Gravitatsioonilained. Gravitatsioonilained ja gravitatsioonilained: me teame, kuidas eristada

Tasakaalus oleva vedeliku vaba pind gravitatsiooniväljas on tasane. Kui mingi välismõju mõjul vedeliku pind mingis kohas tasakaaluasendist eemaldatakse, siis toimub vedelikus liikumine. See liikumine levib mööda kogu vedeliku pinda lainetena, mida nimetatakse gravitatsioonilaineteks, kuna need on põhjustatud gravitatsioonivälja toimest. Gravitatsioonilained esinevad peamiselt vedeliku pinnal, hõivates selle sisemisi kihte, mida vähem, seda sügavamal need kihid asuvad.

Vaatleme siin gravitatsioonilaineid, milles vedelikuosakeste liikumiskiirus on nii väike, et Euleri võrrandis olev termin võib jääda tähelepanuta, võrreldes sellega, mida see tingimus füüsiliselt tähendab, on lihtne teada saada. Ajavahemikul, mis on suurusjärgus vedelate osakeste võnkumiste perioodist laines, läbivad need osakesed laine amplituudi a suurusjärgu vahemaa, mistõttu nende liikumise kiirus on suurusjärgus kiirus v muutub märgatavalt ajavahemike lõikes suurusjärgus ja vahemaades suurusjärgus laine levimissuunas (- pikkuslained). Seetõttu on kiiruse tuletis aja suhtes suurusjärgus ja koordinaatide suhtes suurusjärgus Seega on tingimus samaväärne nõudega

see tähendab, et laine võnkumiste amplituud peaks olema lainepikkusega võrreldes väike. Paragrahvis 9 nägime, et kui liikumisvõrrandis oleva liikme võib tähelepanuta jätta, siis on vedeliku liikumine potentsiaalne. Eeldades, et vedelik on kokkusurumatu, võime seetõttu kasutada võrrandeid (10.6) ja (10.7). Võrrandis (10.7) võime nüüd kiiruse ruutu sisaldava liikme tähelepanuta jätta; termini gravitatsioonivälja pannes ja sisestades saame:

(12,2)

Valime telje, nagu tavaliselt, vertikaalselt ülespoole ja x, y tasapinnaks valime vedeliku tasapinnalise tasapinna.

Tähistame - vedeliku pinnal olevate punktide koordinaati ; on koordinaatide x, y ja aja t funktsioon. Tasakaalus toimub vedeliku pinna vertikaalne nihe selle võnkumisel.

Laske vedeliku pinnal mõjuda konstantsel rõhul Siis on meil vastavalt (12.2) pinnale

Konstandi saab elimineerida potentsiaali ümberdefineerimisega (lisades sellele koordinaatidest sõltumatu suuruse. Siis saab vormi vedeliku pinnal olev seisund

Laine võnkumiste väike amplituud tähendab, et nihe on väike. Seetõttu võime sama lähendusega eeldada, et pinnapunktide liikumiskiiruse vertikaalne komponent langeb kokku nihke ajatuletisega.

Võnkumiste väiksuse tõttu on antud tingimusel võimalik võtta hoopis tuletisi väärtused at. Seega saame lõpuks järgmise võrrandisüsteemi, mis määrab liikumise gravitatsioonilaines:

Me käsitleme laineid vedeliku pinnal, pidades seda pinda piiramatuks. Samuti eeldame, et lainepikkus on vedeliku sügavusega võrreldes väike; vedelikku võib siis pidada lõputult sügavaks. Seetõttu ei kirjuta me piirtingimusi külgpiiridele ja vedeliku põhja.

Vaatleme piki telge levivat ja piki telge ühtlast gravitatsioonilainet, sellises laines ei sõltu kõik suurused y-koordinaadist. Otsime lahendust, mis on aja lihtne perioodiline funktsioon ja koordinaat x:

kus ( on tsükliline sagedus (sellest räägime lihtsalt sagedusena), k on laine lainevektor, on lainepikkus. Asendades selle avaldise võrrandisse, saame funktsiooni võrrandi

Selle lahus, mis laguneb vedeliku sügavusse (st temperatuuril ):

Peame täitma ka piirtingimuse (12.5), millesse asendades (12.5), leiame seose sageduse b ja lainevektori vahel (või nagu öeldakse, laine dispersiooniseaduse):

Kiiruste jaotus vedelikus saadakse potentsiaali diferentseerimisel piki koordinaate:

Näeme, et kiirus väheneb eksponentsiaalselt vedeliku sügavuse suunas. Igas antud punkt ruumi (st antud x, z korral) pöörleb kiirusvektor ühtlaselt x-tasandil, jäädes suuruselt konstantseks.

Määrakem ka vedelate osakeste trajektoor laines. Tähistame ajutiselt x-ga, z-ga vedeliku liikuva osakese koordinaate (ja mitte ruumi fikseeritud punkti koordinaate) ja - x-i väärtusi osakese tasakaaluasendi jaoks. Siis ja (12.8) paremale küljele saab võnkumiste väiksust ära kasutades ligikaudselt kirjutada asemele. Aja jooksul integreerimine annab siis:

Seega kirjeldavad vedelikuosakesed punktide ümber ringe, mille raadius väheneb eksponentsiaalselt vedeliku sügavuse suunas.

Laine levimise kiirus U on võrdne, nagu on näidatud §-s 67. Siin asendades leiame, et gravitatsioonilainete levimise kiirus lõpmata sügava vedeliku piiramatul pinnal on võrdne

See suureneb lainepikkuse suurenemisega.

Pikad gravitatsioonilained

Võttes arvesse gravitatsioonilaineid, mille pikkus on vedeliku sügavusega võrreldes väike, peatume nüüd vastupidisel piiraval juhul lainetel, mille pikkus on vedeliku sügavusega võrreldes suur.

Selliseid laineid nimetatakse pikkadeks.

Vaatleme kõigepealt pikkade lainete levikut kanalis. Kanali pikkust (suunatud piki x-telge) loeme piiramatuks Kanali ristlõige võib olla suvalise kujuga ja varieeruda piki selle pikkust. Ruut ristlõige Kanalis olevat vedelikku tähistame tähega Kanali sügavus ja laius on lainepikkusega võrreldes väikesed.

