A influência das ondas gravitacionais. Einstein estava certo: existem ondas gravitacionais. Teoria em termos simples

Há poucas horas chegou a notícia há muito aguardada pelo mundo científico. Um grupo de cientistas de vários países que trabalham no âmbito do projeto internacional LIGO Scientific Collaboration afirma que, utilizando vários observatórios detectores, conseguiram detectar ondas gravitacionais em condições de laboratório.

Eles estão analisando dados provenientes de dois observatórios de ondas gravitacionais com interferômetro a laser (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO), localizados nos estados de Louisiana e Washington, nos Estados Unidos.

Conforme declarado na conferência de imprensa do projeto LIGO, as ondas gravitacionais foram detectadas em 14 de setembro de 2015, primeiro em um observatório e depois 7 milissegundos depois em outro.

Com base na análise dos dados obtidos, realizada por cientistas de diversos países, inclusive da Rússia, constatou-se que a onda gravitacional foi causada pela colisão de dois buracos negros com massa de 29 e 36 vezes a massa do Sol. Depois disso, eles se fundiram em um grande buraco negro.

Isso aconteceu há 1,3 bilhão de anos. O sinal chegou à Terra vindo da direção da constelação da Nuvem de Magalhães.

Sergei Popov (astrofísico do Instituto Astronômico do Estado de Sternberg da Universidade Estadual de Moscou) explicou o que são as ondas gravitacionais e por que é tão importante medi-las.

As teorias modernas da gravidade são teorias geométricas da gravidade, mais ou menos tudo desde a teoria da relatividade. As propriedades geométricas do espaço afetam o movimento de corpos ou objetos, como um feixe de luz. E vice-versa - a distribuição de energia (é o mesmo que a massa no espaço) afeta as propriedades geométricas do espaço. Isso é muito legal, porque é fácil de visualizar - todo esse plano elástico forrado em uma caixa tem algum significado físico, embora, claro, nem tudo seja tão literal.

Os físicos usam a palavra "métrica". Uma métrica é algo que descreve as propriedades geométricas do espaço. E aqui temos corpos movendo-se com aceleração. O mais simples é girar o pepino. É importante que não seja, por exemplo, uma bola ou um disco achatado. É fácil imaginar que quando tal pepino gira em um plano elástico, ondulações surgirão dele. Imagine que você está em algum lugar e um pepino vira uma ponta em sua direção e depois a outra. Afeta o espaço e o tempo de diferentes maneiras, uma onda gravitacional corre.

Portanto, uma onda gravitacional é uma ondulação que percorre a métrica do espaço-tempo.

Contas no espaço

Esta é uma propriedade fundamental da nossa compreensão básica de como funciona a gravidade, e há cem anos que as pessoas querem testá-la. Eles querem ter certeza de que existe um efeito e que é visível em laboratório. Isso foi visto na natureza há cerca de três décadas. Como as ondas gravitacionais deveriam se manifestar na vida cotidiana?

A maneira mais fácil de ilustrar isso é esta: se você jogar contas no espaço de forma que fiquem em um círculo, e quando uma onda gravitacional passar perpendicularmente ao seu plano, elas começarão a se transformar em uma elipse, comprimida primeiro em uma direção, então no outro. A questão é que o espaço ao seu redor será perturbado e eles sentirão isso.

"G" na Terra

As pessoas fazem algo assim, só que não no espaço, mas na Terra.

A uma distância de quatro quilômetros um do outro, há espelhos no formato da letra “g” [referindo-se aos observatórios americanos LIGO].

Os raios laser estão funcionando - este é um interferômetro, uma coisa bem compreendida. As tecnologias modernas permitem medir efeitos fantasticamente pequenos. Ainda não é que eu não acredite, eu acredito, mas simplesmente não consigo entender - o deslocamento dos espelhos pendurados a uma distância de quatro quilômetros um do outro é menor que o tamanho de um núcleo atômico . Isso é pequeno mesmo comparado ao comprimento de onda deste laser. Este era o problema: a gravidade é a interação mais fraca e, portanto, os deslocamentos são muito pequenos.

Demorou muito, as pessoas tentam fazer isso desde a década de 1970, passam a vida procurando ondas gravitacionais. E agora só as capacidades técnicas permitem registrar uma onda gravitacional em condições de laboratório, ou seja, ela veio aqui e os espelhos se deslocaram.

Direção

Dentro de um ano, se tudo correr bem, já haverá três detectores em funcionamento no mundo. Três detectores são muito importantes porque são muito ruins para determinar a direção do sinal. Da mesma forma que somos ruins em determinar a direção de uma fonte de ouvido. “Um som vindo de algum lugar à direita” - esses detectores detectam algo assim. Mas se três pessoas estiverem distantes umas das outras e uma ouvir um som da direita, outra da esquerda e a terceira de trás, então poderemos determinar com muita precisão a direção do som. Quanto mais detectores houver, mais eles estarão espalhados pelo globo, com mais precisão seremos capazes de determinar a direção da fonte, e então a astronomia começará.

Afinal, o objetivo final não é apenas confirmar a teoria geral da relatividade, mas também obter novos conhecimentos astronômicos. Imagine que existe um buraco negro pesando dez massas solares. E colide com outro buraco negro pesando dez massas solares. A colisão ocorre à velocidade da luz. Avanço energético. Isto é verdade. Há uma quantidade fantástica disso. E não tem como... São apenas ondas de espaço e tempo. Eu diria que detectar a fusão de dois buracos negros será a evidência mais forte durante muito tempo de que os buracos negros são mais ou menos os buracos negros que pensamos que são.

Vejamos as questões e fenômenos que isso pode revelar.

Os buracos negros realmente existem?

O sinal esperado do anúncio do LIGO pode ter sido produzido pela fusão de dois buracos negros. Tais eventos são os mais energéticos conhecidos; a força das ondas gravitacionais emitidas por eles pode ofuscar brevemente todas as estrelas do universo observável combinadas. A fusão de buracos negros também é bastante fácil de interpretar a partir de suas ondas gravitacionais muito puras.

Uma fusão de buracos negros ocorre quando dois buracos negros giram em torno um do outro, emitindo energia na forma de ondas gravitacionais. Essas ondas possuem um som característico (chirp) que pode ser usado para medir a massa desses dois objetos. Depois disso, os buracos negros geralmente se fundem.

“Imagine duas bolhas de sabão que se aproximam tanto que formam uma só. A bolha maior fica deformada”, diz Tybalt Damour, teórico gravitacional do Instituto de Pesquisa Científica Avançada, perto de Paris. O buraco negro final será perfeitamente esférico, mas primeiro deverá emitir tipos previsíveis de ondas gravitacionais.

Uma das consequências científicas mais importantes da detecção de uma fusão de buracos negros será a confirmação da existência de buracos negros - pelo menos objetos perfeitamente redondos que consistem em espaço-tempo puro, vazio e curvo, conforme previsto pela relatividade geral. Outra consequência é que a fusão está a decorrer como os cientistas previram. Os astrônomos têm muitas evidências indiretas desse fenômeno, mas até agora foram observações de estrelas e gás superaquecido na órbita dos buracos negros, e não dos próprios buracos negros.

“A comunidade científica, inclusive eu, não gosta de buracos negros. Nós os consideramos garantidos, diz France Pretorius, especialista em simulação da relatividade geral na Universidade de Princeton, em Nova Jersey. “Mas quando pensamos em quão surpreendente é esta previsão, precisamos de algumas provas verdadeiramente surpreendentes.”

As ondas gravitacionais viajam na velocidade da luz?

Quando os cientistas começam a comparar as observações do LIGO com as de outros telescópios, a primeira coisa que verificam é se o sinal chegou ao mesmo tempo. Os físicos acreditam que a gravidade é transmitida por partículas de grávitons, o análogo gravitacional dos fótons. Se, tal como os fotões, estas partículas não tiverem massa, então as ondas gravitacionais viajarão à velocidade da luz, correspondendo à previsão da velocidade das ondas gravitacionais na relatividade clássica. (A sua velocidade pode ser afetada pela expansão acelerada do Universo, mas isto deve ser evidente em distâncias significativamente maiores do que as cobertas pelo LIGO).

