중력파는 매우 간단한 말로 중력파의 본질. 새로운 천문학의 시대

중력파 - 아티스트의 이미지

중력파는 소스에서 떨어져 파동처럼 전파되는 시공간 메트릭의 섭동입니다(소위 "시공간 잔물결").

안에 일반 이론상대성 이론과 대부분의 다른 현대 이론중력 중력파는 다양한 가속도를 가진 거대한 물체의 움직임에 의해 생성됩니다. 중력파는 빛의 속도로 공간에서 자유롭게 전파됩니다. (다른 것들에 비해) 중력이 상대적으로 약하기 때문에 이 파동은 크기가 매우 작아 등록하기 어렵습니다.

편광 중력파

중력파는 일반 상대성 이론(GR)을 비롯한 많은 이론에 의해 예측됩니다. 그것들은 2015년 9월에 중력파를 등록한 두 개의 쌍둥이 탐지기에 의해 처음으로 직접 탐지되었습니다. 블랙홀. 그들의 존재에 대한 간접적인 증거는 1970년대부터 알려졌습니다. 일반 상대성 이론은 중력파 방출을 위한 에너지 손실로 인한 관측과 일치하는 가까운 시스템의 수렴 속도를 예측합니다. 중력파를 직접 등록하고 천체물리학적 과정의 매개변수를 결정하는 데 사용하는 것은 현대 물리학과 천문학의 중요한 과제입니다.

일반 상대성 이론의 틀에서 중력파는 (선형 근사에서) 빛의 속도로 움직이는 시공간 메트릭의 섭동을 나타내는 파동 유형의 아인슈타인 방정식의 솔루션으로 설명됩니다. 이 섭동의 징후는 특히 두 개의 자유 낙하(즉, 어떤 힘의 영향도 받지 않는) 시험 질량 사이의 거리의 주기적인 변화여야 합니다. 진폭 시간중력파는 차원이 없는 양, 즉 거리의 상대적인 변화입니다. 천체물리학적 물체(예: 콤팩트 바이너리 시스템) 및 현상(폭발, 병합, 블랙홀에 의한 포획 등)에서 예측되는 중력파의 최대 진폭은 ( 시간=10 -18 -10 -23). 일반 상대성 이론에 따르면 약한(선형) 중력파는 에너지와 운동량을 전달하고 빛의 속도로 움직이며 가로 방향의 사중극자이며 서로 45° 각도로 위치한 두 개의 독립적인 구성 요소로 설명됩니다. (두 방향의 편광이 있음).

다양한 이론은 다양한 방식으로 중력파의 전파 속도를 예측합니다. 일반 상대성 이론에서는 빛의 속도(선형 근사)와 같습니다. 중력에 대한 다른 이론에서는 무한을 포함하여 모든 값을 가질 수 있습니다. 중력파의 첫 번째 등록 데이터에 따르면 분산은 질량이없는 중력과 호환되는 것으로 밝혀졌으며 속도는 빛의 속도와 같은 것으로 추정되었습니다.

중력파의 생성

두 시스템 중성자 별시공간에 파문을 일으킨다

중력파는 비대칭 가속도로 움직이는 모든 물질에서 방출됩니다. 상당한 진폭의 파동이 발생하려면 매우 큰 질량의 이미 터 또는 / 및 엄청난 가속이 필요하며 중력파의 진폭은 가속도의 1차 미분및 발전기의 질량, 즉 ~ . 그러나 어떤 물체가 가속된 속도로 움직이고 있다면 이것은 다른 물체의 측면에서 어떤 힘이 물체에 작용하고 있음을 의미합니다. 차례로, 이 다른 객체는 반대 동작을 경험하지만(뉴턴의 제3법칙에 따라) 중 1 ㅏ 1 = − 중 2 ㅏ 2 . 두 물체는 쌍으로 만 중력파를 방출하고 간섭의 결과로 거의 완전히 소멸됩니다. 따라서 일반 상대성 이론에서 중력 복사는 항상 다극성 측면에서 적어도 사중극자 복사의 특성을 갖는다. 또한 비상대론적 방사체의 경우 방사 강도에 대한 표현에는 방사체의 중력 반경인 작은 매개변수가 포함됩니다. 아르 자형- 특징적인 크기, 티- 운동의 특징적인 기간, 씨진공에서 빛의 속도입니다.

중력파의 가장 강력한 근원은 다음과 같습니다.

• 충돌(거대한 질량, 매우 작은 가속도),
• 압축 물체의 이진 시스템의 중력 붕괴(상당히 큰 질량을 가진 엄청난 가속도). 특별하고 가장 흥미로운 경우 - 중성자 별의 합병. 그러한 시스템에서 중력파 광도는 자연에서 가능한 가장 높은 플랑크 광도에 가깝습니다.

2체 시스템에서 방출되는 중력파

공통 질량 중심 주위를 원형 궤도로 움직이는 두 물체

질량을 가진 두 개의 중력적으로 묶인 물체 중 1과 중 2 , 비상대적으로 이동( V << 씨) 거리에서 공통 질량 중심 주위의 원형 궤도에서 아르 자형기간 동안 평균적으로 다음 에너지의 중력파를 서로 방출합니다.

결과적으로 시스템은 에너지를 잃어 몸의 수렴, 즉 몸 사이의 거리가 줄어 듭니다. 신체 접근 속도:

예를 들어 태양계의 경우 하위 시스템은 가장 큰 중력 복사를 생성합니다. 이 방사선의 힘은 약 5 킬로와트입니다. 따라서 연간 중력 복사에 대해 태양계가 손실하는 에너지는 신체의 고유한 운동 에너지에 비해 완전히 무시할 수 있습니다.

이진 시스템의 중력 붕괴

구성 요소가 공통 질량 중심을 중심으로 회전 할 때 모든 이진 별은 에너지를 잃고 (중력파 방출로 인해 추정되는대로) 결국 함께 병합됩니다. 그러나 보통의 비밀집 쌍성의 경우, 이 과정은 현재보다 훨씬 더 오랜 시간이 걸립니다. 쌍성 콤팩트 시스템이 한 쌍의 중성자별, 블랙홀 또는 이 둘의 조합으로 구성된 경우 합병은 수백만 년 후에 발생할 수 있습니다. 첫째, 물체가 서로 접근하고 공전주기가 줄어듭니다. 그런 다음 최종 단계에서 충돌과 비대칭 중력 붕괴가 발생합니다. 이 과정은 몇 분의 1초 동안 지속되며, 이 시간 동안 일부 추정에 따르면 시스템 질량의 50% 이상인 중력 복사로 에너지가 손실됩니다.

중력파에 대한 아인슈타인 방정식의 기본 정확한 솔루션

본다이 - 피라니 - 로빈슨의 바디 웨이브

이러한 웨이브는 형식의 메트릭으로 설명됩니다. 변수와 함수를 도입하면 GR 방정식에서 방정식을 얻습니다.

다케노 메트릭

, -functions 형식을 가지며 동일한 방정식을 만족합니다.

로젠 메트릭

만족하는 곳

페레즈 메트릭

여기서

아인슈타인-로젠 원통형 파동

원통형 좌표에서 이러한 파동은 다음과 같은 형식을 가지며 충족됩니다.

중력파 등록

중력파의 등록은 후자의 약점(메트릭의 작은 왜곡)으로 인해 다소 복잡합니다. 등록 기기는 중력파 탐지기입니다. 중력파를 탐지하려는 시도는 1960년대 후반부터 이루어졌다. 검출 가능한 진폭의 중력파는 바이너리가 붕괴하는 동안 생성됩니다. 유사한 행사가 약 10년에 한 번 인근에서 열립니다.

