Ko je otkrio gravitacione talase. Otkrili smo gravitacione talase, pa šta dalje? – Šta su gravitacioni talasi

Dom
Zamahnite rukom i gravitacijski talasi će proći kroz Univerzum.

S. Popov, M. Prokhorov. Fantomski talasi univerzuma U astrofizici se dogodio događaj na koji se čekalo decenijama. Posle pola veka traganja, gravitacioni talasi, vibracije samog prostor-vremena, koje je Ajnštajn predvideo pre sto godina, konačno su otkrivene. Unaprijeđena opservatorija LIGO je 14. septembra 2015. godine otkrila gravitacijski talas koji je nastao spajanjem dvije crne rupe s masama od 29 i 36 solarnih masa u udaljenoj galaksiji udaljenoj približno 1,3 milijarde svjetlosnih godina. Astronomija gravitacionih talasa je postala punopravna grana fizike; otvorila nam se novi način

posmatrati Univerzum i omogućiće nam da proučavamo ranije nepristupačne efekte jake gravitacije.

Gravitacioni talasi

Možete smisliti različite teorije gravitacije. Svi će oni podjednako dobro opisati naš svijet, sve dok se ograničimo na jednu njegovu manifestaciju - Newtonov zakon univerzalne gravitacije. Ali postoje i drugi, suptilniji gravitacioni efekti koji su eksperimentalno testirani na skali Sunčevog sistema, i oni ukazuju na jednu posebnu teoriju: opštu relativnost (GR).

Opšta teorija relativnosti nije samo skup formula, to je fundamentalni pogled na suštinu gravitacije. Ako u običnoj fizici prostor služi samo kao pozadina, kontejner za fizičke pojave, onda u GTR on sam postaje fenomen, dinamička veličina koja se mijenja u skladu sa zakonima GTR. Upravo se ta izobličenja prostor-vremena u odnosu na glatku pozadinu - ili, jezikom geometrije, izobličenja prostorno-vremenske metrike - osjećaju kao gravitacija. Ukratko, opšta teorija relativnosti otkriva geometrijsko porijeklo gravitacije.

Kao i kod svake poštene teorije, tako jasno predviđanje opće relativnosti mora se eksperimentalno provjeriti. Svako pokretno tijelo može emitovati gravitacijske valove: planete, kamen bačen uvis ili mahanje ruke. Problem je, međutim, u tome što je gravitaciona interakcija toliko slaba da nijedna eksperimentalna postavka ne može otkriti emisiju gravitacijskih valova iz običnih "emitera".

Da biste "jurili" snažan val, morate u velikoj mjeri iskriviti prostor-vrijeme. Idealna opcija su dvije crne rupe koje se rotiraju jedna oko druge u bliskom plesu, na udaljenosti reda njihovog gravitacionog radijusa (slika 2). Distorzije metrike će biti toliko jake da će se primetan deo energije ovog para emitovati u gravitacione talase. Gubeći energiju, par će se približavati, okretati se sve brže i brže, sve više iskrivljujući metriku i generirajući još jače gravitacijske valove - sve dok, konačno, ne dođe do radikalnog restrukturiranja cjelokupnog gravitacijskog polja ovog para i dvije crne rupe se spoje u jedan.

Takvo spajanje crnih rupa je eksplozija ogromne snage, ali sva ta emitovana energija ne ide u svjetlost, ne u čestice, već u vibracije svemira. Emitovana energija će činiti primjetan dio početne mase crnih rupa, a ovo zračenje će prskati u djeliću sekunde. Slične oscilacije će biti generisane spajanjem neutronskih zvijezda. Nešto slabije oslobađanje energije gravitacionog talasa prati i druge procese, kao što je kolaps jezgra supernove.

Prasak gravitacionog talasa od spajanja dva kompaktna objekta ima vrlo specifičan, dobro proračunat profil, prikazan na Sl. 3. Period oscilovanja je određen orbitalnim kretanjem dvaju objekata jedan oko drugog. Gravitacioni talasi odnose energiju; kao rezultat toga, objekti se približavaju i brže se okreću - a to je vidljivo i u ubrzanju oscilacija i u povećanju amplitude. U nekom trenutku dolazi do spajanja, posljednje se odbacuje jak talas, a zatim slijedi visokofrekventni “after-ring” ( ringdown) - podrhtavanje rezultirajuće crne rupe, koja "izbacuje" sva nesferna izobličenja (ova faza nije prikazana na slici). Poznavanje ovog karakterističnog profila pomaže fizičarima da traže slab signal iz takvog spajanja u vrlo bučnim podacima detektora.

Fluktuacije u prostorno-vremenskoj metrici - eho gravitacionog talasa grandiozne eksplozije - raspršit će se po svemiru u svim smjerovima od izvora. Njihova amplituda slabi s rastojanjem, slično kao što se svjetlina tačkastog izvora smanjuje s udaljenosti od njega. Kada prasak iz daleke galaksije stigne do Zemlje, metričke fluktuacije će biti reda veličine 10 -22 ili čak manje. Drugim riječima, udaljenost između objekata fizički nepovezanih jedan s drugim će se povremeno povećavati i smanjivati ​​za tako relativnu količinu.

Red veličine ovog broja je lako dobiti iz razmatranja skale (vidi članak V. M. Lipunova). U trenutku spajanja neutronskih zvijezda ili crnih rupa zvjezdanih masa, izobličenja metrike tik do njih su vrlo velika - reda veličine 0,1, zbog čega je gravitacija jaka. Ovako ozbiljno izobličenje utječe na područje reda veličine ovih objekata, odnosno nekoliko kilometara. Kako se udaljavate od izvora, amplituda oscilacije se smanjuje obrnuto proporcionalno udaljenosti. To znači da će na udaljenosti od 100 Mpc = 3·10 21 km amplituda oscilacija pasti za 21 red veličine i postati oko 10 −22.

Naravno, ako do spajanja dođe u našoj matičnoj galaksiji, podrhtavanja prostor-vremena koja dopiru do Zemlje bit će mnogo jača. Ali takvi se događaji dešavaju jednom u nekoliko hiljada godina. Stoga zaista treba računati samo na detektor koji će moći osjetiti spajanje neutronskih zvijezda ili crnih rupa na udaljenosti od desetina do stotina megaparseka, što znači da će pokriti mnoge hiljade i milione galaksija.

Ovdje se mora dodati da je indirektna indikacija postojanja gravitacijskih valova već otkrivena, pa je čak dobio i Nobelovu nagradu za fiziku za 1993. godinu. Dugoročna posmatranja pulsara u binarnom sistemu PSR B1913+16 pokazala su da se orbitalni period smanjuje potpuno istom brzinom kao što je predviđeno opštom relativnošću, uzimajući u obzir gubitke energije usled gravitacionog zračenja. Iz tog razloga, gotovo niko od naučnika ne sumnja u realnost gravitacionih talasa; jedino je pitanje kako ih uhvatiti.

