Gravitationsvågas astronomi

Gravitationsvågastronomi  är en gren av astronomi som studerar rymdobjekt genom att studera deras gravitationsstrålning genom att registrera dess direkta effekt på gravitationsvågdetektorer [3] . Det är ett snabbt växande område inom observationsastronomi som använder gravitationsvågor (de små skevningarna i rymdtiden som förutspås av Einsteins allmänna relativitetsteori ) för att samla in data om objekt som neutronstjärnor och svarta hål , händelser som supernovaexplosioner och olika processer. , inklusive egenskaperna hos det tidiga universum strax efter Big Bang [3] .

Den teoretiska grunden för gravitationsvågor är baserad på relativitetsteorin. De förutspåddes först av Einstein 1916 ; deras existens följer av den allmänna relativitetsteorin, de förekommer i alla gravitationsteorier, som lyder under den speciella relativitetsteorin [4] . Indirekt bekräftelse av deras existens dök upp första gången 1974 efter mätningar av Hulse-Taylors binära system PSR B1913+16 , vars omloppsbana förändrades exakt som förutspått av teorin om gravitationsvågor [5] . Russell Hulse och Joseph Taylor tilldelades 1993 års Nobelpris i fysik för denna upptäckt [6] . Därefter observerade forskare många pulsarer i binära system (inklusive ett system av binära pulsarer PSR J0737-3039 ), och beteendet hos dem alla överensstämde med teorin om gravitationsvågor [7] .

Den 11 februari 2016 tillkännagavs att LIGO direkt hade observerat gravitationsvågor för första gången i september 2015 [8] [9] [10] .

För experimentell upptäckt av gravitationsvågor 2017 tilldelades Nobelpriset i fysik till forskarna Barry Barish , Kip Thorne och Rainer Weiss [11] [12] .

Observationer

Frekvensen av gravitationsvågor är vanligtvis mycket låg, sådana vågor är ganska svåra att upptäcka. Vågor med högre frekvenser uppstår under mer dramatiska händelser, vilket gör dem till de första observerade vågorna.

Höga frekvenser

Under 2015-2016 observerade LIGO- projektet för första gången i historien gravitationsvågor direkt med hjälp av laserinterferometrar [13] [14] . LIGO-detektorerna detekterade gravitationsvågor från sammanslagning av två svarta hål av stjärnmassa , i överensstämmelse med förutsägelserna om allmän relativitet . Dessa observationer visade förekomsten av binära system för svarta hål av stjärnmassa och var den första direkta upptäckten av gravitationsvågor och den första observationen av sammanslagningsprocessen av ett binärt svarthålssystem [15] . Denna upptäckt har beskrivits som revolutionerande för vetenskapen, eftersom den etablerade möjligheten att använda gravitationsvågastronomi för att undersöka mörk materia och Big Bang .

Flera vetenskapliga samarbeten är engagerade i observation av gravitationsvågor . Byggt ett världsomspännande nätverk av markbaserade detektorer, kilometerlaserinterferometrar , inklusive: Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO), ett gemensamt projekt av Massachusetts Institute of Technology , Caltech och forskare från LIGO Scientific Collaborationmed detektorer i Livingston, Louisiana och platsen för Hanford Complex ; Jungfrun , vid European Gravitational Observatory, i kommunen Cascina nära Pisa i Italien ; GEO600 i Sarstedt , nära Hannover i Tyskland , och KAGRA , som drivs av University of Tokyo vid Kamioka Observatory, i den underjordiska gruvan Mozumi i Kamioka-delen av staden Hida i Gifu-prefekturen i Japan . LIGO och Jungfrun uppgraderar 2016 . Den förbättrade LIGO-detektorn började observera 2015 och upptäckte gravitationsvågor innan den nådde sin maximala känslighet; den förbättrade Jungfrudetektorn förväntas börja observeras under 2016 . Modernisering av KAGRA-detektorn är planerad till 2018 . GEO600 är för närvarande i drift, men dess känslighet gör vågdetektering osannolik; dess huvudsakliga uppgift är att testa tekniken.

Låga frekvenser

Dessutom utförs observationen av gravitationsvågor med hjälp av timing av pulsarmatriser.. Det används av tre konsortium: EPTA (Europa), North American Nanohertz Gravitational Wave Observatory (NANOGrav) och PPTA ( Parkes Pulsar Timing Array ) vid Parkes Observatory (Australien) [16] ; alla tillsammans samarbetar de inom ramen för IPTA. Denna teknik använder sig av konventionella radioteleskop, men eftersom de är känsliga för frekvenser i nanohertzområdet och detektorns känslighet förbättras gradvis, tar det många år att upptäcka en signal. Aktuella uppskattningar ligger nära de förväntade för astrofysiska källor [17] .

