重力波の発見は何をもたらすのでしょうか? 重力波

「群れを走る夢の本」というテーマの記事では、...に関する最新情報が提供されます。 06.01.2024

チャーチャー

重力波は、時空計量の乱れであり、発生源から離れて波のように伝播します (いわゆる「時空の波紋」)。

一般相対性理論やその他のほとんどの現代の重力理論では、重力波は加速度が変化する巨大な物体の運動によって生成されます。重力波は空間を光の速さで自由に伝播します。重力が（他と比較して）相対的に弱いため、これらの波は非常に小さいため、記録するのが困難です。

偏光重力波

重力波は、一般相対性理論 (GR) やその他多くの理論によって予測されています。これらは、2015 年 9 月にツイン検出器によって初めて直接検出されました。この検出器は、2 つの検出器が合体して単一のより巨大な回転ブラックホールを形成した結果として生じたと考えられる重力波を検出しました。それらの存在の間接的な証拠は 1970 年代から知られています。一般相対性理論は、観測と一致する重力波の放射によるエネルギー損失による近接系の収束速度を予測します。重力波を直接記録し、天体物理学的プロセスのパラメータを決定するために重力波を使用することは、現代の物理学と天文学の重要な課題です。

一般相対性理論の枠組み内では、重力波は波型アインシュタイン方程式の解によって記述され、光の速度で移動する時空計量の摂動を（線形近似で）表します。この外乱の現れは、特に、自由落下する (つまり、いかなる力の影響も受けない) 2 つの試験質量間の距離の周期的変化であるはずです。振幅 h重力波は無次元の量、つまり距離の相対的な変化です。天体物理的物体 (たとえば、コンパクト連星系) や現象 (爆発、合体、ブラックホールによる捕獲など) からの重力波の予測最大振幅は、測定時に非常に小さいです ( h=10 -18 -10 -23)。一般相対性理論によれば、弱い (線形) 重力波は、エネルギーと運動量を伝達し、光速で移動し、横方向の四極子であり、互いに 45° の角度で配置された 2 つの独立した成分によって記述されます ( 2つの偏光方向を持っています)。

理論が異なれば、重力波の伝播速度の予測も異なります。一般相対性理論では、（線形近似において）光の速度に等しい。他の重力理論では、無限を含む任意の値を取ることができます。重力波の最初の記録によると、その分散は質量のない重力子と互換性があることが判明し、その速度は光の速度に等しいと推定されました。

重力波の発生

2 つの中性子星系が時空に波紋を起こす

重力波は、非対称な加速度で運動するあらゆる物質から放出されます。大きな振幅の波が発生するには、非常に大きな質量のエミッターや巨大な加速が必要です。重力波の振幅は正比例します。 加速度の一次導関数そして発電機の質量、つまり ~ 。ただし、物体が加速度で移動している場合、これは別の物体から何らかの力が作用していることを意味します。次に、この他の物体は逆の効果を経験します (ニュートンの第 3 法則に従って)。 メートル 1 ある 1 = − メートル 2 ある 2 。 2つの物体はペアでのみ重力波を発し、干渉の結果、それらはほぼ完全に相互に打ち消し合うことが判明しました。したがって、一般相対性理論における重力放射線は常に少なくとも四重極放射線の多重極性を持っています。さらに、非相対論的エミッタの場合、放射強度の式には小さなパラメータがあり、ここではエミッタの重力半径です。 r- その特徴的なサイズ、 T- 特徴的な運動期間、 c- 真空中の光の速度。

最も強力な重力波の発生源は次のとおりです。

衝突（巨大な質量、非常に小さな加速）、
コンパクトな天体の連星系の重力崩壊 (かなり大きな質量を伴う巨大な加速)。特別で最も興味深いケースとして、中性子星の合体があります。このようなシステムでは、重力波の光度は、自然界で可能な最大のプランク光度に近くなります。

二体系から発せられる重力波

共通の重心の周りを円軌道で移動する 2 つの物体

質量を持つ 2 つの重力結合物体 メートル 1と メートル 2、非相対論的に動く（ v << c) 距離を置いて共通の重心の周りの円軌道を描く r相互に、期間の平均で次のエネルギーの重力波を放出します。

その結果、システムはエネルギーを失い、物体の収束、つまり物体間の距離の減少につながります。物体の接近速度:

たとえば、太陽系の場合、最大の重力放射はサブシステムによって生成されます。この放射線の出力は約 5 キロワットです。したがって、太陽系が重力放射線によって年間に損失するエネルギーは、物体の固有の運動エネルギーと比較すると完全に無視できるほどです。