É bem possível, entretanto, que os grávitons tenham uma massa pequena, o que significa que as ondas gravitacionais se moverão a uma velocidade menor que a da luz. Assim, por exemplo, se o LIGO e o Virgo detectarem ondas gravitacionais e descobrirem que as ondas chegaram à Terra após raios gama relacionados com eventos cósmicos, isto poderia ter consequências que mudariam a vida da física fundamental.

O espaço-tempo é feito de cordas cósmicas?

Uma descoberta ainda mais estranha poderia ocorrer se explosões de ondas gravitacionais fossem encontradas emanando de “cordas cósmicas”. Esses defeitos hipotéticos na curvatura do espaço-tempo, que podem ou não estar relacionados às teorias das cordas, deveriam ser infinitamente finos, mas esticados até distâncias cósmicas. Os cientistas prevêem que as cordas cósmicas, se existirem, podem entortar-se acidentalmente; se a corda dobrasse, causaria uma onda gravitacional que detectores como LIGO ou Virgo poderiam medir.

As estrelas de nêutrons podem ser irregulares?

As estrelas de nêutrons são restos de grandes estrelas que entraram em colapso sob seu próprio peso e se tornaram tão densas que elétrons e prótons começaram a se fundir em nêutrons. Os cientistas têm pouco conhecimento da física dos buracos de nêutrons, mas as ondas gravitacionais podem nos dizer muito sobre eles. Por exemplo, a intensa gravidade na sua superfície faz com que as estrelas de neutrões se tornem quase perfeitamente esféricas. Mas alguns cientistas sugeriram que também pode haver “montanhas” – com alguns milímetros de altura – que tornam estes objetos densos, com não mais de 10 quilómetros de diâmetro, ligeiramente assimétricos. As estrelas de nêutrons normalmente giram muito rapidamente, então a distribuição assimétrica de massa distorcerá o espaço-tempo e produzirá um sinal de onda gravitacional persistente na forma de uma onda senoidal, retardando a rotação da estrela e emitindo energia.

Pares de estrelas de nêutrons que orbitam entre si também produzem um sinal constante. Tal como os buracos negros, estas estrelas movem-se em espiral e eventualmente fundem-se com um som característico. Mas a sua especificidade difere da especificidade do som dos buracos negros.

Por que as estrelas explodem?

Buracos negros e estrelas de nêutrons se formam quando estrelas massivas param de brilhar e colapsam sobre si mesmas. Os astrofísicos pensam que este processo está subjacente a todos os tipos comuns de explosões de supernovas do Tipo II. Simulações de tais supernovas ainda não mostraram o que faz com que elas entrem em ignição, mas acredita-se que ouvir as explosões de ondas gravitacionais emitidas por uma supernova real forneça uma resposta. Dependendo da aparência das ondas de explosão, quão barulhentas são, com que frequência ocorrem e como se correlacionam com as supernovas que estão sendo rastreadas por telescópios eletromagnéticos, esses dados podem ajudar a descartar vários modelos existentes.

Quão rápido o Universo está se expandindo?

A expansão do Universo significa que os objetos distantes que se afastam da nossa galáxia parecem mais vermelhos do que realmente são porque a luz que emitem é esticada à medida que se movem. Os cosmólogos estimam a taxa de expansão do Universo comparando o desvio para o vermelho das galáxias com a distância que estão de nós. Mas esta distância é geralmente estimada a partir do brilho das supernovas do Tipo Ia, e esta técnica deixa muitas incertezas.

Se vários detectores de ondas gravitacionais ao redor do mundo detectarem sinais da fusão das mesmas estrelas de nêutrons, juntos eles poderão estimar com absoluta precisão o volume do sinal e, portanto, a distância em que a fusão ocorreu. Eles também poderão estimar a direção e, com isso, identificar a galáxia em que ocorreu o evento. Ao comparar o desvio para o vermelho desta galáxia com a distância às estrelas em fusão, é possível obter uma taxa independente de expansão cósmica, talvez mais precisa do que os métodos atuais permitem.

Ondas gravitacionais - representação artística

Ondas gravitacionais são perturbações da métrica espaço-temporal que se separam da fonte e se propagam como ondas (as chamadas “ondulações espaço-temporais”).

Na relatividade geral e na maioria das outras teorias modernas da gravidade, as ondas gravitacionais são geradas pelo movimento de corpos massivos com aceleração variável. As ondas gravitacionais se propagam livremente no espaço à velocidade da luz. Devido à relativa fraqueza das forças gravitacionais (em comparação com outras), estas ondas têm uma magnitude muito pequena, o que é difícil de registar.

Onda gravitacional polarizada

As ondas gravitacionais são previstas pela teoria da relatividade geral (GR) e muitas outras. Eles foram detectados diretamente pela primeira vez em setembro de 2015 por detectores gêmeos, que detectaram ondas gravitacionais provavelmente resultantes da fusão de dois para formar um único buraco negro rotativo, mais massivo. Evidências indiretas de sua existência são conhecidas desde a década de 1970 - a Relatividade Geral prevê a taxa de convergência de sistemas próximos devido à perda de energia devido à emissão de ondas gravitacionais, o que coincide com as observações. O registro direto de ondas gravitacionais e seu uso para determinar os parâmetros de processos astrofísicos é uma tarefa importante da física e da astronomia modernas.

No âmbito da relatividade geral, as ondas gravitacionais são descritas por soluções de equações de Einstein do tipo onda, que representam uma perturbação da métrica espaço-tempo movendo-se à velocidade da luz (na aproximação linear). A manifestação desta perturbação deve ser, em particular, uma mudança periódica na distância entre duas massas de teste em queda livre (isto é, não influenciadas por quaisquer forças). Amplitude h a onda gravitacional é uma quantidade adimensional - uma mudança relativa na distância. As amplitudes máximas previstas de ondas gravitacionais de objetos astrofísicos (por exemplo, sistemas binários compactos) e fenômenos (explosões, fusões, capturas por buracos negros, etc.) quando medidas são muito pequenas ( h=10 −18 -10 −23). Uma onda gravitacional fraca (linear), de acordo com a teoria geral da relatividade, transfere energia e momento, move-se à velocidade da luz, é transversal, quadrupolo e é descrita por dois componentes independentes localizados em um ângulo de 45° entre si ( tem duas direções de polarização).

Diferentes teorias prevêem a velocidade de propagação das ondas gravitacionais de maneira diferente. Na relatividade geral, é igual à velocidade da luz (na aproximação linear). Em outras teorias da gravidade, pode assumir qualquer valor, incluindo o infinito. De acordo com o primeiro registro de ondas gravitacionais, sua dispersão revelou-se compatível com um gráviton sem massa, e a velocidade foi estimada igual à velocidade da luz.

Geração de ondas gravitacionais

Um sistema de duas estrelas de nêutrons cria ondulações no espaço-tempo

Uma onda gravitacional é emitida por qualquer matéria que se mova com aceleração assimétrica. Para que ocorra uma onda de amplitude significativa, é necessária uma massa extremamente grande do emissor e/ou acelerações enormes. A amplitude da onda gravitacional é diretamente proporcional; primeira derivada da aceleração e a massa do gerador, que é ~. No entanto, se um objeto está se movendo a uma taxa acelerada, isso significa que alguma força de outro objeto está agindo sobre ele. Por sua vez, este outro objeto experimenta o efeito oposto (de acordo com a 3ª lei de Newton), e verifica-se que eu 1 um 1 = − eu 2 um 2 . Acontece que dois objetos emitem ondas gravitacionais apenas em pares e, como resultado da interferência, eles se cancelam quase completamente. Portanto, a radiação gravitacional na teoria geral da relatividade sempre tem o caráter multipolar de pelo menos radiação quadrupolo. Além disso, para emissores não relativísticos na expressão para a intensidade da radiação existe um pequeno parâmetro onde é o raio gravitacional do emissor, R- seu tamanho característico, T- período característico de movimento, c- velocidade da luz no vácuo.

As fontes mais fortes de ondas gravitacionais são:

• colidindo (massas gigantes, acelerações muito pequenas),
• colapso gravitacional de um sistema binário de objetos compactos (acelerações colossais com uma massa bastante grande). Um caso especial e muito interessante é a fusão de estrelas de nêutrons. Em tal sistema, a luminosidade das ondas gravitacionais está próxima da luminosidade máxima de Planck possível na natureza.

