Все, что нужно знать о гравитационных волнах

На гребне метрического тензора: все, что нужно знать о гравитационных волнах
N+1 собрали основную информацию о гравитационных волнах в вопросах и ответах
11 февраля участники коллаборации LIGO провели пресс-конференцию, на которой объявили о том, что нашли гравитационные волны с помощью лазерной интерферометрии. N+1 собрали основную информацию о гравитационных волнах в вопросах и ответах. В составлении этого материала им помогал руководитель научной группы Российского квантового центра, профессор МГУ и участник проекта LIGO Михаил Городецкий.
— Откуда взялась идея гравитационных волн?
— Впервые гравитационные волны были предложены самим Эйнштейном в работе 1916 года, то есть почти 100 лет назад. Уравнение для волн является следствием уравнений теории относительности и выводится не самым простым образом. То есть даже на теоретическом уровне существование таких волн, вообще говоря, не слишком очевидно. Спустя два года, в 1918 году, вышла работа, целиком посвященная этим волнам. Пожалуй, ее можно считать основополагающей в этом направлении исследований.
— Что может испускать гравитационные волны?
— Источником гравитационных волн является любое тело, обладающее массой, которое движется с ускорением. В модельном случае волны выводятся для пары вращающихся вокруг общего центра масс тел. Испускание волн является механизмом потери энергии для такой системы.
В реальности на роль таких тел претендуют пары черных дыр или нейтронных звезд, вращающихся вокруг общего центра масс достаточно быстро и достаточно близко друг от друга. Из-за потери энергии за счет гравитационного излучения эти тела постепенно сближаются, увеличивая скорость обращения и тем самым частоту испускаемых гравитационных волн, пока не сольются в одно тело. Основная часть гравитационного излучения приходится на последние доли секунды перед слиянием, когда тела начинают двигаться со скоростями, сравнимыми со скоростью света.
Замечательно то, что физики умеют на компьютерах рассчитывать гравитационные сигналы от таких событий, если задать начальные условия. Также источниками гравитационных волн могут быть взрывы сверхновых. Главное, чтобы такой взрыв не был идеально симметричным, иначе волн не получится. Подойдет и быстро вращающийся, но тоже не симметричный компактный объект.
— Что колеблется в гравитационных волнах?
— Когда речь идет про звуковые волны, то мы говорим о колебаниях воздуха. С гравитационными волнами все сложнее: по сути в них колеблется даже не само пространство, а его геометрия. В теории относительности гравитация описывается в терминах кривизны пространства. За геометрию в этой теории отвечает метрика: грубо говоря, это такая штука, которая каждой точке пространства-времени присваивает 10 чисел, записанных в виде симметричной 4 на 4 матрицы. Числа меняются от точки к точке и характеризуют геометрию. Собственно эта метрика и меняется периодически во времени.
— Если я встречу гравитационную волну, я что-нибудь почувствую?
— Колебания геометрии означают, что в пространстве будут периодически изменяться расстояния между объектами, углы между кривыми. Например, можно провести такой мысленный эксперимент. Представим, что на белой стене у нас нарисован круг. Грубо говоря, если навстречу нам будет идти волна, то мы увидим, как этот круг деформируется, например, в эллипс и обратно. Если говорить про другие чувства, не только зрение, то еще один способ интерпретировать волну — это фактически меняющаяся со временем приливная сила, действующая на любое тело (градиент ускорения). Поэтому, если бы эта волна была в квинтильон раз (1018) больше, чем те, что приходят из далекого космоса, а частота раз в сто меньше, вы бы почувствовали, что ваше тело растягивает и сжимает какая-то непонятная сила.
Именно на этом принципе — почувствовать дрожание, вызванное таким периодическим воздействием, работают так называемые резонансные детекторы на болванках (многотонных чушках из алюминиевого сплава, охлаждаемые до криогенных температур и обвешанных детекторами). От них отказались из-за слабой по сравнению с LIGO чувствительностью.



https://www.forbes.ru/sobytiya/obshch...avitatsionnykh