Спросите Итана: почему свет прибыл на 1,7 секунды позже гравитационных волн при слиянии нейтронных звёзд?

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/10/28/ask-ethan-why-did-light-arrive-1-7-seconds-after-gravitational-waves-in-the-neutron-star-merger/
  • Перевод


Слияние двух нейтронных звёзд в представлении художника. Искажения решётки пространства-времени изображают гравитационные волны, испущенные при столкновении, а узкие лучи – это джеты гамма-излучения, выстреливающие через несколько секунд после гравитационных волн (астрономы видят их как вспышки гамма-лучей)

17 августа, после путешествия длительностью в 130 млн лет, сигнал в виде гравитационных волн от двух нейтронных звёзд, двигавшихся навстречу друг другу по спирали на последних этапах слияния, прибыл на Землю. После столкновения поверхностей двух звёзд сигнал резко завершился, и наступила тишина. И хотя эти останки звёзд диаметром, возможно, всего в 20 км, двигались со скоростью порядка 30% от световой, сразу после столкновения мы не увидели ничего. И только 1,7 с спустя прибыл первый сигнал: свет в виде гамма-лучей. Откуда задержка? Отличный вопрос, заданный нашим читателем:
Давайте обсудим важность разницы в 1,7 с между временем прибытия гравитационных волн и вспышки гамма-лучей во время последнего события с нейтронными звёздами.
Давайте посмотрим, что мы увидели, и попробуем понять, откуда берётся эта задержка.


Нейтронные звёзды во время слияния почти одновременно могут испускать гравитационные волны и электромагнитные сигналы. Но подробности слияния довольно туманны, и теоретические модели не совсем точно совпадают с наблюдениями.

Во время сближения нейтронных звёзд перед слиянием гравитационные волны становятся всё сильнее. В отличие от слияния чёрных дыр тут нет никакого горизонта событий и сингулярности в центре. У нейтронных звёзд существует твёрдая поверхность, на 90% состоящая из нейтронов, и на 10% — из ядер других атомов (и электронов), расположенных на поверхности. Предсказано, что при столкновении двух таких поверхностей должна происходить неконтролируемая ядерная реакция, в результате чего происходит:

  • Выброс огромного количества материи, во много раз превышающего по массе Юпитер.
  • Формирование центрального сколлапсировавшего объекта, скорее всего, чёрной дыры, причём всего через несколько сотен миллисекунд, если говорить о массах, задействованных в описываемом событии.
  • Ускорение и выброс материала, окружающего сливающиеся объекты.


Нам известно, что при слиянии двух нейтронных звёзд, симуляция чего изображена на картинке, они испускают джеты гамма-лучей и вызывают иные электромагнитные явления. Но на вопрос, почему гамма-всплеск произошёл через 1,7 с после гравитационного слияния, пока ещё не дано однозначного ответа.

Благодаря наблюдениям с более чем 70 телескопов и спутников в спектрах от гамма-излучения до радиоволн, мы теперь знаем, что именно в таких процессах и порождается большая часть тяжёлых элементов таблицы Менделеева. Мы знаем, что в результате слияния, скорее всего, появилась быстро вращающаяся нейтронная звезда, которая спустя долю секунды схлопнулась в чёрную дыру. И мы знаем, что первый электромагнитный сигнал этого слияния – высокоэнергетические гамма-лучи – прибыли через 1,7 с после окончания гравитационных сигналов. На временной шкале в 130 млн лет это означает, что скорости гравитационных волн и света равны с погрешностью в 10-15.


В последние моменты слияния две нейтронных звезды не просто излучают гравитационные волны, но и претерпевают катастрофический взрыв, отзывающийся по всему электромагнитному спектру. Разница в прибытии между светом и гравитационными волнами позволяет нам многое узнать о Вселенной.

Но почему гамма-лучи опоздали? Почему они не пришли в то же самое время, что и гравитационные волны? Есть два возможных варианта:

  1. Гамма-лучи были испущены через 1,7 с после первого контакта поверхностей нейтронных звёзд.
  2. Гамма-лучи были испущены почти сразу, но задержались при прохождении окружающей место событий материи.

Подвох в том, что истинный ответ может оказаться комбинацией обоих факторов или маловероятной альтернативой, включающей экзотическую физику (небольшое отличие в скорости гравитационных и электромагнитных волн). Давайте посмотрим, как могли разыгрываться оба варианта.


Во время сближения по спирали и слияния двух нейтронных звёзд должен происходить выход огромного количества энергии, а также появление тяжёлых элементов, гравитационных волн и электромагнитных сигналов

Задержка в появлении гамма-излучения: когда сталкиваются две нейтронные звезды, они испускают гамма-лучи. Ведущей теорией на протяжении уже 20 лет по поводу появления в небе коротких вспышек гамма-излучения было столкновение нейтронных звёзд – и эта теория получила потрясающее подтверждение при наблюдении события GW170817. Но где именно появляются гамма-лучи?

  • На поверхности нейтронных звёзд.
  • Из-за столкновения выброшенной материи с окружающей материей.
  • В ядрах нейтронных звёзд.

Если верен какой-то из двух последних вариантов, тогда гамма-лучи должны были задержаться. На слияние, выброс материала, столкновение его с окружающей материей, испускание высокоэнергетической материей гамма-лучей – на всё это требуется время. Если материя расположена на значительном расстоянии от нейтронной звезды, например, в десятках или сотнях тысяч километров, это весьма просто объяснило бы задержку.


