Gravitációs hullám csillagászat

A gravitációs hullám-csillagászat  a csillagászat azon ága, amely az űrobjektumokat vizsgálja gravitációs sugárzásuk tanulmányozásával, regisztrálva annak közvetlen hatását a gravitációs hullámdetektorokra [3] . Ez a megfigyelési csillagászat egy gyorsan növekvő területe , amely gravitációs hullámokat (az Einstein általános relativitáselmélete által megjósolt téridő apró vetemedéseit ) használja adatok gyűjtésére olyan objektumokról, mint a neutroncsillagok és a fekete lyukak , az olyan eseményekről, mint a szupernóva -robbanások és különféle folyamatok. , beleértve a korai univerzum tulajdonságait röviddel az Ősrobbanás után [3] .

A gravitációs hullámok elméleti alapja a relativitáselméletre épül. Először Einstein jósolta meg őket 1916-ban ; létezésük az általános relativitáselméletből következik, minden olyan gravitációs elméletben megjelennek, amely a speciális relativitáselmélet hatálya alá tartozik [4] . Létezésük közvetett megerősítése először 1974 -ben jelent meg a PSR B1913+16 Hulse-Taylor bináris rendszer mérései után, amelynek pályája pontosan úgy változott, ahogy azt a gravitációs hullámok elmélete megjósolta [5] . Russell Hulse és Joseph Taylor 1993 - ban fizikai Nobel-díjat kapott ezért a felfedezésért [6] . Ezt követően a tudósok számos pulzárt figyeltek meg bináris rendszerekben (köztük egy PSR J0737-3039 bináris pulzárrendszert is ), és mindegyik viselkedése összhangban volt a gravitációs hullámok elméletével [7] .

2016. február 11- én jelentették be, hogy a LIGO 2015 szeptemberében figyelt meg először közvetlenül gravitációs hullámokat [8] [9] [10] .

A gravitációs hullámok kísérleti kimutatásáért 2017 -ben a fizikai Nobel-díjat Barry Barish , Kip Thorne és Rainer Weiss tudósok kapták [11] [12] .

Észrevételek

A gravitációs hullámok frekvenciája általában nagyon alacsony, az ilyen hullámokat meglehetősen nehéz észlelni. A magasabb frekvenciájú hullámok drámaibb események során fordulnak elő, így ezek az első megfigyelt hullámok.

Magas frekvenciák

2015-2016-ban a LIGO projekt a történelem során először figyelt meg közvetlenül gravitációs hullámokat lézeres interferométerekkel [13] [14] . A LIGO detektorok két csillagtömegű fekete lyuk egyesüléséből származó gravitációs hullámokat észleltek , összhangban az általános relativitáselmélet előrejelzéseivel . Ezek a megfigyelések csillagtömegű fekete lyuk bináris rendszerek létezését mutatták ki, és a gravitációs hullámok első közvetlen észlelése, valamint egy bináris fekete lyukrendszer egyesülési folyamatának első megfigyelése [15] . Ezt a felfedezést forradalminak nevezték a tudomány számára, mivel lehetővé tette a gravitációs hullámok csillagászatának alkalmazását a sötét anyag és az Ősrobbanás vizsgálatára .

Számos tudományos együttműködés foglalkozik a gravitációs hullámok megfigyelésével . Földi detektorok, kilométeres lézer interferométerek világméretű hálózatát építette ki , beleértve: Lézer Interferometrikus Gravitációs Hullám Obszervatóriumot (LIGO), a Massachusetts Institute of Technology , a Caltech és a LIGO Tudományos Együttműködés tudósainak közös projektjét .detektorokkal Livingstonban, Louisianában és a Hanford Complex helyén ; Szűz , az Európai Gravitációs Obszervatóriumban, az olaszországi Pisa melletti Cascina községben ; GEO600 a németországi Hannover melletti Sarstedtben és a KAGRA , amelyet a Tokiói Egyetem üzemeltet a Kamioka Obszervatóriumban, a Mozumi földalatti bányában a japán Gifu prefektúrában Hida város Kamioka részében . A LIGO és a Virgo 2016 -ban frissül . A továbbfejlesztett LIGO detektor 2015 -ben kezdett megfigyelni, és a gravitációs hullámokat észlelte, mielőtt elérte volna maximális érzékenységét; a továbbfejlesztett Virgo detektor várhatóan 2016 -ban kezdi meg a megfigyelést . A KAGRA detektor korszerűsítését 2018 -ra tervezik . A GEO600 jelenleg üzemképes, de érzékenysége miatt a hullámérzékelés valószínűtlen; fő feladata a technológia tesztelése.

