Gravitációs hullám - Gravitational wave

Média lejátszása

Két fekete lyuk ütközésének szimulációja. Amellett, hogy mély gravitációs kutakat képeznek és egyetlen nagyobb fekete lyukba egyesülnek, a gravitációs hullámok kifelé terjednek, ahogy a fekete lyukak egymás mellett forognak.

Általános relativitáselmélet
${\ displaystyle G _ {\ mu \ nu}+\ Lambda g _ {\ mu \ nu} = {8 \ pi G \ over c^{4}} T _ {\ mu \ nu}}$
Bevezetés Történelem Matematikai megfogalmazás Tesztek
Alapfogalmak Az egyenértékűség elve Speciális relativitás Világvonal Ál-Riemann-elosztó
Jelenségek Kepler probléma Gravitációs lencse Gravitációs hullámok Kerethúzás Geodéziai hatás Eseményhorizont Szingularitás Fekete lyuk Téridő Téridő diagramok Minkowski téridő Einstein – Rosen híd
Egyenletek Formalizmusok Egyenletek Linearizált gravitáció Einstein mezegyenletek Friedmann Geodézia Mathisson – Papapetrou – Dixon Hamilton – Jacobi – Einstein Formalizmusok ADM BSSN Poszt-newtoni Fejlett elmélet Kaluza – Klein elmélet Kvantum gravitáció
Megoldások Schwarzschild ( belső tér ) Reissner – Nordström Gödel Kerr Kerr - Newman Kasner Lemaître – Tolman Taub-NUT Milne Robertson – Walker pp-hullám van Stockum por Weyl - Lewis - Papapetrou
Tudósok Einstein Lorentz Hilbert Poincaré Schwarzschild de Sitter Reissner Nordström Weyl Eddington Friedman Milne Zwicky Lemaître Gödel Wheeler Robertson Bardeen Járóka Kerr Chandrasekhar Ehlers Penrose Hawking Raychaudhuri Taylor Hulse van Stockum Taub Új ember Yau Thorne mások
Fizikai portál  Kategória
v t e

A gravitációs hullámok a téridő görbületének zavarai , amelyeket gyorsított tömegek generálnak, és amelyek hullámként terjednek kifelé a forrásuktól fénysebességgel . Őket által javasolt Henri Poincaré 1905-ben és azt követően jósolt 1916-ban az Albert Einstein alapján az általános relativitáselmélet . A gravitációs hullámok gravitációs sugárzásként szállítják az energiát , amely az elektromágneses sugárzáshoz hasonló sugárzó energia . A Newton -féle univerzális gravitációs törvény , amely a klasszikus mechanika része , nem rendelkezik ezek létezéséről, mivel ez a törvény azon a feltételezésen alapul, hogy a fizikai kölcsönhatások azonnal (végtelen sebességgel) terjednek - megmutatva a klasszikus fizika módszereinek egyik módját. magyarázza a relativitáshoz kapcsolódó jelenségeket.

A gravitációs hullámok létezésének első közvetett bizonyítéka a Hulse -Taylor bináris pulzár megfigyelt orbitális bomlása volt , amely megfelelt az általános relativitáselmélet által előre jelzett bomlásnak, mivel az energia elveszik a gravitációs sugárzás miatt. 1993 -ban Russell A. Hulse és Joseph Hooton Taylor Jr. fizikai Nobel -díjat kapott ezért a felfedezésért. A gravitációs hullámok első közvetlen megfigyelésére csak 2015 -ben került sor, amikor két fekete lyuk egyesülésével generált jelet fogadtak a LIGO gravitációs hullámérzékelők Livingstonban és Hanfordban. A 2017 -es fizikai Nobel -díjat ezt követően Rainer Weiss , Kip Thorne és Barry Barish ítélték oda a gravitációs hullámok közvetlen észlelésében játszott szerepükért.

A gravitációs hullám csillagászat , észrevételeket gravitációs hullámok használják következtetni adatokat a források gravitációs hullámok. Az így tanulmányozható források közé tartoznak a fehér törpékből , neutroncsillagokból és fekete lyukakból álló bináris csillagrendszerek ; és olyan események, mint a szupernóvák , és a korai univerzum kialakulása röviddel az ősrobbanás után .

Bevezetés

Az Einstein általános relativitáselmélete , a gravitáció kezeljük, mint jelenség következtében a görbület téridő . Ezt a görbületet a tömeg jelenléte okozza . Általában minél nagyobb tömeg van egy adott térfogatban, annál nagyobb lesz a téridő görbülete térfogata határán. Ahogy a tömegű tárgyak a téridőben mozognak, a görbület megváltozik, hogy tükrözze az objektumok megváltozott helyét. A bizonyos körülmények között , a gyorsuló tárgyak változásokat idéz e görbület, ami terjednek kifelé a fény sebessége a hullám-szerű módon. Ezeket a terjedő jelenségeket gravitációs hullámoknak nevezik.

Ahogy a gravitációs hullám elhalad egy megfigyelő mellett, ez a megfigyelő a téridőt a megterhelés hatásától eltorzítva találja meg . A tárgyak közötti távolság a hullám haladásával ritmikusan növekszik és csökken, a hullám frekvenciájával egyenlő frekvencián. Ennek a hatásnak a nagysága a forrástól fordított távolsággal arányosan csökken . Inspiraling bináris neutroncsillagok , előre láthatóan erős forrása gravitációs hullámok azok összeolvadnak, köszönhetően a nagyon nagy gyorsulás tömegek ahogy keringenek egymáshoz közel. Mindazonáltal az ezen forrásoktól való csillagászati ​​távolságok miatt a Földön mért hatások előrejelzések szerint nagyon kicsik lesznek, és a törzsek 10 ²⁰ -ból 1 résznél kisebbek . A tudósok egyre érzékenyebb detektorokkal bizonyították ezeknek a hullámoknak a létezését. A legérzékenyebb detektor úgy végezte el a feladatot, hogy az érzékenység mérése kb5 × 10 ²² (2012 -től ), amelyet a LIGO és a VIRGO megfigyelőközpont biztosít. Az ESA jelenleg fejleszt egy űr alapú megfigyelőközpontot, a lézeres interferométer űrantennát .

Lineárisan polarizált gravitációs hullám

A gravitációs hullámok áthatolhatnak a tér olyan területein, amelyeket az elektromágneses hullámok nem. Lehetővé teszik a fekete lyukak és esetleg más egzotikus tárgyak egyesülésének megfigyelését a távoli Univerzumban. Az ilyen rendszerek nem figyelhetők meg hagyományosabb eszközökkel, például optikai távcsövekkel vagy rádióteleszkópokkal , és így a gravitációs hullámok csillagászatai új betekintést adnak az Univerzum működésébe. Különösen a gravitációs hullámok lehetnek érdekesek a kozmológusok számára, mivel egy lehetséges módot kínálnak a korai világegyetem megfigyelésére. Ez a hagyományos csillagászatnál nem lehetséges, mivel a rekombináció előtt az Univerzum átlátszatlan volt az elektromágneses sugárzással szemben. A gravitációs hullámok pontos mérése lehetővé teszi a tudósok számára, hogy alaposabban teszteljék az általános relativitáselméletet.

Elvileg a gravitációs hullámok bármilyen frekvencián létezhetnek. A nagyon alacsony frekvenciájú hullámokat azonban lehetetlen észlelni, és nincs hiteles forrás a nagyon nagy frekvenciájú észlelhető hullámokra sem. Stephen Hawking és Werner Israel felsorolja a gravitációs hullámok különböző frekvenciasávjait, amelyek hihetően észlelhetők, ^10-7 Hz és 10 ¹¹ Hz között.

A gravitáció sebessége

A gravitációs hullámok sebessége az általános relativitáselméletben megegyezik a fény sebességével vákuumban, kb. [3] A speciális relativitáselméleten belül a c állandó nem csak a fényről szól; ehelyett ez a lehető legnagyobb sebesség bármilyen interakcióra a természetben. Formálisan a c konverziós tényező az időegység térbeli egységgé változtatására. [4] Ez az egyetlen sebesség, amely nem függ sem a megfigyelő mozgásától, sem a fényforrástól és / vagy a gravitációtól. Így a "fény" sebessége a gravitációs hullámok sebessége is, és ezenkívül bármely tömeges részecske sebessége. Ilyen részecskék közé tartozik a gluon (az erős erő hordozója), a fényt alkotó fotonok (tehát az elektromágneses erő hordozója) és a feltételezett gravitonok (amelyek a gravitációhoz kapcsolódó feltételezett mezőrészecskék; azonban a graviton megértése, ha létezik ilyen, megköveteli a kvantumgravitáció egyelőre nem elérhető elméletét).

