La frequenza delle onde gravitazionali. Einstein aveva ragione: le onde gravitazionali esistono. Conferma sperimentale di esistenza

Le onde gravitazionali, previste teoricamente da Einstein nel 1917, stanno ancora aspettando il loro scopritore.

Alla fine del 1969, il professore di fisica dell'Università del Maryland Joseph Weber fece una dichiarazione sensazionale. Ha annunciato di aver scoperto le onde gravitazionali che arrivavano sulla Terra dalle profondità dello spazio. Fino a quel momento, nessuno scienziato aveva fatto affermazioni del genere e la possibilità stessa di rilevare tali onde era considerata tutt'altro che ovvia. Tuttavia, Weber era conosciuto come un'autorità nel suo campo, e quindi i suoi colleghi hanno preso molto sul serio il suo messaggio.

Tuttavia, presto seguì la delusione. Le ampiezze delle onde presumibilmente registrate da Weber erano milioni di volte superiori al valore teorico. Weber sosteneva che queste onde provenissero dal centro della nostra Galassia, allora poco conosciuta, coperta da nubi di polvere. Gli astrofisici hanno ipotizzato che lì si nasconda un gigantesco buco nero, che divora migliaia di stelle ogni anno e ne espelle parte dell'energia assorbita sotto forma di radiazione gravitazionale, e gli astronomi si sono impegnati in una vana ricerca di tracce più evidenti di questo cannibalismo cosmico (ora è stato dimostrato che un buco nero esiste davvero lì, ma si conduce da solo è abbastanza decente). I fisici degli Stati Uniti, dell'URSS, della Francia, della Germania, dell'Inghilterra e dell'Italia iniziarono esperimenti con rivelatori dello stesso tipo e non ottennero nulla.

Gli scienziati non sanno ancora a cosa attribuire le strane letture degli strumenti di Weber. Tuttavia, i suoi sforzi non furono vani, sebbene onde gravitazionali non sono ancora stati trovati. Diverse installazioni per la loro ricerca sono già state costruite o sono in costruzione e tra dieci anni tali rivelatori saranno lanciati nello spazio. È del tutto possibile che in un futuro non troppo lontano, la radiazione gravitazionale diventerà la stessa realtà fisica osservabile di vibrazioni elettromagnetiche... Sfortunatamente, Joseph Weber non lo saprà più: è morto nel settembre 2000.

Cosa sono le onde gravitazionali

Si dice spesso che le onde gravitazionali sono perturbazioni del campo gravitazionale che si propagano nello spazio. Questa definizione è corretta, ma incompleta. Secondo la relatività generale, la gravità nasce dalla curvatura del continuum spazio-temporale. Le onde gravitazionali sono fluttuazioni della metrica spazio-temporale che si manifestano come oscillazioni campo gravitazionale, quindi, sono spesso chiamate in senso figurato increspature spazio-temporali. Le onde gravitazionali furono previste teoricamente nel 1917 da Albert Einstein. Nessuno dubita della loro esistenza, ma le onde gravitazionali stanno ancora aspettando il loro scopritore.

Qualsiasi movimento di corpi materiali, che porta a un cambiamento disomogeneo della forza di gravità nello spazio circostante, funge da fonte di onde gravitazionali. Un corpo che si muove a velocità costante non emette nulla, poiché la natura del suo campo gravitazionale non cambia. Sono necessarie accelerazioni per emettere onde gravitazionali, ma non nessuna. Un cilindro che ruota attorno al suo asse di simmetria subisce un'accelerazione, ma il suo campo gravitazionale rimane uniforme e le onde gravitazionali non si verificano. Ma se fai ruotare questo cilindro attorno a un altro asse, il campo inizierà a oscillare e le onde gravitazionali scorreranno dal cilindro in tutte le direzioni.

Questa conclusione si applica a qualsiasi corpo (o sistema di corpi) asimmetrico rispetto all'asse di rotazione (in tali casi, si dice che il corpo ha un momento di quadrupolo). Un sistema di masse, il cui momento di quadrupolo cambia nel tempo, emette sempre onde gravitazionali.

Proprietà di base delle onde gravitazionali

Gli astrofisici presumono che sia la radiazione delle onde gravitazionali, che sottrae energia, a limitare la velocità di rotazione di una pulsar massiccia mentre assorbe materia da una stella vicina.

Segnali di gravità spaziale

La radiazione gravitazionale delle sorgenti terrestri è estremamente debole. Una colonna d'acciaio del peso di 10.000 tonnellate, sospesa dal centro nel piano orizzontale e non attorcigliata attorno all'asse verticale fino a 600 giri/min, emette una potenza di circa 10 -24 watt. Pertanto, l'unica speranza per rilevare le onde gravitazionali è trovare una fonte cosmica di radiazione gravitazionale.

A questo proposito, le stelle binarie vicine sono molto promettenti. Il motivo è semplice: la potenza della radiazione gravitazionale di un tale sistema cresce in proporzione inversa alla quinta potenza del suo diametro. È ancora meglio se le traiettorie delle stelle sono fortemente allungate, poiché ciò aumenta la velocità di variazione del momento di quadrupolo. Va benissimo se il sistema binario è costituito da stelle di neutroni o buchi neri. Tali sistemi sono simili ai segnali gravitazionali nello spazio: la loro radiazione è periodica.

Nello spazio ci sono anche sorgenti "impulsive" che generano brevi ma potentissime esplosioni gravitazionali. Ciò accade quando una stella massiccia collassa prima dell'esplosione di una supernova. Tuttavia, la deformazione della stella deve essere asimmetrica, altrimenti la radiazione non si verificherà. Durante il collasso, le onde gravitazionali possono portare via con sé fino al 10% dell'energia totale della stella! La potenza della radiazione gravitazionale in questo caso è di circa 10 50 W. Ancora più energia viene rilasciata durante la fusione delle stelle di neutroni, qui la potenza di picco raggiunge i 10 52 W. Un'ottima fonte di radiazioni è la collisione dei buchi neri: le loro masse possono superare le masse delle stelle di neutroni di miliardi di volte.

Un'altra fonte di onde gravitazionali è l'inflazione cosmologica. Immediatamente dopo il Big Bang, l'Universo iniziò ad espandersi estremamente rapidamente e in meno di 10 -34 secondi il suo diametro passò da 10 -33 cm a dimensioni macroscopiche. Questo processo ha amplificato incommensurabilmente le onde gravitazionali che esistevano prima che iniziasse, e i loro discendenti sono sopravvissuti fino ad oggi.

Conferma indiretta

La prima prova dell'esistenza delle onde gravitazionali è associata al lavoro del radioastronomo americano Joseph Taylor e del suo allievo Russell Hulse. Nel 1974, hanno scoperto una coppia di stelle di neutroni orbitanti (una pulsar a emissione radio con una compagna silenziosa). La pulsar ruotava attorno al proprio asse con una velocità angolare stabile (cosa che non sempre avviene) e quindi fungeva da orologio estremamente preciso. Questa caratteristica ha permesso di misurare le masse di entrambe le stelle e di scoprire la natura del loro moto orbitale. Si è scoperto che il periodo orbitale di questo sistema binario (circa 3 h 45 min) si riduce ogni anno di 70 μs. Questo valore è in buon accordo con le soluzioni delle equazioni della relatività generale, che descrivono la perdita di energia di una coppia stellare a causa della radiazione gravitazionale (tuttavia, la collisione di queste stelle non avverrà presto, dopo 300 milioni di anni). Nel 1993, Taylor e Hulse ricevettero il Premio Nobel per questa scoperta.

