Дълги гравитационни вълни на изображението във връзка. Гравитационните вълни са отворени! Генериране на гравитационни вълни

Махнете с ръка - и гравитационните вълни ще преминат през цялата Вселена.
С. Попов, М. Прохоров. Фантомни вълни на Вселената

В астрофизиката се е случило събитие, което е чакало десетилетия. След половин век на търсене най-накрая бяха открити гравитационните вълни, колебанията на самото пространство-време, предсказани от Айнщайн преди сто години. На 14 септември 2015 г. актуализираната обсерватория LIGO регистрира избухване на гравитационна вълна, генерирано от сливането на две черни дупки с маси от 29 и 36 слънчеви маси в далечна галактика на разстояние около 1,3 милиарда светлинни години. Астрономията на гравитационните вълни се превърна в пълноправен клон на физиката; той ни отвори нов начин за наблюдение на Вселената и ще ни позволи да изучаваме недостъпните досега ефекти на силната гравитация.

Гравитационни вълни

Могат да се измислят различни теории на гравитацията. Всички те ще опишат еднакво добре нашия свят, стига да се ограничим до едно и единствено неговото проявление – закона на Нютон за всемирното притегляне. Но има и други, по-фини гравитационни ефекти, които са експериментално тествани в мащаба на Слънчевата система и те сочат към една конкретна теория - общата теория на относителността (ОО).

Общата теория на относителността не е просто набор от формули, тя е фундаментален възглед за същността на гравитацията. Ако в обикновената физика пространството служи само като фон, контейнер за физически явления, то в общата теория на относителността тя самата се превръща в явление, динамична величина, която се променя в съответствие със законите на общата теория на относителността. Именно тези изкривявания на пространство-времето по отношение на равномерен фон - или, на езика на геометрията, изкривявания на метриката на пространство-времето - и се усещат като гравитация. Накратко, общата теория на относителността разкрива геометричния произход на гравитацията.

Общата теория на относителността има важно предсказание: гравитационни вълни. Това са изкривявания на пространство-времето, които са в състояние да се „откъснат от източника“ и, самоподдържайки се, да отлетят. Тя е гравитацията сама по себе си, ничия, своя собствена. Алберт Айнщайн най-накрая формулира общата теория на относителността през 1915 г. и почти веднага осъзнава, че получените от него уравнения допускат съществуването на такива вълни.

Както при всяка честна теория, такава ясна прогноза на общата теория на относителността трябва да бъде проверена експериментално. Всяко движещо се тяло може да излъчва гравитационни вълни: планети, хвърлен камък и махване на ръката. Проблемът обаче е, че гравитационното взаимодействие е толкова слабо, че нито една експериментална инсталация не е в състояние да открие радиацията. гравитационни вълниот обикновени "емитери".

За да „задвижите“ мощна вълна, трябва значително да изкривите пространство-времето. Идеалният вариант е две черни дупки, които се въртят една около друга в близък танц, на разстояние от порядъка на техния гравитационен радиус (фиг. 2). Изкривяванията на метриката ще бъдат толкова силни, че забележима част от енергията на тази двойка ще бъде излъчена в гравитационни вълни. Загубвайки енергия, двойката ще се приближава един към друг, въртейки се все по-бързо и по-бързо, изкривявайки метриката все повече и повече и генерирайки още по-силни гравитационни вълни - докато накрая не настъпи радикално преструктуриране на цялото гравитационно поле на тази двойка и двете черни дупки се слеят в едно.

Такова сливане на черни дупки е експлозия с огромна сила, но цялата тази излъчена енергия отива не в светлина, не в частици, а в вибрации на пространството. Излъчената енергия ще съставлява забележима част от първоначалната маса на черните дупки и това излъчване ще изпръсне за част от секундата. Подобни флуктуации ще доведат до сливане на неутронни звезди. Малко по-слабото освобождаване на енергия от гравитационна вълна придружава други процеси, например срутването на ядрото на свръхнова.

Избухването на гравитационната вълна от сливането на два компактни обекта има много специфичен, добре изчислен профил, показан на фиг. 3. Периодът на трептене се задава от орбиталното движение на два обекта един около друг. Гравитационните вълни отвеждат енергия; в резултат на това обектите се приближават и въртят по-бързо – и това може да се види както в ускоряването на трептенията, така и в усилването на амплитудата. В даден момент настъпва сливане, излъчва се последната силна вълна и след това следва високочестотен "последващ пръстен" ( ringdown) - разклащането на образуваната черна дупка, която "изхвърля" всички несферични изкривявания (този етап не е показан на снимката). Познаването на този сигнатурен профил помага на физиците да търсят слаб сигнал от такъв синтез в много шумни детекторни данни.

