Загрузил Марьям Дмитриева

гравитационные волны

Реклама
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ»
Факультет физико-математических и естественных наук
Институт физических исследований и технологий
Реферат по астрофизике на тему
« Гравитационные волны »
Выполнила студентка: Дмитриева М.
№ студенческого билета: 1032173334
Группа: НФ3бд-01-17
Проверил: доцент ИФИТ Биджан Саха
Москва
2020
Оглавление
Введение………………………………………………………………………...3
Глава 1. Гравитационные волны………………………………………………...4
Глава 2. LIGO …………………………………………………….…………........5
Глава 3. Черные дыры……………………………………………………………6
Заключение…………………………………………………………………...…8
Список использованных материалов………………………………………...…..9
2
Введение
Гравитационные волны возникают при столкновении двух объектов
огромных масс например нейтронных звезд или черных дыр.Под
возмущениями подразумевается колебание пространства-времени
На протяжении последнего столетия обнаружение гравитационных
волн для физиков представлялось достаточно сложной задачей. Сама идея
существования гравитационных волн напрямую следует из общей теории
относительности, которую вывел Альберт Эйнштей. Еще в 1915 году
Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн, вывел
что было предусмотрено общей теорией относительности (ОТО) . В ОТО
предлагалось новое понимание гравитации, при котором мажорную роль
занимает «пространство-время».
В 1974 американские астрофизики Джозеф Тейлор и Рассел Халс,
проводя совместные исследование обнаружили излучение двойной звездыпульсара PSR B1913+16, изучения орбит которой косвенно дали
подтверждение общей теории относительности, в дальнейшем возможность
излучения этой системой гравитационных волн.
Лишь в 2015 году учеными в LIGO (лазерно-интерферометрической
гравитационно-волновой обсерватории) впервые удалось зафиксировать
существование гравитационных волн. За это создателям первого в мире
прибора, способного регистрировать гравитационные волны, вручили
Нобелевскую премию по физике в 2017.Это открытие дает возможность
ученым астрономам новый способ наблюдения за Вселенной.
3
Глава 1. Гравитационные волны
Гравитационные волны — изменения гравитационного поля,
распространяющиеся подобно волнам. Излучаются движущимися массами,
но после излучения отрываются от них и существуют независимо от этих
масс. Математически связаны с возмущением метрики.
Гравитационную волну излучает любая материя, движущаяся с
асимметричным ускорением. Для возникновения волны существенной
амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и
огромные
ускорения,
амплитуда
гравитационной
волны
прямо
пропорциональна первой производной ускорения и массе генератора, то есть
𝑑𝑎
~𝑚 . (1)
𝑑𝑡
Скорость сближения тел:
Основные точные решения уравнений Эйнштейна для гравитационных волн
(2)
 Объёмные волны Бонди — Пирани — Робинсона
Если ввести переменную
уравнений ОТО получим уравнение
 Метрика Такено
имеет вид
 Метрика Розена
 Метрика Переса
4
и функцию
, то из
 Цилиндрические волны Эйнштейна — Розена
В цилиндрических координатах такие волны имеют вид
5
Глава 2. LIGO
Основная проблема в исследовании гравитационных волн заключается
в трудно ощутимых малых размеров, они растягивают и сжимают
пространство-время c коэффициентом 10−21 и могут быть описаны как
“рябь” пространства-времени. Чтобы обнаружить столь малые колебания
необходимо производить измерения на как можно больших расстояниях.
LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая
обсерватория) — это две обсерватории, одна из которых находится в городе
Ханфорд (штат Вашингтон), другая в городе Ливингстон (штат Луизина)
расстояние между которым около 3002 км. Представляет собой огромный
интерферометр Майкельсона-Морли. Несмотря на длину плеч
интерферометра в 4000 км, гравитационные волны изменяют длину лучей
максимум на 10−18 м. Гравитационная волна проходит это расстояние за
7 мс, поэтому два интерферометра во время прохождения волны уточняют
показатели друг друга.(5)
У каждой обсерватории есть два четырехкилометровых плеча,
исходящие из одной точки под прямым углом друг к другу. Внутри у них —
почти идеальный вакуум. В начале и в конце каждого плеча — сложная
система зеркал. Зеркала используют для минимизации влияния шумов среды
на ход эксперимента , масса зеркал составлякт 40 кг каждое, подвешены на
нитях из диоксида кремния (𝑆𝑖𝑂2 ) и являются самыми гладкими из
созданных. Мощность лазера в лучах 1 МВт.