連星系の重力崩壊

二重星は、その構成要素が共通の質量中心の周りを回転すると、（想定されているように、重力波の放出により）エネルギーを失い、最終的には合体します。しかし、コンパクトではない通常の二重星の場合、このプロセスには非常に長い時間がかかり、現代よりもはるかに長い時間がかかります。コンパクトな連星系が一対の中性子星、ブラックホール、またはその両方の組み合わせで構成されている場合、合体は数百万年以内に起こる可能性があります。まず、物体が互いに接近し、公転周期が減少します。そして最終段階では衝突と非対称重力崩壊が起こります。このプロセスはほんの一瞬続きますが、この間にエネルギーが重力放射線に失われ、ある推定によれば、このエネルギーは系の質量の 50% 以上に達します。

重力波のアインシュタイン方程式の基本的な厳密解

ボンディ・ピラニ・ロビンソンの実体波

これらの波は、という形式のメトリックによって記述されます。変数と関数を導入すると、一般相対性理論の方程式から次の方程式が得られます。

竹野メトリック

の形式を持ち、 - 関数は同じ方程式を満たします。

ローゼンメトリック

どこで満足するか

ペレスメトリック

同時に

円筒アインシュタイン・ローゼン波

円筒座標では、このような波は次のような形状を持ち、実行されます。

重力波の登録

重力波の弱点（計量の小さな歪み）のため、重力波の登録は非常に困難です。それらを登録するための装置が重力波検出器です。重力波を検出する試みは 1960 年代後半から行われてきました。検出可能な振幅の重力波は、連星の崩壊中に発生します。周辺地域でも同様の現象が10年に1回程度発生している。

一方、一般相対性理論は、重力波の放射によるエネルギー損失による連星の相互回転の加速を予測しており、この効果はいくつかの既知の連星コンパクト天体の系で確実に記録されています。特に、コンパクトな伴星を持つパルサー）。 1993年、最初のダブルパルサーPSR B1913+16の発見者、ラッセル・ハルスとジョセフ・テイラー・ジュニアに「重力の研究に新たな機会をもたらした新しいタイプのパルサーの発見に対して」。ノーベル物理学賞を受賞しました。この系で観測された回転の加速は、重力波の放出に関する一般相対性理論の予測と完全に一致しています。同じ現象が他のいくつかのケースでも記録されました。パルサー PSR J0737-3039、PSR J0437-4715、SDSS J065133.338+284423.37 (通常は J0651 と省略されます)、およびバイナリ RX J0806 のシステムです。たとえば、2 つのパルサー PSR J0737-3039 の最初の連星にある 2 つの構成要素 A と B の間の距離は、重力波によるエネルギー損失により 1 日あたり約 2.5 インチ (6.35 cm) ずつ減少します。これは次の現象と一致します。一般相対性理論。これらすべてのデータは、重力波の存在の間接的な確認として解釈されます。

推定によると、重力望遠鏡やアンテナにとって最も強力かつ最も頻繁に発生する重力波の発生源は、近くの銀河の連星系の崩壊に伴う大惨事です。近い将来、改良された重力検出器で同様の現象が年に数回記録され、付近の計量値が 10 -21 ～ 10 -23 歪むことが予想されます。光学メトリックパラメトリック共鳴信号の最初の観測は、宇宙メーザーの放射線に対する近接連星などの周期的発生源からの重力波の影響を検出することを可能にし、ロシアの電波天文台で得られた可能性がある。プーシチノ科学アカデミー。

宇宙を満たす重力波の背景を検出するもう 1 つの可能性は、遠く離れたパルサーの高精度のタイミング、つまり地球とパルサーの間の空間を通過する重力波の影響下で特徴的に変化するパルスの到着時間の分析です。 2013 年の推定では、宇宙内の複数の発生源からの背景波を検出するには、タイミング精度を約 1 桁改善する必要があることが示されており、この課題は 10 年代の終わりまでに達成できる可能性があります。

現代の概念によれば、私たちの宇宙は、最初の瞬間に現れた遺物の重力波で満たされています。登録することで、宇宙誕生の初期の過程に関する情報を得ることが可能になります。 2014年3月17日モスクワ時間20時、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターで、BICEP 2プロジェクトに取り組むアメリカの研究者グループが、宇宙の分極による初期宇宙の非ゼロ・テンソル擾乱の検出を発表した。マイクロ波背景放射、これはこれらの遺存的な重力波の発見でもあります。しかし、結局のところ、貢献が適切に考慮されていなかったため、この結果はすぐに異議を唱えられました。著者の一人、J.M. コヴァッツ ( コヴァック J.M.）、「参加者と科学ジャーナリストは、BICEP2実験のデータを解釈して報告するのに少し性急だった」と認めた。