Осцилациите на метриката пространство-време - гравитационно-вълновото ехо от грандиозна експлозия - ще се разпръснат във Вселената във всички посоки от източника. Амплитудата им отслабва с разстоянието, по аналогия с това как яркостта на точков източник намалява с разстоянието от него. Когато взрив от далечна галактика достигне Земята, метричните флуктуации ще бъдат от порядъка на 10-22 или дори по-малко. С други думи, разстоянието между обекти, които не са физически свързани един с друг, периодично ще се увеличава и намалява с такава относителна величина.

Редът на величината на това число е лесно да се получи от съображенията за мащаба (виж статията на V.M. Lipunov). В момента на сливане на неутронни звезди или черни дупки със звездни маси, изкривяванията на метриката точно до тях са много големи – от порядъка на 0,1, поради което има силна гравитация. Такова сериозно изкривяване засяга област от порядъка на размерите на тези обекти, тоест няколко километра. С разстояние от източника, амплитудата на трептенето пада обратно пропорционално на разстоянието. Това означава, че на разстояние от 100 Mpc = 3 × 10 21 km, амплитудата на трептене ще спадне с 21 порядъка и ще стане около 10 −22.

Разбира се, ако сливането се случи в нашата родна галактика, трусовете на пространство-времето, достигнали Земята, ще бъдат много по-силни. Но такива събития се случват на всеки няколко хиляди години. Затова наистина трябва да се разчита само на такъв детектор, който ще може да усети сливането на неутронни звезди или черни дупки на разстояние от десетки до стотици мегапарсеки, което означава, че ще покрие много хиляди и милиони галактики.

Тук трябва да се добави, че косвената индикация за съществуването на гравитационни вълни вече е открита и дори е удостоена с Нобелова награда по физика за 1993 г. Дългосрочните наблюдения на пулсара в двоичната система PSR B1913 + 16 показват, че орбиталният период намалява точно със скоростта, предвидена от общата теория на относителността, като се вземат предвид загубите на енергия поради гравитационното излъчване. Поради тази причина практически никой учен не се съмнява в реалността на гравитационните вълни; единственият въпрос е как да ги хванем.

История на търсенията

Търсенето на гравитационни вълни започна преди около половин век - и почти веднага се превърна в сензация. Джоузеф Вебер от Университета на Мериленд проектира първия резонансен детектор: двуметров алуминиев цилиндър от една част с чувствителни пиезоелектрични сензори отстрани и добра изолация на вибрации от външни вибрации (фиг. 4). Когато преминава гравитационна вълна, цилиндърът резонира във времето с изкривяванията на пространство-времето, които трябва да бъдат записани от сензорите. Вебер построява няколко такива детектора и през 1969 г., след като анализира техните показания по време на една от сесиите, той каза в прав текст, че е регистрирал „звучането на гравитационни вълни“ в няколко детектора, разположени на разстояние два километра един от друг (J. Weber , 1969 г. Доказателство за откриване на гравитационно излъчване). Декларираната от него амплитуда на флуктуациите се оказа невероятно голяма, от порядъка на 10-16, тоест милион пъти по-голяма от типичната очаквана стойност. Посланието на Вебер беше посрещнато с голям скептицизъм в научната общност; освен това други експериментални групи, въоръжени с подобни детектори, не успяха да уловят нито един подобен сигнал в бъдеще.

Усилията на Вебер обаче дадоха тласък на цялата тази област на изследване и дадоха началото на лова за вълните. От 70-те години на миналия век, благодарение на усилията на Владимир Брагински и неговите колеги от Московския държавен университет, СССР също влезе в тази надпревара (вижте за липсата на сигнали за гравитационни вълни). Интересна история за онези времена има в есето Ако момиче падне в дупка .... Брагински, между другото, е един от класиците на цялата теория на квантовите оптични измервания; той за първи път стигна до концепцията за стандартната квантова граница на измерване – ключово ограничение в оптичните измервания – и показа как те по принцип могат да бъдат преодолени. Резонансната схема на Weber беше подобрена и благодарение на дълбокото охлаждане на инсталацията шумът беше рязко намален (вижте списъка и историята на тези проекти). Въпреки това, точността на такива изцяло метални детектори все още беше недостатъчна за надеждно откриване на очаквани събития, а освен това те са настроени да резонират само в много тесен честотен диапазон близо до килохерца.

