Текст книги "Космос для не космонавтов"

Краеугольный камень общей теории относительности и теории гравитации

Международная группа специалистов зафиксировала наиболее точное на данный момент подтверждение одного из краеугольных камней общей теории относительности – универсальность свободного падения (G. Voisin, 2020).

По большому счёту, этот принцип лежит в основе ОТО. Однако несоответствие между ОТО и квантовой механикой, а также загадка доминирования в составе Вселенной тёмных материи и энергии привели многих физиков к убеждению, что ОТО может не являться окончательной теорией гравитации.

Универсальность принципа свободного падения заключается в том, что два тела, упавшие в гравитационное поле третьего, независимо от своего состава испытывают одно и то же ускорение. Впервые это продемонстрировал Галилей. Как известно, он бросал объекты разной массы с вершины Пизанской башни, чтобы убедиться, что они оба достигают Земли одновременно.

Новое исследование показало, что этот постулат справедлив даже для сильно самогравитирующихся объектов, таких как нейтронные звёзды. Измерения были записаны совместной группой из Университета Манчестера, парижской обсерватории и Института радиоастрономии Макса Планка.

Специалисты изучили данные о трио, состоящем из двух белых карликов и пульсара. В этом трио пульсар и первый белый карлик вращаются друг вокруг друга (на расстоянии в 10 раз ближе чем Меркурий к Солнцу) и в то же время – вокруг второго белого карлика. Последний расположен на расстоянии немного дальше, чем Солнце от системы Земля – Луна.

Авторская визуализация пульсара и его ближайшего спутника – белого карлика с их орбитами и вторым спутником на заднем плане. Не в масштабе. © Guillaume Voisin CC BY-SA 4.0

Казалось бы, в подобной схеме нет ничего удивительного. Аналогично Земля с Луной вращаются вокруг Солнца. Но тут всё дело в массах объектов, и в частности пульсара «PSR J0337+1715». При диаметре всего 25 км он имеет массу в 1,44 раза больше массы Солнца. Предполагалось, что этот пульсар может больше гравитационно воздействовать на белого карлика, находящегося с ним в непосредственной близости и одной связке, чем второй белый карлик. При этом согласно данной гипотезе различалось бы воздействие и второго белого карлика на каждый из оставшихся компонентов.

Как были получены данные?

Пульсар испускает пучок радиоволн, который проносится сквозь пространство. При каждом повороте это создает вспышку радиоизлучения, которая с очень высокой точностью фиксируется радиотелескопом. Когда пульсар движется по своей орбите, время прихода света на Землю смещается, согласно определённому закону. Именно точные измерения и математическое моделирование этих пучков радиоизлучения, вплоть до наносекунды, позволили учёным делать выводы о движении звезды с исключительной точностью. В итоге был зафиксирован аналог эксперимента Галилея космических масштабов. Два тела разных состава и массы падают с одинаковым ускорением в гравитационном поле третьего.

Таким образом, универсальность свободного падения, описанная в ОТО, была подтверждена с уровнем достоверности 95 %. Она справедлива даже в присутствии объекта, масса которого в значительной степени обусловлена его собственным гравитационным полем. А это, в свою очередь, в очередной раз подтверждает и саму ОТО.

Одно из последних доказательств теории относительности

Во время наблюдений за уникальной двойной звездой PSR J1141-6545 в созвездии Мухи астрономы зафиксировали искажение ткани пространства-времени вокруг быстро вращающегося белого карлика. Они смогли наблюдать «качание» орбиты пульсара, вращающегося вокруг этого карлика, примерно на 150 км в стороны. Этот эффект, как вы уже поняли, объясняется теорией относительности как искривление ткани пространства-времени вокруг быстро вращающегося массивного объекта.

Уникальность системы PSR J1141-6545 заключается в том, что белый карлик вращается невероятно быстро. Благодаря рекордно малому расстоянию между компонентами пульсар движется по орбите соседа с огромной скоростью в 1 млн км/ч.