実験による存在確認

最初に記録された重力波信号。左側はハンフォード (H1) の検出器からのデータ、右側はリビングストン (L1) の検出器からのデータです。時間は、2015 年 9 月 14 日 09:50:45 UTC からカウントされます。信号を視覚化するために、信号は 35 ～ 350 ヘルツの通過帯域の周波数フィルターでフィルター処理され、検出器の高感度範囲外の大きな変動が抑制されます。また、設備自体のノイズを抑制するためにも帯域阻止フィルターが使用されました。上の行: 検出器の電圧 h。 GW150914 は最初に L1 に到着し、6 9 +0 5 −0 4 ミリ秒後に H1 に到着しました。視覚的な比較のために、H1 からのデータは、(検出器の相対的な向きを考慮して) 反転および時間シフトされた形式で L1 プロットに表示されます。 2 行目: 同じ 35 ～ 350 Hz のバンドパスフィルターを通過した重力波信号からの電圧 h。実線は、GW150914 信号の調査に基づいて見つかったパラメーターと互換性のあるパラメーターを備えたシステムの数値相対性理論の結果であり、2 つの独立したコードによって得られ、結果の一致率は 99.9 です。灰色の太線は、2 つの異なる方法によって検出器データから再構成された波形の 90% 信頼領域です。濃い灰色の線はブラックホールの合体から予想される信号をモデル化し、明るい灰色の線は天体物理モデルを使用せず、正弦波ガウスウェーブレットの線形結合として信号を表します。再構成は 94% 重複します。 3 行目: 検出器のフィルター処理された信号から数値相対性理論信号のフィルター処理された予測を抽出した後の残留誤差。下の行: 時間の経過に伴う信号の主周波数の増加を示す、電圧周波数マップの表現。

2016 年 2 月 11 日、LIGO と VIRGO のコラボレーションによる。最大振幅約 10 -21 の 2 つのブラックホールの合体信号が、2015 年 9 月 14 日 9 時 51 分 (協定世界時) に、ハンフォードとリビングストンにある 2 台の LIGO 検出器によって、7 ミリ秒離れて、最大信号振幅の領域で記録されました ( 0.2 秒）を組み合わせた信号対雑音比は 24:1 でした。信号は GW150914 と指定されました。信号の形状は、太陽質量 36 および 29 の質量を持つ 2 つのブラックホールの合体に関する一般相対性理論の予測と一致します。結果として生じるブラックホールの質量は太陽の 62 倍で、回転パラメータは次のようになります。ある= 0.67。源までの距離は約 13 億で、合体時に 10 分の 1 秒間に放出されるエネルギーは太陽質量約 3 個分に相当します。

