Гравітаційна хвиля

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

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, але, зважаючи на їхню надзвичайно малу величину, поки не зареєстровані безпосередньо. Однак, непрямі свідчення їх існування досить вагомі — теорія випромінювання гравітаційних хвиль дозволяє розрахувати темпи зближення тісних систем подвійних зір, 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 й описується двома незалежними компонентами (має дві поляризації).

Генерація гравітаційних хвиль[ред.ред. код]

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}{c T}\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).

Гравітаційний колапс подвійної системи[ред.ред. код]

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, понад 50% маси системи[Джерело?].

Реліктові гравітаційні хвилі[ред.ред. код]

Реєстрація гравітаційних хвиль[ред.ред. код]

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 проект детектора запропонував американський фізик Джозеф Вебер[en]. Спроби виявлення гравітаційних хвиль робляться з кінця 1960-х років, але досі немає достовірних відомостей про їх безпосередню реєстрацію[1]. 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[2].

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[3].

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[1]. 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?].

Див. також[ред.ред. код]


Джерела[ред.ред. код]

  1. а б Сергей Попов, Михаил Прохоров (2 2007). Призрачные волны Вселенной. Вокруг Света (2). Процитовано 24.10.2015. (рос.)
  2. LIGO: A Quest for Gravity Waves. Astro GuyzMarch 12, 2010
  3. Космический дуэт кружится все быстрее. Новости RosInvest.Com. 9 июня 2005 г. Процитовано 24.10.2015. (рос.)