Vaatleme siin pikisuunalisi pikki laineid, milles vedelik liigub mööda kanalit. Selliste lainete korral on kiiruse komponent piki kanali pikkust komponentidega võrreldes suur

Tähistades lihtsalt v ja jättes välja väikesed terminid, saame kirjutada Euleri võrrandi -komponendi kui

a-komponent - kujul

(jätame välja mõisted ruutkiiruse, kuna laine amplituudi peetakse endiselt väikeseks). Teisest võrrandist saame, märkides, et vabal pinnal ) peaks olema

Asendades selle avaldise esimesse võrrandisse, saame:

Teise võrrandi kahe tundmatu määramiseks saab tuletada järjepidevusvõrrandi tuletamisega sarnase meetodi abil. See võrrand on sisuliselt järjepidevusvõrrand, mida rakendatakse vaadeldaval juhul. Vaatleme vedeliku mahtu, mis on suletud kanali kahe üksteisest kaugel asuva ristlõiketasandi vahel. Ajaühikus siseneb ühe tasandi kaudu vedeliku maht, mis on võrdne tasandiga, ja ruumala väljub teise tasandi kaudu. Seetõttu muutub vedeliku maht mõlema tasandi vahel

Tuletagem meelde, et teisel päeval teatasid LIGO teadlased suurest läbimurdest füüsika, astrofüüsika ja meie universumi uurimise valdkonnas: gravitatsioonilainete avastamisest, mille ennustas Albert Einstein 100 aastat tagasi. Gizmodo võttis ühendust doktor Amber Staveriga Louisianas asuvast Livingstoni observatooriumist, LIGO koostööprojektist, et küsida lisateavet selle kohta, mida see füüsika jaoks tähendab. Mõistame, et vaid mõne artikliga on raske saavutada globaalset arusaama meie maailma mõistmise uuest viisist, kuid me proovime.

Seni on ühe gravitatsioonilaine tuvastamiseks tehtud tohutult tööd ja see oli suur läbimurre. Näib, et see avab astronoomiale palju uusi võimalusi – aga kas see esimene avastamine on lihtsalt "lihtne" tõend selle kohta, et tuvastamine on iseenesest võimalik, või saate sellest juba edasi õppida? teaduslikud saavutused? Mida loodad sellest tulevikus saada? Kas nende lainete tuvastamiseks on tulevikus lihtsamad meetodid?

See on tõesti esimene avastus, läbimurre, kuid eesmärk on alati olnud gravitatsioonilainete kasutamine uue astronoomia tegemiseks. Universumi otsimise asemel nähtav valgus, tunneme nüüd peeneid gravitatsioonimuutusi, mida põhjustavad suurimad, tugevamad ja (minu arvates) kõige suuremad huvitavad asjad Universumis – kaasa arvatud need, mille kohta me valguse abil kunagi teavet ei saanud.

Saime seda rakendada uut tüüpi astronoomia esimese avastamise laineteni. Kasutades seda, mida me GTR-i (üldrelatiivsusteooria) kohta juba teame, suutsime ennustada, millised on selliste objektide nagu mustad augud või neutrontähed gravitatsioonilained. Meie leitud signaal vastab paarile mustale augule, millest üks on Päikesest 36 ja teine ​​29 korda massiivsem ja keerleb üksteisele lähenedes. Lõpuks ühinevad nad üheks mustaks auguks. Nii et see pole mitte ainult esimene gravitatsioonilainete tuvastamine, vaid ka esimene otsene mustade aukude vaatlemine, sest neid ei saa valguse abil jälgida (ainult nende ümber tiirleva aine järgi).

Miks olete kindel, et kõrvalised mõjud (nt vibratsioon) tulemusi ei mõjuta?

LIGO-s salvestame palju rohkem meie keskkonna ja seadmetega seotud andmeid kui andmeid, mis võivad sisaldada gravitatsioonilaine signaali. Selle põhjuseks on see, et me tahame olla võimalikult kindlad, et meid ei petta kõrvalised mõjud ega eksitata gravitatsioonilaine tuvastamisel. Kui tunneme gravitatsioonilaine signaali tuvastamisel ebanormaalset pinnast, lükkame selle kandidaadi suure tõenäosusega tagasi.

Video: Gravitatsioonilained lühidalt

Teine meede, mida me võtame tagamaks, et me midagi juhuslikku ei näe, on see, et mõlemad LIGO detektorid näeksid sama signaali aja jooksul, mis kulub gravitatsioonilaine kahe objekti vahel liikumiseks. Sellise reisi maksimaalne aeg on ligikaudu 10 millisekundit. Et olla kindlad võimalikus tuvastamises, peame nägema sama kujuga signaale peaaegu samal ajal ning meie keskkonna kohta kogutavad andmed peavad olema anomaaliateta.

Kandidaadil on palju muid teste, kuid need on peamised.

Kas on olemas praktiline viis gravitatsioonilainete genereerimiseks, mida saab kasutades tuvastada sarnased seadmed? Kas me suudame ehitada gravitatsiooniraadio või laseri?

Te pakute välja, mida Heinrich Hertz tegi 1880. aastate lõpus, et avastada elektromagnetlained raadiolainete kujul. Kuid gravitatsioon on universumit koos hoidvatest põhijõududest nõrgim. Sel põhjusel on massi liikumine laboris või muus rajatises gravitatsioonilainete tekitamiseks liiga nõrk, et seda tuvastada isegi detektoriga nagu LIGO. Et luua piisavalt tugevad lained, peame hantlit keerutama nii kiiresti, et see rebeneb läbi mis tahes teadaoleva materjali. Kuid universumis on palju suuri massikoguseid, mis liiguvad ülikiiresti, seega ehitame detektoreid, mis neid otsivad.

Kas see kinnitus muudab meie tulevikku? Kas me saame kasutada nende lainete jõudu avakosmose uurimiseks? Kas nende lainete abil on võimalik suhelda?

Kuna mass peab liikuma äärmuslikel kiirustel, et tekitada gravitatsioonilaineid, mida detektorid nagu LIGO suudavad tuvastada, on ainus teadaolev mehhanism selleks neutrontähtede või mustade aukude paarid, mis pöörlevad enne ühinemist (võib olla ka muid allikaid). Tõenäosus, et asjaga manipuleerib mingi arenenud tsivilisatsioon, on äärmiselt väike. Isiklikult arvan, et ei oleks tore avastada tsivilisatsiooni, mis oleks võimeline suhtlusvahendina kasutama gravitatsioonilaineid, kuna need võivad meid kergesti tappa.

Kas gravitatsioonilained on koherentsed? Kas neid on võimalik ühtseks muuta? Kas neid on võimalik fokusseerida? Mis juhtub massiivse objektiga, mida mõjutab fokuseeritud gravitatsioonikiir? Kas seda efekti saaks kasutada osakeste kiirendite parandamiseks?

Teatud tüüpi gravitatsioonilained võivad olla koherentsed. Kujutagem ette neutrontähte, mis on peaaegu täiuslikult sfääriline. Kui see pöörleb kiiresti, tekitavad väikesed alla tolli deformatsioonid teatud sagedusega gravitatsioonilaineid, mis muudavad need koherentseks. Kuid gravitatsioonilainete fokuseerimine on väga raske, sest Universum on neile läbipaistev; gravitatsioonilained liiguvad läbi aine ja väljuvad muutumatuna. Nende fokuseerimiseks peate muutma vähemalt osa gravitatsioonilainete liikumisteed. Võib-olla suudaks gravitatsiooniläätsede eksootiline vorm gravitatsioonilaineid vähemalt osaliselt fokusseerida, kuid nende kasutamine oleks raske, kui mitte võimatu. Kui nad suudavad keskenduda, jäävad nad ikka nii nõrgaks, et ma ei kujutaks neist praktilist kasutust ette. Kuid nad on rääkinud ka laseritest, mis on sisuliselt lihtsalt fokuseeritud koherentne valgus, nii et kes teab.

Mis on gravitatsioonilaine kiirus? Kas sellel on mass? Kui ei, siis kas see võib liikuda kiiremini kui valguse kiirus?