2017 októberében a LIGO és a Virgo detektorok 2 másodpercen belül gravitációs hullám jeleket kaptak, miután a gamma -sugárzású műholdak és az optikai távcsövek azonos irányú jeleket láttak. Ez megerősítette, hogy a gravitációs hullámok sebessége megegyezik a fény sebességével.

Történelem

Feltételezések szerint az ősgravitációs hullámok a kozmikus inflációból erednek , ami a fénynél gyorsabb expanzió, közvetlenül az ősrobbanás (2014) után.

A gravitációs hullámok lehetőségéről 1893-ban tárgyalt Oliver Heaviside , a gravitáció és az elektromosság fordított négyzete közötti analógia segítségével. 1905 -ben Henri Poincaré a Lorentz -transzformációk által megkövetelt, testből származó és fénysebességgel terjedő gravitációs hullámokat javasolt, és azt javasolta, hogy az elektromágneses hullámokat termelő gyorsuló elektromos töltés analógiája szerint a relativisztikus mezőelméletben felgyorsítsák a tömegeket. A gravitáció gravitációs hullámokat kell, hogy produkáljon. Amikor Einstein 1915 -ben közzétette általános relativitáselméletét , szkeptikus volt Poincaré elképzelésével szemben, mivel az elmélet azt sugallta, hogy nincsenek "gravitációs dipólusok". Ennek ellenére továbbra is folytatta az ötletet, és különböző közelítések alapján arra a következtetésre jutott, hogy valójában háromféle gravitációs hullámnak kell léteznie ( Hermann Weyl hosszanti – hosszanti, keresztirányú – hosszanti és keresztirányú – keresztirányú ).

Einstein közelítéseinek jellege azonban sokakat (köztük magát Einsteint is) kétségbe vonta az eredményben. 1922 -ben Arthur Eddington kimutatta, hogy Einstein két hullámtípusa az általa használt koordináta -rendszer műtermékei, és tetszőleges sebességgel terjedhetnek a megfelelő koordináták kiválasztásával, ami Eddingtonot azzal tréfálja, hogy "gondolatsebességgel terjednek" . Ez megkérdőjelezte a harmadik (keresztirányú -keresztirányú) típus fizikusságát is, amelyet Eddington kimutatott, hogy a fénysebességgel terjednek, függetlenül a koordináta -rendszertől. 1936 -ban Einstein és Nathan Rosen benyújtottak egy dokumentumot a Physical Review -nak , amelyben azt állították, hogy a gravitációs hullámok nem létezhetnek a teljes általános relativitáselméletben, mert a mezegyenletek bármely ilyen megoldása szingularitást mutat. A folyóirat elküldte kéziratát Howard P. Robertson felülvizsgálatára , aki névtelenül arról számolt be, hogy a szóban forgó szingularitások egyszerűen az alkalmazott hengeres koordináták ártalmatlan koordináta -szingularitásai. Einstein, aki nem ismerte a szakértői értékelés fogalmát, dühösen visszavonta a kéziratot, soha többé nem tette közzé a Physical Review -ban . Ennek ellenére asszisztense, Leopold Infeld , aki kapcsolatban állt Robertsonnal, meggyőzte Einsteint, hogy a kritika helytálló, és a lapot az ellenkező következtetéssel írták át, és máshol tették közzé. Felix Pirani 1956 -ban orvosolta a különböző koordináta -rendszerek használata által okozott zavart a gravitációs hullámok átfogalmazásával a nyilvánvalóan megfigyelhető Riemann -görbületi tenzor szerint .

Abban az időben Pirani munkáját többnyire figyelmen kívül hagyták, mert a közösség egy másik kérdésre összpontosított: vajon a gravitációs hullámok képesek -e energiát továbbítani . Ezt a kérdést egy gondolatkísérlet rendezte, amelyet Richard Feynman javasolt az első "GR" konferencián, a Chapel Hillben 1957 -ben. Röviden, a " ragacsos gyöngy érv " néven ismert érve megjegyzi, hogy ha valaki gyöngyökkel ellátott rudat vesz, akkor a hatás az elhaladó gravitációs hullám a gyöngyök mozgatását a rúd mentén; a súrlódás hőt termel, ami azt jelenti, hogy az elhaladó hullám végzett munkát . Nem sokkal később Hermann Bondi , a gravitációs hullámok egykori szkeptikusa közzétette a "ragacsos gyöngy érvelés" részletes változatát.

A Chapel Hill konferencia után Joseph Weber elkezdte tervezni és építeni az első gravitációs hullámérzékelőket, amelyeket ma Weber rudaknak neveznek . 1969 -ben Weber azt állította, hogy észlelte az első gravitációs hullámokat, és 1970 -re rendszeresen "észleli" a Galaktikus Központból érkező jeleket ; azonban az észlelés gyakorisága hamarosan kétségeket ébresztett megfigyelései helytállóságában, mivel a Tejút energiaveszteségének implikált mértéke levezeti az energiagalaxisunkat a következtetett koránál jóval rövidebb időtartamon belül. Ezek a kétségek megerősödtek, amikor a hetvenes évek közepére más csoportok saját Weber-bárokat építő kísérletei szerte a világon nem találtak jelzéseket, és a hetvenes évek végére az általános konszenzus az volt, hogy Weber eredményei hamisak.

Ugyanebben az időszakban fedezték fel az első közvetett bizonyítékot a gravitációs hullámokra. 1974 -ben Russell Alan Hulse és Joseph Hooton Taylor, Jr. felfedezték az első bináris pulzárt , amellyel megszerezték nekik az 1993 -as fizikai Nobel -díjat . A következő évtizedben a pulzus időzítéssel végzett megfigyelések azt mutatták, hogy a Hulse – Taylor pulzus keringési periódusa fokozatosan romlik, ami megegyezik az általános relativitáselmélet által előre jelzett gravitációs sugárzás energiaveszteségével és szögimpulzusával.

Ez a közvetett gravitációs hullámok észlelése további kutatásokat indított el Weber hiteltelen eredménye ellenére. Egyes csoportok tovább fejlesztették Weber eredeti koncepcióját, míg mások a gravitációs hullámok észlelését folytatták lézeres interferométerek segítségével. Úgy tűnik, hogy a lézeres interferométer alkalmazásának ötletét különböző emberek, köztük ME Gertsenshtein és VI Pustovoit 1962 -ben, valamint Vladimir B. Braginskiĭ 1966 -ban egymástól függetlenül lebegtették. Az első prototípusokat az 1970 -es években fejlesztette ki Robert L. Forward és Rainer Weiss. Az ezt követő évtizedekben egyre érzékenyebb műszereket gyártottak, amelyek a GEO600 , a LIGO és a Virgo megépítésével zárultak .

Évek óta nulla eredményeket produkálva 2015-ben működésbe léptek a továbbfejlesztett érzékelők. 2016. február 11-én a LIGO-Virgo együttműködés bejelentette a gravitációs hullámok első megfigyelését , egy szeptember 14-én 09: 50: 45-kor észlelt jelből ( GW150914 ). 2015 két fekete lyuk 29 és 36 naptömegű tömege egyesül körülbelül 1,3 milliárd fényévre. Az egyesülés másodpercének utolsó töredéke alatt a megfigyelhető világegyetem összes csillaga erejének több mint 50 -szeresét adta ki . A jel frekvenciája 35 ciklusról 250 Hz -re nőtt 10 ciklus (5 keringés) alatt, miközben az erőssége 0,2 másodpercig nőtt. Az új egyesült fekete lyuk tömege 62 naptömeg volt. Három naptömegnek megfelelő energiát gravitációs hullámként bocsátottak ki. A jelet mindkét LIGO detektor látta Livingstonban és Hanfordban, a két érzékelő és a forrás közötti szög miatt 7 ezredmásodperces időkülönbséggel. A jel a déli égi féltekéről érkezett , a Magellán -felhők durva irányába (de sokkal távolabb) . Ennek a gravitációs hullámok megfigyelésének megbízhatósági szintje 99,99994%volt.

