Войти
Двоичные системы, состоящие из двух массивных объектов, вращающихся вокруг друг друга, являются важным источником для гравитационно-волновой астрономии. Система испускает гравитационное излучение на орбите, которое уносит энергию и импульс, заставляя орбиту сокращаться. Здесь показана двойная система белый карлик, важный источник для космических детекторов, таких как LISA. Возможное слияние белых карликов может привести к сверхновой, представленной взрывом на третьей панели. Гравитационно-волновая астрономия - это развивающаяся ветвь наблюдательной астрономии, цель которого - использовать гравитационные волны (мелкие искажения пространства-времени, предсказанные теорией общей теории относительности Альберта Эйнштейна ) для сбора данных наблюдений. данные об объектах, таких как нейтронные звезды и черные дыры, событиях, таких как сверхновые, и процессах, в том числе в ранней Вселенной вскоре после Большой взрыв.
Гравитационные волны имеют прочную теоретическую основу, основанную на теории относительности. Впервые они были предсказаны Эйнштейном в 1916 году; хотя они и являются частным следствием общей теории относительности, они являются общей чертой всех теорий гравитации, которые подчиняются специальной теории относительности. Однако после 1916 года велись долгие споры, были ли волны на самом деле физическими или артефактами свободы координат в общей теории относительности; это не было полностью решено до 1950-х годов. Косвенные наблюдательные доказательства их существования впервые были получены в конце 1980-х годов в результате мониторинга двойного пульсара Халса – Тейлора (обнаружено в 1974 г.); орбита пульсара эволюционировала точно так же, как и следовало ожидать от излучения гравитационных волн. За это открытие Халс и Тейлор были удостоены Нобелевской премии по физике 1993 года.
11 февраля 2016 года было объявлено, что коллаборация LIGO впервые непосредственно наблюдала гравитационные волны в сентябре 2015 года. Второе наблюдение гравитационных волны были составлены 26 декабря 2015 г. и объявлены 15 июня 2016 г. Барри Бэриш, Кип Торн и Райнер Вайс были удостоены Нобелевской премии 2017 г. Физика за руководство этой работой.
Кривые шума для выбора детекторов гравитационных волн в зависимости от частоты. На очень низких частотах работают массивы хронирования пульсаров, европейский массив хронирования пульсаров (EPTA) и будущий международный массив хронирования пульсаров (IPTA); на низких частотах используются космические детекторы, ранее предложенная космическая антенна лазерного интерферометра (LISA) и предлагаемая в настоящее время усовершенствованная космическая антенна лазерного интерферометра (eLISA), а на высоких частотах - наземные детекторы, первые Гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром (LIGO) и ее усовершенствованная конфигурация (aLIGO). Также показаны характерные напряжения потенциальных астрофизических источников. Для обнаружения характерная деформация сигнала должна быть выше кривой шума. Частоты обычных гравитационных волн очень низкие, и их гораздо труднее обнаружить, в то время как более высокие частоты возникают в более драматических событиях и, таким образом, становятся первыми, которые наблюдаются.
Помимо слияния черных дыр, слияние двойной нейтронной звезды было обнаружено напрямую: гамма-всплеск (GRB) был обнаружен орбитальным Монитор гамма-всплесков Fermi 17 августа 2017 г., 12:41:06 UTC, запускает автоматическое уведомление по всему миру. Шесть минут спустя единственный детектор в Hanford LIGO, гравитационно-волновой обсерватории, зарегистрировал кандидата в гравитационные волны, произошедшие за 2 секунды до гамма-всплеска. Этот набор наблюдений согласуется со слиянием двойной нейтронной звезды, о чем свидетельствует переходное событие с множеством мессенджеров, о котором сигнализирует гравитационно-волновой и электромагнитный (гамма-всплеск, оптический и инфракрасный) - спектр наблюдений.