Если же гамма-лучи появляются не на поверхности, а внутри сталкивающихся нейтронных звёзд, задержка тоже должна быть, поскольку свету потребуется время на то, чтобы преодолеть толщу звезды и выйти на поверхность. Гравитационные волны не задерживаются при проходе через плотную материю, а свет задерживается. Это было бы очень похоже на наши наблюдения за сверхновой в 1987 г, когда нейтрино (не задерживающиеся при прохождении сквозь материю) прибыли за четыре часа до первого светового сигнала, поскольку свет задержался, проходя сквозь большое количество материи. Любое из этих объяснений может стать причиной задержки гамма-лучей.


Быстрая вспышка гамма-лучей, причиной которой давно считается слияние нейтронных звёзд. Богатое газом окружение может задерживать прибытие сигнала.

Мгновенное испускание, но задержка в прибытии: другой основной вариант. Даже если гамма-лучи испускаются стразу же, им необходимо пройти через богатое материей окружение нейтронной звезды. А оно будет богато материей, поскольку из-за очень большой скорости движения нейтронных звёзд и огромных магнитных полей, испускаемых ими, материал обязательно будет выброшен в космос во время их сближения и слияния. Их совместный танец длится очень долго, поэтому вокруг них должно собираться много материи, через которую свет должен пройти перед тем, как дойдёт до наших глаз. Достаточно ли там материи для того, чтобы задержать свет на 1,7 с? Её может быть столько – и это ещё один из главных вариантов.


Пульсар в Парусах, как и все пульсары, представляет собой пример трупа нейтронной звезды. Довольно часто её таким образом окружают газ и материя, и вещество, окружающее нейтронные звёзды, участвовавшие в GW170817, могут отвечать за задержку света.

Чтобы получить правильный ответ, необходимо изучить варианты событий для разных сочетаний масс: общая масса до 2,5 солнечных (в результате чего вы получаете стабильную нейтронную звезду); от 2,5 до 3 солнечных масс (как в том событии, что мы видели – временно возникает нейтронная звезда, превращающаяся затем в чёрную дыру); свыше 3 солнечных масс (сразу возникает чёрная дыра); а также измерить световые сигналы. Мы сможем узнать больше, если заранее определим начало фазы спирального сближения и сможем направить инструменты в нужную точку за какое-то время перед слиянием. Поскольку LIGO/Virgo и другие детекторы гравитационных волн заработали и стали более чувствительными, эти действия будут получаться у нас всё лучше и лучше.


Остатки сверхновой 1987а, расположенной в Большом Магеллановом облаке в 165 000 световых лет. То, что нейтрино прибыли за много часов перед первым световым сигналом, больше рассказало нам о времени, которое требуется свету для проникновения слоёв сверхновой, чем о скорости движения нейтрино, неотличимой от скорости света

Экзотические идеи, вроде разных скоростей у гравитации и света, для объяснения этого наблюдения совершенно не нужны. Задержку в 1,7 с можно объяснить, используя несколько идей, не отходящих от традиционной физики. Гравитационные волны просто проходят через материю без сопротивления, а свет взаимодействует с ней, будучи электромагнитной волной, и это может привести к совершенно различным результатам. По сравнению со сверхновыми, порождающие гамма-лучи нейтронные звёзды крохотные, поэтому для полного и точного описания этого эффекта необходимо будет хорошо разобраться в том, как проходит этот катаклизм на очень малых временных промежутках. Теоретики наперегонки стремятся понять происходящее, данные у нас уже есть. И следующее подобное событие может всё поменять.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 92
    +5
    свыше 3 солнечных масс (сразу возникает чёрная дыра);

    Ну справедливости ради, ЧД возникает все равно не сразу, сначала формируется большая нейтронная звезда, только очень неустойчивая, и она уже коллапсирует в ЧД. Весь процесс очень быстрый, но его динамика очень интересна: тк большая нейтронная звезда будет сильно несимметрична, то и коллапс может быть несимметричным, и ЧД получится тоже любопытная. Когда LIGO будет более чувствительна к ГВ от колебаний ЧД после слияния (на высоких частотах), можно будет эту интересную физику проверять.

      0
      Но почему гамма-лучи опоздали? Почему они не пришли в то же самое время, что и гравитационные волны? Есть два возможных варианта:
      1. Гамма-лучи были испущены через 1,7 с после первого контакта поверхностей нейтронных звёзд.
      2. Гамма-лучи были испущены почти сразу, но задержались при прохождении окружающей место событий материи.
      3. Скорость света в физическом вакууме немного меньше с (см. Эффект Шарнхорста). Если скорость гравитационных волн равна c, то на миллионах световых лет может накопиться пара секунд.
        +1

        Не получится, во-первых, эффект Шарнхорста работает только в небольшом пространстве между двумя пластинами (его суть сродни эффекту Казимира), в открытом пространстве он не работает. Во-вторых, свет в таком случае не замедляется, а ускоряется.

          0
          В том то и дело, что в физическом вакууме (где естественно отсутствует эффект Шарнхорста) скорость света получается немного меньше c, поэтому гамма лучи приходят немного позже гравитационных волн, скорость распространения которых равна c.
            +1

            Я не имел ввиду, что замедления не может происходить. Просто эффект Шарнхорста тут не к месту, а ссылаться надо на поляризации вакуума тогда уж. Кстати, в некоторых статьях оцениваются порядки замедления до нескольких часов на сотнях световых лет.

