Astronomie gravitačních vln

Gravitační vlnová astronomie  je odvětví astronomie, které studuje vesmírné objekty studiem jejich gravitačního záření registrací jeho přímého účinku na detektory gravitačních vln [3] . Jedná se o rychle rostoucí obor pozorovací astronomie , který využívá gravitační vlny (malé deformace v časoprostoru předpovězené Einsteinovou obecnou teorií relativity ) ke sběru dat o objektech, jako jsou neutronové hvězdy a černé díry , o událostech, jako jsou výbuchy supernov a různých procesech. , včetně vlastností raného vesmíru krátce po velkém třesku [3] .

Teoretický základ gravitačních vln vychází z teorie relativity. Poprvé je předpověděl Einstein v roce 1916 ; jejich existence vyplývá z obecné teorie relativity, objevují se ve všech teoriích gravitace, které podléhají speciální teorii relativity [4] . Nepřímé potvrzení jejich existence se poprvé objevilo v roce 1974 po měřeních binárního systému Hulse-Taylor PSR B1913+16 , jehož dráha se měnila přesně podle předpovědi teorie gravitačních vln [5] . Russell Hulse a Joseph Taylor byli za tento objev oceněni v roce 1993 Nobelovou cenou za fyziku [6] . Následně vědci pozorovali mnoho pulsarů v binárních systémech (včetně jednoho systému binárních pulsarů PSR J0737-3039 ) a chování všech z nich bylo v souladu s teorií gravitačních vln [7] .

11. února 2016 bylo oznámeno, že LIGO poprvé přímo pozorovalo gravitační vlny v září 2015 [8] [9] [10] .

Za experimentální detekci gravitačních vln v roce 2017 byla udělena Nobelova cena za fyziku vědcům Barry Barish , Kip Thorne a Rainer Weiss [11] [12] .

Pozorování

Frekvence gravitačních vln je většinou velmi nízká, takové vlny se poměrně obtížně odhalují. Vlny s vyššími frekvencemi se vyskytují během dramatičtějších událostí, což z nich dělá první pozorované vlny.

Vysoké frekvence

V letech 2015-2016 projekt LIGO poprvé v historii přímo pozoroval gravitační vlny pomocí laserových interferometrů [13] [14] . Detektory LIGO detekovaly gravitační vlny ze sloučení dvou černých děr o hvězdné hmotnosti , což je v souladu s předpověďmi obecné teorie relativity . Tato pozorování ukázala existenci binárních systémů černých děr s hvězdnou hmotností a byla první přímou detekcí gravitačních vln a prvním pozorováním procesu slučování binárního systému černých děr [15] . Tento objev byl popsán jako revoluční pro vědu, protože zavedl možnost použití gravitační vlnové astronomie ke zkoumání temné hmoty a velkého třesku .

Pozorováním gravitačních vln se zabývá několik vědeckých spoluprací . Vybudoval celosvětovou síť pozemních detektorů, kilometrových laserových interferometrů , včetně: Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO), společného projektu Massachusetts Institute of Technology , Caltech a vědců z LIGO Scientific Collaborations detektory v Livingstonu v Louisianě a na místě komplexu Hanford ; Panna na Evropské gravitační observatoři, v obci Cascina u Pisy v Itálii ; GEO600 v Sarstedtu poblíž Hannoveru v Německu a KAGRA provozovaná Tokijskou univerzitou na observatoři Kamioka, v podzemním dole Mozumi v části Kamioka města Hida v prefektuře Gifu v Japonsku . LIGO a Virgo procházejí v roce 2016 modernizací . Vylepšený detektor LIGO začal s pozorováním v roce 2015 a detekoval gravitační vlny před dosažením maximální citlivosti; vylepšený detektor Panny by měl začít pozorovat v roce 2016 . Modernizace detektoru KAGRA je plánována na rok 2018 . GEO600 je v současné době funkční, ale jeho citlivost činí detekci vln nepravděpodobnou; jeho hlavním úkolem je otestovat technologii.

Nízké frekvence

Také pozorování gravitačních vln se provádí pomocí časování pulsarových polí.. Používají jej tři konsorcia: EPTA (Evropa), Severoamerická Nanohertz Gravitational Wave Observatory (NANOGrav) a PPTA ( Parkes Pulsar Timing Array ) na Parkes Observatory (Austrálie) [16] ; všichni společně spolupracují v rámci IPTA. Tato technologie využívá konvenční radioteleskopy, ale protože jsou citlivé na frekvence v nanohertzovém rozsahu a citlivost detektoru se postupně zlepšuje, trvá detekci signálu mnoho let. Současné odhady se blíží odhadům očekávaným pro astrofyzikální zdroje [17] .