Arvatakse, et gravitatsioonilained liiguvad valguse kiirusel. Seda kiirust piirab üldrelatiivsusteooria. Kuid sellised katsed nagu LIGO peaksid seda testima. Võib-olla liiguvad nad valguse kiirusest veidi aeglasemalt. Kui jah, siis gravitatsiooniga seotud teoreetilisel osakesel, gravitonil, on mass. Kuna gravitatsioon ise toimib masside vahel, muudab see teooria keerukamaks. Aga mitte võimatus. Kasutame Occami habemenuga: tavaliselt on kõige õigem kõige lihtsam seletus.

Kui kaugel peate olema mustade aukude ühinemisest, et saaksite neist rääkida?

Meie binaarsete mustade aukude puhul, mille tuvastasime gravitatsioonilainete põhjal, muutsid need meie 4-kilomeetriste käte pikkust maksimaalselt 1 x 10–18 meetrit (see on 1/1000 prootoni läbimõõdust). Samuti usume, et need mustad augud asuvad Maast 1,3 miljardi valgusaasta kaugusel.

Oletame nüüd, et oleme kaks meetrit pikad ja hõljume Maa ja Päikese kaugusel mustast august. Ma arvan, et te kogete vaheldumisi lamendamist ja venitamist umbes 165 nanomeetri võrra (teie pikkus muutub kõrgem väärtus päeva jooksul). Seda saab üle elada.

Kui kasutate uus viis kuulge kosmost, mis huvitab teadlasi kõige rohkem?

Potentsiaal pole täielikult teada, selles mõttes, et kohti võib olla palju rohkem, kui arvasime. Mida rohkem me universumi kohta õpime, seda paremini suudame gravitatsioonilaineid kasutades vastata selle küsimustele. Näiteks need:

• Mis põhjustab gammakiirguse purskeid?
• Kuidas aine käitub äärmuslikud tingimused kokkuvarisev täht?
• Millised olid esimesed hetked pärast Suurt Pauku?
• Kuidas käitub mateeria neutrontähtedes?

Kuid mind huvitab rohkem see, milliseid ootamatuid asju saab gravitatsioonilainete abil avastada. Iga kord, kui inimesed vaatlesid Universumit uuel viisil, avastasime palju ootamatuid asju, mis pöörasid meie arusaama universumist pea peale. Ma tahan leida need gravitatsioonilained ja avastada midagi, millest meil varem aimugi polnud.

Kas see aitab meil luua tõelise lõime?

Kuna gravitatsioonilained suhtlevad ainega nõrgalt, ei saa neid selle aine liigutamiseks kasutada. Kuid isegi kui saaksite, liigub gravitatsioonilaine ainult valguse kiirusel. Need ei sobi lõimeajamiks. Küll oleks lahe.

Kuidas on lood antigravitatsiooniseadmetega?

Gravitatsioonivastase seadme loomiseks peame tõmbejõu muutma tõukejõuks. Ja kuigi gravitatsioonilaine levitab gravitatsiooni muutusi, ei ole muutus kunagi tõrjuv (või negatiivne).

Gravitatsioon tõmbab alati ligi, sest negatiivset massi ei paista eksisteerivat. On ju olemas positiivne ja negatiivne laeng, põhja- ja lõunapoolus, aga ainult positiivne mass. Miks? Kui oleks olemas negatiivne mass, kukuks ainepall alla, mitte üles. Selle tõrjuks Maa positiivne mass.

Mida see tähendab ajas rändamise ja teleporteerumise võime jaoks? Kas leiame praktiline kasutamine see nähtus, lisaks meie universumi uurimisele?

Nüüd Parim viis ajarännak (ja ainult tulevikku) tähendab reisimist valguselähedase kiirusega (meenutagem kaksikparadoksi üldrelatiivsusteoorias) või minemist suurenenud gravitatsiooniga piirkonda (sellist ajarännakut demonstreeriti Interstellaris). Kuna gravitatsioonilaine levitab gravitatsiooni muutusi, tekitab see aja kiiruses väga väikeseid kõikumisi, kuid kuna gravitatsioonilained on oma olemuselt nõrgad, on ka aja kõikumised. Ja kuigi ma arvan, et seda ei saa ajas rändamise (või teleportatsiooni) puhul rakendada, siis ära iial ütle iial (vean kihla, et see läks hinge).

Kas tuleb päev, mil me lõpetame Einsteini valideerimise ja hakkame uuesti kummalisi asju otsima?

Kindlasti! Kuna gravitatsioon on jõududest nõrgim, on sellega ka raske katsetada. Siiani said teadlased iga kord, kui üldrelatiivsusteooriat testisid, täpselt ennustatud tulemused. Isegi gravitatsioonilainete avastamine kinnitas taas Einsteini teooriat. Kuid ma usun, et kui me hakkame testima teooria väikseimaid detaile (võib-olla gravitatsioonilainetega, võib-olla millegi muuga), leiame "naljakaid" asju, näiteks katsetulemusi, mis ei vasta täpselt ennustusega. See ei tähenda, et GTR on ekslik, vaid on vaja selle üksikasju selgitada.

Video: kuidas gravitatsioonilained Interneti õhku lasid?

Iga kord, kui vastame ühele küsimusele looduse kohta, kerkivad esile uued. Lõpuks on meil küsimusi, mis on lahedamad kui vastused, mida üldrelatiivsusteooria suudab pakkuda.

Kas saate selgitada, kuidas see avastus võib olla seotud ühtse väljateooriaga või mõjutada seda? Kas oleme lähemal selle kinnitamisele või ümberlükkamisele?

Nüüd on meie avastuse tulemused peamiselt pühendatud üldrelatiivsusteooria testimisele ja kinnitamisele. Ühtne väljateooria püüab luua teooriat, mis selgitab väga väikese (kvantmehaanika) ja väga suure (üldrelatiivsusteooria) füüsikat. Nüüd saab neid kahte teooriat üldistada, et selgitada maailma ulatust, milles me elame, kuid mitte rohkem. Kuna meie avastus keskendub väga suurte füüsikale, ei aita see üksi meid ühtse teooria poole edasi viia. Aga küsimus pole selles. Äsja sündis gravitatsioonilainete füüsika valdkond. Kui me rohkem teada saame, laiendame oma tulemusi kindlasti ühtse teooria valdkonda. Kuid enne jooksmist peate kõndima.

Nüüd, kui kuulame gravitatsioonilaineid, mida peavad teadlased kuulma, et sõna otseses mõttes telliskivi puhuda? 1) Ebaloomulikud mustrid/struktuurid? 2) Gravitatsioonilainete allikad piirkondadest, mida pidasime tühjaks? 3) Rick Astley – kas ei anna sulle kunagi alla?

Kui lugesin teie küsimust, meenus mulle kohe stseen kontaktist, kus raadioteleskoop võtab mustreid algarvud. Seda looduses tõenäoliselt ei leidu (meie teada). Nii et teie valik ebaloomuliku mustri või struktuuriga oleks kõige tõenäolisem.

