Astronomia undelor gravitaționale

Astronomia undelor gravitaționale  este o ramură a astronomiei care studiază obiectele spațiale studiind radiația gravitațională a acestora prin înregistrarea efectului său direct asupra detectorilor de unde gravitaționale [3] . Este un domeniu în creștere rapidă al astronomiei observaționale care folosește undele gravitaționale (minucile deformații din spațiu-timp prezise de teoria relativității generale a lui Einstein ) pentru a colecta date despre obiecte precum stelele neutronice și găurile negre , evenimente precum exploziile supernovelor și diferite procese. , inclusiv proprietățile universului timpuriu la scurt timp după Big Bang [3] .

Baza teoretică a undelor gravitaționale se bazează pe teoria relativității. Ele au fost prezise pentru prima dată de Einstein în 1916 ; existența lor decurge din teoria relativității generale, ele apar în toate teoriile gravitației, care sunt supuse teoriei relativității speciale [4] . Confirmarea indirectă a existenței lor a apărut pentru prima dată în 1974 , după măsurători ale sistemului binar Hulse-Taylor PSR B1913+16 , a cărui orbită s-a schimbat exact așa cum prevedea teoria undelor gravitaționale [5] . Russell Hulse și Joseph Taylor au primit în 1993 Premiul Nobel pentru Fizică pentru această descoperire [6] . Ulterior, oamenii de știință au observat mulți pulsari în sisteme binare (inclusiv un sistem de pulsari binari PSR J0737-3039 ), iar comportamentul tuturor a fost în concordanță cu teoria undelor gravitaționale [7] .

Pe 11 februarie 2016, a fost anunțat că LIGO a observat în mod direct undele gravitaționale pentru prima dată în septembrie 2015 [8] [9] [10] .

Pentru detectarea experimentală a undelor gravitaționale în 2017, Premiul Nobel pentru Fizică a fost acordat oamenilor de știință Barry Barish , Kip Thorne și Rainer Weiss [11] [12] .

Observații

Frecvența undelor gravitaționale este de obicei foarte scăzută, astfel de unde sunt destul de greu de detectat. Undele cu frecvențe mai mari apar în timpul unor evenimente mai dramatice, făcându-le primele unde observate.

Frecvențe înalte

În 2015-2016, proiectul LIGO a observat pentru prima dată în istorie undele gravitaționale direct folosind interferometre laser [13] [14] . Detectoarele LIGO au detectat unde gravitaționale din fuziunea a două găuri negre cu masă stelară , în concordanță cu predicțiile relativității generale . Aceste observații au arătat existența sistemelor binare de găuri negre cu masă stelară și au fost prima detectare directă a undelor gravitaționale și prima observare a procesului de fuziune a unui sistem binar de găuri negre [15] . Această descoperire a fost descrisă ca fiind revoluționară pentru știință, deoarece a stabilit posibilitatea utilizării astronomiei undelor gravitaționale pentru a investiga materia întunecată și Big Bang-ul .

Mai multe colaborări științifice sunt angajate în observarea undelor gravitaționale . A construit o rețea mondială de detectoare la sol, interferometre laser kilometrice , inclusiv: Observatorul undelor gravitaționale interferometrice cu laser (LIGO), un proiect comun al Institutului de Tehnologie din Massachusetts , Caltech și oameni de știință de la LIGO Scientific Collaborationcu detectoare la Livingston, Louisiana și locul complexului Hanford ; Fecioară , la Observatorul Gravitațional European, în municipiul Cascina lângă Pisa în Italia ; GEO600 la Sarstedt , lângă Hanovra , Germania , și KAGRA , condusă de Universitatea din Tokyo la Observatorul Kamioka, în mina subterană Mozumi din secțiunea Kamioka din orașul Hida din prefectura Gifu din Japonia . LIGO și Virgo se modernizează în 2016 . Detectorul LIGO îmbunătățit a început să observe în 2015 și a detectat unde gravitaționale înainte de a atinge sensibilitatea maximă; este de așteptat ca detectorul îmbunătățit Virgo să înceapă observarea în 2016 . Modernizarea detectorului KAGRA este planificată pentru 2018 . GEO600 este în prezent operațional, dar sensibilitatea sa face improbabilă detectarea undelor; sarcina sa principală este să testeze tehnologia.