話

「重力波」という用語自体の歴史、これらの波の理論的および実験的研究、および他の方法ではアクセスできない現象を研究するための重力波の使用。

1900年 - ローレンツは、重力は「...光速以下の速度で広がる可能性がある」と示唆した。
1905 - ポアンカレ重力波 (onde gravifique) という用語が初めて導入されました。ポアンカレは、定性的なレベルでラプラスの確立された反対意見を取り除き、一般に受け入れられているニュートンの秩序重力法則に対する重力波に関連する修正がキャンセルされること、したがって重力波の存在の仮定は観測と矛盾しないことを示しました。
1916年 - アインシュタインは、一般相対性理論の枠組みの中で、機械システムはエネルギーを重力波に伝達し、大まかに言えば、恒星に対する回転は遅かれ早かれ停止するに違いないことを示しました。ただし、もちろん、通常の状態ではエネルギー損失が生じます。程度の大きさは無視でき、実際には測定できません（この研究では、彼はまた、球面対称性を常に維持する機械システムが重力波を放射できると誤って信じていました）。
1918年 - アインシュタイン重力波の放射が次数の効果であることが判明する四重極公式を導き出し、それによって以前の研究の誤差を修正しました（係数に誤差が残っており、波のエネルギーは2分の1になります）。
1923年 - エディントン - 「思考の速度で...伝播する」重力波の物理的現実に疑問を呈した。 1934年、エディントンは自身の単行本「相対性理論」のロシア語訳を準備する際に、回転ロッドによるエネルギー損失を計算するための2つのオプションを含む章を含むいくつかの章を追加したが、一般相対性理論の近似計算に使用される方法は次のとおりであると述べた。彼の意見では、これらは重力に束縛された系には適用できないため、疑問が残ります。
1937年 - アインシュタインはローゼンとともに、重力場の正確な方程式に対する円筒波の解を研究しました。これらの研究の過程で、彼らは重力波が一般相対性理論方程式の近似解の産物である可能性があると疑い始めました（アインシュタインとローゼンによる論文「重力波は存在しますか？」のレビューに関する往復書簡が知られています）。その後、彼は自分の推論に誤りがあることに気づき、根本的な変更を加えた論文の最終版がジャーナル・オブ・ザ・フランクリン・インスティテュートに掲載されました。
1957年 - ハーマン・ボンディとリチャード・ファインマンは、一般相対性理論における重力波の物理的影響の存在を実証する「ビーズ付きリード」思考実験を提案した。
1962 - Vladislav Pustovoit と Mikhail Herzenstein が、干渉計を使用して長波重力波を検出する原理を説明しました。
1964年 - フィリップ・ピーターズとジョン・マシューが連星系から放出される重力波を理論的に説明した。
1969年 - 重力波天文学の創始者であるジョセフ・ウェーバーが、共鳴検出器（機械的重力アンテナ）を使用した重力波の検出を報告しました。これらの報告は、この方向の研究の急速な成長を引き起こし、特に LIGO プロジェクトの創設者の 1 人であるレーニエワイスは当時実験を開始しました。現在（2015 年）まで、誰もこれらの出来事の信頼できる確認を得ることができませんでした。
1978年 - ジョセフ・テイラーは、連星パルサー系 PSR B1913+16 における重力放射線の検出を報告しました。ジョセフ・テイラーとラッセル・ハルスの研究は、1993 年のノーベル物理学賞を受賞しました。 2015 年初頭の時点で、重力波放出による周期短縮を含む 3 つのポストケプラーパラメータが、少なくとも 8 つのそのような系で測定されています。
2002 - セルゲイ・コペイキンとエドワード・フォマロントは、超長基線電波干渉法を使用して力学における木星の重力場における光の偏向を測定しました。これにより、一般相対性理論の特定のクラスの仮説拡張により、速度を推定することが可能になりました。重力 - 光速との差は 20% を超えてはなりません (この解釈は一般に受け入れられていません)。
2006年 - マーサ・ブルゲイの国際チーム（オーストラリア、パークス天文台）は、一般相対性理論と、2つのパルサーPSR J0737-3039A/Bの系における重力波放射の大きさとの対応関係のより正確な確認を報告した。
2014年 - ハーバード・スミソニアン天体物理学センター（BICEP）の天文学者は、宇宙マイクロ波背景放射の変動を測定中に原始重力波を検出したと報告した。現時点（2016年）では、検出された変動は遺物起源のものではないと考えられているが、銀河内の塵の放出によって説明される。
2016 - 国際LIGOチームは、重力波通過イベント GW150914 の検出を報告しました。超強力な重力場内で超高速相対速度で相互作用する巨大天体を初めて直接観察(< 1,2 × R s , v/c >0.5)、これにより、一般相対性理論の正しさを高次の数個のポストニュートン項の精度で検証することが可能になりました。測定された重力波の分散は、これまでに行われた分散の測定と仮想の重力子の質量の上限と矛盾しません (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.

重力波の正式な発見（検出）日は、2016 年 2 月 11 日です。そのとき、ワシントンで開かれた記者会見で、LIGO共同研究のリーダーたちが、研究者チームが人類史上初めてこの現象を記録することに成功したと発表した。

偉大なアインシュタインの予言

重力波が存在するという事実は、前世紀初頭 (1916 年) にアルバートアインシュタインによって一般相対性理論 (GTR) の枠組みの中で示唆されました。最小限の実際のデータを使用して、これほど広範囲にわたる結論を導き出すことができた、この有名な物理学者の素晴らしい能力には驚くしかありません。次の世紀に確認された他の多くの予測物理現象（時間の流れの減速、重力場の電磁放射の方向の変化など）の中で、このタイプの波動相互作用の存在を実際に検出することはできませんでした。最近までの遺体。

重力は幻想ですか？

一般に、相対性理論に照らしてみると、重力は力とは言い難いです。時空連続体の擾乱または湾曲。この仮定を説明する良い例は、伸ばされた布地です。このような表面上に置かれた巨大な物体の重量により、くぼみが形成されます。他のオブジェクトは、この異常の近くを移動すると、あたかも「引き寄せられる」かのように、移動の軌道を変更します。そして、物体の重量が大きいほど（曲率の直径と深さが大きいほど）、「引力」は大きくなります。布地を横切って移動すると、発散する「波紋」の外観を観察できます。