Antenne per onde gravitazionali

Come rilevare sperimentalmente le onde gravitazionali? Weber ha utilizzato cilindri di alluminio solido lunghi un metro con sensori piezoelettrici alle estremità come rilevatori. Sono stati accuratamente isolati dalle influenze meccaniche esterne in una camera a vuoto. Weber ha installato due di questi cilindri in un bunker sotto il campo da golf dell'Università del Maryland e uno all'Argonne National Laboratory.

L'idea alla base dell'esperimento è semplice. Lo spazio sotto l'influenza delle onde gravitazionali si contrae e si allunga. A causa di ciò, il cilindro vibra in direzione longitudinale, agendo come un'antenna per onde gravitazionali, e i cristalli piezoelettrici convertono le vibrazioni in segnali elettrici. Qualsiasi passaggio di onde gravitazionali cosmiche colpisce praticamente contemporaneamente rivelatori separati da un migliaio di chilometri, il che consente di filtrare gli impulsi gravitazionali da vari tipi di rumore.

I sensori di Weber erano in grado di rilevare spostamenti delle estremità del cilindro, pari a soli 10 -15 della sua lunghezza - in questo caso 10 -13 cm Lettere di revisione fisica... Tutti i tentativi di ripetere questi risultati sono stati vani. Inoltre, i dati di Weber contraddicono la teoria, che praticamente non consente di aspettarsi spostamenti relativi superiori a 10 -18 (inoltre, valori inferiori a 10 -20 sono molto più probabili). È possibile che Weber si sia sbagliato durante l'elaborazione statistica dei risultati. Il primo tentativo di rilevare sperimentalmente la radiazione gravitazionale si è concluso con un fallimento.

In futuro, le antenne a onde gravitazionali sono state notevolmente migliorate. Nel 1967, il fisico americano Bill Fairbank propose di raffreddarli in elio liquido. Ciò non solo ha permesso di eliminare la maggior parte del rumore termico, ma ha anche aperto la possibilità di utilizzare gli SQUID (interferometri quantistici superconduttori), i magnetometri supersensibili più precisi. L'attuazione di questa idea si è rivelata irta di molte difficoltà tecniche e la stessa Fairbank non è vissuta per vederlo. All'inizio degli anni '80, i fisici della Stanford University avevano costruito una configurazione con una sensibilità di 10-18, ma non furono rilevate onde. Ora in diversi paesi esistono rilevatori di vibrazioni ultracriogenici di onde gravitazionali che operano a temperature di soli decimi e centesimi di grado sopra lo zero assoluto. Questo è, ad esempio, lo stabilimento AURIGA di Padova. L'antenna è un cilindro di tre metri in lega di alluminio-magnesio, il cui diametro è di 60 cm e il peso è di 2,3 tonnellate, è sospeso in una camera a vuoto raffreddata a 0,1 K. Il suo scuotimento (con una frequenza di circa 1000 Hz) viene trasmessa ad un risonatore ausiliario con massa di 1 kg, che vibra con la stessa frequenza, ma con un'ampiezza molto maggiore. Queste vibrazioni vengono registrate da apparecchiature di misurazione e analizzate utilizzando un computer. La sensibilità del complesso AURIGA è di circa 10 -20 -10 -21.

Interferometri

Un altro metodo per rilevare le onde gravitazionali si basa sull'abbandono dei risonatori massicci a favore dei fasci di luce. I primi a suggerirlo nel 1962 furono i fisici sovietici Mikhail Hertsenstein e Vladislav Pustovoit, e due anni dopo Weber. All'inizio degli anni '70, un dipendente del laboratorio di ricerca della società aereo Hughes Robert Forward (ex studente laureato di Weber, in seguito scrittore di fantascienza molto famoso) costruì il primo rivelatore di questo tipo con una sensibilità abbastanza decente. Allo stesso tempo, il professore del Massachusetts Institute of Technology (MIT) Rainer Weiss ha eseguito un'analisi teorica molto approfondita delle possibilità di registrare le onde gravitazionali utilizzando metodi ottici.

Questi metodi comportano l'uso di analoghi del dispositivo, con l'aiuto del quale il fisico Albert Michelson dimostrò 125 anni fa che la velocità della luce è rigorosamente la stessa in tutte le direzioni. In questa installazione, l'interferometro di Michelson, un raggio di luce colpisce una lastra semitrasparente e si divide in due fasci tra loro perpendicolari, che vengono riflessi da specchi posti alla stessa distanza dalla lastra. Quindi i raggi si fondono di nuovo e cadono sullo schermo, dove appare uno schema di interferenza (strisce e linee chiare e scure). Se la velocità della luce dipende dalla sua direzione, quando si ruota l'intera installazione, questa immagine dovrebbe cambiare, in caso contrario, dovrebbe rimanere la stessa di prima.

Il rilevatore di interferenze gravitazionali funziona in modo simile. L'onda trasmessa deforma lo spazio e modifica la lunghezza di ciascun braccio dell'interferometro (il percorso lungo il quale la luce viaggia dal divisore allo specchio), allungando un braccio e schiacciando l'altro. L'immagine dell'interferenza cambia e può essere registrata. Ma questo non è facile: se la variazione relativa prevista nella lunghezza dei bracci dell'interferometro è 10 -20, allora con una dimensione da tavolo del dispositivo (come quella di Michelson) si trasforma in oscillazioni con un'ampiezza dell'ordine di 10 - 18 cm Per confronto: le onde luminose visibili sono 10 trilioni di volte più lunghe! È possibile aumentare la lunghezza delle spalle a diversi chilometri, ma i problemi rimarranno comunque. La sorgente di luce laser deve essere potente e stabile in frequenza, gli specchi devono essere perfettamente piani e idealmente riflettenti, il vuoto nei tubi attraverso i quali viaggia la luce deve essere il più profondo possibile, la stabilizzazione meccanica dell'intero sistema deve essere veramente Perfetto. In breve, un rivelatore di onde gravitazionali di interferenza è costoso e ingombrante.

