Скорость распространения гравитационных волн


По результатам всего трех экспериментов LIGO ученые определили, что скорость гравитационных волн лежит в интервале от 0,55 до 1,42 скоростей света. Статья опубликована в Physical Review Letters.

В Общей теории относительности скорость распространения гравитационных волн (как и вообще всех возмущений, переносящих информацию) ограничивается сверху скоростью света. С другой стороны, скорость гравитации должна хотя бы немного превышать скорость света, чтобы предотвратить гравитационное черенковское излучение (это странное явление теоретически предсказали в 2001 году). Кроме того, существует множество альтернативных теорий гравитации, в которых ее скорость может принимать самые неожиданные значения (впрочем, большинство ученых относится к этим теориям скептически). Поэтому очень важно точно измерить скорость гравитации.

Однако сделать это на данный момент сложно из-за небольшого количества экспериментальных данных.


ервые гравитационные волны были зарегистрированы в сентябре 2015 года коллаборацией LIGO. LIGO состоит из двух обсерваторий, одна из которых находится в Ливингстоне (штат Луизиана), а другая в Хэнфорде (штат Вашингтон). Основным элементом каждой обсерватории является модифицированный интерферометр Майкельсона, который может почувствовать изменение длины плеч при прохождении гравитационной волны. На момент подготовки статьи коллаборация зарегистрировала всего три гравитационных волны, испущенных при слиянии черных дыр.

Для получения ограничений на скорость ученые использовали тот факт, что обсерватории LIGO разнесены на три тысячи километров (что соответствует десяти световым миллисекундам), из-за чего сигналы регистрируются ими с небольшой разницей во времени. Эта задержка имеет некоторое распределение вероятности, зависящее от скорости гравитации. С помощью теоремы Байеса из него можно найти обратное распределение (скорости от задержки). Для априорного распределения скорости физики рассмотрели две гипотезы: равномерное распределение в интервалах от 0,01 до 100 и от 1 до 100 скоростей света. Ученые отмечают, что выбор какой-то одной гипотезы не должен сказаться на определении верхней границы.

Применив этот метод для данных трех измерений LIGO, физики получили распределение вероятности для скорости гравитационных волн. Оказалось, что с вероятностью девяносто процентов ее значение лежит в интервале от 0,55 до 1,42 скоростей света (от 1,0 до 1,4 в случае второй гипотезы).
кая низкая точность обусловлена небольшим количеством данных. При большем числе детекторов или большем числе измерений на LIGO можно было бы очертить интервал возможных значений гораздо точнее — например, использование данных всего пяти экспериментов сети LIGO-Virgo-Kagra обеспечило бы точность в один процент от скорости света.

Стоит заметить, что ограничения на скорость гравитации, полученные в данной статье, скоро будут значительно уточнены, поскольку в этот понедельник было объявлено об одновременной регистрации гравитационной волны и гамма-излучения от слияния двух нейтронных звезд. Разница во времени регистрации этих двух типов излучения составила около 1,7 секунд, а сами звезды находятся на расстоянии около 40 мегапарсек, что позволяет рассчитать возможное отклонение скорости гравитации от скорости света: отношение этих скоростей не может отличаться от единицы больше, чем на 3×10−15.

Тем не менее, статья ученых тоже представляет интерес, поскольку в ней они впервые установили нижнюю границу для скорости гравитации. Кроме того, при большем числе измерений разработанный ими подход позволит получить независимые оценки на скорость распространения гравитационных волн.

Подробнее о гравитационных волнах можно прочитать в наших материалах — «На гребне метрического тензора» и «За волной волна».


