Cine a descoperit undele gravitaționale. Am descoperit unde gravitaționale, deci ce urmează? – Ce sunt undele gravitaționale
Acasă
Flutură-ți mâna și undele gravitaționale vor circula prin tot Universul.
observa Universul și ne va permite să studiem efectele inaccesibile anterior ale gravitației puternice.
Unde gravitaționale
Puteți veni cu diferite teorii ale gravitației. Toate vor descrie lumea noastră la fel de bine, atâta timp cât ne limităm la o singură manifestare a acesteia - legea gravitației universale a lui Newton. Dar există și alte efecte gravitaționale, mai subtile, care au fost testate experimental la scara sistemului solar și indică o anumită teorie: relativitatea generală (GR).
Relativitatea generală nu este doar un set de formule, este o viziune fundamentală asupra esenței gravitației. Dacă în fizica obișnuită spațiul servește doar ca fundal, un container pentru fenomene fizice, atunci în GTR el însuși devine un fenomen, o mărime dinamică care se modifică în conformitate cu legile GTR. Aceste distorsiuni ale spațiu-timpului în raport cu un fundal neted - sau, în limbajul geometriei, distorsiuni ale metricii spațiu-timp - sunt resimțite ca gravitație. Pe scurt, relativitatea generală dezvăluie originea geometrică a gravitației.
Ca și în cazul oricărei teorii sincere, o astfel de predicție clară a relativității generale trebuie verificată experimental. Orice corp în mișcare poate emite unde gravitaționale: planete, o piatră aruncată în sus sau un val al mâinii. Problema, totuși, este că interacțiunea gravitațională este atât de slabă încât nicio configurație experimentală nu poate detecta emisia de unde gravitaționale de la „emițătorii” obișnuiți.
Pentru a „alunga” un val puternic, trebuie să distorsionați foarte mult spațiu-timp. Opțiunea ideală este două găuri negre care se rotesc una în jurul celeilalte într-un dans apropiat, la o distanță de ordinul razei lor gravitaționale (Fig. 2). Distorsiunile metricii vor fi atât de puternice încât o parte notabilă a energiei acestei perechi va fi emisă în unde gravitaționale. Pierzând energie, perechea se va apropia din ce în ce mai mult, învârtindu-se din ce în ce mai repede, distorsionând metrica din ce în ce mai mult și generând unde gravitaționale și mai puternice - până când, în cele din urmă, va avea loc o restructurare radicală a întregului câmp gravitațional al acestei perechi și două găuri negre se contopesc în unul.
O astfel de fuziune a găurilor negre este o explozie de o putere extraordinară, dar toată această energie emisă nu ajunge în lumină, nu în particule, ci în vibrațiile spațiului. Energia emisă va alcătui o parte notabilă din masa inițială a găurilor negre, iar această radiație se va împrăștia într-o fracțiune de secundă. Oscilații similare vor fi generate de fuziunea stelelor neutronice. O eliberare de energie a undelor gravitaționale puțin mai slabă însoțește și alte procese, cum ar fi prăbușirea unui nucleu de supernovă.
Unda gravitațională izbucnită de la fuziunea a două obiecte compacte are un profil foarte specific, bine calculat, prezentat în Fig. 3. Perioada de oscilație este determinată de mișcarea orbitală a două obiecte unul în jurul celuilalt. Undele gravitaționale transportă energie; ca urmare, obiectele se apropie și se rotesc mai repede - iar acest lucru este vizibil atât în accelerarea oscilațiilor, cât și în creșterea amplitudinii. La un moment dat are loc o fuziune, ultima este aruncată val puternic, iar apoi urmează un „sunet de după” de înaltă frecvență ( ringdown) - tremurul găurii negre rezultate, care „aruncă” toate distorsiunile nesferice (această etapă nu este prezentată în imagine). Cunoașterea acestui profil caracteristic îi ajută pe fizicieni să caute semnalul slab dintr-o astfel de fuziune în datele detectoarelor foarte zgomotoase.
Fluctuațiile în metrica spațiu-timp - ecoul undelor gravitaționale ale unei explozii grandioase - se vor împrăștia în tot Universul în toate direcțiile de la sursă. Amplitudinea lor scade odată cu distanța, similar cu modul în care luminozitatea unei surse punctuale scade odată cu distanța de la aceasta. Când o explozie dintr-o galaxie îndepărtată ajunge pe Pământ, fluctuațiile metrice vor fi de ordinul a 10 -22 sau chiar mai puțin. Cu alte cuvinte, distanța dintre obiectele care nu au legătură fizic între ele va crește și va scădea periodic cu o astfel de cantitate relativă.
Ordinul de mărime al acestui număr este ușor de obținut din considerente de scalare (a se vedea articolul de V. M. Lipunov). În momentul fuziunii stelelor neutronice sau a găurilor negre ale maselor stelare, distorsiunile metricii chiar lângă ele sunt foarte mari - de ordinul a 0,1, motiv pentru care gravitația este puternică. O astfel de distorsiune severă afectează o zonă de ordinul dimensiunii acestor obiecte, adică mai mulți kilometri. Pe măsură ce vă îndepărtați de sursă, amplitudinea oscilației scade invers proporțional cu distanța. Aceasta înseamnă că la o distanță de 100 Mpc = 3·10 21 km amplitudinea oscilațiilor va scădea cu 21 de ordine de mărime și va deveni aproximativ 10 −22.
Desigur, dacă fuziunea are loc în galaxia noastră natală, tremururile spațiu-timp care ajung pe Pământ vor fi mult mai puternice. Dar astfel de evenimente au loc o dată la câteva mii de ani. Prin urmare, ar trebui să contați cu adevărat doar pe un detector care va putea simți fuziunea stelelor neutronice sau a găurilor negre la o distanță de zeci până la sute de megaparsecs, ceea ce înseamnă că va acoperi multe mii și milioane de galaxii.
Aici trebuie adăugat că o indicație indirectă a existenței undelor gravitaționale a fost deja descoperită și chiar a fost distins cu Premiul Nobel pentru Fizică pentru 1993. Observațiile pe termen lung ale pulsarului în sistemul binar PSR B1913+16 au arătat că perioada orbitală scade exact în aceeași rată ca cea prezisă de relativitatea generală, ținând cont de pierderile de energie datorate radiației gravitaționale. Din acest motiv, aproape niciunul dintre oamenii de știință nu se îndoiește de realitatea undelor gravitaționale; singura întrebare este cum să-i prind.
Istoricul căutărilor
Căutarea undelor gravitaționale a început cu aproximativ jumătate de secol în urmă - și aproape imediat s-a transformat într-o senzație. Joseph Weber de la Universitatea din Maryland a proiectat primul detector rezonant: un cilindru solid din aluminiu de doi metri cu senzori piezoelectrici sensibili pe laterale și o bună izolare a vibrațiilor de vibrațiile străine (Fig. 4). Când trece o undă gravitațională, cilindrul rezonează în timp cu distorsiunile spațiu-timpului, ceea ce ar trebui să înregistreze senzorii. Weber a construit mai multe astfel de detectoare, iar în 1969, după ce le-a analizat citirile în timpul uneia dintre sesiuni, a raportat direct că a înregistrat „sunetul undelor gravitaționale” în mai multe detectoare simultan, la distanță de doi kilometri (J. Weber, 1969). Dovezi pentru descoperirea radiațiilor gravitaționale). Amplitudinea oscilațiilor pe care a declarat-o sa dovedit a fi incredibil de mare, de ordinul a 10 -16, adică de un milion de ori mai mare decât valoarea tipică așteptată. Mesajul lui Weber a fost primit cu mare scepticism de către comunitatea științifică; pe lângă altele grupuri experimentale, înarmați cu detectoare similare, nu au putut să prindă un singur semnal similar în viitor.
