Слабите потрепвания, изкривяващи пространство-времето, които наричаме гравитационни вълни, са трудни за откриване и учените успяха да ги регистрират едва през последните години.
Но сега екип изследователи изчисли, че тези вълни могат да оставят по-трайни следи от преминаването си - следи, които също можем да открием.
Общата теория на относителността на Айнщайн е най-успешната теория за пространството, времето и гравитацията. Според тази елегантна рамка силата на гравитацията е проявление на кривината на пространство-времето, която се произвежда от присъствието на материя или енергия.
"Пространство-времето казва на материята как да се движи, материята казва на пространство-времето как да се извива", обяснява легендарният физик Джон Уилър.
Общата теория на относителността прави много забележими прогнози и досега е преминала всички експериментални тестове. Например, една от ключовите прогнози е съществуването на гравитационни вълни, които бяха открити наскоро от LIGO и Virgo.
Независимо от безспорния успех на теорията на Айнщайн, съществуват теоретични причини да очакваме тя да се разпадне в някакъв режим - например при изключително високи енергии (вж "Може ли всички наши научни знания да се срутят като кула от карти?"). Това означава, че Общата теория на относителността няма да може напълно да опише физиката на някои явления, като сингулярността в черните дупки, случай, в който прогнозите на не се съгласуват с наблюденията.
Наблюдаването на такова несъответствие би предоставило ценна информация за природата на нашата Вселена. Поради тази причина експерименталното тестване на Общата теория на относителността е една от ключовите мисии на научните колаборации LIGO и Virgo.
Гравитационните вълни, създадени от сблъскващи се черни дупки и други екстремни космически явления, са преходни по природа. Но изследователите предричаха през 70-те години, че преминаващите вълни могат да оставят трайни следи в детекторите. Последните подобрения на обсерваториите за гравитационни вълни LIGO и Virgo значително повишиха тяхната чувствителност, създавайки нов интерес към тези прогнозни ефекти.
По тази причина, Еана Фланаган (Éanna Flanagan) от Университета Корнел, Ню Йорк, и колегите му усъвършенстваха математическата рамка, използвана за описване на така наречените постоянни гравитационни вълни, които предсказват три нови наблюдения в процеса.
Рамката, разработена от екипа, свързва възможните измерими ефекти с кривината на пространствено-времето при сблъсъци на черни дупки.
Гравитационните вълни нарушават формата на пространство-времето, променяйки относителните позиции, скоростите, ускоренията и траекториите на физическите обекти. Тези обекти не се връщат към първоначалните си конфигурации, след като преминат вълните, създавайки „постоянен” ефект, който учените биха могли да измерят.
Един пример за измерима постоянна промяна е прогнозираното изместване на относителните позиции на огледалата на LIGO.
Друг пример за тези постоянни наблюдаеми гравитационни вълни включва подобен ефект на времевата дилатация, при който силното гравитационно поле забавя времето.
Тъй като гравитационните вълни деформират пространството и времето, два изключително прецизни и синхронизирани часовника на различни места, например атомни часовници, може да се засегнат от гравитационните вълни, показвайки различни времена след преминаването на вълните.
Математическата рамка на екипа обяснява предварително предсказаните постоянни наблюдаеми ефекти, включително примера с огледалото на LIGO, в една единствена математическа формулировка и също предвижда три нови.
Малкият брой сблъсъци на черна дупка, открити досега от LIGO и Virgo, е недостатъчен, за да осигури данните, необходими за откриване на постоянни гравитационни вълни. Но повишената честота на откриване, очаквана от модернизираните детектори, може да промени тази ситуация. Откриването на трите новооткрити наблюдаеми ефекта обаче ще изисква нови типове обсерватории.
Virgo Collaboration
LIGO в търсене на постоянни гравитационни вълни и физика отвъд ОТО
Източниците на наблюдаваните гравитационни вълни са изключително бързо движещи се и компактни обекти, така че ни позволяват директно да изследваме динамичната и силната гравитация. LIGO и Virgo поставят някои от първите наблюдателни ограничения върху отклоненията от Теорията на относителността в този режим.
Теорията на Айнщайн прави конкретни предсказания за свойствата на гравитационните вълни, но разширенията на относителността не трябва да налагат същите ограничения. Например, ако Общата теория на относителността е правилна, тези вълни трябва да се разпространяват със скоростта на светлината, но това не се изисква в някои алтернативни теории. Откриването на гравитационното събитие GW170817 заедно с гама лъчите от същото събитие даде строги ограничения на разликата в скоростите.
Общата теория на относителността също така предвижда, че гравитационните вълни трябва да се появят само в две поляризации, които определят посоките, в които пространството се разтегля и свива от вълната. Поляризациите могат да се представят като аналогия с електромагнитните вълни (светлината), които могат да се образуват от електрически и магнитни полета, които осцилират в два различни модела или две поляризации. Например поляризираните слънчеви очила работят като блокират една от тези поляризации.