Historija pretraživanja

Potraga za gravitacionim talasima počela je pre otprilike pola veka - i skoro odmah se pretvorila u senzaciju. Joseph Weber sa Univerziteta Maryland dizajnirao je prvi rezonantni detektor: čvrst aluminijski cilindar od dva metra sa osjetljivim piezoelektričnim senzorima na bočnim stranama i dobrom izolacijom vibracija od stranih vibracija (slika 4). Kada gravitacioni talas prođe, cilindar rezonira u vremenu sa izobličenjem prostor-vremena, što bi senzori trebalo da registruju. Weber je napravio nekoliko takvih detektora, a 1969. godine, nakon analize njihovih očitavanja tokom jedne od sesija, direktno je izjavio da je registrovao "zvuk gravitacionih talasa" u nekoliko detektora odjednom, udaljenih dva kilometra (J. Weber, 1969. Dokazi za otkriće gravitacionog zračenja). Ispostavilo se da je amplituda oscilacija koje je deklarisao neverovatno velika, reda veličine 10 −16, odnosno milion puta veća od tipične očekivane vrednosti. Veberova poruka naišla je na veliki skepticizam od strane naučne zajednice; pored ostalih eksperimentalne grupe, naoružani sličnim detektorima, nisu uspjeli uhvatiti niti jedan sličan signal u budućnosti.

Međutim, Weberovi napori dali su poticaj cijelom ovom polju istraživanja i pokrenuli lov na valove. Od 1970-ih, naporima Vladimira Braginskog i njegovih kolega sa Moskovskog državnog univerziteta, SSSR je takođe ušao u ovu trku (vidi odsustvo signala gravitacionih talasa). Zanimljiva je priča o tim vremenima u eseju Ako djevojka upadne u rupu... . Braginsky je, inače, jedan od klasika cjelokupne teorije kvantnih optičkih mjerenja; bio je prvi koji je došao do koncepta standardne granice kvantnog mjerenja - ključnog ograničenja u optičkim mjerenjima - i pokazao kako se ona u principu mogu prevazići. Weberovo rezonantno kolo je poboljšano, a zahvaljujući dubokom hlađenju instalacije, buka je dramatično smanjena (pogledajte listu i istoriju ovih projekata). Međutim, preciznost takvih detektora svih metala još uvijek je bila nedovoljna da pouzdano detektuje očekivane događaje, a osim toga, bili su podešeni da rezoniraju samo na vrlo uskom frekvencijskom rasponu oko kiloherca.

Činilo se da su mnogo više obećavajući detektori koji koriste više od jednog rezonantnog objekta, ali prate udaljenost između dva nepovezana, nezavisno viseća tijela, na primjer, dva ogledala. Zbog vibracije prostora uzrokovane gravitacijskim valom, razmak između ogledala će biti ili malo veći ili malo manji. Štaviše, što je krak duži, to će veći apsolutni pomak biti uzrokovan gravitacijskim valom date amplitude. Ove vibracije se mogu osjetiti laserskim snopom koji prolazi između ogledala. Takva shema je sposobna detektirati oscilacije u širokom rasponu frekvencija, od 10 herca do 10 kiloherca, a upravo to je raspon u kojem će emitovati spojeni parovi neutronskih zvijezda ili crne rupe zvjezdane mase.

Savremena implementacija ove ideje zasnovana na Michelsonovom interferometru izgleda ovako (slika 5). Ogledala su okačena u dvije dugačke, po nekoliko kilometara, okomite jedna na drugu vakuum komore. Na ulazu u instalaciju laserski snop se deli, prolazi kroz obe komore, odbija se od ogledala, vraća se nazad i ponovo sjedinjuje u prozirnom ogledalu. Faktor kvaliteta optičkog sistema je izuzetno visok, tako da laserski snop ne prolazi samo jednom napred-nazad, već se dugo zadržava u ovom optičkom rezonatoru. U „mirnom“ stanju, dužine se biraju tako da se dva snopa, nakon ponovnog spajanja, međusobno poništavaju u pravcu senzora i tada je fotodetektor u potpunoj senci. Ali čim se ogledala pomaknu na mikroskopsku udaljenost pod uticajem gravitacionih talasa, kompenzacija dva snopa postaje nepotpuna i fotodetektor hvata svetlost. I što je veći pomak, to više jako svjetloće vidjeti foto senzor.

Riječi "mikroskopsko pomicanje" ne mogu ni blizu prenijeti suptilnost efekta. Pomeranje ogledala talasnom dužinom svetlosti, odnosno mikronima, lako je uočiti i bez ikakvih trikova. Ali sa dužinom kraka od 4 km, ovo odgovara oscilacijama prostor-vremena sa amplitudom od 10 -10. Primetiti pomeranje ogledala po prečniku atoma takođe nije problem - dovoljno je ispaliti laserski snop, koji će trčati napred-nazad hiljadama puta i postići željeni fazni pomak. Ali ovo također daje maksimum od 10 −14. I trebamo još milione puta da se spustimo niz skalu pomaka, odnosno da naučimo da registrujemo pomak ogledala ni za jedan atom, već za hiljaditi deo atomskog jezgra!

Na putu do ove zaista nevjerovatne tehnologije, fizičari su morali savladati mnoge poteškoće. Neki od njih su čisto mehanički: morate okačiti masivne retrovizore na ovjes, koji visi na drugom ovjesu, ono na trećem ovjesu i tako dalje - i sve kako biste se što više riješili stranih vibracija. Drugi problemi su također instrumentalni, ali optički. Na primjer, što je snažniji snop koji kruži u optičkom sistemu, fotosenzor može detektirati slabiji pomak ogledala. No, previše snažan snop će neravnomjerno zagrijati optičke elemente, što će imati štetan učinak na svojstva samog snopa. Ovaj efekat se mora nekako nadoknaditi, a za to je 2000-ih pokrenut čitav program istraživanja na ovu temu (za priču o ovom istraživanju pogledajte vijesti Prevladana prepreka na putu do visoko osjetljivog detektora gravitacijskih valova „Elementi“ , 27.06.2006.). Konačno, postoje čisto fundamentalni fizička ograničenja vezano za kvantno ponašanje fotona u rezonatoru i princip nesigurnosti. Oni ograničavaju osjetljivost senzora na vrijednost koja se naziva standardna kvantna granica. Međutim, fizičari su, koristeći pametno pripremljeno kvantno stanje laserske svjetlosti, već naučili da ga prevaziđu (J. Aasi et al., 2013. Povećana osjetljivost detektora gravitacijskih valova LIGO korištenjem stisnutih stanja svjetlosti).

Čitava lista zemalja učestvuje u trci za gravitacionim talasima; Rusija ima svoju instalaciju, u Baksanskoj opservatoriji, i, inače, opisana je u dokumentarnom naučno-popularnom filmu Dmitrija Zavilgelskog. "Čekajući talase i čestice". Lideri ove trke su sada dva laboratorija - američki LIGO projekat i italijanski detektor Virgo. LIGO uključuje dva identična detektora smještena u Hanfordu (Država Washington) i Livingstonu (Louisiana) i međusobno udaljena 3000 km. Imati dvije postavke je važno iz dva razloga. Prvo, signal će se smatrati registrovanim samo ako ga istovremeno vide oba detektora. I drugo, po razlici u dolasku gravitacionog talasa na dve instalacije - a može da dostigne i 10 milisekundi - može se približno odrediti iz kojeg je dela neba došao ovaj signal. Istina, s dva detektora greška će biti vrlo velika, ali kada Djevica počne da radi, preciznost će se značajno povećati.