Totuși, eforturile lui Weber au dat impuls întregului domeniu de cercetare și au lansat vânătoarea de valuri. Din anii 1970, prin eforturile lui Vladimir Braginsky și a colegilor săi de la Universitatea de Stat din Moscova, URSS a intrat și ea în această cursă (vezi absența semnalelor undelor gravitaționale). Există o poveste interesantă despre acele vremuri în eseul Dacă o fată cade într-o groapă... . Braginsky, de altfel, este unul dintre clasicii întregii teorii a măsurătorilor optice cuantice; el a fost primul care a venit cu conceptul de limită de măsurare cuantică standard - o limitare cheie în măsurători optice - și a arătat cum acestea ar putea fi depășite în principiu. Circuitul rezonant al lui Weber a fost îmbunătățit și, datorită răcirii profunde a instalației, zgomotul a fost redus dramatic (vezi lista și istoricul acestor proiecte). Cu toate acestea, acuratețea unor astfel de detectoare din metal era încă insuficientă pentru a detecta în mod fiabil evenimentele așteptate și, în plus, au fost reglate pentru a rezona doar la un interval de frecvență foarte îngust în jurul kiloherți.
Mult mai promițătoare păreau să fie detectoarele care folosesc mai mult de un obiect rezonant, dar urmăresc distanța dintre două corpuri suspendate independent, neînrudite, de exemplu, două oglinzi. Datorită vibrației spațiului cauzată de unda gravitațională, distanța dintre oglinzi va fi fie puțin mai mare, fie puțin mai mică. Mai mult, cu cât lungimea brațului este mai mare, cu atât deplasarea absolută va fi mai mare cauzată de o undă gravitațională de o amplitudine dată. Aceste vibrații pot fi resimțite de un fascicul laser care rulează între oglinzi. O astfel de schemă este capabilă să detecteze oscilații într-o gamă largă de frecvențe, de la 10 herți la 10 kiloherți, iar acesta este exact intervalul în care vor emite perechi de stele neutronice sau găuri negre cu masă stelară care fuzionează.
Implementarea modernă a acestei idei bazată pe interferometrul Michelson arată astfel (Fig. 5). Oglinzile sunt suspendate în două camere de vid lungi, lungi de câțiva kilometri, perpendiculare una pe cealaltă. La intrarea in instalatie, fasciculul laser este scindat, trece prin ambele camere, este reflectat de oglinzi, revine inapoi si se reuneste intr-o oglinda translucida. Factorul de calitate al sistemului optic este extrem de ridicat, astfel încât fasciculul laser nu trece doar o dată înainte și înapoi, ci rămâne mult timp în acest rezonator optic. În starea „liniștită”, lungimile sunt selectate astfel încât cele două fascicule, după reunire, să se anuleze reciproc în direcția senzorului, iar apoi fotodetectorul să fie în umbră completă. Dar de îndată ce oglinzile se deplasează pe o distanță microscopică sub influența undelor gravitaționale, compensarea celor două fascicule devine incompletă și fotodetectorul captează lumina. Și cu cât deplasarea este mai puternică, cu atât mai mult lumină strălucitoare va vedea senzorul foto.
Cuvintele „deplasare microscopică” nici măcar nu se apropie de a transmite subtilitatea efectului. Deplasarea oglinzilor după lungimea de undă a luminii, adică microni, este ușor de observat chiar și fără trucuri. Dar cu o lungime a brațului de 4 km, aceasta corespunde oscilațiilor spațiu-timp cu o amplitudine de 10 -10. Observarea deplasării oglinzilor în funcție de diametrul unui atom nu este, de asemenea, o problemă - este suficient să trageți un fascicul laser, care va rula înainte și înapoi de mii de ori și va obține schimbarea de fază dorită. Dar aceasta dă și un maxim de 10 −14. Și trebuie să coborâm scara de deplasare de milioane de ori, adică să învățăm să înregistrăm o deplasare în oglindă nici măcar cu un atom, ci cu miimi dintr-un nucleu atomic!
Pe drumul către această tehnologie cu adevărat uimitoare, fizicienii au trebuit să depășească multe dificultăți. Unele dintre ele sunt pur mecanice: trebuie să atârnați oglinzile masive pe o suspensie, care atârnă pe o altă suspensie, pe o a treia suspensie și așa mai departe - și totul pentru a scăpa de vibrațiile străine cât mai mult posibil. Alte probleme sunt, de asemenea, instrumentale, dar optice. De exemplu, cu cât fasciculul care circulă în sistemul optic este mai puternic, cu atât mai slabă deplasarea oglinzilor poate fi detectată de fotosenzor. Dar un fascicul prea puternic va încălzi în mod neuniform elementele optice, ceea ce va avea un efect dăunător asupra proprietăților fasciculului în sine. Acest efect trebuie compensat cumva, iar pentru asta, în anii 2000, a fost lansat un întreg program de cercetare pe acest subiect (pentru o poveste despre această cercetare, vezi știrea Obstacol depășit în drumul către un detector de unde gravitaționale extrem de sensibil, „Elemente ”, 27.06.2006). În cele din urmă, există pur fundamentale limitări fizice legate de comportamentul cuantic al fotonilor într-un rezonator și principiul incertitudinii. Ele limitează sensibilitatea senzorului la o valoare numită limită cuantică standard. Cu toate acestea, fizicienii, folosind o stare cuantică inteligent pregătită a luminii laser, au învățat deja să o depășească (J. Aasi și colab., 2013. Sensibilitate îmbunătățită a detectorului de unde gravitaționale LIGO prin utilizarea stărilor de lumină comprimate).
O listă întreagă de țări participă la cursa pentru unde gravitaționale; Rusia are propria ei instalație, la Observatorul Baksan și, apropo, este descrisă în filmul documentar de știință populară de Dmitri Zavilgelsky „Așteptăm unde și particule”. Liderii acestei curse sunt acum două laboratoare - proiectul american LIGO și detectorul italian Virgo. LIGO include două detectoare identice, situate în Hanford (statul Washington) și Livingston (Louisiana) și separate la 3000 km unul de celălalt. A avea două setări este important din două motive. În primul rând, semnalul va fi considerat înregistrat numai dacă este văzut de ambii detectoare în același timp. Și în al doilea rând, prin diferența de sosire a unei explozii de unde gravitaționale la două instalații - și poate ajunge la 10 milisecunde - se poate determina aproximativ din ce parte a cerului a venit acest semnal. Adevărat, cu două detectoare eroarea va fi foarte mare, dar atunci când Fecioara intră în funcțiune, precizia va crește considerabil.
Strict vorbind, ideea detectării interferometrice a undelor gravitaționale a fost propusă pentru prima dată de fizicienii sovietici M.E. Herzenstein și V.I. Pustovoit. La acel moment, laserul tocmai fusese inventat, iar Weber a început să-și creeze detectoarele rezonante. Cu toate acestea, acest articol nu a fost observat în Occident și, pentru a spune adevărul, nu a influențat dezvoltarea unor proiecte reale (vezi recenzia istorică a Fizicii detectării undelor gravitaționale: detectoare rezonante și interferometrice).