Много по-обещаващи изглеждаха детекторите, в които не се използва един резониращ обект, а се проследява разстоянието между две несвързани, независимо окачени тела, например две огледала. Поради флуктуацията на пространството, причинена от гравитационната вълна, разстоянието между огледалата ще бъде малко по-голямо, понякога малко по-малко. В този случай, колкото по-голяма е дължината на рамото, толкова по-голямо е абсолютното изместване, причинено от гравитационна вълна с дадена амплитуда. Тези вибрации могат да се усетят от лазерния лъч, минаващ между огледалата. Такава схема е в състояние да регистрира трептения в широк честотен диапазон, от 10 херца до 10 килохерца, и точно това е интервалът, в който ще излъчват сливащи се двойки неутронни звезди или черни дупки със звездни маси.

Съвременната реализация на тази идея на базата на интерферометъра на Майкелсон е както следва (фиг. 5). Огледалата са окачени в две дълги, дълги няколко километра, перпендикулярни една на друга вакуумни камери. На входа на инсталацията лазерният лъч се разделя, минава през двете камери, отразява се от огледалата, връща се и се свързва отново в полупрозрачно огледало. Коефициентът на качество на оптичната система е изключително висок, така че лазерният лъч не просто се връща напред-назад веднъж, а се забавя в тази оптична кухина за дълго време. В „тихо“ състояние дължините се избират така, че двата лъча след обединяването да се гасят един друг по посока на сензора и след това фотодетекторът е в пълна сянка. Но щом огледалата се преместят на микроскопично разстояние под действието на гравитационни вълни, компенсацията на двата лъча става непълна и фотодетекторът ще улови светлината. И колкото по-силно е изместването, толкова по-ярка ще се вижда светлината от фотосензора.

Думите "микроскопично изместване" дори не се доближават до улавяне на финеса на ефекта. Изместването на огледалата от дължината на вълната на светлината, тоест микрони, е лесно да се забележи, дори и без никакви промени. Но с дължина на рамото от 4 km, това съответства на пространствено-времеви трептения с амплитуда 10 -10. Забелязването на изместване на огледалата по диаметъра на атома също не е проблем - достатъчно е да пуснете лазерен лъч, който ще се движи напред-назад хиляди пъти и ще получи необходимото фазово навлизане. Но дори и това дава силата на 10-14. И трябва да слезем по скалата на премествания милиони пъти повече, тоест да се научим как да регистрираме огледално изместване дори не с един атом, а с хилядна част от атомното ядро!

Физиците трябваше да преодолеят много трудности по пътя към тази наистина удивителна технология. Някои от тях са чисто механични: трябва да окачите масивни огледала на окачване, което виси на друго окачване, това на трето окачване и така нататък - и всичко това, за да се отървете от външните вибрации колкото е възможно повече. Други проблеми също са инструментални, но оптични. Например, колкото по-мощен е лъчът, който циркулира оптична система, толкова по-слабо преместването на огледалата може да се види от фотосензора. Но твърде мощният лъч ще загрее неравномерно оптичните елементи, което ще се отрази неблагоприятно на свойствата на самия лъч. Този ефект трябва по някакъв начин да бъде компенсиран и за това през 2000-те години беше стартирана цяла изследователска програма по този въпрос (за история за това изследване вижте новините Преодоляване на препятствие по пътя към високочувствителен детектор за гравитационни вълни, " Елементи", 27.06.2006 г.). И накрая, има чисто фундаментални физически ограничения, свързани с квантовото поведение на фотоните в резонатора и принципа на неопределеността. Те ограничават чувствителността на сензора до стойност, наречена стандартна квантова граница. Физиците обаче вече са се научили да го преодоляват с помощта на умело подготвено квантово състояние на лазерната светлина (J. Aasi et al., 2013. Повишена чувствителност на детектора за гравитационни вълни LIGO чрез използване на притиснати състояния на светлина).

Има цял списък от държави в надпреварата за гравитационни вълни; Русия също има своя собствена инсталация в обсерваторията Баксан и, между другото, е описана в документалния научно-популярен филм на Дмитрий Завилгелски "В очакване на вълни и частици"... Лидерите на тази надпревара сега са две лаборатории - американски проект LIGO и италианският детектор Дева. LIGO включва два идентични детектора, разположени в Ханфорд, Вашингтон, и Ливингстън, Луизиана, на 3000 км един от друг. Наличието на две инсталации е важно по две причини едновременно. Първо, сигналът ще се счита за регистриран само ако и двата детектора го видят едновременно. И второ, по разликата в пристигането на гравитационна вълна при две инсталации - и тя може да достигне 10 милисекунди - е възможно грубо да се определи от коя част на небето е дошъл този сигнал. Вярно е, че с два детектора грешката ще бъде много голяма, но когато Дева влезе в действие, точността ще се увеличи значително.