Ondas gravitacionais emitidas por um sistema de dois corpos

Dois corpos movendo-se em órbitas circulares em torno de um centro de massa comum

Dois corpos ligados gravitacionalmente com massas eu 1 e eu 2, movendo-se não relativisticamente ( v << c) em órbitas circulares em torno de seu centro de massa comum a uma distância R uns dos outros, emitem ondas gravitacionais da seguinte energia, em média durante o período:

Com isso, o sistema perde energia, o que leva à convergência dos corpos, ou seja, à diminuição da distância entre eles. Velocidade de aproximação dos corpos:

Para o Sistema Solar, por exemplo, a maior radiação gravitacional é produzida pelo subsistema e. O poder dessa radiação é de aproximadamente 5 quilowatts. Assim, a energia perdida pelo Sistema Solar por radiação gravitacional por ano é completamente insignificante em comparação com a energia cinética característica dos corpos.

Colapso gravitacional de um sistema binário

Qualquer estrela dupla, quando seus componentes giram em torno de um centro de massa comum, perde energia (como se supõe - devido à emissão de ondas gravitacionais) e, eventualmente, se funde. Mas para estrelas duplas comuns e não compactas, esse processo leva muito tempo, muito mais do que a idade atual. Se um sistema binário compacto consistir em um par de estrelas de nêutrons, buracos negros ou uma combinação de ambos, a fusão poderá ocorrer dentro de vários milhões de anos. Primeiro, os objetos se aproximam e o período de revolução diminui. Então, no estágio final, ocorre uma colisão e um colapso gravitacional assimétrico. Esse processo dura uma fração de segundo e, durante esse tempo, a energia é perdida em radiação gravitacional, que, segundo algumas estimativas, representa mais de 50% da massa do sistema.

Soluções exatas básicas das equações de Einstein para ondas gravitacionais

Ondas corporais de Bondi-Pirani-Robinson

Essas ondas são descritas por uma métrica da forma. Se introduzirmos uma variável e uma função, então a partir das equações da relatividade geral obtemos a equação

Métrica Takeno

tem a forma, -funções satisfazem a mesma equação.

Métrica Rosen

Onde satisfazer

Métrica de Perez

Ao mesmo tempo

Ondas cilíndricas de Einstein-Rosen

Em coordenadas cilíndricas, tais ondas têm a forma e são executadas

Registro de ondas gravitacionais

O registro das ondas gravitacionais é bastante difícil devido à fragilidade destas (pequena distorção da métrica). Os dispositivos para registrá-los são detectores de ondas gravitacionais. Tentativas de detectar ondas gravitacionais foram feitas desde o final da década de 1960. Ondas gravitacionais de amplitude detectável nascem durante o colapso de um binário. Eventos semelhantes ocorrem na área circundante aproximadamente uma vez por década.

Por outro lado, a teoria da relatividade geral prevê a aceleração da rotação mútua de estrelas binárias devido à perda de energia devido à emissão de ondas gravitacionais, e este efeito é registrado de forma confiável em vários sistemas conhecidos de objetos binários compactos (em particular, pulsares com companheiros compactos). Em 1993, “pela descoberta de um novo tipo de pulsar, que proporcionou novas oportunidades no estudo da gravidade” aos descobridores do primeiro pulsar duplo PSR B1913+16, Russell Hulse e Joseph Taylor Jr. foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física. A aceleração de rotação observada neste sistema coincide completamente com as previsões da relatividade geral para a emissão de ondas gravitacionais. O mesmo fenômeno foi registrado em vários outros casos: para os pulsares PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (geralmente abreviado J0651) e o sistema binário RX J0806. Por exemplo, a distância entre os dois componentes A e B da primeira estrela binária dos dois pulsares PSR J0737-3039 diminui cerca de 2,5 polegadas (6,35 cm) por dia devido à perda de energia pelas ondas gravitacionais, e isso ocorre de acordo com relatividade geral. Todos esses dados são interpretados como uma confirmação indireta da existência de ondas gravitacionais.

Segundo estimativas, as fontes mais fortes e frequentes de ondas gravitacionais para telescópios e antenas gravitacionais são catástrofes associadas ao colapso de sistemas binários em galáxias próximas. Espera-se que num futuro próximo vários eventos semelhantes por ano sejam registados em detectores gravitacionais melhorados, distorcendo a métrica nas proximidades em 10 −21 -10 −23. As primeiras observações de um sinal de ressonância paramétrica ótico-métrica, que permite detectar o efeito de ondas gravitacionais de fontes periódicas como um binário próximo sobre a radiação de masers cósmicos, podem ter sido obtidas no observatório radioastronômico da Rússia Academia de Ciências, Pushchino.

Outra possibilidade de detectar o fundo das ondas gravitacionais que preenchem o Universo é a cronometragem de alta precisão de pulsares distantes - análise do tempo de chegada de seus pulsos, que muda caracteristicamente sob a influência das ondas gravitacionais que passam pelo espaço entre a Terra e o pulsar. As estimativas para 2013 indicam que a precisão do tempo precisa de ser melhorada em cerca de uma ordem de grandeza para detectar ondas de fundo provenientes de múltiplas fontes no nosso Universo, uma tarefa que poderá ser realizada antes do final da década.

De acordo com os conceitos modernos, nosso Universo está repleto de ondas gravitacionais relíquias que apareceram nos primeiros momentos depois. O seu registo permitirá obter informações sobre os processos do início do nascimento do Universo. Em 17 de março de 2014, às 20h, horário de Moscou, no Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, um grupo americano de pesquisadores trabalhando no projeto BICEP 2 anunciou a detecção de perturbações de tensores diferentes de zero no Universo primordial pela polarização do cósmico radiação de fundo de micro-ondas, que também é a descoberta dessas ondas gravitacionais relíquias. No entanto, quase imediatamente este resultado foi contestado, uma vez que, como se viu, a contribuição não foi devidamente tida em conta. Um dos autores, JM Kovats ( Kovac J. M.), admitiu que “os participantes e jornalistas científicos foram um pouco precipitados na interpretação e relato dos dados do experimento BICEP2”.

Confirmação experimental da existência

O primeiro sinal de onda gravitacional registrado. À esquerda estão os dados do detector em Hanford (H1), à direita - em Livingston (L1). O tempo é contado a partir de 14 de setembro de 2015, 09:50:45 UTC. Para visualizar o sinal, ele é filtrado com um filtro de frequência com banda passante de 35-350 Hertz para suprimir grandes flutuações fora da faixa de alta sensibilidade dos detectores. Também foram utilizados filtros de parada de banda para suprimir o ruído das próprias instalações; Linha superior: tensões h nos detectores. GW150914 chegou primeiro em L1 e 6 9 +0 5 −0 4 ms depois em H1; Para comparação visual, os dados de H1 são mostrados no gráfico L1 de forma invertida e deslocada no tempo (para levar em conta a orientação relativa dos detectores). Segunda linha: tensões h do sinal da onda gravitacional, passadas pelo mesmo filtro passa-faixa de 35-350 Hz. A linha sólida é o resultado da relatividade numérica para um sistema com parâmetros compatíveis com os encontrados com base no estudo do sinal GW150914, obtido por dois códigos independentes com correspondência resultante de 99,9. As linhas grossas cinzas são as regiões de confiança de 90% da forma de onda reconstruída a partir dos dados do detector por dois métodos diferentes. A linha cinza escuro modela os sinais esperados da fusão de buracos negros, a linha cinza claro não usa modelos astrofísicos, mas representa o sinal como uma combinação linear de wavelets senoidais-gaussianas. As reconstruções se sobrepõem em 94%. Terceira linha: Erros residuais após extrair a previsão filtrada do sinal da relatividade numérica do sinal filtrado dos detectores. Linha inferior: Uma representação do mapa de frequência de tensão, mostrando o aumento na frequência dominante do sinal ao longo do tempo.

11 de fevereiro de 2016 pelas colaborações LIGO e VIRGO. Um sinal de fusão de dois buracos negros com uma amplitude máxima de cerca de 10 −21 foi registrado em 14 de setembro de 2015 às 9h51 UTC por dois detectores LIGO em Hanford e Livingston, separados por 7 milissegundos, na região de amplitude máxima do sinal ( 0,2 segundos) combinados, a relação sinal-ruído foi de 24:1. O sinal foi designado GW150914. A forma do sinal corresponde à previsão da relatividade geral para a fusão de dois buracos negros com massas de 36 e 29 massas solares; o buraco negro resultante deve ter uma massa de 62 solares e um parâmetro de rotação um= 0,67. A distância até a fonte é de cerca de 1,3 bilhão, a energia emitida em décimos de segundo na fusão equivale a cerca de 3 massas solares.

