Говерт Шиллинг

Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

Сообщить о появлении
Загрузите файл EPUB или FB2 на Букмейт — и начинайте читать книгу бесплатно. Как загрузить книгу?
    Артем Богдановцитирует2 года назад
    Огромный шар из нейтронов примерно на 50% массивнее Солнца и размером с мегаполис вращался вокруг оси со скоростью около 642 оборотов в секунду.
    Артем Богдановцитирует2 года назад
    силу огромной плотности нейтронные звезды считаются самыми совершенными сферами в природе
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    Другая огромная загадка — темная энергия. Исследования расширения Вселенной показали, что пространство растет увеличивающимися темпами около 5 млрд лет. Здравый смысл говорит, что расширение должно замедляться вследствие взаимного притяжения галактик, однако оно ускоряется. Единственное объяснение, которое смогли предложить физики, — наличие в пустом пространстве загадочной «энергии отталкивания». Идея не нова. Она отчасти согласуется с квантовой теорией, и сам Альберт Эйнштейн ввел в свои уравнения подобие темной энергии — «космологическую константу» — еще до того, как Эдвин Хаббл открыл расширение Вселенной. Однако природа темной энергии также никому не известна.
    Серьезность проблемы становится очевидной, когда понимаешь, что темная материя и темная энергия в совокупности составляют до 96% общей плотности вещества и энергии во Вселенной. Иными словами, нам известны лишь жалкие 4% ее содержимого, остальное — совер
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    астрономы обнаружили косвенные свидетельства существования огромного количества темной материи. Ее невозможно увидеть — предположительно, темная материя даже не состоит из обычных атомов и молекул, — но можно зарегистрировать ее гравитацию. Внешние области галактик вращаются значительно быстрее, чем следует ожидать, исходя из количества содержащейся в них видимой материи. То же самое можно сказать о скоростях галактик в скоплениях. Кроме того, степень гравитационного линзирования скоплений галактик (отклонения света фонового источника силой тяготения скопления) можно объяснить только присутствием большого количества темной материи. Проблема в том, что никто не имеет представления о природе темной материи, и, несмотря на героические усилия физиков-
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    радиоастрономия познакомила нас с такими удивительными небесными телами, как пульсары и квазары. Наконец, астрономические наблюдения в рентгеновском и гамма-диапазоне «открыли вид» на Вселенную экстремальных температур и энергий, где взрываются звезды, сталкиваются галактики, распространяются ударные волны и существуют черные дыры.
    Появление новой области исследования всякий раз оборачивалось неожиданными открытиями и революционными догадками. В случае гравитационно-волновой астрономии у нас еще больше причин рассчитывать на сюр
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    Инфракрасная астрономия позволяет всмотреться вглубь облаков газа и пыли и узнать, как рождаются звезды и планеты. Ультрафиолетовая астрономия обнаруживает чрезвычайно разреженный газ в «пустом» пространстве между скоплениями галактик и позволяет понять физические процессы в недрах самых горячих звезд Млечного Пути. Астрономия миллиметрового диапазона поведала нам о слабом послесвечении Большого взрыва и дала подсказки относительно происхождения галактик и образования планет. Благодаря радиоастрономии составляются карты распределения нейтральных атомов водорода — самого распространенного элемента во Вселенной. Более того, ра
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    период любой волны обратно пропорционален ее частоте. Если волна имеет частоту 100 Гц, это значит, что 100 гребней (и ложбин) волны проходят мимо вас каждую секунду. Таким образом, период волны (время между прохождением двух соседних гребней) составляет 1/100 секунды. Волны частотой 1 Гц (один цикл в секунду), очевидно, имеют период 1 с.
    Итак, любой волновой феномен частотой 1 нГц (одна миллиардная герца) имеет период 1 млрд с. Это больше 30 лет! Если проходящая гравитационная волна имеет период 1 нГц, пространство медленно расширяется на неприметную величину в тече
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    Однако пульсар может дать непосредственное свидетельство о существовании неуловимых возмущений пространственно-временного континуума. Представим себе гравитационную волну, движущуюся сквозь Вселенную, попеременно сжимая и растягивая само пространство. При достаточно большой длине волны — означающей, что сжатие и растяжение происходят очень медленно, — можно будет зарегистрировать этот эффект, фиксируя время прибытия импульсов далекого пульсара. Когда пространство между Землей и пульсаром немного расширяется, импульсам требуется чуть больше времени, чтобы достичь радиотелескопа. Когда оно слегка сокращается, импульсы приходят немного
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    Итак, это произошло 1,3 млрд лет назад в безымянной далекой галактике. Два «завихрения» пространственно-временного континуума, каждый со своей кривизной, угодили в жестокий пространственно-временной «шторм», в котором слились в один более крупный «торнадо». Большая часть совокупного наличествующего искривления (почти 95%) пошла на формирование возникшей в итоге единой ЧД. Чуть меньше 5% (эквивалент трех масс Солнца) было преобразовано в гравитационные волны.