Проходя через нашу планету, гравитационная волна чуть сжимает
пространство там, где проложен один рукав, и растягивает второй (без волны
длина рукавов строго одинакова). Из перекрестья плечей выпускают луч
лазера, разделяют его надвое и пускают отражаться по зеркалам; пройдя
свою дистанцию, лучи встречаются в перекрестье. Если это происходит
одновременно, значит, пространство-время спокойно. А если одному из
лучей потребовалось на прохождение плеча больше времени, чем другому —
значит, гравитационная волна удлинила его путь и сократила путь второго
луча.
За первой зарегистрированной волной последовали вторая, третья и
четвертая; последнюю зафиксировали не только детекторы LIGO. Четвертая
гравитационная волна, в отличие от трёх предыдущих, родилась не в
результате слияния чёрных дыр, а при взрыве нейтронной звезды.
6
Глава 3. Черные дыры
Интерферометр LIGO, на котором была зарегистрирована
гравитационная волна может работать как прибор для поиска черных дыр,
предоставить возможность выяснить как они распределены во
Вселенной,какие у них массы.
Чёрная дыра — область пространства-времени, гравитационное
притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже
объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света.
Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный
размер — гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически
симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда.(4)
Гравитационный радиус чёрной дыры массы M равен
,
где G — гравитационная постоянная, а c — скорость света.
Можно ввести понятие «средней плотности» чёрной дыры, поделив её
массу на «объём, заключённый под горизонтом событий»
3с6
𝜌=
32𝜋𝑀2 𝐺 3
Термодинамика чёрных дыр
Температура чёрной дыры
Энтропия чёрной дыры
, где A – площадь горизонта событий.
Время жизни черной дыры
1000 тонн испаряется за 84 секунды
7
Заключение
Теоретически существует возможность использовать гравитационные
волны для дальней беспроводной связи; этот принцип был запатентован
советским учёным В. А. Буниным в 1972 году.
Преимуществом гравитационно-волновой связи по сравнению с
радиосвязью является способность гравитационных волн проходить, почти
не поглощаясь, сквозь любые вещества, тогда как электромагнитные волны
сквозь электропроводящие среды (например, землю и морскую воду)
практически не проникают.
Работы в этом направлении велись в лабораториях СССР и в других
странах. Но на практике из-за трудностей генерации и детектирования
гравитационных волн, вызванных крайней малостью гравитационных сил,
гравитационно-волновую связь осуществить не удалось.
8
Список использованных материалов
1) В. Б. Брагинский, А. Г. Полнарёв. Гравитационные волны // Физическая
энциклопедия: [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская
энциклопедия (тт. 1—2); Большая Российская энциклопедия (тт. 3—5),
1988—1999;
2) В.Д. Захаров Гравитационные волны в теории тяготения Эйнштейна — М.:
Наука, 1972. — 201 c.//стр. 36-38
3) Эйнштейн А.. О гравитационных волнах. Über Gravitationswellen 1918 :
[пер. с нем.] Мир, 1919;
4) Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. — М.: Мир, 1977. Т. 3.— 519
с.// 92-95 c.
5) W. Clavin GW170104 Press Release: LIGO detects gravitational waves for third
time – // LIGO Caltech.
6) Observation of gravitational waves from a binary black hole merger LIGO
scientific collaboration. — //LIGO Scientific Collaboration and Virgo
Collaboration, 2016 — 16 с.//1-2 c.
5) https://scfh.ru/papers/gravitatsionnye-volny-chernye-dyry/
6)
https://www.popmech.ru/science/390252-nobelevskaya-premiya-po-fizike2017-gravitacionnye-volny/;
9
Скачать