Всё это просто не могло не привести к проявлению релятивистских эффектов. Поэтому астрономы и начали свои наблюдения в поисках проявления одного конкретного эффекта Лензе – Тирринга, релятивистского аналога силы Кориолиса, но закручивающего само пространство.

Результаты исследования максимально точны (V. Venkatraman Krishnan, 2020). Так, специалисты измерили скорость импульсов от пульсара до Земли с точностью до 100 мс за 200 лет, используя радиотелескопы Parkes и Extreme в Австралии.

Чёрные линии показывают радиоконтуры, треугольник указывает на пульсар PSR J1833-0827. Небольшая вставка показывает функцию разброса точек инструмента с учётом сглаживания, применённого к изображению

По результатам этих замеров и был обнаружен дрейф осей вращения компонентов этой двойной системы. Исключив последовательно все возможные причины этого дрейфа, специалисты пришли к выводу, что он является результатом перетаскивания кадров. То есть быстро вращающийся массивный белый карлик тянет пространство-время, закручивая его в сторону своего вращения. В результате наклон орбиты пульсара медленно меняется из-за упомянутого выше эффекта Лензе – Тирринга.

Вы только представьте: пространство может искривляться под действием массы! Результаты этого исследования в очередной раз подтвердили теорию относительности. Помимо прочего, они помогут в изучении других пульсаров и белых карликов. Как знать, возможно это новый шажок на пути к освоению Вселенной.

Верна ли общая теория относительности Эйнштейна?

Если у вас ещё остались сомнения, значит, я, видимо, не очень доходчиво рассказал о доказательствах, подтверждающих её. Предлагаю закрепить эту тему перед тем, как перейти к гравитационным волнам.

ОТО по своей сути является геометрической теорией тяготения. В ней постулируется тот факт, что гравитация – не сила, как описывал Ньютон, а результат деформации самого́ пространства-времени. Основное отличие от других метрических теорий тяготения даёт уравнение Эйнштейна, описывающее связь кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей (нет, это не эфир).

На сегодня ОТО – самая успешная теория гравитации, многократно подтверждённая экспериментально. Перечислю основные подтверждения.

Принцип соответствия

Этот принцип гласит, что любая новая научная теория должна включать старую теорию (проверенную и подтверждённую) и её результаты как частный случай.

Так, следствия специальной теории относительности в рамках малых скоростей полностью соответствуют выводам классической механики.

Общая теория относительности, частным случаем которой является СТО, даёт те же результаты, что и классическая теория тяготения Ньютона при малых скоростях и малых значениях гравитационного потенциала.

Отклонение луча света в поле Солнца

Одним из косвенных экспериментов, подтверждающих ОТО, служит отклонение луча света в поле Солнца.

Суть эксперимента такова. Мы точно знаем, когда звезда должна скрываться за Солнцем. Фиксируем время, когда звезда покидает зону видимости, и извлекаем угол отклонения луча света от прямой.

Эти эксперименты проводятся регулярно во время полных солнечных затмений. С 1919 года данное явление многократно подтвердили, во-первых, астрономические наблюдения звёзд во время полных затмений Солнца. А во-вторых, радиоинтерферометрические наблюдениями квазаров, проходящих вблизи Солнца во время его пути по эклиптике. Дополненным подтверждением ОТО является тот факт, что даже из ньютоновской корпускулярной теории света вытекает отклонение луча в поле Солнца.

Запаздывание сигнала в поле Солнца

Для проведения эксперимента на Венеру и Меркурий во время их приближения к диску Солнца астрономы посылали сигналы (радиолокация), а затем регистрировали время их прихода обратно. Чем ближе к диску Солнца находились планеты, тем дольше шёл сигнал. Всё очень просто и безвариантно.

Гравитационное линзирование

С эффектом гравитационной линзы никто не спорит. Впервые он был описан именно в ОТО, а в 1979 году вокруг такой линзы наблюдались две туманности с абсолютно одинаковым спектром излучения. Благодаря уравнениям ОТО стало понятно, что это одна туманность, свет от которой проходит до нас через гравитационную линзу. Таким образом, можно сделать очевидный вывод: гравитация принципиально нелинейна.