한편, 일반 상대성 이론은 중력파 방출을 위한 에너지 손실로 인해 쌍성의 상호 회전 가속을 예측하고 이 효과는 알려진 여러 쌍성 밀집 물체 시스템(특히, 펄서)에서 확실하게 기록되었습니다. 컴팩트 컴패니언과 함께). 1993년, 최초의 이중 펄서 PSR B1913+16 발견자인 Russell Hulse와 Joseph Taylor Jr.는 "중력 연구에 새로운 가능성을 부여한 새로운 유형의 펄서 발견을 위해" 노벨 물리학상을 수상했습니다. 이 시스템에서 관찰된 회전 가속도는 중력파 방출에 대한 일반 상대성 이론의 예측과 완전히 일치합니다. 동일한 현상이 여러 다른 경우에 기록되었습니다: 펄서 PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37(보통 J0651로 약칭) 및 바이너리 RX J0806 시스템. 예를 들어, 두 펄서 PSR J0737-3039의 첫 번째 쌍성의 두 구성 요소 A와 B 사이의 거리는 중력파에 의한 에너지 손실로 인해 하루에 약 2.5인치(6.35cm)씩 감소하며 이는 다음과 같이 발생합니다. 일반 상대성 이론 . 이 모든 데이터는 중력파의 존재에 대한 간접적인 확인으로 해석됩니다.

추정에 따르면 중력 망원경과 안테나에 대한 가장 강력하고 빈번한 중력파 소스는 인근 은하계의 이진 시스템 붕괴와 관련된 재앙입니다. 가까운 장래에 고급 중력 탐지기가 매년 이러한 이벤트를 여러 번 등록하여 주변의 메트릭을 10 −21 -10 −23 만큼 왜곡할 것으로 예상됩니다. 근접 이진 유형의 주기적인 소스에서 나오는 중력파가 우주 메이저의 복사에 미치는 영향을 감지할 수 있게 해주는 광학 매개 변수 공명 신호의 첫 번째 관측은 러시아의 전파 천문 관측소에서 얻었을 수 있습니다. 과학 아카데미, Pushchino.

우주를 채우는 중력파의 배경을 탐지하는 또 다른 가능성은 멀리 떨어진 펄서의 고정밀 타이밍입니다. 펄스의 도착 시간 분석은 지구와 펄서 사이의 공간을 통과하는 중력파의 작용에 따라 특징적으로 변합니다. 2013년 추정치에 따르면 우리 우주의 여러 소스에서 배경파를 감지할 수 있으려면 타이밍 정확도를 약 10배 증가시켜야 하며 이 작업은 10년이 끝나기 전에 해결될 수 있습니다.

현대 개념에 따르면 우리 우주는 이후 첫 순간에 나타난 유물 중력파로 가득 차 있습니다. 그들의 등록은 우주 탄생 초기의 과정에 대한 정보를 제공할 것입니다. 2014년 3월 17일 20:00 모스크바 시간에 Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics에서 BICEP 2 프로젝트에 참여하는 미국 연구원 그룹은 CMB의 편광에 의해 초기 우주에서 0이 아닌 텐서 섭동을 감지했다고 발표했습니다. 이것은 또한 이러한 유물 중력파의 발견입니다. 그러나 거의 즉각적으로 이 결과는 논쟁의 대상이 되었습니다. 저자 중 한 명인 J. M. Kovats( 코박 J.M.)는 "BICEP2 실험 데이터의 해석과 취재로 실험 참가자와 과학 저널리스트가 조금 성급했다"고 인정했다.

존재의 실험적 확인

최초로 기록된 중력파 신호. 왼쪽은 Hanford(H1), 오른쪽은 Livingston(L1)에 있는 검출기의 데이터입니다. 시간은 2015년 9월 14일 09:50:45 UTC부터 계산됩니다. 신호를 시각화하기 위해 35-350Hz 대역폭의 주파수 필터로 필터링하여 검출기의 고감도 범위를 벗어나는 큰 변동을 억제했으며 대역 통과 필터를 사용하여 설비 자체의 소음을 억제했습니다. 윗줄: 검출기의 전압 h. GW150914는 먼저 L1에 도착했고 6 9 +0 5 -0 4 ms 후에 H1에 도착했습니다. 시각적 비교를 위해 H1의 데이터는 반전되고 시간 이동된 L1 플롯에 표시됩니다(검출기의 상대 방향을 고려하기 위해). 두 번째 행: 동일한 대역 통과 필터 35-350Hz를 통과한 중력파 신호의 전압 h. 실선은 GW150914 신호 연구를 기반으로 발견된 매개변수와 호환되는 매개변수가 있는 시스템에 대한 수치 상대성 이론의 결과이며, 99.9의 일치 결과를 가진 두 개의 독립적인 코드로 획득했습니다. 두꺼운 회색 선은 두 가지 다른 방법으로 검출기 데이터에서 복구된 파형의 90% 신뢰 구간입니다. 어두운 회색 선은 블랙홀 병합에서 예상되는 신호를 모델링하고 밝은 회색 선은 천체물리학적 모델을 사용하지 않지만 신호를 정현파-가우스 웨이블릿의 선형 조합으로 나타냅니다. 재건은 94% 겹칩니다. 세 번째 행: 검출기의 필터링된 신호에서 수치상대성 신호의 필터링된 예측을 추출한 후 남은 오류. 하단 행: 시간 경과에 따른 신호의 지배적인 주파수 증가를 보여주는 전압 주파수 맵 표현.

2016년 2월 11일 LIGO 및 VIRGO 협력. 진폭이 최대 약 10-21인 두 블랙홀의 병합 신호는 2015년 9월 14일 09:51 UTC에 Hanford와 Livingston에 있는 두 개의 LIGO 탐지기에 의해 최대 신호 영역에서 7밀리초 간격으로 감지되었습니다. 진폭(0.2초) 결합 신호 대 잡음비는 24:1이었습니다. 신호는 GW150914로 지정되었습니다. 신호의 모양은 36 및 29 태양 질량의 질량을 가진 두 개의 블랙홀 병합에 대한 일반 상대성 이론의 예측과 일치합니다. 결과 블랙홀은 62 태양 질량의 질량과 회전 매개변수를 가져야 합니다. ㅏ= 0.67. 소스까지의 거리는 약 13억 이며, 병합에서 10분의 1초 동안 방사되는 에너지는 약 3 태양 질량에 해당합니다.

이야기

"중력파"라는 용어 자체의 역사, 이러한 파동에 대한 이론적 및 실험적 검색, 다른 방법으로는 접근할 수 없는 현상을 연구하기 위한 사용.