Egy évvel korábban a BICEP2 azt állította, hogy észlelték a gravitációs hullámok lenyomatát a kozmikus mikrohullámú háttérben . Később azonban kénytelenek voltak visszavonni ezt az eredményt.

2017 -ben a fizikai Nobel -díjat Rainer Weiss , Kip Thorne és Barry Barish kapta a gravitációs hullámok észlelésében játszott szerepükért.

Az elmúlás hatásai

A plusz polarizált gravitációs hullám hatása a részecskék gyűrűjére

Keresztpolarizált gravitációs hullám hatása a részecskék gyűrűjére

A gravitációs hullámok folyamatosan elhaladnak a Föld felett ; azonban még a legerősebbeknek is csekély a hatása, és forrásaik általában nagy távolságra vannak. Például a GW150914 kataklizmás végső egyesülése által kibocsátott hullámok több mint egymilliárd fényév megtétele után jutottak el a Földre , mint a téridő hullámzása, amely egy 4 km-es LIGO kar hosszát a proton szélességének ezredével változtatta meg , arányosan megegyezik azzal, hogy egy hajszélességgel megváltoztatjuk a Naprendszeren kívüli legközelebbi csillag távolságát . Ez az apró hatás még a szélsőséges gravitációs hullámoktól is csak a legfejlettebb detektorokkal teszi megfigyelhetővé a Földön.

Az elhaladó gravitációs hullám hatásait rendkívül eltúlzott formában úgy lehet vizualizálni, hogy a téridő tökéletesen lapos régióját úgy képzeljük el, hogy egy mozdulatlan vizsgálati részecske egy síkban fekszik, például egy számítógép képernyőjén. Ahogy a gravitációs hullám áthalad a részecskéken a részecskék síkjára merőleges vonal mentén, azaz követi a megfigyelő látómezőjét a képernyőbe, a részecskék a téridőben fogják követni a torzulást, " kereszt alakban " oszcillálva , ahogy az az animációk. A vizsgált részecskék által bezárt terület nem változik, és nincs mozgás a terjedési irány mentén.

Az animációban ábrázolt oszcillációk vitatás céljából eltúlzottak - a valóságban a gravitációs hullámnak nagyon kicsi az amplitúdója (a linearizált gravitációban megfogalmazva ). Azonban segítenek szemléltetni a gravitációs hullámokhoz kapcsolódó rezgéseket, amelyeket egy körpályán elhelyezkedő tömegpár hoz létre . Ebben az esetben a gravitációs hullám amplitúdója állandó, de polarizációs síkja keringési sebességének kétszeresével változik vagy forog, így az időben változó gravitációs hullámméret, vagy „periodikus téridő-törzs” az animációban látható eltérést mutat . Ha a tömegek pályája elliptikus, akkor a gravitációs hullám amplitúdója is változik az idő múlásával Einstein kvadrupólképletének megfelelően .

A többi hullámhoz hasonlóan számos jellemzőt használnak a gravitációs hullámok leírására:

• Amplitúdó: Általában h , ez a hullám mérete - a nyújtás vagy a szorítás töredéke az animációban. Az itt látható amplitúdó nagyjából h = 0,5 (vagy 50%). A Földön áthaladó gravitációs hullámok ennél sokszor milliárdszor gyengébbek - h  ≈ 10 ⁻²⁰ .
• Frekvencia : Általában f , ez a frekvencia, amellyel a hullám oszcillál (1 osztva a két egymást követő maximális nyújtás vagy szorítás közötti idővel)
• Hullámhossz : Általában λ , ez a távolság a hullám mentén a maximális nyújtási vagy szorítási pontok között.
• Sebesség : Ez az a sebesség, amellyel a hullám egy pontja (például maximális nyújtási vagy szorítási pont) halad. Kis amplitúdójú gravitációs hullámok esetén ez a hullámsebesség egyenlő a fény sebességével ( c ).

A gravitációs hullám sebességét, hullámhosszát és frekvenciáját a c = λ f egyenlet kapcsolja össze , akárcsak egy fényhullám egyenletét . Például az itt látható animációk nagyjából két másodpercenként oszcillálnak. Ez 0,5 Hz frekvenciának és körülbelül 600 000 km hullámhossznak felelne meg, vagyis a Föld átmérőjének 47 -szerese.

A fenti példában feltételezzük, hogy a hullám lineárisan polarizált "plusz" polarizációval, h ₊ írással . A gravitációs hullám polarizációja ugyanolyan, mint egy fényhullám polarizációja, azzal a különbséggel, hogy a gravitációs hullám polarizációi 45 fokos távolságban vannak, szemben a 90 fokkal. Különösen egy "kereszt" -polarizált gravitációs hullámban, h _× , a vizsgálati részecskékre gyakorolt ​​hatás alapvetően ugyanaz lenne, de 45 fokkal elforgatva, amint azt a második animáció is mutatja. A fénypolarizációhoz hasonlóan a gravitációs hullámok polarizációi is körkörösen polarizált hullámokban fejezhetők ki . A gravitációs hullámok forrásuk jellege miatt polarizáltak.

Források

A gravitációs hullám spektruma forrásokkal és detektorokkal. Köszönetnyilvánítás: NASA Goddard Űrrepülési Központ

Általánosságban elmondható, hogy a gravitációs hullámok által sugárzott tárgyakat, amelyek mozgás során a gyorsulás és annak változása, feltéve, hogy a mozgás nem tökéletesen gömb szimmetrikus (például egy táguló, vagy a szerződő gömb), vagy forgásszimmetrikus (mint egy forgótárcsás vagy gömb). Ennek az elvnek az egyszerű példája a forgó súlyzó . Ha a súlyzó a szimmetriatengelye körül forog, akkor nem fog gravitációs hullámokat sugározni; ha bukdácsolás vége -vége, mint két egymás körül keringő bolygó esetében, akkor gravitációs hullámokat fog sugározni. Minél nehezebb a súlyzó, és minél gyorsabban bukik, annál nagyobb a gravitációs sugárzás. Egy szélsőséges esetben, például amikor a súlyzó két súlya olyan hatalmas csillag, mint a neutroncsillag vagy a fekete lyuk, és gyorsan kering egymás körül, akkor jelentős mennyiségű gravitációs sugárzást bocsátanak ki.

Néhány részletesebb példa:

• Két egymás körül keringő objektum sugározni fog , mint egy bolygó a Nap körül .
• Egy forgó, nem tengelyszimmetrikus planetoid-mondjuk nagy dudorral vagy gödröccsel az Egyenlítőn- sugározni fog .
• A szupernóva lesz sugároznak, kivéve abban a valószínűtlen esetben, ha a robbanás tökéletesen szimmetrikus.
• Egy állandó sebességgel mozgó, elszigetelt, nem forgó szilárd tárgy nem sugároz. Ez a lineáris lendület megőrzésének elvének következményének tekinthető .
• A forgó korong nem sugároz. Ez a szögimpulzus megőrzésének elvének következményének tekinthető . Azonban ez lesz megmutatni gravitomagnetic hatásokat.
• A gömb alakúan lüktető gömbcsillag (nem nulla monopólusos nyomaték vagy tömeg , de nulla négypólusos momentum) nem fog sugározni, összhangban Birkhoff tételével .

További technikailag, a második idő szerinti deriváltja a kvadrupol pillanat (vagy a L -edik ideje származékot L -edik multipól pillanatában ) egy izolált rendszer stressz-energia tenzor kell lennie nem nulla, annak érdekében, hogy bocsátanak ki gravitációs sugárzás. Ez analóg az elektromágneses sugárzás kibocsátásához szükséges változó dipólus töltési vagy árammomentummal .

Bináris fájlok

Két különböző tömegű csillag körpályán van . Mindegyik közös tömegközéppontjuk körül kering (a kis piros kereszt jelöli) egy körben, a nagyobb tömegű, kisebb pályájú.

Két hasonló tömegű csillag körpályán kering a tömegközéppontjuk körül

Két hasonló tömegű csillag súlypontja körül erősen elliptikus pályán

A gravitációs hullámok elviszik az energiát a forrásaiktól, és a keringő testek esetében ez spirálon belüli vagy keringési pálya csökkenéssel jár. Képzeljünk el például egy egyszerű, két tömegből álló rendszert - például a Föld – Nap rendszert -, amely lassan halad a körpályákon lévő fénysebességhez képest. Tegyük fel, hogy ez a két tömeg körkörös pályán kering egymás körül az x - y síkban. Ahhoz, hogy jó közelítéssel, a tömegek követik egyszerű Kepler kering . Egy ilyen pálya azonban változó négypólusú pillanatot jelent . Vagyis a rendszer gravitációs hullámokat bocsát ki.