С помощью частного случая, гравитационного микролинзирования, когда масса гравитационной линзы очень мала, были обнаружены коричневые карлики. В данном случае именно коричневые карлики играли роль микролинзы, так как их невозможно было наблюдать иначе из-за очень небольшой (по звездным меркам) массы и практически полного отсутствия светимости.

Когда коричневый карлик встаёт на линию «наблюдатель – яркий объект», то наблюдается эффект микролинзирования в виде кольца света. По изменению яркости и расстоянию до наблюдаемого объекта можно приблизительно оценить массу коричневого карлика.

Гравитационное излучение (гравитационные волны)

Их обнаружение подтверждает, что имеется «ткань» пространства-времени, а значит, и теория гравитации, описываемая ОТО, получает очередное подтверждение. Спустя некоторое время после регистрации гравитационных волн и анализа полученных данных специалисты пришли к выводу, что несколько альтернативных ОТО теорий, предполагающих наличие дополнительных измерений во Вселенной, неверны.

Чёрные дыры

Описываются чёрные дыры только в ОТО. Поэтому полученное фото этого экзотического объекта служит отличным её подтверждением. Хотя мы не можем утверждать на все 100 %, что на фотографии именно чёрная дыра. Наверняка очень скоро появятся альтернативные объяснения. Но это даже хорошо! Ведь именно так и работает наука, подвергая сомнению любой зафиксированный результат. Потому-то ОТО и является главенствующей теорией – она уже многократно прошла проверку попытками опровержения.

А ещё проверены принцип эквивалентности, смещение перигелия, изменение частоты в поле тяготения, эффект гравитационного красного смещения. Кстати, последний был проверен международным проектом с российским участием «Радиоастрон». И каждый раз ОТО получала очередное подтверждение. Этот факт не может не удивлять. Ведь получается, что общая теория относительности уже описала существенную часть Вселенной.

Раздел 3
Шёпот Вселенной (гравитационные волны)

Продолжая тему теории относительности, необходимо рассмотреть ещё два очень важных и невероятно будоражащих сознание явления. Начнём с гравитационных волн, а в данном разделе – с краткого описания того, что такое гравитация.

Визуализация искривления пространства под действием гравитации

Это понятие даёт невероятный простор для спекуляций. Разнообразные домыслы и вымыслы могли быть вполне безобидными, вроде научной фантастики. Но нет. Гравитация послужила огромным полем деятельности разнообразных мракобесов, пользующихся отсутствием единой теории.

Есть только один стопроцентный факт о гравитации – мы практически ничего о ней не знаем. Мы знаем только, что это фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей (по сравнению со скоростью света) и слабого взаимодействия гравитация описана теорией тяготения Ньютона. В общем случае её описывает общая теория относительности. А вот квантовая теория гравитации, которая объединила бы две физические теории – квантовую механику и ОТО, – до сих пор не разработана. Этого не позволяет построить Теория всего.

При этом мы точно знаем, что гравитация есть. Без неё во Вселенной не было бы планет, звёзд, галактик и всего остального. Ведь именно она определяет ключевые условия равновесия и устойчивости астрономических систем.

Как мы её исследуем?

ОТО предсказывала, что гравитация распространяется в пространстве в виде волн со скоростью света. Эти волны невероятно сложно обнаружить. Чувствительности современных приборов хватает лишь на то, чтобы зафиксировать гравитационные волны от очень масштабных событий, таких как столкновение чёрных дыр.

Впервые гравитационные волны после нескольких десятков лет поисков астрономы зафиксировали в 2015 году. В 2017-м они впервые обнаружили как гравитационные волны, так и свет от одного события – слияния нейтронных звезд. Теперь исследователи используют эти данные для того, чтобы подтвердить некоторые основные факты о Вселенной.