• 1900 - Lorentz는 중력이 "... 빛의 속도보다 빠르지 않은 속도로 전파될 수 있다"고 제안했습니다.
• 1905 - 푸앵카레처음으로 중력파(onde gravifique)라는 용어를 도입했습니다. 질적 수준에서 푸앵카레는 라플라스의 잘 확립된 반론을 제거하고 중력파와 관련된 뉴턴의 일반적으로 받아들여지는 중력 법칙에 대한 수정이 상쇄되므로 중력파의 존재에 대한 가정이 관측과 모순되지 않는다는 것을 보여주었습니다.
• 1916 - 아인슈타인은 GR의 틀 내에서 기계 시스템이 에너지를 중력파로 전달할 것이며, 대략적으로 말해서 고정된 별에 대한 모든 회전은 조만간 중단되어야 한다는 것을 보여주었습니다. 차수는 무시할 수 있고 실질적으로 측정할 수 없습니다(이 작업에서 그는 여전히 구형 대칭을 지속적으로 유지하는 기계 시스템이 중력파를 방출할 수 있다고 잘못 믿었습니다).
• 1918 - 아인슈타인중력파의 복사가 질서 효과로 판명되어 이전 작업의 오류를 수정하는 4 중극자 공식을 도출했습니다 (계수에 오류가 있었고 파동 에너지는 2 배 적음).
• 1923 - Eddington - 중력파의 물리적 현실에 의문을 제기했습니다. "... 생각의 속도로 ... 전파됩니다." 1934년에 그의 논문 상대성 이론의 러시아어 번역을 준비할 때 Eddington은 회전 막대에 의한 에너지 손실 계산의 두 가지 변형이 있는 장을 포함하여 여러 장을 추가했지만 일반 상대성 이론의 대략적인 계산에 사용되는 방법은 다음과 같다고 언급했습니다. 의견은 중력 결합 시스템에 적용할 수 없으므로 의심이 남아 있습니다.
• 1937 - Einstein은 Rosen과 함께 중력장의 정확한 방정식에 대한 원통형 파동 솔루션을 조사했습니다. 이 연구 과정에서 그들은 중력파가 GR 방정식에 대한 근사해의 인공물일 수 있다는 의심을 품었습니다(아인슈타인과 로젠의 "중력파가 존재합니까?"의 기사 검토와 관련하여 알려진 서신이 있습니다). 나중에 그는 추론에서 오류를 발견했으며 근본적인 편집이 포함된 기사의 최종 버전은 이미 프랭클린 연구소 저널에 게시되었습니다.
• 1957 - Herman Bondy와 Richard Feynman은 일반 상대성 이론에서 중력파의 물리적 결과의 존재를 입증하는 "구슬 지팡이" 사고 실험을 제안했습니다.
• 1962 - Vladislav Pustovoit와 Mikhail Gertsenshtein은 간섭계를 사용하여 장파장 중력파를 감지하는 원리를 설명했습니다.
• 1964 - Philip Peters와 John Matthew는 이원계에서 방출되는 중력파를 이론적으로 설명했습니다.
• 1969 - 중력파 천문학의 창시자인 Joseph Weber는 공진 검출기(기계식 중력 안테나)를 사용하여 중력파를 검출했다고 보고합니다. 이 보고서는 특히 LIGO 프로젝트의 창립자 중 한 명인 Rene Weiss가 그 당시 실험을 시작하면서 이 방향으로 작업이 급속히 성장하게 했습니다. 현재까지(2015년) 아무도 이러한 사건에 대한 신뢰할 수 있는 확인을 얻을 수 없었습니다.
• 1978 - 조셉 테일러펄서 PSR B1913+16의 이진 시스템에서 중력 방사선의 검출을 보고했습니다. Joseph Taylor와 Russell Hulse의 연구는 가치가 있습니다. 노벨상 1993년 물리학. 2015년 초, 중력파 방출로 인한 주기 감소를 포함하여 케플러 이후 매개변수 3개가 최소 8개의 이러한 시스템에 대해 측정되었습니다.
• 2002 - Sergey Kopeikin과 Edward Fomalont는 매우 긴 기준선이 있는 전파 간섭계를 사용하여 목성의 중력장에서 빛의 편향을 동적 측정했습니다. 빛의 속도는 20%를 초과해서는 안 됩니다(이 해석은 일반적으로 받아들여지지 않음).
• 2006 - Martha Burgay의 국제 팀(호주 Parks Observatory)은 일반 상대성이론의 훨씬 더 정확한 확인과 두 개의 펄서 PSR J0737-3039A/B 시스템에서 중력파 복사의 크기에 대한 일치성을 보고했습니다.
• 2014 - Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics(BICEP)의 천문학자들은 CMB 요동 측정에서 원시 중력파의 감지를 보고했습니다. 현재(2016년) 감지된 요동은 잔유물이 아닌 것으로 간주되지만 은하계의 먼지 복사로 설명됩니다.
• 2016 - LIGO 국제 팀중력파 GW150914의 통과 이벤트 감지를 발표했습니다. 초고속 상대 속도의 초강력 중력장에서 상호 작용하는 거대한 물체를 처음으로 직접 관찰(< 1,2 × R s , v/c >0.5) 여러 고차 뉴턴 항의 정확도로 일반 상대성 이론의 정확성을 검증할 수 있었습니다. 중력파의 측정된 분산은 분산의 이전 측정과 가상 중력 질량의 상한과 모순되지 않습니다.< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.



Valentin Nikolaevich Rudenko는 Kashina(이탈리아) 시를 방문하여 새로 건설된 "중력 안테나"인 Michelson의 광학 간섭계에서 일주일을 보냈던 이야기를 공유합니다. 목적지로 가는 길에 택시 기사는 이 시설이 무엇을 위해 만들어졌는지 궁금해합니다. “여기 사람들은 그것이 신과 대화하기 위한 것이라고 생각합니다.”라고 운전사는 인정합니다.

– 중력파란 무엇인가?

– 중력파는 "천체물리학적 정보의 전달자" 중 하나입니다. 천체 물리학 정보의 눈에 보이는 채널이 있으며 "원거리 시력"의 특별한 역할은 망원경에 속합니다. 천문학자들은 또한 저주파 채널(마이크로파 및 적외선)과 고주파(X선 및 감마) 채널을 마스터했습니다. 전자기 복사 외에도 코스모스에서 나오는 입자 흐름을 등록할 수 있습니다. 이를 위해 물질과 약하게 상호 작용하여 등록하기 어려운 입자 인 우주 중성미자의 대형 검출기 인 중성미자 망원경이 사용됩니다. 이론적으로 예측되고 실험실에서 연구된 거의 모든 유형의 "천체물리학적 정보 전달체"는 실제로 안정적으로 마스터됩니다. 예외는 소우주에서 가장 약한 상호작용이자 대우주에서 가장 강력한 힘인 중력이었다.

중력은 기하학입니다. 중력파는 기하학적 파동, 즉 공간을 통과하면서 공간의 기하학적 특성을 변화시키는 파동입니다. 대략적으로 말하면 공간을 변형시키는 파동입니다. 변형은 두 점 사이의 상대적인 거리 변화입니다. 중력 복사는 기하학적이라는 점에서 다른 모든 유형의 복사와 정확히 다릅니다.

아인슈타인은 중력파를 예측했는가?

-공식적으로 중력파는 아인슈타인이 그의 일반 상대성 이론의 결과 중 하나로 예측한 것으로 여겨지지만, 사실 그 존재는 이미 특수 상대성 이론에서 명백해지고 있습니다.

상대성 이론은 중력의 매력으로 인해 중력 붕괴가 가능하다는 것을 암시합니다. 즉, 대략적으로 말하면 붕괴의 결과로 물체가 점으로 수축됩니다. 그러면 중력이 너무 강해서 빛도 빠져나오지 못하기 때문에 그런 물체를 비유적으로 블랙홀이라고 합니다.

- 중력 상호 작용의 특징은 무엇입니까?

중력 상호 작용의 특징은 등가의 원리입니다. 그에 따르면 중력장에서 테스트 물체의 동적 응답은 이 물체의 질량에 의존하지 않습니다. 간단히 말해서, 모든 물체는 동일한 가속도로 낙하합니다.

중력은 오늘날 우리가 알고 있는 것 중 가장 약한 힘입니다.

- 중력파를 처음으로 잡으려고 시도한 사람은 누구입니까?

– 중력파 실험은 미국 메릴랜드 대학교(University of Maryland)의 Joseph Weber가 처음 수행했습니다. 그는 현재 워싱턴의 스미소니언 박물관에 보관되어 있는 중력 탐지기를 만들었습니다. 1968-1972년에 Joe Weber는 "우연"의 사례를 분리하기 위해 간격을 두고 떨어진 한 쌍의 탐지기로 일련의 관찰을 했습니다. 우연의 수용은 핵물리학에서 차용한 것이다. Weber가 수신한 중력 신호의 낮은 통계적 유의성은 실험 결과에 대해 비판적인 태도를 불러일으켰습니다. 즉, 중력파를 감지할 수 있다는 확신이 없었습니다. 미래에 과학자들은 Weber 유형 검출기의 감도를 높이려고 노력했습니다. 천체물리학적 예측에 적합한 감도를 가진 탐지기를 개발하는 데 45년이 걸렸습니다.