Дмитрий Трунин

Источник: nplus1.ru

В конце главы обсудим еще одну интересную проблему. ОТО включает две фундаментальных константы: гравитационную G и скорость света c. Присутствие первой из них очевидно и естественно – мы имеем дело с гравитационной теорией. Но скорость света – это скорость электромагнитного взаимодействия. А электромагнитное и гравитационное взаимодействия совершенно разной природы. Строго говоря, в ОТО должна быть другая константа – скорость распространения гравитационного взаимодействия, обозначим ее cg. Фактически Эйнштейн постулировал использование скорости света. Возможно, основанием для этого был принцип соответствия с СТО, где фигурирует как раз скорость света. Но это не выглядит убедительно. Если нет серьезных теоретических оснований, то этот факт нужно проверять. Этой проблемой занялся больше 10-ти лет назад научный тандем в составе нашего соотечественника (сейчас работающего в США, в университете Миссури-Коламбия), теоретика Сергея Копейкина и американского экспериментатора Эдварда Фомалонта из Национальной Астрономической Обсерватории, Шарлотсвилл, США. Мы коротко приведем их постановку задачи и результаты.


Представим, что Солнце внезапно исчезло из центра нашей Солнечной системы. Через какое время Земля почувствует его исчезновение? Для света все ясно: поскольку известна его скорость распространения, то оптически исчезновение Солнца обнаружится только через 8 мин 20 сек. Это время необходимо свету, чтобы преодолеть расстояние в одну астрономическую единицу (150 млн км), отделяющее нас от Солнца.

ОТО предсказывает точно такое же время и для исчезновения гравитационного притяжения Солнца на орбите Земли. В этом случае Земля продолжит движение по своей орбите в течение еще 8 мин 20 сек, а затем начнет двигаться по прямой линии, так как сигнал об исчезновении притяжения Солнца дойдет именно за это время. В отличие от ОТО, в теории Ньютона Земля мгновенно почувствует отсутствие Солнца. Но этим фантастическим способом невозможно экспериментально определить скорость распространения гравитационного взаимодействия.

Реальное явление – это некоторые гравитационные возмущения Солнца, связанные с его движениями относительно центра масс Солнечной системы. Однако центр Солнца расположен недалеко от центра масс всей Солнечной системы, и изменения гравитационного поля, вызываемые небольшими долговременными колебаниями положения Солнца относительно этой точки, пренебрежимо малы и недоступны для современных наблюдений. Скорость распространения гравитационного взаимодействия cg (скорость гравитации) можно измерить только в том случае, если гравитационное поле является переменным и эта переменность достаточно быстрая, чтобы возникли гравитационные релятивистские эффекты, доступные для современной измерительной техники.
и этом возможны два метода, один из которых основан на детектировании гравитационных волн и прямом измерении скорости их распространения, а второй – на измерении переменного гравитационного поля движущегося тела. Как мы уже знаем, пока гравитационные волны не зарегистрированы непосредственно. А вот вторая возможность оказалась перспективной.

Изложим идею эксперимента Копейкина-Фомалонта. Самым массивным телом в Солнечной системе, которое создает переменное гравитационное поле, является Юпитер. Для данного эксперимента его движение можно вполне считать прямолинейным и равномерным. Как на примере этой модели можно представить, что гравитационное взаимодействие передается с конечной скоростью? Если бы использовалась теория Ньютона, где скорость передачи гравитационного взаимодействия бесконечна, то эквипотенциальные («равно-силовые») поверхности, перемещались бы, как вмороженные, вместе с Юпитером, оставляя его в центре. Но поскольку скорость распространения конечна, то эквипотенциальные поверхности будут запаздывать. Механизм запаздывания показан на рис. 10.6. Пусть за время ?t информация о положении Юпитера в точке А переместилась до поверхности А?. Но за это же время Юпитер перейдет из точки А в точку В, то есть сместится из центра этой поверхности, и т. д.


Рис. 10.6. Отклонение радиоволны в переменном поле Юпитера

Теперь ясно, что для оценки скорости гравитационного взаимодействия, нужно оценить степень запаздывания. А для этого необходимо «поэкспериментировать» с переменным гравитационным полем Юпитера, анализируя излучение, проходящее рядом с ним. В качестве источника излучения был выбран радиоквазар за Юпитером, радиоволны от которого детектировались на Земле. Наблюдалось положение на небе квазара К? во время прохождения Юпитера и сравнивалось с его же положением К на «чистом» небе. Таким образом определялся угол ? отклонения радиоволн переменным гравитационным полем Юпитера.