Oggi la più grande installazione del suo genere è il complesso americano LIGO. (Osservatorio sulle onde gravitazionali dell'interferometro luminoso). Si compone di due osservatori, uno dei quali si trova sulla costa del Pacifico degli Stati Uniti, e l'altro non è lontano da Golfo del Messico... Le misurazioni vengono effettuate utilizzando tre interferometri (due nello stato di Washington, uno in Louisiana) con quattro chilometri di bracci. L'impianto è dotato di accumulatori di luce a specchio, che ne aumentano la sensibilità. "Dal novembre 2005, tutti e tre i nostri interferometri funzionano normalmente", ha detto a Popular Mechanics il portavoce di LIGO Peter Solson, professore di fisica alla Syracuse University. - Scambiamo costantemente dati con altri osservatori che cercano di rilevare onde gravitazionali con frequenze di decine e centinaia di hertz, apparse durante le più potenti esplosioni di supernovae e fusioni di stelle di neutroni e buchi neri. Ora in servizio è l'interferometro tedesco GEO 600 (lunghezza del braccio - 600 m), situato a 25 km da Hannover. Lo strumento TAMA giapponese da 300 metri è attualmente in fase di aggiornamento. Il rivelatore Virgo di tre chilometri vicino a Pisa si unirà allo sforzo all'inizio del 2007 e a frequenze inferiori a 50 Hz sarà in grado di superare LIGO. Le installazioni con risonatori ultracriogenici funzionano con efficienza crescente, sebbene la loro sensibilità sia ancora leggermente inferiore alla nostra. "

Prospettive

Quindi cosa accadrà con i metodi di rilevamento delle onde gravitazionali nel prossimo futuro? Ne ha parlato il professor Rainer Weiss a Popular Mechanics: “Tra qualche anno negli osservatori del complesso LIGO verranno installati laser più potenti e rivelatori più avanzati, che porteranno a un aumento di 15 volte della sensibilità. Ora è 10 -21 (a frequenze dell'ordine di 100 Hz) e dopo la modernizzazione supererà 10 -22. Il complesso aggiornato, Advanced LIGO, aumenterà la profondità di penetrazione nello spazio di 15 volte. Il professore dell'Università statale di Mosca Vladimir Braginsky, uno dei pionieri nello studio delle onde gravitazionali, è attivamente coinvolto in questo progetto.

A metà del prossimo decennio, è previsto il lancio dell'interferometro spaziale LISA ( Antenna spaziale interferometro laser) con una lunghezza della spalla di 5 milioni di chilometri, è un progetto congiunto della NASA e dell'Agenzia spaziale europea. La sensibilità di questo osservatorio sarà centinaia di volte superiore alle capacità degli strumenti a terra. È progettato principalmente per la ricerca di onde gravitazionali a bassa frequenza (10 -4 -10 -1 Hz) che non possono essere catturate sulla superficie terrestre a causa dell'interferenza atmosferica e sismica. Tali onde sono emesse da sistemi stellari binari, che sono abitanti abbastanza tipici del Cosmo. LISA sarà anche in grado di rilevare le onde gravitazionali generate dall'assorbimento di stelle ordinarie da parte dei buchi neri. Ma per rilevare onde gravitazionali relitte che trasportano informazioni sullo stato della materia nei primi istanti dopo il Big Bang, molto probabilmente saranno necessari strumenti spaziali più avanzati. Una tale installazione, Osservatore del big bang, è ora in discussione, ma è improbabile che possa essere creato e lanciato prima di 30-40 anni".

La differenza fondamentale è che se il suono ha bisogno dell'ambiente in cui viaggia, le onde gravitazionali muovono l'ambiente, in questo caso lo spaziotempo stesso. "Letteralmente schiacciano e allungano il tessuto dello spazio-tempo", afferma Chiara Mingarelli, astrofisica delle onde gravitazionali al Caltech. Alle nostre orecchie, le onde rilevate da LIGO suoneranno come un gorgoglio.

Come avverrà esattamente questa rivoluzione? LIGO ora ha due rilevatori che fungono da "orecchie" per gli scienziati e in futuro ce ne saranno altri. E se LIGO è il primo a trovarlo, chiaramente non sarà l'unico. Esistono molti tipi di onde gravitazionali. In effetti, ne esiste un intero spettro, così come esistono diversi tipi di luce, con diverse lunghezze d'onda, nello spettro elettromagnetico. Pertanto, altre collaborazioni entreranno a caccia di onde con una frequenza per cui LIGO non è progettato.

Mingarelli lavora con la collaborazione NanoGRAV (North American Nanohertz Gravitational Wave Observatory), parte di un grande consorzio internazionale che include l'European Pulsar Timing Array e il Parkes Pulsar Timing Array in Australia. Come suggerisce il nome, gli scienziati NanoGRAV cacciano le onde gravitazionali a bassa frequenza nella modalità da 1 a 10 nanohertz; La sensibilità di LIGO è nella parte kilohertz (udibile) dello spettro, alla ricerca di onde molto lunghe.


Questa collaborazione si basa sui dati delle pulsar raccolti dall'Osservatorio di Arecibo a Porto Rico e dal Green Bank Telescope in West Virginia. Le pulsar sono stelle di neutroni in rapida rotazione che si formano quando stelle più grandi del Sole esplodono e collassano su se stesse. Girano sempre più velocemente mentre si contraggono, proprio come il peso all'estremità di una corda ruota più velocemente più la corda si accorcia.

Emettono anche potenti raffiche di radiazioni mentre ruotano, come un faro, che vengono rilevate come impulsi di luce sulla Terra. E questa rotazione periodica è estremamente precisa, quasi quanto un orologio atomico. Li rende i rilevatori di onde gravitazionali spaziali ideali. La prima prova indiretta venne dallo studio delle pulsar nel 1974, quando Joseph Taylor Jr. e Russell Hulse scoprirono che una pulsar in orbita attorno a una stella di neutroni si contrae lentamente nel tempo - un effetto che ci si aspetterebbe se convertisse parte della sua massa in energia sotto forma di onde gravitazionali.

Nel caso del NanoGRAV, la pistola fumante avrà una specie di sfarfallio. Gli impulsi dovrebbero arrivare contemporaneamente, ma se vengono colpiti da un'onda gravitazionale, arriveranno un po' prima o un po' più tardi, poiché lo spazio-tempo si contrarrà o si allungherà al passaggio dell'onda.

Gli array della griglia temporale di Pulsar sono particolarmente sensibili alle onde gravitazionali prodotte dalla fusione di buchi neri supermassicci di un miliardo o dieci miliardi di volte la massa del nostro Sole, come quelli che si nascondono al centro delle galassie più massicce. Se due di queste galassie si fondono, anche i buchi nei loro centri si fonderanno ed emetteranno onde gravitazionali. "LIGO vede la fine della fusione quando le coppie si avvicinano molto", afferma Mingarelli. "Con l'MPVR, potremmo vederli all'inizio della fase a spirale, quando entrano l'uno nell'orbita dell'altro".

E poi c'è la missione spaziale LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Sulla Terra, LIGO è eccellente nel rilevare onde gravitazionali equivalenti a parti dello spettro del suono udibile, come quelle prodotte dai nostri buchi neri che si fondono. Ma molte fonti interessanti di queste onde producono basse frequenze. Pertanto, i fisici devono viaggiare nello spazio per scoprirli. Il compito principale dell'attuale missione LISA Pathfinder () è di testare il funzionamento del rivelatore. "Con LIGO, puoi fermare lo strumento, aprire il vuoto e aggiustare tutto", afferma Scott Hughes del MIT. «Ma non puoi aprire niente nello spazio. Dovremo farlo subito per poter lavorare normalmente".

L'obiettivo di LISA è semplice: utilizzare interferometri laser, navicella spaziale tenterà di misurare con precisione la posizione relativa di due cubi oro-platino da 1,8 pollici in caduta libera. Alloggiati in scatole di elettrodi separate a 15 pollici di distanza, gli oggetti di prova saranno schermati dal vento solare e da altre forze esterne, quindi sarà possibile rilevare piccoli movimenti causati dalle onde gravitazionali (si spera).