고정 전 실험을 시작하는 동안 다른 많은 실험이 수행되었으며 이 기간 동안 충동이 기록되었지만 강도가 너무 적었습니다.

- 신호 수정이 즉시 발표되지 않은 이유는 무엇입니까?

– 중력파는 2015년 9월에 기록되었습니다. 그러나 우연이 기록되었다 하더라도 우연이 아님을 선언하기 전에 증명이 필요하다. 모든 안테나에서 가져온 신호에는 항상 노이즈 버스트(단기 버스트)가 있으며 그 중 하나는 우연히 다른 안테나의 노이즈 버스트와 동시에 발생할 수 있습니다. 통계적 추정치의 도움을 통해서만 우연의 일치가 우연히 발생하지 않았음을 증명할 수 있습니다.

– 중력파 분야의 발견이 왜 그렇게 중요한가요?

– 유물 중력 배경을 등록하고 밀도, 온도 등의 특성을 측정하는 기능을 통해 우주의 시작에 접근할 수 있습니다.

매력적인 점은 중력 복사가 물질과 매우 약하게 상호 작용하기 때문에 감지하기 어렵다는 것입니다. 그러나 동일한 속성 덕분에 물질의 관점에서 볼 때 가장 신비한 속성을 가진 가장 먼 물체에서 흡수하지 않고 통과합니다.

중력 복사는 왜곡 없이 통과한다고 말할 수 있습니다. 가장 야심찬 목표는 우주가 생성되는 순간 생성된 빅뱅이론에서 1차 물질에서 분리된 중력 복사를 조사하는 것이다.

– 중력파의 발견은 양자 이론을 배제합니까?

중력 이론은 중력 붕괴, 즉 거대한 물체가 점으로 수축하는 것을 가정합니다. 동시에 코펜하겐 학파가 개발한 양자 이론은 불확정성 원리 덕분에 물체의 위치, 속도, 운동량과 같은 매개변수를 동시에 정확하게 특정하는 것이 불가능함을 시사합니다. 여기에는 불확정성 원리가 있습니다. 궤적은 좌표이자 속도이기 때문에 정확히 궤적을 결정하는 것은 불가능합니다. 이 오류 내에서 특정 조건부 신뢰 회랑만 결정할 수 있으며 이는 불확실성의 원칙과 관련이 있습니다. . 양자론은 점 물체의 가능성을 단호히 부정하지만 통계적으로 확률론적인 방식으로 설명합니다. 구체적으로 좌표를 나타내지 않고 특정 좌표를 가질 확률을 나타냅니다.

양자 이론과 중력 이론의 통합 문제는 통합 장 이론 생성의 근본적인 질문 중 하나입니다.

그들은 지금 계속 작업하고 있으며 " 양자 중력”는 완전히 진보된 과학 분야, 지식과 무지의 경계, 지금 세계의 모든 이론가들이 일하고 있는 곳을 의미합니다.

– 발견은 미래에 무엇을 줄 수 있습니까?

중력파는 필연적으로 우리 지식의 구성요소 중 하나로 현대과학의 근간을 이룬다. 그들은 우주의 진화에서 중요한 역할을 할당받으며 이러한 파동의 도움으로 우주를 연구해야 합니다. 오프닝 기여 공통 개발과학과 문화.

오늘날 과학의 범위를 벗어나기로 결정했다면 통신 중력 통신 회선, 중력 방사선의 제트 장치, 중력파 내시경 장치를 상상하는 것이 허용됩니다.

- 중력파는 초감각 지각 및 텔레파시와 관련이 있습니까?

가지마. 설명된 효과는 효과입니다. 양자 세계, 광학 효과.

안나 우트키나 인터뷰

천체 물리학자들은 약 100년 전 알버트 아인슈타인이 그 존재를 예측한 중력파의 존재를 확인했습니다. 그들은 미국에 위치한 LIGO 중력파 관측소의 탐지기를 사용하여 기록되었습니다.

역사상 처음으로 인류는 우주에서 멀리 떨어진 두 개의 블랙홀이 충돌하여 지구에 온 시공간 변동인 중력파를 기록했습니다. 러시아 과학자들도 이 발견에 기여했습니다. 목요일에 연구원들은 워싱턴, 런던, 파리, 베를린 및 모스크바를 포함한 다른 도시에서 전 세계의 발견에 대해 이야기합니다.

사진은 블랙홀 충돌의 모방을 보여줍니다

Rambler & Co 사무실에서 열린 기자 회견에서 LIGO 협력의 러시아 부분 책임자인 Valery Mitrofanov는 중력파의 발견을 발표했습니다.

“이 프로젝트에 참여하여 그 결과를 여러분께 선보이게 되어 영광입니다. 이제 러시아어로 된 발견의 의미를 말씀 드리겠습니다. 우리는 미국에서 LIGO 탐지기의 아름다운 사진을 보았습니다. 그들 사이의 거리는 3000km입니다. 중력파의 영향으로 감지기 중 하나가 이동한 후 감지기를 발견했습니다. 처음에 우리는 컴퓨터에서 소음만 보았고 Hamford 탐지기의 질량이 축적되기 시작했습니다. 얻은 데이터를 계산한 결과 1.3mlrd의 거리에서 충돌한 블랙홀임을 확인할 수 있었습니다. 여기서 광년. 신호는 매우 명확했고 그는 매우 명확하게 소음에서 벗어났습니다. 많은 사람들이 우리에게 운이 좋았다고 말했지만 자연은 우리에게 그런 선물을 주었습니다. 중력파가 발견되었다는 것은 확실합니다."

천체 물리학자들은 중력파 관측소 LIGO의 탐지기를 사용하여 중력파를 탐지할 수 있었다는 소문을 확인했습니다. 이 발견을 통해 인류는 우주가 어떻게 작동하는지 이해하는 데 상당한 진전을 이룰 수 있습니다.

이 발견은 2015년 9월 14일 워싱턴과 루이지애나에 있는 두 개의 탐지기에 의해 동시에 이루어졌습니다. 신호는 두 개의 블랙홀이 충돌한 결과 감지기에 도달했습니다. 과학자들이 충돌의 산물인 중력파임을 확인하는 데 너무 많은 시간이 걸렸습니다.

정공의 충돌은 빛의 속도의 절반 정도인 약 150,792,458m/s의 속도로 발생했습니다.

“뉴턴의 중력은 평평한 공간에서 설명되었고, 아인슈타인은 그것을 시간의 평면으로 번역하고 그것을 구부린다고 제안했습니다. 중력 상호 작용은 매우 약합니다. 지구에서 중력파를 만드는 경험은 불가능합니다. 그들은 블랙홀이 합쳐진 후에야 그것들을 감지할 수 있었습니다. 감지기가 10에서 -19미터 이동했다고 상상해 보십시오. 손으로 만지지 마십시오. 매우 정밀한 도구를 통해서만 가능합니다. 그것을하는 방법? 이동이 감지된 레이저 빔은 본질적으로 고유합니다. 2세대 LIGO 레이저 중력 안테나는 2015년에 가동되었습니다. 감도는 한 달에 한 번 정도 중력 섭동을 등록할 수 있게 합니다. 이것은 선진 세계와 미국 과학이며 세계에서 더 정확한 것은 없습니다. 감도의 표준 양자 한계를 극복 할 수 있기를 바랍니다.”라고 발견을 설명했습니다. 모스크바 주립 대학 물리학부 직원이자 LIGO 협력업체인 Sergey Vyatchanin.