Строго погледнато, идеята за интерферометрично откриване на гравитационни вълни е предложена за първи път от съветските физици М. Е. Херценщайн и В. И. Пустовойт през 1962 г. Тогава лазерът току-що беше изобретен и Вебер се зае със създаването на своите резонансни детектори. Тази статия обаче не беше забелязана на Запад и всъщност не повлия на развитието реални проекти(вижте историческия преглед Физика на откриването на гравитационни вълни: резонансни и интерферометрични детектори).

Гравитационната обсерватория LIGO е инициирана от трима учени от Масачузетския технологичен институт (MIT) и Калифорнийския технологичен институт (Caltech). Това са Райнер Вайс, който реализира идеята за интерферометричен детектор за гравитационни вълни, Роналд Древър, който постигна достатъчна стабилност на лазерната светлина за регистриране, и Кип Торн, теоретикът-майстор на проекта, вече добре познат на широката публика като научен съветник.филм „Интерстелар“. О ранна историяТворенията на LIGO могат да бъдат прочетени в скорошно интервю с Райнер Вайс и в ретроспекция на Джон Прескил.

Дейностите, свързани с проекта за интерферометрично откриване на гравитационни вълни, започват в края на 70-те години на миналия век и в началото реалността на това начинание също беше поставена под въпрос от мнозина. Въпреки това, след демонстриране на редица прототипи, настоящият проект LIGO беше написан и одобрен. Строена е през последното десетилетие на 20-ти век.

Въпреки че първоначалният тласък за проекта дойде от САЩ, LIGO е наистина международен проект. Петнадесет държави са инвестирали в него финансово и интелектуално, а над хиляда души са членове на сътрудничеството. Съветски и руски физици изиграха важна роля в изпълнението на проекта. Още от самото начало споменатата вече група на Владимир Брагински от Московския държавен университет взе активно участие в реализацията на проекта LIGO, а по-късно към сътрудничеството се присъедини и Институтът по приложна физика от Нижни Новгород.

Обсерваторията LIGO е пусната в експлоатация през 2002 г., като до 2010 г. в нея са проведени шест научни сесии за наблюдение. Не бяха надеждно открити изблици на гравитационни вълни и физиците можеха да поставят само горни граници на честотата на такива събития. Това обаче не ги изненада твърде много: оценките показаха, че в тази част от Вселената, която след това беше „слушана“ от детектора, вероятността за достатъчно мощен катаклизъм е малка: около веднъж на няколко десетилетия.

Домашно разтягане

От 2010 до 2015 г. колаборациите LIGO и Virgo радикално модернизираха оборудването (Virgo обаче все още е в процес на подготовка). И сега дългоочакваната цел беше в полезрението. LIGO - или по-скоро, aLIGO ( Разширено LIGO) - вече беше готов да улови изблици, генерирани от неутронни звезди на разстояние 60 мегапарсека, и черни дупки - стотици мегапарсека. Обемът на Вселената, отворен за слушане на гравитационни вълни, се е увеличил десетократно в сравнение с предишните сесии.

Разбира се, невъзможно е да се предвиди кога и къде ще бъде следващият „взрив“ на гравитационна вълна. Но чувствителността на актуализираните детектори позволи да се разчита на няколко сливания на неутронни звезди годишно, така че първото избухване може да се очаква още по време на първата четиримесечна сесия за наблюдение. Ако говорим за целия проект aLIGO, продължил няколко години, тогава присъдата беше изключително ясна: или изблиците ще падат един след друг, или нещо от общата теория на относителността не работи по принцип. И двете ще бъдат страхотни откровения.