Infine, ci sono due esperimenti progettati per cercare le impronte lasciate dalle onde gravitazionali primordiali nel fondo cosmico a microonde (afterglow del Big Bang): BICEP2 e la missione del satellite Planck. BICEP2 ha annunciato la scoperta di uno nel 2014, ma si è scoperto che il segnale era falso (la colpa è della polvere cosmica).

Entrambe le collaborazioni continuano a cacciare nella speranza di far luce sulla storia antica del nostro universo e, si spera, confermando le principali previsioni inflazionistiche. Questa teoria prevedeva che poco dopo la sua nascita, l'universo avesse sperimentato una rapida crescita, che non poteva fare a meno di lasciare potenti onde gravitazionali lasciate come impronta nella radiazione relitta sotto forma di speciali onde luminose (polarizzazione).

Ciascuno dei quattro modi delle onde gravitazionali aprirà quattro nuove finestre sull'universo per gli astronomi.

Ma sappiamo cosa state pensando: è ora di avviare il motore a curvatura, ragazzi! L'apertura di LIGO aiuterà a costruire la Morte Nera la prossima settimana? Ovviamente no. Ma meglio comprendiamo la gravità, più in generale capiremo come costruire tali cose. Dopotutto, questo è il lavoro degli scienziati, è così che si guadagnano il pane. Comprendendo come funziona l'universo, possiamo fare più affidamento sulle nostre capacità.

Ieri il mondo è rimasto scioccato da una sensazione: gli scienziati hanno finalmente scoperto le onde gravitazionali, la cui esistenza Einstein aveva predetto cento anni fa. Questa è una svolta. La distorsione dello spazio-tempo (queste sono onde gravitazionali - ora spiegheremo cos'è) è stata scoperta nell'osservatorio LIGO, e uno dei suoi fondatori è - chi ne pensi? - Kip Thorne, autore del libro.

Vi diremo perché la scoperta delle onde gravitazionali è così importante, cosa ha detto Mark Zuckerberg e, naturalmente, condivideremo la storia in prima persona. Kip Thorne, come nessun altro, sa come funziona il progetto, qual è la sua singolarità e quale significato ha LIGO per l'umanità. Sì, sì, è tutto così serio.

Scoperta delle onde gravitazionali

Il mondo scientifico ricorderà per sempre la data dell'11 febbraio 2016. In questo giorno, i partecipanti al progetto LIGO hanno annunciato: dopo tanti inutili tentativi, sono state trovate onde gravitazionali. Questa è la realtà. In realtà, sono stati scoperti poco prima: a settembre 2015, ma ieri la scoperta è stata ufficialmente riconosciuta. Il Guardian crede che gli scienziati riceveranno sicuramente premio Nobel in fisica.

La causa delle onde gravitazionali è la collisione di due buchi neri, avvenuta fino a... un miliardo di anni luce dalla Terra. Immagina quanto è grande il nostro Universo! Poiché i buchi neri sono corpi molto massicci, lasciano "increspature" attraverso lo spazio-tempo, distorcendolo leggermente. Così appaiono le onde, simili a quelle che si diffondono da un sasso lanciato nell'acqua.

È così che puoi immaginare le onde gravitazionali che vanno sulla Terra, ad esempio, da un wormhole. Disegno tratto dal libro “Interstellar. La scienza dietro le quinte"

Le vibrazioni risultanti sono state convertite in suono. È interessante notare che il segnale delle onde gravitazionali arriva all'incirca alla stessa frequenza del nostro discorso. Quindi possiamo sentire con le nostre orecchie come si scontrano i buchi neri. Ascolta come suonano le onde gravitazionali.

E tu sai cosa? Più recentemente, i buchi neri non sono progettati nel modo in cui si pensava in precedenza. Ma non c'era alcuna prova che esistessero in linea di principio. E ora c'è. I buchi neri "vivono" davvero nell'universo.

Quindi, secondo gli scienziati, sembra una catastrofe - una fusione di buchi neri -.

L'11 febbraio si è tenuta una grandiosa conferenza che ha riunito più di mille scienziati provenienti da 15 paesi. Erano presenti anche scienziati russi. E, naturalmente, non è stato senza Kip Thorne. “Questa scoperta è l'inizio di una ricerca straordinaria e magnifica per le persone: trovare ed esplorare il lato curvo dell'universo: oggetti e fenomeni creati dallo spazio-tempo distorto. Buchi neri in collisione e onde gravitazionali sono i nostri primi esempi notevoli ", ha affermato Kip Thorne.

La ricerca delle onde gravitazionali era uno dei problemi principali della fisica. Ora sono stati trovati. E il genio di Einstein si conferma ancora una volta.

A ottobre abbiamo intervistato Sergei Popov, un astrofisico russo e noto divulgatore scientifico. Ha guardato nell'acqua! Autunno: "Mi sembra che ora siamo sull'orlo di nuove scoperte, che sono principalmente associate al lavoro dei rivelatori di onde gravitazionali LIGO e VIRGO (Kip Thorne ha dato un grande contributo alla creazione del progetto LIGO)". Incredibile, vero?

Onde gravitazionali, rilevatori di onde e LIGO

Bene, ora un po' di fisica. Per chi vuole veramente capire cosa sono le onde gravitazionali. Ecco una rappresentazione artistica delle linee tendine di due buchi neri che orbitano l'uno intorno all'altro, in senso antiorario, e poi si scontrano. Le linee Tendex generano la gravità delle maree. Vai avanti. Le linee, che emanano dai due punti più distanti tra loro sulle superfici di una coppia di buchi neri, allungano tutto sul loro cammino, compreso l'amico dell'artista che è entrato nel disegno. Le linee provenienti dall'area di collisione comprimono tutto.

Mentre i fori ruotano l'uno intorno all'altro, si trascinano lungo le loro linee tendinee, che sono come ruscelli d'acqua da un irrigatore rotante su un prato. L'immagine del libro "Interstellar. Science Behind the Scenes "- una coppia di buchi neri che si scontrano, ruotando l'uno intorno all'altro in senso antiorario, e le loro linee tendinee.

I buchi neri si fondono in un unico grande buco; si deforma e ruota in senso antiorario trascinando con sé linee tendinee. Un osservatore fermo, lontano dal foro, sentirà le vibrazioni quando le linee tendinee lo attraversano: allungamento, quindi contrazione, quindi allungamento - le linee tendinee diventano un'onda gravitazionale. Man mano che le onde si propagano, la deformazione del buco nero diminuisce gradualmente e anche le onde si indeboliscono.

Quando queste onde raggiungono la Terra, assomigliano a quella mostrata nella parte superiore della figura sottostante. Si allungano in una direzione e si stringono nell'altra. Gli stiramenti e le compressioni fluttuano (dal rosso sinistro e destro, al blu destro e sinistro, al rosso destro e sinistro, ecc.) mentre le onde passano attraverso il rilevatore nella parte inferiore della figura.

Onde gravitazionali che passano attraverso il rivelatore LIGO.