História

A história do próprio termo “onda gravitacional”, a busca teórica e experimental dessas ondas, bem como sua utilização para estudar fenômenos inacessíveis a outros métodos.

• 1900 - Lorentz sugeriu que a gravidade “...pode se espalhar a uma velocidade não superior à velocidade da luz”;
• 1905 - Poincaré introduziu pela primeira vez o termo onda gravitacional (onde gravifique). Poincaré, no nível qualitativo, removeu as objeções estabelecidas de Laplace e mostrou que as correções associadas às ondas gravitacionais às leis newtonianas de ordem da gravidade geralmente aceitas se cancelam, portanto, a suposição da existência de ondas gravitacionais não contradiz as observações;
• 1916 - Einstein mostrou que, no âmbito da relatividade geral, um sistema mecânico transferirá energia para ondas gravitacionais e, grosso modo, qualquer rotação em relação a estrelas fixas deverá parar mais cedo ou mais tarde, embora, é claro, em condições normais, perdas de energia da ordem de grandeza são desprezíveis e praticamente não mensuráveis ​​​​(neste trabalho, ele também acreditou erroneamente que um sistema mecânico que mantém constantemente a simetria esférica pode emitir ondas gravitacionais);
• 1918 - Einstein derivou uma fórmula quadrupolo em que a emissão de ondas gravitacionais acaba sendo um efeito de ordem, corrigindo assim o erro de seu trabalho anterior (permaneceu um erro no coeficiente, a energia das ondas é 2 vezes menor);
• 1923 - Eddington - questionou a realidade física das ondas gravitacionais "...propagando-se...na velocidade do pensamento." Em 1934, ao preparar a tradução russa de sua monografia “A Teoria da Relatividade”, Eddington adicionou vários capítulos, incluindo capítulos com duas opções para calcular as perdas de energia por uma haste rotativa, mas observou que os métodos usados ​​para cálculos aproximados da relatividade geral, na sua opinião, não são aplicáveis ​​a sistemas ligados gravitacionalmente, pelo que permanecem dúvidas;
• 1937 - Einstein, juntamente com Rosen, investigou soluções de ondas cilíndricas para as equações exatas do campo gravitacional. No decorrer desses estudos, eles começaram a duvidar que as ondas gravitacionais pudessem ser um artefato de soluções aproximadas das equações da relatividade geral (é conhecida a correspondência relativa a uma revisão do artigo “As ondas gravitacionais existem?” de Einstein e Rosen). Posteriormente, encontrou um erro em seu raciocínio; a versão final do artigo com alterações fundamentais foi publicada no Journal of the Franklin Institute;
• 1957 - Herman Bondi e Richard Feynman propuseram o experimento mental “junco com contas”, no qual comprovaram a existência de consequências físicas das ondas gravitacionais na relatividade geral;
• 1962 - Vladislav Pustovoit e Mikhail Herzenstein descreveram os princípios do uso de interferômetros para detectar ondas gravitacionais de ondas longas;
• 1964 - Philip Peters e John Matthew descreveram teoricamente ondas gravitacionais emitidas por sistemas binários;
• 1969 - Joseph Weber, fundador da astronomia de ondas gravitacionais, relata a detecção de ondas gravitacionais usando um detector ressonante - uma antena gravitacional mecânica. Estes relatórios dão origem a um rápido crescimento de trabalhos neste sentido, em particular, Rainier Weiss, um dos fundadores do projeto LIGO, iniciou experiências nessa altura. Até à data (2015), ninguém conseguiu obter uma confirmação fiável destes acontecimentos;
• 1978 - Joseph Taylor relataram a detecção de radiação gravitacional no sistema pulsar binário PSR B1913+16. A pesquisa de Joseph Taylor e Russell Hulse rendeu-lhes o Prêmio Nobel de Física de 1993. No início de 2015, três parâmetros pós-Keplerianos, incluindo a redução do período devido à emissão de ondas gravitacionais, foram medidos para pelo menos 8 desses sistemas;
• 2002 - Sergey Kopeikin e Edward Fomalont usaram interferometria de ondas de rádio de linha de base ultralonga para medir a deflexão da luz no campo gravitacional de Júpiter em dinâmica, o que para uma certa classe de extensões hipotéticas da relatividade geral permite estimar a velocidade de gravidade - a diferença em relação à velocidade da luz não deve ultrapassar 20% (esta interpretação geralmente não é aceita);
• 2006 - a equipe internacional de Martha Bourgay (Observatório Parkes, Austrália) relatou uma confirmação significativamente mais precisa da relatividade geral e sua correspondência com a magnitude da radiação das ondas gravitacionais no sistema de dois pulsares PSR J0737-3039A/B;
• 2014 - Astrônomos do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (BICEP) relataram a detecção de ondas gravitacionais primordiais enquanto mediam flutuações na radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Neste momento (2016), as flutuações detectadas não são consideradas de origem relíquia, mas são explicadas pela emissão de poeira na Galáxia;
• 2016 - equipe internacional LIGO relataram a detecção do evento de trânsito de ondas gravitacionais GW150914. Pela primeira vez, observação direta de corpos massivos interagindo em campos gravitacionais ultrafortes com velocidades relativas ultra-altas (< 1,2 × R s , v/c >0,5), o que permitiu verificar a correção da relatividade geral com precisão de vários termos pós-newtonianos de ordens superiores. A dispersão medida das ondas gravitacionais não contradiz medições feitas anteriormente da dispersão e do limite superior da massa de um gráviton hipotético (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.

As ondas gravitacionais, teoricamente previstas por Einstein em 1917, ainda aguardam o seu descobridor.

No final de 1969, o professor de física da Universidade de Maryland, Joseph Weber, fez uma declaração sensacional. Ele anunciou que havia descoberto ondas gravitacionais vindo das profundezas do espaço para a Terra. Até então, nenhum cientista tinha feito tais afirmações, e a própria possibilidade de detectar tais ondas era considerada longe de ser óbvia. No entanto, Weber era conhecido como uma autoridade em sua área e, portanto, seus colegas levaram sua mensagem com total seriedade.

Contudo, a decepção logo se instalou. As amplitudes das ondas supostamente registradas por Weber eram milhões de vezes superiores ao valor teórico. Weber argumentou que essas ondas vieram do centro da nossa Galáxia, obscurecidas por nuvens de poeira, sobre as quais pouco se sabia na época. Os astrofísicos sugeriram que havia um buraco negro gigante escondido ali, que devora anualmente milhares de estrelas e lança parte da energia absorvida na forma de radiação gravitacional, e os astrônomos iniciaram uma busca fútil por vestígios mais óbvios desse canibalismo cósmico (tem agora foi provado que realmente existe um buraco negro lá, mas isso leva a um comportamento bastante decente). Físicos dos EUA, URSS, França, Alemanha, Inglaterra e Itália iniciaram experiências com detectores do mesmo tipo - e não conseguiram nada.

Os cientistas ainda não sabem a que atribuir as estranhas leituras dos instrumentos de Weber. No entanto, os seus esforços não foram em vão, embora as ondas gravitacionais ainda não tenham sido detectadas. Diversas instalações para procurá-los já foram construídas ou estão em construção, e em dez anos tais detectores serão lançados ao espaço. É bem possível que, num futuro não muito distante, a radiação gravitacional se torne uma realidade física tão observável quanto as oscilações eletromagnéticas. Infelizmente, Joseph Weber não saberá mais disso - ele morreu em setembro de 2000.

O que são ondas gravitacionais

Costuma-se dizer que as ondas gravitacionais são perturbações do campo gravitacional que se propagam no espaço. Esta definição está correta, mas incompleta. De acordo com a teoria geral da relatividade, a gravidade surge devido à curvatura do contínuo espaço-tempo. As ondas gravitacionais são flutuações da métrica espaço-tempo, que se manifestam como flutuações no campo gravitacional, por isso são frequentemente chamadas figurativamente de ondulações espaço-temporais. As ondas gravitacionais foram teoricamente previstas em 1917 por Albert Einstein. Ninguém duvida da sua existência, mas as ondas gravitacionais ainda aguardam o seu descobridor.