Elméletileg a gravitációs sugárzás miatti energiaveszteség végül a Földet a Napba ejtheti . A Nap körül keringő Föld teljes energiája ( kinetikus energia + gravitációs potenciális energia ) azonban körülbelül 1,14 × 10 ³⁶ joule , amelyből csak 200 watt (joule másodpercenként) veszít a gravitációs sugárzás hatására, ami a pálya csökkenéséhez vezet . körülbelül 1 × 10 ^{- 15} méter naponta vagy nagyjából egy proton átmérője . Ennél az ütemnél a Földnek körülbelül 3 × 10 ¹³ -szor többre lenne szüksége, mint a Világegyetem jelenlegi korának, hogy a Napra spirálozzon. Ez a becslés néz a csökkenése R idővel, de a sugár változik csak lassan a legtöbb időt, és elmerül a későbbi stádiumokban, mint a kezdeti sugár és a szükséges teljes időt, hogy teljes mértékben coalesce. ${\ displaystyle r (t) = r_ {0} \ left (1-{\ frac {t} {t _ {\ text {coalesce}}}} \ right)^{1/4},}$${\ displaystyle r_ {0}}$${\ displaystyle t _ {\ text {coalesce}}}$

Általánosságban elmondható, hogy az orbitális bomlás mértéke közelíthető

${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} r} {\ mathrm {d} t}} =-{\ frac {64} {5}} \, {\ frac {G^{3}} {c^ {5}}} \, {\ frac {(m_ {1} m_ {2}) (m_ {1}+m_ {2})} {r^{3}}} \,}$

ahol r a testek közötti elválasztás, t idő, G a gravitációs állandó , c a fénysebesség , és m ₁ és m ₂ a testek tömege. Ez az egyesülés várható idejéhez vezet

${\ displaystyle t = {\ frac {5} {256}} \, {\ frac {c^{5}} {G^{3}}} \, {\ frac {r^{4}} {(m_ {1} m_ {2}) (m_ {1}+m_ {2})}}.}}$

Kompakt bináris fájlok

A kompakt csillagok, például a fehér törpék és a neutroncsillagok a bináris fájlok alkotóelemei lehetnek. Például egy pár naptömegű neutroncsillag páros, körkörös pályán, 1,89 × 10 ⁸ m (189 000 km) távolságra, keringési ideje 1000 másodperc, várható élettartama 1,30 × 10 ¹³ másodperc vagy körülbelül 414 000 év. Egy ilyen rendszert a LISA megfigyelhetne, ha nem lenne túl messze. Sokkal nagyobb számú fehér törpe bináris állomány létezik keringési periódusokkal ebben a tartományban. A fehér törpe binárisok tömege a Nap nagyságrendje , átmérője pedig a Föld nagyságrendje. Nem tudnak közelebb kerülni egymáshoz, mint 10 000 km, mielőtt összeolvadnak és felrobbannak egy szupernóvában, ami szintén véget vet a gravitációs hullámok kibocsátásának. Addig gravitációs sugárzásuk összehasonlítható lenne egy neutroncsillag bináriséval.

A művész benyomása az egyesülő neutroncsillagokról, a gravitációs hullámok forrásáról

Amikor egy neutroncsillag bináris pályája 1.89 × 10 ⁶ m -re (1890 km) csökkent, annak hátralévő élettartama körülbelül 130 000 másodperc vagy 36 óra. A pálya gyakorisága az induláskor 1 keringéstől másodpercenként 918 keringésig terjedhet, amikor a pálya az egyesüléskor 20 km -re zsugorodott. A kibocsátott gravitációs sugárzás nagy része a pálya frekvenciájának kétszerese lesz. Közvetlenül az egyesülés előtt a LIGO megfigyelhette az inspirációt, ha egy ilyen bináris elég közel van. A LIGO -nak mindössze néhány perce van arra, hogy megfigyelje ezt az egyesülést a teljes pálya élettartama alatt, amely több milliárd év lehetett. 2017 augusztusában a LIGO és a Szűz megfigyelte az első bináris neutroncsillag -inspirációt a GW170817 -ben , és 70 megfigyelőközpont együttműködött az elektromágneses megfelelő, kilonova észlelésében az NGC 4993 galaxisban , 40 megaparsecs távolságra, rövid gamma -sugárzást ( GRB 170817A ) másodpercben az egyesülés után, majd egy hosszabb optikai tranziens ( AT 2017gfo ), amelyet r-process magok táplálnak . A fejlett LIGO érzékelőnek képesnek kell lennie észlelni az ilyen eseményeket akár 200 megaparsecs távolságra. Ezen a tartományon belül évente 40 esemény várható.

Fekete lyukú bináris fájlok

A fekete lyukú binárisok gravitációs hullámokat bocsátanak ki spirálon belüli, egyesülési és lecsengési fázisuk során . A kibocsátás legnagyobb amplitúdója az egyesülési fázisban következik be, ami a numerikus relativitástechnikával modellezhető. A gravitációs hullámok első közvetlen észlelése, a GW150914 két fekete lyuk egyesüléséből származott.

Szupernóva

A szupernóva egy átmeneti csillagászati ​​esemény , amely egy hatalmas csillag életének utolsó csillagfejlődési szakaszában következik be, amelynek drámai és katasztrofális pusztulását egy utolsó titáni robbanás jelzi. Ez a robbanás sokféleképpen történhet, de mindegyikben a csillagban lévő anyag jelentős részét rendkívül nagy sebességgel (a fénysebesség 10% -áig) fújják a környező térbe. Hacsak nincs tökéletes gömbszimmetria ezekben a robbanásokban (azaz, ha az anyag nem egyenletesen szóródik ki minden irányba), a robbanásból gravitációs sugárzás lesz. Ennek oka az, hogy a gravitációs hullámokat a változó négypólusú momentum generálja , ami csak akkor fordulhat elő, ha tömegek aszimmetrikus mozgása történik. Mivel a szupernóvák pontos mechanizmusa nem teljesen ismert, nem könnyű modellezni az általuk kibocsátott gravitációs sugárzást.

Forgó neutroncsillagok

Amint fentebb említettük, a tömegeloszlás csak akkor bocsát ki gravitációs sugárzást, ha a tömegek között gömb alakú aszimmetrikus mozgás van. A forgó neutroncsillagok általában nem bocsátanak ki gravitációs sugárzást, mivel a neutroncsillagok nagyon sűrű tárgyak, erős gravitációs mezővel, amely szinte tökéletesen gömb alakú marad. Bizonyos esetekben azonban előfordulhatnak enyhe deformitások a felszínen, amelyet "hegyeknek" neveznek, amelyek a felszín felett legfeljebb 10 centiméterre (4 hüvelykre) kiterjedő dudorok, amelyek gömb alakú aszimmetriát eredményeznek. Ez egy négypólusos pillanatot ad a csillagnak, amely idővel változik, és gravitációs hullámokat bocsát ki mindaddig, amíg a deformációk el nem simulnak.

Infláció

Az Univerzum számos modellje azt sugallja, hogy az Univerzum korai történetében volt egy inflációs korszak, amikor az űr nagy tényezővel bővült nagyon rövid idő alatt. Ha ez a bővítés nem szimmetrikus minden irányban, akkor lehet, hogy a kibocsátott gravitációs sugárzás detektálható ma a gravitációs hullám háttér . Ez a háttérjel túl gyenge ahhoz, hogy bármely jelenleg működő gravitációs hullámérzékelő megfigyelhesse, és úgy gondolják, hogy évtizedek telhetnek el, amíg ilyen megfigyelést lehet végezni.

Tulajdonságok és viselkedés

Energia, lendület és szögimpulzus

A vízhullámok, a hanghullámok és az elektromágneses hullámok képesek energiát , lendületet és szögimpulzust hordozni , és ezáltal elviszik azokat a forrástól. A gravitációs hullámok ugyanazt a funkciót látják el. Így például egy bináris rendszer elveszíti a szögimpulzusát, amikor a két keringő tárgy egymás felé spirálozik - a szögmomentumot gravitációs hullámok sugározzák el.

