды и черные дыры в двойных звездных системах. М.: Знание, 1976.
• Шкловский И. С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. М.: Наука, 1984.
• Владимиров Ю. С. Классическая теория гравитации. М.:Книжный дом «ЛИБРОКОМ»,2014.

Ссылки

• О поиске гравитационных волн
• Гравитационно-волновая астрономия: в ожидании первого зарегистрированного источника. Обзор в УФН.
• Статья о гравитационном излучении
• Популярный обзор на начало 2007 г.
• Итоги обработки данных LIGO S3 в проекте Einstein@Home
• Детектор гравитационных волн
• Гравитационные волны. Передача А. Гордона
• В поисках гравитационных волн. Проект LIGO
• Поиск гравитационный волн
• Сейсмометрия установила новые ограничения на интенсивность гравитационно-волнового шума Вселенной // Статья на Элементы.ру

Примечания

---

Википедия Гравитационная волна адрес Викисловарь — адрес Викицитатник — адрес Викиучебник — адрес Викитека — адрес Викиновости — адрес Викиверситет — адрес Викигид — адрес

Выделить Гравитационная волна и найти в: Вокруг света волна адрес Академик волна/ru/ru/ адрес Астронет адрес Элементы волна+&search адрес Научная Россия волна&mode=2&sort=2 адрес Кругосвет волна&results_per_page=10 адрес Научная Сеть Традиция — адрес Циклопедия — адрес Викизнание — волна адрес

Google Bing Yahoo Яндекс Mail.ru Рамблер Нигма.РФ Спутник Google Scholar Апорт Онлайн-переводчик Архив Интернета Научно-популярные фильмы на Яндексе Документальные фильмы

Список ru-вики Вики-сайты на русском языке Список крупных русскоязычных википроектов Каталог wiki-сайтов Русскоязычные wiki-проекты Викизнание:Каталог wiki-сайтов Научно-популярные сайты в Интернете Лучшие научные сайты на нашем портале Лучшие научно-популярные сайты Каталог научно-познавательных сайтов НАУКА В РУНЕТЕ: каталог научных и научно-популярных сайтов

---

• Страница 0 - краткая статья
• Страница 1 - энциклопедическая статья
• Разное - на страницах: 2 , 3 , 4 , 5
• Прошу вносить вашу информацию в «Гравитационная волна 1», чтобы сохранить ее