Frecvențe joase

De asemenea, observarea undelor gravitaționale se realizează folosind sincronizarea rețelelor de pulsari.. Este folosit de trei consorții: EPTA (Europa), Observatorul de unde gravitaționale nanohertzi din America de Nord (NANOGrav) și PPTA ( Parkes Pulsar Timing Array ) la Observatorul Parkes (Australia) [16] ; toți împreună cooperează în cadrul IPTA. Această tehnologie folosește radiotelescoape convenționale, dar deoarece acestea sunt sensibile la frecvențe în intervalul de nanoherți și sensibilitatea detectorului se îmbunătățește treptat, este nevoie de mulți ani pentru a detecta un semnal. Estimările actuale sunt apropiate de cele așteptate pentru sursele astrofizice [17] .

Midrange

Pe viitor, există posibilitatea de a folosi detectoare spațiale. Agenția Spațială Europeană a selectat misiunea undelor gravitaționale ca misiune L3, lansând în 2034, conceptul actual fiind Antena Spațială Laser Interferometrică  (eLISA) [18] . Proiectul japonez DECIGO este în curs de dezvoltare(interferometru al undelor gravitaționale în intervalul deciherți).

Potențial științific

Astronomia s-a bazat în mod tradițional pe radiația electromagnetică, începând cu lumina vizibilă și, pe măsură ce tehnologia a avansat, preluând alte părți ale spectrului electromagnetic , de la emisia radio la raze gamma . Fiecare bandă nouă de frecvență a oferit o nouă viziune asupra Universului și a prefigurat noi descoperiri [19] . La sfârșitul secolului al XX-lea, înregistrarea neutrinilor solari a creat o nouă ramură a astronomiei neutrinilor , care dă o idee despre fenomene anterior inaccesibile cercetătorilor, cum ar fi procesele interne ale Soarelui [20] [21] . În mod similar, undele gravitaționale oferă oamenilor de știință un nou instrument pentru efectuarea de observații astrofizice.

Baza teoretică a astronomiei undelor gravitaționale este teoria generală a relativității [22] . Undele gravitaționale fac posibilă obținerea de informații suplimentare față de cele obținute prin alte mijloace. Prin combinarea observațiilor aceluiași eveniment folosind mijloace diferite, se poate obține o imagine mai completă a proprietăților sursei. Undele gravitaționale pot fi folosite pentru a observa sisteme care sunt invizibile (sau aproape imposibil de detectat) prin orice alte mijloace, de exemplu, ele oferă o metodă unică pentru studiul proprietăților găurilor negre.

Datorită detectoarelor moderne de unde gravitaționale care funcționează la frecvențe de 1 kHz, este posibil să se studieze starea Universului după Big Bang la o temperatură GeV , care este mult mai mare decât energiile la care acceleratoarele moderne pot accelera particulele elementare [3] [22] .

Multe sisteme emit unde gravitaționale, dar pentru a crea un semnal care poate fi detectat, sursa trebuie să fie formată din obiecte foarte masive care se mișcă cu viteza aproape de viteza luminii . Sursa principală a undelor gravitaționale sunt sistemele binare a două obiecte compacte . Exemple de astfel de sisteme:

• Sisteme binare compacte de două obiecte cu masă stelară care orbitează strâns împreună, cum ar fi piticele albe , stele neutronice sau găurile negre . Binarele mai largi, care au frecvențe orbitale mai mici, sunt sursa pentru detectoare precum LISA [23] [24] . Binarele dense oferă un semnal pentru detectoarele de la sol, cum ar fi LIGO [25] . Detectoarele de la sol sunt capabile să detecteze sisteme binare care conțin o gaură neagră de masă intermediară sau câteva sute de mase solare [26] [27] .
• Sisteme binare de găuri negre supermasive , constând din două găuri negre cu mase 10 5 −10 9 mase solare . Găurile negre supermasive se găsesc în centrul galaxiilor. Când galaxiile se îmbină, se presupune că și găurile lor negre supermasive centrale se contopesc [28] . Ele sunt potențial cele mai puternice surse de unde gravitaționale. Cele mai masive sisteme binare sunt sursa detectorilor PTA (pulsar timing array)[ ce? ] [29] . Sistemele binare mai puțin masive (aproximativ un milion de mase solare) sunt sursa unor astfel de detectoare spațiale precum LISA [30] .
• Sisteme cu un raport de masă extrem de mare, constând dintr-o gaură neagră supermasivă și un obiect de masă stelar compact care o orbitează. Acestea sunt surse pentru detectoare precum LISA [30] . Sistemele cu o excentricitate orbitală mare creează o explozie de radiație gravitațională în timpul trecerii prin periapsis [31] . Sistemele cu orbite aproape circulare care se așteaptă să fie observate la sfârșitul unei întâlniri orbitale emit un spectru continuu în lățimea de bandă a detectorului LISA [32] . Abordarea orbitală a sistemelor cu un raport de masă mare poate fi observată pe multe orbite. Din această cauză, ele reflectă perfect caracteristicile geometriei spațiului-timp înconjurător și vă permit să verificați acuratețea relativității generale [33] .

Pe lângă sistemele binare, există și alte surse potențiale:

• Supernovele generează explozii de înaltă frecvență de unde gravitaționale pe care LIGO sau Virgo [34] le pot detecta .
• Stelele neutronice rotative cu asimetrie axială sunt o sursă de unde continue de înaltă frecvență [35] [36] .
• Procese din Universul timpuriu precum inflația sau tranziția de fază [37] .
• Corzile cosmice , dacă există, pot produce și radiații gravitaționale [38] . Detectarea acestor unde gravitaționale va confirma existența corzilor cosmice.

Undele gravitaționale interacționează slab cu materia. Prin urmare, ele sunt greu de detectat și, prin urmare, pot călători liber prin univers fără a fi absorbite sau împrăștiate ca unde de radiație electromagnetică. Astfel, cu ajutorul undelor gravitaționale, se poate vedea centrul sistemelor dense: nucleul unei supernove sau centrul galactic . Și, de asemenea, evenimente mai îndepărtate în timp decât atunci când se folosește radiația electromagnetică, deoarece Universul timpuriu înainte de recombinare era opac la lumină, dar transparent la undele gravitaționale.

Capacitatea undelor gravitaționale de a trece liber prin materie înseamnă, de asemenea, că detectoarele de unde gravitaționale , spre deosebire de telescoapele convenționale , nu se limitează la câmpul vizual , ci observă întregul cer. Totuși, detectoarele au o sensibilitate îngustă, motiv pentru care, printre altele, sunt combinate într-o rețea de detectoare [39] .

În timpul inflației cosmice

Inflația cosmică , perioada ipotetică de expansiune rapidă a universului în primele 10-36 de secunde după Big Bang , se presupunea că ar fi sursa undelor gravitaționale; ar fi trebuit să lase o urmă caracteristică în polarizarea fondului cosmic de microunde [40] [41] [22] . Măsurătorile cu microunde pot fi folosite pentru a calcula proprietățile undelor gravitaționale primordiale și pot folosi aceste date pentru a afla mai multe despre universul timpuriu [42] .

Dezvoltare

Fiind un domeniu tânăr de cercetare, astronomia undelor gravitaționale este la început; cu toate acestea, există un consens în comunitatea astrofizică că această industrie va continua să evolueze și să devină o parte integrantă a astronomiei multicanal în secolul 21. Observațiile cu unde gravitaționale completează observațiile spectrului electromagnetic [43] [44] . Aceste unde promit să furnizeze informații care nu pot fi obținute prin unde electromagnetice. Undele electromagnetice sunt distorsionate pe drum - sunt absorbite și reemise, ceea ce complică procesul de obținere a informațiilor despre sursă. Undele gravitaționale, dimpotrivă, interacționează slab cu materia și, prin urmare, nu se împrăștie și nu sunt absorbite. Această caracteristică va permite astronomilor să arunce o privire nouă asupra centrului unei supernove, al nebuloasei stelare și chiar al coliziunilor nucleelor ​​galactice.