Mellanregister

I framtiden finns möjlighet att använda rymddetektorer. Europeiska rymdorganisationen har valt gravitationsvåguppdraget som L3-uppdraget, som lanseras 2034, det nuvarande konceptet är Laser Interferometric Space Antenna  (eLISA) [18] . Det japanska projektet DECIGO är under utveckling(interferometer för gravitationsvågor i decihertzområdet).

Vetenskaplig potential

Astronomi har traditionellt förlitat sig på elektromagnetisk strålning, som börjar med synligt ljus och, allt eftersom teknologin har utvecklats, tar den på sig andra delar av det elektromagnetiska spektrumet , från radioemission till gammastrålar . Varje nytt frekvensband gav en ny syn på universum och förebådade nya upptäckter [19] . I slutet av 1900-talet skapade registreringen av solneutriner en ny gren av neutrinoastronomi , som ger en uppfattning om tidigare otillgängliga fenomen för forskare, såsom solens interna processer [20] [21] . På samma sätt ger gravitationsvågor forskare ett nytt verktyg för att göra astrofysiska observationer.

Den teoretiska grunden för gravitationsvågastronomi är den allmänna relativitetsteorin [22] . Gravitationsvågor gör det möjligt att erhålla ytterligare information utöver den som erhålls på annat sätt. Genom att kombinera observationer av samma händelse med olika medel kan en mer komplett bild av källans egenskaper erhållas. Gravitationsvågor kan användas för att observera system som är osynliga (eller nästan omöjliga att upptäcka) på något annat sätt, till exempel ger de en unik metod för att studera egenskaperna hos svarta hål.

Tack vare moderna gravitationsvågsdetektorer som arbetar vid frekvenser på 1 kHz är det möjligt att studera universums tillstånd efter Big Bang vid en GeV-temperatur , som är mycket högre än de energier till vilka moderna acceleratorer kan accelerera elementarpartiklar [3] [22] .

Många system sänder ut gravitationsvågor, men för att skapa en signal som kan detekteras måste källan bestå av mycket massiva föremål som rör sig nära ljusets hastighet . Den huvudsakliga källan till gravitationsvågor är binära system av två kompakta föremål . Exempel på sådana system:

• Kompakta binära system av två stjärnmassaobjekt som kretsar nära varandra, såsom vita dvärgar , neutronstjärnor eller svarta hål . Bredare binärer, som har lägre omloppsfrekvenser, är källan för detektorer som LISA [23] [24] . Täta binärer ger en signal för markbaserade detektorer som LIGO [25] . Markbaserade detektorer är kapabla att detektera binära system som innehåller ett svart hål med mellanmassa eller flera hundra solmassor [26] [27] .
• Binära system av supermassiva svarta hål , bestående av två svarta hål med massorna 10 5 −10 9 solmassor . Supermassiva svarta hål finns i galaxernas centrum. När galaxer smälter samman, går förmodligen även deras centrala supermassiva svarta hål samman [28] . De är potentiellt de mest kraftfulla gravitationsvågskällorna. De mest massiva binära systemen är källan för PTA-detektorer (pulsar timing array)[ vad? ] [29] . Mindre massiva binära system (omkring en miljon solmassor) är källan till sådana rymddetektorer som LISA [30] .
• System med ett extremt högt massförhållande, bestående av ett supermassivt svart hål och ett kompakt stjärnmassaobjekt som kretsar runt det. De är källor för sådana detektorer som LISA [30] . System med hög orbital excentricitet skapar en skur av gravitationsstrålning under passagen genom periapsis [31] . System med nästan cirkulära banor som förväntas observeras i slutet av en orbital rendezvous avger ett kontinuerligt spektrum inom bandbredden för LISA-detektorn [32] . Banansatsen för system med ett stort massförhållande kan observeras i många banor. På grund av detta återspeglar de perfekt egenskaperna hos geometrin i den omgivande rumtiden och låter dig kontrollera noggrannheten i den allmänna relativitetsteorien [33] .