Il rilevatore è costituito da quattro grandi specchi (40 chilogrammi, 34 centimetri di diametro) fissati alle estremità di due tubi perpendicolari chiamati bracci del rilevatore. Le linee tendex delle onde gravitazionali allungano una spalla, stringendo l'altra, quindi, al contrario, stringono la prima e allungano la seconda. E così ancora e ancora. Modificando periodicamente la lunghezza dei bracci, gli specchi vengono spostati l'uno rispetto all'altro e questi spostamenti vengono tracciati utilizzando raggi laser in un modo chiamato interferometria. Da qui il nome LIGO: Osservatorio laser interferometrico per onde gravitazionali.

Centro di controllo LIGO, da cui vengono inviati i comandi al rilevatore e monitora i segnali ricevuti. I rilevatori di gravità LIGO si trovano a Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana. Foto dal libro “Interstellar. La scienza dietro le quinte"

LIGO è ora un progetto internazionale che coinvolge 900 scienziati di diversi paesi, con sede presso il California Institute of Technology.

Il lato contorto dell'universo

Buchi neri, wormhole, singolarità, anomalie gravitazionali e dimensioni di ordine superiore sono associati alla curvatura dello spazio e del tempo. Pertanto, Kip Thorne li chiama "il lato curvo dell'universo". L'umanità ha ancora pochissimi dati sperimentali e osservativi dal lato curvo dell'universo. Questo è il motivo per cui diamo così tanta attenzione alle onde gravitazionali: sono composte da uno spazio curvo e forniscono il modo più accessibile per esplorare il lato curvo.

Immagina di dover vedere l'oceano solo quando è calmo. Non sapresti di correnti, vortici e mareggiate. Questo ricorda la nostra attuale conoscenza della curvatura dello spazio e del tempo.

Non sappiamo quasi nulla di come si comportano lo spazio curvo e il tempo curvo "in una tempesta" - quando la forma dello spazio fluttua violentemente e quando la velocità del flusso del tempo fluttua. Questa è una frontiera della conoscenza insolitamente affascinante. Lo scienziato John Wheeler ha coniato il termine "geometrodinamica" per questi cambiamenti.

Di particolare interesse nel campo della geometrodinamica è la collisione di due buchi neri.

Collisione di due buchi neri non rotanti. Modello dal libro “Interstellar. La scienza dietro le quinte"

L'immagine sopra mostra il momento in cui due buchi neri si scontrano. Proprio un tale evento ha permesso agli scienziati di rilevare le onde gravitazionali. Questo modello è costruito per buchi neri non rotanti. Sopra: orbite e ombre di buchi, viste dal nostro universo. Al centro: spazio e tempo curvi, vista dalla massa (iperspazio multidimensionale); le frecce mostrano come lo spazio è coinvolto nel movimento e il cambiamento dei colori mostra come il tempo è curvo. In basso: la forma delle onde gravitazionali emesse.

Onde gravitazionali dal Big Bang

Una parola a Kip Thorn. “Nel 1975 Leonid Grischuk, un mio buon amico dalla Russia, fece una dichiarazione sensazionale. Ha detto che al momento del Big Bang sono sorte molte onde gravitazionali e il meccanismo del loro verificarsi (precedentemente sconosciuto) era il seguente: fluttuazioni quantistiche (fluttuazioni casuali - ndr) I campi gravitazionali del Big Bang furono amplificati molte volte dall'espansione iniziale dell'universo e divennero così le onde gravitazionali originarie. Queste onde, se possono essere rilevate, possono dirci cosa è successo quando è nato il nostro universo".

Se gli scienziati trovano le onde gravitazionali originali, sapremo come è iniziato l'universo.

Le persone hanno risolto tutti gli enigmi dell'universo lontano. Ancora da venire.

Negli anni successivi, man mano che la nostra comprensione del Big Bang è migliorata, è diventato ovvio: queste onde iniziali devono essere forti a lunghezze d'onda commisurate alle dimensioni dell'Universo visibile, cioè a lunghezze di miliardi di anni luce. Riuscite a immaginare quanto sia? .. E alle lunghezze d'onda che coprono i rivelatori LIGO (centinaia e migliaia di chilometri), è probabile che le onde siano troppo deboli per essere riconosciute.

Il team di Jamie Bock ha costruito l'apparato BICEP2, che ha rilevato la scia delle onde gravitazionali originali. Il dispositivo, situato al Polo Nord, è mostrato qui durante il crepuscolo, che è presente solo due volte all'anno.

Apparecchio BICEP2. Immagine tratta dal libro “Interstellar. La scienza dietro le quinte"

È circondato da scudi che proteggono l'imbarcazione dalle radiazioni della calotta glaciale circostante. Nell'angolo in alto a destra, viene mostrata una traccia rilevata nella radiazione reliquia: un modello di polarizzazione. Le linee del campo elettrico sono dirette lungo brevi tratti leggeri.

La traccia dell'inizio dell'universo

All'inizio degli anni novanta, i cosmologi si resero conto che questi miliardi di onde gravitazionali di anni luce dovevano aver lasciato una scia unica nel onde elettromagnetiche riempiendo l'Universo - nel cosiddetto sfondo cosmico a microonde, o radiazione reliquia. Questo segnò l'inizio della ricerca del Santo Graal. Dopotutto, se trovi questa traccia e ne deduci le proprietà delle onde gravitazionali originali, puoi scoprire come è nato l'universo.

Nel marzo 2014, mentre Kip Thorne stava scrivendo questo libro, il team di Jamie Bock, un cosmologo del Caltech il cui ufficio è vicino all'ufficio di Thorne, ha finalmente scoperto questa traccia nel CMB.

Questa è una scoperta assolutamente sorprendente, ma c'è un punto controverso: la pista trovata dal team di Jamie potrebbe non essere stata causata da onde gravitazionali, ma qualcos'altro.

Se è stata effettivamente trovata una traccia di onde gravitazionali sorte durante il Big Bang, si è verificata una scoperta cosmologica di tale livello, che accade, forse, una volta ogni mezzo secolo. Dà la possibilità di toccare con mano gli eventi accaduti dopo un trilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di secondo dopo la nascita dell'Universo.

Questa scoperta conferma la teoria secondo cui l'espansione dell'Universo in quel momento era estremamente veloce, nel gergo dei cosmologi - veloce inflazionistico. E annuncia una nuova era in cosmologia.

Onde Gravitazionali e Interstellari

Ieri in una conferenza sulla scoperta delle onde gravitazionali, Valery Mitrofanov, capo della collaborazione di Mosca degli scienziati LIGO, che comprende 8 scienziati dell'Università statale di Mosca, ha osservato che la trama del film "Interstellar", sebbene fantastica, non è così lontana dalla realtà. Questo perché Kip Thorne era il consulente scientifico. Lo stesso Thorne ha espresso la speranza di credere nei futuri voli con equipaggio verso il buco nero. Potrebbero non succedere come vorremmo, eppure oggi è molto più reale di quanto non fosse prima.

Non è troppo lontano il giorno in cui le persone lasceranno i confini della nostra galassia.