Detectoarele de unde gravitaționale de la sol au furnizat noi date despre faza de întâlnire orbitală și despre fuziunea găurilor negre binare cu masă stelară și asupra sistemelor binare constând dintr-o astfel de gaură neagră și o stea neutronică (care ar trebui să producă, de asemenea , explozii de raze gamma ) . Ele pot detecta, de asemenea, semnale de la colapsul nucleului supernovei și de la surse periodice, cum ar fi pulsarii cu warp joasă. Dacă ipoteza despre anumite tipuri de tranziții de fază sau explozii de vortex din șiruri cosmice lungi din Universul foarte timpuriu ( aproximativ 10 −25 de secunde în timp cosmic ) este corectă, atunci pot fi de asemenea detectate [45] . Detectoarele cosmice, cum ar fi LISA, vor trebui să detecteze sisteme binare de pitice albe precum AM Hounds of the Dogs (unde materia săracă în hidrogen este acumulată de la o stea compactă cu heliu de masă mică la o pitică albă ) și vor putea, de asemenea, să observe fuziunea găurilor negre supermasive și apropierea orbitală a obiectelor mici (între una și mii de mase solare ) în astfel de găuri negre. LISA va putea primi semnale din aceleași surse ale Universului timpuriu ca și detectoarele de la sol, dar la frecvențe mai mici și cu o sensibilitate mult mai mare [46] .

Detectarea undelor gravitaționale emise este o sarcină dificilă. Include crearea de lasere ultrastabile de înaltă calitate și detectoare calibrate cu o sensibilitate de cel puțin 2·10 −22 Hz −1/2 așa cum se arată pe detectorul de la sol, GEO600 [47] . În plus, s-a demonstrat că chiar și ca urmare a unor evenimente astronomice mari, precum exploziile de supernove, undele gravitaționale se pot dezintegra la vibrații extrem de mici cu o amplitudine a diametrului unui atom [48] .