Förutom binära system finns det andra potentiella källor:

• Supernovor genererar högfrekventa skurar av gravitationsvågor som LIGO eller Jungfrun [34] kan upptäcka .
• Roterande neutronstjärnor med axiell asymmetri är en källa till kontinuerliga högfrekventa vågor [35] [36] .
• Processer i det tidiga universum som inflation eller fasövergång [37] .
• Kosmiska strängar , om de finns, kan också producera gravitationsstrålning [38] . Detekteringen av dessa gravitationsvågor kommer att bekräfta existensen av kosmiska strängar.

Gravitationsvågor samverkar svagt med materia. Därför är de svåra att upptäcka och därför kan de fritt resa genom universum utan att absorberas eller sprids som vågor av elektromagnetisk strålning. Således kan man med hjälp av gravitationsvågor se centrum av täta system: kärnan i en supernova eller det galaktiska centrumet . Och även mer avlägsna händelser i tid än när man använder elektromagnetisk strålning, eftersom det tidiga universum före rekombination var ogenomskinligt för ljus, men genomskinligt för gravitationsvågor.

Förmågan hos gravitationsvågor att fritt passera genom materia innebär också att gravitationsvågdetektorer , till skillnad från konventionella teleskop , inte är begränsade till synfältet , utan observerar hela himlen. Detektorerna har dock en snäv känslighet, varför de bland annat kombineras till ett nätverk av detektorer [39] .

Under kosmisk inflation

Kosmisk inflation , den hypotetiska perioden av snabb expansion av universum under de första 10-36 sekunderna efter Big Bang , var tänkt att vara källan till gravitationsvågor; de borde ha lämnat ett karakteristiskt spår i polariseringen av den kosmiska mikrovågsbakgrunden [40] [41] [22] . Mikrovågsmätningar kan användas för att beräkna egenskaperna hos primordiala gravitationsvågor och använda dessa data för att lära dig mer om det tidiga universum [42] .

Utveckling

Som ett ungt forskningsfält är gravitationsvågsastronomin i sin linda; men det finns en enighet i det astrofysiska samhället om att denna industri kommer att fortsätta att utvecklas och bli en integrerad del av flerkanalsastronomi under 2000-talet. Gravitationsvågobservationer kompletterar observationerna av det elektromagnetiska spektrumet [43] [44] . Dessa vågor lovar att ge information som inte kan erhållas genom elektromagnetiska vågor. Elektromagnetiska vågor förvrängs på vägen - de absorberas och återutsänds, vilket komplicerar processen att få information om källan. Gravitationsvågor, tvärtom, interagerar svagt med materia och sprids därför inte och absorberas inte. Denna funktion gör det möjligt för astronomer att ta en ny titt på centrum av en supernova, stjärnnebulosa och till och med kollisioner av galaktiska kärnor.

Markbaserade gravitationsvågsdetektorer har tillhandahållit nya data om fasen av orbital rendezvous och om sammanslagningar av svarta hål i binära stjärnmassor , och om binära system som består av ett sådant svart hål och en neutronstjärna (som också borde producera gammastrålningsskurar ) . De kan också upptäcka signaler från supernovakärnkollaps och från periodiska källor som pulsarer med låg varp. Om hypotesen om vissa typer av fasövergångar eller virvelskurar från långa kosmiska strängar i det mycket tidiga universum ( ca 10 −25 sekunder i kosmisk tid ) är korrekt, så kan de också detekteras [45] . Kosmiska detektorer som LISA kommer att behöva detektera binära system av vita dvärgar som AM Hounds of the Dogs (där vätefattig materia ansamlas från en kompakt heliumstjärna med låg massa till en vit dvärg ), och kommer också att kunna observera sammanslagning av supermassiva svarta hål och orbital närmande av små föremål (mellan en och tusentals solmassor ) till sådana svarta hål. LISA kommer att kunna ta emot signaler från samma källor från det tidiga universum som markbaserade detektorer, men vid lägre frekvenser och med mycket högre känslighet [46] .

Detekteringen av utsända gravitationsvågor är en svår uppgift. Det inkluderar skapandet av ultrastabila högkvalitativa lasrar och detektorer kalibrerade med en känslighet på minst 2·10 −22 Hz −1/2 som visas på den markbaserade detektorn, GEO600 [47] . Dessutom visades det att även som ett resultat av stora astronomiska händelser, såsom supernovaexplosioner, kan gravitationsvågor sönderfalla till extremt små vibrationer med en amplitud av en atoms diameter [48] .