В 2015 году проект LIGO был первым, кто непосредственно наблюдал гравитационные волны с помощью лазерных интерферометров. Детекторы LIGO наблюдали гравитационные волны от слияния двух черных дыр звездной массы, что соответствует предсказаниям общей теории относительности. Эти наблюдения продемонстрировали существование двойных систем черных дыр звездных масс и были первым прямым обнаружением гравитационных волн и первым наблюдением слияния двойных черных дыр. Это открытие было охарактеризовано как революционное для науки, поскольку мы подтвердили нашу способность использовать гравитационно-волновую астрономию для прогресса в наших поисках и исследованиях темной материи и Большого взрыва.
Там. несколько текущих научных коллабораций по наблюдению гравитационных волн. Существует всемирная сеть наземных детекторов, это лазерные интерферометры километрового масштаба, в том числе: гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром (LIGO), совместный проект MIT, Caltech и ученые из LIGO Scientific Collaboration с детекторами в Ливингстоне, Луизиана и Хэнфорде, Вашингтон ; Дева, в Европейской гравитационной обсерватории, Кашина, Италия; GEO600 в Зарштедт, Германия, и детектор гравитационных волн Камиока (KAGRA), эксплуатируемый Токийским университетом в Обсерватория Камиока, Япония. LIGO и Virgo в настоящее время обновляются до своих расширенных конфигураций. Advanced LIGO начала наблюдения в 2015 году, обнаруживая гравитационные волны, хотя еще не достигнув проектной чувствительности. Более продвинутая KAGRA начала наблюдение 25 февраля 2020 года. GEO600 в настоящее время работает, но его чувствительность делает наблюдение маловероятным; его основная цель - испытать технологию.
Альтернативным средством наблюдения является использование синхронизирующих массивов пульсаров (PTA). Существует три консорциума: European Pulsar Timing Array (EPTA), Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) и Parkes Pulsar Timing Array (PPTA), которые сотрудничают как International Pulsar Timing Array. В них используются существующие радиотелескопы, но поскольку они чувствительны к частотам в диапазоне наногерц, для обнаружения сигнала требуются многие годы наблюдений, и чувствительность детектора постепенно улучшается. Текущие границы приближаются к ожидаемым для астрофизических источников.
В будущем, возможно, появятся космические детекторы. Европейское космическое агентство выбрало гравитационно-волновую миссию для своей миссии L3, в связи с запуском в 2034 году текущая концепция - это усовершенствованная космическая антенна с лазерным интерферометром (eLISA). Также в разработке находится японская обсерватория гравитационных волн с интерферометром Децигерц (DECIGO).
Астрономия традиционно полагалась на электромагнитное излучение. Исходя из видимого диапазона, по мере развития технологий стало возможным наблюдать другие части электромагнитного спектра, от радио до гамма-лучей. Каждая новая полоса частот открывала новый взгляд на Вселенную и знаменовала новые открытия. В течение ХХ века косвенные, а затем и прямые измерения массивных частиц высокой энергии открыли дополнительное окно в космос. В конце 20 века обнаружение солнечных нейтрино положило начало области нейтринной астрономии, дающей представление о ранее недоступных явлениях, таких как внутренняя работа Солнца. Наблюдение гравитационных волн предоставляет дополнительные средства для проведения астрофизических наблюдений.
Рассел Халс и Джозеф Тейлор были удостоены Нобелевской премии по физике 1993 за демонстрацию того, что орбитальный распад пары нейтронных звезд, одна из которых является пульсаром, соответствует предсказаниям общей теории относительности гравитационного излучения. Впоследствии были обнаружены многие другие двойные пульсары (включая одну систему двойных пульсаров ), и все они соответствовали предсказаниям гравитационных волн. В 2017 году Нобелевская премия по физике была присуждена Райнеру Вайсу, Кипу Торну и Барри Бэришу за их роль в первом обнаружении гравитационных волн.
Гравитационные волны предоставляют дополнительную информацию к информации, полученной другими способами. Комбинируя наблюдения одного события, сделанные с использованием различных средств, можно получить более полное представление о свойствах источника. Это известно как астрономия с несколькими мессенджерами. Гравитационные волны также можно использовать для наблюдения за системами, которые невидимы (или почти невозможно обнаружить) для измерения любыми другими способами. Например, они предоставляют уникальный метод измерения свойств черных дыр.