양자 역학의 표준 양자 한계(SQL)는 서로 다른 시간에 자체적으로 통근하지 않는 연산자가 설명하는 양의 연속적 또는 여러 번 반복 측정의 정확도에 부과되는 제한입니다. V. B. Braginsky가 1967년에 예측했으며 나중에 Thorne이 SQL(Standard Quantum Limit)이라는 용어를 제안했습니다. SQL은 Heisenberg 불확실성 관계와 밀접한 관련이 있습니다.

요약하면 Valery Mitrofanov는 추가 연구 계획에 대해 다음과 같이 말했습니다.

“이 발견은 새로운 중력파 천문학의 시작입니다. 중력파 채널을 통해 우리는 우주에 대해 더 많이 알게 될 것으로 기대합니다. 우리는 물질의 5%만이 구성되어 있다는 것을 알고 있으며 나머지는 미스터리입니다. 중력 탐지기를 사용하면 "중력파"로 하늘을 볼 수 있습니다. 앞으로 우리는 모든 것의 시작, 즉 빅뱅의 우주 마이크로파 배경을 보고 그때 정확히 무슨 일이 일어났는지 이해하기를 바랍니다.”

중력파는 거의 정확히 100년 전인 1916년 알버트 아인슈타인에 의해 처음으로 제안되었습니다. 파동 방정식은 상대성 이론 방정식의 결과이며 가장 간단한 방법으로 유도되지 않습니다.

캐나다의 이론 물리학자 Clifford Burgess는 이전에 천문대가 태양 질량 36 및 29의 질량을 가진 블랙홀의 이진 시스템이 태양 질량 62의 물체로 병합되어 발생하는 중력 복사를 감지했다는 편지를 발표했습니다. 충돌과 비대칭 중력 붕괴는 몇 분의 1초 동안 지속되며, 이 시간 동안 시스템 질량의 최대 50%가 중력 복사(시공간의 잔물결)로 들어갑니다.

중력파는 가변 가속도를 갖는 중력체의 움직임에 의해 대부분의 중력 이론에서 생성되는 중력파입니다. (다른 것들에 비해) 중력의 상대적 약함을 고려할 때, 이 파동은 등록하기 어려운 매우 작은 크기를 가져야 합니다. 그들의 존재는 약 100년 전에 알버트 아인슈타인에 의해 예측되었습니다.

어제 세계는 충격에 휩싸였습니다. 과학자들은 마침내 아인슈타인이 100년 전에 그 존재를 예측한 중력파를 발견했습니다. 이것은 돌파구입니다. 시공간의 왜곡 (이것은 중력파입니다. 이제 무엇이 무엇인지 설명하겠습니다)은 LIGO 천문대에서 발견되었으며 그 창시자 중 한 명은 누구라고 생각하십니까? - Kip Thorne, 이 책의 저자.

우리는 중력파의 발견이 왜 그렇게 중요한지, Mark Zuckerberg가 말한 것, 물론 1인칭의 이야기를 공유합니다. Kip Thorne은 다른 누구와도 달리 이 프로젝트가 어떻게 작동하는지, 무엇이 이 프로젝트를 특별하게 만드는지, LIGO가 인류에게 어떤 의미가 있는지 알고 있습니다. 예, 예, 모든 것이 너무 심각합니다.

중력파의 발견

과학계는 2016년 2월 11일을 영원히 기억할 것입니다. 이날 LIGO 프로젝트 참가자들은 수많은 헛된 시도 끝에 중력파가 발견되었다고 발표했습니다. 이것이 현실입니다. 사실, 그것들은 조금 더 일찍 발견되었습니다: 2015년 9월에, 그러나 어제 그 발견은 공식적으로 인정되었습니다. The Guardian은 과학자들이 반드시 노벨 물리학상을 받을 것이라고 믿습니다.

중력파의 원인은 이미 지구에서 10억 광년 떨어진 두 개의 블랙홀이 충돌했기 때문입니다. 우리 우주가 얼마나 거대한지 상상해보세요! 블랙홀은 매우 무거운 물체이기 때문에 시공간을 통해 잔물결을 일으켜 약간 왜곡됩니다. 그래서 물에 던진 돌에서 퍼지는 것과 같은 파도가 나타납니다.

예를 들어 웜홀에서 지구로 오는 중력파를 상상할 수 있는 방법입니다. "인터스텔라. 무대 뒤 과학"

그 결과 진동이 소리로 변환되었습니다. 흥미롭게도 중력파의 신호는 우리의 말과 거의 같은 주파수로 옵니다. 그래서 우리는 블랙홀이 어떻게 충돌하는지 귀로 들을 수 있습니다. 중력파가 어떤 소리를 내는지 들어보세요.

그리고 그거 알아? 블랙홀이 이전에 생각했던 것과 다르게 배열된 것은 최근의 일입니다. 그러나 결국 원칙적으로 존재한다는 증거는 전혀 없었습니다. 그리고 지금 있습니다. 블랙홀은 실제로 우주에 "살아" 있습니다.

따라서 과학자들에 따르면 재앙은 블랙홀의 합병과 같습니다.

2월 11일, 15개국에서 천 명이 넘는 과학자들이 모인 성대한 회의가 열렸습니다. 러시아 과학자들도 참석했습니다. 물론 Kip Thorne 없이는 아닙니다. “이 발견은 사람들을 위한 놀랍고 장엄한 탐구의 시작입니다. 왜곡된 시공간에서 생성된 물체와 현상인 우주의 곡선면을 탐색하고 탐사하는 것입니다. 블랙홀과 중력파의 충돌은 우리의 첫 번째 주목할만한 샘플입니다.”라고 Kip Thorne이 말했습니다.

중력파에 대한 탐색은 물리학의 주요 문제 중 하나였습니다. 이제 그들은 발견되었습니다. 그리고 아인슈타인의 천재성은 다시 확인된다.

10월에는 러시아의 천체물리학자이자 유명한 과학 대중화자인 세르게이 포포프를 인터뷰했습니다. 그는 물 속을 들여다보았다! 가을: “이제 우리는 주로 중력파 탐지기 LIGO 및 VIRGO의 작업 덕분에 새로운 발견 직전에 있는 것 같습니다(Kip Thorne은 방금 LIGO 프로젝트 생성에 큰 기여를 했습니다). ” 놀랍죠?

중력파, 파동 탐지기 및 LIGO

글쎄, 이제 물리학을 위해. 중력파가 무엇인지 정말로 이해하고 싶은 사람들을 위해. 여기 예술적 이미지시계 반대 방향으로 서로 궤도를 돌다가 충돌하는 두 개의 블랙홀의 힘줄. Tendex 라인은 조석 중력을 생성합니다. 계속하세요. 한 쌍의 블랙홀 표면에서 가장 먼 두 지점에서 나오는 선은 드로잉에 들어간 작가의 친구를 포함하여 경로에 있는 모든 것을 확장합니다. 충돌 영역에서 나오는 선은 모든 것을 압축합니다.

구멍이 서로 회전하면서 힘줄을 따라 회전하는 잔디 스프링클러에서 물이 분출되는 것과 같습니다. 책 Interstellar에서 사진. 배후의 과학은 충돌하는 한 쌍의 블랙홀이 시계 반대 방향으로 서로 회전하는 것과 그들의 힘줄입니다.

블랙홀은 하나로 합쳐진다 큰 구멍; 그것은 변형되고 시계 반대 방향으로 회전하여 힘줄을 드래그합니다. 구멍에서 멀리 떨어진 곳에 정지해 있는 관찰자는 힘줄이 구멍을 통과할 때 진동을 느낄 것입니다. 스트레칭, 압착, 스트레칭 - 힘줄이 중력파가 됩니다. 파동이 전파됨에 따라 블랙홀의 변형이 점차 줄어들고 파동도 약해집니다.