Anteckningar

1. ↑ Peters, P. . Gravitationsstrålning från punktmassor i en Keplerisk omloppsbana (1963), s. 435–440.
2. ↑ Peters, P. . Gravitationsstrålning och tvåpunktsmassornas rörelse (1964), s. B1224–B1232.
3. ↑ 1 2 3 M. V. Sazhin Modern kosmologi i en populär presentation. - M .: Redaktionell URSS, 2002. - ISBN 5-354-00012-2  - Upplaga 2500 exemplar. - S. 130-133.
4. ↑ Schutz, Bernard F. . Gravitationsvågor på baksidan av ett kuvert (1984), s. 412.
5. ↑ Hulse, R. A. . Upptäckt av en pulsar i ett binärt system (1975), s. L51.
6. ↑ Nobelpriset i fysik 1993 . Noble Foundation. Hämtad 3 maj 2014. Arkiverad från originalet 14 oktober 2013. (obestämd)
7. ↑ Trappor, Ingrid H. . Testa allmän relativitet med Pulsar Timing (2003), s. 5.
8. ↑ Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger , s. 061102. Arkiverad från originalet den 11 februari 2016. Hämtad 26 juni 2020.
9. ↑ Castelvecchi, Davide . Einsteins gravitationsvågor hittades äntligen  (11 februari 2016). Arkiverad från originalet den 12 februari 2016. Hämtad 11 februari 2016.
10. ↑ Redaktionen . The Chirp Heard Across the Universe , New York Times  (16 februari 2016). Arkiverad från originalet den 31 mars 2019. Hämtad 16 februari 2016.
11. ↑ Nobelpriset i fysik 2017 . www.nobelprize.org. Hämtad 4 oktober 2017. Arkiverad från originalet 12 augusti 2018. (obestämd)
12. ↑ Vyacheslav Nedogonov Universum är en ballong med en penna Arkivkopia daterad 13 oktober 2017 på Wayback Machine // Novaya Gazeta . - 2017. - Nr 114. - 13.10.2017 - S. 18 - 19
13. ↑ Hejdå, Dennis . Fysiker upptäcker gravitationsvågor, bevisar Einstein rätt , New York Times  (11 februari 2016). Arkiverad från originalet den 11 februari 2016. Hämtad 11 februari 2016.
14. ↑ Krauss, Lawrence . Finding Beauty in the Darkness , New York Times  (11 februari 2016). Arkiverad från originalet den 12 april 2019. Hämtad 11 februari 2016.
15. ↑ Abbott, B. P. . Observation av gravitationsvågor från en binär sammanslagning av svarta hål  (  11 februari 2016).
16. ↑ Fysiker har hittat en universell "klocka" i rymden: de är mer exakta än atomära // hightech.fm, 14 juli 2022
17. ↑ Sesana, A. . Systematisk undersökning av den förväntade gravitationsvågssignalen från supermassiva svarta håls binärer i pulsartidbandet (22 maj 2013), s. L1–L5.
18. ↑ ESA:s nya vision att studera det osynliga universum . ESA. Hämtad 29 november 2013. Arkiverad från originalet 14 oktober 2018. (obestämd)
19. ↑ Longair, Malcolm. Kosmiskt århundrade: en historia av astrofysik och kosmologi  (engelska) . - Cambridge University Press , 2012. - ISBN 1107669367 .
20. ↑ Bahcall, John N. Neutrino Astrophysics . - Omtryckt.. - Cambridge: Cambridge University Press , 1989. - ISBN 052137975X .
21. ↑ Bahcall, John Hur solen skiner . Nobelpriset (9 juni 2000). Hämtad 10 maj 2014. Arkiverad från originalet 20 april 2014. (obestämd)
22. ↑ 1 2 3 Grischuk L. P. Gravitationsvågastronomi // Einstein-samlingen 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - sid. 329-350
23. ↑ Nelemans, Gijs . Den galaktiska gravitationsvågens förgrund (7 maj 2009), s. 094030.
24. ↑ Stroer, A. LISA-verifieringsbinärerna (7 oktober 2006), s. S809–S817.
25. ↑ Abadie, J. Förutsägelser för hastigheten för kompakta binära koalescenser som kan observeras av markbaserade gravitationsvågsdetektorer (7 september 2010), s. 173001.
26. ↑ Mätning av mellanmassa-svarthålsbinärer med avancerade gravitationsvågdetektorer . Gravitationsfysikgruppen . University of Birmingham. Hämtad 28 november 2015. Arkiverad från originalet 6 september 2018. (obestämd)