От 18 септември 2015 г. до 12 януари 2016 г. се проведе първата сесия за наблюдение на aLIGO. През цялото това време в интернет циркулираха слухове за регистриране на гравитационни вълни, но сътрудничеството остана мълчаливо: „събираме и анализираме данни и все още не сме готови да докладваме резултатите“. Допълнителна интрига създаде и фактът, че в процеса на анализ самите членове на колаборацията не могат да бъдат напълно сигурни, че виждат реален изблик на гравитационна вълна. Факт е, че в LIGO компютърно генериран пакет понякога се въвежда изкуствено в потока от реални данни. Нарича се "сляпо инжектиране" и от цялата група само трима души (!) имат достъп до системата, която го извършва в произволен момент от време. Екипът трябва да проследи този скок, да го анализира отговорно и само в последните етапи на анализа „картите се отварят“ и членовете на колаборацията ще разберат дали е било реално събитиеили тест за бдителност. Между другото, в един такъв случай през 2010 г. дори се стигна до писане на статия, но засеченият сигнал тогава се оказа просто „сляпа плънка“.

Лирическо отклонение

За да усетя още веднъж тържествеността на момента, предлагам да погледнем на тази история от другата страна, отвътре на науката. Когато е трудно, недостъпно научна задачане се поддава на няколко години - това е нормален работен момент. Когато не отстъпва за повече от едно поколение, се възприема по съвсем различен начин.

Като ученик четете научнопопулярни книги и научавате за тази трудна за решаване, но ужасно интересна научна загадка. Като студент изучавате физика, правите доклади и понякога, до точката или не, хората около вас ви напомнят за нейното съществуване. Тогава вие сами се занимавате с наука, работите в друга област на физиката, но редовно чувате за неуспешни опити да го разрешите. Разбира се, разбирате, че някъде се работи активно за решаването му, но крайният резултат за вас като човек отвън остава непроменен. Проблемът се възприема като статичен фон, като декорация, като вечен и почти неизменен елемент на физиката в мащаба на вашия научен живот. Като задача, която винаги е била и ще бъде.

И тогава го решават. И изведнъж, в мащаб от няколко дни, усещате, че физическата картина на света се е променила и че сега трябва да се формулира в различни изрази и да се задават други въпроси.

За хората, които директно работят върху търсенето на гравитационни вълни, тази задача, разбира се, не остана непроменена. Те виждат целта, знаят какво трябва да се постигне. Те, разбира се, се надяват, че природата също ще ги посрещне и ще ги хвърли близката галактикамощен прилив, но в същото време разбират, че дори и природата да не е толкова подкрепяща, тя вече няма да се крие от учените. Единственият въпрос е кога точно ще успеят да постигнат техническите си цели. Историята на това чувство от човек, който от няколко десетилетия търси гравитационни вълни, може да чуете във вече споменатия филм "В очакване на вълни и частици".

Отваряне

На фиг. 7 показва основния резултат: профилът на сигнала, записан от двата детектора. Вижда се, че на фона на шума отначало трептенията с желаната форма се появяват слабо, а след това се увеличават по амплитуда и честота. Сравнението с резултатите от числените симулации ни позволи да разберем кои обекти, които наблюдавахме да се сливат: те бяха черни дупки с маси от около 36 и 29 слънчеви маси, които се сляха в една черна дупка с маса от 62 слънчеви маси (грешката на всички тези числа, съответстващи на 90% доверителен интервал, са 4 слънчеви маси). Авторите отбелязват мимоходом, че получената черна дупка е най-тежката черна дупка със звездна маса, наблюдавана някога. Разликата между общата маса на двата оригинални обекта и крайната черна дупка е 3 ± 0,5 слънчеви маси. Този дефект на гравитационната маса за около 20 милисекунди напълно се трансформира в енергията на излъчваните гравитационни вълни. Изчисленията показаха, че пиковата сила на гравитационната вълна достига 3,6 · 10 56 erg/s, или, по отношение на масата, около 200 слънчеви маси в секунда.

Статистическата значимост на открития сигнал е 5.1σ. С други думи, ако приемем, че тези статистически флуктуации са били насложени една върху друга и чисто случайно са предизвикали подобен взрив, такова събитие ще трябва да изчака 200 хиляди години. Това ни позволява да заявим с увереност, че откритият сигнал не е флуктуация.

Времето закъснение между двата детектора беше приблизително 7 милисекунди. Това даде възможност да се оцени посоката на пристигане на сигнала (фиг. 9). Тъй като има само два детектора, локализацията се оказа много приблизителна: районът на небесната сфера, подходящ по отношение на параметрите, е 600 квадратни градуса.

Сътрудничеството на LIGO не се ограничи само до констатиране на факта на регистриране на гравитационни вълни, но също така направи първия анализ на това какви последици има това наблюдение за астрофизика. В статията Астрофизични последици от сливането на двоична черна дупка GW150914, публикувана на същия ден в списанието The Astrophysical Journal Letters, авторите оценяват честотата, с която се случват такива сливания на черни дупки. Оказа се поне едно сливане в кубичен гигапарсек на година, което е в съответствие с прогнозите на най-оптимистичните модели в това отношение.