Střední rozsah

Do budoucna se nabízí možnost využití vesmírných detektorů. Evropská kosmická agentura vybrala misi s gravitačními vlnami jako misi L3, která odstartuje v roce 2034, současná koncepce je laserová interferometrická vesmírná anténa  (eLISA) [18] . Ve vývoji je japonský projekt DECIGO(interferometr gravitačních vln v rozsahu decihertzů).

Vědecký potenciál

Astronomie se tradičně spoléhala na elektromagnetické záření, počínaje viditelným světlem a jak technologie pokročila, přebírala další části elektromagnetického spektra , od rádiové emise po gama záření . Každé nové frekvenční pásmo poskytlo nový pohled na Vesmír a předznamenalo nové objevy [19] . Na konci 20. století vytvořila registrace slunečních neutrin nové odvětví neutrinové astronomie , které dává představu o dříve nepřístupných jevech badatelům, jako jsou vnitřní procesy Slunce [20] [21] . Podobně gravitační vlny dávají vědcům nový nástroj pro provádění astrofyzikálních pozorování.

Teoretickým základem astronomie gravitačních vln je obecná teorie relativity [22] . Gravitační vlny umožňují získat další informace k informacím získaným jinými prostředky. Kombinací pozorování stejné události pomocí různých prostředků lze získat úplnější obrázek o vlastnostech zdroje. Gravitační vlny lze využít k pozorování systémů, které jsou jiným způsobem neviditelné (nebo téměř nemožné detekovat), například poskytují unikátní metodu pro studium vlastností černých děr.

Díky moderním detektorům gravitačních vln pracujících na frekvencích 1 kHz je možné studovat stav vesmíru po velkém třesku při teplotě GeV , která je mnohem vyšší než energie, na kterou dokážou urychlit elementární částice moderní urychlovače [3]. [22] .

Mnoho systémů vysílá gravitační vlny, ale aby se vytvořil signál, který lze detekovat, musí se zdroj skládat z velmi masivních objektů pohybujících se rychlostí blízkou rychlosti světla . Hlavním zdrojem gravitačních vln jsou binární systémy dvou kompaktních objektů . Příklady takových systémů:

• Kompaktní binární systémy dvou objektů o hvězdné hmotnosti obíhajících blízko sebe, jako jsou bílí trpaslíci , neutronové hvězdy nebo černé díry . Širší dvojhvězdy, které mají nižší orbitální frekvence, jsou zdrojem pro detektory jako je LISA [23] [24] . Husté dvojhvězdy poskytují signál pro pozemní detektory, jako je LIGO [25] . Pozemní detektory jsou schopny detekovat binární systémy obsahující černou díru střední hmotnosti nebo několik stovek hmotností Slunce [26] [27] .
• Binární soustavy supermasivních černých děr , skládající se ze dvou černých děr o hmotnostech 10 5 −10 9 hmotností Slunce . Supermasivní černé díry se nacházejí v centrech galaxií. Když galaxie splynou, jejich centrální supermasivní černé díry se pravděpodobně také spojí [28] . Jsou potenciálně nejsilnějšími zdroji gravitačních vln. Nejmasivnější binární systémy jsou zdrojem pro PTA detektory (pulsar timing array)[ co? ] [29] . Méně masivní binární systémy (asi milion slunečních hmot) jsou zdrojem pro takové vesmírné detektory jako LISA [30] .
• Systémy s extrémně vysokým hmotnostním poměrem, skládající se ze supermasivní černé díry a kompaktního hvězdného hmotného objektu, který kolem ní obíhá. Jsou to zdroje pro takové detektory jako LISA [30] . Systémy s vysokou orbitální excentricitou vytvářejí výbuch gravitačního záření při průchodu periapsou [31] . Systémy s téměř kruhovými dráhami, u kterých se očekává, že budou pozorovány na konci orbitálního setkání, vyzařují spojité spektrum v rámci šířky pásma detektoru LISA [32] . Orbitální přiblížení systémů s velkým hmotnostním poměrem lze pozorovat na mnoha drahách. Díky tomu dokonale odrážejí rysy geometrie okolního časoprostoru a umožňují kontrolovat přesnost obecné teorie relativity [33] .