Благодаря этим событиям учёным удалось добавить пару фактов в копилку знаний о гравитации:

1. Не найдено никаких доказательств «гравитационной утечки» и, как следствие, дополнительных измерений во Вселенной, что отсекает несколько альтернативных ОТО теорий. Ранее считали, что гравитация может проникнуть за пределы четырёх измерений (три координаты и время). Это привело бы к потере бóльшего количества энергии и в итоге вылилось в разницу между количеством световых и гравитационных волн. Однако их сравнение от столкновения нейтронных звёзд показало: этого не происходит.

2. Гравитация движется так, как предсказывает Общая теория относительности. Если бы гравитон (теоретическая частица-переносчик гравитационного взаимодействия) имел массу, как и любая другая частица, то гравитационные волны проявляли бы признаки импульса, что являлось бы нарушением ОТО. Этого не произошло, гравитон остался безмассовым. Таким образом, ОТО получила дополнительное подтверждение.

Кроме того, следует отметить, что квантовая теория гравитации по-прежнему ждёт своего открытия. Очень бы хотелось застать этот момент. Ведь перспективы её применения будоражат сознание. Хотя бы исследованием новых миров.

Об отсутствии дополнительных измерений во Вселенной. Эйнштейн по-прежнему прав

В одном из исследований учёные использовали данные, полученные от слияния нейтронных звёзд. В отличие от первого и нескольких последующих событий (слияния чёрных дыр) астрономы смогли наблюдать источник в электромагнитных волнах, что позволило немного продвинуться в изучении гравитации.

Ни для кого не секрет, что самые большие проблемы в изучении Вселенной создают тёмные материя и энергия. Скажем откровенно: мы их совершенно не понимаем. Однако на этих энергиях держится всё наше мироздание.

«Сегодня предложено большое количество всевозможных теорий, которые объясняют природу этих явлений. Есть и те, что отвергают тёмную материю и тёмную энергию, составляя альтернативу общей теории относительности. Они основываются на дополнительных измерениях. Например, одна из них утверждает, что на больших расстояниях гравитация “просачивается” в другое измерение и ослабевает», – пояснила Майя Фишбах, соавтор этого исследования.

Слияние нейтронных звёзд стало отличным способом проверить предсказания альтернативных теорий. Гравитационные волны от столкновения сопровождались обнаружением гамма-лучей, рентгеновских лучей, радиоволн, а также оптического и инфракрасного излучений. Это позволило точно определить расстояние до источника. Если бы гравитация просачивалась в другие измерения по пути к Земле, то сигнал, который был пойман детекторами гравитационных волн, был бы слабее, чем ожидалось. Но при сравнении видимого расстояния до источника с расчётным из данных LIGO оказалось, что это не так.

О величии открытия гравитационных волн и применении полученных знаний

Около 1,3 млрд лет назад две чёрные дыры закрутились в спиральном гравитационном танце, неумолимо падая навстречу друг другу. В итоге они столкнулись, преобразовав три солнечные массы вещества в чистую энергию за десятую долю секунды.

В этот редчайший миг зарево могло быть ярче всех звёзд во всех галактиках всей наблюдаемой Вселенной. Но у чёрных дыр энергия выделяется не в виде света. Вся эта энергия была вброшена в саму ткань пространства-времени, заставляя Вселенную взорваться гравитационными волнами. Потрясающе!

Давайте поразмыслим о временных масштабах. Итак, 1,3 млрд лет назад, на Земле только зародилась многоклеточная жизнь. За прошедшее до настоящего момента время на планете появились и развились кораллы, рыбы, растения, динозавры, птицы, млекопитающие, люди.

В 1916 году Альберт Эйнштейн на основании общей теории относительности впервые предсказал существование гравитационных волн. И вот только 25 лет назад Райнер Вайс из МТИ, Кип Торн и Рональд Дрейвер из Сколтеха решили, что было бы просто превосходно построить гигантский лазерный детектор для поиска этих гравитационных волн.

Большинство людей посчитали их сумасшедшими. А вот очень немногие люди из Национального научного фонда США поняли, что перед ними – гениальные сумасшедшие, и решили финансировать эту безумную идею.

После десятилетия разработок, полёта творческого воображения и огромного количества тяжелейшей работы они построили свой детектор. Сейчас он всем известен как LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) – лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (ЛИГО).