              –1
              Поскольку в данном случае разница не несколько часов, а «всего лишь» 1.7 секунды, то либо скорость света в физическом вакууме все же намного ближе к «c» (и вполне может объяснять данную задержку), либо точно равна «c» (и тогда задержка должна объясняться другими причинами).
                0

                Да, я думаю, пока есть объяснения гораздо проще и логичнее — как в статье описаны, ни к чему лезть в поляризацию вакуума, уж больно непонятно, как сделать адекватные оценки.

              –1
              Не получается она немного меньше с, потому что с — это и есть скорость света в вакууме. По самому определению константы с.

              Причем не каком-то гипотетическом идеальном(где нет не только обычных частиц материи, но даже виртуальных частиц), а имеющемся в нашей конкретной вселенной — физическом вакууме.
          0

          del

            +3
            Вроде ж свет отклоняется за счет гравитации? Вблизи взрыва наверняка было много материи, или гравитационных аномалий. Следовательно пока свет дошел до нас, он отклонялся множество раз и в итоге его путь был длинней, чем у гравитационных волн, вот вам и задержка.
            Не знаю, правда, насколько это справедливо для гамма-лучей.
              0
              Свет отклоняется, но и сами грав. волны тоже. Т.к. суть эффекта не реальное отклонение («притяжение» света к массивному объекту), а искривление самого пространства-времени по которому проходит волна. И с этой точки зрения не важно какая это именно волна (электромагнитная = свет или гравитационная).

              Поэтому все подобные задержки должны быть одинаковы и для света и ГВ.
                0
                Свет шел по практически той же траектории, что и грав. волна, если не считать некоторой очень малой области вокруг точки слияния объектов (для случая нейтронных звезд эта область может быть вообще 0, но там кажется таки образовалась ЧД, так что будет чуть выше 0).
                Если все же рассматривать грав. волны от слияния ЧД, то там в хотя бы какой-то области пространства строго говорить о «скорость распространения грав. волны = скорость распространения ЭМ излучения» не совсем можно. Правда там эффект никак не тянет на 1.7 секунды, так как за радиусом 1 св. секунда искажения метрики уже будут менее 0.1 (а для нейтронных звезд — ещё меньше). Но где эти искажения есть — там все чуть сложнее с метрикой (фактически скорость движения волны очень слабо модулируется самой волной).
                –1
                Возможно наивно, но выскажу свое предположение. Насколько известно, свет не в состоянии преодолеть горизонт событий черной дыры, из-за высокой гравитации. В описанном процессе при слиянии образуется объект с массой близкой к ЧД. Почему бы не допустить, что излученный свет на начальной стадии просто тормозится гравитационным полем объекта, полученного при слиянии? А гравитационная волна не подвержена такому влиянию…
                  +1
                  А гравитационная волна не подвержена такому влиянию…

                  Гравитационная волна ведет себя в гравитационном поле ровно так же, как и свет. То есть, если свет "тормозится" (хотя он не тормозится на самом деле, конечно), то ГВ тоже будет "тормозиться" в той же мере.

                    0
                    Гравитационная волна ведет себя в гравитационном поле ровно так же, как и свет.

                    Любопытно, а на чем основано подобное заявление? Я конечно чайник, в таких вопросах, но вроде бы это сущности весьма разной природы…
                      +2

                      В принципе, это прямое следствие ОТО. Вся "гравитация" — это просто следование объектом кривизне пространства-времени. И свет и ГВ следуют этой кривизне, и, так как распространяются со скоростью света и не имеют массы, испытывают те же эффекты.

                        –1
                        не имеют массы

                        Фотон же вроде имеет массу, хоть и маленькую? А ГВ кажется нет, я это и имел ввиду, говоря об их разной природе. «Тормозится» свет конечно не буквально, скорее изменяется его траектория, а траектория волны остается неизменной. В любом случае благодарю за разъяснения ))
                          +1
                          Фотон же вроде имеет массу, хоть и маленькую?

                          Ну что вы, нет, ровно ноль. Равно как и у ГВ. Поэтому и разницы у них нет. И разницы в траекториях тоже.

                            0
                            Фотон имеет только энергию.
                            На самом деле фотоны гипотетически даже могут сколлапсировать в ЧД, но при этом они имеют нулевую массу.
                        0
                        Емнип, Иваненко с Сарданашвили писали что нет, гравволны между собой взаимодействуют очень сложно и не так, как свет.
                          +1

                          Тут, наверное, надо договориться об уровне обсуждения:) Для ответа на поставленный вопрос взаимодействие ГВ не принципиально. С другой стороны, если считать честно (я не знаю, к какой работе вы отсылаете, но по логике) в сильных полях будут всякие нелинейные эффекты, и взаимодействие двух мультипольных волн будет гораздо сложнее, чем просто для света. Но я замечу, что ГВ обычно определяются в дипольном приближении — то есть на большом расстоянии от источника, в практически плоском пространстве. Все, что вблизи ЧД — не совсем ГВ:)

                            +1
                            Уровень обсуждения «популярный»), работа, внезапно, «Гравитация» — это такой учебник для интересующихся ОТО не-физиков. С блэкджеком и тензорами, но очень доступно разжёванными.
                              +1

                              Про уровень я скорее имел ввиду, что для ответа на вопрос о скорости убегания ГВ от ЧД по сравнению со светом, подробности образования этих самых волн в сильном поле не так важны. Конечно, там ад и хаос у горизонта, и взаимодействие, и все такое, но в итоге на отдалении образовавшаяся волна все равно убегает одновременно со светом (в идеале).
                              А учебник гляну, спасибо, как-то я не знал про него!

