Гравитационные волны
Гравитационные волны — это рябь кривизны пространства-времени, распространяющаяся со скоростью света, генерируемая ускоряющимися массами, такими как обращающиеся компактные объекты, и теперь непосредственно детектируемые, что открывает новое окно во Вселенную.
Definition
Гравитационные волны — это распространяющиеся поперечные возмущения метрики пространства-времени, решения линеаризованных уравнений Эйнштейна, которые уносят энергию и импульс от ускоряющихся, несферически-симметричных распределений массы и растягивают и сжимают расстояния между свободно падающими пробными массами.
Scope
Эта область охватывает теорию гравитационного излучения: линеаризованные уравнения Эйнштейна и их волновые решения, две поперечные поляризации и влияние проходящей волны на свободные массы, квадрупольную формулу для излучения, астрофизические источники, а также методы лазерной интерферометрии и тайминга пульсаров, используемые для обнаружения волн и считывания свойств их источников.
Sub-topics
Core questions
- Как уравнения Эйнштейна предсказывают волновые решения и с какой скоростью они распространяются?
- Какие астрофизические системы излучают детектируемые гравитационные волны?
- Как можно измерить такие крошечные искажения пространства-времени?
- Какая новая астрофизика раскрывается благодаря обнаружению гравитационных волн?
Key concepts
- Линеаризованные уравнения Эйнштейна
- Поперечно-бесследовая калибровка
- Две поляризации (плюс и кросс)
- Квадрупольная формула
- Деформация
- Многоканальная астрономия
Key theories
- Линеаризованная гравитация и волновые решения
- Разложение метрики вокруг плоского пространства-времени и выбор подходящей калибровки сводит уравнения Эйнштейна к волновому уравнению, решениями которого являются поперечные, бесследовые гравитационные волны с двумя поляризациями, распространяющиеся со скоростью света.
- Квадрупольная формула
- В первом порядке светимость источника гравитационных волн определяется третьей производной по времени его квадрупольного момента массы, поэтому только несферические, ускоряющиеся распределения массы излучают, и излучение обычно очень слабое.
Clinical relevance
Астрономия гравитационных волн стала наблюдательной наукой: обнаружения сливающихся черных дыр и нейтронных звезд проверяют общую теорию относительности в сильнополевом, динамическом режиме, измеряют массы и спины компактных объектов, предоставляют независимый путь к определению скорости расширения Вселенной и, в сочетании со светом, позволяют проводить многоканальные исследования космических взрывов.
History
Эйнштейн предсказал гравитационные волны в 1916 году и долго сомневался в их реальности; косвенные доказательства были получены из орбитального распада двойного пульсара Халса-Тейлора в 1970-х годах, и после десятилетий разработки детекторов интерферометры LIGO произвели первое прямое обнаружение слияния черных дыр в 2015 году, что было отмечено Нобелевской премией 2017 года.
Debates
- Реальность и энергия гравитационных волн
- В течение десятилетий оспаривалось, являются ли гравитационные волны физическими или чисто калибровочными и переносят ли они энергию; аргумент с липкими бусинами и последующие обнаружения подтвердили, что они реальны и переносят энергию, хотя тонкости локализации гравитационной энергии сохраняются.
Key figures
- Albert Einstein
- Joseph Weber
- Rainer Weiss
- Kip Thorne
- Barry Barish
Related topics
Seminal works
- einstein1916b
- abbott2016
Frequently asked questions
- Что физически происходит, когда проходит гравитационная волна?
- Она попеременно растягивает пространство в одном поперечном направлении, одновременно сжимая перпендикулярное направление, изменяя расстояние между свободно падающими массами на крошечную долю; это осциллирующее напряжение и есть то, что интерферометры призваны измерять.
- Почему гравитационные волны так трудно обнаружить?
- Гравитация чрезвычайно слаба, поэтому даже сильные астрофизические события вызывают деформации порядка одной части на 10^21 на Земле, что требует интерферометров километрового масштаба, стабилизированных от всех конкурирующих источников шума, для измерения изменений расстояния, намного меньших ширины протона.