Strogo govoreći, ideju o interferometrijskoj detekciji gravitacijskih valova prvi su predložili sovjetski fizičari M.E. Herzenstein i V.I. Pustovoit još 1962. godine. U to vrijeme, laser je upravo bio izmišljen, a Weber je počeo da stvara svoje rezonantne detektore. Međutim, ovaj članak nije zapažen na Zapadu i, istini za volju, nije uticao na razvoj realnih projekata (videti istorijski pregled Fizike detekcije gravitacionih talasa: rezonantni i interferometrijski detektori).

Stvaranje gravitacione opservatorije LIGO bila je inicijativa trojice naučnika sa Massachusetts Institute of Technology (MIT) i California Institute of Technology (Caltech). To su Rainer Weiss, koji je realizovao ideju o interferometrijskom detektoru gravitacionih talasa, Ronald Drever, koji je postigao stabilnost laserske svetlosti dovoljnu da se registruje, i Kip Thorne, teoretičar koji stoji iza projekta, danas dobro poznat široj javnosti. as naučni konsultant film "Interstellar". O ranoj istoriji stvaranje LIGO-a može se pročitati u nedavnom intervjuu s Rainerom Weissom i u memoarima Johna Preskilla.

Aktivnosti u vezi sa projektom interferometrijske detekcije gravitacionih talasa počele su krajem 1970-ih, a u početku su mnogi sumnjali i u izvodljivost ovog poduhvata. Međutim, nakon demonstracije brojnih prototipova, trenutni LIGO dizajn je napisan i odobren. Građena je tokom poslednje decenije 20. veka.

Iako je početni poticaj za projekt došao iz Sjedinjenih Država, LIGO je zaista međunarodni projekt. U nju je uložilo 15 zemalja, finansijski i intelektualno, a preko hiljadu ljudi su članovi kolaboracije. Sovjetski i ruski fizičari odigrali su važnu ulogu u implementaciji projekta. Od samog početka, već pomenuta grupa Vladimira Braginskog sa Moskovskog državnog univerziteta aktivno je učestvovala u realizaciji projekta LIGO, a kasnije se u saradnju uključio i Institut za primenjenu fiziku iz Nižnjeg Novgoroda.

LIGO opservatorija je počela sa radom 2002. godine i do 2010. godine bila je domaćin šest naučnih posmatračkih sesija. Nisu pouzdano detektovani nikakvi gravitacioni talasi, a fizičari su mogli samo da postave gornje granice učestalosti takvih događaja. To ih, međutim, nije previše iznenadilo: procjene su pokazale da je u onom dijelu svemira koji je detektor tada "slušao" vjerovatnoća dovoljno snažne kataklizme bila mala: otprilike jednom u nekoliko decenija.

Ciljna linija

Od 2010. do 2015. godine, LIGO i Virgo kolaboracije su radikalno modernizirale opremu (Virgo je, međutim, još uvijek u procesu pripreme). A sada je dugo očekivana meta bila na vidiku. LIGO - ili bolje rečeno, aliGO ( Napredni LIGO) - sada je bio spreman da uhvati praske koje stvaraju neutronske zvijezde na udaljenosti od 60 megaparseka, a crne rupe - na udaljenosti od stotina megaparseka. Jačina Univerzuma otvorenog za slušanje gravitacionih talasa se povećala desetinama puta u poređenju sa prethodnim sesijama.

Naravno, nemoguće je predvidjeti kada i gdje će se dogoditi sljedeći gravitacijski talas. Ali osjetljivost ažuriranih detektora omogućila je da se računa na nekoliko spajanja neutronskih zvijezda godišnje, tako da se prvi prasak mogao očekivati ​​već tokom prve četveromjesečne sesije posmatranja. Ako govorimo o cijelom projektu aLIGO, koji je trajao nekoliko godina, onda je presuda bila krajnje jasna: ili će rafali padati jedan za drugim, ili nešto u općoj relativnosti u osnovi ne funkcionira. I jedno i drugo će biti velika otkrića.

Od 18. septembra 2015. do 12. januara 2016. održana je prva posmatračka sesija aLIGO-a. Za sve to vrijeme internetom su kružile glasine o registraciji gravitacijskih valova, ali se o saradnji šutjelo: “prikupljamo i analiziramo podatke i još nismo spremni da izvještavamo o rezultatima”. Dodatnu intrigu stvorila je činjenica da tokom procesa analize ni sami članovi kolaboracije ne mogu biti potpuno sigurni da vide pravi gravitacioni talas. Činjenica je da se u LIGO-u kompjuterski generirani rafal povremeno umjetno unosi u tok stvarnih podataka. To se zove "slijepa injekcija", a od cijele grupe samo tri osobe (!) imaju pristup sistemu koji to provodi u proizvoljnom trenutku. Tim mora pratiti ovaj nalet, odgovorno ga analizirati, a tek u zadnjim fazama analize „karte se otkrivaju“ i članovi kolaboracije saznaju je li to bio stvarni događaj ili test budnosti. Inače, u jednom takvom slučaju 2010. godine došlo je čak i do pisanja članka, ali se tada otkriveni signal ispostavilo da je samo “slijepo punjenje”.

Lirska digresija

Da još jednom osjetim svečanost trenutka, predlažem da ovu priču pogledamo s druge strane, iznutra nauke. Kada kompleksan, nepristupačan naučni zadatak ostaje neodgovoren nekoliko godina, to je normalan radni trenutak. Kada ne popušta više od jedne generacije, doživljava se potpuno drugačije.

Kao školarac čitate naučno-popularne knjige i učite o ovoj teško rešivoj, ali užasno zanimljivoj naučnoj zagonetki. Kao student, studirate fiziku, dajete izvještaje, a ponekad, prikladno ili ne, ljudi oko vas podsjećaju na njeno postojanje. Tada se i sami bavite naukom, radite u nekoj drugoj oblasti fizike, ali redovno slušate o neuspješnim pokušajima da se to riješi. Vi, naravno, shvaćate da se negdje aktivno ulažu napori da se to riješi, ali konačni rezultat za vas kao autsajdera ostaje nepromijenjen. Problem se doživljava kao statična pozadina, kao ukras, kao vječni i gotovo nepromijenjeni element fizike na skali vašeg naučnog života. Kao zadatak koji je uvijek bio i koji će biti.

A onda - oni to riješe. I odjednom, na skali od nekoliko dana, osjetite da se fizička slika svijeta promijenila i da se sada mora formulisati drugim terminima i postavljati druga pitanja.

Za ljude koji su direktno radili na potrazi za gravitacionim talasima, ovaj zadatak, naravno, nije ostao nepromenjen. Oni vide cilj, znaju šta treba postići. Oni se, naravno, nadaju da će ih i priroda dočekati na pola puta i ubaciti ih obližnja galaksija snažan nalet, ali u isto vrijeme shvaćaju da, čak i ako priroda ne pruža toliko podrške, više se neće moći sakriti od naučnika. Pitanje je samo kada će tačno moći da ostvare svoje tehničke ciljeve. Priču o ovoj senzaciji od osobe koja je nekoliko decenija tragala za gravitacionim talasima možete čuti u već pomenutom filmu "Čekajući talase i čestice".