Теперь предположим, что фундаментальная скорость, которая входит в ОТО – это не c, а независимая скорость распространения гравитационного взаимодействия cg. Какая бы скорость не использовалась, ОТО позволяет рассчитать теоретически переменное гравитационное поле движущегося Юпитера. Электромагнитная волна (фотоны), испущенные квазаром, движутся по геодезическим этого поля. Для определения геодезической существенными являются производные от метрики, которые для переменного гравитационного поля Юпитера характеризуются отношением V/cg, где V – скорость Юпитера. При анализе отклонения радиоволн от квазара рассматривались эффекты, связанные как раз с этим отношением. В пределах точности данного эксперимента было установлено, что скорость распространения гравитационного взаимодействия численно равна скорости света в вакууме, cg = c.


Провести аналогичный эксперимент в поле Солнца невозможно, поскольку оно статично, и уравнение его движения не содержит членов типа V/cg. Вспомним также о гравитационных волнах. В эксперименте Копейкина-Фомалонта речь шла о фундаментальной скорости в ОТО, как скорости передачи гравитационного взаимодействия cg, как бы не связанной с распространением волн. Однако уравнения ОТО устроены так, что гравитационные волны будут распространяться с той же скоростью. После эксперимента можно утверждать, что в пределах точности измерений эта скорость равна c.

Следующая глава >

Источник: fis.wikireading.ru

image

Одно из самых неожиданных предсказаний Общей теории относительности Эйнштейна – существование не только материи, излучения и других форм энергии, основанных на частицах, но также существование и самого по себе гравитационного излучения, фундаментальной «ряби» на ткани пространства-времени. Это одна из самых сложных для понимания концепций, и наш читатель хочет узнать больше на эту тему:


Гравитационные волны – это возмущения пространства-времени, путешествующие со скоростью с. Однако пространство-время может расширяться и сокращаться быстрее с. Но расширение, за которым следует сокращение, это, по сути, и есть определение компрессионной волны. Получается вроде бы парадокс: гравитационные волны перемещаются со скоростью с, но для них вроде бы существует возможность сверхсветового перемещения. Как его разрешить?

Для начала начнём с концепции этого излучения, и как оно появляется.

Скорость распространения гравитационных волн

В электромагнетизме, даже в классическом, есть только две вещи, необходимые для появления электромагнитного излучения: заряд и поле, через которое он двигается. Электрический заряд может быть положительным (как у протона) и отрицательным (как у электрона), и если он передвигается в магнитном поле, оно будет ускорять его, и закручивать, отправляя на циклическую или спиральную траекторию.

Чем сильнее поле, тем выше скорость, а чем больше отношение заряда к массе, тем больше и ускорение (или изменение движения).

Но в таких взаимодействиях должна сохраняться энергия и импульс, поэтому в электромагнетизме каждый раз, когда заряд ускоряется под действием внешнего поля, ему приходится испускать излучение. Оно проявляется в виде фотонов, и называется, в зависимости от способа возникновения, тормозным (нем. Bremsstrahlung), циклотронным или синхротронным излучением.


В ньютоновской физике никакого гравитационного излучения не было бы, но эйнштейновская ОТО всё меняет. У массивных источников – таких, как частицы – есть аналог гравитационного заряда, а искривлённое пространство – это аналог гравитационного поля. Каждый раз, когда массивная частица двигается в искривлённом пространстве, а оно может быть сильно искривлено рядом со звездой, белым карликом, нейтронной звездой или чёрной дырой, она будет испускать аналог электромагнитного излучения: гравитационное излучение.