Ma ei usu, et saame kunagi kindlad, et teatud ruumipiirkonnas on tühimik. Lõpuks oli meie avastatud mustade aukude süsteem isoleeritud ja valgust piirkonnast ei tulnud, kuid me tuvastasime seal siiski gravitatsioonilaineid.

Mis puudutab muusikat... Olen spetsialiseerunud gravitatsioonilainete signaalide eraldamisele staatilisest mürast, mida me pidevalt taustal mõõdame keskkond. Kui ma leiaksin gravitatsioonilainest muusikat, eriti muusikat, mida olin varem kuulnud, oleks see pettus. Aga muusika, mida Maal pole kuuldud... See oleks nagu lihtsate juhtumitega “Kontaktist”.

Kuna katse tuvastab laineid, muutes kahe objekti vahelist kaugust, siis kas ühe suuna amplituud on suurem kui teise suuna amplituud? Kas muidu ei tähendaks loetavad andmed, et universumi suurus muutub? Ja kui jah, siis kas see kinnitab laienemist või midagi ootamatut?

Peame nägema, et paljud gravitatsioonilained tulevad paljudest erinevad suunad universumis, enne kui jõuame sellele küsimusele vastata. Astronoomias loob see rahvastikumudeli. Kui palju erinevat tüüpi asjad on olemas? See on põhiküsimus. Kui meil on palju vaatlusi ja hakkame nägema ootamatuid mustreid, näiteks seda, et teatud tüüpi gravitatsioonilained tulevad teatud universumi osast ja mitte kusagilt mujalt, on see äärmiselt huvitav tulemus. Mõned mustrid võivad kinnitada laienemist (milles oleme väga kindlad) või muid nähtusi, millest me veel teadlikud pole. Kuid kõigepealt peame nägema palju rohkem gravitatsioonilaineid.

Minu jaoks on täiesti arusaamatu, kuidas teadlased tegid kindlaks, et nende mõõdetud lained kuuluvad kahte ülimassiivsesse musta auku. Kuidas saab sellise täpsusega kindlaks teha lainete allika?

Andmeanalüüsi meetodid kasutavad meie andmetega võrdlemiseks prognoositud gravitatsioonilainete signaalide kataloogi. Kui mõne sellise ennustuse või mustriga on tugev korrelatsioon, siis me mitte ainult ei tea, et tegemist on gravitatsioonilainega, vaid teame ka seda, milline süsteem selle tekitas.

Iga eraldi meetod gravitatsioonilaine loomine, olgu see siis mustade aukude ühinemine, tähtede pöörlemine või surm, kõik lained on erinevad kujud. Kui tuvastame gravitatsioonilaine, kasutame neid kujundeid, nagu ennustab üldrelatiivsusteooria, et määrata nende põhjus.

Kuidas me teame, et need lained tekkisid kahe musta augu kokkupõrkest, mitte mõnest muust sündmusest? Kas on võimalik mingi täpsusega ennustada, kus või millal selline sündmus aset leidis?

Kui teame, milline süsteem gravitatsioonilaine tekitas, saame ennustada, kui tugev gravitatsioonilaine oli selle tekkekoha lähedal. Mõõtes selle tugevust selle Maale jõudmisel ja võrreldes meie mõõtmisi allika prognoositud tugevusega, saame arvutada, kui kaugel allikas on. Kuna gravitatsioonilained liiguvad valguse kiirusega, saame ka arvutada, kui kaua kulus gravitatsioonilainetel Maa poole liikuma.

Meie avastatud mustade aukude süsteemi puhul mõõtsime LIGO käte pikkuse maksimaalset muutust 1/1000 prootoni läbimõõdu kohta. See süsteem asub 1,3 miljardi valgusaasta kaugusel. Septembris avastatud ja hiljuti välja kuulutatud gravitatsioonilaine on meie poole liikunud 1,3 miljardit aastat. See juhtus enne loomaelu tekkimist Maal, kuid pärast mitmerakuliste organismide tekkimist.

Väljakuulutamise ajal väideti, et teised detektorid otsivad pikema perioodiga laineid – mõned neist isegi kosmilisi. Mida saate meile nende suurte detektorite kohta öelda?

Arendamisel on tõepoolest kosmosedetektor. Seda nimetatakse LISA-ks (Laser Interferometer Space Antenna). Kuna see asub kosmoses, on see erinevalt maapealsetest detektoritest Maa loomulike vibratsioonide tõttu üsna tundlik madala sagedusega gravitatsioonilainete suhtes. See saab olema keeruline, sest satelliidid tuleb paigutada Maast kaugemale, kui inimesed on kunagi olnud. Kui midagi läheb valesti, ei saa me astronaute remonti saata, nagu tegime Hubble'iga 1990. aastatel. Kontrollima vajalikke tehnoloogiaid, käivitas detsembris LISA Pathfinder missiooni. Seni on ta kõik oma ülesanded täitnud, kuid missioon pole veel kaugeltki lõppenud.

Kas gravitatsioonilaineid on võimalik helilaineteks muuta? Ja kui jah, siis millised need välja näevad?

Saab. Muidugi ei kuule te ainult gravitatsioonilainet. Aga kui võtate signaali ja edastate selle kõlaritest, saate seda kuulda.

Mida peaksime selle teabega peale hakkama? Kas teised olulise massiga astronoomilised objektid kiirgavad neid laineid? Kas laineid saab kasutada planeetide või lihtsate mustade aukude leidmiseks?

Gravitatsiooniväärtuste otsimisel pole oluline ainult mass. Samuti objektile omane kiirendus. Meie avastatud mustad augud tiirlesid ühinedes üksteise ümber 60% valguse kiirusega. Seetõttu suutsime need ühinemise käigus tuvastada. Kuid nüüd ei tule neist enam gravitatsioonilaineid, kuna need on ühinenud üheks passiivseks massiks.

Seega kõik, millel on palju massi ja mis liigub väga kiiresti, tekitab gravitatsioonilaineid, mida saab tuvastada.

Tõenäoliselt ei ole eksoplaneetidel piisav mass või kiirendus tuvastatavate gravitatsioonilainete tekitamiseks. (Ma ei ütle, et nad neid üldse ei loo, ainult et need pole piisavalt tugevad või erineva sagedusega). Isegi kui eksoplaneet oleks vajalike lainete tekitamiseks piisavalt massiivne, rebiks kiirendus selle laiali. Ärge unustage, et kõige massiivsemad planeedid on tavaliselt gaasihiiglased.

Kui tõene on lainete analoogia vees? Kas me saame nendel lainetel sõita? Kas gravitatsiooni "tipud" on olemas, nagu juba tuntud "kaevud"?

Kuna gravitatsioonilained võivad liikuda läbi aine, ei ole võimalik nendega sõita ega neid tõukejõuks kasutada. Seega ei mingit gravitatsioonilaine surfamist.

"Piigid" ja "kaevud" on suurepärased. Gravitatsioon tõmbab alati ligi, sest negatiivset massi pole. Me ei tea, miks, kuid seda pole kunagi laboris ega universumis täheldatud. Seetõttu kujutatakse gravitatsiooni tavaliselt kaevuna. Seda "kaevu" mööda liikuv mass langeb sügavamale; Nii toimib atraktsioon. Kui teil on negatiivne mass, saate tõrjumise ja koos sellega "tipu". "Tipupunktis" liikuv mass paindub sellest eemale. Nii et "kaevud" on olemas, kuid "tipud" mitte.