A fonte das ondas gravitacionais é qualquer movimento de corpos materiais que leve a uma mudança não uniforme na força da gravidade no espaço circundante. Um corpo que se move a uma velocidade constante não emite nada, pois a natureza do seu campo gravitacional não muda. Para emitir ondas gravitacionais são necessárias acelerações, mas não qualquer aceleração. Um cilindro que gira em torno de seu eixo de simetria experimenta aceleração, mas seu campo gravitacional permanece uniforme e as ondas gravitacionais não surgem. Mas se você girar este cilindro em torno de um eixo diferente, o campo começará a oscilar e as ondas gravitacionais sairão do cilindro em todas as direções.

Esta conclusão aplica-se a qualquer corpo (ou sistema de corpos) que seja assimétrico em relação ao eixo de rotação (nesses casos diz-se que o corpo tem um momento quadrupolo). Um sistema de massa cujo momento quadrupolo muda com o tempo sempre emite ondas gravitacionais.

Propriedades básicas das ondas gravitacionais

Os astrofísicos sugerem que é a radiação das ondas gravitacionais, que retira energia, que limita a velocidade de rotação de um pulsar massivo ao absorver matéria de uma estrela vizinha.

Faróis gravitacionais do espaço

A radiação gravitacional de fontes terrestres é extremamente fraca. Uma coluna de aço pesando 10.000 toneladas, suspensa no centro em um plano horizontal e girada em torno de um eixo vertical até 600 rpm, emite uma potência de aproximadamente 10 -24 W. Portanto, a única esperança de detectar ondas gravitacionais é encontrar uma fonte cósmica de radiação gravitacional.

A este respeito, estrelas duplas próximas são muito promissoras. A razão é simples: a potência da radiação gravitacional de tal sistema cresce na proporção inversa à quinta potência do seu diâmetro. É ainda melhor se as trajetórias das estrelas forem muito alongadas, pois isso aumenta a taxa de variação do momento quadrupolo. É muito bom que o sistema binário consista em estrelas de nêutrons ou buracos negros. Tais sistemas são semelhantes aos faróis gravitacionais no espaço - sua radiação é periódica.

Existem também fontes de “pulso” no espaço que geram explosões gravitacionais curtas, mas extremamente poderosas. Isso acontece quando uma estrela massiva entra em colapso antes da explosão de uma supernova. Porém, a deformação da estrela deve ser assimétrica, caso contrário a radiação não ocorrerá. Durante o colapso, as ondas gravitacionais podem levar até 10% da energia total da estrela! O poder da radiação gravitacional, neste caso, é de cerca de 10 50 W. Ainda mais energia é liberada durante a fusão das estrelas de nêutrons, aqui a potência de pico atinge 10 52 W. Uma excelente fonte de radiação é a colisão de buracos negros: suas massas podem exceder as massas das estrelas de nêutrons em bilhões de vezes.

Outra fonte de ondas gravitacionais é a inflação cosmológica. Imediatamente após o Big Bang, o Universo começou a se expandir extremamente rapidamente e, em menos de 10-34 segundos, seu diâmetro aumentou de 10-33 cm para seu tamanho macroscópico. Este processo fortaleceu imensamente as ondas gravitacionais que existiam antes de começar, e seus descendentes persistem até hoje.

Confirmações indiretas

A primeira evidência da existência de ondas gravitacionais vem do trabalho do radioastrônomo americano Joseph Taylor e de seu aluno Russell Hulse. Em 1974, eles descobriram um par de estrelas de nêutrons orbitando uma à outra (um pulsar emissor de rádio com uma companheira silenciosa). O pulsar girou em torno de seu eixo com uma velocidade angular estável (o que nem sempre é o caso) e, portanto, serviu como um relógio extremamente preciso. Esta característica tornou possível medir as massas de ambas as estrelas e determinar a natureza do seu movimento orbital. Descobriu-se que o período orbital deste sistema binário (cerca de 3 horas e 45 minutos) é reduzido anualmente em 70 μs. Este valor concorda bem com as soluções das equações da teoria geral da relatividade, que descrevem a perda de energia de um par estelar devido à radiação gravitacional (no entanto, a colisão destas estrelas não acontecerá em breve, após 300 milhões de anos). Em 1993, Taylor e Hulse receberam o Prêmio Nobel por esta descoberta.

Antenas de ondas gravitacionais

Como detectar ondas gravitacionais experimentalmente? Weber usou cilindros de alumínio sólido com um metro de comprimento e sensores piezoelétricos nas extremidades como detectores. Eles foram isolados com máximo cuidado de influências mecânicas externas em uma câmara de vácuo. Weber instalou dois desses cilindros em um bunker sob o campo de golfe da Universidade de Maryland e um no Laboratório Nacional de Argonne.

A ideia do experimento é simples. O espaço é comprimido e esticado sob a influência das ondas gravitacionais. Graças a isso, o cilindro vibra no sentido longitudinal, atuando como uma antena de ondas gravitacionais, e os cristais piezoelétricos convertem as vibrações em sinais elétricos. Qualquer passagem de ondas gravitacionais cósmicas afeta quase simultaneamente detectores separados por mil quilômetros, o que permite filtrar impulsos gravitacionais de diversos tipos de ruído.

Os sensores de Weber foram capazes de detectar deslocamentos das extremidades do cilindro iguais a apenas 10 -15 do seu comprimento - neste caso 10 -13 cm. Foram precisamente essas flutuações que Weber foi capaz de detectar, que relatou pela primeira vez em 1959. as páginas Cartas de revisão física. Todas as tentativas de repetir estes resultados foram inúteis. Os dados de Weber também contradizem a teoria, que praticamente não nos permite esperar deslocamentos relativos superiores a 10 -18 (e valores inferiores a 10 -20 são muito mais prováveis). É possível que Weber tenha cometido um erro ao processar estatisticamente os resultados. A primeira tentativa de detectar experimentalmente a radiação gravitacional fracassou.

Posteriormente, as antenas de ondas gravitacionais foram significativamente melhoradas. Em 1967, o físico americano Bill Fairbank propôs resfriá-los em hélio líquido. Isso não só permitiu eliminar a maior parte do ruído térmico, mas também abriu a possibilidade de usar SQUIDs (interferômetros quânticos supercondutores), os magnetômetros ultrassensíveis mais precisos. A implementação desta ideia revelou-se repleta de muitas dificuldades técnicas, e o próprio Fairbank não viveu para ver isso. No início da década de 1980, físicos da Universidade de Stanford construíram uma instalação com sensibilidade de 10 -18, mas nenhuma onda foi detectada. Agora, em vários países, existem detectores de vibração ultracriogênicos de ondas gravitacionais operando em temperaturas apenas décimos e centésimos de grau acima do zero absoluto. Esta é, por exemplo, a instalação AURIGA em Pádua. A antena para ele é um cilindro de três metros feito de liga de alumínio-magnésio, com diâmetro de 60 cm e peso de 2,3 toneladas. Está suspenso em uma câmara de vácuo resfriada a 0,1 K. Seus choques (com frequência de cerca de 1000 Hz) são transmitidos para um ressonador auxiliar de 1 kg, que vibra com a mesma frequência, mas com amplitude muito maior. Essas vibrações são registradas por equipamentos de medição e analisadas por meio de um computador. A sensibilidade do complexo AURIGA é de cerca de 10 -20 -10 -21.

Interferômetros

Outro método de detecção de ondas gravitacionais baseia-se no abandono de ressonadores massivos em favor dos raios de luz. Foi proposto pela primeira vez pelos físicos soviéticos Mikhail Herzenstein e Vladislav Pustovoit em 1962, e dois anos depois por Weber. No início da década de 1970, um funcionário do laboratório de pesquisa da corporação Aeronave Hughes Robert Forward (um ex-aluno de graduação de Weber, mais tarde um famoso escritor de ficção científica) construiu o primeiro detector desse tipo com sensibilidade bastante decente. Ao mesmo tempo, Rainer Weiss, professor do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), realizou uma análise teórica muito profunda das possibilidades de registro de ondas gravitacionais usando métodos ópticos.