同様のことが宇宙空間でも起こります。高速で移動する質量物質は、空間と時間の密度の変動の原因となります。大きな振幅を持つ重力波は、非常に大きな質量を持つ天体、または巨大な加速度で移動するときに形成されます。

身体的特徴

時空計量の変動は、重力場の変化として現れます。この現象は時空リップルとも呼ばれます。重力波は遭遇した物体や物体に影響を与え、それらを圧縮したり伸ばしたりします。変形の大きさは非常にわずかで、元のサイズから約 10 -21 です。この現象を検出する際の全体的な難しさは、研究者が適切な機器を使用してそのような変化を測定し記録する方法を学ぶ必要があることでした。重力放射線の力も非常に小さく、太陽系全体で数キロワットです。

重力波の伝播速度は、伝導媒体の特性にわずかに依存します。振動の振幅は発生源から離れるにつれて徐々に減少しますが、ゼロにはなりません。周波数は数十ヘルツから数百ヘルツの範囲です。星間物質中の重力波の速度は光速に近づきます。

状況証拠

重力波の存在についての最初の理論的確認は、1974 年にアメリカの天文学者ジョセフ・テイラーと彼の助手ラッセル・ハルスによって得られました。アレシボ天文台電波望遠鏡 (プエルトリコ) を使用して宇宙の広大さを研究している研究者らは、パルサー PSR B1913+16 を発見しました。これは、共通の質量中心の周りを一定の角速度で回転する中性子星の連星系です (かなり珍しいものです)。場合）。もともと 3.75 時間だった循環期間は、毎年 70 ミリ秒短縮されます。この値は、重力波の発生によるエネルギーの消費によるそのような系の回転速度の増加を予測する一般相対性理論の方程式の結論と完全に一致しています。その後、同様の動作をするいくつかの二重パルサーと白色矮星が発見されました。電波天文学者の D. テイラーと R. ハルスは、重力場の研究における新たな可能性を発見した功績により、1993 年にノーベル物理学賞を受賞しました。

逃げた重力波

重力波の検出に関する最初の発表は、1969 年にメリーランド大学の科学者ジョセフ・ウェーバー (米国) によって行われました。これらの目的のために、彼は独自に設計した 2 つの重力アンテナを 2 キロメートル離れた場所に使用しました。共振検出器は、高感度の圧電センサーを備えた、十分に振動絶縁された固体の 2 メートルのアルミニウム製シリンダーでした。ウェーバーが記録したとされる振動の振幅は、予想値の100万倍以上であることが判明した。他の科学者が同様の装置を使用してアメリカの物理学者の「成功」を繰り返そうとしましたが、良い結果は得られませんでした。数年後、この分野におけるウェーバーの研究は継続不可能であると認識されましたが、「重力ブーム」の発展に弾みを与え、多くの専門家がこの研究分野に集まりました。ちなみに、ジョセフ・ウェーバー自身は、重力波を受信したことを晩年まで確信していました。

受信設備の改善

70 年代、科学者ビルフェアバンク (米国) は、SQUIDS (超高感度磁力計) を使用して冷却される重力波アンテナの設計を開発しました。当時存在していた技術では、発明者は自分の製品を「金属」で実現することはできませんでした。

国立レグナー研究所 (イタリア、パドヴァ) のぎょしゃ座重力検出器は、この原理を使用して設計されています。この設計は、長さ 3 メートル、直径 0.6 メートルのアルミニウムとマグネシウムのシリンダーをベースにしており、重量 2.3 トンの受信装置は、ほぼ絶対零度まで冷却された断熱真空チャンバー内に吊り下げられています。衝撃を記録および検出するには、補助キログラム共振器とコンピュータベースの測定複合体が使用されます。装置の記載された感度は 10 -20 です。

干渉計

重力波の干渉検出器の動作は、マイケルソン干渉計が動作するのと同じ原理に基づいています。光源から放射されたレーザービームは 2 つのストリームに分割されます。何度も反射して装置のアームに沿って移動した後、流れは再び集められ、最後の流れに基づいて、外乱 (重力波など) が光線の進路に影響を与えているかどうかが判断されます。同様の装置が多くの国で作られています。