Crearea observatorului gravitațional LIGO a fost inițiativa a trei oameni de știință de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) și California Institute of Technology (Caltech). Aceștia sunt Rainer Weiss, care și-a dat seama de ideea unui detector de unde gravitaționale interferometrice, Ronald Drever, care a obținut o stabilitate a luminii laser suficientă pentru a fi înregistrată, și Kip Thorne, teoreticianul creier al proiectului, acum binecunoscut generalului. public ca consultant stiintific filmul „Interstellar”. DESPRE istoria timpurie crearea LIGO poate fi citită într-un interviu recent cu Rainer Weiss și în memoriile lui John Preskill.
Activitățile legate de proiectul de detectare interferometrică a undelor gravitaționale au început la sfârșitul anilor 1970, iar la început mulți oameni s-au îndoit și de fezabilitatea acestei întreprinderi. Cu toate acestea, după demonstrarea unui număr de prototipuri, actualul design LIGO a fost scris și aprobat. A fost construit pe parcursul ultimului deceniu al secolului XX.
Deși impulsul inițial pentru proiect a venit din Statele Unite, LIGO este un proiect cu adevărat internațional. 15 țări au investit în el, financiar și intelectual, iar peste o mie de oameni sunt membri ai colaborării. Fizicienii sovietici și ruși au jucat un rol important în implementarea proiectului. De la bun început, grupul deja menționat al lui Vladimir Braginsky de la Universitatea de Stat din Moscova a luat parte activ la implementarea proiectului LIGO, iar mai târziu s-a alăturat colaborării și Institutul de Fizică Aplicată de la Nijni Novgorod.
Observatorul LIGO a început să funcționeze în 2002 și până în 2010 a găzduit șase sesiuni de observare științifică. Nu au fost detectate în mod fiabil explozii de unde gravitaționale, iar fizicienii au putut doar să stabilească limite superioare ale frecvenței unor astfel de evenimente. Acest lucru, însă, nu i-a surprins prea mult: estimările au arătat că în acea parte a Universului pe care detectorul o „asculta” atunci, probabilitatea unui cataclism suficient de puternic era scăzută: aproximativ o dată la câteva decenii.
Linia de sosire
Din 2010 până în 2015, colaborările LIGO și Virgo au modernizat radical echipamentul (Virgo, însă, este încă în proces de pregătire). Și acum ținta mult așteptată era în vedere directă. LIGO - sau mai bine zis, aLIGO ( LIGO avansat) - era acum gata să surprindă exploziile generate de stelele neutronice la o distanță de 60 de megaparsecs, și găurile negre - la o distanță de sute de megaparsecs. Volumul Universului deschis ascultării undelor gravitaționale a crescut de zece ori în comparație cu sesiunile anterioare.
Desigur, este imposibil de prezis când și unde va avea loc următorul boom de unde gravitaționale. Dar sensibilitatea detectorilor actualizați a făcut posibilă contarea pe mai multe fuziuni de stele neutroni pe an, astfel încât prima explozie ar putea fi așteptată deja în timpul primei sesiuni de observare de patru luni. Dacă vorbim despre întreg proiectul aLIGO, care a durat câțiva ani, atunci verdictul a fost extrem de clar: fie exploziile vor cădea una după alta, fie ceva în relativitatea generală nu funcționează fundamental. Ambele vor fi mari descoperiri.
Din 18 septembrie 2015 până în 12 ianuarie 2016 a avut loc prima sesiune de observare aLIGO. În tot acest timp, pe internet au circulat zvonuri despre înregistrarea undelor gravitaționale, dar colaborarea a rămas tăcută: „colectăm și analizăm date și nu suntem încă pregătiți să raportăm rezultatele”. O intrigă suplimentară a fost creată de faptul că în timpul procesului de analiză membrii colaborării înșiși nu pot fi complet siguri că văd o adevărată explozie de unde gravitaționale. Faptul este că în LIGO, o explozie generată de computer este introdusă ocazional în mod artificial în fluxul de date reale. Se numește „injecție oarbă” și din întregul grup, doar trei persoane (!) au acces la sistemul care o efectuează la un moment arbitrar. Echipa trebuie să urmărească această creștere, să o analizeze în mod responsabil și doar în ultimele etape ale analizei „cărțile sunt dezvăluite”, iar membrii colaborării află dacă acesta a fost un eveniment real sau un test de vigilență. Apropo, într-un astfel de caz în 2010, a ajuns chiar la punctul de a scrie un articol, dar semnalul descoperit atunci s-a dovedit a fi doar o „umplutură oarbă”.
Digresiune lirică
Pentru a simți din nou solemnitatea momentului, îmi propun să privim această poveste din cealaltă parte, din interiorul științei. Când o sarcină științifică complexă, inaccesibilă, rămâne fără răspuns timp de câțiva ani, acesta este un moment normal de lucru. Când nu cedează pentru mai mult de o generație, este perceput complet diferit.
Ca școlar, citești cărți de știință populară și înveți despre această ghicitoare științifică greu de rezolvat, dar teribil de interesantă. Ca student, studiezi fizica, dai rapoarte și, uneori, potrivit sau nu, oamenii din jurul tău îți amintesc de existența ei. Apoi, tu însuți faci știință, lucrezi într-o altă zonă a fizicii, dar auzi în mod regulat despre încercări nereușite de a o rezolva. Desigur, înțelegeți că undeva se fac eforturi active pentru a o rezolva, dar rezultatul final pentru dvs., ca străin, rămâne neschimbat. Problema este percepută ca un fundal static, ca un decor, ca un element etern și aproape neschimbat al fizicii la scara vieții tale științifice. Ca o sarcină care a fost și va fi întotdeauna.
Și apoi - o rezolvă. Și deodată, la o scară de câteva zile, simți că imaginea fizică a lumii s-a schimbat și că acum trebuie formulată în alți termeni și să pui alte întrebări.
Pentru oamenii care lucrează direct la căutarea undelor gravitaționale, această sarcină, desigur, nu a rămas neschimbată. Ei văd scopul, știu ce trebuie atins. Ei, desigur, speră că și natura le va întâlni la jumătatea drumului și le va arunca în unele galaxie din apropiere un val puternic, dar în același timp înțeleg că, chiar dacă natura nu este atât de susținătoare, nu se va mai putea ascunde de oamenii de știință. Singura întrebare este când anume își vor putea atinge obiectivele tehnice. O poveste despre această senzație de la o persoană care caută unde gravitaționale de câteva decenii poate fi auzită în filmul deja menționat. „Așteptăm unde și particule”.
Deschidere
În fig. Figura 7 prezintă rezultatul principal: profilul semnalului înregistrat de ambii detectoare. Se poate observa că pe fundalul zgomotului, o oscilație a formei dorite apare mai întâi slab, apoi crește în amplitudine și frecvență. Comparația cu rezultatele simulărilor numerice ne-a permis să aflăm ce obiecte am observat fuzionarea: acestea erau găuri negre cu mase de aproximativ 36 și 29 de mase solare, care s-au contopit într-o gaură neagră cu o masă de 62 de mase solare (eroarea în toate aceste numere, corespunzătoare unui interval de încredere de 90%, este de 4 mase solare). Autorii notează în trecere că gaura neagră rezultată este cea mai grea gaură neagră cu masă stelară observată vreodată. Diferența dintre masa totală a celor două obiecte inițiale și gaura neagră finală este de 3 ± 0,5 mase solare. Acest defect de masă gravitațională a fost complet transformat în energia undelor gravitaționale emise în aproximativ 20 de milisecunde. Calculele au arătat că puterea maximă a undelor gravitaționale a atins 3,6 10 56 erg/s sau, în termeni de masă, aproximativ 200 de mase solare pe secundă.
