Гравітаційна хвиля

Гравітаці́йна хви́ля — збурення гравітаційного поля, «брижі» тканини простору-часу, що розповсюджується зі швидкістю світла. Гравітаційні хвилі передбачені загальною теорією відносності й багатьма іншими теоріями гравітації та на даний момент мають статус зареєстрованих. Відкриття було зроблене 14 вересня 2015 року о 5:51 ранку за Північноамериканським східним часом та офіційно підтверджене 11 лютого 2016 року. Зафіксовані двома детекторами гравітаційні хвилі породжені колапсом двох чорних дір з масами в 36 і 29 сонячних мас. Деталі історії відкриття представлені в .

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 й описується двома незалежними компонентами (має дві поляризації).

Генерація гравітаційних хвиль

Система з двох нейтронних зір породжує брижі простору-часу

Гравітаційні хвилі випромінює будь-яке масивне тіло, що рухається з прискоренням. Однак для виникнення хвилі істотної амплітуди необхідні надзвичайно велика маса випромінювача або/і величезні прискорення, амплітуда гравітаційної хвилі прямо пропорційна прискоренню і масі генератора, тобто ~ma. 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 в парі, причому в результаті інтерференції вони істотно взаємно гасяться. Тому гравітаційне випромінювання у загальній теорії відносності за мультипольністю завжди є щонайменше квадрупольним. Крім того, для нерелятивістських випромінювачів у виразі для інтенсивності випромінювання є малий параметр $\left({\frac {r}{cT}}\right)^{4}$, де 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.

Найпотужнішими джерелами гравітаційних хвиль є:

• Галактики, що зіштовхуються (велетенські маси, невеликі прискорення);
• Гравітаційний колапс подвійної системи компактних об'єктів (колосальні прискорення за досить великої маси);
• кокони при колапсах вмираючих масивних зірок.

Гравітаційний колапс подвійної системи

Будь-яка система подвійних зір при обертанні навколо спільного центру мас втрачає енергію за рахунок випромінювання гравітаційних хвиль, і врешті-решт має злитися в одну зорю. Але для звичайних, некомпактних подвійних зір цей процес триває дуже довго (потрібний час набагато перевищує вік Всесвіту). Якщо ж подвійна компактна система складається з пари нейтронних зір, чорних дір або їх комбінації, то злиття може відбутися за кілька мільйонів років. Спочатку об'єкти зближуються, а період їх обертання зменшується. На завершальному етапі відбувається зіткнення й несиметричний гравітаційний колапс. Цей процес триває частки секунди, і за цей час у вигляді гравітаційних хвиль випромінюється енергія, що становить, за деякими оцінками, близько 5 % маси системи.

Реєстрація гравітаційних хвиль

Безпосередня реєстрація гравітаційних хвиль досить складна через слабкість гравітаційної взаємодії — вона майже на 40 порядків слабша електромагнітної —, тому гравітаційні хвилі спричиняють дуже мале викривлення метрики. Приладом для їх реєстрації є детектор гравітаційних хвиль. Перший проєкт детектора запропонував американський фізик Джозеф Вебер. Спроби виявлення гравітаційних хвиль робляться з кінця 1960-х років, але досі 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 десять років.

З іншого боку, загальна теорія відносності передбачає прискорення обертання подвійних зір через втрату енергії на випромінювання гравітаційних хвиль, і цей ефект надійно зафіксований у кількох відомих системах подвійних компактних об'єктів (зокрема, пульсарів із компактними супутниками). 1993 р. за відкриття нового типу пульсарів, що дало нові можливості для вивчення гравітації, відкривачі першого подвійного пульсара PSR B1913+16 — Рассел Халс і Джозеф Тейлор молодший — отримали Нобелівську премію з фізики. Таке ж явище зафіксовано ще в кількох випадках: для пульсарів PSR J0737−3039, PSR J0437-4715 і системи подвійних білих карликів RX J0806. Наприклад, відстань між двома компонентами пульсара PSR J0737−3039 (A та B) щоденно зменшується приблизно на 6,35 см (2,5 дюйми) через втрати енергії на гравітаційні хвилі, у відповідності з теорією.

За оцінками, найпотужнішими й досить частими джерелами гравітаційних хвиль для гравітаційних телескопів і антен є катастрофи, пов'язані з колапсами подвійних систем із надмасивних чорних дір у найближчих галактиках. Очікується, що в найближчому майбутньому на вдосконалених гравітаційних детекторах щороку буде реєструватися кілька подібних подій, які викривлюють метрику простору-часу в околиці Землі на 10⁻²¹−10^{−23[джерело?]}.