이 파동이 지구에 도달하면 아래 그림의 상단에 표시된 모양을 갖습니다. 그들은 한 방향으로 늘어나고 다른 방향으로 압축됩니다. 파동이 그림 하단의 검출기를 통과함에 따라 스트레칭과 스퀴즈가 변동합니다(빨간색 오른쪽-왼쪽, 파란색 오른쪽-왼쪽, 빨간색 오른쪽-왼쪽 등).

LIGO 검출기를 통과하는 중력파.

검출기는 검출기 암이라고 하는 두 개의 수직 튜브 끝에 부착된 4개의 대형 거울(40kg, 직경 34cm)로 구성됩니다. 중력파의 Tendex 선은 한쪽 어깨를 늘리고 두 번째는 압축 한 다음 반대로 첫 번째를 압축하고 두 번째를 늘립니다. 그리고 계속해서. 팔의 길이를 주기적으로 변경함으로써 거울은 서로 상대적으로 움직이고 이러한 이동은 간섭계라는 방식으로 레이저 빔을 사용하여 추적됩니다. 따라서 이름 LIGO: 레이저 간섭계 중력파 관측소.

LIGO 제어 센터에서 탐지기에 명령을 보내고 수신된 신호를 모니터링합니다. LIGO의 중력 탐지기는 워싱턴 주 핸포드와 루이지애나 주 리빙스턴에 있습니다. 책 "인터스텔라"의 사진. 무대 뒤 과학"

이제 LIGO는 900명의 과학자들이 참여하는 국제 프로젝트입니다. 다른 나라, California Institute of Technology에 본사를 두고 있습니다.

우주의 뒤틀린 면

블랙홀, 웜홀, 특이점, 중력 이상 및 고차 차원은 공간과 시간의 곡률과 관련이 있습니다. 그래서 Kip Thorne은 그것들을 "우주의 구부러진 면"이라고 부릅니다. 인류는 여전히 우주의 구부러진 면에 대한 실험 및 관측 데이터가 거의 없습니다. 이것이 우리가 중력파에 많은 관심을 기울이는 이유입니다. 중력파는 곡선 공간으로 구성되어 있으며 곡선 측면을 탐색하는 데 가장 접근하기 쉬운 방법을 제공합니다.

바다가 잔잔할 때만 바다를 봐야 한다고 상상해보세요. 당신은 해류, 소용돌이, 폭풍우에 대해 알지 못할 것입니다. 이것은 공간과 시간의 곡률에 대한 우리의 현재 지식을 연상시킵니다.

우리는 뒤틀린 공간과 뒤틀린 시간이 "폭풍 속에서" 어떻게 작용하는지, 즉 공간의 모양이 격렬하게 요동칠 때와 시간의 흐름 속도가 요동칠 때 거의 아무것도 모릅니다. 이것은 비정상적으로 매혹적인 지식의 영역입니다. 과학자 John Wheeler는 이러한 변화에 대해 "기하학"이라는 용어를 만들었습니다.

기하학 역학 분야에서 특히 흥미로운 것은 두 개의 블랙홀의 충돌입니다.

회전하지 않는 두 블랙홀의 충돌. 책 "인터스텔라"의 모델. 무대 뒤 과학"

위의 그림은 두 개의 블랙홀이 충돌하는 순간을 보여줍니다. 그러한 사건으로 인해 과학자들은 중력파를 기록할 수 있었습니다. 이 모델은 회전하지 않는 블랙홀용으로 제작되었습니다. 위: 우리 우주에서 본 구멍의 궤도와 그림자. 중간: 빔에서 본 곡선형 공간 및 시간(고차원 초공간); 화살표는 공간이 움직이는 방식을 보여주고 변화하는 색상은 시간이 구부러지는 방식을 보여줍니다. 하단: 방출된 중력파의 모양.

빅뱅의 중력파

킵 손에게 한마디. “1975년에 러시아에서 온 나의 좋은 친구인 Leonid Grischuk는 놀라운 발언을 했습니다. 그는 빅뱅 순간에 많은 중력파가 발생했으며 그 발생 메커니즘(이전에는 알려지지 않았음)은 다음과 같다고 말했습니다. (무작위 변동 - 에드.)빅뱅의 중력장은 우주의 초기 팽창에 의해 크게 증폭되어 원래의 중력파가 되었다. 이 파동을 감지할 수 있다면 우리 우주가 탄생한 순간에 무슨 일이 일어났는지 알 수 있습니다.”

과학자들이 원래의 중력파를 찾으면 우주가 어떻게 시작되었는지 알게 될 것입니다.

사람들은 우주의 모든 신비를 멀리까지 풀었습니다. 아직 앞서 있습니다.

이후 몇 년 동안 빅뱅에 대한 우리의 이해가 향상됨에 따라 이러한 초기 파동은 크기에 상응하는 파장에서 강해야 한다는 것이 분명해졌습니다. 보이는 우주즉, 수십억 광년의 길이입니다. 어느 정도인지 상상이 가시나요?.. 그리고 LIGO 감지기가 커버하는 파장(수백 수천 킬로미터)에서는 파동이 너무 약해서 인식할 수 없을 가능성이 높습니다.

Jamie Bock의 팀은 원시 중력파의 흔적을 발견한 BICEP2 장치를 제작했습니다. 북극 우주선은 1년에 두 번만 열리는 황혼기에 이곳에서 전시됩니다.

BICEP2 장치. 책 "인터스텔라"의 이미지. 무대 뒤 과학"

그것은 주변 빙상에서 나오는 방사선으로부터 우주선을 보호하는 방패로 둘러싸여 있습니다. 오른쪽 상단 모서리에는 유물 방사선에서 발견되는 흔적인 편광 패턴이 있습니다. 윤곽 전기장짧은 가벼운 스트로크를 따라 지시됩니다.

우주 시작의 흔적

1990년대 초, 우주론자들은 이 수십억 광년의 긴 중력파가 우주를 채우는 전자기파에 독특한 흔적을 남겼음에 틀림없다는 것을 깨달았습니다. 소위 우주 마이크로파 배경(Cosmic Microwave Background, CMB)입니다. 이것은 성배 찾기의 시작을 의미했습니다. 결국 이 궤적을 찾아 그것으로부터 원래의 중력파의 속성을 도출한다면 우주가 어떻게 탄생했는지 알 수 있다.

2014년 3월, Kip Thorne이 이 책을 쓰고 있는 동안, Thorne의 사무실 옆에 사무실이 있는 Caltech 우주론자 Jamie Bok 팀은 마침내 CMB에서 이 흔적을 발견했습니다.

이것은 절대적으로 놀라운 발견이지만 한 가지 논란의 여지가 있습니다. Jamie 팀이 발견한 궤도는 중력파가 아니라 다른 원인일 수 있습니다.

빅뱅으로부터의 중력파의 흔적이 정말로 발견된다면, 아마도 반세기에 한 번씩 일어나는 수준의 우주론적 발견이 있었을 것입니다. 우주 탄생 이후 1조분의 1초에서 1조분의 1초 사이에 일어난 사건들을 만질 수 있는 기회를 준다.

이 발견은 우주론자들의 속어인 인플레이션 속도로 그 순간 우주의 팽창이 극도로 빨랐다는 이론을 확인시켜줍니다. 그리고 우주론의 새로운 시대의 도래를 예고합니다.

중력파와 성간

어제 중력파 발견에 관한 회의에서 모스크바 주립 대학의 8 명의 과학자를 포함하는 과학자 LIGO의 모스크바 공동 작업 책임자 인 Valery Mitrofanov는 영화 Interstellar의 음모가 환상적이지만 현실과 그리 멀지 않다고 언급했습니다. . 과학 컨설턴트가 Kip Thorne이었기 때문입니다. Thorne 자신은 블랙홀로의 미래 유인 비행을 믿는다는 희망을 표명했습니다. 우리가 원하는 대로 빨리 일어나지 않도록 하십시오. 그러나 오늘날 그것은 이전보다 훨씬 더 현실적입니다.