Alacsony frekvenciák

Ezenkívül a gravitációs hullámok megfigyelése pulzártömbök időzítésével történik.. Három konzorcium használja: az EPTA (Európa), az észak-amerikai Nanohertz Gravitational Wave Observatory (NANOGrav) és a PPTA ( Parkes Pulsar Timing Array ) a Parkes Obszervatóriumban (Ausztrália) [16] ; együttesen az IPTA keretein belül működnek együtt. Ez a technológia hagyományos rádióteleszkópokat használ, de mivel ezek érzékenyek a nanohertzes tartományban lévő frekvenciákra, és a detektor érzékenysége fokozatosan javul, sok évbe telik a jel észlelése. A jelenlegi becslések közel állnak az asztrofizikai forrásokra várt értékekhez [17] .

Középtartomány

A jövőben lehetőség nyílik térdetektorok alkalmazására. Az Európai Űrügynökség a gravitációs hullám küldetést választotta L3 küldetésnek, amely 2034-ben indul, a jelenlegi koncepció a Laser Interferometric Space Antenna  (eLISA) [18] . A japán DECIGO projekt fejlesztés alatt áll(gravitációs hullámok interferométere a decihertz tartományban).

Tudományos potenciál

A csillagászat hagyományosan az elektromágneses sugárzásra támaszkodott, kezdve a látható fénnyel , és a technológia fejlődésével az elektromágneses spektrum más részeit is átveszi , a rádiósugárzástól a gamma-sugárzásig . Minden új frekvenciasáv új képet adott az Univerzumról, és új felfedezéseket vetített előre [19] . A XX. század végén a szoláris neutrínók regisztrálása a neutrínócsillagászat egy új ágát hozta létre , amely képet ad a kutatók számára korábban elérhetetlen jelenségekről, például a Nap belső folyamatairól [20] [21] . Hasonlóképpen, a gravitációs hullámok új eszközt adnak a tudósoknak az asztrofizikai megfigyelések elvégzéséhez.

A gravitációs hullámcsillagászat elméleti alapja az általános relativitáselmélet [22] . A gravitációs hullámok lehetővé teszik, hogy a más módon nyert információkon felül további információkhoz jussunk. Ugyanazon esemény megfigyelésének különböző eszközökkel történő kombinálásával teljesebb képet kaphatunk a forrás tulajdonságairól. A gravitációs hullámok segítségével más módon is megfigyelhetők a láthatatlan (vagy szinte lehetetlen) rendszerek, például egyedülálló módszert nyújtanak a fekete lyukak tulajdonságainak tanulmányozására.

Az 1 kHz-es frekvencián működő modern gravitációs hullámdetektoroknak köszönhetően lehetőség nyílik az Univerzum Ősrobbanás utáni állapotának tanulmányozására GeV hőmérsékleten , amely sokkal magasabb, mint amennyi energiára a modern gyorsítók fel tudják gyorsítani az elemi részecskéket [3] [22] .

Sok rendszer gravitációs hullámokat bocsát ki, de ahhoz, hogy érzékelhető jelet hozzon létre, a forrásnak nagyon nagy tömegű, közel fénysebességgel mozgó objektumokból kell állnia . A gravitációs hullámok fő forrása két kompakt objektum bináris rendszere . Példák ilyen rendszerekre:

• Két egymás mellett keringő csillagtömegű objektum, például fehér törpék , neutroncsillagok vagy fekete lyukak kompakt bináris rendszerei . A szélesebb binárisok, amelyek alacsonyabb orbitális frekvenciájúak, olyan detektorok forrásai, mint például a LISA [23] [24] . A sűrű binárisok jelet adnak a földi detektorokhoz, például a LIGO -hoz [25] . A földi detektorok képesek észlelni egy közepes tömegű fekete lyukat vagy több száz naptömeget tartalmazó bináris rendszereket [26] [27] .
• Szupermasszív fekete lyukak bináris rendszerei , amelyek két fekete lyukból állnak , amelyek tömege 10 5 - 10 9 naptömeg . Szupermasszív fekete lyukak találhatók a galaxisok középpontjában. Amikor a galaxisok egyesülnek, feltehetően központi szupermasszív fekete lyukaik is egyesülnek [28] . Ezek a potenciálisan a legerősebb gravitációs hullámforrások. A legmasszívabb bináris rendszerek a PTA detektorok (pulzáris időzítő tömb) forrásai.[ mi? ] [29] . Kisebb tömegű bináris rendszerek (körülbelül egymillió naptömeg) az olyan űrdetektorok forrása, mint a LISA [30] .
• Rendkívül nagy tömegarányú rendszerek, amelyek egy szupermasszív fekete lyukból és egy körülötte keringő kompakt csillagtömegű objektumból állnak. Olyan detektorok forrásai, mint a LISA [30] . A nagy orbitális excentricitású rendszerek gravitációs sugárzást hoznak létre a periapszison való áthaladás során [31] . A közel körkörös pályával rendelkező rendszerek, amelyeket várhatóan egy orbitális találkozás végén észlelnek, folytonos spektrumot bocsátanak ki a LISA detektor sávszélességén belül [32] . A nagy tömegarányú rendszerek orbitális megközelítése számos pályán megfigyelhető. Emiatt tökéletesen tükrözik a környező téridő geometriájának jellemzőit, és lehetővé teszik az általános relativitáselmélet [33] pontosságának ellenőrzését .

A bináris rendszereken kívül más lehetséges források is léteznek:

• A szupernóvák nagy frekvenciájú gravitációs hullámokat generálnak, amelyeket a LIGO vagy a Virgo [34] képes észlelni .
• Az axiális aszimmetriájú forgó neutroncsillagok folyamatos nagyfrekvenciás hullámok forrásai [35] [36] .
• A korai Univerzum folyamatai, mint például az infláció vagy a fázisátalakulás [37] .
• A kozmikus húrok , ha léteznek, gravitációs sugárzást is előállíthatnak [38] . Ezeknek a gravitációs hullámoknak az észlelése megerősíti a kozmikus húrok létezését.

A gravitációs hullámok gyengén kölcsönhatásba lépnek az anyaggal. Ezért nehéz észlelni őket, és ezért szabadon áthaladhatnak az univerzumban anélkül, hogy elektromágneses sugárzásként elnyelnék vagy szétszóródnának . Így a gravitációs hullámok segítségével láthatjuk a sűrű rendszerek középpontját: a szupernóva magját vagy a galaktikus központot . És időben távolabbi események is, mint az elektromágneses sugárzás alkalmazásakor, mivel a korai Univerzum a rekombináció előtt átlátszatlan volt a fény számára, de átlátszó a gravitációs hullámok számára.

A gravitációs hullámok azon képessége, hogy szabadon áthaladjanak az anyagon, azt is jelenti, hogy a gravitációs hullámdetektorok a hagyományos teleszkópokkal ellentétben nem korlátozódnak a látómezőre , hanem az egész égboltot megfigyelik. A detektorok azonban szűk érzékenységűek, ezért egyebek mellett detektorhálózattá egyesítik őket [39] .

Kozmikus infláció idején

A kozmikus infláció , a világegyetem gyors tágulásának feltételezett időszaka az Ősrobbanás utáni első 10–36 másodpercben , a gravitációs hullámok forrásának kellett volna lennie; jellegzetes nyomot kellett volna hagyniuk a kozmikus mikrohullámú háttér polarizációjában [40] [41] [22] . A mikrohullámú mérések segítségével kiszámíthatóak a primordiális gravitációs hullámok tulajdonságai, és ezen adatok segítségével többet megtudhatunk a korai univerzumról [42] .