Note

1. ↑ Peters, P. . Radiația gravitațională din masele punctuale într-o orbită Kepleriană (1963), pp. 435–440.
2. ↑ Peters, P. . Radiația gravitațională și mișcarea maselor în două puncte (1964), pp. B1224–B1232.
3. ↑ 1 2 3 M. V. Sazhin Cosmologie modernă într-o prezentare populară. - M .: Editorial URSS, 2002. - ISBN 5-354-00012-2  - Tiraj 2500 exemplare. - S. 130-133.
4. ↑ Schutz, Bernard F. . Unde gravitaționale pe spatele unui plic (1984), p. 412.
5. ↑ Hulse, R. A. . Descoperirea unui pulsar într-un sistem binar (1975), p. L51.
6. ↑ Premiul Nobel pentru fizică 1993 . Fundația Nobilă. Preluat la 3 mai 2014. Arhivat din original la 14 octombrie 2013. (nedefinit)
7. ↑ Scări, Ingrid H. . Testarea relativității generale cu sincronizarea pulsarilor (2003), p. 5.
8. ^ Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger , p. 061102. Arhivat din original pe 11 februarie 2016. Preluat la 26 iunie 2020.
9. ↑ Castelvecchi, Davide . Undele gravitaționale ale lui Einstein găsite în sfârșit  (11 februarie 2016). Arhivat din original pe 12 februarie 2016. Preluat la 11 februarie 2016.
10. ↑ Consiliul de redacție . The Chirp Heard Across the Universe , New York Times  (16 februarie 2016). Arhivat din original pe 31 martie 2019. Preluat la 16 februarie 2016.
11. ↑ Premiul Nobel pentru Fizică 2017 . www.nobelprize.org. Preluat la 4 octombrie 2017. Arhivat din original la 12 august 2018. (nedefinit)
12. ↑ Vyacheslav Nedogonov Universul este un balon cu un stilou Copie de arhivă din 13 octombrie 2017 la Wayback Machine // Novaya Gazeta . - 2017. - Nr. 114. - 13.10.2017 - S. 18 - 19
13. ↑ La revedere, Dennis . Fizicienii detectează undele gravitaționale, Proving Einstein Right , New York Times  (11 februarie 2016). Arhivat din original pe 11 februarie 2016. Preluat la 11 februarie 2016.
14. ↑ Krauss, Lawrence . Finding Beauty in the Darkness , New York Times  (11 februarie 2016). Arhivat din original pe 12 aprilie 2019. Preluat la 11 februarie 2016.
15. ↑ Abbott, B. P. . Observarea undelor gravitaționale dintr-o fuziune binară a unei găuri negre  (  11 februarie 2016).
16. ↑ Fizicienii au găsit un „ceas” universal în spațiu: ele sunt mai precise decât cele atomice // hightech.fm, 14 iulie 2022
17. ↑ Sesana, A. . Investigarea sistematică a semnalului de unde gravitaționale așteptat de la binarele supermasive ale găurilor negre în banda de sincronizare a pulsarilor (22 mai 2013), pp. L1–L5.
18. ↑ Noua viziune a ESA de a studia universul invizibil . ESA. Consultat la 29 noiembrie 2013. Arhivat din original la 14 octombrie 2018. (nedefinit)
19. ↑ Longair, Malcolm. Secolul cosmic: o istorie a astrofizicii și cosmologiei  (engleză) . - Cambridge University Press , 2012. - ISBN 1107669367 .
20. ↑ Bahcall, John N. Neutrino Astrophysics . - Retipărit.. - Cambridge: Cambridge University Press , 1989. - ISBN 052137975X .
21. ↑ Bahcall, John Cum strălucește soarele . Premiul Nobel (9 iunie 2000). Preluat la 10 mai 2014. Arhivat din original la 20 aprilie 2014. (nedefinit)
22. ↑ 1 2 3 Grischuk L. P. Gravitational-wave astronomy // Colecția Einstein 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - p. 329-350
23. ↑ Nelemans, Gijs . Primul plan al undei gravitaționale galactice (7 mai 2009), p. 094030.
24. ↑ Stroeer, A. Binarele de verificare LISA (7 octombrie 2006), pp. S809–S817.
25. ↑ Abadie, J. Predicții pentru ratele coalescențelor binare compacte observabile de detectoare de unde gravitaționale de la sol (7 septembrie 2010), p. 173001.
26. ↑ Măsurarea binarelor de găuri negre cu masă intermediară cu detectoare avansate de unde gravitaționale . Grupul de fizică gravitațională . Universitatea din Birmingham. Consultat la 28 noiembrie 2015. Arhivat din original la 6 septembrie 2018. (nedefinit)
27. ↑ Observarea coliziunilor invizibile ale găurilor negre cu masă intermediară . Colaborare științifică LIGO . Consultat la 28 noiembrie 2015. Arhivat din original la 12 februarie 2019. (nedefinit)