Otvaranje

Na sl. Na slici 7 prikazan je glavni rezultat: profil signala snimljen od strane oba detektora. Može se vidjeti da se na pozadini buke oscilacija željenog oblika najprije pojavljuje slabo, a zatim se povećava u amplitudi i frekvenciji. Poređenje s rezultatima numeričkih simulacija omogućilo je da se razjasni koje smo objekte uočili kako se spajaju: to su bile crne rupe s masama od približno 36 i 29 solarnih masa, koje su se spojile u jednu crnu rupu s masom od 62 solarne mase (greška u svim ovi brojevi, koji odgovaraju intervalu pouzdanosti od 90%, su 4 solarne mase). Autori usput primjećuju da je rezultirajuća crna rupa najteža crna rupa zvjezdane mase ikad uočena. Razlika između ukupne mase dva početna objekta i finalne crne rupe je 3 ± 0,5 solarnih masa. Ovaj defekt gravitacione mase u potpunosti je pretvoren u energiju emitovanih gravitacionih talasa za oko 20 milisekundi. Proračuni su pokazali da je vršna snaga gravitacionog talasa dostigla 3,6·10 56 erg/s, odnosno, u smislu mase, otprilike 200 solarnih masa u sekundi.

Statistička značajnost detektovanog signala je 5,1σ. Drugim riječima, ako pretpostavimo da su se ove statističke fluktuacije međusobno preklapale i čisto slučajno proizvele takav nalet, takav događaj bi morao čekati 200 hiljada godina. Ovo nam omogućava da sa sigurnošću izjavimo da detektovani signal nije fluktuacija.

Vremensko kašnjenje između dva detektora bilo je približno 7 milisekundi. To je omogućilo procjenu smjera dolaska signala (slika 9). Pošto postoje samo dva detektora, lokalizacija se pokazala vrlo približnom: područje nebeske sfere pogodno u smislu parametara je 600 kvadratnih stepeni.

LIGO kolaboracija se nije ograničila samo na konstataciju činjenice o snimanju gravitacijskih valova, već je izvršila i prvu analizu implikacija koje ovo zapažanje ima na astrofiziku. U članku Astrofizičke implikacije spajanja binarnih crnih rupa GW150914, objavljenom istog dana u časopisu The Astrophysical Journal Letters, autori su procijenili učestalost s kojom dolazi do takvih spajanja crnih rupa. Rezultat je bilo najmanje jedno spajanje po kubnom gigaparseku godišnje, što je u skladu s predviđanjima najoptimističnijih modela u tom pogledu.

Šta nam govore gravitacioni talasi

Otkriće novog fenomena nakon decenija traganja nije kraj, već samo početak nove grane fizike. Naravno, registracija gravitacionih talasa od spajanja dva crna je važna sama po sebi. Ovo direktni dokaz i postojanje crnih rupa, i postojanje duplih crnih rupa, i realnost gravitacionih talasa, i, uopšteno govoreći, dokaz ispravnosti geometrijskog pristupa gravitaciji, na kome se zasniva opšta teorija relativnosti. Ali za fizičare nije manje vrijedno što astronomija gravitacijskih valova postaje novi istraživački alat, koji omogućava proučavanje onoga što je ranije bilo nedostupno.

Prvo, to je novi način sagledavanja Univerzuma i proučavanja kosmičkih kataklizmi. Za gravitacione talase nema prepreka, oni prolaze kroz sve u Univerzumu bez ikakvih problema. Oni su sami sebi dovoljni: njihov profil nosi informacije o procesu koji ih je izrodio. Konačno, ako jedna velika eksplozija generiše optički, neutrin i gravitacioni prasak, onda možemo pokušati da ih uhvatimo sve, uporedimo ih međusobno i razumemo ranije nedostupne detalje onoga što se tamo dogodilo. Da biste mogli uhvatiti i uporediti tako različite signale iz jednog događaja - glavni cilj astronomija svih signala.

Kada detektori gravitacionih talasa postanu još osetljiviji, moći će da detektuju podrhtavanje prostor-vremena ne u trenutku spajanja, već nekoliko sekundi pre njega. Oni će automatski poslati svoj signal upozorenja općoj mreži posmatračkih stanica, a sateliti astrofizičkih teleskopa, nakon što su izračunali koordinate predloženog spajanja, imat će vremena u ovim sekundama da se okrenu u željenom smjeru i počnu fotografirati nebo prije optičkog praska. počinje.

Drugo, gravitacijski talas će nam omogućiti da naučimo nove stvari o neutronskim zvijezdama. Spajanje neutronskih zvijezda je, zapravo, najnoviji i najekstremniji eksperiment na neutronskim zvijezdama koji priroda može izvesti za nas, a mi, kao gledaoci, ostajemo samo da posmatramo rezultate. Posmatračke posljedice takvog spajanja mogu biti različite (slika 10), a prikupljanjem njihove statistike možemo bolje razumjeti ponašanje neutronskih zvijezda u takvim egzotičnim okruženjima. Pregled trenutnog stanja stvari u ovom pravcu može se naći u nedavnoj publikaciji S. Rosswog, 2015. Slika sa više glasnika kompaktnih binarnih spajanja.

Treće, snimanje praska koji je došao iz supernove i poređenje sa optičkim posmatranjima konačno će omogućiti da se detaljno razume šta se dešava unutra, na samom početku kolapsa. Sada fizičari i dalje imaju poteškoća s numeričkim modeliranjem ovog procesa.

Četvrto, fizičari uključeni u teoriju gravitacije imaju željenu "laboratoriju" za proučavanje efekata jake gravitacije. Do sada su svi efekti opšte relativnosti koje smo mogli direktno posmatrati odnosili se na gravitaciju u slabim poljima. Mogli bismo pretpostaviti šta se dešava u uslovima jake gravitacije, kada izobličenja prostor-vremena počnu da snažno deluju na sebe, samo iz indirektnih manifestacija, kroz optički eho kosmičkih katastrofa.

Peto, postoji nova prilika za testiranje egzotičnih teorija gravitacije. U modernoj fizici već postoji mnogo takvih teorija, pogledajte, na primjer, poglavlje posvećeno njima iz popularne knjige „Gravitacija“ A. N. Petrova. Neke od ovih teorija podsećaju na konvencionalnu opštu relativnost u granicama slabih polja, ali mogu biti veoma različite kada gravitacija postane veoma jaka. Drugi priznaju postojanje novog tipa polarizacije za gravitacione talase i predviđaju brzinu koja se malo razlikuje od brzine svetlosti. Konačno, postoje teorije koje uključuju dodatne prostorne dimenzije. Šta se o njima može reći na osnovu gravitacionih talasa, otvoreno je pitanje, ali je jasno da se neke informacije ovde mogu izvući. Preporučujemo i da pročitate mišljenje samih astrofizičara o tome šta će se promijeniti otkrićem gravitacionih talasa, u izboru na Postnauci.

Buduci planovi

Izgledi za astronomiju gravitacionih talasa su najviše ohrabrujući. Sada je završena samo prva, najkraća sesija posmatranja aLIGO detektora - i već za ovo kratko vreme detektovan je jasan signal. Tačnije bi bilo reći ovo: prvi signal je uhvaćen i prije zvaničnog početka, a saradnja još nije izvještavala o sva četiri mjeseca rada. Ko zna, možda tamo već ima nekoliko dodatnih šiljaka? Na ovaj ili onaj način, ali dalje, kako se povećava osjetljivost detektora i širi dio Univerzuma koji je dostupan za posmatranja gravitacijskih valova, broj zabilježenih događaja će rasti poput lavine.