Скорость распространения гравитационных волн

Эта новая форма излучения будет не фотоном или каким-то другим видом излучения, а гравитационной волной, распространяющейся в самой ткани пространства. Для массы порядка земной, вращающейся вокруг Солнца, гравитационное излучение оказывается так мало, что на заметное изменение орбиты должно уйти порядка 10140 возрастов Вселенной. Мы этого никогда не заметим. Но для систем с более крупными массами, меньшими расстояниями и более сильными полями последствия оказываются более серьёзными: для двойных пульсаров, движения по орбите вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики или сливающихся чёрных дыр. В таких случаях можно наблюдать уменьшение орбиты, и из-за необходимости сохранения энергии мы знаем, что что-то её уносит.


Скорость распространения гравитационных волн

Это и должно быть гравитационное излучение (оно же – гравитационные волны), и благодаря наблюдению за двойными пульсарами мы знаем, что скорость этого излучения должна равняться скорости света с точностью в 0,2%! Иначе говоря, волны двигаются сквозь пространство с той же скоростью, что и фотоны. Главное отличие в том, что в случае гравитационного излучения эти волны являются неотъемлемой частью самой ткани пространства.

Скорость распространения гравитационных волн

Так что же происходит, если эти волны, как описано в вопросе читателя, создаются не в статичном пространстве, а в расширяющейся Вселенной? Они растягиваются и подвергаются расширению точно так же, как фотоны.

Длина волны фотона, путешествующего в расширяющейся Вселенной, растягивается вместе с расширением пространства. Концентрация и энергия этих частиц уменьшаются, и хотя они всегда распространяются со скоростью света, расстояния между источником и наблюдателем увеличиваются. К примеру, в самом начале горячего Большого взрыва, 13,8 млрд лет назад, спустя всего 10-33 секунд после инфляции:
• Фотон, достигший нас сегодня, был бы всего в 100 метрах от нас 13,8 млрд лет назад.
• Он путешествовал бы 13,8 млрд лет, и прошёл бы 13,8 млрд световых лет по расширяющейся Вселенной, и его длина волны увеличилась бы на 28 порядков.
• Источник достигнувшего нас сегодня фотона находился бы на расстоянии в 46,1 млрд световых лет от нас.

Звучит безумно? Вот это же безумие происходит и с гравитационными волнами! Гравитационная рябь тоже должна распространяться по расширяющейся Вселенной, тоже перемещается в пространстве со скоростью света (расширяется оно или нет), и его длина волны растягивается так же, как у фотонов. Гравитационные волны «едут верхом» на ткани пространства так же, как водяные «едут верхом» по поверхности воды. Если вы уроните камень в реку, то рябь не просто будет распространяться наружу по радиусу. Она будет распространяться наружу, и одновременно её будет уносить течение реки.

Скорость распространения гравитационных волн

Примерно так же ведёт себя и гравитационная рябь на ткани пространства: волны перемещаются с такой скоростью, с какой они всегда перемещаются в среде – со скоростью света с – но иногда движется и среда. Это не значит, что они превышают скорость света, так же, как фотоны не превышают её, когда оказываются в 46 млрд световых лет от источника, от которого они начали свой путь 13,8 млрд лет назад. Гравитационные волны ведут себя так, как должны. Аналог со сжатием и расширением действительно очень хороший. Проходящая волна искажает ткань пространства, и все вещи и частицы в ней, растягивая и сжимая их определённым образом.

Но распространяется она по Вселенной со скоростью света и с учётом того, как ведёт себя сама ткань пространства: расширяется, сжимается, или остаётся статичной. В этом и разрешение парадокса: волны путешествуют со скоростью с, вне зависимости от того, что происходит со средой, через которую они проходят!

