Loading AI tools
З Вікіпедії, вільної енциклопедії
Гравітаційно-хвильова астрономія є галуззю спостережної астрономії, що розвивається і прагне використовувати гравітаційні хвилі (найдрібніші викривлення простору-часу передбачені загальною теорією відносності Ейнштейна) для збору даних спостережень про об'єкти, такі як нейтронні зорі й чорні діри, про такі події, як вибухи наднових і процесів, включаючи властивості раннього всесвіту незабаром після того, як стався великий вибух.
Подвійні системи двох масивних об’єктів, що обертаються одне навколо одного, важливе джерело для гравітаційно-хвильової астрономії. Система випромінює гравітаційні хвилі під час обертання, які зменшують тензор напружень енергії-імпульсу[en], спричинюючи зменшення орбіти.[1][2] Тут показана подвійна система білих карликів, важливе джерело для космічних детекторів, як eLISA. Можливе злиття білих карликів може привести до наднової, представлене вибухом на третьому малюнку. |
Гравітаційні хвилі мають теоретичну базу, засновану на теорії відносності. Вони були вперше передбачені Ейнштейном 1916 року; навіть хоча вони лише конкретний наслідок загальної теорії відносності, та вони є спільною рисою всіх теорій гравітації, які підкоряються спеціальній теорії відносності.[3] Непрямі дані підтвердження їх існування вперше з’явилися 1974 року з вимірювань подвійної зоряної системи Галса-Тейлора PSR B1913+16, чия орбіта змінюється саме так, як і слід було очікувати у випадку випромінювання гравітаційних хвиль.[4] Рассел Галс і Джозеф Тейлор були нагороджені 1993 року Нобелівською премією з фізики за це відкриття.[5] Згодом спостерігалося багато пульсарів у подвійних системах (включаючи одну систему подвійних пульсарів PSR J0737−3039), і поведінка їх усіх узгоджувалася з передбаченою теорією гравітаційних хвиль.[6]
11 лютого 2016 року було оголошено, що LIGO вперше безпосередньо спостерігав гравітаційні хвилі у вересні 2015 року.[7][8][9]
Звичайні частоти гравітаційних хвиль дуже низькі і тому їх набагато важче виявити, у той час як хвилі з вищими частотами трапляються під час драматичніших подій, і, таким чином, вони стали першими спостережуваними хвилями.
У 2015-2016 роках, проект LIGO був першим, в якому безпосередньо спостерігалися гравітаційні хвилі за допомогою лазерних інтерферометрів.[11][12] Детектори LIGO спостерігали гравітаційні хвилі від злиття двох чорних дір зоряної маси, що узгоджувалися з передбаченнями загальної теорії відносності. Ці спостереження показали існування подвійних систем чорних дір зоряної маси, і стали першим прямим виявленням гравітаційних хвиль і першим спостереженням процесу злиття подвійної системи чорних дір.[13] Це відкриття було охарактеризоване як революційне для науки через перевірку нашої здатності використовувати гравітаційно-хвильову астрономію для прогресу в нашому пошуку і дослідженні темної матерії і Великого вибуху.
Існують декілька поточних наукових співробітництв для спостереження гравітаційних хвиль. Існує всесвітня мережа наземних детекторів, це кілометрових лазерних інтерферометрів в тому числі: лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO), спільний проект Массачусетського технологічного інституту, Каліфорнійського технологічного інституту і вчених Наукового співробітництва LIGO[en] з детекторами в Лівінгстоні, штат Луїзіана і на місці Генфордського комплексу; Virgo, в Європейській гравітаційній обсерваторії[en], в муніципалітеті Кашина поблизу Пізи в Італії; GEO600 в Зарштедті, поблизу Ганновера в Німеччині, і Каміокський детектор гравітаційних хвиль (KAGRA), яким керує Токійський університет в Каміокській обсерваторії, в підземеллі шахти Мозумі в Каміокській частині міста Хіда (Ґіфу) у префектурі Ґіфу в Японії. LIGO і Virgo модернізують 2016 року до їх поліпшених конфігурацій. Поліпшений детектор LIGO почав спостереження 2015 року, виявивши гравітаційні хвилі попри те, що на той час ще не досяг максимуму своєї чутливості; очікується, що поліпшений детектор Virgo почне спостереження 2016 року. Модернізацію детектора KAGRA заплановано на 2018 рік. GEO600 в даний час працює, але його чутливість робить малоймовірним можливість детектування хвиль; його основною метою є випробування технології.
Альтернативний засіб спостереження — це використання масивів пульсацій пульсару. Є три консорціуми, європейський масив пульсацій пульсарів (EPTA), Північноамериканська наногерцна обсерваторія гравітаційних хвиль (NANOGrav) і Радіотелескоп Parkes, які всі разом співпрацюють як міжнародний масив пульсацій пульсарів (IPTA). Вони використовують існуючі радіотелескопи, але оскільки вони чутливі до частот в наногерцному діапазоні, для виявлення сигналу потрібно багато років спостереження, а чутливість детектора поліпшується поступово. Поточні оцінки наближаються до очікуваних для астрофізичних джерел[14]
Крім того, в майбутньому, існує можливість застосування космічних детекторів. Європейське космічне агентство вибрало гравітаційно-хвильову місію як її місію L3, із запуском 2034 року, поточною концепцією є розвинута космічна антена лазерного інтерферометра — РКАЛІ (eLISA).[15] Також на стадії розробки перебуває японська децигерцно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (DECIGO).