GEO 600 (ハノーバー、ドイツ)。真空トンネルの長さは600メートルです。
TAMA（日本）肩300m。
VIRGO (イタリア、ピサ) は、2007 年に開始された 3 キロメートルのトンネルを備えたフランスとイタリアの共同プロジェクトです。
2002 年から重力波の探索を行っている LIGO (米国、太平洋岸)。

後者については、さらに詳しく検討する価値があります。

LIGOアドバンスト

このプロジェクトは、マサチューセッツ工科大学とカリフォルニア工科大学の科学者の主導で作成されました。これには、3,000 km 離れたワシントン州とワシントン州 (リビングストン市とハンフォード市) にある 2 つの天文台が含まれており、3 つの同一の干渉計が設置されています。垂直真空トンネルの長さは4,000メートルです。これらは現在稼働しているこのような構造物としては最大のものである。 2011 年まで、重力波を検出する多くの試みは成果をもたらしませんでした。実施された大幅な最新化 (Advanced LIGO) により、300 ～ 500 Hz の範囲で機器の感度が 5 倍以上、低周波数領域 (最大 60 Hz) でほぼ 1 桁向上し、最高レベルに達しました。 10 -21 という誰もが欲しがる値。この更新プロジェクトは 2015 年 9 月に開始され、1,000 名を超えるコラボレーション従業員の努力が報われ、成果が得られました。

重力波が検出されました

2015年9月14日、高度なLIGO検出器は、観測可能な宇宙の郊外で起こった最大の現象である29倍と36倍の質量を持つ2つの大きなブラックホールの合体から地球に到達する重力波を7ミリ秒の間隔で記録した。太陽の質量より大きい。 13億年以上前に起こったこの過程では、重力波の放出により、太陽質量約3個分の物質がほんの一瞬のうちに消費された。記録された重力波の初期周波数は 35 Hz で、最大ピーク値は 250 Hz に達しました。

得られた結果は包括的な検証と処理を繰り返して行われ、得られたデータの別の解釈は慎重に排除されました。最後に、昨年、アインシュタインによって予測された現象の直接登録が世界社会に発表されました。

研究者の偉大な成果を示す事実: 干渉計アームのサイズの変動の振幅は 10 -19 m でした。原子自体は原子の直径よりも小さいため、この値は原子の直径の何倍も小さいです。オレンジ。

今後の展望

この発見は、一般相対性理論が単なる一連の抽象的な公式ではなく、重力波と重力一般の本質についての根本的に新しい見方であることを再度裏付けています。

さらなる研究において、科学者たちはELSAプロジェクトに大きな期待を寄せている。それは、重力場のわずかな擾乱さえも検出できる、約500万kmのアームを備えた巨大な軌道干渉計の作成である。この方向での研究の活性化は、宇宙の発展の主要な段階や、従来の範囲では観察することが困難または不可能なプロセスについて、多くの新しいことを知ることができます。将来、重力波が検出されるブラックホールが、その性質について多くを語ることは間違いありません。

ビッグバン後の世界の最初の瞬間を知ることができる宇宙マイクロ波背景放射を研究するには、より高感度の宇宙機器が必要になります。そんなプロジェクトがあるんですね( ビッグバン観測者）しかし、専門家によると、その実装は30〜40年以内には不可能です。

重力波とは何ですか?

重力波 - 波のように伝わる重力場の変化。それらは移動する質量によって放出されますが、放射後はそれらから分離され、これらの質量とは独立して存在します。数学的には時空計量の摂動に関連しており、「時空の波紋」と表現できます。

重力波は一般相対性理論 (GR) によって予測されます。これらは、2015 年 9 月に LIGO のツイン検出器によって初めて直接検出されました。この検出器は、2 つのブラックホールが合体して 1 つのより巨大な回転ブラックホールを形成することによって生成されたと考えられる重力波を検出しました。それらの存在の間接的な証拠は 1970 年代から知られています。一般相対性理論は、重力波の放射によるエネルギーの損失による観測と一致する二重星の近接系の収束速度を予測します。重力波を直接記録し、天体物理学的プロセスのパラメータを決定するために重力波を使用することは、現代の物理学と天文学の重要な課題です。

私たちの時空を座標のグリッドとして考えると、重力波は擾乱であり、巨大な物体（ブラックホールのような）が周囲の空間を歪めるときにグリッドに沿って走る波紋です。

これは地震に例えることができます。あなたが都市に住んでいると想像してください。家や木など、都市空間を作成するいくつかのマーカーが含まれています。彼らは動かない。都市の近くで大地震が発生すると、揺れが私たちに伝わり、動かない家や木々も振動し始めます。これらの振動は重力波です。そして振動する物体は空間と時間です。

なぜ科学者たちは重力波を検出するのにこれほど長い時間がかかったのでしょうか?