Kromě binárních systémů existují další potenciální zdroje:

• Supernovy generují vysokofrekvenční záblesky gravitačních vln, které mohou detekovat LIGO nebo Virgo [34] .
• Rotující neutronové hvězdy s osovou asymetrií jsou zdrojem spojitých vysokofrekvenčních vln [35] [36] .
• Procesy v raném vesmíru, jako je inflace nebo fázový přechod [37] .
• Kosmické struny , pokud existují, mohou také produkovat gravitační záření [38] . Detekce těchto gravitačních vln potvrdí existenci kosmických strun.

Gravitační vlny slabě interagují s hmotou. Proto je obtížné je detekovat, a proto mohou volně cestovat vesmírem, aniž by byly absorbovány nebo rozptýleny jako vlny elektromagnetického záření. S pomocí gravitačních vln lze tedy vidět střed hustých systémů: jádro supernovy nebo galaktický střed . A také vzdálenější události v čase než při použití elektromagnetického záření, protože raný vesmír před rekombinací byl neprůhledný pro světlo, ale průhledný pro gravitační vlny.

Schopnost gravitačních vln volně procházet hmotou také znamená, že detektory gravitačních vln , na rozdíl od konvenčních dalekohledů , nejsou omezeny na zorné pole , ale pozorují celou oblohu. Detektory však mají úzkou citlivost, proto jsou mimo jiné spojeny do sítě detektorů [39] .

Během kosmické inflace

Kosmická inflace , hypotetické období rychlé expanze vesmíru v prvních 10 −36 sekundách po Velkém třesku , měla být zdrojem gravitačních vln; měly zanechat charakteristickou stopu v polarizaci kosmického mikrovlnného pozadí [40] [41] [22] . Mikrovlnná měření mohou být použita k výpočtu vlastností prvotních gravitačních vln a pomocí těchto dat se dozvědět více o raném vesmíru [42] .

Vývoj

Jako mladá oblast výzkumu je astronomie gravitačních vln v plenkách; v astrofyzikální komunitě však panuje shoda, že toto odvětví se bude nadále vyvíjet a stane se nedílnou součástí vícekanálové astronomie v 21. století. Pozorování gravitačních vln doplňují pozorování elektromagnetického spektra [43] [44] . Tyto vlny slibují poskytnout informace, které nelze získat prostřednictvím elektromagnetických vln. Elektromagnetické vlny se na své cestě zkreslují – jsou pohlcovány a znovu vysílány, což komplikuje proces získávání informací o zdroji. Gravitační vlny naopak slabě interagují s hmotou, a proto se nerozptylují a nejsou absorbovány. Tato funkce astronomům umožní nový pohled na střed supernovy, hvězdné mlhoviny a dokonce i srážky galaktických jader.

Pozemní detektory gravitačních vln poskytly nová data o fázi orbitálního setkání a o sloučení binárních hvězdných hmot černých děr a o binárních systémech skládajících se z jedné takové černé díry a neutronové hvězdy (která by měla také produkovat gama záblesky ) . . Mohou také detekovat signály z kolapsu jádra supernovy az periodických zdrojů, jako jsou pulsary s nízkou deformací. Pokud je hypotéza o určitých typech fázových přechodů nebo vírových vzplanutí z dlouhých kosmických strun ve velmi raném vesmíru ( asi 10 −25 sekund v kosmickém čase ) správná, pak je lze také detekovat [45] . Kosmické detektory, jako je LISA, budou muset detekovat binární systémy bílých trpaslíků , jako jsou AM Hounds of the Dogs (kde se hmota chudá na vodík shromažďuje z kompaktní héliové hvězdy s nízkou hmotností na bílého trpaslíka ), a budou také schopny pozorovat sloučení supermasivních černých děr a orbitální přiblížení malých objektů (mezi jednou a tisíci slunečních hmot ) do takových černých děr. LISA bude schopna přijímat signály ze stejných zdrojů raného vesmíru jako pozemní detektory, ale na nižších frekvencích a s mnohem vyšší citlivostí [46] .

Detekce emitovaných gravitačních vln je obtížný úkol. Zahrnuje vytvoření ultrastabilních vysoce kvalitních laserů a detektorů kalibrovaných s citlivostí alespoň 2·10 −22 Hz −1/2 , jak je ukázáno na pozemním detektoru GEO600 [47] . Navíc se ukázalo, že i v důsledku velkých astronomických událostí, jako jsou výbuchy supernov, se mohou gravitační vlny rozpadnout na extrémně malé vibrace s amplitudou průměru atomu [48] .