В начале сентября 2015 года ЛИГО была включена для последней проверки, чтобы отладить несколько оставшихся проблем. И 14 сентября 2015 года, всего через пару дней после того, как детектор включили, гравитационные волны от тех самых двух столкнувшихся чёрных дыр прошли сквозь Землю, сквозь каждого жителя Земли и, конечно же, сквозь детектор.

Скотт Хьюз (Scott Hughes), профессор МТИ, который последние 23 года изучал гравитационные волны, образованные от слияния чёрных дыр, и их сигналы, которые могли бы принимать обсерватории подобные ЛИГО, так описал это событие:

«В моей жизни было два столь эмоциональных момента. Первый – это рождение моей дочери. Второй – когда мне пришлось прощаться с моим смертельно больным отцом. Знаете, по существу, это стало вознаграждением всей моей карьеры. Всё, над чем я работал, – больше не научная фантастика (смеётся)».

Так что же такое гравитационные волны?

Как и объяснял Эйнштейн, эти волны представляют собой рябь пространства, распространяющуюся во времени со скоростью света. Когда гравитационная волна проходит между двумя свободно падающими телами, расстояние между ними изменяется. Относительное изменение этого расстояния служит мерой амплитуды волны. Это рябь в конфигурации пространства-времени. То есть когда волна проходит, она растягивает пространство и всё, что в нём находится, в одном направлении (условно горизонтальном) и сжимает в другом (условно вертикальном). То есть каждый человек на планете растягивается и сжимается при прохождении сквозь него гравитационной волны.

Проблема с обнаружением гравитационных волн заключается в том, что они невообразимо слабые. Волна, зафиксированная 14 сентября 2015 года, растянула человека примерно на 10^–21 м. Даже лазерным детектором длиной 5 км (что уже безумие) учёным нужно было замерить длину лазера между детекторами с точностью до одной тысячной радиуса атомного ядра! Ещё бы работников ЛИГО не считали сумасшедшими.

Один из соучредителей ЛИГО Кип Торн, описывая охоту за гравитационными волнами, свой классический трактат по гравитации закончил следующими словами:

«Технические трудности, которые необходимо преодолеть в создании таких детекторов, огромны. Но физики изобретательны. С поддержкой широких масс все препятствия будут непременно преодолены».

Торн опубликовал этот труд в 1973 году – за 42 года до того, как он добился успеха.

Как работает ЛИГО?

Эта обсерватория действует, скорее, как ухо, чем как глаз. Видимый свет имеет длину волны, которая гораздо меньше всех окружающих нас предметов. Именно этот факт позволяет нам создать картину окружающего нас мира за счёт отражённого от этих предметов света, попадающего в глаза. А вот звук работает иначе. Длина волны слышимого звука может достигать более 15 м! И это делает практически невозможным создание зрительного образа. Вместо него мы используем тональность, ритм, громкость и прочие параметры для того, чтобы понять то, что стоит за этим звуком.

То же самое происходит с гравитационными волнами – мы не можем использовать их для создания простых картин объектов Вселенной. Но, прислушиваясь к изменениям в амплитуде и частоте этих волн, можем слышать историю, рассказываемую этими волнами. И для ЛИГО частоты, которые она может воспринимать, находятся в доступном диапазоне. Если мы преобразуем характер волн в колебания давления в воздухе (в звук), мы сможем буквально услышать говорящую с нами Вселенную.

Прослушивание гравитации таким способом может рассказать нам очень много о столкновении чёрных дыр, слившихся в том самом гравитационном танце 1,3 млрд лет назад.

Источник: (Попов, 2016)

Нужно понимать, что это всего лишь одна волна из огромного количества волн, которые были рождены в момент слияния чёрных дыр. Если вы знаете, как слушать, и у вас есть соответствующие инструменты, то вы понимаете что это звук слияния двух чёрных дыр. Их масса равняется примерно массам 30 Солнц (29,36, если быть точным). И они вращаются друг вокруг друга со скоростью 100 оборотов в секунду.