L'evento ha scosso le menti di milioni di persone. Il famigerato Mark Zuckerberg ha scritto: "Il rilevamento delle onde gravitazionali è la più grande scoperta in scienza moderna... Albert Einstein è uno dei miei eroi, motivo per cui ho preso la scoperta così da vicino. Un secolo fa, nell'ambito della Teoria della Relatività Generale (GTR), predisse l'esistenza delle onde gravitazionali. Eppure sono così piccoli da essere scoperti che si è venuti a cercarli all'origine di eventi come il Big Bang, esplosioni di stelle e collisioni di buchi neri. Quando gli scienziati analizzeranno i dati ottenuti, avremo una visione completamente nuova dello spazio. E, forse, questo farà luce sull'origine dell'universo, la nascita e lo sviluppo dei buchi neri. È molto stimolante pensare a quante vite e sforzi sono stati fatti per strappare il velo da questo mistero dell'universo. Questa svolta è stata resa possibile grazie al talento di brillanti scienziati e ingegneri, persone di diverse nazionalità, nonché gli ultimi informatica che sono apparsi solo di recente. Congratulazioni a tutte le persone coinvolte. Einstein sarebbe orgoglioso di te".

Tale è il discorso. E questa è una persona che è semplicemente interessata alla scienza. Si può immaginare quale tempesta di emozioni abbia travolto gli scienziati che hanno contribuito alla scoperta. Sembra che stiamo assistendo a una nuova era, amici. Questo è incredibile.

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La superficie libera di un liquido in equilibrio nel campo gravitazionale è piatta. Se, sotto l'influenza di qualche influenza esterna, la superficie del liquido in qualche punto viene rimossa dalla sua posizione di equilibrio, allora si verifica un movimento nel liquido. Questo movimento si propagherà lungo l'intera superficie del liquido sotto forma di onde, dette onde gravitazionali, poiché causate dall'azione del campo gravitazionale. Le onde gravitazionali si verificano principalmente sulla superficie del liquido, catturandone gli strati interni, tanto più piccoli quanto più profondi sono questi strati.

Considereremo qui tali onde gravitazionali in cui la velocità delle particelle in movimento del liquido è così piccola che nell'equazione di Eulero si può trascurare il termine rispetto a È facile scoprire cosa significa fisicamente questa condizione. Durante un intervallo di tempo dell'ordine del periodo delle oscillazioni fatte da particelle liquide in un'onda, queste particelle percorrono una distanza dell'ordine dell'ampiezza a dell'onda, quindi la loro velocità di moto è dell'ordine delle onde). Quindi la derivata della velocità rispetto al tempo è dell'ordine e rispetto alle coordinate è dell'ordine, quindi la condizione è equivalente al requisito

cioè, l'ampiezza delle oscillazioni nell'onda deve essere piccola rispetto alla lunghezza d'onda. Nel § 9 abbiamo visto che se il termine nell'equazione del moto può essere trascurato, allora il moto del fluido è potenziale. Assumendo che il fluido sia incomprimibile, possiamo quindi usare le equazioni (10.6) e (10.7). Nell'equazione (10.7) possiamo ora trascurare il termine contenente il quadrato della velocità; ponendo ed inserendo il termine nel campo gravitazionale, si ottiene:

(12,2)

Scegliamo l'asse, come al solito, verticalmente verso l'alto, e come piano x, y scegliamo la superficie piana di equilibrio del liquido.

Indicheremo - la coordinata dei punti della superficie del liquido con; è una funzione delle coordinate x, y e del tempo t. In equilibrio, quindi c'è uno spostamento verticale della superficie del liquido durante le sue oscillazioni.

Lasciamo agire una pressione costante sulla superficie del liquido. Allora abbiamo sulla superficie secondo (12.2)

La costante può essere eliminata ridefinendo il potenziale (aggiungendo ad esso una quantità indipendente dalle coordinate. Quindi la condizione sulla superficie del liquido assume la forma

La piccolezza dell'ampiezza delle oscillazioni nell'onda significa che lo spostamento è piccolo. Possiamo quindi assumere, nella stessa approssimazione, che la componente verticale della velocità di movimento dei punti sulla superficie coincida con la derivata temporale dello spostamento. Ma quindi abbiamo:

A causa della piccolezza delle oscillazioni, in questa condizione, possiamo assumere i valori delle derivate a invece di Quindi, otteniamo infine il seguente sistema equazioni che determinano il moto in un'onda gravitazionale:

Considereremo le onde sulla superficie di un liquido, assumendo che questa superficie sia illimitata. Assumeremo anche che la lunghezza d'onda sia piccola rispetto alla profondità del liquido; allora il liquido può essere considerato infinitamente profondo. Pertanto, non scriviamo condizioni al contorno ai bordi laterali e al fondo del liquido.

Considera un'onda gravitazionale che si propaga lungo l'asse e uniforme lungo l'asse in tale onda, tutte le quantità non dipendono dalla coordinata y. Cercheremo una soluzione che sia una semplice funzione periodica del tempo e delle coordinate x:

dove (è la frequenza ciclica (ne parleremo semplicemente come una frequenza), k è il vettore d'onda dell'onda, è la lunghezza d'onda. Sostituendo questa espressione nell'equazione, otteniamo l'equazione per la funzione

La sua soluzione, che decade in profondità nel liquido (cioè a):

Dobbiamo anche soddisfare la condizione al contorno (12.5), Sostituendo (12.5) in essa, troviamo la relazione tra la frequenza b per il vettore d'onda (o, come si suol dire, la legge di dispersione d'onda):

La distribuzione delle velocità nel fluido si ottiene differenziando il potenziale lungo le coordinate:

Vediamo che la velocità diminuisce esponenzialmente nella direzione della profondità del liquido. In ogni dato punto nello spazio (cioè, per dati x, z) il vettore velocità ruota uniformemente nel piano x, rimanendo costante in grandezza.

Determiniamo anche la traiettoria delle particelle liquide nell'onda. Indichiamo temporaneamente con x, z le coordinate di una particella fluida in movimento (e non le coordinate di un punto fisso nello spazio), ma con - x valori per la posizione di equilibrio della particella. Allora a a destra di (12.8) si può scrivere approssimativamente invece di, sfruttando la piccolezza delle oscillazioni. L'integrazione nel tempo dà quindi:

Pertanto, le particelle liquide descrivono cerchi attorno a punti con un raggio esponenzialmente decrescente nella direzione verso la profondità del liquido.

La velocità U di propagazione delle onde è, come sarà mostrato nel § 67, Sostituendo qui troviamo che la velocità di propagazione delle onde gravitazionali su una superficie illimitata di un fluido infinitamente profondo è

Cresce con l'aumentare della lunghezza d'onda.

Onde gravitazionali lunghe

Considerate le onde gravitazionali, la cui lunghezza è piccola rispetto alla profondità del liquido, soffermiamoci ora sul caso limite opposto delle onde, la cui lunghezza è grande rispetto alla profondità del liquido.

Tali onde sono chiamate onde lunghe.

Consideriamo prima la propagazione delle onde lunghe in un canale. La lunghezza del canale (diretta lungo l'asse x) sarà considerata illimitata.La sezione del canale può avere una forma arbitraria e può variare lungo la sua lunghezza. L'area della sezione trasversale del fluido nel canale è indicata da Si presume che la profondità e la larghezza del canale siano piccole rispetto alla lunghezza d'onda.