Fejlesztés

Fiatal kutatási területként a gravitációs hullámcsillagászat gyerekcipőben jár; az asztrofizikai közösségben azonban egyetértés van abban, hogy ez az iparág tovább fog fejlődni, és a 21. században a többcsatornás csillagászat szerves részévé válik . A gravitációs hullám megfigyelések kiegészítik az elektromágneses spektrum megfigyeléseit [43] [44] . Ezek a hullámok olyan információkat ígérnek, amelyeket elektromágneses hullámokkal nem lehet megszerezni. Az elektromágneses hullámok torzulnak útjuk során - elnyelik és újra kibocsátják, ami megnehezíti a forrásról való információszerzés folyamatát. A gravitációs hullámok éppen ellenkezőleg, gyengén kölcsönhatásba lépnek az anyaggal, ezért nem szóródnak szét és nem nyelődnek el. Ez a funkció lehetővé teszi a csillagászok számára, hogy friss pillantást vethessenek a szupernóva, a csillagköd és a galaktikus atommagok ütközésének középpontjába.

A földi gravitációs hullámdetektorok új adatokat szolgáltattak az orbitális találkozás fázisáról és a bináris csillagtömegű fekete lyukak egyesüléséről , valamint az egy ilyen fekete lyukból és egy neutroncsillagból álló kettős rendszerekről (amelyek gamma-kitöréseket is produkálnak ) . Szupernóvamag -összeomlásból és időszakos forrásokból, például alacsony vetemedésű pulzárokból származó jeleket is észlelnek . Ha igaz az a hipotézis, hogy bizonyos típusú fázisátalakulások vagy örvénykitörések hosszú kozmikus húrokból erednek a nagyon korai Univerzumban ( kozmikus időben kb. 10-25 másodperc ), akkor ezek is kimutathatók [45] . A kozmikus detektoroknak, például a LISA-nak fel kell ismerniük a fehér törpék bináris rendszereit, mint például az AM Hounds of the Dogs (ahol a hidrogénszegény anyag egy kompakt, kis tömegű héliumcsillagból fehér törpévé halmozódik fel ), és képes lesz megfigyelni a szupermasszív fekete lyukak egyesülése és kisméretű objektumok (egy és több ezer naptömeg közötti ) orbitális megközelítése ilyen fekete lyukakká. A LISA képes lesz jeleket fogadni a korai Univerzum ugyanazon forrásaiból, mint a földi detektorok, de alacsonyabb frekvencián és sokkal nagyobb érzékenységgel [46] .

A kibocsátott gravitációs hullámok detektálása nehéz feladat. Magában foglalja az ultrastabil, kiváló minőségű lézerek és detektorok létrehozását, amelyek érzékenysége legalább 2 · 10 -22 Hz -1/2 , amint azt a földi detektor, a GEO600 [47] mutatja . Ezen túlmenően kimutatták, hogy a gravitációs hullámok még nagy csillagászati ​​események, például szupernóva-robbanások eredményeként is rendkívül kis, egy atomátmérőjű amplitúdójú rezgésekre bomlanak le [48] .