Očekivani raspored sesija za LIGO-Virgo mrežu je prikazan na Sl. 11. Druga, šestomjesečna sesija počeće krajem ove godine, treća će trajati skoro cijelu 2018. i u svakoj fazi osjetljivost detektora će se povećavati. Oko 2020. godine, aLIGO bi trebao dostići planiranu osjetljivost, što će omogućiti detektoru da ispita svemir radi spajanja neutronskih zvijezda udaljenih od nas na udaljenostima do 200 Mpc. Za još energičnije događaje spajanja crnih rupa, osjetljivost može doseći gotovo gigaparsek. Na ovaj ili onaj način, volumen Univerzuma koji je dostupan za posmatranje povećat će se desetinama puta u odnosu na prvu sesiju.

Renovirana italijanska laboratorija Virgo također će doći u igru ​​kasnije ove godine. Njegova osjetljivost je nešto manja od one kod LIGO-a, ali ipak sasvim pristojna. Zbog metode triangulacije, trio detektora razmaknutih u svemiru omogućit će mnogo bolju rekonstrukciju položaja izvora na nebeskoj sferi. Ako sada, s dva detektora, područje lokalizacije dosegne stotine kvadratnih stupnjeva, onda će ga tri detektora smanjiti na desetke. Osim toga, u Japanu se trenutno gradi slična antena za gravitacione talase KAGRA, koja će početi sa radom za dve do tri godine, a u Indiji se oko 2022. godine planira puštanje u rad detektora LIGO-India. Kao rezultat, nakon nekoliko godina, čitava mreža detektora gravitacionih talasa će raditi i redovno snimati signale (slika 13).

Konačno, postoje planovi za lansiranje instrumenata gravitacionih talasa u svemir, posebno projekta eLISA. Prije dva mjeseca u orbitu je lansiran prvi testni satelit, čiji će zadatak biti testiranje tehnologija. Pravo otkrivanje gravitacionih talasa je još uvek daleko. Ali kada ova grupa satelita počne prikupljati podatke, otvorit će još jedan prozor u svemir - kroz niskofrekventne gravitacijske valove. Ovaj svevalni pristup gravitacijskim valovima glavni je dugoročni cilj za ovo polje.

Paralele

Otkriće gravitacionih talasa bilo je treći put u poslednjih nekoliko godina kada su fizičari konačno probili sve prepreke i došli do do tada nepoznatih suptilnosti strukture našeg sveta. 2012. godine otkriven je Higsov bozon, čestica predviđena pre skoro pola veka. Detektor neutrina IceCube je 2013. godine dokazao realnost astrofizičkih neutrina i počeo da "gleda na svemir" na potpuno nov, do tada nedostupan način - kroz visokoenergetske neutrine. A sada je priroda ponovo podlegla čoveku: otvorio se „prozor” gravitacionog talasa za posmatranje svemira, a istovremeno su efekti jake gravitacije postali dostupni za direktno proučavanje.

Mora se reći da ovdje nigdje nije bilo “besplate” od prirode. Potraga je trajala jako dugo, ali nije urodila plodom jer tada, pre više decenija, oprema nije dostigla rezultat ni po energiji, ni po obimu, ni po osetljivosti. Do cilja je doveo stalan, ciljani razvoj tehnologije, razvoj koji nisu zaustavile ni tehničke poteškoće ni negativni rezultati proteklih godina.

I u sva tri slučaja, sama činjenica otkrića nije bila kraj, već, naprotiv, početak novog pravca istraživanja, postala je novo oruđe za ispitivanje našeg svijeta. Svojstva Higsovog bozona postala su dostupna za merenje - i u ovim podacima fizičari pokušavaju da razaznaju efekte Nove fizike. Zahvaljujući povećanoj statistici visokoenergetskih neutrina, neutrina astrofizika čini svoje prve korake. Barem se isto sada očekuje i od gravitaciono-talasne astronomije, a ima razloga za optimizam.

Izvori:
1) LIGO Scientific Coll. i Virgo Coll. Promatranje gravitacijskih valova iz spajanja binarne crne rupe // Phys. Rev. Lett. Objavljeno 11. februara 2016.
2) Detection Papers - lista tehničkih članaka koji prate glavni članak otkrića.
3) E. Berti. Tačka gledišta: Prvi zvuci spajanja crnih rupa // fizika. 2016. V. 9. N. 17.

Pregledajte materijale:
1) David Blair et al. Astronomija gravitacijskih valova: trenutno stanje // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott i LIGO Scientific Collaboration i Virgo Collaboration. Izgledi za promatranje i lokaliziranje tranzijenta gravitacijskih valova s ​​naprednim LIGO i naprednim Virgo // Živi Rev. Relativnost. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Prošlost, sadašnjost i budućnost detektora gravitacionih talasa rezonantne mase // Res. Astron. Astrophys. 2011. V. 11. N. 1.
4) Potraga za gravitacionim talasima - izbor materijala na sajtu časopisa Nauka o potrazi za gravitacionim talasima.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Detekcija gravitacijskih valova interferometrijom (zemlja i svemir) // arXiv:1102.3355.
6) V. B. Braginsky. Astronomija gravitacionih talasa: nove metode merenja // UFN. 2000. T. 170. str. 743–752.
7) Peter R. Saulson.

Zvanični dan otkrića (detekcije) gravitacionih talasa je 11. februar 2016. godine. Tada su, na konferenciji za novinare održanoj u Washingtonu, čelnici LIGO kolaboracije objavili da je tim istraživača uspio snimiti ovaj fenomen po prvi put u ljudskoj istoriji.

Proročanstva velikog Ajnštajna

Činjenica da gravitacioni talasi postoje sugerisao je Albert Ajnštajn početkom prošlog veka (1916) u okviru svoje Opšte teorije relativnosti (GTR). Može se samo čuditi briljantnim sposobnostima slavnog fizičara, koji je uz minimum stvarnih podataka uspio izvući tako dalekosežne zaključke. Među mnogim drugim predviđenim fizičkim pojavama koje su potvrđene u narednom veku (usporavanje protoka vremena, promena smera elektromagnetnog zračenja u gravitacionim poljima, itd.), nije bilo moguće praktično detektovati prisustvo ove vrste interakcije talasa. tijela donedavno.

Da li je gravitacija iluzija?

Općenito, u svjetlu Teorije relativnosti, gravitacija se teško može nazvati silom. poremećaji ili zakrivljenosti prostorno-vremenskog kontinuuma. Dobar primjer za ilustraciju ovog postulata je rastegnuti komad tkanine. Pod težinom masivnog predmeta postavljenog na takvu površinu formira se udubljenje. Drugi objekti, kada se kreću u blizini ove anomalije, promijenit će putanju svog kretanja, kao da su "privučeni". I šta više težine predmet (što je veći prečnik i dubina zakrivljenosti), to je veća „sila privlačenja“. Dok se kreće po tkanini, može se uočiti pojava divergentnih „mrebanja“.

Nešto slično se dešava u svemiru. Svaka masivna materija koja se brzo kreće izvor je fluktuacija u gustini prostora i vremena. Gravitacijski val sa značajnom amplitudom formiraju tijela s ekstremno velikim masama ili kada se kreću ogromnim ubrzanjima.

Fizičke karakteristike

Fluktuacije u prostorno-vremenskoj metrici se manifestuju kao promene u gravitacionom polju. Ovaj fenomen se inače naziva prostorno-vremenskim talasima. Gravitacijski val utječe na tijela i objekte koji se susreću, sabijajući ih i rastežući ih. Veličina deformacije je vrlo neznatna - oko 10 -21 od originalne veličine. Čitava poteškoća u otkrivanju ovog fenomena bila je u tome što su istraživači morali naučiti kako da mjere i zabilježe takve promjene koristeći odgovarajuću opremu. Snaga gravitacionog zračenja je također izuzetno mala - za cijeli solarni sistem iznosi nekoliko kilovata.