Semnificația statistică a semnalului detectat este de 5,1σ. Cu alte cuvinte, dacă presupunem că aceste fluctuații statistice s-au suprapus și au produs o astfel de explozie pur întâmplător, un astfel de eveniment ar trebui să aștepte 200 de mii de ani. Acest lucru ne permite să afirmăm cu încredere că semnalul detectat nu este o fluctuație.
Întârzierea dintre cele două detectoare a fost de aproximativ 7 milisecunde. Acest lucru a făcut posibilă estimarea direcției de sosire a semnalului (Fig. 9). Deoarece există doar doi detectoare, localizarea s-a dovedit a fi foarte aproximativă: regiunea sferei cerești potrivită din punct de vedere al parametrilor este de 600 de grade pătrate.
Colaborarea LIGO nu s-a limitat la a afirma pur și simplu faptul înregistrării undelor gravitaționale, ci a realizat și prima analiză a implicațiilor pe care această observație le are pentru astrofizică. În articolul Astrophysical implications of the binary black hole merger GW150914, publicat în aceeași zi în jurnal Scrisorile din jurnalul astrofizic, autorii au estimat frecvența cu care apar astfel de fuziuni ale găurilor negre. Rezultatul a fost cel puțin o fuziune pe gigaparsec cub pe an, ceea ce este în concordanță cu previziunile celor mai optimiste modele în acest sens.
Ce vă spun undele gravitaționale?
Descoperirea unui nou fenomen după decenii de căutare nu este sfârșitul, ci doar începutul unei noi ramuri a fizicii. Desigur, înregistrarea undelor gravitaționale din fuziunea a doi negrii este importantă în sine. Acest dovada directași existența găurilor negre și existența găurilor negre duble și realitatea undelor gravitaționale și, în general, dovada corectitudinii abordării geometrice a gravitației, pe care se bazează relativitatea generală. Dar pentru fizicieni, nu este mai puțin valoros faptul că astronomia undelor gravitaționale devine un nou instrument de cercetare, făcând posibilă studierea a ceea ce era anterior inaccesibil.
În primul rând, este o nouă modalitate de a vedea Universul și de a studia cataclismele cosmice. Nu există obstacole pentru undele gravitaționale, ele trec fără probleme prin tot ce se află în Univers. Sunt autosuficienți: profilul lor poartă informații despre procesul care le-a dat naștere. În cele din urmă, dacă o mare explozie generează o explozie optică, neutrină și gravitațională, atunci putem încerca să le prindem pe toate, să le comparăm între ele și să înțelegem detalii inaccesibile anterior despre ceea ce s-a întâmplat acolo. Pentru a putea prinde și compara semnale atât de diferite de la un eveniment - obiectivul principal astronomie cu toate semnalele.
Când detectoarele de unde gravitaționale devin și mai sensibile, ei vor putea detecta tremurul spațiu-timp nu în momentul fuziunii, ci cu câteva secunde înainte de aceasta. Ei își vor trimite automat semnalul de avertizare către rețeaua generală de stații de observare, iar sateliții telescopului astrofizic, după ce au calculat coordonatele fuziunii propuse, vor avea timp în aceste secunde să se întoarcă în direcția dorită și să înceapă să fotografieze cerul înainte de explozia optică. începe.
În al doilea rând, explozia undelor gravitaționale ne va permite să învățăm lucruri noi despre stelele neutronice. O fuziune a stelelor neutronice este, de fapt, cel mai recent și extrem de experiment pe stelele neutronice pe care natura îl poate face pentru noi, iar noi, ca spectatori, nu va trebui decât să observăm rezultatele. Consecințele observaționale ale unei astfel de fuziuni pot fi variate (Figura 10), iar prin colectarea statisticilor acestora putem înțelege mai bine comportamentul stelelor neutronice în astfel de medii exotice. O privire de ansamblu asupra stării actuale a lucrurilor în această direcție poate fi găsită în publicația recentă a lui S. Rosswog, 2015. Imagine multi-messenger a fuziunilor binare compacte.
În al treilea rând, înregistrarea exploziei care a venit de la supernovă și compararea acesteia cu observațiile optice va face în sfârșit posibilă înțelegerea în detaliu a ceea ce se întâmplă în interior, chiar la începutul colapsului. Acum, fizicienii au încă dificultăți cu modelarea numerică a acestui proces.
În al patrulea rând, fizicienii implicați în teoria gravitației au un „laborator” râvnit pentru studierea efectelor gravitației puternice. Până acum, toate efectele relativității generale pe care le-am putut observa direct s-au referit la gravitația în câmpuri slabe. Am putea ghici ce se întâmplă în condiții de gravitație puternică, când distorsiunile spațiu-timp încep să interacționeze puternic cu ele însele, doar din manifestări indirecte, prin ecoul optic al catastrofelor cosmice.
În al cincilea rând, există o nouă oportunitate de a testa teoriile exotice ale gravitației. Există deja multe astfel de teorii în fizica modernă, vezi, de exemplu, capitolul dedicat acestora din cartea populară „Gravitatea” de A. N. Petrov. Unele dintre aceste teorii seamănă cu relativitatea generală convențională în limita câmpurilor slabe, dar pot fi foarte diferite atunci când gravitația devine foarte puternică. Alții admit existența unui nou tip de polarizare pentru undele gravitaționale și prezic o viteză ușor diferită de viteza luminii. În cele din urmă, există teorii care includ dimensiuni spațiale suplimentare. Ce se poate spune despre ele pe baza undelor gravitaționale este o întrebare deschisă, dar este clar că unele informații pot fi profitate de aici. De asemenea, vă recomandăm să citiți părerea astrofizicienilor înșiși despre ce se va schimba odată cu descoperirea undelor gravitaționale, într-o selecție de pe Postnauka.
Planuri de viitor
Perspectivele pentru astronomia undelor gravitaționale sunt cele mai încurajatoare. Acum doar prima, cea mai scurtă sesiune de observație a detectorului aLIGO s-a încheiat - și deja în acest scurt timp a fost detectat un semnal clar. Mai corect ar fi să spunem asta: primul semnal a fost prins încă înainte de începerea oficială, iar colaborarea nu a raportat încă toate cele patru luni de muncă. Cine știe, poate că există deja câteva vârfuri suplimentare acolo? Într-un fel sau altul, dar mai departe, pe măsură ce sensibilitatea detectorilor crește și partea din Univers accesibilă pentru observațiile undelor gravitaționale se extinde, numărul evenimentelor înregistrate va crește ca o avalanșă.
Programul așteptat al sesiunii pentru rețeaua LIGO-Virgo este prezentat în Fig. 11. A doua sesiune, de șase luni, va începe la sfârșitul acestui an, a treia sesiune va dura aproape tot anul 2018, iar la fiecare etapă sensibilitatea detectorului va crește. În jurul anului 2020, aLIGO ar trebui să atingă sensibilitatea planificată, ceea ce va permite detectorului să sondeze Universul pentru fuziunea stelelor neutronice aflate la distanțe de până la 200 Mpc. Pentru evenimentele de fuziune a găurilor negre și mai energice, sensibilitatea poate atinge aproape un gigaparsec. Într-un fel sau altul, volumul Universului disponibil pentru observare va crește de zeci de ori față de prima sesiune.