За какво ви разказват гравитационните вълни

Откриването на ново явление след десетилетия на търсене не е краят, а само началото на нов клон на физиката. Разбира се, регистрирането на гравитационните вълни от сливането на черните две е важно само по себе си. Това е пряко доказателство за съществуването на черни дупки и за съществуването на двойни черни дупки, и за реалността на гравитационните вълни и, най-общо казано, доказателство за правилността на геометричния подход към гравитацията, на който се основава общата теория на относителността. Но за физиците не по-малко ценен е фактът, че астрономията с гравитационни вълни се превръща в нов изследователски инструмент, който им позволява да изучават това, което преди е било недостъпно.

Първо, това е нов начин за разглеждане на Вселената и изучаване на космическите катаклизми. За гравитационните вълни няма пречки, те преминават през всичко във Вселената без проблеми. Те са самодостатъчни: техният профил носи информация за процеса, който ги е породил. И накрая, ако една грандиозна експлозия генерира едновременно оптичен, неутрино и гравитационен изблик, тогава можете да опитате да хванете всички тях, да ги сравните един с друг и да разберете в недостъпни досега подробности какво се е случило там. Да може да се уловят и сравняват толкова различни сигнали от едно събитие е основната цел на астрономията с всички сигнали.

Когато детекторите за гравитационни вълни станат още по-чувствителни, те ще могат да регистрират треперенето на пространство-времето не в момента на сливането, а няколко секунди преди него. Те автоматично ще изпратят своя предупредителен сигнал към общата мрежа от станции за наблюдение, а астрофизичните спътници-телескопи, след като са изчислили координатите на предложеното сливане, ще имат време да се обърнат в правилната посока за тези секунди и да започнат да снимат небето преди оптичния избухването започва.

Второ, избухването на гравитационната вълна ще ви позволи да научите нови неща за неутронните звезди. Сливането на неутронни звезди всъщност е най-новият и най-екстремен експеримент върху неутронните звезди, който природата може да постави за нас, а ние, като зрители, ще трябва само да наблюдаваме резултатите. Наблюдателните последици от такова сливане могат да бъдат разнообразни (фиг. 10) и чрез въвеждане на тяхната статистика можем по-добре да разберем поведението на неутронните звезди в такива екзотични условия. Общ преглед състояние на техникатаслучаи в тази посока могат да бъдат намерени в скорошната публикация S. Rosswog, 2015. Multi-messenger картина на компактни бинарни сливания.

Трето, регистрирането на взрив, дошъл от свръхнова, и сравнението му с оптични наблюдения ще ни позволи най-накрая да разберем подробностите за това, което се случва там вътре, в самото начало на колапса. Сега физиците все още имат трудности с численото моделиране на този процес.

Четвърто, физиците, занимаващи се с теорията на гравитацията, имат желана „лаборатория“ за изследване на ефектите от силната гравитация. Досега всички ефекти на общата теория на относителността, които можехме директно да наблюдаваме, бяха свързани с гравитацията в слаби полета. Какво се случва в условия на силна гравитация, когато пространствено-времеви изкривявания започват да взаимодействат силно със себе си, можем само да гадаем от косвени прояви, чрез оптичното ехо на космическите катастрофи.

Пето, има нова възможност за тестване на екзотични теории за гравитацията. Такива теории в съвременна физикавече много, вижте например посветената им глава от популярната книга на А. Н. Петров „Гравитация“. Някои от тези теории наподобяват обикновената обща теория на относителността в границата на слабото поле, но могат да бъдат много различни от нея, когато гравитацията стане много силна. Други признават съществуването на нов тип поляризация за гравитационните вълни и предвиждат скорост, малко по-различна от скоростта на светлината. И накрая, има теории, които включват допълнителни пространствени измерения. Какво може да се каже за тях на базата на гравитационните вълни е отворен въпрос, но е ясно, че тук може да се извлече някаква информация. Препоръчваме също да прочетете мнението на самите астрофизици за това какво ще се промени с откриването на гравитационни вълни в селекцията на Post Science.

Планове за бъдещето

Перспективите за астрономията на гравитационните вълни са най-окуражаващи. Сега приключи само първата, най-кратка сесия за наблюдение на детектора aLIGO - и вече за това кратко време беше уловен ясен сигнал. По-точно би било да се каже това: първият сигнал беше уловен още преди официалния старт, а колаборацията все още не е отчела за четирите месеца работа. Кой знае, може би там вече има няколко допълнителни изблици? По един или друг начин, но по-нататък, тъй като чувствителността на детекторите се увеличава и частта от Вселената, достъпна за гравитационни вълни, се разширява, броят на регистрираните събития ще расте като лавина.