Brzina širenja gravitacionih talasa neznatno zavisi od svojstava provodnog medija. Amplituda oscilacija postupno opada s rastojanjem od izvora, ali nikada ne doseže nulu. Frekvencija se kreće od nekoliko desetina do stotina herca. Brzina gravitacionih talasa u međuzvjezdanom mediju približava se brzini svjetlosti.

Individualni dokazi

Prvu teorijsku potvrdu postojanja gravitacijskih valova dobili su američki astronom Joseph Taylor i njegov pomoćnik Russell Hulse 1974. godine. Proučavajući prostranstvo svemira pomoću radio teleskopa opservatorije Arecibo (Portoriko), istraživači su otkrili pulsar PSR B1913+16, koji je binarni sistem neutronskih zvijezda koje rotiraju oko zajedničkog centra mase sa konstantnom ugaonom brzinom (prilično rijedak slučaj). Svake godine period cirkulacije, prvobitno 3,75 sati, smanjuje se za 70 ms. Ova vrijednost je u potpunosti u skladu sa zaključcima iz jednačina opšte relativnosti, koji predviđaju povećanje brzine rotacije takvih sistema zbog trošenja energije na generisanje gravitacionih talasa. Kasnije je otkriveno nekoliko dvostrukih pulsara i bijelih patuljaka sličnog ponašanja. Radio astronomi D. Taylor i R. Hulse dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 1993. godine za otkrivanje novih mogućnosti za proučavanje gravitacijskih polja.

Bežanje od gravitacionog talasa

Prva najava o detekciji gravitacionih talasa stigla je od naučnika sa Univerziteta Merilend Džozefa Vebera (SAD) 1969. godine. U te svrhe koristio je dvije gravitacijske antene vlastitog dizajna, razdvojene na udaljenosti od dva kilometra. Rezonantni detektor je bio dobro izolovan od vibracija čvrst aluminijski cilindar od dva metra opremljen osjetljivim piezoelektričnim senzorima. Pokazalo se da je amplituda oscilacija koje je navodno zabeležio Veber više od milion puta veća od očekivane vrednosti. Pokušaji drugih naučnika da ponove "uspjeh" američkog fizičara koristeći sličnu opremu nisu donijeli pozitivne rezultate. Nekoliko godina kasnije, Weberov rad u ovoj oblasti prepoznat je kao neodrživ, ali je dao poticaj razvoju „gravitacijskog buma“, koji je privukao mnoge stručnjake u ovu oblast istraživanja. Inače, i sam Joseph Weber je do kraja svojih dana bio siguran da prima gravitacione talase.

Poboljšanje opreme za prijem

U 70-im godinama, naučnik Bill Fairbank (SAD) razvio je dizajn antene gravitacionog talasa, hlađene pomoću SQUIDS - ultra-osjetljivih magnetometara. Tehnologije koje su postojale u to vrijeme nisu dozvoljavale pronalazaču da vidi svoj proizvod realizovan u "metal".

Auriga gravitacijski detektor u Nacionalnoj laboratoriji Legnar (Padova, Italija) je dizajniran po ovom principu. Dizajn je zasnovan na aluminijumsko-magnezijumskom cilindru, dužine 3 metra i prečnika 0,6 m. Prihvatni uređaj težine 2,3 tone je okačen u izolovanoj vakuumskoj komori ohlađenoj skoro do apsolutne nule. Za snimanje i detekciju udara koriste se pomoćni kilogramski rezonator i kompjuterski mjerni kompleks. Navedena osjetljivost opreme je 10 -20.

Interferometri

Rad detektora interferencije gravitacionih talasa zasniva se na istim principima na kojima radi i Michelsonov interferometar. Laserski snop koji emituje izvor se deli na dva toka. Nakon višestrukih refleksija i putovanja duž krakova uređaja, tokovi se ponovo spajaju, a na osnovu konačnog se procjenjuje da li su neki poremećaji (npr. gravitacijski val) utjecali na tok zraka. Slična oprema je stvorena u mnogim zemljama:

• GEO 600 (Hanover, Njemačka). Dužina vakuumskih tunela je 600 metara.
• TAMA (Japan) sa ramenima od 300 m.
• VIRGO (Pisa, Italija) je zajednički francusko-italijanski projekat pokrenut 2007. godine sa tri kilometra tunela.
• LIGO (SAD, obala Pacifika), koji lovi gravitacione talase od 2002. godine.

Ovo posljednje vrijedi detaljnije razmotriti.

LIGO Advanced

Projekat je nastao na inicijativu naučnika sa Tehnoloških instituta Masačusetsa i Kalifornije. Obuhvaća dvije opservatorije, udaljene 3 hiljade km, u i Washingtonu (gradovi Livingston i Hanford) sa tri identična interferometra. Dužina okomitih vakuumskih tunela je 4 hiljade metara. Ovo su najveće takve strukture koje su trenutno u funkciji. Sve do 2011. brojni pokušaji otkrivanja gravitacijskih valova nisu donijeli nikakve rezultate. Izvršena značajna modernizacija (Advanced LIGO) povećala je osjetljivost opreme u rasponu od 300-500 Hz za više od pet puta, au niskofrekventnom području (do 60 Hz) gotovo za red veličine, dostižući željenu vrijednost od 10 -21. Ažurirani projekat započeo je u septembru 2015. godine, a trud više od hiljadu zaposlenih u saradnji nagrađen je postignutim rezultatima.

Detektovani gravitacioni talasi

Dana 14. septembra 2015. napredni LIGO detektori, u intervalu od 7 ms, snimili su gravitacione talase koji su dospeli do naše planete od najveće pojave koja se dogodila na periferiji vidljivog Univerzuma - spajanja dve velike crne rupe sa masama 29 i 36 puta. veća od mase Sunca. Tokom procesa, koji se odigrao prije više od 1,3 milijarde godina, oko tri solarne mase materije potrošene su za djeliće sekunde emitiranjem gravitacijskih valova. Zabilježena početna frekvencija gravitacijskih valova bila je 35 Hz, a maksimalna vršna vrijednost dostigla je 250 Hz.

Dobijeni rezultati su više puta podvrgnuti sveobuhvatnoj provjeri i obradi, a alternativna tumačenja dobijenih podataka pažljivo su eliminirana. Konačno, prošle godine je svjetskoj zajednici najavljena direktna registracija fenomena koji je predvidio Ajnštajn.

Činjenica koja ilustruje titanski rad istraživača: amplituda fluktuacija u veličini krakova interferometra bila je 10 -19 m - ova vrijednost je isti broj puta manja od prečnika atoma, jer je sam atom manji od narandžasta.

Budući izgledi

Otkriće još jednom potvrđuje da Opća teorija relativnosti nije samo skup apstraktnih formula, već u osnovi novi izgled o suštini gravitacionih talasa i gravitacije uopšte.