Analoogia veega on hea seni, kuni räägime sellest, et laine tugevus väheneb koos läbitud kaugusega allikast. Veelaine jääb järjest väiksemaks ja gravitatsioonilaine aina nõrgemaks.

Kuidas mõjutab see avastus meie kirjeldust Suure Paugu inflatsiooniperioodist?

Hetkel see avastus inflatsioonile praktiliselt ei mõjuta. Selliste väidete tegemiseks tuleb jälgida Suure Paugu gravitatsioonilaineid. Projekt BICEP2 arvas, et on neid gravitatsioonilaineid kaudselt jälginud, kuid selgus, et süüdi oli kosmiline tolm. Kui ta saab vajalikud andmed, siis olemasolu lühike periood inflatsioon vahetult pärast Suurt Pauku.

LIGO suudab neid gravitatsioonilaineid otse näha (see on ka kõige nõrgem gravitatsioonilainete tüüp, mida loodame tuvastada). Kui me neid näeme, saame vaadata sügavale Universumi minevikku, nagu me pole varem vaadanud, ja hinnata saadud andmete põhjal inflatsiooni.

Valentin Nikolajevitš Rudenko jagab lugu oma visiidist Cascina linna (Itaalia), kus ta veetis nädala tollal äsja ehitatud "gravitatsiooniantennil" - Michelsoni optilisel interferomeetril. Teel sihtkohta küsib taksojuht, miks installatsioon ehitati. "Inimesed arvavad, et see on jumalaga rääkimiseks," tunnistab autojuht.

- Mis on gravitatsioonilained?

- Gravitatsioonilaine on üks "astrofüüsikalise teabe kandjaid". Astrofüüsikalise teabe nähtavad kanalid on olemas, teleskoobid mängivad "kaugnägemises" erilist rolli. Astronoomid on omandanud ka madala sagedusega kanalid - mikrolaine- ja infrapuna- ning kõrgsageduskanalid - röntgenikiirgus ja gamma. Lisaks elektromagnetkiirgusele suudame tuvastada kosmosest pärit osakeste vooge. Selleks kasutatakse neutriinoteleskoope – kosmiliste neutriinode suuremõõtmelisi detektoreid – osakesi, mis suhtlevad ainega nõrgalt ja on seetõttu raskesti registreeritavad. Peaaegu kõik teoreetiliselt ennustatud ja laboratoorselt uuritud "astrofüüsikalise teabe kandjate" tüübid on praktikas usaldusväärselt omandatud. Erandiks oli gravitatsioon – mikrokosmose nõrgim vastasmõju ja makrokosmose võimsaim jõud.

Gravitatsioon on geomeetria. Gravitatsioonilained on geomeetrilised lained, st lained, mis muudavad ruumi läbides ruumi geomeetrilisi omadusi. Jämedalt öeldes on need lained, mis deformeerivad ruumi. Tüve on kahe punkti vahelise kauguse suhteline muutus. Gravitatsiooniline kiirgus erineb kõigist teistest kiirgusliikidest just selle poolest, et see on geomeetriline.

- Kas Einstein ennustas gravitatsioonilaineid?

– Formaalselt arvatakse, et gravitatsioonilaineid ennustas Einstein oma üldrelatiivsusteooria ühe tagajärjena, kuid tegelikult saab nende olemasolu ilmseks juba erirelatiivsusteoorias.

Relatiivsusteooria viitab sellele, et gravitatsioonilise külgetõmbe tõttu on võimalik gravitatsiooniline kokkuvarisemine, see tähendab, et objekt tõmmatakse kokkuvarisemise tagajärjel kokku, jämedalt öeldes punktini. Siis on gravitatsioon nii tugev, et valgus ei pääse sealt isegi välja, mistõttu nimetatakse sellist objekti piltlikult öeldes mustaks auguks.

– Mis on gravitatsioonilise interaktsiooni eripära?

Gravitatsioonilise interaktsiooni tunnuseks on samaväärsuse põhimõte. Selle järgi ei sõltu katsekeha dünaamiline reaktsioon gravitatsiooniväljas selle keha massist. Lihtsamalt öeldes kukuvad kõik kehad ühesuguse kiirendusega.

Gravitatsiooniline interaktsioon on nõrgim, mida me täna teame.

– Kes püüdis esimesena gravitatsioonilainet tabada?

– Gravitatsioonilainete katse viis esmakordselt läbi Joseph Weber Marylandi ülikoolist (USA). Ta lõi gravitatsioonidetektori, mida praegu hoitakse Washingtonis Smithsoniani muuseumis. Aastatel 1968–1972 viis Joe Weber läbi rea vaatlusi paaril ruumiliselt eraldatud detektoril, püüdes eraldada "kokkusattumuste" juhtumeid. Kokkusattumustehnika on laenatud tuumafüüsikast. Weberi saadud gravitatsioonisignaalide madal statistiline olulisus põhjustas katse tulemuste suhtes kriitilise suhtumise: puudus kindlus, et gravitatsioonilaineid on tuvastatud. Seejärel püüdsid teadlased Weberi-tüüpi detektorite tundlikkust suurendada. Astrofüüsikalise prognoosiga piisava tundlikkusega detektori väljatöötamiseks kulus 45 aastat.

Katse alguses tehti enne fikseerimist palju teisi katseid, sel perioodil registreeriti impulsse, kuid nende intensiivsus oli liiga madal.

– Miks signaali fikseerimisest kohe ei teatatud?

– Gravitatsioonilained registreeriti 2015. aasta septembris. Kuid isegi kui kokkusattumus fikseeriti, tuleb enne selle väljakuulutamist tõestada, et see pole juhuslik. Mis tahes antennilt võetud signaal sisaldab alati mürapurskeid (lühiajalisi purskeid) ja üks neist võib kogemata tekkida samaaegselt mõne teise antenni mürapurskega. Seda, et kokkulangevus ei olnud juhuslik, on võimalik tõestada vaid statistiliste hinnangute abil.

– Miks on avastused gravitatsioonilainete vallas nii olulised?

– Võimalus registreerida reliktset gravitatsioonifooni ja mõõta selle omadusi, nagu tihedus, temperatuur jne, võimaldab läheneda universumi algusele.

Huvitav on see, et gravitatsioonikiirgust on raske tuvastada, kuna see interakteerub ainega väga nõrgalt. Kuid tänu sellele samale omadusele läheb see meist kõige kaugemal asuvatest objektidest, millel on mateeria seisukohalt kõige salapärasemad omadused, imendumata.

Võime öelda, et gravitatsioonikiirgus möödub moonutusteta. Enamik ambitsioonikas eesmärk– uurida gravitatsioonikiirgust, mis eraldati primaarsest ainest Suure Paugu teoorias, mis loodi universumi loomise ajal.

– Kas gravitatsioonilainete avastamine välistab kvantteooria?