Очакваният график на мрежовите сесии на LIGO-Virgo е показан на фиг. 11. Втората, шестмесечна сесия ще започне в края на тази година, третата сесия ще отнеме почти цялата 2018 г., като на всеки етап чувствителността на детектора ще се увеличава. В района на 2020 г. aLIGO трябва да достигне планираната чувствителност, което ще позволи на детектора да изследва Вселената за сливане на неутронни звезди, разположени на разстояние до 200 Mpc от нас. За още по-енергични събития от сливания на черни дупки, чувствителността може да достигне почти гигапарсек. По един или друг начин обемът на Вселената, достъпен за наблюдение, ще се увеличи десетократно повече в сравнение с първата сесия.

Обновената италианска лаборатория Virgo също ще влезе в действие по-късно тази година. Чувствителността му е малко по-ниска от тази на LIGO, но също така е доста прилична. Благодарение на метода на триангулация, тройни раздалечени детектори ще позволят много по-добре да се реконструира позицията на източниците в небесната сфера. Ако сега с два детектора зоната на локализация достигне стотици квадратни градуса, то три детектора ще я намалят до десетки. Освен това в Япония в момента се изгражда подобна антена за гравитационни вълни KAGRA, която ще започне работа след две до три години, а в Индия, в района на 2022 г., се планира пускането на детектора LIGO-India. В резултат на това няколко години по-късно цяла мрежа от детектори за гравитационни вълни ще работи и ще регистрира редовно сигнали (фиг. 13).

И накрая, има планове за изстрелване в космоса на инструменти за гравитационни вълни, по-специално проекта eLISA. Преди два месеца в орбита беше изведен първият тестов спътник, чиято задача ще бъде да изпробва технологиите. Все още има дълъг път до реалното откриване на гравитационни вълни. Но когато тази група спътници започне да събира данни, тя ще отвори друг прозорец към Вселената – чрез нискочестотни гравитационни вълни. Този подход на всички вълни към гравитационните вълни е основната дългосрочна цел на тази област.

Паралели

Откриването на гравитационните вълни се превърна в третия случай през последните години, когато физиците най-накрая преодолеха всички препятствия и стигнаха до непознатите досега тънкости на структурата на нашия свят. През 2012 г. беше открит бозонът на Хигс - частица, предсказана почти половин век по-късно. През 2013 г. детекторът за неутрино IceCube доказа реалността на астрофизичните неутрино и започна да „гледа Вселената“ по съвсем нов, недостъпен досега начин – чрез високоенергийни неутрино. И сега природата отново се поддаде на човека: отвори се „прозорец” на гравитационна вълна за наблюдение на Вселената и в същото време ефектите на силната гравитация станаха достъпни за директно изследване.

Трябва да кажа, че никъде тук нямаше никаква "халява" от природата. Търсенето се извършваше много дълго време, но не се предаваше, защото тогава, преди десетилетия, оборудването не постигаше резултата по отношение на енергия, мащаб или чувствителност. Стабилното, целенасочено развитие на технологиите доведе до целта, развитие, което не беше спряно нито от технически трудности, нито от негативните резултати от предишни години.

И в трите случая самият факт на откриването не беше краят, а, напротив, началото на нова посока на изследване, се превърна в нов инструмент за изследване на нашия свят. Свойствата на бозона на Хигс станаха измерими - и в тези данни физиците се опитват да разпознаят ефектите на Новата физика. Благодарение на увеличената статистика на високоенергийните неутрино, неутрината астрофизика прави първите си стъпки. Поне същото се очаква сега от астрономията на гравитационните вълни и има всички основания за оптимизъм.

Източници:
1) LIGO Scientific Coll. и Дева Кол. Наблюдение на гравитационни вълни от сливане на двоична черна дупка // физ. Rev. Lett.Публикувано на 11 февруари 2016 г.
2) Документи за откриване - Списък с технически статии, придружаващи основната статия за откриване.
3) Е. Берти. Гледна точка: Първите звуци от сливане на черни дупки // Физика. 2016. Т. 9. № 17.