Esses métodos envolvem o uso de análogos do dispositivo com o qual há 125 anos o físico Albert Michelson provou que a velocidade da luz é estritamente a mesma em todas as direções. Nesta instalação, um interferômetro de Michelson, um feixe de luz atinge uma placa translúcida e é dividido em dois feixes perpendiculares entre si, que são refletidos em espelhos localizados à mesma distância da placa. Em seguida, os feixes se fundem novamente e caem na tela, onde aparece um padrão de interferência (listras e linhas claras e escuras). Se a velocidade da luz depende de sua direção, então quando toda a instalação for girada, esta imagem deverá mudar; caso contrário, deverá permanecer a mesma de antes;

O detector de interferência de ondas gravitacionais funciona de maneira semelhante. Uma onda que passa deforma o espaço e altera o comprimento de cada braço do interferômetro (o caminho ao longo do qual a luz viaja do divisor até o espelho), esticando um braço e comprimindo o outro. O padrão de interferência muda e isso pode ser registrado. Mas isso não é fácil: se a mudança relativa esperada no comprimento dos braços do interferômetro for 10 -20, então com um tamanho de mesa do dispositivo (como o de Michelson) isso resulta em oscilações com uma amplitude da ordem de 10 - 18 cm. Para efeito de comparação: as ondas de luz visível são 10 trilhões de vezes mais longas! Você pode aumentar o comprimento dos ombros para vários quilômetros, mas os problemas ainda permanecerão. A fonte de luz laser deve ser poderosa e estável em frequência, os espelhos devem ser perfeitamente planos e perfeitamente reflexivos, o vácuo nos tubos através dos quais a luz viaja deve ser o mais profundo possível e a estabilização mecânica de todo o sistema deve ser verdadeiramente perfeito. Resumindo, um detector de interferência de ondas gravitacionais é um dispositivo caro e volumoso.

Hoje a maior instalação desse tipo é o complexo americano LIGO (Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro de Luz). É composto por dois observatórios, um deles localizado na costa do Pacífico dos Estados Unidos e outro próximo ao Golfo do México. As medições são feitas por meio de três interferômetros (dois no estado de Washington e um na Louisiana) com braços de quatro quilômetros de comprimento. A instalação está equipada com acumuladores de luz espelhada, que aumentam a sua sensibilidade. “Desde novembro de 2005, todos os nossos três interferômetros estão operando normalmente”, disse Peter Solson, representante do complexo LIGO, professor de física na Universidade de Syracuse, à Popular Mechanics. - Trocamos constantemente dados com outros observatórios tentando detectar ondas gravitacionais com frequência de dezenas e centenas de hertz, que surgiram durante as mais poderosas explosões de supernovas e fusões de estrelas de nêutrons e buracos negros. O interferômetro alemão GEO 600 (comprimento do braço - 600 m), localizado a 25 km de Hannover, já está em operação. O instrumento japonês TAMA de 300 metros está atualmente sendo atualizado. O detector Virgo, de três quilómetros, perto de Pisa, juntar-se-á ao esforço no início de 2007 e, em frequências inferiores a 50 Hz, será capaz de ultrapassar o LIGO. Instalações com ressonadores ultracriogênicos operam com eficiência crescente, embora sua sensibilidade ainda seja um pouco menor que a nossa.”

Perspectivas

O que o futuro próximo reserva para os métodos de detecção de ondas gravitacionais? O professor Rainer Weiss disse à Popular Mechanics sobre isso: “Em alguns anos, lasers mais potentes e detectores mais avançados serão instalados nos observatórios do complexo LIGO, o que levará a um aumento de 15 vezes na sensibilidade. Agora é 10 -21 (em frequências de cerca de 100 Hz) e, após a modernização, ultrapassará 10 -22. O complexo atualizado, Advanced LIGO, aumentará a profundidade de penetração no espaço em 15 vezes. O professor da Universidade Estadual de Moscou, Vladimir Braginsky, um dos pioneiros no estudo das ondas gravitacionais, está ativamente envolvido neste projeto.

O lançamento do interferômetro espacial LISA está previsto para meados da próxima década ( Antena Espacial de Interferômetro Laser) com um comprimento de braço de 5 milhões de quilómetros, é um projeto conjunto da NASA e da Agência Espacial Europeia. A sensibilidade deste observatório será centenas de vezes superior às capacidades dos instrumentos terrestres. Ele foi projetado principalmente para procurar ondas gravitacionais de baixa frequência (10 -4 -10 -1 Hz), que não podem ser detectadas na superfície da Terra devido à interferência atmosférica e sísmica. Tais ondas são emitidas por sistemas estelares duplos, habitantes bastante típicos do Cosmos. O LISA também será capaz de detectar ondas gravitacionais geradas quando estrelas comuns são absorvidas por buracos negros. Mas para detectar ondas gravitacionais remanescentes que transportam informações sobre o estado da matéria nos primeiros momentos após o Big Bang, provavelmente serão necessários instrumentos espaciais mais avançados. Tal instalação Observador do Big Bang, está sendo discutido atualmente, mas é improvável que seja criado e lançado antes de 30-40 anos.”

Valentin Nikolaevich Rudenko conta a história de sua visita à cidade de Cascina (Itália), onde passou uma semana na então recém-construída “antena gravitacional” - o interferômetro óptico de Michelson. No caminho para o destino, o taxista pergunta por que a instalação foi construída. “As pessoas aqui pensam que é para falar com Deus”, admite o motorista.

– O que são ondas gravitacionais?

– Uma onda gravitacional é um dos “portadores de informação astrofísica”. Existem canais visíveis de informação astrofísica que os telescópios desempenham um papel especial na “visão distante”. Os astrônomos também dominaram canais de baixa frequência - micro-ondas e infravermelho, e canais de alta frequência - raios X e gama. Além da radiação eletromagnética, podemos detectar fluxos de partículas provenientes do Espaço. Para tanto, são utilizados telescópios de neutrinos - detectores de neutrinos cósmicos de grande porte - partículas que interagem fracamente com a matéria e, portanto, difíceis de registrar. Quase todos os tipos de “portadores de informação astrofísica” teoricamente previstos e estudados em laboratório foram dominados de forma confiável na prática. A exceção foi a gravidade – a interação mais fraca no microcosmo e a força mais poderosa no macrocosmo.

A gravidade é geometria. Ondas gravitacionais são ondas geométricas, ou seja, ondas que alteram as características geométricas do espaço ao passarem por esse espaço. Grosso modo, são ondas que deformam o espaço. Deformação é a mudança relativa na distância entre dois pontos. A radiação gravitacional difere de todos os outros tipos de radiação precisamente por ser geométrica.

– Einstein previu ondas gravitacionais?

– Formalmente, acredita-se que as ondas gravitacionais foram previstas por Einstein como uma das consequências da sua teoria geral da relatividade, mas na verdade a sua existência torna-se óbvia já na teoria da relatividade especial.

A teoria da relatividade sugere que devido à atração gravitacional, é possível o colapso gravitacional, ou seja, a contração de um objeto como resultado do colapso, grosso modo, até certo ponto. Então a gravidade é tão forte que a luz nem consegue escapar dela, então tal objeto é figurativamente chamado de buraco negro.

– Qual é a peculiaridade da interação gravitacional?

Uma característica da interação gravitacional é o princípio da equivalência. Segundo ele, a resposta dinâmica de um corpo de prova em um campo gravitacional não depende da massa desse corpo. Simplificando, todos os corpos caem com a mesma aceleração.

A interação gravitacional é a mais fraca que conhecemos hoje.

– Quem foi o primeiro a tentar pegar uma onda gravitacional?

– O experimento de ondas gravitacionais foi conduzido pela primeira vez por Joseph Weber, da Universidade de Maryland (EUA). Ele criou um detector gravitacional, que hoje está guardado no Museu Smithsonian, em Washington. Em 1968-1972, Joe Weber conduziu uma série de observações em um par de detectores separados espacialmente, tentando isolar casos de "coincidências". A técnica da coincidência é emprestada da física nuclear. A baixa significância estatística dos sinais gravitacionais obtidos por Weber provocou uma atitude crítica em relação aos resultados do experimento: não havia confiança de que ondas gravitacionais tivessem sido detectadas. Posteriormente, os cientistas tentaram aumentar a sensibilidade dos detectores do tipo Weber. Foram necessários 45 anos para desenvolver um detector cuja sensibilidade fosse adequada às previsões astrofísicas.

Durante o início do experimento, muitos outros experimentos ocorreram antes da fixação dos impulsos ser registrada durante esse período, mas sua intensidade era muito baixa.