A hullámok lineáris lendületet is hordozhatnak, ami érdekes hatással lehet az asztrofizikára . Két szupermasszív fekete lyuk összeolvadása után a lineáris impulzus kibocsátása 4000 km/s amplitúdójú "rúgást" eredményezhet. Ez elég gyors ahhoz, hogy az összeolvadt fekete lyukat teljesen ki lehessen juttatni a galaxisából. Még akkor is, ha a rúgás túl kicsi ahhoz, hogy teljesen kilökje a fekete lyukat, ideiglenesen eltávolíthatja azt a galaxis magjából, majd a középpont körül ingadozik, végül megpihen. A felrúgott fekete lyuk csillaghalmazot is hordozhat magával, ami hiperkompakt csillagrendszert alkot . Vagy hordozhat gázt, lehetővé téve a visszacsapódó fekete lyuk ideiglenes megjelenését " meztelen kvazárként ". A kvazár SDSS J092712.65 + 294.344,0 gondolják, hogy tartalmazzon egy visszapattanás szupermasszív fekete lyuk.

Vörös váltás

Az elektromágneses hullámokhoz hasonlóan a gravitációs hullámoknak is a hullámhossz és a frekvencia eltolódását kell mutatniuk a forrás és a megfigyelő relatív sebessége ( Doppler -effektus ), de a téridő torzulása , például a kozmikus tágulás miatt is . Ez akkor is így van, ha a gravitáció maga a téridő torzulásának oka. Redshifting a gravitációs hullámok eltér redshifting miatt gravitáció ( gravitációs vöröseltolódás ).

Kvantum gravitáció, hullám-részecske aspektusok és graviton

Ennek keretében kvantumtérelméleti , a graviton a neve, hogy egy feltételezett elemi részecske feltételezték, hogy az erő hordozó , amely közvetíti a gravitáció . A graviton azonban még nem bizonyított, hogy létezik, és még nincs olyan tudományos modell , amely sikeresen összeegyeztetné a gravitációt leíró általános relativitást , és a standard modell , amely leírja az összes többi alapvető erőt . Kísérletek, például kvantumgravitáció , történtek, de még nem fogadták el.

Ha létezik ilyen részecske, akkor tömegesnek kell lennie (mivel a gravitációs erő határtalannak tűnik), és spin -2 bozonnak kell lennie . Kimutatható, hogy bármely tömeges spin-2 mező olyan erőt eredményezne, amely megkülönböztethetetlen a gravitációtól, mivel a tömeges spin-2 mezőnek ugyanúgy kell kapcsolódnia (kölcsönhatásba lépnie) a feszültség-energia tenzorral, mint a gravitációs mező; ezért ha valaha felfedeznének egy tömeges spin-2 részecskét, akkor valószínűleg a graviton lenne, anélkül, hogy további megkülönböztetést kellene tenni a többi tömeges spin-2 részecskéből. Egy ilyen felfedezés egyesítené a kvantumelméletet a gravitációval.

Jelentősége a korai univerzum tanulmányozásában

A gravitáció és az anyag kapcsolatának gyengesége miatt a gravitációs hullámok nagyon csekély abszorpciót vagy szóródást tapasztalnak, még akkor is, ha csillagászati ​​távolságokat tesznek meg. Különösen a gravitációs hullámokra várhatóan nem lesz hatással a korai univerzum homályossága. Ezekben a korai szakaszokban az űr még nem vált "átlátszóvá", ezért a fényen, rádióhullámokon és más elektromágneses sugárzásokon alapuló megfigyelések korlátozottak vagy nem érhetők el. Ezért a gravitációs hullámok elvileg elvárják, hogy rengeteg megfigyelési adatot biztosítsanak a korai univerzumról.

A menetirány meghatározása

A gravitációs hullámok közvetlen észlelésének nehézsége azt jelenti, hogy egyetlen detektor számára is nehéz azonosítani a forrás irányát. Ezért több érzékelőt használnak, mind a jelek megkülönböztetésére a többi "zajtól" annak megerősítésével, hogy a jel nem földi eredetű, hanem az irány meghatározására is háromszögeléssel . Ez a technika azt a tényt használja, hogy a hullámok fénysebességgel haladnak, és a forrásirányuktól függően különböző időpontokban érik el a különböző érzékelőket. Bár az érkezési idő különbségei csak néhány ezredmásodpercet jelenthetnek , ez elegendő a hullám keletkezésének irányának jelentős pontossággal történő azonosításához.

Csak a GW170814 esetében három érzékelő működött az esemény idején, ezért az irány pontosan meghatározott. A mindhárom műszer által végzett észlelés nagyon pontos becslést eredményezett a forrás helyzetéről, 90% -os hiteles tartománya mindössze 60 ° ^{2 volt} , ami 20 -szor pontosabb, mint korábban.

Gravitációs hullám csillagászat

Két gravitációs hullám kétdimenziós ábrázolása, amelyeket két, egymás körül keringő neutroncsillag generál .

Az elmúlt évszázadban a csillagászat forradalmasította az univerzum megfigyelésének új módszereit. A csillagászati ​​megfigyeléseket kezdetben látható fény segítségével végezték . Galileo Galilei úttörő szerepet játszott a távcsövek használatában ezeknek a megfigyeléseknek a javítására. A látható fény azonban csak egy kis része az elektromágneses spektrumnak , és a távoli univerzumban nem minden tárgy ragyog erősen ebben a bizonyos sávban. További információ található például a rádióhullámokról. Segítségével rádiótávcsöveket csillagászok felfedezték pulzárok és kvazárok , például. Megfigyelések a mikrohullámú sávban vezetett kimutatására halvány lenyomatai a Big Bang , a felfedezés Stephen Hawking úgynevezett „legnagyobb felfedezés a század, ha nem minden alkalommal.” A gamma- , röntgen- , ultraibolya- és infravörös fényt használó megfigyelések hasonló előrelépései új betekintést is hoztak a csillagászatba. Ahogy a spektrum ezen régiói mindegyike megnyílt, új felfedezések születtek, amelyeket másképp nem lehetett volna elérni. A csillagász közösség reméli, hogy ugyanez igaz a gravitációs hullámokra is.

A gravitációs hullámoknak két fontos és egyedi tulajdonsága van. Először is, nincs szükség semmilyen anyag jelenlétére a közelben ahhoz, hogy a hullámokat egy töltetlen fekete lyukak bináris rendszere generálja, amely nem bocsát ki elektromágneses sugárzást. Másodszor, a gravitációs hullámok minden közbülső anyagon áthaladhatnak anélkül, hogy jelentősen szóródnának. Míg a távoli csillagok fényét például csillagközi por elzárhatja , a gravitációs hullámok lényegében akadálytalanul haladnak át. Ez a két tulajdonság lehetővé teszi, hogy a gravitációs hullámok információt hordozzanak az emberek által eddig nem észlelt csillagászati ​​jelenségekről.

A források gravitációs hullámok fent ismertetett a kisfrekvenciájú vége a gravitációs-hullám-spektrum (10 ^-7 10 ⁵ Hz). Egy asztrofizikai forrás a gravitációs hullám spektrumának nagyfrekvenciás végén (10 ⁵ Hz és valószínűleg 10 ¹⁰ Hz felett) ereklyei gravitációs hullámokat generál, amelyek elmélete szerint az ősrobbanás halvány lenyomatai, mint a kozmikus mikrohullámú háttér. Ezeken a magas frekvenciákon potenciálisan lehetséges, hogy a források "ember alkotta" eredetűek lehetnek, azaz gravitációs hullámok keletkeznek és észlelhetők a laboratóriumban.

A Hubble űrtávcső által észlelt két egyesülő galaxis közepén lévő fekete lyukak összeolvadásából létrejött szupermasszív fekete lyuk elmélete szerint gravitációs hullámok bocsátották ki az egyesülési központból.

Érzékelés

Most a BICEP2 rádióteleszkóp talált cáfolt bizonyítékokat, amelyek állítólag gravitációs hullámokat mutatnak a csecsemő univerzumban . Itt látható a BICEP2 detektor fókuszsíkjának mikroszkópos vizsgálata . 2015 januárjában azonban megerősítették, hogy a BICEP2 megállapításai kozmikus por eredményei .