Астрономія традиційно покладалася на електромагнітне випромінювання. Астрономія виникла з астрономії видимого світла[en] і з того, що можна було побачити неозброєним оком. Із розвитком технологій, стало можливим спостерігати інші частини електромагнітного спектра, починаючи з радіо випромінювання аж до гамма-променів. Кожна нова смуга частот давала новий погляд на Всесвіт і провіщувала нові відкриття.[16] Наприкінці 20-го століття, реєстрація сонячних нейтрино заснувало нову галузь нейтринної астрономії, що дає уявлення про раніше невидимі явища, такі, як внутрішні процеси, які відбуваються всередині Сонця.[17][18] Спостереження гравітаційних хвиль забезпечують додаткові способи проведення астрофізичних спостережень.
Гравітаційні хвилі забезпечують доповнювальну інформацію до тієї, яка отримана іншими засобами. Комбінуючи спостереження однієї події з використанням різних засобів, можна отримати більш повне уявлення про властивості джерела. Це відоме як багато-передавачна астрономія. Гравітаційні хвилі також можна використовувати для спостереження систем, які є невидимими (або які майже неможливо виявити), щоб виміряти їх будь-якими іншими засобами, наприклад, вони забезпечують унікальний метод вимірювання властивостей чорних дір.
Гравітаційні хвилі можуть випромінюватися багатьма системами, але, для того, щоб створити сигнал, який можна виявити, джерело має складатися з дуже масивних об'єктів, що рухаються із швидкістю, близькою до швидкості світла. Основним джерелом є подвійні системи з двох компактних об'єктів. Приклади таких систем:
На додачу до подвійних систем, є й інші потенційні джерела:
Гравітаційні хвилі слабо взаємодіють з речовиною. Це причина, чому їх важко виявити. Це також означає, що вони можуть вільно подорожувати по Всесвіту, а не бути поглинутими або розсіяними подібно до електромагнітного випромінювання. Таким чином, можна побачити центр щільних систем, як осердя наднової, або Галактичного Центру. Крім того, можна бачити більш далекі події в минулому, ніж використовуючи електромагнітне випромінювання, як ранній Всесвіт був непрозорим до світла перед рекомбінацією, але прозорим для гравітаційних хвиль.
Здатність гравітаційних хвиль вільно проходити крізь речовину також означає, що гравітаційно-хвильовий детектори, на відміну від звичайних телескопів, не обмежені полем зору, а спостерігають все небо. Однак детектори чутливіші у деяких напрямках, ніж інших, що є однією з причин, чому вигідно мати мережу детекторів.[35]
Космічна інфляція, гіпотетичний період, коли Всесвіт швидко розширювався під час 10−36 секунди після того, як стався Великий вибух, дав би підвищення гравітаційних хвиль; вони б залишили характерний слід у поляризації реліктового випромінювання.[36][37] Можна розрахувати властивості первинних гравітаційних хвиль за вимірюваннями мікрохвильового випромінювання, і використовувати це, щоб дізнатися про ранній Всесвіт. Знову ж таки, гравітаційні хвилі безпосередньо не виявлені, але їх наявність має бути виведена з інших астрономічних методів.
Як молода галузь досліджень, гравітаційно-хвильова астрономія перебуває в стадії розвитку; проте, існує консенсус в рамках астрофізичної спільноти, що ця галузь буде продовжувати розвиватися, щоб стати визнаною компонентою багато-передавачної астрономії 21-го століття. Гравітаційно-хвильові спостереження доповнюють спостереження електромагнітного спектру.[38][39] Ці хвилі також обіцяють дати інформацію, яку не можливо отримати за допомогою виявлення та аналізу електромагнітних хвиль. Електромагнітні хвилі можуть поглинатися і повторно випромінюватися, що ускладнює процес отримання інформації про джерело. Гравітаційні хвилі, тим не менше, тільки слабо взаємодіють з речовиною, а це означає, що вони не розсіюються або поглинаються. Це повинно дозволити астрономам побачити новими способами центр наднової, зіркових туманностей, і навіть зіткнення галактичних ядер.
Наземні детектори дають нову інформацію про фазу орбітального зближення і злиття подвійних чорних зір зоряної маси, і про подвійні системи, що складаються з однієї такої чорної діри та нейтронної зорі (що також мали б викликати гамма-сплески). Вони також можуть виявити сигнали від колапсу ядра наднової і від періодичних джерел, таких як пульсари з малими деформаціями. Якщо гіпотеза про деякі види фазових переходів або завихрені сплески з довгих космічних струн у дуже ранньому Всесвіті (в космічному часі близько 10−25 секунди) правдива, їх також можна буде виявити.[40] Космічні детектори, такі, як LISA, мають виявляти об'єкти, такі як подвійні системи двох білих карликів і зір типу AM Гончих Псів (де відбувається акреція бідної на гідроген речовини з компактної маломасивної гелієвої зорі на білий карлик), а також спостерігати за злиттям надмасивних чорних дір і орбітальним зближенням невеликих об'єктів (між одним і тисячами сонячних мас) в такі чорні діри. LISA також повинна мати можливість слухати той же вид джерел з раннього Всесвіту, як наземні детектори, але на нижчих частотах і зі значно більшою чутливістю.[41]
Виявлення емітованих гравітаційних хвиль є важким завданням. Воно включає в себе ультрастабільні високоякісні лазери і детектори відкалібровані з чутливістю щонайменше 2·10−22 Hz-1/2, як показано на наземному детекторі, GEO600.[42] Крім того, було запропоновано, що навіть з великих астрономічних подій, таких як вибухи наднових, ці хвилі можуть зменшитись до надзвичайно малих вібрацій розміром з діаметр атома[43]
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.