Considereremo qui onde lunghe longitudinali in cui il fluido si muove lungo il canale. In tali onde, la componente di velocità lungo la lunghezza del canale è grande rispetto alle componenti

Denotando semplicemente v e omettendo i termini piccoli, possiamo scrivere la -componente dell'equazione di Eulero nella forma

e -componente - nella forma

(omettiamo i termini quadratici in velocità, poiché l'ampiezza dell'onda è ancora considerata piccola). Dalla seconda equazione si ha, notando che sulla superficie libera) dovrebbe esserci

Sostituendo questa espressione nella prima equazione, otteniamo:

La seconda equazione per determinare le due incognite può essere derivata con un metodo simile alla derivazione dell'equazione di continuità. Questa equazione è essenzialmente l'equazione di continuità applicata al caso in esame. Consideriamo il volume di liquido racchiuso tra due piani della sezione del canale, posti a distanza l'uno dall'altro. In un'unità di tempo, un volume di liquido entrerà attraverso un piano e il volume uscirà attraverso l'altro piano. Pertanto, il volume di liquido tra entrambi i piani cambierà di

11 febbraio 2016

Solo poche ore fa è arrivata la notizia, tanto attesa nel mondo scientifico. Un gruppo di scienziati di diversi paesi, che lavorano nell'ambito del progetto internazionale LIGO Scientific Collaboration, afferma che con l'aiuto di diversi osservatori-rivelatori sono riusciti a registrare le onde gravitazionali in condizioni di laboratorio.

Analizzano i dati di due Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatories (LIGO) situati in Louisiana e Washington, USA.

Come accennato alla conferenza stampa del progetto LIGO, le onde gravitazionali sono state registrate il 14 settembre 2015, prima in un osservatorio, e poi 7 millisecondi dopo in un altro.

Sulla base dell'analisi dei dati ottenuti, effettuata da scienziati di molti paesi, tra cui la Russia, è stato riscontrato che l'onda gravitazionale è stata causata dalla collisione di due buchi neri con una massa di 29 e 36 volte la massa del Sole. Successivamente, si sono fusi in un grande buco nero.

Questo è successo 1,3 miliardi di anni fa. Il segnale è arrivato sulla Terra dalla direzione della costellazione della Nube di Magellano.

Sergey Popov (astrofisico dello Sternberg State Astronomical Institute, Moscow State University) ha spiegato cosa sono le onde gravitazionali e perché è così importante misurarle.

Le moderne teorie della gravità sono teorie geometriche della gravità, più o meno tutto, a cominciare dalla teoria della relatività. Le proprietà geometriche dello spazio influenzano il movimento di corpi o oggetti come un raggio di luce. E viceversa: la distribuzione dell'energia (questa è la stessa della massa nello spazio) influenza le proprietà geometriche dello spazio. È molto bello, perché è facile da visualizzare: tutto questo piano elastico rivestito in una cella ha un certo significato fisico sotto di esso, anche se, ovviamente, non tutto è così letterale.

I fisici usano la parola "metrica". Una metrica è ciò che descrive le proprietà geometriche di uno spazio. E qui abbiamo corpi che si muovono con accelerazione. La cosa più semplice è che il cetriolo ruota. È importante che non sia, ad esempio, una palla o un disco appiattito. È facile immaginare che quando un tale cetriolo gira su un piano elastico, le increspature usciranno da esso. Immagina di essere da qualche parte e il cetriolo si girerà con un'estremità verso di te, poi l'altra. Colpisce lo spazio e il tempo in modi diversi, scorre un'onda gravitazionale.

Quindi, un'onda gravitazionale è un'increspatura che corre lungo la metrica dello spazio-tempo.

Perline nello spazio

Questa è una proprietà fondamentale della nostra comprensione di base di come funziona la gravità e le persone hanno voluto testarla per cento anni. Vogliono assicurarsi che l'effetto sia presente e visibile in laboratorio. In natura, questo è stato visto già circa tre decenni fa. Come dovrebbero manifestarsi le onde gravitazionali nella vita di tutti i giorni?

Il modo più semplice per illustrare questo è il seguente: se lanci perline nello spazio in modo che giacciano in un cerchio e quando l'onda gravitazionale passa perpendicolarmente al loro piano, inizieranno a trasformarsi in un'ellisse, compressa in una direzione, quindi nell'altro. Il punto è che lo spazio intorno a loro sarà oltraggiato e lo sentiranno.

"G" sulla Terra

Si tratta del tipo di cose che fanno le persone, solo non nello spazio, ma sulla Terra.

A una distanza di quattro chilometri l'uno dall'altro sono appesi specchi a forma di lettera "g" [riferendosi agli osservatori americani LIGO].

I raggi laser sono in esecuzione: questo è un interferometro, una cosa ben compresa. La tecnologia moderna consente di misurare un effetto incredibilmente piccolo. Ancora non ci credo davvero, credo, ma semplicemente non mi entra in testa: lo spostamento degli specchi appesi a una distanza di quattro chilometri l'uno dall'altro è inferiore alla dimensione di un nucleo atomico. Questo è piccolo anche rispetto alla lunghezza d'onda di questo laser. Questo era il problema: la gravità è l'interazione più debole, e quindi gli spostamenti sono molto piccoli.

Ci è voluto molto tempo, le persone hanno cercato di farlo dagli anni '70, hanno passato la vita alla ricerca di onde gravitazionali. E ora, solo le capacità tecniche consentono di ottenere la registrazione di un'onda gravitazionale in condizioni di laboratorio, cioè qui è arrivata e gli specchi si sono spostati.

Direzione

Entro un anno, se tutto va bene, tre rilevatori funzioneranno nel mondo. Tre rilevatori sono molto importanti, perché queste cose non sono molto adatte a determinare la direzione del segnale. Più o meno allo stesso modo in cui noi, a orecchio, determiniamo male la direzione della sorgente. "Suono da qualche parte a destra": questi rilevatori sentono qualcosa del genere. Ma se ci sono tre persone distanti l'una dall'altra e una sente un suono a destra, un'altra a sinistra e la terza da dietro, allora possiamo determinare con molta precisione la direzione del suono. Più rivelatori ci sono, più sono sparsi per il globo, più accuratamente possiamo determinare la direzione verso la sorgente, e quindi inizierà l'astronomia.

Dopotutto, il compito ultimo non è solo confermare la teoria della relatività generale, ma anche ottenere nuove conoscenze astronomiche. Immagina che ci sia un buco nero che pesa dieci volte la massa del Sole. E si scontra con un altro buco nero che pesa dieci volte la massa del Sole. L'urto avviene alla velocità della luce. Svolta energetica. Questo è vero. C'è una quantità fantastica di esso. E non è in alcun modo... Sono solo increspature di spazio e tempo. Direi che rilevare la fusione di due buchi neri per lungo tempo sarà la conferma più affidabile che i buchi neri sono grosso modo i buchi neri a cui pensiamo.

Andiamo oltre i problemi ei fenomeni che potrebbe rivelare.

I buchi neri esistono davvero?