– Por que a fixação do sinal não foi anunciada imediatamente?

– Ondas gravitacionais foram registradas em setembro de 2015. Mas mesmo que tenha sido registrada uma coincidência, antes de anunciá-la é preciso comprovar que não é aleatória. O sinal obtido de qualquer antena sempre contém rajadas de ruído (rajadas de curto prazo), e uma delas pode ocorrer acidentalmente simultaneamente com uma rajada de ruído em outra antena. É possível comprovar que a coincidência não foi acidental apenas com a ajuda de estimativas estatísticas.

– Por que as descobertas no campo das ondas gravitacionais são tão importantes?

– A capacidade de registar o fundo gravitacional relíquia e medir as suas características, como densidade, temperatura, etc., permite-nos aproximar-nos do início do universo.

O que é atraente é que a radiação gravitacional é difícil de detectar porque interage muito fracamente com a matéria. Mas, graças a esta mesma propriedade, passa sem absorção pelos objetos mais distantes de nós com as propriedades mais misteriosas, do ponto de vista da matéria.

Podemos dizer que a radiação gravitacional passa sem distorção. O objetivo mais ambicioso é estudar a radiação gravitacional que foi separada da matéria primordial na Teoria do Big Bang, que foi criada na criação do Universo.

– A descoberta das ondas gravitacionais exclui a teoria quântica?

A teoria da gravidade pressupõe a existência de colapso gravitacional, ou seja, a contração de objetos massivos até um ponto. Ao mesmo tempo, a teoria quântica desenvolvida pela Escola de Copenhague sugere que, graças ao princípio da incerteza, é impossível indicar simultaneamente exatamente parâmetros como a coordenada, a velocidade e o momento de um corpo. Existe aqui um princípio de incerteza; é impossível determinar a trajetória exata, porque a trajetória é ao mesmo tempo uma coordenada e uma velocidade, etc. Só é possível determinar um certo corredor de confiança condicional dentro dos limites deste erro, ao qual está associado. com os princípios da incerteza. A teoria quântica nega categoricamente a possibilidade de objetos pontuais, mas os descreve de maneira estatisticamente probabilística: não indica especificamente coordenadas, mas indica a probabilidade de possuir certas coordenadas.

A questão da unificação da teoria quântica e da teoria da gravidade é uma das questões fundamentais da criação de uma teoria de campo unificado.

Eles continuam a trabalhar nisso agora, e as palavras “gravidade quântica” significam uma área da ciência completamente avançada, a fronteira do conhecimento e da ignorância, onde todos os teóricos do mundo estão trabalhando agora.

– O que a descoberta pode trazer no futuro?

As ondas gravitacionais devem inevitavelmente formar a base da ciência moderna como um dos componentes do nosso conhecimento. Elas desempenham um papel significativo na evolução do Universo e com a ajuda dessas ondas o Universo deveria ser estudado. A descoberta contribui para o desenvolvimento geral da ciência e da cultura.

Se decidirmos ir além do escopo da ciência atual, então é permitido imaginar linhas gravitacionais de telecomunicações, dispositivos a jato usando radiação gravitacional, dispositivos de introscopia de ondas gravitacionais.

– As ondas gravitacionais têm algo a ver com percepção extra-sensorial e telepatia?

Eles não. Os efeitos descritos são os efeitos do mundo quântico, os efeitos da óptica.

Entrevistado por Anna Utkina

Ontem, o mundo ficou chocado com uma sensação: os cientistas finalmente descobriram as ondas gravitacionais, cuja existência Einstein previu há cem anos. Isto é um avanço. A distorção do espaço-tempo (são ondas gravitacionais - agora vamos explicar o que é o quê) foi descoberta no observatório LIGO, e um de seus fundadores é - quem você acha? - Kip Thorne, autor do livro.

Contamos por que a descoberta das ondas gravitacionais é tão importante, o que Mark Zuckerberg disse e, claro, compartilhamos a história na primeira pessoa. Kip Thorne, como ninguém, sabe como funciona o projeto, o que o torna incomum e qual o significado do LIGO para a humanidade. Sim, sim, tudo é tão sério.

Descoberta de ondas gravitacionais

O mundo científico se lembrará para sempre da data 11 de fevereiro de 2016. Neste dia, os participantes do projeto LIGO anunciaram: depois de tantas tentativas inúteis, foram encontradas ondas gravitacionais. Esta é a realidade. Na verdade, foram descobertos um pouco antes: em setembro de 2015, mas ontem a descoberta foi oficialmente reconhecida. O Guardian acredita que os cientistas certamente receberão o Prêmio Nobel de Física.

A causa das ondas gravitacionais é a colisão de dois buracos negros, que já ocorreu... a um bilhão de anos-luz da Terra. Você pode imaginar o quão grande é o nosso Universo! Como os buracos negros são corpos muito massivos, eles enviam ondulações através do espaço-tempo, distorcendo-o ligeiramente. Assim aparecem ondas, semelhantes às que se espalham a partir de uma pedra atirada na água.

É assim que você pode imaginar ondas gravitacionais chegando à Terra, por exemplo, de um buraco de minhoca. Desenho do livro “Interestelar. Ciência nos bastidores"

As vibrações resultantes foram convertidas em som. Curiosamente, o sinal das ondas gravitacionais chega aproximadamente na mesma frequência da nossa fala. Assim, podemos ouvir com nossos próprios ouvidos como os buracos negros colidem. Ouça como são as ondas gravitacionais.

E adivinhe? Mais recentemente, os buracos negros não estão estruturados como se pensava anteriormente. Mas não havia nenhuma evidência de que eles existissem em princípio. E agora existe. Os buracos negros realmente “vivem” no Universo.

É assim que os cientistas acreditam que se parece uma catástrofe – uma fusão de buracos negros.

No dia 11 de fevereiro aconteceu uma grandiosa conferência, que reuniu mais de mil cientistas de 15 países. Cientistas russos também estiveram presentes. E, claro, havia Kip Thorne. “Esta descoberta é o início de uma busca incrível e magnífica para as pessoas: a busca e exploração do lado curvo do Universo - objetos e fenômenos criados a partir de espaço-tempo distorcido. Colisões de buracos negros e ondas gravitacionais são os nossos primeiros exemplos notáveis”, disse Kip Thorne.

A busca por ondas gravitacionais tem sido um dos principais problemas da física. Agora eles foram encontrados. E a genialidade de Einstein é novamente confirmada.

Em outubro, entrevistamos Sergei Popov, astrofísico russo e famoso divulgador da ciência. Ele parecia estar olhando para a água! No outono: “Parece-me que estamos agora no limiar de novas descobertas, que estão principalmente associadas ao trabalho dos detectores de ondas gravitacionais LIGO e VIRGO (Kip Thorne deu uma grande contribuição para a criação do projeto LIGO) .” Incrível, certo?

Ondas gravitacionais, detectores de ondas e LIGO

Bem, agora um pouco de física. Para quem realmente quer entender o que são ondas gravitacionais. Aqui está uma representação artística das linhas de tendência de dois buracos negros orbitando um ao outro, no sentido anti-horário, e depois colidindo. As linhas Tendex geram a gravidade das marés. Vamos em frente. As linhas, que emanam dos dois pontos mais distantes um do outro na superfície de um par de buracos negros, estendem tudo em seu caminho, inclusive o amigo do artista no desenho. As linhas que emanam da área de colisão comprimem tudo.

À medida que os buracos giram em torno um do outro, eles seguem suas linhas tendex, que se assemelham a jatos de água de um aspersor giratório em um gramado. Na foto do livro “Interestelar. Ciência nos bastidores" - um par de buracos negros que colidem, girando um em torno do outro no sentido anti-horário, e suas linhas de tendência.

Os buracos negros se fundem em um grande buraco; ele é deformado e gira no sentido anti-horário, arrastando consigo linhas de tendência. Um observador estacionário longe do buraco sentirá vibrações à medida que as linhas de tendência passam por ele: alongamento, depois compressão e depois alongamento - as linhas de tendência tornaram-se uma onda gravitacional. À medida que as ondas se propagam, a deformação do buraco negro diminui gradualmente e as ondas também enfraquecem.

Quando essas ondas atingem a Terra, elas se parecem com a mostrada no topo da figura abaixo. Eles se esticam em uma direção e se comprimem na outra. As extensões e contrações flutuam (do vermelho direita-esquerda, para o azul direita-esquerda, para o vermelho direita-esquerda, etc.) à medida que as ondas passam pelo detector na parte inferior da figura.

