Гравітаційна хвиля

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
(Перенаправлено з Гравітаційні хвилі)
Перейти до: навігація, пошук

Гравітаці́йна хви́ля — збурення гравітаційного поля, «брижі» тканини простору-часу, що розповсюджується зі швидкістю світла. Гравітаційні хвилі передбачені загальною теорією відносності і багатьма іншими теоріями гравітації, але, зважаючи на їхню надзвичайно малу величину, поки не зареєстровані безпосередньо. Однак, непрямі свідчення їхнього існування досить вагомі — теорія випромінювання гравітаційних хвиль дозволяє розрахувати темпи зближення тісних систем подвійних зірок, що збігаються зі спостереженнями.

Рівняння Ейнштейна мають розв'язки хвильового типу, що є збудженням метрики простору-часу, які розповсюджуються зі швидкістю світла. Слабка (лінійна) гравітаційна хвиля, відповідно до загальної теорії відносності, є поперечною і описується двома незалежними компонентами (має дві поляризації).

Генерація гравітаційних хвиль[ред.ред. код]

Система з двох нейтронних зірок породжує брижі простору-часу

Гравітаційну хвилю випромінює будь-яке масивне тіло, що рухається з прискоренням. Для виникнення хвилі істотної амплітуди необхідні надзвичайно велика маса випромінювача або/і величезні прискорення, амплітуда гравітаційної хвилі прямопропорційна прискоренню і масі генератора, тобто ~ma. Однак, якщо певний об'єкт рухається прискорено, то це означає, що на нього діє деяка сила з боку іншого об'єкта. У свою чергу цей інший об'єкт відчуває зворотну дію (за третім законом Ньютона), при цьому виявляється, що: M1a1= — m2a2. Виходить, що два об'єкти випромінюють гравітаційні хвилі тільки у парі, причому в результаті інтерференції вони істотно взаємно гасяться. Тому гравітаційне випромінювання у загальній теорії відносності завжди носить за мультипольністю характер як мінімум квадрупольного випромінювання. Крім того, для нерелятивістських випромінювачів у виразі для інтенсивності випромінювання є малий параметр \left(\frac{r}{c T}\right)^4 (r — характерний розмір випромінювача, T — характерний період руху випромінювача, c — швидкість світла).

Для Сонячної системи, наприклад, найбільше гравітаційне випромінювання спричиняє підсистема Сонця і Юпітера. Потужність цього випромінювання — приблизно 5 кіловат, таким чином, енергія, що втрачається Сонячною системою на гравітаційне випромінювання за рік, абсолютно нікчемна в порівнянні з характерною кінетичною енергією тіл.

Найбільш сильними джерелами гравітаційних хвиль є:

  • галактики, що зіштовхуються (гігантські маси, невеликі прискорення),
  • Гравітаційний колапс подвійної системи компактних об'єктів (колосальні прискорення за досить великої маси).

Гравітаційний колапс подвійної системи[ред.ред. код]

Будь-яка система подвійних зірок при обертанні навколо спільного центру мас втрачає енергію за рахунок випромінювання гравітаційних хвиль, і врешті-решт зливається воєдино. Але для звичайних, некомпактних подвійних зірок цей процес займає дуже тривалий час, що набагато перевищує вік Всесвіту. Якщо подвійна компактна система складається з пари нейтронних зірок, чорних дір або їхньої комбінації, то злиття може відбутися за кілька мільйонів років. Спочатку об'єкти зближуються, а період їхнього обертання зменшується. На завершальному етапі відбувається зіткнення і несиметричний гравітаційний колапс. Цей процес триває долі секунди, і за цей час у гравітаційне випромінювання надходить енергія, що складає, за деякими оцінками понад 50% маси системи.

Реліктові гравітаційні хвилі[ред.ред. код]

Реєстрація гравітаційних хвиль[ред.ред. код]

Реєстрація гравітаційних хвиль досить складна через слабкість останніх (малого спотворення метрики). Приладом для їх реєстрації є детектор гравітаційних хвиль. Спроби виявлення гравітаційних хвиль робляться з кінця 1960-х років, але зараз немає достовірних відомостей про їх безпосередню реєстрацію. Професор Рана Адхікарі оцінив ймовірність детектувати серію гравітаційних хвиль до 2010 р. як одну шосту. Гравітаційні хвилі з амплітудою, котру можливо було б зареєструвати, народжуються при колапсі подвійного пульсара. Подібні події відбуваються в околицях нашої галактики орієнтовно раз на десятиліття[1].

З іншого боку, загальна теорія відносності пророкує прискорення взаємного обертання подвійних зірок через втрату енергії на випромінювання гравітаційних хвиль, і цей ефект надійно зафіксований в кількох відомих системах подвійних компактних об'єктів (зокрема, пульсарів з компактними компаньйонами). У 1993 р. «за відкриття нового типу пульсарів, що дало нові можливості у вивченні гравітації» відкривачам першого подвійного пульсару PSR B1913+16 — Расселу Халсу і Джозефу Тейлору молодшому — була присуджена Нобелівська премія з фізики. Таке ж явище зафіксовано ще у кількох випадках: для пульсарів PSR J0737-3039, PSR J0437-4715 і системи подвійних білих карликів RX J0806. Наприклад, відстань між двома компонентами A і B першої подвійної зірки з двох пульсарів PSR J0737-3039 зменшується приблизно на 2,5 дюйми (6,35 см) щоденно через втрати енергії на гравітаційні хвилі, причому це відбувається згідно з теорією Ейнштейна[2].

За оцінками, найбільш сильними і досить частими джерелами гравітаційних хвиль для гравітаційних телескопів і антен є катастрофи, пов'язані з колапсами подвійних систем у найближчих галактиках. Очікується, що у найближчому майбутньому на вдосконалених гравітаційних детекторах буде реєструватися кілька подібних подій щороку, що спотворюють метрику простору-часу в околиці Землі на 10−21−10−23.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]