                                0
                                Вы о MTW?
                                  0
                                  Нет, про Иваненко с Сарданашвили
                          0
                          Свет не тормозится гравитацией, вместо этого он меняет длину волны, и следует траектории кривизны пространства, порождаемой массивным объектом. Но то, что траектория «кривая», не значит, что свет проделывает больший путь. Он всегда движется по прямой, просто при такой кривизне пространства, прямая может быть изогнутой.

                          Как пример, можно взять листик, нарисовать на нем прямую, а потом согнуть его. Прямая не поменяет свою длину от этого, но визуально станет кривой.
                          0
                          А у меня вот какой вопрос. немного не по топику, но я его не понимаю. Всем известно, что при большом взрыве было очень быстрое расширение материи. Быстрее чем скорости света. но в природе нет ничео быстрее скорости света. Как такое возможно?
                            0
                            del
                              +1
                              Потому что расширялось само пространство. Представьте, что муравей может бежать по простыне максимум 5 см/сек. Но если мы начнем растягивать простыню с бегущим по ней муравьем, то относительно какого-нибудь отдаленного ее края муравей будет двигаться уже со скоростью 10 см/сек.
                                0
                                Расширения материи не было — взрыв был везде. Представьте емкость с нащиными парами бензина. Так вот если рассматривать пространство внутри емкости, то взрыв везде. Этот взрыв еще продолжается, следствием доказательства является увеличение скорости разлетания галактик.
                                0
                                Всем известно, что при большом взрыве было очень быстрое расширение материи.

                                Было быстрое расширение пространства. А материя просто "вморожена" в пространство.
                                Поэтому взаимная скорость удаления двух точек пространства (двух кусков материи) может превышать скорость света.
                                И сейчас все, что дальше от нас, чем 14 млрд. световых лет убегает от нас со сверхсветовой скоростью

                                  0

                                  А свет все эти 130 млн. лет шел исключительно по вакууму и не встретил ни единого атома?
                                  Сколько материи(и какой плотности) нужно иметь на отрезке в 130 млн. световых лет, что бы задержать свет на 1.7 секунды?

                                    0
                                    Сколько материи(и какой плотности) нужно иметь на отрезке в 130 млн. световых лет, что бы задержать свет на 1.7 секунды?

                                    никто не утверждает, что задержка случилась в пути, это скорее всего особенности локальной генерации в момент слияния

                                      0
                                      А почему она не может случиться в пути? На дистанциях в мегапарсеки области межзвездного газа имеют параметры среды, в том числе и свою собственную скорость света в среде. И я не вижу причин, по которым она не могла оказаться достаточно отличной от скорости света в абсолютном вакууме (== скорости движения гравитационных волн), чтобы за столько миллионов лет свет набрал отставание в 1.7 секунды.
                                        +1

                                        Логика такая: гамма лучи обладают очень малой длиной волны, по сути, это единичные фотоны, так что им надо попасть точно в атом вещества, чтобы "задержаться". Средняя плотность межзведного пространства очень мала — всего несколько десятков атомов на кубометр. Поэтому даже если один фотон в пучке встретил атом вещества, другие — чисто по вероятности — нет, так что мы видим не задержку пучка, а небольшие потери. Максимум же фотонов все равно пройдет без задержек. Чтобы большинство фотонов в пучке приобрели задержку, на пути нужно было бы очень плотное облако газа, но тогда мы бы увидели его в телескоп, чего нет. Отсюда вывод: между нами и источником средняя плотность вещества очень мала, так что для гамма лучей она не может служить источником задержки.

                                          0
                                          гамма лучи обладают очень малой длиной волны, по сути, это единичные фотоны, так что им надо попасть точно в атом вещества, чтобы «задержаться».

                                          Уменьшение скорости света в среде (например, в стекле) происходит вовсе не из-за рассеяния фотонов на отдельных атомах. Если бы это было так, фотоны бы меняли свой импульс случайным образом, теряли бы когерентность, и мы бы видели расплывающиеся изображения, и опыты с передачей запутанных состояний через оптоволокно были бы невозможны. На деле же фотоны сохраняют свой импульс (или меняют его строго детерминированно), не теряют когерентность.

                                          Фазовая скорость меняется из-за взаимодействия фотонов с коллективным э-м полем всех атомов среды и, которое привязано к массам этих атомов и поэтому вносит задержку. Или, в классическом описании, если межзвёздная среда имеет диэлектрическую, отличающуюся от вакуумной, то замедлятся все фотоны. Правда, в таком случае должна наблюдаться небольшая дисперсия.
                                            0
                                            В твердом теле действительно фотоны могут рассеиваться на фононах, а не на отдельных атомах. Про жидкости и газы я с такой точки зрения не скажу, а в 2-мерном проводнике фотоны могут соединяться с экситонами. И вот там как раз может приобретаться когерентность.
                                              0

                                              Все правильно, для обычного света. Я же пишу про гамма-кванты, для которых все вами описанное не очень работает.

                                                0
                                                Гамма-кванты — это тоже э-м излучение, и зависимость скорости света от диэлектрической проницаемости среды у них такая же. Чтобы получить отличие в скорости порядка 10e-15, достаточно, чтобы проницаемость межзвёздной среды отличалась от вакуумной всего на 10e-30.
                                                  0

                                                  Я не уверен, что вы правы. Я не думаю, что можно корректно определить коэффициент преломления среды для гамма-квантов. Просто потому что механизм замедления на микроскопическом уровне связан с резонансным возбуждением электронов на орбитах атомов с последующим переизлучением фотонов, которые вносят свой вклад в фазу коллективной ЭМ волны.
                                                  Гамма кванты обладают слишком малой длиной волны, чтобы такой процесс мог иметь место, поэтому для них коэффициент преломления всегда 1. Кроме того, для них сложно определить ЭМ волну как таковую, это просто поток одиночных фотонов.
                                                  Кстати, тут есть эксперимент, где в очень специальных условиях смогли наблюдать небольшие отличия. Но во-первых, у них нет объяснения этому, а во-вторых, это очень специальные условия.