사람들이 우리 은하계의 한계를 벗어날 날이 멀지 않았습니다.

이 사건은 수백만 명의 마음을 흔들었습니다. 악명 높은 Mark Zuckerberg는 다음과 같이 썼습니다. “중력파의 발견은 역사상 가장 큰 발견입니다. 현대 과학. 알버트 아인슈타인은 나의 영웅 중 한 명이며, 이것이 내가 그 발견을 그토록 가깝게 받아들인 이유입니다. 1세기 전, 일반 상대성 이론(GR)의 틀 내에서 그는 중력파의 존재를 예측했습니다. 그러나 그들은 너무 작아서 발견되지 않았기 때문에 빅뱅, 별 폭발, 블랙홀 충돌과 같은 사건의 기원에서 그들을 찾기 위해 왔습니다. 과학자들이 얻은 데이터를 분석할 때 우리는 완벽한 새로운 모습우주로. 그리고 아마도 이것은 우주의 기원, 블랙홀의 탄생과 발달에 대해 밝힐 것입니다. 이 우주의 신비를 밝히기 위해 얼마나 많은 삶과 노력이 들었는지 생각하면 매우 고무적입니다. 이 돌파구는 뛰어난 과학자와 엔지니어, 사람들의 재능 덕분에 가능했습니다. 다른 국적, 뿐만 아니라 최근에 등장한 최신 컴퓨터 기술. 관계자 여러분 축하드립니다. 아인슈타인은 당신을 자랑스러워할 것입니다."

그런 연설입니다. 그리고 이것은 단순히 과학에 관심이 있는 사람입니다. 발견에 기여한 과학자들을 휩쓸었던 감정의 폭풍을 상상할 수 있습니다. 친구들이여, 우리는 새로운 시대를 목격하고 있는 것 같습니다. 놀랍다.

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알베르트 아인슈타인이 일반 상대성 이론의 틀 내에서 이론적 예측을 한 지 100년 후, 과학자들은 중력파의 존재를 확인했습니다. 근본적으로 새로운 심우주 연구 방법인 중력파 천문학의 시대가 시작됩니다.

발견은 다릅니다. 무작위가 있으며 천문학에서는 일반적입니다. William Herschel의 천왕성 발견과 같이 조심스럽게 "지역을 빗질"한 결과로 만들어진 완전히 무작위적인 것은 아닙니다. 우연한 일이 있습니다. 한 가지를 찾고 있었지만 다른 것을 찾았을 때입니다. 예를 들어 그들은 미국을 발견했습니다. 그러나 계획된 발견은 과학의 특별한 위치를 차지합니다. 그들은 명확한 이론적 예측을 기반으로 합니다. 이론을 확인하기 위해 먼저 예측을 찾습니다. 이러한 발견에는 Large Hadron Collider에서 Higgs boson 감지 및 레이저 간섭계 중력파 관측소 LIGO를 사용한 중력파 감지가 포함됩니다. 그러나 이론에 의해 예측된 일부 현상을 등록하려면 정확히 무엇을 어디서 찾아야 하는지, 이를 위해 어떤 도구가 필요한지 잘 이해해야 합니다.

중력파는 전통적으로 일반 상대성 이론(GR)의 예측이라고 불리며, 이것은 실제로 사실입니다(지금은 그러한 파동이 GR을 대체하거나 보완하는 모든 모델에 존재하지만). 중력 상호 작용의 전파 속도의 유한성은 파동의 출현으로 이어집니다(일반 상대성 이론에서 이 속도는 정확히 빛의 속도와 같습니다). 이러한 파동은 소스에서 전파되는 시공간의 섭동입니다. 중력파의 출현을 위해서는 소스가 특정 방식으로 빠르게 맥동하거나 움직일 필요가 있습니다. 완벽한 구형 또는 원통형 대칭을 가진 움직임이 적합하지 않다고 가정해 봅시다. 그러한 소스가 많이 있지만 종종 질량이 작아 강력한 신호를 생성하기에는 불충분합니다. 결국 중력은 네 가지 기본 상호 작용 중 가장 약하기 때문에 중력 신호를 등록하는 것은 매우 어렵습니다. 또한 등록을 위해서는 신호가 시간에 따라 빠르게 변해야 합니다. 즉, 충분히 높은 주파수를 가져야 합니다. 그렇지 않으면 변경이 너무 느려 등록할 수 없습니다. 즉, 개체도 콤팩트해야 합니다.

처음에는 우리 은하와 같은 은하에서 수십 년마다 발생하는 초신성 폭발로 인해 큰 열광이 일어났습니다. 따라서 수백만 광년 거리에서 신호를 볼 수 있는 감도를 얻을 수 있다면 연간 몇 개의 신호를 기대할 수 있습니다. 그러나 나중에 초신성 폭발 동안 중력파의 형태로 에너지 방출의 초기 추정치가 너무 낙관적이었고 우리 은하에서 초신성이 발생한 경우에만 그러한 약한 신호를 등록할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

빠르게 움직이는 거대하고 조밀한 물체의 또 다른 변종은 중성자별 또는 블랙홀입니다. 우리는 그들의 형성 과정이나 서로 상호 작용하는 과정을 볼 수 있습니다. 중성자별과 블랙홀 병합의 마지막 단계뿐만 아니라 밀집된 물체의 형성으로 이어지는 항성 코어 붕괴의 마지막 단계는 몇 밀리초 정도의 지속 시간을 갖습니다. 수백 헤르츠) - 우리가 필요로 하는 것. 이 경우 중력파의 형태를 포함하여 (때로는 대부분) 많은 에너지가 방출됩니다. 거대한 소형 몸체가 특정 빠른 움직임을 만들기 때문입니다. 이것이 우리의 이상적인 소스입니다.

사실, 초신성은 수십 년에 한 번씩 은하계에서 폭발하고 중성자 별 병합은 수만년에 한 번씩 발생하며 블랙홀은 훨씬 덜 자주 병합됩니다. 그러나 신호는 훨씬 더 강력하고 그 특성을 매우 정확하게 계산할 수 있습니다. 하지만 이제 우리는 수만 개의 은하계를 커버하고 1년에 여러 신호를 감지하기 위해 수억 광년 거리에서 신호를 보는 방법을 배워야 합니다.

소스를 결정했으면 검출기 설계를 시작하겠습니다. 이를 위해서는 중력파가 무엇을 하는지 이해해야 합니다. 자세히 설명하지 않고 중력파의 통과가 조석력을 유발한다고 말할 수 있습니다. 예를 들어 금속 실린더에 센서를 장착하고 진동을 연구할 수 있습니다. 이것은 어렵지 않으므로 반세기 전에 그러한 설치가 시작되었습니다 (현재 러시아에도 있으며 SAI MSU의 Valentin Rudenko 팀이 개발 한 개선 된 탐지기)가 Baksan 지하 실험실에 설치되고 있습니다. 문제는 그러한 장치가 중력파 없이 신호를 볼 수 있다는 것입니다. 다루기 힘든 소음이 많습니다. 탐지기를 지하에 설치하고 격리하고 냉각시키는 것이 가능합니다(완료되었습니다!). 저온, 하지만 여전히 노이즈 레벨을 초과하기 위해서는 매우 강력한 중력파 신호가 필요합니다. 그리고 강한 신호는 드뭅니다.