27. ↑ Att observera de osynliga kollisionerna av svarta hål med mellanmassa . LIGO vetenskapligt samarbete . Hämtad 28 november 2015. Arkiverad från originalet 12 februari 2019. (obestämd)
28. ↑ Volonteri, Marta . Sammansättningen och sammanslagna historien om supermassiva svarta hål i hierarkiska modeller av galaxbildning (10 januari 2003), s. 559–573.
29. ↑ Sesana, A. . Den stokastiska gravitationsvågbakgrunden från massiva svarta håls binära system: implikationer för observationer med Pulsar Timing Arrays (11 oktober 2008), s. 192–209.
30. ↑ 12 Amaro -Seoane, Pau . Lågfrekvent gravitationsvågsvetenskap med eLISA/NGO (21 juni 2012), s. 124016.
31. ↑ Berry, C.P.L. Att observera galaxens massiva svarta hål med gravitationsvågutbrott (12 december 2012), s. 589–612.
32. ↑ Amaro-Seoane, Pau . Intermediära och extrema massförhållande inspiratörer – astrofysik, vetenskapliga tillämpningar och detektion med LISA (7 september 2007), s. R113–R169.
33. ↑ Gair, Jonathan . Testa allmän relativitet med lågfrekventa, rymdbaserade gravitationsvågsdetektorer (2013), s. 7.
34. ↑ Kotake, Kei . Explosionsmekanism, neutrinosbrott och gravitationsvåg i kärnkollapssupernovor (1 april 2006), s. 971–1143.
35. ↑ Abbott, B. . Sökningar efter periodiska gravitationsvågor från okända isolerade källor och Scorpius X-1: Results from the second LIGO science run (2007), s. 082001.
36. ↑ Söker efter de yngsta neutronstjärnorna i galaxen . LIGO vetenskapligt samarbete . Hämtad 28 november 2015. Arkiverad från originalet 12 februari 2019. (obestämd)
37. ↑ Binetruy, Pierre . Kosmologiska bakgrunder för gravitationsvågor och eLISA/NGO: fasövergångar, kosmiska strängar och andra källor (13 juni 2012), s. 027–027.
38. ↑ Damour, Thibault . Gravitationsstrålning från kosmiska (super)strängar: Bursts, stokastisk bakgrund och observationsfönster (2005), s. 063510.
39. ↑ Schutz, Bernard F. Nätverk av gravitationsvågsdetektorer och tre värdesiffror (21 juni 2011), s. 125023.
40. ↑ Hu, Wayne . A CMB polarization primer (1997), sid. 323-344.
41. ↑ Kamionkowski, Marc . Statistik över kosmisk mikrovågsbakgrundspolarisation (1997), s. 7368–7388.
42. ↑ Boris Stern , Valery Rubakov . Astrofysik. Trinity alternativ. - M., AST, 2020. - sid. 116-131
43. ↑ Looking for the Afterglow: The LIGO Perspective  (september 2015), s. 10. Arkiverad från originalet den 17 november 2015. Hämtad 28 november 2015.
44. ↑ PLANERAR FÖR EN LJUS I MORGON: UTSIKTER FÖR GRAVITATIONSVÅGASTRONOMI MED AVANCERAD LIGO OCH AVANCERAD JUNGUN . LIGO vetenskapligt samarbete . Hämtad 31 december 2015. Arkiverad från originalet 26 december 2018. (obestämd)
45. ↑ Cutler & Thorne, 2002 , sek. 2.
46. ↑ Cutler & Thorne, 2002 , sek. 3.
47. ↑ Se Seifert F., et al., 2006 , sec. 5.
48. ↑ Se Golm & Potsdam, 2013 , sec. fyra.

Litteratur

• Cutler, Curt; Thorne, Kip S. En översikt över gravitationsvågskällor // 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 , Max Planck Institute for Gravitational Physics , < http://www.einstein-online.info/elementary/gravWav > . Hämtad 24 januari 2013. 
• Seifert, F., Kwee, P., Heurs, M., Willke, B., & Danzmann, K. Laserkraftstabilisering för andra generationens gravitationsvågsdetektorer // Optikbokstäver. - 2006. - T. 31, nr 13. - S. 2000-2002. - doi : 10.1364/OL.31.002000 . — PMID 16770412 .

Länkar

• LIGO vetenskapligt  samarbete
• AstroGravS: Arkiv över astrofysiska  gravitationsvågskällor
• Video (4:36) - Detektion av en gravitationsvåg , Dennis Overby , New York Times (11 februari 2016)  (eng.)
• Video (71:29) - Presskonferens tillkännager upptäckt: "LIGO Detects Gravitational Waves" , National Science Foundation (11 februari 2016  )