Источник: habr.com

Bong41 · 03-10-2016

dilettant, очень качественный ответ, браво.
Есть еще два момента, которыми можно характеризовать Гравитационное Взаимодействие, первое как "Гравитационный Карман" — это когда в определенной точке, которую вы обозначили как одну точку, Гравитационные силы так уравновешены, что точка находится в реальной невесомости по причине того, что она уравновешена гравитационными векторами, с массой практических способов использования таких карманов, вплоть до измерения скорости света, которая должна будет быть равна в любом таком кармане, независимо от того где он находится, кто знает, может быть даже в ЧД или рядом с ними. И второе это "Гравитационные вектора", это то, что скорей всего можно отнести к понятию Энергия, а для меня это процесс взаимодействия гравитирующих тел в результате которого сила Гравитационного Взаимодействия усиливается или ослабевает по отношению к каждому Гравитирующему объекту. Усиление порождает иллюзию массы или просто ее наличие, если Гравитационный Потенциал не меняется. Что касается энергии, то поразительно то, что изменение Гравитационных потенциалов провоцирует она же сама — Гравитация. Тот самый вечный двигатель. Поразительное поведение матери в мироздании, удивительно для меня такое наблюдать. Сложение Гравитационный векторов можно использовать информационно, поскольку Гравитация не распространяется даже мгновенно, она просто есть и между материей непрерывна, а значит неважно где находятся тела Гравитационный Вектор точно покажет где это, а сила укажет как далеко Гравитирующая Материя и ее размер, в отличии от получения информации через Кванты Света, которые в скорости ограничены и подвержены эффекту "линзования", то есть искажает.
На этом откланиваюсь, скорей всего на неделю, у вас светлая голова и очень хорошее понимание, наверняка у вас будет что добавить по этим вопросам.
Ровно десять лет назад в 2006 году начинал продвигать тему отсутствия Времени в физическом мире различными доступными мне способами. Буквально все крутили у виска. Даже в 2015 такое встречалось нередко, и вот в 2016 на удивление разум людей с легкостью стал это воспринимать.
Теперь попробую сделать все тоже самое с Пространством, точнее с его отсутствием в материальном мире, надеюсь на это не понадобится такой длительный период.
Нет Времени, нет Пространства, есть только Гравитирующая материя с потрясающим потенциалом к изменению и трансформациям.

Источник: www.AstroNews.ru

Если посмотреть на Солнце через 150 миллионов километров космоса, который разделяет наш мир от ближайшей звезды, свет, который вы видите, не показывает Солнце на текущий момент, а каким оно было 8 минут и 20 секунд назад. Это потому что свет движется не мгновенно (а со скоростью света, хаха): его скорость составляет 299 792,458 километра в секунду (подробности этого невероятного факта здесь). Именно такое время нужно свету, чтобы преодолеть путь от фотосферы Солнца до нашей планеты. Но силе тяжести не обязательно нужно вести себя так же; возможно, как предсказывала теория Ньютона, гравитационная сила представляет собой мгновенное явление и ощущается всеми объектами с массой во Вселенной, через все эти огромные космические расстояния, одновременно.

Гравитация

Так ли это в действительности? Если Солнце бы мгновенно исчезло, полетела бы Земля сразу же по прямой линии или же продолжила вращаться вокруг местоположения Солнца в течение еще 8 минут и 20 секунд? По общей теории относительности, ответ ближе ко второму варианту, поскольку не масса определяет гравитацию, а искривление пространства, которое определяется суммой всей материи и энергии в нем. Если бы Солнце исчезло, пространство стало бы не искривленным, а плоским, но эта трансформация была бы не мгновенной. Поскольку пространство-время — это ткань, переход стал бы неким «переливанием», которое отправило бы гигантскую рябь — гравитационные волны — через Вселенную, подобную ряби от брошенного в пруд камня.

Скорость этой ряби определяется так же, как и скорость всего остального в ОТО: ее энергией и массой. Поскольку гравитационные волны не обладают массой, но имеют конечную энергию, они должны двигаться со скоростью света. А это значит, что Земля притягивается не к тому месту, где находится в пространстве Солнце, а к тому, где оно было чуть больше восьми минут назад.

