Гравитационные волны - это «пульсации» в пространстве-времени, вызванные некоторыми из самых сильных процессов во Вселенной. Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в 1916 году в своей общей теории относительности. Математика Эйнштейна показала, что массивные ускоряющиеся объекты (такие как нейтронные звезды или черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга) будут нарушать пространство-время таким образом, что «волны» волнообразного пространства-времени будут распространяться во всех направлениях от источника. Эти космические волны будут распространяться со скоростью света, неся с собой информацию об их происхождении, а также подсказки о природе самой гравитации.
Самые сильные гравитационные волны возникают в результате катастрофических событий, таких как сталкивающиеся черные дыры, сверхновые звезды (массивные звезды, взрывающиеся в конце своего времени жизни) и сталкивающиеся нейтронные звезды. Другие волны, как предсказывают, вызваны вращением нейтронных звезд, которые не являются идеальными сферами, и, возможно, даже остатками гравитационного излучения, созданного Большим взрывом.
Иллюстрация ниже показывает, как гравитационные волны испускаются двумя нейтронными звездами, когда они вращаются вокруг друг друга, а затем объединяются. Обратите внимание, что сами гравитационные волны невидимы. Они сделаны видимыми здесь, чтобы проиллюстрировать их распространение вдали от источника.
Хотя Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в 1916 году, первое доказательство их существования появилось только в 1974 году, через 20 лет после его смерти. В том же году два астронома, использующие радиообсерваторию Аресибо в Пуэрто-Рико, обнаружили бинарный пульсар , именно тот тип системы, который, как предсказывает общая теория относительности, должен излучать гравитационные волны. Зная, что это открытие может быть использовано для проверки смелых предсказаний Эйнштейна, астрономы начали измерять, как орбиты звезд со временем менялись. После восьми лет наблюдений, они определили, что звезды становятся ближе друг к другу в точно скоростях предсказанных общей теорией относительности, если они излучали гравитационные волны.
С тех пор многие астрономы изучали радиоизлучение пульсаров (пульсары - это нейтронные звезды, испускающие пучки радиоволн) и обнаружили аналогичные эффекты, еще раз подтверждая существование гравитационных волн. Но эти подтверждения всегда приходили косвенно или математически, а не через прямой контакт.
Все это изменилось 14 сентября 2015 года, когда LIGO (лазерный интерферометр – гравитационно-волновая обсерватория MIT) физически обнаружил колебания в пространстве-времени, вызванные гравитационными волнами, создаваемыми двумя сталкивающимися черными дырами на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Открытие LIGO войдет в историю как одно из величайших научных достижений человечества.
В то время как процессы, которые генерируют гравитационные волны, могут быть чрезвычайно сильными и разрушительными, к тому времени, когда волны достигают Земли, они в тысячи миллиардов раз меньше! Фактически, к тому времени, когда гравитационные волны от первого обнаружения LIGO достигли нас, количество колебания пространства-времени, которое они генерировали, было в 1000 раз меньше, чем ядро атома! Такие невероятно маленькие измерения - это то, для чего LIGO был разработан.
Зачем их обнаруживать?
Исторически ученые почти исключительно полагались на электромагнитное (ЭМ) излучение (видимый свет, рентгеновские лучи, радиоволны, микроволны и т. Д.) для изучения Вселенной. Некоторые пытаются использовать субатомные частицы, также называемые нейтрино. Каждый из этих «посланников» информации предоставляет ученым разные, но дополняющие друг друга взгляды на Вселенную.
Гравитационные волны, однако, совершенно не связаны с электромагнитным излучением. Они так же отличаются от света, как слух от зрения. Представьте, что люди - это вид, у которого есть только глаза и нет ушей. Вы можете многое узнать об окружающем вас мире, просто изучая свет от объектов. Затем, однажды, кто-то изобретает то, что они называют ухом. Это устройство воспринимает вибрации в воздухе или воде, о которых вы раньше не знали. Это ухо открывает совершенно новую область наблюдения, к которой у вас не было доступа, просто изучая электромагнитное излучение! Как антенна, способная обнаруживать вибрации в «среде» пространства-времени, LIGO сродни человеческому уху, способному обнаруживать вибрации в среде, такой как воздух или вода.
Именно так LIGO открыл новое «окно» во вселенную. Такие вещи, как сталкивающиеся черные дыры, совершенно невидимы для астрономов ЭМ. Для ЛИГО такие события являются маяками в огромном космическом море.
Что еще более важно, поскольку гравитационные волны очень слабо взаимодействуют с веществом (в отличие от электромагнитного излучения, которое может поглощаться, отражаться, преломляться или изгибаться), они проходят через Вселенную практически беспрепятственно, что дает нам четкое представление о Вселенной гравитационных волн. Волны несут информацию об их происхождении, свободную от искажений или изменений, испытываемых электромагнитным излучением при прохождении через межгалактическое пространство.
Гравитационные волны, которые обнаруживает LIGO, вызваны некоторыми дырами, сливающимися нейтронными звездами, взрывающимися звездами и, возможно, даже рождением самой Вселенной.
Обнаружение и анализ информации, переносимой гравитационными волнами, позволяет нам наблюдать Вселенную как никогда ранее, предоставляя астрономам и другим ученым первые проблески буквально невидимых чудес. LIGO снял завесу тайны во Вселенной и тем самым открыл новые захватывающие исследования в области физики, астрономии и астрофизики.