Gravitatsiooniteooria eeldab gravitatsioonilise kollapsi olemasolu, st massiivsete objektide kokkutõmbumist punktini. Samas viitab Kopenhaageni koolkonna väljatöötatud kvantteooria sellele, et tänu määramatuse printsiibile on võimatu üheaegselt näidata täpselt selliseid parameetreid nagu keha koordinaat, kiirus ja impulss. Siin kehtib määramatuse printsiip, täpset trajektoori on võimatu määrata, kuna trajektooriks on nii koordinaat kui ka kiirus jne. Selle vea piirides on võimalik määrata ainult teatud tingimuslik usalduskoridor, mis on seotud määramatuse põhimõtetega. Kvantteooria eitab kategooriliselt punktobjektide võimalikkust, kuid kirjeldab neid statistiliselt tõenäosuslikult: see ei näita konkreetselt koordinaate, vaid näitab tõenäosust, et tal on teatud koordinaadid.

Kvantideooria ja gravitatsiooniteooria ühendamise küsimus on ühtse väljateooria loomise üks põhiküsimusi.

Nad jätkavad tööd praegu ja sõnad "kvantgravitatsioon" tähendavad täiesti arenenud teaduse valdkonda, teadmiste ja teadmatuse piiri, kus praegu töötavad kõik maailma teoreetikud.

– Mida võib avastus tulevikus tuua?

Gravitatsioonilained peavad vältimatult asuma vundamendis kaasaegne teadus kui üks meie teadmiste komponente. Neil on Universumi evolutsioonis oluline roll ja nende lainete abil tuleks universumit uurida. Avastus soodustab üldine areng teadus ja kultuur.

Kui otsustate minna kaugemale tänapäeva teaduse ulatusest, siis on lubatud ette kujutada gravitatsioonilisi telekommunikatsiooniliine, gravitatsioonikiirgust kasutavaid reaktiivseadmeid, gravitatsioonilainete introskoopiaseadmeid.

– Kas gravitatsioonilainetel on midagi pistmist ekstrasensoorse taju ja telepaatiaga?

Ei ole. Kirjeldatud efektid on kvantmaailma mõjud, optika mõjud.

Küsitleb Anna Utkina

Näib, et me räägime lähipäevil palju gravitatsioonilainetest. Kuid miks nimetatakse neid mõnikord ekslikult "gravitatsioonilaineteks"? Selles sotsiaalmeedia maailmas, kus lühidust hinnatakse sageli üle kõige, võib tunduda, et fraasi "gravitatsioonilained" lühendamine "gravitatsioonilaineteks" pole nii suur asi. Lisaks säästab see Twitteri austajatele paar lisamärki!

Ja tõenäoliselt näete palju uudiste pealkirju, mis kuulutavad "teaduse gravitatsioonilaineid", mis asendatakse sõnaga "gravitatsioon", kuid ärge langege sellesse lõksu. Kuigi mõlemal sõnal on kaal, on gravitatsioonilained ja gravitatsioonilained põhimõtteliselt täiesti erinevad olendid. Lugege edasi, et teada saada, mille poolest need erinevad, ja näidake järgmisel korral pubis sõpradele oma gravitatsiooniteadmisi.

Gravitatsioonilained on kõige üldisemas mõttes lainetus ruumis ja ajas. Einsteini üldrelatiivsusteooria ennustas nende olemasolu juba üle saja aasta tagasi ja need tekivad kosmoses leiduvate massiivsete objektide kiirenemise (või tegelikult aeglustumise) tulemusena. Kui täht plahvatab supernoovana, kannavad gravitatsioonilained valguskiirusel plahvatusest tuleneva energia minema. Kui kaks musta auku põrkuvad, tekitavad need ruumis ja ajas lainetust, mis sarnaneb lainetusega tiigis, kuhu visatakse kivike. Kui kaks neutrontähte tiirlevad teineteise ümber väga tihedalt, nimetatakse nende süsteemist eemale kantud energiat – arvasite ära – gravitatsioonilaineteks. Kui suudaksime neid laineid tuvastada ja jälgida, oleks see võimalik uus ajastu gravitatsioonilainete astronoomia, siis õpime gravitatsioonilaineid ära tundma ja töötama neid taastootvate nähtustega. Näiteks võib gravitatsioonilainete äkiline purse näidata, et need on pärit supernoova plahvatusest, samas kui pidev võnkuv signaal võib näidata kahe musta augu lähedast orbiiti enne nende ühinemist.

Seni on gravitatsioonilained teoreetilised, hoolimata tugevate kaudsete tõendite olemasolust. Huvitav on see, et kui gravitatsioonilained liiguvad läbi ruumi, deformeerivad nad ruumi "kangast" füüsiliselt, st tõmbuvad või laiendavad kahe objekti vahelist ruumi väga kergelt. Mõju on tühine, kuid kasutades laserinterferomeetrit nagu Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory või LIGO, mis mõõdab 2,5-kilomeetrilistes L-kujulistes vaakumtunnelites peegelduvate laserite pisikesi häireid, saab tuvastada gravitatsioonilainete levikut meie planeedil. . LIGO puhul on 2 jaama, mis asuvad aadressil vastasküljed USA, mida lahutab peaaegu 2000 miili. Kui gravitatsioonilaine signaal on reaalne, jälgitakse selle allkirja mõlemas kohas; kui tegemist on valesignaaliga (st veok just mööda sõitis), tuvastab signaali ainult üks jaam. Kuigi LIGO alustas tegevust 2002. aastal, pole see veel gravitatsioonilaineid tuvastanud. Kuid 2015. aasta septembris uuendati süsteem Advanced LIGO-ks ja on lootust, et neljapäeval annavad füüsikud meile lõpuks häid uudiseid.

Boonus: esmased gravitatsioonilained. Võib-olla mäletate segadust seoses BICEP2 gravitatsioonilainete "avastusega" (ja seejärel mitteavastamisega) Suure Paugu nõrgas ürgses "helgus", mida tuntakse kosmilise mikrolaine taustana (CMB). Kuigi BICEP2 "avastus" osutus lootusetuks, arvatakse, et Suure Paugu aegsed pisikesed gravitatsioonihäired võivad jätta sellesse iidsesse kiirgusesse oma "jälje" eriliigi polariseeritud valgusena. Kui vaadeldakse ürgsete gravitatsioonilainete jäljendit (need, mis tekkisid Suure Paugu poolt), võivad mõned kosmilise inflatsiooni ja kvantgravitatsiooni mudelid kinnitust saada.

Need ei ole aga gravitatsioonilained, mida LIGO jahib. LIGO (ja sarnased vaatluskeskused) otsivad gravitatsioonilaineid, mida genereerivad praegu meie kaasaegses universumis toimuvad energeetilised sündmused. Primaarsete gravitatsioonilainete jaht on nagu arheoloogiline väljakaevamine meie universumi minevikust.