                                                    0
                                                    с последующим переизлучением фотонов, которые вносят свой вклад в фазу коллективной ЭМ волны.

                                                    В каком смысле «коллективной ЭМ волны»? Разве отдельные [оптические] фотоны не замедляются и не преломляются точно так же, как и пучок? Мне странно, что вы как-то особенно выделяете «одиночные фотоны», словно их поведение отличается от непрерывного излучения. Гамма-квант — это точно такая же плоская э-м волна с бесконечно широким фронтом, просто сечение взаимодействия сильно меньше.

                                                    с последующим переизлучением фотонов, которые вносят свой вклад в фазу коллективной ЭМ волны.

                                                    Дополнение: виртуальных фотонов (или, например, фононов). Иначе одиночные фотоны всегда бы либо рассеивались, либо проходили без преломления. Это довольно тонкий момент, многие ошибочно считают, что замедление света происходит от того, что каждый фотон в веществе реально постоянно поглощается и переизлучается, и поэтому теряет темп, а это не так — каждый фотон проходит «как есть» без реального взаимодействия, но одно только наличие ненулевой вероятности провзаимодействовать с веществом меняет его волновую функцию.

                                                    механизм замедления на микроскопическом уровне связан с резонансным возбуждением электронов на орбитах атомов

                                                    На самом деле, достаточно наличия любых систем электрических зарядов, способных к поляризации с подходящей резонансной частотой. Как упомянуто в статье по ссылке, поляризация атомных ядер тоже может играть роль, частоты там как раз подходящие — гамма-кванты ядрами же и испускаются. Чтобы получить требуемое запаздывание, достаточно показателя преломления равного не строго 1, а 1.0 + 1e-15, это отличие на 6 порядков меньше того, что намеряли в статье. Не могу так сходу сказать, что это совершенно невероятно.
                                                      0
                                                      Мне странно, что вы как-то особенно выделяете «одиночные фотоны», словно их поведение отличается от непрерывного излучения.

                                                      Выделяется, потому что мы говорим не о большой статистике одиночных фотонов, а о физически одиночном фотоне. Там он реально "либо поглощается, либо нет". То, что вы считаете интерференцию волновой функции, для одного фотона это просто вероятности.


                                                      Не могу так сходу сказать, что это совершенно невероятно.

                                                      Да, тут я тоже не скажу, честно говоря, я нашел эту статью только что, до этого был уверен, что гамма излучение не замедляется в обычном веществе.

                                                        0
                                                        о физически одиночном фотоне. Там он реально «либо поглощается, либо нет»

                                                        Т.е. по-вашему, если пропускать через призму по одному фотону в секунду, чтобы убрать взаимодействие фотонов в пучке, то мы увидим что они ведут себя как частицы и не преломляются?
                                                          0

                                                          Почему, мы на выходе получим распределение вероятности получить преломление или нет. Если повторить это много раз — получим реальную картину "преломления". Для одиночного фотона получим все в соответствии с распределением вероятности, то бишь, может и не преломиться.

                                                            0
                                                            Но если нет пучка, то нет и «коллективной ЭМ волны», а только один-единственный фотон, чья волновая функция интерферирует сама с собой, т.е. со всеми вероятностями рассеяться/пролететь сразу. Это отличается от простого распределения «рассеяться/пролететь», так же как отличаются вероятности в двухщелевом эксперименте.
                                                              0

                                                              Разве я с этим спорю? Но равно как в двухщелевом эксперименте, результат зависит от длины волны. Там, если длина волны сильно меньше расстояния между щелями и ширины щелей, интерференции вы не увидите. Тут ровно то же.

                                                                0
                                                                Интерференции Вы не увидете, если не будете точно измерять поле волны. Если щель имеет ширину d приблизительно = lambda, а расстояние между ними много больше — D, то наверное для интерференции нужно будет измерить все поле на расстоянии D^2/d от каждой щели (в смысле 2 цилиндра, если у нас щели бесконечно длинные).
                                                                  0

                                                                  Я говорил о lambda << d, D. В таком случае никакой интерференции вы не увидите.

                                                                    0
                                                                    Вы увидите, если Ваш источник света обеспечивает очень узкий спектр (dlambda) при сохранении когерентности фотонов друг с другом.
                                                                    Тут в моих терминах потребуется условие D^2/d << lambda^2/dlambda.
                                                                      0

                                                                      Тут вы правы, просто это уже несколько за пределами аналогии:) Начинали-то с гамма лучей.

                                                                        0
                                                                        Ну тогда нужны «суперкогернтные гамма лучи» и возможность измерить ЭМ поле на расстоянии 0.1 ангстрем от «щели», а сама щель — 3-4 нм шириной. Но проблема в том, что нет такого вещества, которое на шаге дискретности 3-4 нм обеспечивало бы переход от уровня «гамма-квант проходит» до уровня «квант поглощается/отражается».
                                                                          0

                                                                          Так вроде я к тому и вел с самого начала.