따라서 1962년 Vladislav Pustovoit와 Mikhail Gertsenshtein이 제안한 또 다른 계획을 선택했습니다. ZhETF(Journal of Experimental and Theoretical Physics)에 게재된 기사에서 그들은 중력파를 감지하기 위해 Michelson 간섭계를 사용할 것을 제안했습니다. 레이저 빔은 간섭계의 두 팔에 있는 거울 사이를 통과한 다음 서로 다른 팔의 빔이 추가됩니다. 빔의 간섭 결과를 분석하여 팔 길이의 상대적인 변화를 측정할 수 있습니다. 이것은 매우 정확한 측정이므로 노이즈를 극복하면 환상적인 감도를 얻을 수 있습니다.

1990년대 초반에 이 계획에 따라 여러 탐지기를 구축하기로 결정했습니다. 유럽의 GEO600과 일본의 TAMA300(미터 단위의 팔 길이에 해당하는 숫자)과 같은 상대적으로 소규모 설비가 기술을 테스트하기 위해 먼저 가동되었습니다. 그러나 주요 플레이어는 미국의 LIGO와 유럽의 VIRGO였습니다. 이러한 장치의 크기는 이미 킬로미터 단위로 측정되었으며 최종 계획된 감도는 연간 수백 건은 아니더라도 수십 건의 이벤트를 볼 수 있어야 합니다.

여러 장치가 필요한 이유는 무엇입니까? 로컬 노이즈(예: 지진)가 있기 때문에 주로 교차 유효성 검사에 사용됩니다. 미국 북서부와 이탈리아에서 신호를 동시에 등록하는 것은 외부 기원에 대한 훌륭한 증거가 될 것입니다. 그러나 두 번째 이유가 있습니다. 중력파 탐지기는 소스 방향을 매우 잘못 결정합니다. 그러나 간격을 둔 감지기가 여러 개 있으면 방향을 매우 정확하게 표시할 수 있습니다.

레이저 거인

원래 형태로 LIGO 검출기는 2002년에, VIRGO는 2003년에 제작되었습니다. 계획에 따르면 이것은 첫 번째 단계에 불과했습니다. 모든 설치는 몇 년 동안 작동했으며 2010-2011년에는 계획된 고감도에 도달하기 위해 개정을 위해 중단되었습니다. LIGO 감지기는 2015년 9월에 처음으로 작업을 시작했고 VIRGO는 2016년 하반기에 합류해야 하며 이 단계부터 민감도를 통해 연간 최소 여러 이벤트를 등록할 수 있습니다.

LIGO를 시작한 후 예상되는 버스트 비율은 대략 한 달에 한 번이었습니다. 천체 물리학자들은 블랙홀 병합이 첫 번째로 예상되는 사건이어야 한다고 미리 예측했습니다. 이것은 블랙홀이 일반적으로 중성자별보다 10배 무겁고 신호가 더 강력하며 먼 거리에서 "보이기" 때문에 은하당 사건의 느린 속도를 보상하는 것 이상입니다. 운 좋게도 오래 기다릴 필요가 없었습니다. 2015년 9월 14일 두 설치 모두 거의 동일한 신호를 등록했으며 이름은 GW150914였습니다.

상당히 간단한 분석으로 블랙홀 질량, 신호 강도, 소스까지의 거리와 같은 데이터를 얻을 수 있습니다. 블랙홀의 질량과 크기는 매우 간단하고 잘 알려진 방식으로 관련되어 있으며 신호의 주파수에서 에너지 방출 영역의 크기를 즉시 추정할 수 있습니다. 이 경우 크기는 25-30 태양 질량과 35-40 태양 질량을 가진 두 개의 구멍이 60 태양 질량 이상의 질량을 가진 블랙홀을 형성했음을 나타냅니다. 이러한 데이터를 알면 총 버스트 에너지도 얻을 수 있습니다. 거의 세 개의 태양 질량이 중력 복사를 통과했습니다. 이것은 태양의 1023 광도의 광도에 해당합니다. 이 시간(100분의 1초) 동안 우주의 보이는 부분에 있는 모든 별이 방출하는 것과 거의 같습니다. 그리고 알려진 에너지와 측정된 신호의 크기로부터 거리를 구합니다. 많은 양의 병합체를 통해 먼 은하에서 발생한 사건을 기록할 수 있었습니다. 신호는 약 13억 년 동안 우리에게 전달되었습니다.

더 자세한 분석을 통해 블랙홀의 질량 비율을 세분화하고 블랙홀이 축을 중심으로 어떻게 회전하는지 이해하고 다른 매개변수를 결정할 수 있습니다. 또한 두 설치의 신호를 통해 버스트 방향을 대략적으로 결정할 수 있습니다. 불행히도 지금까지 정확도는 그다지 높지 않지만 업데이트된 VIRGO를 시운전하면 정확도가 높아질 것입니다. 그리고 몇 년 안에 일본 KAGRA 감지기가 신호를 수신하기 시작할 것입니다. 그런 다음 LIGO 감지기 중 하나(처음에는 3개가 있었고 설치 중 하나는 이중 장치임)가 인도에서 조립될 것이며 연간 수십 건의 이벤트가 기록될 것으로 예상됩니다.

새로운 천문학의 시대

현재 LIGO 작업의 가장 중요한 결과는 중력파의 존재를 확인하는 것입니다. 또한, 이미 첫 번째 폭발로 인해 중력자 질량에 대한 제한(일반 상대성 이론에서는 질량이 0임)을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 중력 전파 속도와 중력 속도 사이의 차이를 더 강력하게 제한할 수 있었습니다. 빛. 그러나 과학자들은 이미 2016년에 LIGO와 VIRGO의 도움으로 많은 새로운 천체 물리학 데이터를 받을 수 있기를 바랍니다.

첫째, 중력파 관측소의 데이터는 블랙홀을 연구하는 새로운 채널입니다. 이전에 이러한 물체 근처에서 물질의 흐름만 관찰할 수 있었다면 이제 떠오르는 블랙홀의 병합 및 "진정" 과정, 수평선이 어떻게 변동하여 최종 형태를 취하는지 직접 "볼" 수 있습니다. 회전에 의해 결정됨). 아마도 호킹의 블랙홀 증발이 발견될 때까지(지금까지 이 과정은 가설로 남아 있음) 합병 연구는 블랙홀에 대한 가장 직접적인 정보를 제공할 것입니다.

둘째, 중성자별 합병에 대한 관측은 이러한 물체에 대해 새롭고 절실히 필요한 많은 정보를 제공할 것입니다. 처음으로 우리는 물리학자들이 입자를 연구하는 방식으로 중성자별을 연구할 수 있게 될 것입니다. 충돌을 관찰하여 내부에서 어떻게 작동하는지 이해합니다. 중성자 별 내부 구조의 신비는 천체 물리학자와 물리학 자 모두를 흥분시킵니다. 핵 물리학과 초고밀도 물질의 거동에 대한 우리의 이해는 이 문제를 해결하지 않고는 불완전합니다. 중력파 관측이 여기에서 중요한 역할을 할 가능성이 있습니다.

중성자별의 병합은 짧은 우주 감마선 폭발의 원인으로 여겨집니다. 드문 경우지만 감마 범위와 중력파 탐지기 모두에서 이벤트를 동시에 관찰하는 것이 가능할 것입니다. 항상 우리를 향하지만 두 번째로 우리는 아주 먼 사건의 중력파를 등록하지 않을 것입니다). 분명히 이것을 볼 수 있으려면 몇 년의 관찰이 필요할 것입니다 (평소와 같이 운이 좋을 수 있으며 지금 당장 일어날 것입니다). 그러면 무엇보다도 중력의 속도와 빛의 속도를 매우 정확하게 비교할 수 있습니다.

따라서 레이저 간섭계는 단일 중력파 망원경으로 함께 작동하여 천체 물리학자와 물리학자 모두에게 새로운 지식을 제공할 것입니다. 음, 조만간 첫 폭발의 발견과 그 분석에 대한 노벨상이 수여될 것입니다.