Гравитационные волны могут излучаться многими системами, но для получения обнаруживаемых сигналов источник должен состоять из чрезвычайно массивных объектов, движущихся со значительной долей скорости света. Основной источник - это двоичный файл из двух компактных объектов. Примеры систем включают:
Помимо двойных систем, есть и другие потенциальные источники:
Гравитационные волны слабо взаимодействуют с веществом. Это то, что затрудняет их обнаружение. Это также означает, что они могут свободно перемещаться по Вселенной и не поглощаются или рассеиваются, как электромагнитное излучение. Следовательно, можно увидеть центр плотных систем, таких как ядра сверхновых или Галактический Центр. Также возможно заглянуть дальше назад во времени, чем с помощью электромагнитного излучения, поскольку ранняя Вселенная была непрозрачна для света до рекомбинации, но прозрачна для гравитационных волн
<38.>Способность гравитационных волн свободно перемещаться в материи также означает, что детекторы гравитационных волн, в отличие от телескопов, не нацелены на наблюдение одного поля зрения но наблюдайте за всем небом. Детекторы более чувствительны в одних направлениях, чем в других, и это одна из причин, по которой полезно иметь сеть детекторов. Направленность также плохая из-за небольшого количества детекторов.Космическая инфляция, гипотетический период, когда Вселенная быстро расширялась в течение первых 10 секунд после Большого взрыва, породила бы гравитационные волны; которые оставили бы характерный отпечаток в поляризации реликтового излучения.
Можно рассчитать свойства первичных гравитационных волн на основе измерений структур в микроволновом излучение, и используйте эти расчеты, чтобы узнать о ранней Вселенной.
Центр управления LIGO в Хэнфорде Как молодая область исследований, гравитационно-волновая астрономия все еще находится в разработке; однако в сообществе астрофизиков существует консенсус в отношении того, что эта область будет развиваться, чтобы стать признанным компонентом астрономии с несколькими мессенджерами 21-го века.
Наблюдения за гравитационными волнами дополняют наблюдения в электромагнитном спектре. Эти волны также обещают предоставить информацию способами, которые невозможно при обнаружении и анализе электромагнитных волн. Электромагнитные волны могут поглощаться и повторно излучаться способами, которые затрудняют извлечение информации об источнике. Однако гравитационные волны слабо взаимодействуют с веществом, что означает, что они не рассеиваются и не поглощаются. Это должно позволить астрономам по-новому взглянуть на центр сверхновой, звездные туманности и даже сталкивающиеся ядра галактик.
Наземные детекторы дали новую информацию о спиральной фазе и слиянии двойных систем двух черных дыр звездных масс, а также слияния двух нейтронных звезд. Они также могли обнаруживать сигналы от сверхновых с коллапсом ядра и от периодических источников, таких как пульсары с небольшими деформациями. Если есть правда в предположениях об определенных видах фазовых переходов или всплесков перегиба от длинных космических струн в очень ранней Вселенной (на космических временах около 10 секунд), они также могут быть обнаружены. Детекторы космического базирования, такие как LISA, должны обнаруживать такие объекты, как двойные системы, состоящие из двух белых карликов, и AM CVn-звезд (белый карлик, аккрецирующий материю от своего двойного партнера., гелиевая звезда с малой массой), а также наблюдать слияние сверхмассивных черных дыр и спираль меньших объектов (от одной до тысячи солнечных масс ) в такие черные дыры. LISA также должен иметь возможность слышать источники того же типа из ранней Вселенной, что и наземные детекторы, но на еще более низких частотах и со значительно повышенной чувствительностью.
Обнаружение излучаемых гравитационных волн - сложная задача. Он включает в себя сверхстабильные высококачественные лазеры и детекторы, откалиброванные с чувствительностью не менее 2 · 10 Гц, как показано на наземном детекторе GEO600. Также было высказано предположение, что даже из-за крупных астрономических событий, таких как взрывы сверхновых, эти волны, вероятно, деградируют до вибраций размером с атомный диаметр.
Астрономический портал 