Laboratorul italian renovat Virgo va intra și el în joc la sfârșitul acestui an. Sensibilitatea sa este puțin mai mică decât cea a LIGO, dar totuși destul de decentă. Datorită metodei de triangulare, un trio de detectoare distanțate în spațiu va face posibilă restabilirea mult mai bună a poziției surselor pe sfera cerească. Dacă acum, cu doi detectoare, zona de localizare ajunge la sute de grade pătrate, atunci trei detectoare o vor reduce la zeci. În plus, în Japonia se construiește în prezent o antenă de unde gravitaționale KAGRA similară, care va începe să funcționeze în doi-trei ani, iar în India, în jurul anului 2022, este planificată să fie lansat detectorul LIGO-India. Ca urmare, după câțiva ani, o întreagă rețea de detectoare de unde gravitaționale va funcționa și va înregistra regulat semnalele (Fig. 13).
În cele din urmă, există planuri de lansare a instrumentelor cu unde gravitaționale în spațiu, în special proiectul eLISA. În urmă cu două luni, a fost lansat pe orbită primul satelit de testare, a cărui sarcină va fi testarea tehnologiilor. Detectarea reală a undelor gravitaționale este încă departe. Dar când acest grup de sateliți începe să colecteze date, va deschide o altă fereastră în Univers - prin unde gravitaționale de joasă frecvență. Această abordare cu toate undele a undelor gravitaționale este un obiectiv major pe termen lung pentru domeniu.
Paralele
Descoperirea undelor gravitaționale a fost pentru a treia oară în ultimii ani când fizicienii au trecut în cele din urmă peste toate obstacolele și au ajuns la subtilitățile necunoscute anterior ale structurii lumii noastre. În 2012, a fost descoperit bosonul Higgs, o particulă prezisă acum aproape jumătate de secol. În 2013, detectorul de neutrini IceCube a dovedit realitatea neutrinilor astrofizici și a început să „privească universul” într-un mod complet nou, anterior inaccesibil - prin neutrini de înaltă energie. Și acum natura a cedat din nou omului: o „fereastră” a undelor gravitaționale s-a deschis pentru observarea universului și, în același timp, efectele gravitației puternice au devenit disponibile pentru studiu direct.
Trebuie spus că nu a existat niciun „freebie” din natură nicăieri aici. Căutarea s-a făcut foarte mult timp, dar nu a dat rezultate pentru că atunci, cu zeci de ani în urmă, echipamentul nu a ajuns la rezultat în ceea ce privește energia, scara sau sensibilitatea. Dezvoltarea constantă, direcționată a tehnologiei a fost cea care a condus la obiectiv, o dezvoltare care nu a fost oprită nici de dificultățile tehnice, nici de rezultatele negative din anii trecuți.
Și în toate cele trei cazuri, însuși faptul descoperirii nu a fost sfârșitul, ci, dimpotrivă, începutul unei noi direcții de cercetare, a devenit un nou instrument de sondare a lumii noastre. Proprietățile bosonului Higgs au devenit disponibile pentru măsurare - și în aceste date, fizicienii încearcă să discearnă efectele Noii Fizice. Datorită statisticilor sporite ale neutrinilor de înaltă energie, astrofizica neutrinilor face primii pași. Cel puțin același lucru este de așteptat acum de la astronomia undelor gravitaționale și există toate motivele pentru optimism.
Surse:
1) Coll. Ştiinţifică LIGO. și Virgo Coll. Observarea undelor gravitaționale dintr-o fuziune binară a unei găuri negre // Fiz. Rev. Lett. Publicat 11 februarie 2016.
2) Documente de detectare - o listă de articole tehnice care însoțesc articolul principal de descoperire.
3) E. Berti. Punct de vedere: Primele sunete ale fuzionarii găurilor negre // Fizică. 2016. V. 9. N. 17.
Revizuirea materialelor:
1) David Blair și colab. Astronomia undelor gravitaționale: starea actuală // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott și colaborarea științifică LIGO și colaborarea Virgo. Perspective pentru observarea și localizarea tranzitoriilor gravitaționale cu LIGO avansat și Fecioară avansat // Living Rev. relativitatea. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Trecutul, prezentul și viitorul detectoarelor de unde gravitaționale cu masă rezonantă // Res. Astron. Astrophys. 2011. V. 11. N. 1.
4) Căutarea undelor gravitaționale - o selecție de materiale pe site-ul revistei Ştiinţă privind căutarea undelor gravitaționale.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Detectarea undelor gravitaționale prin interferometrie (sol și spațiu) // arXiv:1102.3355.
6) V. B. Braginsky. Astronomia undelor gravitaționale: noi metode de măsurare // UFN. 2000. T. 170. p. 743–752.
7) Peter R. Saulson.
Ziua oficială de descoperire (detecție) a undelor gravitaționale este 11 februarie 2016. Atunci, la o conferință de presă susținută la Washington, liderii colaborării LIGO au anunțat că o echipă de cercetători a reușit să înregistreze acest fenomen pentru prima dată în istoria omenirii.
Profețiile marelui Einstein
Faptul că undele gravitaționale există a fost sugerat de Albert Einstein la începutul secolului trecut (1916) în cadrul Teoriei sale generale a relativității (GTR). Nu se poate decât să se minuneze de abilitățile strălucitoare ale celebrului fizician, care, cu un minim de date reale, a reușit să tragă concluzii atât de ample. Printre multe alte fenomene fizice prezise care au fost confirmate în secolul următor (încetinirea curgerii timpului, schimbarea direcției radiației electromagnetice în câmpurile gravitaționale etc.), nu a fost posibil să se detecteze practic prezența acestui tip de interacțiune a undelor. de cadavre până de curând.
Este gravitația o iluzie?
În general, în lumina Teoriei relativității, gravitația cu greu poate fi numită forță. perturbaţii sau curburi ale continuumului spaţiu-timp. Un bun exemplu pentru a ilustra acest postulat este o bucată de material întins. Sub greutatea unui obiect masiv plasat pe o astfel de suprafață, se formează o depresiune. Alte obiecte, atunci când se deplasează în apropierea acestei anomalii, își vor schimba traiectoria mișcării, ca și cum ar fi „atrase”. Și ce greutate mai mare obiect (cu cât diametrul și adâncimea de curbură sunt mai mari), cu atât „forța de atracție” este mai mare. Pe măsură ce se deplasează pe țesătură, se poate observa apariția unor „unduri” divergente.
Ceva similar se întâmplă în spațiul cosmic. Orice materie masivă care se mișcă rapid este o sursă de fluctuații în densitatea spațiului și a timpului. O undă gravitațională cu o amplitudine semnificativă este formată din corpuri cu mase extrem de mari sau când se deplasează cu accelerații enorme.
Caracteristici fizice
Fluctuațiile în metrica spațiu-timp se manifestă ca modificări ale câmpului gravitațional. Acest fenomen este altfel numit ondulații spațiu-timp. Unda gravitațională afectează corpurile și obiectele întâlnite, comprimându-le și întinzându-le. Mărimea deformării este foarte nesemnificativă - aproximativ 10 -21 față de dimensiunea inițială. Întreaga dificultate de a detecta acest fenomen a fost că cercetătorii trebuiau să învețe cum să măsoare și să înregistreze astfel de modificări folosind echipamente adecvate. Puterea radiației gravitaționale este, de asemenea, extrem de mică - pentru întregul sistem solar este de câțiva kilowați.