Poznámky

1. ↑ Peters, P. . Gravitační záření z bodových hmot na keplerovské dráze (1963), s. 435–440.
2. ↑ Peters, P. . Gravitační záření a pohyb dvou bodových hmot (1964), s. B1224–B1232.
3. ↑ 1 2 3 M. V. Sazhin Moderní kosmologie v populárním podání. - M .: Editorial URSS, 2002. - ISBN 5-354-00012-2  - Náklad 2500 výtisků. - S. 130-133.
4. ↑ Schutz, Bernard F. . Gravitační vlny na zadní straně obálky (1984), s. 412.
5. ↑ Hulse, R. A. . Objev pulsaru ve dvojkové soustavě (1975), str. L51.
6. ↑ Nobelova cena za fyziku 1993 . Šlechtická nadace. Získáno 3. května 2014. Archivováno z originálu 14. října 2013. (neurčitý)
7. ↑ Schody, Ingrid H. . Testování obecné relativity pomocí pulzního časování (2003), str. 5.
8. ↑ Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger , s. 061102. Archivováno z originálu 11. února 2016. Staženo 26. června 2020.
9. ↑ Castelvecchi, Davide . Einsteinovy ​​gravitační vlny konečně nalezeny  (11. února 2016). Archivováno z originálu 12. února 2016. Staženo 11. února 2016.
10. ↑ Redakční rada . The Chirp Heard Across the Universe , New York Times  (16. února 2016). Archivováno z originálu 31. března 2019. Staženo 16. února 2016.
11. ↑ Nobelova cena za fyziku 2017 . www.nobelprize.org. Získáno 4. října 2017. Archivováno z originálu 12. srpna 2018. (neurčitý)
12. ↑ Vjačeslav Nedogonov Vesmír je balón s perem Archivní kopie z 13. října 2017 na Wayback Machine // Novaya Gazeta . - 2017. - č. 114. - 13. 10. 2017 - S. 18 - 19
13. ↑ Sbohem, Dennisi . Fyzici detekují gravitační vlny, Proving Einstein Right , New York Times  (11. února 2016). Archivováno z originálu 11. února 2016. Staženo 11. února 2016.
14. ↑ Krauss, Lawrence . Finding Beauty in the Darkness , New York Times  (11. února 2016). Archivováno z originálu 12. dubna 2019. Staženo 11. února 2016.
15. ↑ Abbott, B. P. . Pozorování gravitačních vln ze sloučení binárních černých děr  (  11. února 2016).
16. ↑ Fyzici našli univerzální „hodiny“ ve vesmíru: jsou přesnější než atomové // hightech.fm, 14. července 2022
17. ↑ Sesana, A. . Systematické zkoumání očekávaného signálu gravitačních vln ze supermasivních dvojhvězd černých děr v časovém pásmu pulsaru (22. května 2013), str. L1–L5.
18. ↑ Nová vize ESA studovat neviditelný vesmír . ESA. Získáno 29. listopadu 2013. Archivováno z originálu 14. října 2018. (neurčitý)
19. ↑ Longair, Malcolm. Kosmické století: dějiny astrofyziky a kosmologie  (anglicky) . - Cambridge University Press , 2012. - ISBN 1107669367 .
20. ↑ Bahcall, John N. Neutrinová astrofyzika . - Přetištěno.. - Cambridge: Cambridge University Press , 1989. - ISBN 052137975X .
21. ↑ Bahcall, John Jak svítí slunce . Nobelova cena (9. června 2000). Získáno 10. 5. 2014. Archivováno z originálu 20. 4. 2014. (neurčitý)
22. ↑ 1 2 3 Grischuk L. P. Gravitační vlnová astronomie // Einsteinova sbírka 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - str. 329-350
23. ↑ Nelemans, Gijs . Popředí galaktické gravitační vlny (7. května 2009), s. 094030.
24. ↑ Stroeer, A. Verifikační binární soubory LISA (7. října 2006), s. S809–S817.
25. ↑ Abadie, J. Předpovědi rychlostí kompaktních binárních koalescencí pozorovatelných pozemními detektory gravitačních vln (7. září 2010), str. 173001.
26. ↑ Měření středněhmotných dvojhvězd s černými dírami pomocí pokročilých detektorů gravitačních vln . Skupina gravitační fyziky . University of Birmingham. Získáno 28. listopadu 2015. Archivováno z originálu 6. září 2018. (neurčitý)
27. ↑ Pozorování neviditelných srážek středně hmotných černých děr . LIGO vědecká spolupráce . Získáno 28. listopadu 2015. Archivováno z originálu 12. února 2019. (neurčitý)