                                                            0
                                                            Есть ещё более страшная тайна — при попытке изучать скажем интерференцию при точно известном числе фотонов n в каждом их пучков мы можем получить произвольную картину, так как есть даже вариант неопределенности порядка (d phy)* dn>=2*pi.
                                        0
                                        Гравитационные волны просто проходят через материю без сопротивления

                                        не противоречит ли это утверждение самой возможности их регистрировать?
                                          0
                                          Нет, не противоречит. Обычные волны на море проходят сквозь буйки, не встречая сопротивления. Но по колебанию буйков — мы можем их наблюдать и измерять. Собственно, гравитационные волны наблюдаются примерно по тому же принципу — по сравнению колебаний «буйков» с зеркалами на них.
                                            0
                                            Все равно Ваш ответ несколько непонятен. Волна, поднимая буй теряет энергию, поскольку взаимодействует с ним.
                                            В космосе же полно объектов, масса которых сопоставима с явлением слияния двух звёзд, а до нас доходит именно волна, а не шум от нее.
                                              0
                                              Все равно Ваш ответ несколько непонятен. Волна, поднимая буй теряет энергию, поскольку взаимодействует с ним.
                                              В космосе же полно объектов, масса которых сопоставима с явлением слияния двух звёзд, а до нас доходит именно волна, а не шум от нее.

                                              насколько я помню затухания ГВ в материи мизерны и касаются только сплошных твердых сред, то есть если я правильно понимаю при прохождении ГВ грубо говоря через протяженный длинный стержень он будет деформироваться и получается, что чуть — чуть :))) нагреваться

                                                +2

                                                Волна, поднимая буй, теряет энергию, так как буй находится в поле гравитации, и для его поднятия нужно выполнить работу. Для смещения зеркал (т.е. растяжение пространства) работы выполнять не надо в идеале, так что энергия не теряется. В реальности зеркала подвешены на нитях, и вообще не точечные объекты, так что всегда есть небольшое трение, которое ГВ должна преодолеть, так что она немного затухает.


                                                В космосе плотность материи очень мала, при прохождении через облака газа, например, затухания фактически нет. Если волна проходит через звезду — она теряет немного энергии на колебание звезды. Только на прямой от источника ГВ до нас не так много звезд, чтобы это могло значительно повлиять на амплитуду.

                                                  0
                                                  Волна, поднимая буй теряет энергию, поскольку взаимодействует с ним.

                                                  Она бы теряла энергию, если бы после прохождения волны буй оставался бы в приподнятом состоянии. Но буй опускается и отдаёт энергию обратно.
                                                    0

                                                    Тут сложный вопрос… В принципе, вы правы, энергия будет отдана. С другой стороны, с учетом реального физического механизма, эта энергия будет отдана не в волну, а некогерентно в воду. В общем, я не уверен, что эта аналогия может быть продолжена адекватно без рассмотрения конкретного физического механизма.

                                                      0
                                                      По поводу аналогий. Насколько я знаю, проще всего рассматривать грав. волны как квадрупольное излучение — собственно от факта вращения 2 массивных тел по некруговой орбите с периодом T (давно измеренный эффект: уменьшение периода вращения < — сближение двойного пульсара < — потеря энергии < — предполагаем излучение энергии в виде грав. волн).
                                                      С другой точки зрения — у грав. волн в теории есть 2 поляризации, соответствующие разным проекциям спина гравитона (по аналогии с правой и левой круговой у ЭМ волн).
                                                      Правда гравитон ещё никто не открыл, так что не понятно, насколько наблюдаемые данные об грав. волнах подтверждают теорию о спине и существовании гравитона.
                                                        0

                                                        Хм, я не очень понял связь с дискуссией. Но квадрупольное излучение — это не аналогия, а прямая математика, и именно на этом основан метод наблюдения.


                                                        И поляризации мы тоже вполне можем наблюдать, для этого гравитон не нужен вообще.


                                                        Что до гравитона в принципе — наблюдения ГВ не смогут дать ответ о его существовании никак. Я не думаю, что мы сможем когда-либо наблюдать одиночные гравитоны (если они вообще есть), а проверять квантование гравитации может иметь смысл в других экспериментах опосредованно (с запутанными частицами и тп).

                                                          0
                                                          Почитал текущую версию из ОТО с Википедии:
                                                          Слабая (линейная) гравитационная волна… является поперечной, квадрупольной и описывается двумя независимыми компонентами, расположенными под углом 45° друг к другу (имеет два направления поляризации).

                                                          И перевод из английской версии — если бы открыли частицу, то она была бы гравитоном:
                                                          Можно показать, что любое безмассовое поле спина-2 будет приводить к силе, неотличимой от гравитации, потому что безмассовое поле спина-2 должно соединяться (взаимодействовать) с тензором энергии-импульса так же, как это делает гравитационное поле; поэтому, если бы была обнаружена безмассовая спин-2-частица, она, скорее всего, была бы гравитоном без дальнейшего отличия от других безмассовых частиц спина-2.

                                                          А вот наоборот наверное нельзя утверждать.
                                                            0

                                                            Да, это верно. Проблема в том, что для существования гравитона нужно уметь квантовать гравитацию, а вот этого-то мы не можем сделать. То есть, мы можем сказать, что если бы мы нашли такую частицу, она была бы гравитоном. Но это просто постулат о некоторых ее свойствах. Как она должна взаимодействовать с другими частицами и возникать в уравнениях ОТО — совершенно непонятно.