Viteza de propagare a undelor gravitaționale depinde puțin de proprietățile mediului conductor. Amplitudinea oscilațiilor scade treptat cu distanța de la sursă, dar nu ajunge niciodată la zero. Frecvența variază de la câteva zeci la sute de herți. Viteza undelor gravitaționale în mediul interstelar se apropie de viteza luminii.
Dovezi circumstanțiale
Prima confirmare teoretică a existenței undelor gravitaționale a fost obținută de astronomul american Joseph Taylor și asistentul său Russell Hulse în 1974. Studiind vastitatea Universului folosind radiotelescopul Observatorului Arecibo (Puerto Rico), cercetătorii au descoperit pulsarul PSR B1913+16, care este un sistem binar de stele neutronice care se rotesc în jurul unui centru de masă comun cu o viteză unghiulară constantă (un mod destul de rar). caz). În fiecare an, perioada de circulație, inițial de 3,75 ore, se reduce cu 70 ms. Această valoare este pe deplin în concordanță cu concluziile din ecuațiile relativității generale, care prezic o creștere a vitezei de rotație a unor astfel de sisteme din cauza consumului de energie pentru generarea undelor gravitaționale. Ulterior, au fost descoperite mai multe pulsari duble și pitice albe cu comportament similar. Radioastronomii D. Taylor și R. Hulse au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1993 pentru că au descoperit noi posibilități de studiere a câmpurilor gravitaționale.
Evadarea undei gravitaționale
Primul anunț despre detectarea undelor gravitaționale a venit de la om de știință Joseph Weber (SUA) de la Universitatea din Maryland, în 1969. În aceste scopuri, a folosit două antene gravitaționale de design propriu, separate de o distanță de doi kilometri. Detectorul rezonant era un cilindru solid de aluminiu de doi metri, bine izolat de vibrații, echipat cu senzori piezoelectrici sensibili. Amplitudinea oscilațiilor pretins înregistrate de Weber s-a dovedit a fi de peste un milion de ori mai mare decât valoarea așteptată. Încercările altor oameni de știință de a repeta „succesul” fizicianului american folosind echipamente similare nu au adus rezultate pozitive. Câțiva ani mai târziu, munca lui Weber în acest domeniu a fost recunoscută ca insustenabilă, dar a dat impuls dezvoltării „boom-ului gravitațional”, care a atras mulți specialiști în acest domeniu de cercetare. Apropo, Joseph Weber însuși a fost sigur până la sfârșitul zilelor sale că a primit unde gravitaționale.
Îmbunătățirea echipamentului de recepție
În anii '70, omul de știință Bill Fairbank (SUA) a dezvoltat designul unei antene cu unde gravitaționale, răcită cu ajutorul SQUIDS - magnetometre ultra-sensibile. Tehnologiile existente la acea vreme nu i-au permis inventatorului să-și vadă produsul realizat în „metal”.
Detectorul gravitațional Auriga de la Laboratorul Național Legnar (Padova, Italia) este proiectat folosind acest principiu. Designul se bazează pe un cilindru din aluminiu-magneziu, de 3 metri lungime și 0,6 m în diametru. Pentru înregistrarea și detectarea șocurilor, se utilizează un rezonator kilogram auxiliar și un complex de măsurare bazat pe computer. Sensibilitatea declarată a echipamentului este de 10 -20.
Interferometre
Funcționarea detectoarelor de interferență a undelor gravitaționale se bazează pe aceleași principii pe care funcționează interferometrul Michelson. Raza laser emisă de sursă este împărțită în două fluxuri. După reflexii și călătorii multiple de-a lungul brațelor dispozitivului, fluxurile sunt din nou reunite și pe baza celui final se apreciază dacă vreo perturbare (de exemplu, o undă gravitațională) a afectat cursul razelor. Echipamente similare au fost create în multe țări:
- GEO 600 (Hannover, Germania). Lungimea tunelurilor de vid este de 600 de metri.
- TAMA (Japonia) cu umeri de 300 m.
- VIRGO (Pisa, Italia) este un proiect comun franco-italian lansat în 2007 cu trei kilometri de tuneluri.
- LIGO (SUA, Coasta Pacificului), care vânează unde gravitaționale din 2002.
Acesta din urmă merită luat în considerare mai detaliat.
LIGO Advanced
Proiectul a fost creat la inițiativa oamenilor de știință de la institutele de tehnologie din Massachusetts și California. Include două observatoare, separate de 3 mii de km, în și Washington (orașele Livingston și Hanford) cu trei interferometre identice. Lungimea tunelurilor de vid perpendiculare este de 4 mii de metri. Acestea sunt cele mai mari astfel de structuri aflate în funcțiune în prezent. Până în 2011, numeroase încercări de detectare a undelor gravitaționale nu au adus niciun rezultat. Modernizarea semnificativă efectuată (Advanced LIGO) a crescut sensibilitatea echipamentului în intervalul 300-500 Hz de peste cinci ori, iar în regiunea de joasă frecvență (până la 60 Hz) cu aproape un ordin de mărime, ajungând valoarea râvnită de 10 -21. Proiectul actualizat a început în septembrie 2015, iar eforturile a peste o mie de angajați din colaborare au fost răsplătite cu rezultatele obținute.
Unde gravitaționale detectate
Pe 14 septembrie 2015, detectoare avansate LIGO, cu un interval de 7 ms, au înregistrat unde gravitaționale care ajung pe planeta noastră din cel mai mare fenomen care s-a produs la periferia Universului observabil - fuziunea a două găuri negre mari cu mase de 29 și 36 de ori. mai mare decât masa Soarelui. În timpul procesului, care a avut loc în urmă cu mai bine de 1,3 miliarde de ani, aproximativ trei mase solare de materie au fost consumate în câteva fracțiuni de secundă prin emisia de unde gravitaționale. Frecvența inițială înregistrată a undelor gravitaționale a fost de 35 Hz, iar valoarea maximă de vârf a atins 250 Hz.
Rezultatele obţinute au fost supuse în mod repetat unei verificări şi prelucrări cuprinzătoare, iar interpretările alternative ale datelor obţinute au fost eliminate cu grijă. În sfârșit, anul trecut a fost anunțată comunității mondiale înregistrarea directă a fenomenului prezis de Einstein.
Un fapt care ilustrează munca titanică a cercetătorilor: amplitudinea fluctuațiilor în dimensiunea brațelor interferometrului a fost de 10 -19 m - această valoare este de același număr de ori mai mică decât diametrul unui atom, deoarece atomul în sine este mai mic decât un atom. portocale.
Perspective de viitor
Descoperirea confirmă încă o dată că Teoria Generală a Relativității nu este doar un set de formule abstracte, ci fundamental aspect nou asupra esenței undelor gravitaționale și a gravitației în general.
În cercetările ulterioare, oamenii de știință au mari speranțe în proiectul ELSA: crearea unui interferometru orbital gigant cu brațe de aproximativ 5 milioane km, capabil să detecteze chiar și perturbări minore în câmpurile gravitaționale. Activarea muncii în această direcție poate spune o mulțime de lucruri noi despre principalele etape ale dezvoltării Universului, despre procese care sunt dificil sau imposibil de observat în intervalele tradiționale. Nu există nicio îndoială că găurile negre, ale căror unde gravitaționale vor fi detectate în viitor, vor spune multe despre natura lor.