Відкриття гравітаційних хвиль

11 лютого 2016 року було оголошено про експериментальне відкриття гравітаційних хвиль колабораціями LIGO та VIRGO. Сигнал злиття двох чорних дір з максимальної амплітудою близько 10⁻²¹ був зареєстрований 14 вересня 2015 року о 9:51 UTC двома детекторами LIGO в Генфорді та Лівінгстоні через 7 мілісекунд один від одного, в області максимальної амплітуди сигналу (0,2 секунди) комбіноване відношення сигнал-шум склало 24:1. Форма сигналу збігається з передбаченою загальною теорією відносності для злиття двох чорних дір масами 36 та 29 сонячних, утворена чорна діра має масу 62 сонячних та параметр обертання $a=$ 0,67. Відстань до джерела становить близько 1,3 мільярда світлових років, вивільнена за десяті долі секунди в злитті енергія — еквівалент близько 3 мас сонця.

Подальші реєстрації гравітаційних хвиль

• 12 жовтня 2015 року — зафіксовано гравітаційні хвилі від об'єкту LVT151012 . Про відкриття повідомлено 15 червня 2016

• 26 грудня 2015 року о 3 год. 38 хв. 53 сек. (UTC) гравітаційні хвилі були зафіксовані детекторами LIGO, розташованими у Лінгвістоні (штат Луїзіана) та Генфорді (штат Вашингтон). Цього разу злилися дві менш масивні чорні діри — по 14 та 8 мас Сонця, відповідно. У результаті злиття утворилася чорна діра масою, що дорівнює 21 масі Сонця. Ще близько однієї маси Сонця перейшло у енергію (за формулою E=mc², це є еквівалентом 1,8·10⁴⁷ Дж). Повідомлення про цю подію було опубліковано 15 червня 2016 року. За оцінками вчених, подія відбулася близько 1,4 мільярди років тому, але зафіксована вона було лише нещодавно через скінченність швидкості світла. Подія отримала номенклатуру GW151226.

• 4 січня 2017 — зафіксовано гравітаційні хвилі від об'єкту GW170104. Про відкриття повідомлено 1 червня 2017.

• 8 червня 2017 року дослідники з LIGO та VIRGO зареєстрували гравітаційні хвилі від джерела під кодовою назвою GW170608. Дві чорні діри з масою, еквівалентною 7 та 12 масам Сонця відповідно, злилися в одне космічне тіло — масивну чорну діру, маса якої перевищила сонячну у 18 разів. Ще 1 маса матерії перетворилася у енергію гравітаційних хвиль. Про реєстрацію було повідомлено 15 листопада 2017 року.

• 14 серпня 2017 року — зафіксовано гравітаційні хвилі від об'єкту GW170814. Про відкриття повідомлено 27 вересня 2017.

• 17 серпня 2017 року уперше зафіксовано процес злиття двох нейтронних зірок, яке було виявлено в гамма-випроміненні і в гравітаційних хвилях (GW170817). Про відкриття повідомлено 16 жовтня 2017.

• 28 червня 2023 року, Лабораторія реактивного руху NASA (JPL) повідомила, що група вчених оголосила про отримання перших доказів стосовно фону довгохвильових гравітаційних хвиль, які заповнюють космічний Всесвіт. Зазначається, що міжнародна співпраця понад 15 років збирала високоточні дані з наземних радіотелескопів, шукаючи ці гравітаційні хвилі. Фонові хвилі, виявлені NANOGrav (консорціум із майже 200 астрономів, що займається виявленням гравітаційних хвиль за допомогою спостереження мілісекундних пульсарів з використанням радіотелескопів Грін-Бенк у США та Аресібо у Пуерто-Рико), можуть допомогти вченим краще зрозуміти, як утворюються гравітаційні хвилі та що з ними відбувається, коли вони поширюються у Всесвіті.

Див. також

• eLISA — проект космічного інтерферометра для реєстрації гравітаційних хвиль.
• Оглядач великого вибуху
• GEO600
• Гравітаційні хвилі та 6 питань космології, які вони можуть вирішити [Архівовано 9 березня 2016 у Wayback Machine.] - Science Ukraine 20.02.2016