Gravitatsioonilained on füüsilised häired, mida juhib planeedikeskkonnas gravitatsiooni taastav jõud. Teisisõnu, gravitatsioonilained on iseloomulikud ainult planeetide atmosfäärile ja veekogudele. Atmosfääride puhul puhub õhk üle ookeani ja on siis näiteks saarega kokku puutudes sunnitud tõusma. Tuulealusel küljel sunnib õhk raskusjõu toimel madalamale kõrgusele, kuid selle ujuvus töötab gravitatsiooni vastu, põhjustades selle uuesti tõusu. Seetõttu võib võnkuva õhu piirkond atmosfääris tekitada laineharjadel pilvi. Gravitatsioonilainete näideteks on tuulelained, looded ja tsunamid.

Seega selgub, et gravitatsioon juhib nii gravitatsioonilaineid kui ka gravitatsioonilaineid, kuid neil on väga erinevad omadused, mida ei tohiks segi ajada.

Vaid paar tundi tagasi saabus uudis, mida oli teadusmaailmas kaua oodatud. Rahvusvahelise LIGO Scientific Collaboration projekti raames töötav rühm teadlasi mitmest riigist ütleb, et mitme detektori vaatluskeskuse abil suutsid nad laboritingimustes tuvastada gravitatsioonilaineid.

Nad analüüsivad andmeid, mis pärinevad kahest laserinterferomeetri gravitatsioonilainete vaatluskeskusest (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO), mis asuvad Ameerika Ühendriikides Louisiana ja Washingtoni osariikides.

Nagu LIGO projekti pressikonverentsil öeldi, tuvastati gravitatsioonilained 14. septembril 2015 esmalt ühes observatooriumis ja seejärel 7 millisekundit hiljem teises.

Saadud andmete analüüsi põhjal, mille viisid läbi paljude riikide, sealhulgas Venemaa teadlased, leiti, et gravitatsioonilaine põhjustas kahe musta augu kokkupõrge, mille mass on 29- ja 36-kordne. Päike. Pärast seda ühinesid nad üheks suureks mustaks auguks.

See juhtus 1,3 miljardit aastat tagasi. Signaal tuli Maale Magellani pilve tähtkuju suunast.

Sergei Popov (Moskva Riikliku Ülikooli Sternbergi Riikliku Astronoomia Instituudi astrofüüsik) selgitas, mis on gravitatsioonilained ja miks on nende mõõtmine nii oluline.

Kaasaegsed gravitatsiooniteooriad on geomeetrilised gravitatsiooniteooriad, enam-vähem kõik alates relatiivsusteooriast. Ruumi geomeetrilised omadused mõjutavad kehade või objektide, näiteks valguskiire, liikumist. Ja vastupidi – energia jaotus (see on sama mis mass ruumis) mõjutab ruumi geomeetrilisi omadusi. See on väga lahe, sest seda on lihtne visualiseerida - kogu sellel kasti vooderdatud elastsel tasapinnal on füüsiline tähendus, kuigi see kõik pole muidugi nii sõnasõnaline.

Füüsikud kasutavad sõna "meetriline". Mõõdik on midagi, mis kirjeldab ruumi geomeetrilisi omadusi. Ja siin on kehad, mis liiguvad kiirendusega. Kõige lihtsam on kurki pöörata. Oluline on, et tegu poleks näiteks palli või lameda kettaga. Lihtne on ette kujutada, et kui selline kurk elastsel tasapinnal pöörleb, jooksevad sellest lained. Kujutage ette, et seisate kuskil ja kurk pöörab ühe otsa teie poole, siis teise otsa. See mõjutab ruumi ja aega erineval viisil, gravitatsioonilaine jookseb.

Seega on gravitatsioonilaine lainetus, mis kulgeb mööda aegruumi mõõdikut.

Helmed kosmoses

See on meie gravitatsiooni toimimise põhiteadmiste põhiomadus ja inimesed on tahtnud seda testida juba sada aastat. Nad tahavad veenduda, et mõju on olemas ja see on laboris nähtav. Seda nähti looduses umbes kolm aastakümmet tagasi. Kuidas peaksid gravitatsioonilained avalduma igapäevaelus?

Lihtsaim viis selle illustreerimiseks on järgmine: kui viskate helmeid ruumi nii, et need asetsevad ringis, ja kui gravitatsioonilaine läbib nende tasapinnaga risti, hakkavad need muutuma ellipsiks, surudes kõigepealt kokku ühes suunas, siis teises. Asi on selles, et ruum nende ümber on häiritud ja nad tunnevad seda.

"G" Maal

Inimesed teevad midagi sellist, ainult mitte kosmoses, vaid Maal.

G-tähe kujulised peeglid [viidates Ameerika LIGO vaatluskeskustele] ripuvad üksteisest nelja kilomeetri kaugusel.

Laserkiired jooksevad – see on interferomeeter, hästi mõistetav asi. Kaasaegsed tehnoloogiad võimaldab teil mõõta fantastiliselt väikest efekti. Asi pole ikka selles, et ma ei usuks, ma usun seda, aga ma lihtsalt ei suuda oma pead ümber keerata - üksteisest nelja kilomeetri kaugusel rippuvate peeglite nihkumine on väiksem kui aatomituuma suurus . See on väike isegi selle laseri lainepikkusega võrreldes. See oli konks: gravitatsioon on kõige nõrgem koostoime ja seetõttu on nihked väga väikesed.

See võttis väga kaua aega, inimesed on seda püüdnud teha 1970. aastatest saadik, nad on oma elu veetnud gravitatsioonilaineid otsides. Ja ainult nüüd tehnilised võimalused võimaldavad laboritingimustes registreerida gravitatsioonilainet, see tähendab, et see tuli siia ja peeglid nihkusid.

Suund

Aasta jooksul, kui kõik hästi läheb, töötab maailmas juba kolm detektorit. Kolm detektorit on väga olulised, sest need asjad on signaali suuna määramisel väga halvad. Umbes samamoodi nagu meil on halb allika suunda kõrva järgi määrata. "Heli kusagilt paremalt" – need detektorid tajuvad midagi sellist. Aga kui kolm inimest seisavad üksteisest kaugel ja üks kuuleb heli paremalt, teine ​​vasakult ja kolmas tagant, siis saame väga täpselt määrata heli suuna. Mida rohkem detektoreid on, seda rohkem nad hajuvad maakerale, seda täpsemalt saame määrata suuna allikani ja siis algab astronoomia.

Lõppeesmärk pole ju mitte ainult üldise relatiivsusteooria kinnitamine, vaid ka uute astronoomiliste teadmiste saamine. Kujutage vaid ette, et seal on must auk, mis kaalub kümme päikesemassi. Ja põrkab kokku teise musta auguga, mis kaalub kümme päikesemassi. Kokkupõrge toimub valguse kiirusel. Energia läbimurre. See on tõsi. Seda on fantastiliselt palju. Ja pole võimalust... See on lihtsalt ruumi ja aja lainetus. Ma ütleksin, et kahe musta augu ühinemise tuvastamine on pikka aega on seni tugevaim tõend selle kohta, et mustad augud on just need mustad augud, mida me arvame.

Vaatame läbi probleemid ja nähtused, mida see võib paljastada.

Kas mustad augud on tõesti olemas?