重力波を検出するための具体的な取り組みは、戦後、そのような振動を検出できるほど感度が明らかに不十分だったやや単純な装置を使用して始まりました。時間が経つにつれ、捜索探知機は非常に大型でなければならず、最新のレーザー技術を使用する必要があることが明らかになりました。現代のレーザー技術の発展により、幾何学形状の制御が可能になり、その外乱が重力波です。この発見にはテクノロジーの驚異的な発展が重要な役割を果たしました。科学者がどれほど優秀であっても、ほんの 30 ～ 40 年前には、これを行うことは技術的に不可能でした。

波動検出はなぜ物理学にとってそれほど重要なのでしょうか?

重力波は約100年前にアルバート・アインシュタインの一般相対性理論で予言されました。 20 世紀を通じて、この理論に疑問を呈する物理学者がいましたが、証拠はますます増えてきました。そして、重力波の存在は、理論の非常に重要な確認です。

さらに、重力波を記録する前、私たちは重力がどのように動作するかを天体の相互作用である天力学の例からのみ知っていました。しかし、重力場には波があり、時空も同様に変形する可能性があることは明らかでした。私たちがこれまで重力波を見たことがなかったという事実は、現代物理学の盲点でした。現在、この空白の場所は埋められ、現代物理理論の基礎に別のレンガが置かれています。これは最も根本的な発見です。近年ではこれに匹敵するものはありません。

「波と粒子を待ちながら」 - 重力波の探索に関するドキュメンタリー(著者ドミトリー・ザビルゲルスキー)

重力波の記録には実用的な側面もあります。おそらく、技術がさらに発展した後は、重力天文学、つまり宇宙で最も高エネルギーの出来事の痕跡を観察することについて話すことができるようになるでしょう。しかし、これについて話すのは時期尚早です。私たちは波を記録するという事実そのものについて話しているだけであり、これらの波を生成する物体の特徴を見つけることについては話していません。

2016年2月11日、ロシアを含む国際科学者グループがワシントンでの記者会見で、遅かれ早かれ文明の発展に変化をもたらす発見を発表した。重力波や時空の波を実際に証明することは可能でした。それらの存在は100年前にアルバート・アインシュタインによって著書で予言されました。

この発見がノーベル賞を受賞することを疑う人は誰もいません。科学者たちはその実用化について急いで話しません。しかし、人類はつい最近まで電磁波をどう扱えばよいのかわからず、最終的には真の科学技術革命につながったことを思い出させてくれます。

重力波とは簡単に言うと何ですか

重力と万有引力は同じものです。重力波は GPV に対する解決策の 1 つです。光の速さで拡散しなければなりません。それは、可変加速度で移動するあらゆる物体によって放出されます。

たとえば、恒星に向けて変化する加速度を伴って軌道上を回転します。そしてこの加速度は常に変化します。太陽系は数キロワット程度の重力波エネルギーを放出します。これは古いカラーテレビ 3 台に匹敵する微々たるものです。

もう一つは、互いに周回する2つのパルサー（中性子星）です。それらは非常に近い軌道で回転します。このような「カップル」は天体物理学者によって発見され、長い間観察されました。物体は互いに衝突する準備ができており、これは間接的に、パルサーが時空波、つまりフィールド内でエネルギーを放出していることを示していました。

グラビティとは重力のことです。私たちは地球に惹かれます。そして、重力波の本質はこの場の変化であり、私たちに到達するときは非常に弱いものになります。たとえば、貯水池の水位を考えてみましょう。重力場の強さは、特定の点における自由落下の加速度です。波が池を横切り、突然、自由落下の加速度が少しだけ変化します。

このような実験は前世紀の60年代に始まりました。そのとき、彼らはこれを思いつきました。内部の熱変動を避けるために冷却された巨大なアルミニウム製シリンダーを吊り下げました。そして彼らは、たとえば2つの巨大なブラックホールの衝突による波が突然私たちに到達するのを待ちました。研究者らは熱意に満ち、地球全体が宇宙から来る重力波の影響を受ける可能性があると述べた。惑星は振動し始め、これらの地震波 (圧縮波、せん断波、表面波) を研究することができます。

この装置について簡単に説明し、アメリカ人とLIGOがどのようにしてソ連の科学者のアイデアを盗み、発見を可能にした内部測光計を構築したかについての重要な記事。誰もそれについて話さず、誰もが沈黙しています！

ところで、重力放射線は、電磁放射線のスペクトルを変化させることによって発見しようとしている宇宙マイクロ波背景放射線の立場から見ると、より興味深いものである。 CMB と電磁放射は、ビッグバンの 70 万年後、宇宙の膨張中に出現し、衝撃波を伴う高温のガスで満たされ、後に銀河に変わりました。この場合、当然のことながら、気が遠くなるような膨大な数の時空波が放射され、当時はまだ光学的であった宇宙マイクロ波背景放射の波長に影響を与えたはずである。ロシアの天体物理学者サジンは、このテーマに関する記事を執筆し、定期的に公開しています。

重力波の発見の誤解

「鏡が吊り下げられ、重力波がそれに作用し、振動し始めます。そして、原子核のサイズよりも小さい振幅の最も重要でない変動さえも機器によって認識されます。」 - たとえば、そのような誤った解釈がウィキペディアの記事で使用されています。怠け者にならないで、1962 年のソ連の科学者による論文を探してください。

まず、「波紋」を感じるためには鏡が巨大でなければなりません。第二に、それ自体の熱変動を避けるために、ほぼ絶対零度 (ケルビン) まで冷却する必要があります。おそらく、21 世紀に限らず、一般的には、重力波の伝達体である素粒子を検出することは決して不可能でしょう。

重力波とアインシュタインの一般相対性理論

重力波は、1916 年に発表されたアインシュタインの一般相対性理論によって初めて予測されました。この理論はすべての物理的テストに合格していますが、非常に極端な条件が必要なため、科学者が現実世界ではまだ研究できていない側面がいくつかあります。時空の極端な湾曲もそのような側面の 1 つです。グループ創設者の一人、カリフォルニア工科大学のキップ・ソーン氏 ライゴ以前、時空の湾曲は穏やかな状態でのみ見られたと述べましたが、これは、表面がガラスのように見える、非常に穏やかな日の海の表面にたとえることができます。波が海岸に打ち寄せる嵐を見たことはありません。 9 月 14 日、2 つのブラックホールの衝突と合体が時空構造に嵐を引き起こした日、すべてが変わりました。これらの観察は一般理論の優れた確認であり、もちろんアインシュタインの正しさと成功を裏付けています。

重力波による一般相対性理論の研究は完了には程遠い。電荷を持たずに重力相互作用を伝える粒子である重力子の性質については疑問が残っています（たとえば、光子は電磁放射を伝える粒子です）。そして科学者たちは、ブラックホールの内部の仕組みについて多くの疑問を抱いており、重力波がそれらの答えに役立つ可能性がある。ただし、この情報は徐々に表示されます。 ライゴおよびその関連ツールは、さまざまなイベントに関するデータを収集します。

未来 ライゴ

今後3年間は、その可能性を最大限に発揮するために感度を高めることに重点を置くとライツ氏は述べた。これにより、ルイジアナ州とワシントン州にある2つの大型検出器で構成される天文台の重力波に対する感度がさらに高くなる。しかし、宇宙でそのような出来事がどれだけ起こるかは不明であるため、科学者たちは天文台がどれくらいの数の出来事を観測できるか分かりません。

同天文台は、この機器が最近のアップグレード後に最初の正式な観測を開始する前から、連星ブラックホール系の合体を検出していたが、おそらくそれはまぐれだった可能性がある。重力波に関してより多くの情報を得るには、天文台はより多くのデータを必要とします。

開封と作業がどのような影響を与えるか尋ねられたとき ライゴ日常生活について、ライツは「誰にも分からない」とシンプルに答えた。結局のところ、アインシュタインの相対性理論は、携帯電話を使用してすでに私たちの日常生活に浸透しています。一般相対性理論は、重力が時間の経過にどのような影響を与えるかを理解するのに役立ち、この情報はテクノロジーに必要です。 GPS、地上の人々よりも地球の重力から遠く離れた衛星を使用します。

ライツが電話をかけた ライゴこれまでに作られた中で最も高感度な機器であり、技術の進歩は私たちがまだ予測できないテクノロジーに利用される可能性があります。キップ・ソーンは私たちの時代をルネサンスに喩えましたが、ルネサンスの最も重要な成果が芸術、建築、音楽であるとすれば、現代ではそれらは宇宙の基本法則の理解と宇宙の研究かもしれません。天文台はその一環であり、ソーン氏はそれが将来の世代への文化的な贈り物となり、いかなる技術開発以上の意味を持つものになると信じている。