Pentru a studia radiația cosmică de fond cu microunde, care ne poate spune despre primele momente ale lumii noastre după Big Bang, vor fi necesare instrumente spațiale mai sensibile. Un astfel de proiect există ( Big Bang Observer), dar implementarea sa, potrivit experților, este posibilă nu mai devreme de 30-40 de ani.
Au fost confirmate zvonuri care circulau de câteva zile. lumea științifică: undele gravitaționale au fost de fapt detectate. Acest lucru a fost anunțat pe 11 februarie la o conferință de presă specială la National Press Club din Washington. Printre autorii descoperirii - cercetători uniți în colaborarea internațională LIGO, se numără și oameni de știință ruși. Ele au fost colectate de membru corespondent al Academiei Ruse de Științe Vladimir Braginsky, profesor la Facultatea de Fizică a Universității de Stat din Moscova și a Institutului de Tehnologie din California. Acum echipa este condusă de profesorul Valery Mitrofanov.
Conform Teoriei Generale a Relativității, pe care Albert Einstein a promulgat-o în 1916, undele gravitaționale trebuie pur și simplu să existe ca ondulații în țesătura spațiu-timpului. Ele ar trebui să fie răspândite mai ales intens de cataclismele care apar constant în Univers - de exemplu, exploziile de supernove, formând și fuzionand găuri negre. Oamenii de știință credeau că undele gravitaționale rezultate, răspândindu-se ca niște cercuri pe apă, vor ajunge mai devreme sau mai târziu pe Pământ. Unde pot fi prinși cu ajutorul instrumentelor - observatoare gravitaționale. Observatorul gravitațional LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) este unul dintre cele mai mari din lume. Constă din două unități de cercetare. Unul este situat în Livingston, Louisiana, iar celălalt este la mai mult de 3.000 km distanță în Hanford, Washington. Pescuitul pentru ei a durat din 2002 până în 2010. Dar fără niciun rezultat. Este ca și cum undele gravitaționale nu ar exista deloc în natură. Iar Einstein, prin urmare, s-a înșelat.
Esența pescuitului este simplă. Două fascicule laser sunt direcționate perpendicular unul pe celălalt prin conducte lungi. În LIGO, fiecare conductă are 4 kilometri lungime. Apoi, cu ajutorul oglinzilor, razele sunt combinate într-una singură. Și se uită la rezultat - la modelul de interferență. Dacă apare o undă gravitațională, aceasta va comprima spațiul într-o direcție și îl va întinde într-o direcție perpendiculară. Distanțele parcurse de raze se vor schimba. Și acest lucru va fi vizibil în imagine, care reprezintă cercuri concentrice. Dar nimic de acest fel nu era vizibil.
Acum observatorul a fost modernizat și numit Advanced LIGO. Dispozitivele concepute pentru pescuit, așa-numitele interferometre laser, au devenit mai sensibile. Și a dat rezultate.
Potrivit zvonurilor, oamenii de știință au reușit să detecteze până la trei unde gravitaționale, ale căror surse sunt situate în constelațiile Dorado, Berbec și Hydra. Cu toate acestea, la conferința de presă au anunțat o singură sursă - două găuri negre îmbinate.
Masele găurilor negre care au provocat zguduirea țesăturii spațiu-timp sunt de 29 și 36 de ori mai mari decât masa Soarelui. Și s-au contopit într-un obiect care a devenit de 62 de ori mai greu decât steaua noastră. Acest lucru s-a întâmplat în urmă cu 1,3 miliarde de ani - atât timp s-au „rulat” undele gravitaționale la observator. Și au fost prinși acolo pe 14 septembrie 2015.
COMENTARIUL EXPERTILOR
O nouă fereastră către Univers
Oamenii de știință ruși păreau să fie ocupați cu cel mai important lucru - creșterea sensibilității instrumentelor observatorului.
Am schimbat forma antenelor pentru a minimiza zgomotul extern”, spune unul dintre autorii descoperirii, directorul științific al Centrului Cuantic Rus, profesor la Universitatea de Stat din Moscova, Mihail Gorodetsky. - Am selectat și materialul optim pentru oglinzi - cuarț topit. Colegii au sugerat safirul cristalin, care s-a dovedit a fi mai „zgomotos” atunci când a fost testat.
Sensibilitatea observatorului a devenit în cele din urmă fenomenală.
Peste patru kilometri, abaterea înregistrată este de numai 10 până la minus 19 grade ale unui metru - acesta este de 10.000 de ori mai mic decât diametrul unui proton - nucleul unui atom de hidrogen, a spus Gorodetsky.
Potrivit omului de știință, odată cu descoperirea undelor gravitaționale, noua era– astronomia undelor gravitaționale. A apărut un alt instrument de explorare a Universului.
Acum avem „urechi” cu care putem asculta Universul, spune omul de știință. - Nu glumesc: frecvențele undelor gravitaționale înregistrate de LIGO sunt de fapt sonore - sute de herți, kiloherți, pot fi traduse în sunet și ascultate precum ciripitul păsărilor. Vom înregistra cele mai interesante evenimente. Să testăm teoria relativității la un nivel de precizie care este inaccesibil altor metode. Să testăm noi teorii și, poate, să ne apropiem de creare teoria cuantică gravitaţie. Sau chiar teoria mare unificată.
Acum avem doar două detectoare”, explică Gorodetsky. - Cu toate acestea, chiar și cu ele putem determina masele obiectelor. Și în funcție de timpul de întârziere - poziția aproximativă pe cer. Pentru două antene, localizarea nu este foarte bună - există un fel de arc pe cer. Dar când a treia antenă gravitațională europeană din Italia va fi pe deplin operațională, vom putea determina poziția surselor destul de precis folosind metoda triangulației.
Potrivit omului de știință, acest lucru va face posibilă direcționarea rapidă a telescoapelor optice și radio către zona de unde provin undele gravitaționale, pentru a le studia sursele folosind metode tradiționale.
Cum arată un model de unde gravitaționale? Oamenii de știință din mai multe țări care lucrează ca parte a proiectului internațional LIGO Scientific Collaboration au raportat că au fost capabili să detecteze undele gravitaționale în laborator
APROPO
Un astrofizician a explicat de ce undele gravitaționale nu au putut fi detectate pe Pământ atât de mult timp
Oamenii de știință au raportat știri senzaționale pentru știință: au reușit să detecteze undele gravitaționale pe Pământ. Un anumit cataclism cosmic a cauzat curbura spațiu-timpului în urmă cu mai bine de un miliard de ani. În ciuda abundenței terminologiei științifice, este posibil să explicăm ceea ce s-a întâmplat mai simplu
Participanții la experimentul științific LIGO, la care participă și fizicieni ruși, au anunțat că observatoarele americane au detectat unde gravitaționale generate de coliziunea a două găuri negre.
Undele gravitaționale au fost înregistrate pe 14 septembrie 2015, ceea ce a fost raportat pe 11 februarie 2016 la o conferință de presă specială de către reprezentanții LIGO la Washington. Oamenii de știință au avut nevoie de șase luni pentru a procesa și a verifica rezultatele. Aceasta poate fi considerată descoperirea oficială a undelor gravitaționale, deoarece acestea au fost înregistrate direct pe Pământ pentru prima dată. Rezultatele lucrării au fost publicate în revista Physical Review Letters.