Közvetett észlelés

Bár a Föld – Nap rendszer hullámai csekélyek, a csillagászok más forrásokra is rámutathatnak, amelyek esetében a sugárzásnak jelentősnek kell lennie. Az egyik fontos példa a Hulse – Taylor bináris  - pár csillag, amelyek közül az egyik egy pulzár . A jellemzői a pályán lehet levezetni a Doppler eltolódás rádiójelek által leadott pulzár. Mindegyik csillag körülbelül 1,4  M _☉ , pályájuk mérete pedig a Föld – Nap körpályájának mintegy 1/75 része , mindössze néhányszor nagyobb, mint saját Napunk átmérője. A nagyobb tömegek és a kisebb elválasztás kombinációja azt jelenti, hogy a Hulse – Taylor bináris energiája sokkal nagyobb lesz, mint a Föld – Nap rendszer által kibocsátott energia - nagyjából 10 ²² -szer annyi.

A pályára vonatkozó információ felhasználható annak megjósolására, hogy mennyi energiát (és szögmomentumot) sugározna gravitációs hullámok formájában. Ahogy a bináris rendszer energiát veszít, a csillagok fokozatosan közelebb kerülnek egymáshoz, és a keringési periódus csökken. Minden csillag eredő pályája inspiráló, csökkenő sugarú spirál. Az általános relativitáselmélet pontosan leírja ezeket a pályákat; különösen a gravitációs hullámokban kisugárzott energia határozza meg a periódus csökkenésének ütemét, amelyet az egymást követő periasztronok (a két csillag legközelebbi megközelítési pontjai) közötti időintervallumként határoznak meg. A Hulse – Taylor pulzus esetében a sugár előrejelzett áramváltozása körülbelül 3 mm pályánként, és a 7,75 órás periódus változása évente körülbelül 2 másodperc. Egy előzetes megfigyelést követően, amely a gravitációs hullámoknak megfelelő pálya energiaveszteséget mutatott, Taylor és Joel Weisberg gondos időzítési megfigyelései drámaian megerősítették az előrejelzett időszak csökkenését 10%-on belül. A pulzár felfedezése óta több mint 30 éves időzítési adatok javított statisztikájával a keringési időszak megfigyelt változása jelenleg megegyezik az általános relativitáselmélet által feltételezett gravitációs sugárzás előrejelzésével 0,2 százalékon belül. 1993 -ban, részben a gravitációs hullámok ezen közvetett észlelésének ösztönzésével, a Nobel -bizottság fizika Nobel -díjat ítélt oda Hulse -nak és Taylornak „egy új típusú pulzár felfedezéséért, amely felfedezés új lehetőségeket nyitott meg a gravitáció." A bináris rendszer élettartama a jelenből az egyesülésig néhány száz millió év.

Az inspirációk a gravitációs hullámok nagyon fontos forrásai. Amikor két kompakt objektum (fehér törpe, neutroncsillag vagy fekete lyuk ) közeli pályán van, intenzív gravitációs hullámokat küld. Ahogy közelebb spiráloznak egymáshoz, ezek a hullámok egyre intenzívebbé válnak. Valamikor olyan intenzívvé kell válniuk, hogy a Földön vagy az űrben lévő tárgyakra kifejtett hatásuk révén közvetlen észlelés lehetséges. Ez a közvetlen észlelés több nagyszabású kísérlet célja.

Az egyetlen nehézség az, hogy a legtöbb rendszer, mint a Hulse -Taylor bináris, annyira távol van. A Hulse – Taylor bináris által kibocsátott hullámok amplitúdója a Földön nagyjából h ≈ 10 ^{−26 lenne} . Vannak azonban olyan források, amelyeket az asztrofizikusok várhatóan sokkal nagyobb h ≈ 10 ⁻²⁰ amplitúdókat produkálnak . Legalább nyolc másik bináris pulzárt fedeztek fel.

Nehézségek

A gravitációs hullámok nem könnyen észlelhetők. Amikor elérik a Földet, kicsi az amplitúdójuk, és a feszültségük megközelíti a 10 ^{−21 értéket} , ami azt jelenti, hogy rendkívül érzékeny detektorra van szükség, és más zajforrások elnyomhatják a jelet. A gravitációs hullámok várható frekvenciája ^10-16  Hz < f <10 ⁴  Hz.

Földi érzékelők

Lézeres interferométer sematikus rajza

Bár a Hulse -Taylor megfigyelések nagyon fontosak voltak, csak közvetett bizonyítékot szolgáltatnak a gravitációs hullámokra vonatkozóan. Meggyőzőbb megfigyelés lenne az áthaladó gravitációs hullám hatásának közvetlen mérése, amely több információt is szolgáltathat az azt létrehozó rendszerről. Bármilyen ilyen közvetlen észlelést bonyolít az a rendkívül kicsi hatás, amelyet a hullámok az érzékelőre kifejtenek. A gömbhullám amplitúdója a forrástól való távolság fordítottjaként esik le (az 1/ R kifejezés a fenti h képletekben ). Így még a szélsőséges rendszerekből, például a bináris fekete lyukak összeolvadásából származó hullámok is kihalnak nagyon kis amplitúdóra, mire elérik a Földet. Asztrofizikus számítanak, hogy néhány gravitációs hullámok halad a Föld lehet akkora, mint h ≈ 10 ^-20 , de általában nem nagyobb.

Rezonáns antennák

A várt hullámmozgás észlelésére elméletileg kidolgozott egyszerű eszközt Weber rúdnak hívják  - egy nagy, szilárd fémrúdnak, amely el van szigetelve a külső rezgésektől. Ez a típusú műszer volt az első típusú gravitációs hullám detektor. A beeső gravitációs hullám miatti térbeli törzsek gerjesztik a rúd rezonanciafrekvenciáját, és így kimutatható szintre erősíthetők. Elképzelhető, hogy egy közeli szupernóva elég erős lehet ahhoz, hogy rezonancia -erősítés nélkül is látható legyen. Ezzel a műszerrel Joseph Weber azt állította, hogy a gravitációs hullámok napi jeleit észlelte. Eredményeit azonban 1974 -ben Richard Garwin és David Douglass fizikusok vitatták . A Weber bár modern formáit továbbra is működtetik, kriogén hűtéssel, szupravezető kvantum interferencia eszközökkel a rezgések érzékelésére. A Weber rudak nem elég érzékenyek ahhoz, hogy mást érzékeljenek, csak rendkívül erős gravitációs hullámokat.

A MiniGRAIL egy gömbgravitációs hullám antenna, amely ezt az elvet használja. A székhelye a Leideni Egyetemen található , amely pontosan megmunkált, 1150 kg -os gömbből áll, amely kriogén módon 20 millikelvinnek van hűtve. A gömb alakú konfiguráció minden irányban azonos érzékenységet tesz lehetővé, és kísérletileg némileg egyszerűbb, mint a nagy lineáris eszközök, amelyek nagy vákuumot igényelnek. Az eseményeket a detektor gömb deformációjának mérésével észlelik . A MiniGRAIL nagyon érzékeny a 2–4 ​​kHz -es tartományban, alkalmas gravitációs hullámok detektálására forgó neutroncsillag -instabilitásokból vagy kis fekete lyukak összeolvadásából.

Jelenleg két detektorok összpontosított felső végén a gravitációs hullám-spektrum (10 ^-7 10 ⁵ Hz): az egyik University of Birmingham , Anglia, és a másik a INFN Genova, Olaszország. Egy harmadik fejlesztés alatt áll a kínai Chongqing Egyetemen . A birminghami érzékelő méri a körülbelül egy méter átmérőjű zárt hurokban keringő mikrohullámú sugárzás polarizációs állapotának változásait . Mindkét detektor várhatóan érzékeny lesz a h ~ időszakos téridős törzsekre2 × 10 ⁻¹³  / √ Hz , amplitúdó spektrális sűrűségként megadva . Az INFN Genova detektor egy rezonancia antenna, amely két összekapcsolt gömb alakú szupravezető harmonikus oszcillátorból áll, néhány centiméter átmérőjű. Az oszcillátorokat úgy tervezték, hogy (leválasztás nélkül) majdnem egyenlő rezonanciafrekvenciákkal rendelkezzenek. A rendszer jelenleg várhatóan érzékeny lesz a h ~ időszakos téridős törzsekre2 × 10 ⁻¹⁷  / √ Hz , h ~ érzékenység elérésével2 × 10 ⁻²⁰  / √ Hz . A Chongqing Egyetem detektor tervezik kimutatására ereklye nagyfrekvenciás gravitációs hullámokat a megjósolt jellemző paraméterekkel ~ 10 ¹¹ Hz (100 GHz), és h ~ 10 ^-30 10 ^-32 .