28. ↑ Volonteri, Marta . Istoria adunării și fuziunii găurilor negre supermasive în modelele ierarhice de formare a galaxiei (10 ianuarie 2003), pp. 559–573.
29. ↑ Sesana, A. . Fundalul undelor gravitaționale stocastice din sistemele binare masive de găuri negre: implicații pentru observațiile cu Pulsar Timing Arrays (11 octombrie 2008), pp. 192–209.
30. ↑ 12 Amaro -Seoane, Pau . Știința undelor gravitaționale de joasă frecvență cu eLISA/ONG (21 iunie 2012), p. 124016.
31. ↑ Berry, C.P.L. Observarea găurii negre masive a galaxiei cu explozii de unde gravitaționale (12 decembrie 2012), pp. 589–612.
32. ↑ Amaro-Seoane, Pau . Inspirale cu raporturi de masă intermediare și extreme — astrofizică, aplicații științifice și detecție folosind LISA (7 septembrie 2007), pp. R113–R169.
33. ↑ Gair, Jonathan . Testarea relativității generale cu detectoare de unde gravitaționale de joasă frecvență, bazate pe spațiu (2013), p. 7.
34. ↑ Kotake, Kei . Mecanism de explozie, explozie de neutrini și undă gravitațională în supernove cu colaps de miez (1 aprilie 2006), pp. 971–1143.
35. ↑ Abbott, B. . Căutări de unde gravitaționale periodice din surse izolate necunoscute și Scorpius X-1: Rezultatele celei de-a doua runde științifice LIGO (2007), p. 082001.
36. ↑ În căutarea celor mai tinere stele neutronice din galaxie . Colaborare științifică LIGO . Consultat la 28 noiembrie 2015. Arhivat din original la 12 februarie 2019. (nedefinit)
37. ↑ Binetruy, Pierre . Fundaluri cosmologice ale undelor gravitaționale și eLISA/ONG: tranziții de fază, corzi cosmice și alte surse (13 iunie 2012), pp. 027–027.
38. ↑ Damour, Thibault . Radiația gravitațională de la (super)șiruri cosmice: explozii, fundal stocastic și ferestre de observație (2005), p. 063510.
39. ↑ Schutz, Bernard F. Rețele de detectoare de unde gravitaționale și trei figuri de merit (21 iunie 2011), p. 125023.
40. ↑ Hu, Wayne . A CMB polarization primer (1997), pp. 323–344.
41. ↑ Kamionkowski, Marc . Statistica polarizării fondului cosmic cu microunde (1997), pp. 7368–7388.
42. ↑ Boris Stern , Valery Rubakov . Astrofizică. Opțiunea Trinity. - M., AST, 2020. - p. 116-131
43. ↑ Looking for the Afterglow: The LIGO Perspective  (septembrie 2015), p. 10. Arhivat din original la 17 noiembrie 2015. Preluat la 28 noiembrie 2015.
44. ↑ PLANIFICAREA PENTRU O MÂINE LUMINĂ: PERSPECTIVE PENTRU ASTRONOMIE A UNDE GRAVITAȚIONALE CU LIGO AVANSAT ȘI FECIOARĂ AVANSATĂ . Colaborare științifică LIGO . Consultat la 31 decembrie 2015. Arhivat din original la 26 decembrie 2018. (nedefinit)
45. ↑ Cutler & Thorne, 2002 , sec. 2.
46. ↑ Cutler & Thorne, 2002 , sec. 3.
47. ↑ Vezi Seifert F., et al., 2006 , sec. 5.
48. ↑ Vezi Golm & Potsdam, 2013 , sec. patru.

Literatură

• Cutler, Curt; Thorne, Kip S. O prezentare generală a surselor de unde gravitaționale // Proceedings of 16th International Conference on General Relativity and Gravitation (GR16). - World Scientific , 2002. - P. 4090. - ISBN 981-238-171-6 . - arXiv : gr-qc/0204090 . - .
• Gravitational Wave Astronomy , Institutul Max Planck pentru Fizica Gravitațională , < http://www.einstein-online.info/elementary/gravWav > . Preluat la 24 ianuarie 2013. 
• Seifert, F., Kwee, P., Heurs, M., Willke, B. și Danzmann, K. Stabilizarea puterii laser pentru detectoare de unde gravitaționale de a doua generație // Litere optice. - 2006. - T. 31, Nr. 13. - S. 2000-2002. - doi : 10.1364/OL.31.002000 . — PMID 16770412 .

Link -uri

•  Colaborare științifică LIGO
•  AstroGravS: Arhiva surselor de unde gravitaționale astrofizice
• Video (4:36) - Detection of a gravitation wave , Dennis Overby , New York Times (11 februarie 2016)  (ing.)
• Video (71:29) - Conferința de presă anunță descoperirea: „LIGO Detects Gravitational Waves” , National Science Foundation (11 februarie 2016  )