Fizicieni de la Universitatea de Stat din Moscova la o conferință de presă. Fotografie de Maxim Abaev.
Diagrama interferometrelor și locația lor pe o hartă schematică a Statelor Unite. Masele oglinzii de testare din figură se numesc Masa de testare.
Masele de testare, cunoscute și sub numele de oglinzi de interferometru, sunt fabricate din cuarț topit. Foto: www.ligo.caltech.edu
Modelare numerică undele gravitaționale de la găurile negre care se apropie. Figura: Scrisori de revizuire fizică http://physics.aps.org/articles/v9/17
Observatorul LIGO lângă Livingston, Louisiana. Foto: www.ligo.caltech.edu
Astfel, una dintre cele mai importante probleme cu care se confruntă fizicienii în ultimii 100 de ani a fost rezolvată. Existența undelor gravitaționale este prezisă de teoria generală a relativității (GTR), dezvoltată în 1915-1916 de Albert Einstein, teoria fizică fundamentală care descrie structura și evoluția lumii noastre. Relativitatea generală, în esență, este o teorie a gravitației care stabilește legătura ei cu proprietățile spațiului-timp. Corpurile masive produc modificări în el, care sunt denumite în mod obișnuit curbura spațiu-timp. Dacă aceste corpuri se mișcă cu accelerație variabilă, atunci apar schimbări de propagare în spațiu-timp, care sunt numite unde gravitaționale.
Problema cu înregistrarea lor este că undele gravitaționale sunt foarte slabe, iar detectarea lor din orice sursă terestră este aproape imposibilă. De-a lungul anilor, ele nu au fost detectate nici de la majoritatea obiectelor spațiale. Speranțele au rămas doar pentru undele gravitaționale de la marile dezastre cosmice, cum ar fi exploziile de supernove, ciocnirile de stele neutronice sau găurile negre. Aceste speranțe s-au împlinit. În această lucrare, undele gravitaționale au fost descoperite tocmai din fuziunea a două găuri negre.
Pentru a detecta undele gravitaționale, în 1992 a fost propus un proiect grandios numit LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Tehnologia pentru aceasta a fost dezvoltată de aproape douăzeci de ani. Și a fost implementat de cei mai mari doi centru științific SUA - Institutul de Tehnologie din California și Massachusetts. Echipa științifică generală, colaborarea LIGO, include aproximativ 1.000 de oameni de știință din 16 țări. Rusia este reprezentată în ea de Moscova universitate de statși Institutul de Fizică Aplicată RAS (Nijni Novgorod)
LIGO include observatoare din statele Washington și Louisiana, situate la o distanță de 3000 km, care este un interferometru Michelson în formă de L, cu două brațe lungi de 4 km. Raza laser, care trece printr-un sistem de oglinzi, este împărțită în două fascicule, fiecare se propagă în propriul braț. Sunt reflectate de oglinzi și revin. Apoi, aceste două unde luminoase, care călătoresc pe căi diferite, sunt adăugate împreună în detector. Inițial, sistemul este configurat astfel încât undele se anulează reciproc și nimic nu lovește detectorul. Undele gravitaționale modifică distanțele dintre masele de testare, care servesc simultan ca oglinzi ale interferometrului, ceea ce duce la faptul că suma undelor nu mai este egală cu zero și intensitatea semnalului la fotodetector va fi proporțională cu aceste modificări. Acest semnal este folosit pentru a înregistra o undă gravitațională.
Prima etapă, inițială, a măsurătorilor a avut loc în 2002-2010 și nu a permis detectarea undelor gravitaționale. Sensibilitatea dispozitivelor nu a fost suficientă (s-au urmărit schimbări de până la 4x10 -18 m). Apoi s-a decis oprirea lucrărilor în 2010 și modernizarea echipamentului, mărind sensibilitatea de peste 10 ori. Echipamentul îmbunătățit, care a început să funcționeze în a doua jumătate a anului 2015, a fost capabil să detecteze o deplasare de 10 -19 m și deja în timpul testului, oamenii de știință au înregistrat o explozie gravitațională , care după un lung studiu a fost identificat ca fuziunea a două găuri negre cu mase la 29 și 36 de mase solare.
Concomitent cu Washingtonul, a avut loc o conferință de presă la Moscova. La acesta, participanții la experiment, reprezentând Facultatea de Fizică a Universității de Stat din Moscova, au vorbit despre contribuția lor la implementarea acestuia. Grupul lui V.B Braginsky a participat la lucru încă de la începutul proiectului. Fizicienii de la Universitatea de Stat din Moscova au asigurat asamblarea unei structuri complexe, care constă din oglinzi cu interferometru, care servesc și ca mase de testare.
În plus, sarcinile lor includ combaterea vibrațiilor străine (zgomot) care ar putea interfera cu detectarea undelor gravitaționale. Specialiștii Universității de Stat din Moscova au fost cei care au demonstrat că dispozitivul ar trebui să fie din cuarț topit, care la temperaturi de funcționare va face mai puțin zgomot decât safirul propus de alți cercetători. În special, pentru a reduce zgomotul termic, a fost necesar să se asigure că oscilațiile maselor de testare suspendate ca pendule nu s-au stins pentru o perioadă foarte lungă de timp. Fizicienii de la Universitatea de Stat din Moscova au atins un timp de degradare de 5 ani!
Succesul măsurătorilor va da naștere unei noi astronomii cu unde gravitaționale și ne va permite să învățăm o mulțime de lucruri noi despre Univers. Poate că fizicienii vor putea dezvălui unele dintre misterele materiei întunecate și etapele incipiente ale dezvoltării Universului, precum și să cerceteze zonele în care relativitatea generală este încălcată.
Pe baza materialelor din conferința de presă de colaborare LIGO.
Prima detectare directă a undelor gravitaționale a fost dezvăluită lumii pe 11 februarie 2016 și a generat titluri în întreaga lume. Pentru această descoperire în 2017, fizicienii au primit Premiul Nobelși a lansat oficial o nouă eră a astronomiei gravitaționale. Dar o echipă de fizicieni de la Institutul Niels Bohr din Copenhaga, Danemarca, pune sub semnul întrebării descoperirea, pe baza propriei analize independente a datelor din ultimii doi ani și jumătate.
Unul dintre cele mai misterioase obiecte din istorie, găurile negre, atrag în mod regulat atenția. Știm că se ciocnesc, se îmbină, își schimbă luminozitatea și chiar se evaporă. Și, de asemenea, în teorie, găurile negre pot conecta universuri între ele folosind . Cu toate acestea, toate cunoștințele și presupunerile noastre despre aceste obiecte masive se pot dovedi a fi inexacte. Recent, în comunitatea științifică au apărut zvonuri că oamenii de știință au primit un semnal care emană dintr-o gaură neagră, a cărei dimensiune și masă sunt atât de uriașe încât existența sa este imposibilă fizic.
Prima detectare directă a undelor gravitaționale a fost dezvăluită lumii pe 11 februarie 2016 și a generat titluri în întreaga lume. Pentru această descoperire, fizicienii au primit Premiul Nobel în 2017 și au lansat oficial o nouă eră a astronomiei gravitaționale. Dar o echipă de fizicieni de la Institutul Niels Bohr din Copenhaga pune sub semnul întrebării descoperirea, pe baza propriei analize independente a datelor din ultimii doi ani și jumătate.