«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
