Гравитационные Волны

Что такое Гравитационные Волны?

Гравитационные волны — это ряби в пространстве-времени, вызванные некоторыми из самых жестоких и энергичных процессов во Вселенной. Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в 1916 году в своей общей теории относительности. Они производятся массивными ускоряющимися объектами, такими как нейтронные звезды или черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга.

Эволюция Бинарных Черных Дыр

Когда две черные дыры вращаются друг вокруг друга, они испускают гравитационные волны, которые уносят энергию из системы. Это заставляет черные дыры спирально закручиваться внутрь (inspiral), в конечном итоге сливаться в единую черную дыру (merger), а затем успокаиваться, когда слившаяся черная дыра затухает до стабильного состояния (ringdown). Каждая фаза производит характерные сигналы гравитационных волн.

Фаза Inspiral

Во время фазы inspiral черные дыры постепенно спирально закручиваются внутрь, теряя энергию через гравитационное излучение. Частота и амплитуда гравитационных волн увеличиваются со временем, создавая характерный 'chirp' сигнал. Эта фаза может длиться миллионы лет для черных дыр звездной массы.

Фаза Merger

Фаза merger происходит, когда черные дыры наконец сталкиваются и объединяются. Это самая энергичная часть события, высвобождающая огромное количество энергии гравитационных волн за долю секунды. Форма волны достигает максимальной амплитуды и частоты во время этой фазы.

Фаза Ringdown

После слияния получившаяся черная дыра сильно искажена и быстро излучает свои деформации как гравитационные волны. Частота и амплитуда экспоненциально затухают по мере того, как черная дыра устанавливается в стабильное черное дыру Керра (вращающееся). Эта фаза 'ringdown' несет информацию о массе и спине окончательной черной дыры.

Детекция LIGO

LIGO (Лазерная Интерферометрическая Обсерватория Гравитационных Волн) обнаруживает гравитационные волны с помощью интерферометров Майкельсона с плечами 4 км. Проходящие гравитационные волны изменяют длину плеч примерно на 1/10 000 ширины протона, что обнаруживается как фазовый сдвиг в лазерном свете. Первое обнаружение, GW150914, произошло от сливающихся черных дыр массой 36 и 29 солнечных масс на расстоянии 410 Мпк.

Источники Гравитационных Волн

Различные астрофизические источники производят гравитационные волны на разных частотах: бинарные нейтронные звезды (10-1000 Гц), бинарные черные дыры (10-1000 Гц), сверхновые (кГц), пульсары (непрерывные волны) и стохастический фон от ранней Вселенной. Каждый источник имеет уникальные спектральные и временные характеристики.