Jegyzetek

1. ↑ Peters, P. . Gravitációs sugárzás ponttömegekből Kepleri pályán (1963), 435–440.
2. ↑ Peters, P. . Gravitációs sugárzás és kétpontos tömegek mozgása (1964), B1224–B1232.
3. ↑ 1 2 3 M. V. Sazhin Modern kozmológia népszerű előadásban. - M .: Szerkesztői URSS, 2002. - ISBN 5-354-00012-2  - Példányszám: 2500 példány. - S. 130-133.
4. ↑ Schutz, Bernard F. . Gravitációs hullámok egy boríték hátoldalán (1984), 412. o.
5. ↑ Hulse, R. A. . Pulzár felfedezése kettős rendszerben (1975), L51.
6. ↑ A fizikai Nobel-díj 1993 . Nemes Alapítvány. Letöltve: 2014. május 3. Az eredetiből archiválva : 2013. október 14.. (határozatlan)
7. ↑ Lépcsők, Ingrid H. . Az általános relativitáselmélet tesztelése pulzáridőzítéssel (2003), 5. o.
8. ↑ Gravitációs hullámok megfigyelése bináris fekete lyuk egyesüléséből , 061102. o.. Archiválva az eredetiből 2016. február 11-én. Letöltve: 2020. június 26.
9. ↑ Castelvecchi, Davide . Végre megtalálták Einstein gravitációs hullámait  (2016. február 11.). Archiválva az eredetiből 2016. február 12-én. Letöltve: 2016. február 11.
10. ↑ A szerkesztőbizottság . The Chirp Heard Across the Universe , New York Times  (2016. február 16.). Az eredetiből archiválva : 2019. március 31. Letöltve: 2016. február 16.
11. ↑ A fizikai Nobel-díj 2017 . www.nobelprize.org. Letöltve: 2017. október 4. Az eredetiből archiválva : 2018. augusztus 12.. (határozatlan)
12. ↑ Vjacseszlav Nedogonov Az univerzum egy léggömb tollal 2017. október 13-án kelt archív másolat a Wayback Machine -nél // Novaja Gazeta . - 2017. - 114. sz. - 2017.10.13. - S. 18 - 19
13. ↑ Viszlát, Dennis . Fizikusok észlelik a gravitációs hullámokat, bizonyítva, hogy Einstein igaza van , New York Times  (2016. február 11.). Az eredetiből archiválva : 2016. február 11. Letöltve: 2016. február 11.
14. ↑ Krauss, Lawrence . Finding Beauty in the Darkness , New York Times  (2016. február 11.). Archiválva az eredetiből 2019. április 12-én. Letöltve: 2016. február 11.
15. ↑ Abbott, B. P. . Gravitációs hullámok megfigyelése bináris fekete lyuk egyesüléséből  (  2016. február 11.).
16. ↑ A fizikusok univerzális „órát” találtak az űrben: pontosabbak, mint az atomok // hightech.fm, 2022. július 14.
17. ↑ Sesana, A. . A szupermasszív fekete lyuk binárisokból várható gravitációs hullám jelének szisztematikus vizsgálata a pulzáridőzítési sávban (2013. május 22.), L1–L5.
18. ↑ Az ESA új víziója a láthatatlan univerzum tanulmányozására . ESA. Letöltve: 2013. november 29. Az eredetiből archiválva : 2018. október 14.. (határozatlan)
19. ↑ Longair, Malcolm. Kozmikus század: az asztrofizika és a kozmológia története  (angol) . - Cambridge University Press , 2012. - ISBN 1107669367 .
20. ↑ Bahcall, John N. Neutrino Astrophysics . - Újranyomva.. - Cambridge: Cambridge University Press , 1989. - ISBN 052137975X .
21. ↑ Bahcall, John Hogyan süt a nap . Nobel-díj (2000. június 9.). Letöltve: 2014. május 10. Az eredetiből archiválva : 2014. április 20.. (határozatlan)
22. ↑ 1 2 3 Grischuk L. P. Gravitációs hullám csillagászat // Einstein-gyűjtemény 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - p. 329-350
23. ↑ Nelemans, Gijs . A Galaktikus gravitációs hullám előtér (2009. május 7.), 094030. o.
24. ↑ Stroeer, A. A LISA ellenőrző bináris fájljai (2006. október 7.), S809–S817.
25. ↑ Abadie, J. Előrejelzések a földi gravitációs hullámdetektorokkal megfigyelhető kompakt bináris koaleszcenciák sebességére (2010. szeptember 7.), 173001. o.
26. ↑ Közepes tömegű feketelyuk binárisok mérése fejlett gravitációs hullámdetektorokkal . Gravitációs Fizikai Csoport . Birminghami Egyetem. Letöltve: 2015. november 28. Az eredetiből archiválva : 2018. szeptember 6.. (határozatlan)
27. ↑ Köztes tömegű fekete lyukak láthatatlan ütközésének megfigyelése . LIGO Tudományos Együttműködés . Letöltve: 2015. november 28. Az eredetiből archiválva : 2019. február 12. (határozatlan)
28. ↑ Volonteri, Márta . The Assembly and Merging History of Supermassive Black Holes in Hierarchical Models of Galaxis Formation (2003. január 10.), 559–573.
29. ↑ Sesana, A. . A masszív fekete lyuk bináris rendszerek sztochasztikus gravitációs hullámának háttere: következmények a Pulsar Timing Arrays megfigyelésekhez (2008. október 11.), 192–209.
30. ↑ 12 Amaro -Seoane, Pau . Alacsony frekvenciájú gravitációs hullámok tudománya az eLISA/NGO-val (2012. június 21.), 124016. o.
31. ↑ Berry, C.P.L. A Galaxis hatalmas fekete lyukának megfigyelése gravitációs hullámkitörésekkel (2012. december 12.), 589–612.
32. ↑ Amaro-Seoane, Pau . Közepes és extrém tömegarányok – asztrofizika, tudományos alkalmazások és detektálás LISA segítségével (2007. szeptember 7.), R113–R169.
33. ↑ Gair, Jonathan . Az általános relativitáselmélet tesztelése alacsony frekvenciájú, űralapú gravitációs hullámdetektorokkal (2013), 7. o.
34. ↑ Kotake, Kei . Robbanási mechanizmus, neutrínókitörés és gravitációs hullám mag-összeomlású szupernóvákban (2006. április 1.), 971–1143.
35. ↑ Abbott, B. . Periodikus gravitációs hullámok keresése ismeretlen izolált forrásokból és Scorpius X-1: Results from the second LIGO science run (2007), 082001. o.
36. ↑ A galaxis legfiatalabb neutroncsillagainak keresése . LIGO Tudományos Együttműködés . Letöltve: 2015. november 28. Az eredetiből archiválva : 2019. február 12. (határozatlan)
37. ↑ Binetruy, Pierre . A gravitációs hullámok és az eLISA/NGO kozmológiai háttere: fázisátalakulások, kozmikus húrok és egyéb források (2012. június 13.), 027–027.
38. ↑ Damour, Thibault . Kozmikus (szuper)húrok gravitációs sugárzása: Kitörések, sztochasztikus háttér és megfigyelési ablakok (2005), 063510. o.
39. ↑ Schutz, Bernard F. Gravitációs hullámdetektorok hálózatai és három érdemjegy (2011. június 21.), 125023. o.
40. ↑ Hu, Wayne . A CMB polarizációs primer (1997), 323–344.
41. ↑ Kamionkowski, Marc . A kozmikus mikrohullámú háttérpolarizáció statisztikája (1997), 7368–7388.
42. ↑ Borisz Stern , Valerij Rubakov . Asztrofizika. Trinity lehetőség. - M., AST, 2020. - p. 116-131
43. ↑ Looking for the Afterglow: The LIGO Perspective  (2015. szeptember), 10. o.. Az eredetiből archiválva : 2015. november 17. Letöltve: 2015. november 28.
44. ↑ TERVEZÉS EGY FÉNYES HOLNAPRA: A GRAVITÁCIÓS HULLÁMÚ CSILLAGÁSZAT KITEKINTÉSE AZ ADVANCED LIGO ÉS A HALADÓ SZŰZ HASZNÁLATÁVAL . LIGO Tudományos Együttműködés . Letöltve: 2015. december 31. Az eredetiből archiválva : 2018. december 26.. (határozatlan)
45. ↑ Cutler & Thorne, 2002 , szek. 2.
46. ↑ Cutler & Thorne, 2002 , szek. 3.
47. ↑ Lásd Seifert F. et al., 2006 , sec. 5.
48. ↑ Lásd Golm & Potsdam, 2013 , sec. négy.

Irodalom

• Cutler, Curt; Thorne, Kip S. A gravitációs hullámforrások áttekintése // Proceedings of 16th International Conference on General Relativity and Gravitation (GR16). - World Scientific , 2002. - P. 4090. - ISBN 981-238-171-6 . - arXiv : gr-qc/0204090 . - .
• Gravitational Wave Astronomy , Max Planck Institute for Gravitational Physics , < http://www.einstein-online.info/elementary/gravWav > . Letöltve: 2013. január 24. 
• Seifert, F., Kwee, P., Heurs, M., Willke, B., & Danzmann, K. Lézerteljesítmény-stabilizálás második generációs gravitációs hullámdetektorokhoz // Optikai levelek. - 2006. - T. 31., 13. sz. - S. 2000-2002. - doi : 10.1364/OL.31.002000 . — PMID 16770412 .

Linkek

• LIGO Tudományos  Együttműködés
• AstroGravS: Asztrofizikai gravitációs hullámforrások  archívuma
• Videó (4:36) – Gravitációs hullám észlelése , Dennis Overby , New York Times (2016. február 11.)  (eng.)
• Videó (71:29) - Sajtókonferencia bejelentette a felfedezést: "LIGO Detects Gravitational Waves" , National Science Foundation (2016. február 11.  )