    Подставив три солнечные массы (6×1030 кг) и квадрат скорости света (9 × 1016 м2/с2) в знаменитую формулу Эйнштейна Е = mc2, получаем энергию 5,4 × 1047 Дж. Это в 16 квадриллионов раз больше всей выделенной энергии Солнца за день. Поскольку эта немыслимо большая энергия была высвобождена примерно за 15 мс, пиковая выходная мощность достигала невероятных 3,6×1049 Вт — в десятки раз больше совокупной мощности излучения всех звезд и галактик в наблюдаемой Вселенной.
    Когда Брюс Аллен, управляющий директор Ин
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    Если ЧД являются областями пространственно-временного континуума, откуда ничто не способно вырваться, как они могут терять массу? Изначально две ЧД были в 36 и в 29 раз массивнее Солнца, но после слияния осталась ЧД массой в 62 солнечных. Как три массы Солнца могли освободиться от гравитационного захвата двух ЧД?
    Самоочевидный ответ — они и не могли. Сливающиеся ЧД не исторгали материю, как по волшебству. В действительности не вполне правомерно говорить, что они вообще содержат материю. Независимо от способа формирования ЧД материя, попадающая в нее, изымается из сущего в центральной бесконечно малой точке с бесконечной большой плотностью — в терминологии физиков «сингулярности» ЧД. Физически сохраняется только сильное искривление пространственно-временного континуума. Говоря о массе ЧД, астрономы имеют в виду не определенное количество материи, а определенную степень искривления пространственно-временного континуума — одно из не
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    достаточно сильное точечное гравитационное поле должно проявлять ряд необычных свойств. Во-первых, вплоть до некоторого расстояния от него (названного радиусом Шварцшильда) пространственно-временной континуум испытывает настолько сильное искривление, что любое возможное движение в любом направлении завершается ближе к центру, чем началось. Иначе говоря, ничто не может покинуть область внутри радиуса Шварцвальда, будь то элементарная частица, космический корабль или свет. Во-вторых, гравитационное красное смещение в радиусе Шварцвальда насколько велико, что время не только существенно замедляется, но и полностью останавливается — по крайней мере с точки зрения внешнего наблюдателя. В-третьих, любая материя, пересекшая радиус Шварцвальда (иначе — горизонт событий), в итоге оказывается в самом центре с бесконечной плотностью, в математической точке нулевых размерностей. Во всяком случае, это следует из уравнений — что, возможно, свидетельствует о чрезвычайной неполноте на
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    наблюдения гравитационных волн представляют собой первое прямое доказательство существования ЧД. Действительно, поскольку, по определению, ЧД не излучает свет (как и любое другое электромагнитное излучение), она недоступна для непосредственного наблюдения — если только вы не «почувствуете» слабейшие вибрации, вызванные ею в ткани пространственно-временного континуума. Единственный способ прямой коммуникации ЧД с окружающим миром — посредством гравитации, единственный доступный им язык — язык гравитационных волн. Другие имеющиеся свидетельства их существования являются частными и косвенными [14].
    * * *
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    Например, ЧД вызывает деформацию окружающего пространственно-временного континуума. Искривление пространственно-временного континуума — это определенное количество энергии. Согласно Эйнштейну, энергия эквивалентна массе. Таким образом, энергия искривления вызывает некоторое добавочное искривление. Так называемые нелинейные характеристики ОТО делают любое вычисление очень сложным и длительным.
    Другую сложность представляет система координат. В теории всемирного тяготения Исаака Ньютона каждое событие можно было описать по отношению к абсолютному пространству и абсолютному времени. Пространство и время задавали инвариантную координатную систему. В ОТО Эйнштейна нет ничего абсолютного. Координатная система (пространственно-временной континуум) испы
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    Сразу за горизонтом событий гравитационные волны, возникшие в результате слияния черных дыр на расстоянии около 1000 км, на кратчайший миг растягивают и сжимают размеры любого объекта на величину до 1%. На первый взгляд немного, но достаточно, чтобы разрушить хрупкие химические связи большинства молекул. Вы бы этого не пережили. Всеобщий принцип относительности убил бы вас.