LIGO teadaandest oodatud signaali võisid tekitada kaks ühinevat musta auku. Sellised sündmused on teadaolevatest kõige energilisemad; nende kiiratavate gravitatsioonilainete tugevus võib hetkeks ületada kõik vaadeldava universumi tähed kokku. Mustade aukude ühinemist on ka nende väga puhaste gravitatsioonilainete põhjal üsna lihtne tõlgendada.

Mustade aukude ühinemine toimub siis, kui kaks musta auku keerlevad üksteise ümber, kiirgades energiat gravitatsioonilainetena. Nendel lainetel on iseloomulik heli (piiks), mille abil saab mõõta nende kahe objekti massi. Pärast seda mustad augud tavaliselt ühinevad.

"Kujutage ette kahte seebimulle, mis on nii lähedal, et moodustavad ühe mulli. Suurem mull on deformeerunud, " ütleb edasijõudnute instituudi gravitatsiooniteoreetik Tybalt Damour. teaduslikud uuringud Pariisi lähedal. Viimane must auk on täiesti sfääriline, kuid peab esmalt kiirgama prognoositavaid gravitatsioonilaineid.

Mustade aukude ühinemise tuvastamise üheks olulisemaks teaduslikuks tagajärjeks saab olema mustade aukude olemasolu – vähemalt täiesti ümmargused objektid, mis koosnevad puhtast, tühjast, kõverast aegruumist, nagu ennustab üldrelatiivsusteooria. Teine tagajärg on see, et ühinemine kulgeb nii, nagu teadlased ennustasid. Astronoomidel on selle nähtuse kohta palju kaudseid tõendeid, kuid seni on need olnud tähtede ja ülekuumenenud gaasi vaatlused mustade aukude orbiidil, mitte aga mustad augud ise.

"Teadusringkondadele, sealhulgas mulle, ei meeldi mustad augud. Peame neid enesestmõistetavaks, ütleb France Pretorius, New Jerseys asuva Princetoni ülikooli üldrelatiivsusteooria simulatsiooni spetsialist. "Aga kui me mõtleme sellele, kui hämmastav see ennustus on, vajame tõeliselt hämmastavaid tõendeid."

Kas gravitatsioonilained liiguvad valguse kiirusel?

Kui teadlased hakkavad LIGO vaatlusi teiste teleskoopide omadega võrdlema, kontrollivad nad esimese asjana, kas signaal saabus samal ajal. Füüsikud usuvad, et gravitatsiooni edastavad gravitoni osakesed, footonite gravitatsioonilised analoogid. Kui neil osakestel nagu footonitel pole massi, liiguvad gravitatsioonilained valguse kiirusel, mis ühtib klassikalise relatiivsusteooria gravitatsioonilainete kiiruse ennustusega. (Nende kiirust võib mõjutada universumi kiirenev paisumine, kuid see peaks ilmnema vahemaadel, mis on oluliselt suuremad kui LIGO läbitavad vahemaad).

On aga täiesti võimalik, et gravitonitel on väike mass, mis tähendab, et gravitatsioonilained liiguvad valgusest väiksema kiirusega. Näiteks kui LIGO ja Virgo tuvastavad gravitatsioonilaineid ja leiavad, et lained saabusid Maale pärast kosmiliste sündmustega seotud gammakiirgust, võivad sellel olla fundamentaalfüüsika jaoks elumuutvad tagajärjed.

Kas aegruum koosneb kosmilistest nööridest?

Veelgi kummalisem avastus võib juhtuda, kui leitakse "kosmilistest stringidest" lähtuvad gravitatsioonilainete pursked. Need hüpoteetilised defektid aegruumi kõveruses, mis võivad, aga ei pruugi olla seotud stringiteooriatega, peaksid olema lõpmata õhukesed, kuid venitatud kosmilistesse kaugustesse. Teadlased ennustavad, et kosmilised stringid, kui need on olemas, võivad kogemata painduda; kui nöör peaks painduma, põhjustaks see gravitatsioonilaine, mida detektorid nagu LIGO või Virgo saaksid mõõta.

Kas neutrontähed võivad olla tükilised?

Neutrontähed on suurte tähtede jäänused, mis oma raskuse all kokku kukkusid ja muutusid nii tihedaks, et elektronid ja prootonid hakkasid neutroniteks sulanduma. Teadlastel on neutroniaukude füüsikast vähe arusaamist, kuid gravitatsioonilained võivad meile nende kohta palju öelda. Näiteks neutrontähed muutuvad nende pinnal oleva intensiivse gravitatsiooni tõttu peaaegu täiuslikult sfääriliseks. Kuid mõned teadlased on oletanud, et seal võivad olla ka mõne millimeetri kõrgused "mäed", mis muudavad need tihedad, kuni 10-kilomeetrise läbimõõduga objektid veidi asümmeetriliseks. Neutrontähed pöörlevad tavaliselt väga kiiresti, nii et massi asümmeetriline jaotus kõverdab aegruumi ja tekitab siinuslaine kujul püsiva gravitatsioonilaine signaali, aeglustades tähe pöörlemist ja kiirgades energiat.

Üksteise ümber tiirlevad neutrontähtede paarid toodavad samuti pidevat signaali. Nagu mustad augud, liiguvad need tähed spiraalselt ja ühinevad lõpuks iseloomuliku heliga. Kuid selle spetsiifilisus erineb mustade aukude heli spetsiifilisusest.

Miks tähed plahvatavad?

Mustad augud ja neutrontähed tekivad siis, kui massiivsed tähed lakkavad säramast ja varisevad endasse. Astrofüüsikud arvavad, et see protsess on kõigi II tüüpi supernoova plahvatuste levinumate tüüpide aluseks. Selliste supernoovade simulatsioonid ei ole veel näidanud, mis põhjustab nende süttimist, kuid tõelise supernoova kiirgavate gravitatsioonilainete pursete kuulamine arvatakse andvat vastuse. Sõltuvalt sellest, kuidas purskelained välja näevad, kui valjud need on, kui sageli need esinevad ja kuidas need korreleeruvad supernoovadega, mida elektromagnetilised teleskoobid jälgivad, võivad need andmed aidata välistada hulga olemasolevaid mudeleid.

Kui kiiresti universum paisub?

Universumi paisumine tähendab, et meie galaktikast eemalduvad kauged objektid tunduvad punasemad, kui nad tegelikult on, sest nende kiirgav valgus on liikumisel venitatud. Kosmoloogid hindavad Universumi paisumiskiirust, võrreldes galaktikate punanihket sellega, kui kaugel nad meist asuvad. Kuid seda kaugust hinnatakse tavaliselt Ia tüüpi supernoova heleduse põhjal ja see meetod jätab palju ebakindlust.

Kui mitu gravitatsioonilainedetektorit üle maailma tuvastavad samade neutrontähtede ühinemise signaale, saavad nad koos absoluutselt täpselt hinnata signaali mahtu ja seega ka kaugust, mille kaugusel ühinemine toimus. Samuti saavad nad hinnata suunda ja koos sellega tuvastada galaktika, milles sündmus aset leidis. Võrreldes selle galaktika punanihet kaugusega ühinevate tähtedeni, on võimalik saada sõltumatu kosmilise paisumise kiirus, võib-olla täpsem, kui praegused meetodid võimaldavad.