U daljim istraživanjima, naučnici polažu velike nade u projekat ELSA: stvaranje džinovskog orbitalnog interferometra sa krakovima od oko 5 miliona km, sposobnog da detektuje čak i manje poremećaje u gravitacionim poljima. Aktiviranje rada u ovom pravcu može reći puno novih stvari o glavnim fazama razvoja Univerzuma, o procesima koje je teško ili nemoguće promatrati u tradicionalnim rasponima. Nema sumnje da će crne rupe, čiji će gravitacioni talasi biti otkriveni u budućnosti, mnogo reći o njihovoj prirodi.

Za proučavanje kosmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, koje nam može reći o prvim trenucima našeg svijeta nakon Velikog praska, bit će potrebni osjetljiviji svemirski instrumenti. Takav projekat postoji ( Big Bang Observer), ali je njegova implementacija, prema mišljenju stručnjaka, moguća ne prije nego za 30-40 godina.

Glasine koje su kružile nekoliko dana su potvrđene. naučni svet: gravitacijski talasi su zaista otkriveni. Ovo je saopšteno 11. februara na posebnoj konferenciji za novinare u Nacionalnom pres klubu u Vašingtonu. Među autorima otkrića - istraživačima udruženim u međunarodnu LIGO saradnju, nalaze se i ruski naučnici. Prikupio ih je dopisni član Ruske akademije nauka Vladimir Braginski, profesor Fakulteta fizike Moskovskog državnog univerziteta i Kalifornijskog tehnološkog instituta. Sada tim predvodi profesor Valerij Mitrofanov.

Prema Općoj teoriji relativnosti, koju je Albert Ajnštajn objavio 1916. godine, gravitacioni talasi jednostavno moraju postojati kao talasi u tkivu prostor-vremena. Posebno intenzivno bi ih trebale širiti kataklizme koje se stalno dešavaju u svemiru – na primjer, eksplozije supernove, formiranje i spajanje crnih rupa. Naučnici su vjerovali da će nastali gravitacijski valovi, koji se šire poput krugova po vodi, prije ili kasnije stići do Zemlje. Gdje se mogu uhvatiti pomoću instrumenata - gravitacijskih opservatorija. Gravitaciona opservatorija LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) jedna je od najvećih na svijetu. Sastoji se od dva istraživačka objekta. Jedan se nalazi u Livingstonu, Louisiana, a drugi je udaljen više od 3.000 km u Hanfordu, Washington. Ribolov na njih trajao je od 2002. do 2010. godine. Ali bezuspješno. Kao da gravitacioni talasi uopšte ne postoje u prirodi. I Ajnštajn je, dakle, bio u zabludi.

Suština ribolova je jednostavna. Dvije laserske zrake su usmjerene okomito jedna na drugu kroz dugačke cijevi. U LIGO-u svaka cijev je duga 4 kilometra. Zatim se, uz pomoć ogledala, zraci spajaju u jednu. I gledaju rezultat - uzorak interferencije. Ako dođe gravitacijski val, on će komprimirati prostor u jednom smjeru i rastegnuti ga u okomitom. Razdaljine koje pređu zraci će se promijeniti. I to će biti vidljivo na slici koja predstavlja koncentrične krugove. Ali ništa od toga nije bilo vidljivo.

Sada je opservatorija modernizovana i nazvana Advanced LIGO. Uređaji dizajnirani za ribolov, takozvani laserski interferometri, postali su osjetljiviji. I to je dalo rezultate.

Prema glasinama, naučnici su uspeli da otkriju čak tri gravitaciona talasa, čiji se izvori nalaze u sazvežđima Dorado, Ovan i Hidra. Međutim, na konferenciji za novinare objavili su samo jedan izvor - dvije spojene crne rupe.

Mase crnih rupa koje su izazvale potresanje tkiva prostor-vremena su 29 i 36 puta veće od mase Sunca. I spojili su se u objekt koji je postao 62 puta teži od naše zvijezde. To se dogodilo prije 1,3 milijarde godina - toliko su se gravitacijski valovi "kotrljali" do opservatorije. I tamo su uhvaćeni 14.09.2015.

KOMENTAR STRUČNJAKA

Novi prozor u svemir

Činilo se da su ruski naučnici bili zauzeti najvažnijom stvari - povećanjem osjetljivosti instrumenata opservatorije.

Promenili smo oblik antena kako bismo minimizirali stranu buku”, kaže jedan od autora otkrića, naučni direktor Ruskog kvantnog centra, profesor na Moskovskom državnom univerzitetu Mihail Gorodecki. - Izabrali smo i optimalan materijal za ogledala - topljeni kvarc. Kolege su predložile kristalni safir, koji se pokazao "bučnim" prilikom testiranja.

Osjetljivost opservatorije je na kraju postala fenomenalna.

Preko četiri kilometra, zabilježeno odstupanje je samo 10 do minus 19 stepeni metra - to je 10.000 puta manje od prečnika protona - jezgra atoma vodonika, rekao je Gorodecki.

Prema naučniku, otkrićem gravitacionih talasa, nova era– astronomija gravitacionih talasa. Pojavio se još jedan alat za istraživanje svemira.

Sada imamo "uši" kojima možemo da slušamo Univerzum, kaže naučnik. - Ne šalim se: frekvencije gravitacionih talasa koje snima LIGO su zapravo zvučne - stotine herca, kiloherca, mogu se prevesti u zvuk i slušati kao cvrkut ptica. Zabilježit ćemo najzanimljivije događaje. Testirajmo teoriju relativnosti na nivou tačnosti koji je nedostupan drugim metodama. Hajde da testiramo nove teorije i možda se približimo stvaranju kvantna teorija gravitacija. Ili čak teorija velikog ujedinjenja.

Sada imamo samo dva detektora”, objašnjava Gorodecki. - Međutim, čak i sa njima možemo odrediti mase objekata. A prema vremenu kašnjenja - približna pozicija na nebu. Za dvije antene lokalizacija nije baš dobra - postoji neka vrsta luka na nebu. Ali kada treća evropska gravitaciona antena u Italiji bude potpuno operativna, moći ćemo prilično precizno odrediti položaj izvora koristeći metodu triangulacije.

Prema naučniku, to će omogućiti brzo ciljanje optičkih i radio teleskopa na područje odakle dolaze gravitacioni talasi, da se tradicionalnim metodama proučavaju njihovi izvori.

Kako izgleda model gravitacionog talasa? Naučnici iz nekoliko zemalja koji rade u sklopu međunarodnog projekta LIGO Scientific Collaboration izvijestili su da su uspjeli otkriti gravitacijske valove u laboratoriji

Usput

Astrofizičar je objasnio zašto se gravitacioni talasi ne mogu tako dugo detektovati na Zemlji

Naučnici su objavili senzacionalne vijesti za nauku: uspjeli su otkriti gravitacijske valove na Zemlji. Određena kosmička kataklizma izazvala je zakrivljenost prostor-vremena prije više od milijardu godina. Uprkos obilju naučne terminologije, moguće je jednostavnije objasniti šta se dogodilo

Učesnici naučnog eksperimenta LIGO, u kojem učestvuju i ruski fizičari, objavili su da su američke opservatorije otkrile gravitacijske valove nastale sudarom dvije crne rupe.

Gravitacijski talasi su zabilježeni 14. septembra 2015. godine, o čemu su 11. februara 2016. godine na posebnoj konferenciji za novinare izvijestili predstavnici LIGO-a u Washingtonu. Naučnicima je trebalo šest mjeseci da obrađuju i verifikuju rezultate. Ovo se može smatrati službenim otkrićem gravitacijskih valova, jer su prvi put direktno zabilježeni na Zemlji. Rezultati rada objavljeni su u časopisu Physical Review Letters.

