Гравитационные волны и вопросы космологии, которые они могут решить

Теперь, когда исследователи LIGO подтвердили регистрацию гравитационных волн, стоит уделить внимание практическим вопросам, на которые может повлиять сенсационное открытие.

Используя два лазерных детектора: один в штате Луизиана и его близнец в штате Вашингтон, ученые создали условия для значительного события в истории человечества. Колебания ткани пространства-времени, вызванные столкновением двух черных дыр, были зафиксированы в виде отклонения фотонов на Земле.

Чтобы сделать результаты эксперимента более наглядными, исследователи трансформировали колебания в звук. Это позволило «услышать» гравитационные волны, в то время, как лазерные телескопы их «наблюдали».

Источником ряби в космосе стали две черные дыры GW150914, расположенные в южном полушарии неба. Именно такие объекты способны генерировать огромное количество энергии в короткий промежуток времени: на момент мощность столкновения превысила поток энергии всех звезд в видимой Вселенной. Среди прочего, пары черных дыр являются чистым источником гравитационных волн, которое легче интерпретировать ученым.

Объединенные черные дыры образуются от встречи двух черных дыр, которые движутся по спиральной траектории, излучая энергию в виде гравитационных волн. Такие волны, преобразованные в акустические, напоминают щебетание, и по ним ученые могут вычислить массу каждого из объектов.

Когда встреча все же происходит, слияние оказывается неизбежным. Это как иметь рядом два мыльных пузыря, которые объединяются в один. В результате возникает одна сферическая черная дыра, но этому предшествует образование гравитационных волн с особым узором колебаний.

Одним из главных последствий открытия гравитационных волн будет подтверждение того факта, что черные дыры действительно существуют. По крайней мере, ученые ожидают увидеть идеально сферические объекты, сделанные из чистого и искаженного пространства-времени, как это было предусмотрено Общей теорией относительности. С другой стороны, ученые смогут определить, протекает ли слияния черных дыр именно так, как они думали. До сих пор мы могли лишь наблюдать за звездами и раскаленным газом, который вращается вокруг черных дыр, но не за ними непосредственно.

Путешествуют ли гравитационные волны со скоростью света?

Следующим вопросом, который должны решить исследователи, является сравнение данных LIGO с другими обсерваториями. Так они смогут установить, поступил ли к ним сигнал одновременно, то есть с одинаковой скоростью. Физики считают, что гравитация распространяется с помощью гравитонов — квантовых частиц, которые являются гравитационным аналогом фотонов. Если гравитоны не имеют массы так же, как фотоны, тогда они могут путешествовать пространством-временем со скоростью света, что соответствует условиям общей теории относительности.

Их скорость может быть изменена расширением Вселенной, которое происходит с ускорением. В любом случае, этот эффект вряд себя обнаружат в пределах лаборатории LIGO, ведь речь идет о действительно космических масштабах.

Существует также вероятность, что гравитоны все же имеют некоторую массу. В таком случае они будут распространяться со скоростью, меньшей скорости света. Поэтому, если у LIGO (США) и VIRGO (Европа) заметят, что гравитационные волны дошли до них с определенной задержкой по сравнению с гамма-вспышкой от того же источника, тогда фундаментальная физика будет сразу же пересмотрена.
«В соседней комнате» скрывается не менее удивительное явление. Может оказаться, что источником гравитационных волн на самом деле являются космические струны, которые могут быть связаны с Теорией струн , или же нет.

Космические струны — это гипотетические образования, дефекты пространства-времени. Они могут быть необъятно тонкими, но простираться на космические расстояния из-за расширения космоса. Ученые предполагают, что космические струны, если они существуют, могут образовывать локальные перегибы. В таких местах они могут разрываться, высвобождая энергию и вызывая гравитационные волны, которые могли бы регистрировать LIGO и VIRGO.

Нейтронные звезды морщинистые?

Нейтронные звезды образуются из остатков больших звезд, которые в свое время коллапсировали под действием собственного веса. Их вещество превратилось в «суп» из электронов и протонов, которые от давления синтезировались в нейтроны. Физика этих космических объектов до сих пор лежит в поле теоретических исследований, однако, гравитационные волны могли бы изменить эту ситуацию.

В теории огромная гравитация нейтронных звезд формирует у них идеальную гладкую сферическую поверхность. Но некоторые исследователи считают, что на поверхности нейтронных звезд может существовать нечто вроде склонов, высотой всего 10 мм. В этом смысле нейтронные звезды диаметром около 10 км является несколько асимметричными. Поскольку эти космические объекты вращаются очень-очень быстро, такой «рожок» на их поверхности будет вызывать возбуждение пространства времени и производить гравитационные волны, с формой, похожей на синус. Такое расточительство энергии на гравитационные колебания должно тормозить звезду и уменьшать ее угловой момент.

Пара нейтронных звезд также будет вызывать гравитационную рябь, так же, как и в случае черных дыр. Они также со временем объединятся.
Финальной структурой может стать большая нейтронная звезда, или же вещество может коллапсировать, образовав черную дыру.

Что заставляет звезды взрываться?

Черные дыры, как и нейтронные звезды, возникают, когда крупные звезды перестают сиять и коллапсируют в одну из форм «странной физики». По мнению астрофизиков, именно такой процесс питает энергией взрыва сверхновые распространенного типа II. Моделирование таких взрывов пока не дало четких ответов на то, что именно запускает процесс. Возможно, «прослушивание» гравитационных волн от настоящих сверхновых поможет пролить свет на суть этого механизма.

Если проанализировать форму гравитационных волн, их уровень и частоту, и сравнить это с данными электромагнитных наблюдений, полученные данные смогут проверить или опровергнуть имеющиеся модели.

Как быстро расширяется Вселенная?

Вселенная расширяется, это факт. К тому же, расширение происходит с ускорением, поэтому объекты, которые удаляются от нашей галактики, выглядят красными. Электромагнитные волны, излучаемые ими, растягиваются вместе с пространством-временем, поэтому их спектр смещается к красному (длинные волны).

Для того, чтобы посчитать интенсивность расширения, ученые учитывают красное смещение и реальное расстояние к Земле. Однако, это расстояние рассчитывается в зависимости от яркости сверхновых типа Ia, а сама техника может иметь значительную погрешность. Если несколько земных гравитационных детекторов определят «громкость» сигнала от объединения двух нейтронных звезд, тогда ученые смогут достаточно точно установить расстояние до источника и определить направление: галактику, в которой это произошло. Если сравнить красное смещение этой галактики расчетами от амплитуды гравитационных волн, ученые получают, возможно, наиболее точные расчеты ускорения расширения Вселенной.

29.05.2017

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Добавить комментарий