Il segnale atteso dall'annuncio di LIGO potrebbe essere stato prodotto dalla fusione di due buchi neri. Eventi come questi sono i più energici conosciuti; la forza delle onde gravitazionali da esse emesse può eclissare brevemente tutte le stelle dell'universo osservabile in totale. La fusione dei buchi neri è anche abbastanza facile da interpretare in termini di onde gravitazionali molto pure.

La fusione dei buchi neri si verifica quando due buchi neri si muovono a spirale l'uno intorno all'altro, emettendo energia sotto forma di onde gravitazionali. Queste onde hanno un suono caratteristico (cinguettio) che può essere utilizzato per misurare la massa di questi due oggetti. Dopo di ciò, i buchi neri di solito si fondono.

“Immagina due bolle di sapone che si avvicinano così tanto da formare una bolla. La bolla più grande si deforma ", afferma Tybalt Damour, un teorico della gravità presso l'Institute for Advanced Studies ricerca scientifica vicino a Parigi. Il buco nero finale sarà perfettamente sferico, ma dovrà prima emettere onde gravitazionali di tipo prevedibile.

Una delle più importanti implicazioni scientifiche delle fusioni di buchi neri sarà la conferma dell'esistenza dei buchi neri - almeno oggetti perfettamente circolari costituiti da spaziotempo puro, vuoto e curvo, come previsto dalla relatività generale. Un'altra conseguenza è che la fusione procede come previsto dagli scienziati. Gli astronomi hanno molte conferme indirette di questo fenomeno, ma finora si trattava di osservazioni di stelle e gas surriscaldato nell'orbita dei buchi neri, e non dei buchi neri stessi.

“La comunità scientifica, me compreso, non ama i buchi neri. Li diamo per scontati ", afferma Frans Pretorius, specialista in simulazioni di relatività generale presso la Princeton University nel New Jersey. "Ma se pensi a quanto sia incredibile questa previsione, abbiamo bisogno di una prova davvero sorprendente".

Le onde gravitazionali si muovono alla velocità della luce?

Quando gli scienziati iniziano a confrontare le osservazioni di LIGO con quelle di altri telescopi, la prima cosa che controllano è se il segnale è arrivato nello stesso momento. I fisici credono che la gravità sia trasmessa dalle particelle gravitazionali, l'analogo gravitazionale dei fotoni. Se, come i fotoni, queste particelle non hanno massa, allora le onde gravitazionali si muoveranno alla velocità della luce, coerentemente con la previsione della velocità delle onde gravitazionali nella relatività classica. (La loro velocità può essere influenzata dall'accelerazione dell'espansione dell'Universo, ma questa dovrebbe manifestarsi a distanze notevolmente superiori a quelle coperte da LIGO).

È del tutto possibile, tuttavia, che i gravitoni abbiano una massa piccola, il che significa che le onde gravitazionali si muoveranno a una velocità inferiore a quella della luce. Quindi, ad esempio, se LIGO e Virgo rilevano le onde gravitazionali e scoprono che le onde sono arrivate sulla Terra più tardi rispetto a quelle associate a un evento cosmico di raggi gamma, ciò potrebbe avere conseguenze fatali per la fisica fondamentale.

Lo spaziotempo è fatto di stringhe cosmiche?

Una scoperta ancora più strana potrebbe accadere se vengono rilevati scoppi di onde gravitazionali provenienti da "stringhe cosmiche". Questi ipotetici difetti di curvatura dello spazio-tempo, che possono o meno essere correlati alle teorie delle stringhe, dovrebbero essere infinitamente sottili ma allungati su distanze cosmiche. Gli scienziati prevedono che le stringhe cosmiche, se esistono, potrebbero piegarsi accidentalmente; se la stringa si piega, causerà un'onda gravitazionale che i rilevatori come LIGO o Virgo potrebbero misurare.

Le stelle di neutroni possono essere frastagliate?

Le stelle di neutroni sono i resti di grandi stelle che sono collassate sotto il loro stesso peso e sono diventate così dense che elettroni e protoni hanno cominciato a fondersi in neutroni. Gli scienziati hanno poca comprensione della fisica dei buchi di neutroni, ma le onde gravitazionali potrebbero dire molto su di loro. Ad esempio, l'intensa gravità sulla loro superficie fa sì che le stelle di neutroni diventino quasi perfettamente sferiche. Ma alcuni scienziati hanno suggerito che potrebbero anche avere “montagne” – alte pochi millimetri – che rendono questi oggetti densi, non più di 10 chilometri di diametro, leggermente asimmetrici. Le stelle di neutroni di solito ruotano molto rapidamente, quindi una distribuzione di massa asimmetrica deforma lo spaziotempo e produce un segnale di onde gravitazionali sinusoidali costanti, rallentando la rotazione della stella ed emettendo energia.

Anche le coppie di stelle di neutroni che ruotano l'una intorno all'altra producono un segnale costante. Come i buchi neri, queste stelle si muovono a spirale e alla fine si fondono con un suono caratteristico. Ma la sua specificità differisce dalla specificità del suono dei buchi neri.

Perché le stelle esplodono?

I buchi neri e le stelle di neutroni si formano quando le stelle massicce smettono di brillare e collassano su se stesse. Gli astrofisici pensano che questo processo sia alla base di tutti i tipi comuni di esplosioni di supernova di tipo II. Le simulazioni di tali supernova non hanno ancora mostrato il motivo per cui si accendono, ma si ritiene che l'ascolto dei lampi di onde gravitazionali emessi da una vera supernova fornisca una risposta. A seconda dell'aspetto delle onde di scoppio, di quanto sono rumorose, di quanto spesso si verificano e di come si correlano con le supernove tracciate dai telescopi elettromagnetici, questi dati potrebbero aiutare a escludere una serie di modelli esistenti.

A che velocità si sta espandendo l'universo?

L'universo in espansione significa che gli oggetti distanti che si allontanano dalla nostra galassia appaiono più rossi di quanto non siano in realtà, poiché la luce che emettono viene allungata mentre si muovono. I cosmologi stimano il tasso di espansione dell'universo confrontando lo spostamento verso il rosso delle galassie con la loro distanza da noi. Ma questa distanza è solitamente stimata dalla luminosità delle supernove di tipo Ia e questa tecnica lascia molte incertezze.

Se diversi rilevatori di onde gravitazionali in tutto il mondo rilevano segnali dalla fusione delle stesse stelle di neutroni, insieme possono stimare in modo assolutamente accurato l'intensità del segnale, nonché la distanza alla quale è avvenuta la fusione. Saranno anche in grado di valutare la direzione e, con essa, identificare la galassia in cui si è verificato l'evento. Confrontando lo spostamento verso il rosso di questa galassia con la distanza dalle stelle che si fondono, si può ottenere un tasso di espansione cosmica indipendente, forse più accurato di quanto consentito dai metodi attuali.

fonti

http://www.bbc.com/russian/science/2016/02/160211_gravitational_waves

http://cont.ws/post/199519

Qui in qualche modo abbiamo capito, ma cos'è e. Guarda anche come appare L'articolo originale è sul sito InfoGlaz.rf Il link all'articolo da cui è stata fatta questa copia è