Fizičari sa Moskovskog državnog univerziteta na konferenciji za novinare. Fotografija Maxim Abaev.

Dijagram interferometara i njihova lokacija na shematskoj karti Sjedinjenih Država. Testne mase ogledala na slici se nazivaju Test masa.

Testne mase, poznate i kao interferometarska ogledala, napravljene su od topljenog kvarca. Foto: www.ligo.caltech.edu

Numeričko modeliranje gravitacionih talasa koji se približavaju crnim rupama. Slika: Pisma o fizičkom pregledu http://physics.aps.org/articles/v9/17

LIGO opservatorija u blizini Livingstona, Louisiana. Foto: www.ligo.caltech.edu

Time je riješen jedan od najvažnijih problema sa kojima su se fizičari suočavali u posljednjih 100 godina. Postojanje gravitacionih talasa predviđa opšta teorija relativnosti (GTR), koju je 1915-1916 razvio Albert Ajnštajn, fundamentalna fizička teorija koja opisuje strukturu i evoluciju našeg sveta. Opšta relativnost, u suštini, je teorija gravitacije koja uspostavlja svoju vezu sa svojstvima prostor-vremena. Masivna tijela proizvode promjene u njemu, koje se obično nazivaju zakrivljenost prostor-vremena. Ako se ova tijela kreću promjenjivim ubrzanjem, tada nastaju promjene koje se šire u prostor-vreme, koje se nazivaju gravitacijskim valovima.

Problem s njihovim registriranjem je taj što su gravitacijski valovi vrlo slabi, a njihovo otkrivanje iz bilo kojeg zemaljskog izvora je gotovo nemoguće. Tokom godina, nisu otkriveni ni sa većine svemirskih objekata. Ostale su nade samo za gravitacione talase od velikih kosmičkih katastrofa kao što su eksplozije supernova, sudari neutronskih zvezda ili crne rupe. Ove nade su se ostvarile. U ovom radu otkriveni su gravitacijski valovi upravo spajanjem dvije crne rupe.

Za otkrivanje gravitacionih talasa, 1992. je predložen grandiozni projekat nazvan LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Tehnologija za to se razvija skoro dvadeset godina. I to su implementirala dva najveća naučni centar SAD - Tehnološki institut Kalifornije i Masačusetsa. Ukupan naučni tim, LIGO kolaboracija, uključuje oko 1.000 naučnika iz 16 zemalja. Rusiju u njemu predstavlja Moskva državni univerzitet i Institut za primenjenu fiziku RAS (Nižnji Novgorod)

LIGO uključuje opservatorije u državama Washington i Louisiana, koje se nalaze na udaljenosti od 3000 km, što je Michelsonov interferometar u obliku slova L sa dva kraka duga 4 km. Laserski snop, prolazeći kroz sistem ogledala, podeljen je na dva snopa, od kojih se svaki širi u svom kraku. Odrazavaju se od ogledala i vraćaju se. Zatim se ova dva svjetlosna talasa, koja putuju različitim putanjama, sabiraju u detektoru. U početku, sistem je konfigurisan tako da se talasi međusobno poništavaju i ništa ne pogađa detektor. Gravitacioni talasi menjaju rastojanja između testnih masa, koje istovremeno služe i kao ogledala interferometra, što dovodi do toga da zbir talasa više nije jednak nuli i da će intenzitet signala na fotodetektoru biti proporcionalan ovim promenama. Ovaj signal se koristi za registrovanje gravitacionog talasa.

Prva, početna, faza mjerenja odvijala se 2002-2010. godine i nije omogućila detekciju gravitacionih talasa. Osjetljivost uređaja nije bila dovoljna (praćene su smjene do 4x10 -18 m). Tada je odlučeno da se 2010. godine obustavi rad i modernizuje oprema, povećavajući osetljivost za više od 10 puta. Poboljšana oprema, koja je počela sa radom u drugoj polovini 2015. godine, uspela je da detektuje pomak od rekordnih 10 -19 m, a naučnici su već tokom probnog rada snimili gravitacioni prasak , koji je nakon dugog istraživanja identificiran kao spajanje dvije crne rupe s masama od 29 i 36 solarnih masa.

Istovremeno sa Vašingtonom održana je konferencija za štampu u Moskvi. Na njemu su učesnici eksperimenta, koji su predstavljali Fakultet fizike Moskovskog državnog univerziteta, govorili o svom doprinosu njegovoj realizaciji. Grupa V.B. Braginskog učestvovala je u radu od samog početka projekta. Fizičari sa Moskovskog državnog univerziteta osigurali su sklapanje složene strukture, koja se sastoji od interferometarskih ogledala, koja služe i kao testne mase.

Osim toga, njihovi zadaci uključivali su borbu protiv vanjskih vibracija (buke) koje bi mogle ometati detekciju gravitacijskih valova. Stručnjaci Moskovskog državnog univerziteta dokazali su da uređaj treba biti napravljen od topljenog kvarca, koji će na radnim temperaturama stvarati manje buke od safira koji su predložili drugi istraživači. Konkretno, da bi se smanjio toplinski šum, bilo je potrebno osigurati da oscilacije ispitnih masa obješenih poput klatna ne ugase dugo vremena. Fizičari sa Moskovskog državnog univerziteta postigli su vreme raspadanja od 5 godina!

Uspjeh mjerenja će dovesti do nove astronomije gravitacijskih valova i omogućit će nam da naučimo mnogo novih stvari o svemiru. Možda će fizičari uspjeti da razotkriju neke od misterija tamne materije i ranih faza razvoja Univerzuma, kao i da pogledaju područja u kojima je narušena opšta teorija relativnosti.

Na osnovu materijala sa konferencije za štampu LIGO kolaboracije.

Prva direktna detekcija gravitacionih talasa otkrivena je svetu 11. februara 2016. godine i izazvala je naslove širom sveta. Za ovo otkriće 2017. dobili su fizičari Nobelova nagrada i zvanično pokrenuo novu eru gravitacione astronomije. Međutim, tim fizičara na Institutu Niels Bohr u Kopenhagenu, u Danskoj, dovodi u pitanje nalaz, na osnovu vlastite nezavisne analize podataka u posljednje dvije i po godine.

Jedan od najmisterioznijih objekata u istoriji, crne rupe, redovno privlače pažnju. Znamo da se sudaraju, spajaju, mijenjaju svjetlinu, pa čak i isparavaju. Takođe, u teoriji, crne rupe mogu povezati Univerzume jedan s drugim koristeći . Međutim, sva naša saznanja i pretpostavke o ovim masivnim objektima mogu se pokazati netačnim. Nedavno su se u naučnoj zajednici pojavile glasine da su naučnici primili signal koji izlazi iz crne rupe, čija je veličina i masa toliko ogromna da je njeno postojanje fizički nemoguće.

Prva direktna detekcija gravitacionih talasa otkrivena je svetu 11. februara 2016. godine i izazvala je naslove širom sveta. Za ovo otkriće, fizičari su 2017. dobili Nobelovu nagradu i službeno pokrenuli novu eru gravitacijske astronomije. Ali tim fizičara na Institutu Niels Bohr u Kopenhagenu dovodi u pitanje taj nalaz, na osnovu vlastite nezavisne analize podataka u posljednje dvije i po godine.