Interferométerek

A gravitációs hullámok megfigyelőközpontjának egyszerűsített működése

1. ábra : Egy sugárelosztó (zöld vonal) a koherens fényt (a fehér dobozból) két, a tükrökről visszavert sugárra osztja (ciánkék hosszúkás); minden karon csak egy kimenő és visszavert sugár látható, és az egyértelműség kedvéért elkülönítve. A visszavert sugarak rekombinálódnak és interferencia mintázatot észlelnek (lila kör).

2. ábra : A bal karon (sárga) áthaladó gravitációs hullám megváltoztatja hosszát és ezáltal az interferencia mintázatát.

Egy érzékenyebb osztályú detektor lézeres Michelson interferométert használ a gravitációs hullámok által indukált mozgás mérésére az elkülönített „szabad” tömegek között. Ez lehetővé teszi a tömegek nagy távolságok közötti elválasztását (a jel méretének növelése); további előny, hogy érzékeny a frekvenciák széles skálájára (nem csak a rezonancia közelében lévőkre, mint a Weber sávok esetében). Többéves fejlesztés után az első földi interferométerek 2015-ben működésbe léptek. Jelenleg a legérzékenyebb a LIGO-  a Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory. LIGO három érzékelők: az egyik Livingston, Louisiana , az egyik a Hanford helyén a Richland, Washington és egy harmadik (korábban telepítve, mint a második detektor Hanford), amely a tervek szerint költözött India . Mindegyik obszervatóriumban két fénytartó kar található , amelyek 4 kilométer hosszúak. Ezek 90 fokos szöget zárnak be egymással, és a fény az 1 m átmérőjű vákuumcsöveken halad át a teljes 4 kilométeren. Az elhaladó gravitációs hullám kissé megnyújtja az egyik kart, miközben lerövidíti a másikat. Pontosan ez a mozgás, amelyre az interferométer a legérzékenyebb.

Még ilyen hosszú karok esetén is a legerősebb gravitációs hullámok csak nagyjából 10-18  m ^-rel változtatják meg a karok végei közötti távolságot . A LIGO -nak képesnek kell lennie a h ~ gravitációs hullámok észlelésére5 × 10 ⁻²² . A LIGO -ra és a Virgo -ra való frissítésnek tovább kell növelnie az érzékenységet. Egy másik rendkívül érzékeny interferométer, a KAGRA épül a japán Kamiokande bányában. Kulcsfontosságú, hogy az érzékenység tízszeres növekedése („elérési sugár”) ezerszer megnöveli a műszer számára hozzáférhető tér térfogatát. Ez növeli az észlelhető jelek láthatóságának gyakoriságát a megfigyelés tízévenkénti évről évre tízre.

Az interferometrikus detektorokat nagy frekvenciákon korlátozza a lövészaj , ami azért fordul elő, mert a lézerek véletlenszerűen termelnek fotonokat; az egyik hasonlat a csapadékhoz - a csapadékmennyiség, akárcsak a lézer intenzitása, mérhető, de az esőcseppek, mint a fotonok, véletlenszerűen esnek, ami az átlagos érték körüli ingadozásokat okoz. Ez zajhoz vezet az érzékelő kimenetén, hasonlóan a rádiós statikához. Ezenkívül a kellően nagy lézer teljesítmény érdekében a lézerfotonok által a vizsgált tömegekbe átvitt véletlenszerű lendület megrázza a tükröket, elfedve az alacsony frekvenciájú jeleket. A hőzaj (pl. Brown -mozgás ) az érzékenység másik határa. Ezeken a „helyhez kötött” (állandó) zajforrásokon kívül minden földi érzékelőt alacsony frekvenciákon korlátoznak a szeizmikus zajok és a környezeti rezgések más formái, valamint más „nem álló” zajforrások; a mechanikai szerkezetek nyikorgása, villámlás vagy más nagy elektromos zavar stb. is zajt hozhat létre, vagy elfedheti az eseményt. Mindezt figyelembe kell venni, és elemzéssel ki kell zárni, mielőtt az észlelés valódi gravitációs hullám eseménynek tekinthető.

Einstein@Home

A legegyszerűbb gravitációs hullámok azok, amelyek állandó frekvenciájúak. A forgó, nem tengelyszimmetrikus neutroncsillag által kibocsátott hullámok megközelítőleg monokromatikusak lennének : tiszta hang az akusztikában . A szupernóváktól vagy a bináris fekete lyukaktól érkező jelekkel ellentétben ezeknek a jeleknek az amplitúdója vagy frekvenciája alig változik abban az időszakban, amelyet a földi detektorok megfigyelnének. A földi mozgás okozta Doppler -eltolás miatt azonban némi változás történne a mért jelben . Annak ellenére, hogy a jelek egyszerűek, a detektálás rendkívül számításilag költséges az elemzendő hosszú adatok miatt.

Az Einstein@Home projekt a SETI@home -hoz hasonló elosztott számítástechnikai projekt, amelynek célja az ilyen típusú gravitációs hullámok észlelése. Ha az Einstein@Home a LIGO -tól és a GEO -tól adatokat vesz fel, és apró darabokban elküldi önkéntesek ezreinek otthoni számítógépeik párhuzamos elemzéséhez, akkor sokkal gyorsabban szitálhatja át az adatokat, mint egyébként.

Űralapú interferométerek

Az űralapú interferométereket, például a LISA-t és a DECIGO -t is fejlesztik. A LISA tervezése szerint három vizsgálati tömegből kell egyenlő oldalú háromszöget alkotni, ahol az egyes űrhajók lézerei egymástól az űrhajókhoz két független interferométert alkotnak. A LISA a Napot keringő pályát foglalja el a Föld mögött, a háromszög minden karja ötmillió kilométer. Ez az érzékelőt kiváló vákuumba helyezi, messze a földi zajforrásoktól, bár továbbra is érzékeny a hőre, a lövés zajára és a kozmikus sugarak és a napszél által okozott műtermékekre .

Pulzus időzítő tömbök használata

A pulzárok gyorsan forgó csillagok. A pulzár rádióhullámokat bocsát ki, amelyek a világítótorony gerendáihoz hasonlóan végigsöpörnek az égen, miközben a pulzus forog. A pulzusról érkező jelet rádióteleszkóppal szabályosan elhelyezett impulzusok sorozataként lehet kimutatni, lényegében az óra kullancsaihoz hasonlóan. A GW -k befolyásolják azt az időt, amíg az impulzusok eljutnak a pulzusról a Föld távcsövére. A pulzus időzítő tömb ezredmásodperces pulzusokat használ a GW -k által okozott zavarok felkutatására az impulzusok távcsőbe érkezési idejének mérésekor, más szóval, az eltérések keresésére az óra ketyegésében. A GW-k észleléséhez a pulzus időzítő tömbök különböző korrelációs és anti-korrelációs mintákat keresnek a több impulzusból érkező impulzusok érkezési ideje között. Bár a pulzusimpulzusok több száz vagy ezer évig utaznak az űrben, hogy elérjenek minket, a pulzus időzítő tömbök érzékenyek a sokkal kevesebb, mint egymilliomodperces utazási idő zavaraira.

A pulzusmérő tömbök érzékeny GW-k fő forrása a szupermasszív fekete lyukú bináris fájlok, amelyek a galaxisok ütközése során keletkeznek. Az egyes bináris rendszerek mellett a pulzus időzítő tömbök érzékenyek a GW sztochasztikus hátterére, amely a galaxis egyesülésekből származó GW -k összegéből származik. További potenciális jelforrások közé tartoznak a kozmikus karakterláncok és a korai kozmikus infláció okozta GW ősháttér .

Világszerte három aktív impulzus időzítő projekt létezik. Az Észak -amerikai Nanohertz Gravitációs Hullámok Obszervatórium az Arecibo rádióteleszkóp és a Green Bank távcső által gyűjtött adatokat használja . Az ausztrál Parkes Pulsar Timing Array a Parkes rádióteleszkóp adatait használja . Az Európai Pulsar Timing Array Európa négy legnagyobb távcsövének adatait használja fel: a Lovell távcső , a Westerbork szintézis rádióteleszkóp , az Effelsberg távcső és a Nancay rádióteleszkóp . Ez a három csoport az International Pulsar Timing Array projekt címmel is együttműködik .