28. ↑ Volonteri, Marta . Historie shromáždění a sloučení supermasivních černých děr v hierarchických modelech formování galaxií (10. ledna 2003), s. 559–573.
29. ↑ Sesana, A. . Stochastické pozadí gravitačních vln z masivních binárních systémů černých děr: důsledky pro pozorování pomocí časovacích polí Pulsar (11. října 2008), str. 192–209.
30. ↑ 12 Amaro -Seoane, Pau . Věda o nízkofrekvenčních gravitačních vlnách s eLISA/NGO (21. června 2012), s. 124016.
31. ↑ Berry, C.P.L. Pozorování masivní černé díry Galaxie se záblesky gravitačních vln (12. prosince 2012), str. 589–612.
32. ↑ Amaro-Seoane, Pau . Střední a extrémní inspirace hmotnostního poměru – astrofyzika, vědecké aplikace a detekce pomocí LISA (7. září 2007), str. R113–R169.
33. ↑ Gair, Jonathan . Testování obecné teorie relativity pomocí nízkofrekvenčních, prostorově založených gravitačních vlnových detektorů (2013), str. 7.
34. ↑ Kotake, Kei . Mechanismus exploze, záblesk neutrin a gravitační vlna u supernov s kolapsem jádra (1. dubna 2006), s. 971–1143.
35. ↑ Abbott, B. . Vyhledávání periodických gravitačních vln z neznámých izolovaných zdrojů a Scorpius X-1: Výsledky druhého vědeckého běhu LIGO (2007), s. 082001.
36. ↑ Hledání nejmladších neutronových hvězd v galaxii . LIGO vědecká spolupráce . Získáno 28. listopadu 2015. Archivováno z originálu 12. února 2019. (neurčitý)
37. ↑ Binetruy, Pierre . Kosmologická pozadí gravitačních vln a eLISA/NGO: fázové přechody, kosmické struny a další zdroje (13. června 2012), s. 027–027.
38. ↑ Damour, Thibault . Gravitační záření z kosmických (super)strun: Výbuchy, stochastické pozadí a pozorovací okna (2005), s. 063510.
39. ↑ Schutz, Bernard F. Sítě detektorů gravitačních vln a tři čísla za zásluhy (21. června 2011), s. 125023.
40. ↑ Hu, Wayne . A CMB polarizační primer (1997), str. 323–344.
41. ↑ Kamionkowski, Marc . Statistika polarizace kosmického mikrovlnného pozadí (1997), s. 7368–7388.
42. ↑ Boris Stern , Valerij Rubakov . Astrofyzika. Možnost Trinity. - M., AST, 2020. - str. 116-131
43. ↑ Looking for the Afterglow: The LIGO Perspective  (září 2015), s. 10. Archivováno z originálu 17. listopadu 2015. Staženo 28. listopadu 2015.
44. ↑ PLÁNOVÁNÍ NA SVĚTLÝ ZÍTRA: VYHLÍDKY GRAVITAČNÍ VLNY ASTRONOMIE S POKROČILÝM LIGO A POKROČILOU PANNOU . LIGO vědecká spolupráce . Získáno 31. prosince 2015. Archivováno z originálu 26. prosince 2018. (neurčitý)
45. ↑ Cutler & Thorne, 2002 , odd. 2.
46. ↑ Cutler & Thorne, 2002 , odd. 3.
47. ↑ Viz Seifert F., et al., 2006 , odd. 5.
48. ↑ Viz Golm & Potsdam, 2013 , odd. čtyři.

Literatura

• Cutler, Curt; Thorne, Kip S. Přehled zdrojů gravitačních vln // Proceedings of 16th International Conference on General Relativity and Gravitation (GR16). - World Scientific , 2002. - S. 4090. - ISBN 981-238-171-6 . - arXiv : gr-qc/0204090 . - .
• Gravitační vlnová astronomie , Max Planck Institute for Gravitational Physics , < http://www.einstein-online.info/elementary/gravWav > . Staženo 24. ledna 2013. 
• Seifert, F., Kwee, P., Heurs, M., Willke, B., & Danzmann, K. Stabilizace výkonu laseru pro detektory gravitačních vln druhé generace // Písmena optiky. - 2006. - T. 31, č. 13. - S. 2000-2002. - doi : 10.1364/OL.31.002000 . — PMID 16770412 .

Odkazy

• Vědecká  spolupráce LIGO
•  AstroGravS: Archiv astrofyzikálních zdrojů gravitačních vln
• Video (4:36) - Detekce gravitační vlny , Dennis Overby , New York Times (11. února 2016)  (angl.)
• Video (71:29) – Tisková konference oznamuje objev: „LIGO detekuje gravitační vlny“ , National Science Foundation (11. února 2016  )