                                                              0
                                                              А с квантовой гравитацией 2 проблемы:
                                                              1. Как найти гравитон (условно говоря — слишком слабо взаимодействует с эл. частицами массой меньше Планковской)?
                                                              2. Как вообще объединить её с ОТО — кроме того утверждения из Википедии не знаю ничего об успешных попытка ввести квантовую теорию в гравитацию. Это пробует сделать уже 40 лет теория струн, но за первые 10 лет видимо разрабатывали не самую лучшую теорию.
                                                                +1
                                                                не знаю ничего об успешных попытка ввести квантовую теорию в гравитацию.

                                                                А их и нет, даже близко ничего. Я вообще думаю гравитация совсем не должна квантоваться.


                                                                Это пробует сделать уже 40 лет теория струн

                                                                Теория струн вообще к физике отношения не имеет никакого, это чисто игра в бисер.

                                                                  0
                                                                  Если гравитация не квантуется (в отличии от 3-4 других взаимодействий), значит дальше теории Великого объединения никакая теория не работает. Правда и теорию В.о. проверить никакой возможности нет. Только считать очень точные поправки к константе взаимодействия и пробовать найти отличия, предсказанные этой теорией, на LHC.
                                                                  А с суперструнами есть проблема — собственно никакой суперсимметрии на доступном масштабе энергий частиц не видно.
                                                                    +1
                                                                    Если гравитация не квантуется (в отличии от 3-4 других взаимодействий), значит дальше теории Великого объединения никакая теория не работает.

                                                                    Тут надо различать предпосылки квантования гравитации. Большая часть теорий сейчас работает только в настоящем, для объяснения поведения квантовых массивных объектов под действием гравитации. Эти теории в целом не обязательно направлены на ВО, это другая задача.


                                                                    А с суперструнами есть проблема

                                                                    Основная их проблема гораздо фундаментальнее — в ландшафте, который, по крайней мере на мой взгляд, ставит крест на теории как на области физики, и относит ее к абстрактной математике.

                                                                      0
                                                                      Нам нужна теория гравитационного поля квантовая. Попытка впихнуть обычное уравнение Дирака в грав. поле в форме искривления ПВ по ОТО — тоже была бы полезна, но может оказаться ложным путем (без решения задачи о теории поля).
                                                                      По поводу ландшафта повторю — нам нужно не просто «подобрать вариант с некоторыми параметрами СМ», а подобрать вариант, объясняющий все параметры (в пределах точности эксперимента) и ещё предсказать что-то поверх.
                                                                      Под предсказать следует иметь в виду такие задачи:
                                                                      1. Из менее 9 свободных параметров предсказать массы 9 фермионов.
                                                                      2. Описать массы 3 бозонов (H, W, Z).
                                                                      //Задачи 1 и 2 я называю «спектром масс», так как в теории струн они соответствуют энергиям неких колебаний струны.
                                                                      3. Описать константы взаимодействия 9 частиц из пункта 1 со слабым и сильным взаимодействием.
                                                                      Там всего 18 констант, включая массу бозона Хиггса. Но 3 из них — не совсем константы, а в сочетании с полем Хиггса могут выйти интересные проблемы (по причине массы W- и Z-бозона).
                                                        0
                                                        Почему же некогерентно? Если буй может перемещаться горизонтально — ну будет некоторое запаздывание, которое уменьшит скорость волны. Вот если буй мягкий и пластично деформируется, то да, будут потери на его нагревание. В принципе, можно было бы пытаться искать кратковременные коррелированные колебания свечения звёзд близких к событию, вызванные их сжатием/расширением при прохождении гравитационных волн.
                                                          0

                                                          Хм, в моей "модели" буй может ходить только вниз-вверх, и он абсолютно твердый. Так что на минимуме волны его кинетическая энергия перейдет в воду, но не обязательно добавится к энергии волны в фазе.


                                                          В принципе, можно было бы пытаться искать кратковременные коррелированные колебания свечения звёзд близких к событию, вызванные их сжатием/расширением при прохождении гравитационных волн.

                                                          Жаль только, что все события, что мы видим, вне нашей Галактики, так что про отдельные звезды там речь не идет...

                                                            +1
                                                            Так что на минимуме волны его кинетическая энергия перейдет в воду

                                                            Энергия начнёт передаваться волне сразу как только буй начнёт двигаться вниз, на всём протяжении заднего склона волны, подталкивая этот склон вперёд точно так же, как перед этим тормозился передний склон. Во впадине энергии уже не останется, даже наоборот, у волны возникнет «долг».
                                                              0

                                                              Точно, вы правы, что-то я ступил. Надо больше думать над тем, что пишу...

                                                    0
                                                    Ок. Допустим, мы регистрируем сжатие-растяжение пространства и эффект обнаружения не связан с потерями или трением. Как мы это делаем?
                                                    Насколько я себе представлял, это делается по точным измерениям времени движения пучка света или иных электромагнитных волн, вероятно когерентных, т.е. лазерного луча. Так? Но разве сама скорость света не зависит от сжатия пространства? Свет явным образом реагирует на гравитацию, отклоняясь вблизи массивных объектов. Т.е. там где пространство сжато. Взаимодействие налицо. Если пространство сжалось, допустим на 5% (катастрофически большое сжатие, но допустим) — разве луч не замедлится от этого на те же 5%, делая таким образом практически невозможным обнаружение факта сжатия? Тогда на чем основан эффект обнаружения сжатия пространства?
                                                      0

                                                      Скорость света при сжатии/растяжении пространства не меняется. Колеблется длина плеча интерферометра, изменяя интерференционную картину, что и измеряется.