Ősi gravitációs hullám

Az ősi gravitációs hullámok a kozmikus mikrohullámú háttérben megfigyelhető gravitációs hullámok . Állítólag a BICEP2 műszer észlelte őket , ez a 2014. március 17 -i bejelentés, amelyet 2015. január 30 -án visszavontak ("a jel teljes mértékben a Tejút porának tulajdonítható ").

LIGO és Szűz megfigyelések

A gravitációs hullámok LIGO mérése a Hanford (bal) és a Livingston (jobb) detektorokban, az elméleti előrejelzett értékekhez képest.

2016. február 11-én a LIGO együttműködés bejelentette a gravitációs hullámok első megfigyelését , a 2015. szeptember 14-én 09:50:45 GMT-kor észlelt két fekete lyukról, amelyek 29 és 36 naptömegű tömege mintegy 1,3 milliárd fényévet egyesít. el. Az egyesülés másodpercének utolsó töredéke alatt a megfigyelhető világegyetem összes csillagának erejét több mint 50 -szeresével szabadította fel . A jel frekvenciája 35 ciklusról 250 Hz -re nőtt 10 ciklus (5 keringés) alatt, miközben az erőssége 0,2 másodpercig nőtt. Az új egyesült fekete lyuk tömege 62 naptömeg volt. Három naptömegnek megfelelő energiát gravitációs hullámként bocsátottak ki. A jelet mindkét LIGO detektor látta Livingstonban és Hanfordban, a két érzékelő és a forrás közötti szög miatt 7 ezredmásodperces időkülönbséggel. A jel a déli égi féltekéről érkezett , a Magellán -felhők durva irányába (de sokkal távolabb) . A gravitációs hullámok volt megfigyelhető a régióban több mint 5 szigma (más szóval, 99,99997% esélye bemutató / szerzés ugyanazt az eredményt), a valószínűsége, hogy elég volna értékelni / figyelembe venni, mint a bizonyíték / igazolás egy kísérletet a statisztikai fizika .

Azóta a LIGO és a Virgo több gravitációs hullám megfigyeléséről számolt be a fekete lyukú bináris fájlok egyesítéséből.

2017. október 16-án a LIGO és a Szűz együttműködése bejelentette a bináris neutroncsillag-rendszer összeolvadásából származó gravitációs hullámok első észlelését. A GW170817 átmeneti megfigyelése , amely 2017. augusztus 17 -én történt, lehetővé tette a neutroncsillagok tömegeinek korlátozását 0,86 és 2,26 naptömeg között. A további elemzések lehetővé tették a tömegértékek nagyobb korlátozását az 1,17–1,60 naptömeg közötti intervallumra, a teljes rendszer tömege pedig 2,73–2,78 naptömeg volt. A Szűz detektor bevonása a megfigyelési erőfeszítésbe lehetővé tette a forrás lokalizációjának 10-szeres javulását. Ez pedig megkönnyítette az esemény elektromágneses nyomon követését. Ellentétben a bináris fekete lyuk egyesülésével, a bináris neutroncsillagok egyesülésétől elektromágneses megfelelőt, azaz az eseményhez kapcsolódó fényjelet vártak. Gamma-sugárzást ( GRB 170817A ) észlelt a Fermi Gamma-ray űrtávcső , amely a gravitációs hullám tranziens után 1,7 másodperccel következett be. Az NGC 4993 galaxis közelében keletkezett jel a neutroncsillag -összeolvadáshoz kapcsolódott. Ezt alátámasztotta az esemény elektromágneses nyomon követése ( AT 2017gfo ), amely 70 teleszkópot és megfigyelőállomást foglal magában, és az elektromágneses spektrum nagy területén megfigyeléseket eredményez, ami tovább erősítette az egyesített objektumok neutroncsillag jellegét és a kapcsolódó kilonovát .

A szépirodalomban

Egy epizód az 1962-es orosz sci-fi regény tér Apprentice által Arkagyij és Borisz Sztrugackij mutatja a kísérlet nyomon szaporítása gravitációs hullámok rovására megsemmisítésének egy darab aszteroida 15 Eunomia méretét a Mount Everest .

A Stanislaw Lem „s 1986 újszerű Fiasco , egy»gravitációs fegyvert«vagy»gracer«(gravitációs amplifikáció kollimált kibocsátási rezonancia) használunk, hogy átalakítja egy collapsar, úgy, hogy a főszereplők tudja kihasználni a szélsőséges relativisztikus hatásokat, és egy csillagközi utazást.

A Greg Egan „s 1997 újszerű diaszpóra , az elemzés egy gravitációs hullám jelet a Inspiral egy közeli bináris neutroncsillag kiderül, hogy az ütközés és egyesülési küszöbön, s ezzel nagy gammakitörés hatással lesz a Föld.

A Liu Cixin „s 2006 Emlékezés a Föld múltjában sorozat, gravitációs hullámok használunk egy csillagközi sugárzott jel, amely arra szolgál, mint a központi cselekmény egy pontján a konfliktus a civilizációk közötti galaxison belül.

Lásd még

Hivatkozások

További irodalom

• Bartusiak, Marcia . Einstein befejezetlen szimfóniája . Washington, DC: Joseph Henry Press, 2000.
• Chakrabarty, Indrajit (1999). "Gravitációs hullámok: bevezetés". arXiv : fizika/9908041 .
• Landau, LD és Lifshitz, EM, A mezők klasszikus elmélete (Pergamon Press), 1987.
• Will, Clifford M. (2014). "Az általános relativitás és a kísérlet összeütközése" . Élő vélemények a relativitásról . 17 (1): 4. arXiv : 1403.7377 . Bibcode : 2014LRR .... 17 .... 4W . doi : 10.12942/lrr-2014-4 . PMC  5255900 . PMID  28179848 .
• Saulson, Peter R. (1994). Az interferometrikus gravitációs hullámérzékelők alapjai . World Scientific. Bibcode : 1994figw.book ..... S . doi : 10.1142/2410 . ISBN 978-981-02-1820-1.
• Barish, Barry C .; Weiss, Rainer (1999). "LIGO és a gravitációs hullámok észlelése". Fizika ma . 54 (10): 44. Bibcode : 1999PhT .... 52j..44B . doi : 10.1063/1.882861 .

Bibliográfia

• Berry, Michael , A Kosmológia és a Gravitáció alapelvei (Adam Hilger, Philadelphia, 1989). ISBN  0-85274-037-9
• Collins, Harry , Gravity's Shadow: The Search for Gravitational Waves , University of Chicago Press, 2004. ISBN  0-226-11378-7
• Collins, Harry, Gravity's Kiss: The Detection of Gravitational Waves (The MIT Press, Cambridge Massachuetts, 2017). ISBN  978-0-262-03618-4 .
• Davies, PCW , A gravitációs hullámok keresése (Cambridge University Press, 1980). ISBN  0521231973 .
• Grote, Hartmut, Gravitációs hullámok: A felfedezések története (CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton/London/New York, 2020). ISBN  978-0-367-13681-9 .
• PJE Peebles , Principles of Physical Cosmology (Princeton University Press, Princeton, 1993). ISBN  0-691-01933-9 .
• Wheeler, John Archibald és Ciufolini, Ignazio, Gravitation and Inertia (Princeton University Press, Princeton, 1995). ISBN  0-691-03323-4 .
• Woolf, Harry, szerk., Néhány furcsaság az arányban (Addison – Wesley, Reading, Massachusetts, 1980). ISBN  0-201-09924-1 .

Külső linkek

• Lézeres interferométer gravitációs hullám -obszervatórium . LIGO Laboratórium, amelyet a Kaliforniai Technológiai Intézet és a Massachusetts Institute of Technology üzemeltet
• Gravitációs hullámok - Összegyűjtött cikkek a Nature Journal -ban
• Gravitációs hullámok - Összegyűjtött cikkek Scientific American
• Videó (94:34) - Tudományos beszélgetés a felfedezésről , Barry Barish, CERN (2016. február 11.)
• Christina Sormani, C. Denson Hill, Paweł Nurowski, Lydia Bieri, David Garfinkle és Nicolás Yunes (2017. augusztus). "Két részből álló jellemző: A gravitációs hullámok matematikája" . Az Amerikai Matematikai Társaság értesítései . 64 (7): 684–707. doi : 10.1090/noti1551 . ISSN  1088-9477 .CS1 maint: szerzők paramétert használ ( link )