    С безопасного расстояния соединение двух ЧД, должно быть, представляет собой великолепное зрелище [1]. На пресс-конференции 11 февраля 2016 г. Торн показал компьютерную анимацию на основе того же научного алгоритма, что использовался в фильме «Интерстеллар». Две ЧД представлены в виде круглых дисков, чернильно-черными силуэтами выделяющихся на фоне звезд. При их орбитальном движении свет фоновых звезд отклоняется то в одну, то в другую сторо
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    Много миллионов лет две ЧД очень медленно сближались по спирали, поскольку излучение слабых гравитационных волн уносило энергию системы, как в случае пульсара Халса — Тейлора. По мере сближения взаимное обращение ЧД ускорялось. Чем выше ускорение, тем больше амплитуда гравитационных волн. Чем короче орбитальный период, тем, соответственно, выше частота гравитационных волн.
    Постепенно две ЧД сблизились на расстояние около 350 км, мчась по общей орбите со скоростью более половины скорости света. Затем в течение доли секунды они слились в намного более массивную ЧД — порядка 62 солнечных масс. Любой ученик начальной школы знает, что 36 + 29 = 65. Что случилось с тремя солнечными массами? Они были превращены в энергию (E = mc2) и излучены в форме мощного выброса волн Эйнштейна.
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    Гравитационно-волновая астрономия не исключение. Извилистые линии на экране компьютера Марко Драго (так называемый чирп волны GW150914) — это единственное свидетельство ее существования, которым мы располагаем. Быстрый подъем частоты и амплитуды — и снова ничего. Что могло вызвать эти ничтожные колебания? Запустите компьютерный анализ данных и получите ответ — соединение двух ЧД в дальней части Вселенной, которого в действительности никто не видел. Похоже на магию.
    Тем не менее теоретики, например Кип Торн, совершенно уверены в своих заявлениях. Поскольку сигнал был зарегистрирован только двумя детекторами, трудно с точностью определить место, откуда он поступил. Не известно и точное расстояние — оно может быть любым в интервале от 0,8 до 1,8 млрд св. лет. Но обстоятельства слияния гораздо менее туманны.
    В какой-то далекой галактике две ЧД вращались на общей орбите. Одна была в 36 раз массивнее нашего Солнца, другая имела массу
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    Кип Торн рассказывает о своем любимом предмете — черных дырах. Слияние двух ЧД, объясняет он, вызвало «яростный шторм в ткани пространства-времени», которая до сих пор всегда представала перед нами спокойной, как океан в штиль. «Короткий, но исключительно сильный шторм мгновенно высвободил в 50 раз больше энергии, чем излучают все звезды Вселенной».
    Интернет-трансляция собирает почти 100 000 зрителей. Через несколько дней полмиллиона людей смотрят запись. К концу пресс-конференции 11 февраля, в 11:15 дня, новость разносится по всему интернету. Идет только 2016 г., но люди уже называют случившееся научным открытием века.
    На следующее утро The New York Times выходит с фотографией на первой страни
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    Увеличение частоты и амплитуды — характерный чирп сигнала гравитационной волны.
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    Она приходит с юга. Дата: понедельник, 14 сентября 2015 г. Время: 09:50:45 по Гринвичу. На крохотную часть секунды Земля растягивается и сжимается на 1/10 квинтиллионной доли процента — 1/1021. Все на планете расширяется и сокращается вместе с ней, в том числе лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория в Ливингстоне, штат Луизиана, а через 7 мс аналогичный детектор LIGO в Хэнфорде, штат Вашингтон.
    Очень скоро все успокаивается. Гравитационная волна продолжает путешествие в дальние пределы глубокого космоса. Через 1,3 с она пересекает орбиту Луны и через несколько часов покидает Солнечную систему, продолжая слегка деформировать все, что оказывается на ее пути.
    * * *
    Понедельник, 14 сентября 2015 г., — самый обычный день. В Лондоне родители певицы и композитора Эми Уайнхаус, наверное, оплакивают свою талантливую дочь, кото
    Ольга Ликцитирует3 года назад
    Колебания ткани пространства-времени несутся сквозь Вселенную. Ничтожное возмущение четырех измерений едва уловимо меняет местное искривление. За минувшие 1,3 млрд лет оно чрезвычайно ослабло, но не исчезло — тихое вибрирующее эхо драматического события, словно отзвук грома, медленно затухающий вдали, когда вспышка молнии давно погасла.
    Гравитационная волна не одинока. Множество одинаковых волн распространяются во Вселенной — во всех направлениях и в широком спектре частот и амплитуд — миллиарды лет. Почти незаметно, но постоянно пространственно-временной континуум колеблется, будто барабанная перепонка. Однако эта волна особенная. Ей суждено стать первой в истории Вселенной гравитационной волной, зарегистрированной людьми.
    Мчащаяся сквозь пространство со скоростью 300 000 км/с волна вошла в нашу Галактику около 100 000 лет назад. Она вызывала легчайшую дрожь звезд и планет, двигаясь по Млечному Пути в
fb2epub
Перетащите файлы сюда, не более 5 за один раз