Шестте поляризации, разрешени в общите "метрични" [1] теории на гравитацията. Панелите (а) и (b) означават съответно поляризациите "+" и "×", разрешени от Общата теория на относителността. В тези два случая изкривяването на пространството-времето е в равнина, перпендикулярна на посоката, в която се движи гравитационната вълна (т.е. извън страницата): първоначално кръглият пръстен от частици се разтяга в една посока в тази равнина, а се свива в перпендикулярна на нея посока в същата равнина, което се повтаря. Панелите (c) до (f) означават поляризации, които не са разрешени в Общата теория на относителността. Панел (с) отново показва напречна поляризация, докато панелите (d) до (f) илюстрират изкривявания, които се разпространяват в посока (показана от стрелката), която лежи в същата равнина като пространствено-времевото изкривяване. (Кредит: Clifford Will, Living Reviews in Relativity)
Според Айнщайн гравитационните вълни също имат две поляризации, които могат да бъдат идентифицирани по начина, по който те алтернативно разтягат и притискат пръстен от свободно падащи частици или в модел "+", или "×", както е показано на панелите (а) и (b) на горната фигура. Поради техните геометрични свойства, двете поляризации, позволени от Общата теория на относителността, понякога се наричат "тензорни поляризации". Но алтернативните метрични [1] теории на гравитацията могат да позволят до шест модела на поляризация, включително разрешените от Общата теория на относителността - всички те са показани в горната фигура. Данните за съществуването на някаква алтернативна "не-тензорна" поляризация би било пряка индикация за физика отвъд Общата теория на относителността. Откриването на GW170814 дава първата експериментална подсказка за поляризацията на гравитационните вълни.
Наред с краткотрайните сигнали, които са открити досега, LIGO и Virgo също търсят дълготрайни непрекъснати вълни. Бързо въртящи се неутронни звезди или пулсари [2] са един очакван източник на тези сигнали. Неутронните звезди са колапсирали ядра от масивни звезди, които са изчерпали горивото си. Те имат малко по-голяма маса от слънчевата (∼ 2,0 × 10 30 кг), опакована в сфера с радиус 10 км.
Пулсарите излъчват изключително периодични електромагнитни импулси (обикновено на радиочестота). Ако имат асиметричен бум, пулсарите също ще излъчват гравитационни вълни, обикновено на два пъти по-голяма от тяхната постоянна честота на въртене. LIGO и Virgo редовно търсят такива гравитационни тонове, насочвайки се към стотици известни пулсари. Откриването на непрекъсната вълна би предоставило уникална възможност за изучаване на поляризациите на гравитационните вълни. Това е така, защото дълготрайността на такъв сигнал би позволила да се различи ефектът от различните поляризации, дори с един единствен детектор. Това обикновено не е възможно с настоящата мрежа от детектори за гравитационни вълни и откритите досега краткотрайни сигнали.
Представа на художник за пулсар. Кредит: Joeri van Leeuwen, Лиценз: CC-BY-AS
В изследване на LIGO за първи път се търсят гравитационни вълни, идващи от набор от 200 пулсара, без предварително да се приема, че сигналите са поляризирани, както е предсказано от Айнщайн. Това търсене използва данни от първото наблюдение на детекторите на Advanced LIGO. Изследователите използват информация за пулсари, получени чрез радио и гама-наблюдения.
"Макар да не открихме никакви сигнали, все пак произведохме първите горни граници [3] за деформации [4] отвъд Айнщайн от всеки от тези пулсари. Това е важно, защото поради естеството на търсенията на непрекъсната вълна, предишните анализи биха пропуснали пропуснали сигнали за нестандартни поляризации, дори и да са силни. Също така тези ограничения по принцип могат да бъдат превърнати в ограничения на специфични разширения на Общата теория на относителността".
"С тези резултати също така показахме стабилността на метода за търсене, който използва строга статистика, за да ни позволи да търсим всички поляризации по ефективен начин. В бъдеще търсенето ще бъде разширено, за да бъде чувствително към сигнали на повече честоти", отбелязват изследователите.
Детекторите LIGO-Virgo са включени отново на 1 април и оттогава откриват поне едно събитие за гравитационна вълна седмично.
Бележки:
1. Метрична теория: Метричните теории са голям клас теории за гравитацията, характеризиращи се с това, че описват ефекта на гравитацията върху материята и енергията чрез прост математически обект, наречен метричен тензор. Общата теория на относителността е метрична теория и по същество всички нейни жизнеспособни алтернативи - също. За повече информация относно алтернативните теории вижте този преглед.
2. Пулсари: Неутронни звезди, които са наблюдавани чрез импулсите на електромагнитното излъчване (обикновено в радиочестотния обхват). Голяма част от неутронните звезди, които очакваме да съществуваме, не могат да бъдат наблюдавани като пулсари, защото не излъчват електромагнитно излъчване или защото електромагнитното им излъчване не се излъчва по посока на Земята.
3. Горна граница: Декларация за максималната стойност, която някое количество може да има, докато е в съответствие с данните. Тук количеството, което представлява интерес, е максималната вътрешна гравитационна вълнова амплитуда на даден непрекъснат вълнов сигнал, пристигащ на Земята. Използва се граница от 95% степен на увереност, т.е. като има данни с сигнал с фиксирана амплитуда, би могло да се открият в 95% от времето.
4. Деформация: Дробното изменение на разстоянието между две точки на измерване, дължащо се на деформация на пространство-времето при преминаването на гравитационна вълна. Типичната деформация от гравитационните вълни, достигащи Земята, е изключително малка.
Справка:
Persistent gravitational wave observables: General framework, Éanna É. Flanagan, Alexander M. Grant, Abraham I. Harte, and David A. Nichols, Phys. Rev. D 99, 084044 (2019)
Freely readable preprint of the paper describing the details of the full analysis and results: "First search for nontensorial gravitational waves from known pulsars," by B. P. Abbott et al. (LIGO and Virgo collaborations).
Източник:
Synopsis: Persistence of Gravitational-Wave Memory, Physics
Gravitational Waves Could Be Leaving Some Weird Lasting Effects in Their Wake, ScienceAlert
FIRST SEARCH FOR CONTINUOUS GRAVITATIONAL WAVES BEYOND GENERAL RELATIVITY, LIGO
Още по темата
Космос
LIGO улови втора гравитационна вълна за този месец
Физика
Детекторите LIGO и Virgo отварят новия ловен сезон за гравитационни вълни
Физика
Гравитационните вълни могат да разкрият нови ултралеки частици тъмна материя
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари