Группа LIGO/Virgo обнаружила в данных второго сезона наблюдений четыре гравитационные волны от слияния черных дыр (события GW170729, GW170809, GW170818 и GW170823). На декабрь 2018 года общее число зарегистрированных гравитационных волн  достигло одиннадцати. Также был опубликован первый каталог гравитационных волн, в котором содержатся сведения о расположении двойных систем на небесной сфере, их удаленности от Земли, массе их составляющих, скорости вращения, излученной энергии и многое другое. История обнаружения гравитационных волн и их значение для науки — в подборке материалов ПостНауки.

Что такое гравитационные волны

Главные источники гравитационных волн — сливающиеся двойные нейтронные звезды или черные дыры, то есть два массивных объекта, которые вращаются по орбите вокруг общего центра масс. Чаще всего звезды рождаются не поодиночке, а парами, затем они поочередно взрываются как сверхновые и превращаются в черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга. Когда черные дыры сливаются, гравитация искривляет пространство — это похоже на рябь на воде от брошенного камня. Гравитационная волна сжимает-растягивает все на своем пути, и это можно зафиксировать с помощью специальных датчиков.

Каковы свойства черных дыр и как гравитационные волны доказывают их существование, рассказывает астроном Сергей Попов.

О поиске гравитационных волн и устройстве LIGO

Регистрация гравитационных волн происходит довольно простым способом. Гравитационная волна смещает относительно друг друга свободно движущиеся пробные массы. Амплитуда гравитационных волн чрезвычайно мала, она выражается в слабом растяжении и сжатии этих масс — это движение можно зафиксировать с помощью многокилометровых лазерных интерферометров, таких как LIGO и VIRGO. Они устроены очень сложно: само по себе строительство подобного оборудования представляет собой колоссальный технический и технологический успех. Мощный лазер посылает луч, который разделяется в двух взаимно перпендикулярных направлениях (плечах интерферометра). В конце плеч подвешены зеркала, которые изолированы специальным образом от различных шумов. Свет, который от них отражается, собирается и затем интерферирует. Когда гравитационная волна проходит, зеркала колеблются, и интерференционная картина отраженного от них света отличается от обычной. По изменениям этой интерференционной картины можно судить о движении зеркал — пробных масс. В этом состоит основная идея этого детектора.

Как устроены гравитационно-волновые детекторы, как обрабатывается информация с них и что такое первичные гравитационные волны — в материале физика Константина Постнова.

Как гравитация Ньютона предсказала существование волн

Уже из ньютоновской теории гравитации следовало, что гравитационные волны должны существовать. Одной из важнейших проблем физики была проблема дальнодействия: как звезды и планеты могут действовать друг на друга на большом расстоянии. Ньютон предполагал, что Солнце излучает некие частицы, посредством которых оно передает гравитационную силу планетам. Благодаря этой силе небесные тела могут вращаться вокруг звезды не только по круговым орбитам, вопреки идее Галилея. Ньютон был уверен, что частицы разлетаются от Солнца сферически симметрично во все стороны и плотность частиц на единицу площади падает с расстоянием как обратный радиус этой сферы в квадрате. Из этого следовало, что величина силы гравитационного взаимодействия между Солнцем и планетами падает как обратный квадрат расстояния между ними. Однако этих частиц никто никогда не видел. Схожая закономерность есть в электродинамике: в законе Кулона величина силы взаимодействия между двумя зарядами падает как обратный квадрат расстояния — это объясняется наличием электромагнитного поля. Соответственно, нечто подобное электромагнитному полю должно регулировать и воздействие гравитации. Открытие гравитационных волн решило проблему дальнодействия.

Что такое проблема дальнодействия и как Генри Кавендиш подтвердил закон гравитации Ньютона, рассказывает физик Эмиль Ахмедов.

Что такое гравитон

Гравитон — это гипотетическая безмассовая элементарная частица, которая является переносчиком гравитационного взаимодействия и квантом гравитационного поля по аналогии с фотонами, отвечающими за электромагнитное взаимодействие. Открытие гравитационных волн возродило надежду на обнаружение этих частиц.

О квантовании полей, особенностях гравитации и проблеме регистрации гравитонов — в материале физика Сергея Блинникова.

Что изменило открытие гравитационных волн

Наблюдение за гравитационными волнами — единственный способ изучать такие события, как столкновения черных дыр или нейтронных звезд. Открытие этого явления стало новым окном во Вселенную и сделало астрофизику похожей на физику элементарных частиц: как физики сталкивают протоны и смотрят, что получается в итоге, так астрономы теперь наблюдают за столкновениями нейтронных звезд, чтобы узнать, как они устроены внутри. Гравитационно-волновая астрономия дает информацию нового типа по сравнению с астрономией в электромагнитном излучении или астрономией в нейтринном излучении.

Открытие гравитационных волн подтвердило все теоретические предсказания, сделанные в течение последних ста лет: не только общую теорию относительности, но и представления об эволюции и конечной стадии двойных звездных систем. Оно стало доказательством существования двойных систем, состоящих из столь массивных черных дыр. В 2016 году Нобелевскую премию по физике присудили американским ученым Райнеру Вайссу, Кипу Торну и Барри Баришу. Кип Торн — один из самых известных теоретиков, занимающихся гравитацией. Другие лауреаты внесли больший вклад в разработку детекторов — экспериментальные аспекты этой работы.

Как открытие гравитационных волн повлияло на развитие астрономии, физики и научный прогресс, рассказывают эксперты ПостНауки.