Ondas gravitacionais passando pelo detector LIGO.

O detector consiste em quatro grandes espelhos (40 quilogramas e 34 centímetros de diâmetro), que são fixados nas extremidades de dois tubos perpendiculares, chamados braços detectores. Linhas tendenciosas de ondas gravitacionais esticam um braço, enquanto comprimem o segundo, e então, ao contrário, comprimem o primeiro e esticam o segundo. E assim de novo e de novo. À medida que o comprimento dos braços muda periodicamente, os espelhos se movem um em relação ao outro, e esses movimentos são rastreados por meio de feixes de laser de uma forma chamada interferometria. Daí o nome LIGO: Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser.

Centro de controle LIGO, de onde enviam comandos ao detector e monitoram os sinais recebidos. Os detectores de gravidade do LIGO estão localizados em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana. Foto do livro “Interestelar. Ciência nos bastidores"

Agora o LIGO é um projeto internacional que envolve 900 cientistas de diversos países, com sede no Instituto de Tecnologia da Califórnia.

O lado curvo do universo

Buracos negros, buracos de minhoca, singularidades, anomalias gravitacionais e dimensões de ordem superior estão associados a curvaturas do espaço e do tempo. É por isso que Kip Thorne os chama de “o lado distorcido do universo”. A humanidade ainda possui muito poucos dados experimentais e observacionais do lado curvo do Universo. É por isso que prestamos tanta atenção às ondas gravitacionais: elas são feitas de espaço curvo e fornecem a forma mais acessível de explorarmos o lado curvo.

Imagine se você só visse o oceano quando ele estivesse calmo. Você não saberia sobre correntes, redemoinhos e ondas de tempestade. Isto é uma reminiscência do nosso conhecimento atual sobre a curvatura do espaço e do tempo.

Não sabemos quase nada sobre como o espaço curvo e o tempo curvo se comportam “durante uma tempestade” – quando a forma do espaço flutua violentamente e quando a velocidade do tempo flutua. Esta é uma fronteira de conhecimento incrivelmente atraente. O cientista John Wheeler cunhou o termo "geometrodinâmica" para essas mudanças.

De particular interesse no campo da geometrodinâmica é a colisão de dois buracos negros.

Colisão de dois buracos negros não rotativos. Modelo do livro “Interestelar. Ciência nos bastidores"

A imagem acima mostra o momento em que dois buracos negros colidem. Foi exatamente esse evento que permitiu aos cientistas registrar ondas gravitacionais. Este modelo foi construído para buracos negros não rotativos. Acima: órbitas e sombras de buracos, vistos do nosso Universo. Meio: espaço e tempo curvos, vista do volume (hiperespaço multidimensional); As setas mostram como o espaço está envolvido no movimento e as mudanças de cores mostram como o tempo é distorcido. Abaixo: A forma das ondas gravitacionais emitidas.

Ondas gravitacionais do Big Bang

Para Kip Thorne. “Em 1975, Leonid Grischuk, meu bom amigo da Rússia, fez uma declaração sensacional. Ele disse que no momento do Big Bang surgiram muitas ondas gravitacionais, e o mecanismo de sua origem (até então desconhecido) foi o seguinte: flutuações quânticas (flutuações aleatórias - nota do editor) os campos gravitacionais durante o Big Bang foram grandemente aumentados pela expansão inicial do Universo e assim se tornaram as ondas gravitacionais originais. Estas ondas, se detectadas, poderão dizer-nos o que aconteceu no nascimento do nosso Universo."

Se os cientistas encontrarem as ondas gravitacionais primordiais, saberemos como o Universo começou.

As pessoas resolveram até agora todos os mistérios do Universo. Há mais por vir.

Nos anos subsequentes, à medida que a nossa compreensão do Big Bang melhorou, tornou-se óbvio que estas ondas primordiais devem ser fortes em comprimentos de onda proporcionais ao tamanho do Universo visível, ou seja, em comprimentos de milhares de milhões de anos-luz. Você pode imaginar quanto isso custa?.. E nos comprimentos de onda que os detectores LIGO cobrem (centenas e milhares de quilômetros), as ondas provavelmente serão fracas demais para serem reconhecidas.

A equipe de Jamie Bock construiu o aparelho BICEP2, com o qual foi descoberto o traço das ondas gravitacionais originais. O dispositivo localizado no Pólo Norte é mostrado aqui durante o crepúsculo, que ocorre ali apenas duas vezes por ano.

Dispositivo BICEP2. Imagem do livro Interestelar. Ciência nos bastidores"

Ele é cercado por escudos que protegem o dispositivo da radiação da cobertura de gelo circundante. No canto superior direito há um traço descoberto na radiação cósmica de fundo em micro-ondas - um padrão de polarização. As linhas do campo elétrico são direcionadas ao longo de cursos curtos de luz.

Traço do início do universo

No início dos anos noventa, os cosmólogos perceberam que essas ondas gravitacionais, com bilhões de anos-luz de comprimento, devem ter deixado um traço único nas ondas eletromagnéticas que preenchem o Universo - a chamada radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ou radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Isso deu início à busca pelo Santo Graal. Afinal, se detectarmos esse traço e dele deduzirmos as propriedades das ondas gravitacionais originais, poderemos descobrir como nasceu o Universo.

Em março de 2014, enquanto Kip Thorne escrevia este livro, a equipe de Jamie Bok, um cosmólogo da Caltech cujo escritório fica ao lado do de Thorne, finalmente descobriu esse traço na radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Esta é uma descoberta absolutamente surpreendente, mas há um ponto controverso: o vestígio encontrado pela equipa de Jamie pode ter sido causado por outra coisa que não ondas gravitacionais.

Se for realmente encontrado um vestígio das ondas gravitacionais que surgiram durante o Big Bang, isso significa que ocorreu uma descoberta cosmológica a um nível que acontece talvez uma vez a cada meio século. Dá a você a chance de tocar nos eventos que ocorreram um trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo após o nascimento do Universo.

Essa descoberta confirma teorias de que a expansão do Universo naquele momento foi extremamente rápida, na gíria dos cosmólogos – rápida inflacionária. E anuncia o advento de uma nova era na cosmologia.

Ondas gravitacionais e interestelares

Ontem, em uma conferência sobre a descoberta de ondas gravitacionais, Valery Mitrofanov, chefe da colaboração de cientistas LIGO de Moscou, que inclui 8 cientistas da Universidade Estadual de Moscou, observou que o enredo do filme “Interestelar”, embora fantástico, não é tão longe da realidade. E tudo porque Kip Thorne era o consultor científico. O próprio Thorne expressou esperança de acreditar em futuros voos tripulados para um buraco negro. Podem não acontecer tão cedo quanto gostaríamos, mas hoje são muito mais reais do que antes.

Não está muito longe o dia em que as pessoas deixarão os confins da nossa galáxia.

O evento mexeu com a mente de milhões de pessoas. O notório Mark Zuckerberg escreveu: “A descoberta das ondas gravitacionais é a maior descoberta da ciência moderna. Albert Einstein é um dos meus heróis, e é por isso que levei a descoberta tão pessoalmente. Há um século, no âmbito da Teoria da Relatividade Geral (GTR), ele previu a existência de ondas gravitacionais. Mas são tão pequenos para serem detectados que passou a procurá-los nas origens de eventos como o Big Bang, explosões estelares e colisões de buracos negros. Quando os cientistas analisarem os dados obtidos, uma visão completamente nova do espaço se abrirá diante de nós. E talvez isso esclareça a origem do Universo, o nascimento e o desenvolvimento dos buracos negros. É muito inspirador pensar em quantas vidas e esforços foram necessários para desvendar este mistério do Universo. Este avanço foi possível graças ao talento de cientistas e engenheiros brilhantes, pessoas de diferentes nacionalidades, bem como às mais recentes tecnologias informáticas que surgiram apenas recentemente. Parabéns a todos os envolvidos. Einstein ficaria orgulhoso de você."

Este é o discurso. E esta é uma pessoa que está simplesmente interessada em ciência. Pode-se imaginar a tempestade de emoções que tomou conta dos cientistas que contribuíram para a descoberta. Parece que testemunhamos uma nova era, amigos. Isso é incrível.

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