Если бы это была единственная разница между теориями гравитации Эйнштейна и Ньютона, мы немедленно заключили бы, что Эйнштейн ошибался. Орбиты планет так хорошо изучены и так точно и долго записывались (с конца 1500-х!), что если бы гравитация просто притягивала планеты к месту Солнца со скоростью света, предсказанные положения планет сильно не соответствовали бы их актуальному положению. Необходима блестящая логика, чтобы понять, что законы Ньютона требуют невероятной скорости гравитации такой точности, что если бы это было единственное ограничение, скорость гравитации должна была бы быть больше чем в 20 миллиардов раз быстрее скорости света.

Но в ОТО есть еще один кусок головоломки, который имеет большое значение: орбитальная скорость планеты по мере ее движения вокруг Солнца. Земля, например, тоже движется, «покачиваясь» на волнах гравитации и часто опускаясь не там, где поднималась. Налицо два эффекта: скорость каждого объекта влияет на то, как он испытывает силу гравитации, а с ней и изменения в гравитационных полях.

Но что особенно интересно, так это то, что изменения в гравитационном поле при конечной скорости гравитации и эффекты зависимых от скорости взаимодействий почти точно уравновешиваются. Именно неточность этого равновесия позволяет нам определить экспериментально, какая теория соответствует нашей Вселенной: ньютонова модель «бесконечной скорости гравитации» или эйнштейнова модель «скорость гравитации равна скорости света». В теории, мы знаем, что скорость гравитации должна соответствовать скорости света. Но гравитационная сила Солнца слишком слабая, чтобы измерить этот эффект. На самом деле, изменить его очень сложно, поскольку когда нечто движется с постоянной скоростью в постоянном гравитационном поле, никакого наблюдаемого эффекта нет вовсе. В идеале, нам нужна была бы система, в которой массивный объект движется с изменяющейся скорость через меняющееся гравитационное поле. Другими словами, нам нужна система, состоящая из тесной пары вращающихся наблюдаемых останков звезд, хотя бы одна из которых будет нейтронной.

По мере вращения нейтронных звезд, они пульсируют, и эти импульсы видны нам на Земле всякий раз, когда полюс нейтронной звезды проходит через нашу линию визирования. Предсказания теории гравитации Эйнштейна невероятно чувствительны к скорости света, так что с самого первого обнаружения бинарной системы пульсаров в 1980-х годах, PSR1913+16 (Халса-Тейлора), мы свели скорость гравитации до равной скорости света с погрешностью измерения всего в 0,2%.

Конечно, это непрямое измерение. Мы смогли осуществить косвенное измерение другого типа в 2002 году, когда в результате случайного совпадения Земля, Юпитер и очень мощный радиоквазар (QSO J0842+1835) выстроились на одну линию визирования. По мере движения Юпитера между Землей и квазаром, гравитационное искривление Юпитера позволило нам измерить скорость гравитации, исключить бесконечную скорость и определить, что она где-то между 2,55 х 108 и 3,81 х 108 метров в секунду, что полностью соответствует предсказаниям Эйнштейна.

В идеале, мы могли бы измерить скорость этой ряби напрямую за счет прямого обнаружения гравитационных волн. LIGO нашла первую такую, в конце концов. К сожалению, из-за нашей неспособности правильно триангулировать место рождения этих волн, мы не знаем, с какой стороны они пришли. Рассчитав дистанцию между двумя независимыми детекторами (в Вашингтоне и Луизиане) и измерив разницу во времени прибытия сигнала, мы можем определить, что скорость гравитации соответствует скорости света и определить самые жесткие ограничения по скорости.

Тем не менее, самые жесткие ограничения дают нам косвенные измерения от очень редких систем пульсаров. Лучшие результаты на настоящий момент говорят нам, что скорость гравитации между 2,993 х 108 и 3,003 х 108 метров в секунду, что прекрасно подтверждает ОТО и ужасно сказывается на альтернативных теориях гравитации (прости, Ньютон).

Источник: Hi-News.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.