                                                        0
                                                        А разве "растягивая" пространство, не должна вместе с ним "растянутся" световая волна проходящая через это пространство и произойти смещение по частоте?
                                                          0
                                                          Смещение по частоте происходит, но оно определяется разницей «масштабных факторов» (причём вдоль направления распространения света) в точке испускания и точке наблюдения. К тому же в используемом интерферометре два перпендикулярных плеча, а в гравитационных волнах растяжение/сжатие пространства не изотропно, так что эффект удлинения/укорочения плеча и изменения частоты друг друга не компенсируют.
                                                            0

                                                            Я бы сказал, что главное, что мы измеряем вообще разность фаз, и даже если частоты меняются, это не имеет значения. По сути, если представить детектирование как измерение задержки в приходе фотонов в одном плече относительно другого плеча, нам не важно, что цвет фотона поменялся, задержка от этого не уменьшится.

                                                        0
                                                        Вот пример идеи, которую придумали для интерферометра:
                                                        Внутри интерферометра за полпериода гравитационной волны накапливается некий сигнал. Но гравитационная волна-то продолжает колебаться дальше. Поэтому вместо того, чтобы сразу же этот сигнал пытаться зарегистрировать фотодатчиком, предлагается через полпериода снова запустить его внутрь интерферометра, но уже поменяв два плеча. И так — несколько раз. Для этой цели можно вставить еще одно зеркало, уже на пути сигнала к фотодатчику (...), создав тем самым оптическую систему уже четырехкратной вложенности!
                                                          +1

                                                          То, что вы имеете в виду, насколько я понимаю, — замедление времени, а не скорости света. Замедление времени — эффект второго порядка малости по сравнению с искривлением пространства, и он настолько мал, что никак не влияет на детектор. Действительно, если бы гравитационные волны были гораздо сильнее (мы бы были вблизи ЧД), там пришлось бы учитывать и замедление времени, и тогда детектирование было бы гораздо сложнее.

                                                            0
                                                            Что-то мне кажется, что на расстоянии, где искажение 2-3 компонент метрического тензора будет около 0.01, мы обнаружили бы грав. волны намного проще. Тут я брал оценку для слияния черных дыр (искажение около 0.1), каково оно для нейтронных звезд на 100 км от центра масс — не знаю.
                                                            0
                                                            Упрощённо — мы меряем два перпендикулярных луча (Г-образный интерферометр). Так как скорость света постоянна, время на пробег двух плеч прибора одинаковое, но как только приходит волна — в одном из плеч время прохода луча изменяется по сравнению с другим (меняется расстояние).

                                                            А вообще, здесь есть простое описание прибора: Обсерватория LIGO
                                                          0
                                                          не противоречит ли это утверждение самой возможности их регистрировать?

                                                          не противоречит, регистрируется локальное изменение геометрии пространства-времени

                                                            0
                                                            Почему бы и не не противоречить? :)
                                                            То же самое нейтрино условно всепроникающее, может пролететь из Магелланова облака 130 тыщ световых лет, и «зацепиться» за детектор на Земле.
                                                            0
                                                            Мне интересно, а что с нейтрино после слияния НЗ? или их там очень мало получилось?
                                                              +1

                                                              Вообще, должно было быть много, но мы их не увидели. Предположительно потому, что наблюдали слияние под углом, и основной поток нейтрино прошел мимо нас.

                                                                0
                                                                Может быть такое, что нейтрино летят медленнее настолько, что отстанут от ГВ уже не на секунды, а на годы?
                                                                  +1

                                                                  Нейтрино все же не сильно медленнее света, их масса очень-очень мала. Отстать должны были на часы или дни максимум, но их пытались поймать на протяжении нескольких месяцев, и ничего… Но может просто интенсивность недостаточно велика, детекторы нейтрино не очень чувствительны к направлению, так что мы не можем смотреть в одном направлении, откуда должен прийти сигнал.

                                                              0
                                                              А мне наоборот интересно, почему электромагнитные волны задержались всего на 1.7 секунды, а не на большее время.
                                                                0
                                                                Где-то слышал, что различие скорости света и скорости распространения гравитационных волн, необходимо для отсутствия эффекта Доплера.
                                                                  0
                                                                  Объясните, если я чего-то не понимаю, ещё из школьного курса физики известно, что скорость света различается в разных средах и меньше скорости в вакууме. Здесь же расстояние 150 млн световых лет, и чего только свет не преодолел на своём пути. Пусть это и не вода, в разреженный газ. Так в чём проблема-то?
                                                                    0
                                                                    «скорости гравитационных волн и света равны с погрешностью в 10^-15» — значит нужно условно прикинуть, что скажем почти весь путь света был абсолютным вакуумом (с точки зрения гамма-лучей это вполне возможно). А 1 метр на каждые 10 миллионов км представлял собою вещество с показателем преломления 1.00001 (назовем относительно плотными газовыми туманностями).
                                                                    Остается уточнить — свет увидели в спектре скажем около 500 эВ (в пересчете на какое-то «усредненное по пути» красное смещение) или мы говорим о гамма-лучах (явно меньше 1 нм блина волны), а 130 млн лет — это совсем маленькое красное смещение. Тогда нам нужно построить модель того, какой был изначальный спектр тех фотонов, которые дошли до нашей Галактики (весьма точно). Если он был даже больше 5 кэВ по энергии, то необходимо рассчитать процесс рассеяния на электронах вдоль всего пути фотонов.

                                                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                                  Самое читаемое