Материали за преглед:
1) Дейвид Блеър и др. Астрономия на гравитационните вълни: текущото състояние // arXiv: 1602.02872.
2) Бенджамин П. Абът и LIGO Scientific Collaboration и Virgo Collaboration. Перспективи за наблюдение и локализиране на преходни процеси на гравитационни вълни с Advanced LIGO и Advanced Virgo // Живият преп. Относителност... 2016. V. 19.N. 1.
3) О. Д. Агиар. Миналото, настоящето и бъдещето на детекторите за гравитационни вълни с резонансна маса // Рез. Астрон. Астрофизис. 2011. Т. 11. № 1.
4) Търсенето на гравитационни вълни – подбор от материали на сайта на списанието науказа търсенето на гравитационни вълни.
5) Матю Питкин, Стюарт Рийд, Шийла Роуан, Джим Хаф. Откриване на гравитационни вълни чрез интерферометрия (земя и космос) // arXiv: 1102.3355.
6) В. Б. Брагински. Астрономия на гравитационните вълни: нови методи за измерване // UFN... 2000. Т. 170, с. 743–752.
7) Питър Р. Солсън.

Но повече ме интересува какво неочакваното може да се открие с помощта на гравитационни вълни. Всеки път, когато хората наблюдават Вселената по нов начин, ние откриваме много неочаквани неща, които обръщат разбирането ни за Вселената с главата надолу. Искам да намеря тези гравитационни вълни и да открия нещо, за което нямахме представа преди.

Ще ни помогне ли това да направим истинско варп задвижване?

Тъй като гравитационните вълни взаимодействат слабо с материята, те трудно могат да бъдат използвани за придвижване на тази материя. Но дори и да можете, гравитационната вълна се движи само със скоростта на светлината. Те няма да работят за warp задвижване. Все пак би било готино.

Какво ще кажете за антигравитационни устройства?

За да създадем антигравитационно устройство, трябва да преобразуваме силата на гравитацията в сила на отблъскване. И въпреки че гравитационната вълна разпространява промените в гравитацията, тази промяна никога не е отблъскваща (или отрицателна).

Гравитацията винаги е привлекателна, защото изглежда, че отрицателната маса не съществува. В крайна сметка има положителен и отрицателен заряд, северен и южен магнитен полюс, но само положителна маса. Защо? Ако съществуваше отрицателна маса, топката материя щеше да падне нагоре, а не надолу. Той щеше да бъде отблъснат от положителната маса на Земята.

Какво означава това за пътуване във времето и телепортация? Можем ли да намерим практически приложения за това явление, освен да изучаваме нашата Вселена?

Сега По най-добрия начинПътуването във времето (и само към бъдещето) е да пътувате със скорост, близка до светлината (спомнете си парадокса на близнаците в общата теория на относителността) или да отидете в регион с повишена гравитация (този вид пътуване във времето беше демонстрирано в Interstellar). Тъй като гравитационната вълна разпространява промени в гравитацията, ще се генерират много малки флуктуации в скоростта на времето, но тъй като гравитационните вълни по своята същност са слаби, времевите флуктуации също са слаби. И макар да не мисля, че можете да приложите това към пътуване във времето (или телепортация), никога не казвайте никога (обзалагам се, че сте ахнали).

Ще дойде ли денят, когато спрем да потвърждаваме Айнщайн и отново ще започнем да търсим странни неща?

Разбира се! Тъй като гравитацията е най-слабата от силите, с нея също е трудно да се експериментира. Досега всеки път, когато учените са тествали общата теория на относителността, те са получавали точно предвидени резултати. Дори откриването на гравитационни вълни още веднъж потвърди теорията на Айнщайн. Но предполагам, че когато започнем да проверяваме и най-малките детайли на теорията (може би с гравитационни вълни, може би с друга), ще открием „смешни“ неща, като не съвсем точно съвпадение на резултата от експеримента с прогнозата. Това няма да означава, че общата теория на относителността е погрешна, а само необходимостта от изясняване на нейните подробности.

Всеки път, когато отговорим на един въпрос за природата, се появяват нови. В крайна сметка ще имаме въпроси, които ще бъдат по-хладни от отговорите, които общата теория на относителността може да позволи.

Можете ли да обясните как това откритие може да се отнася или да повлияе на единната теория на полето? По-близо ли сме да го потвърдим или развенчаем?

Сега резултатите от нашето откритие са посветени основно на проверката и потвърждението на общата теория на относителността. Единната теория на полето търси начин да създаде теория, която обяснява физиката на много малки ( квантова механика) и много голям (обща теория на относителността). Сега тези две теории могат да бъдат обобщени, за да обяснят мащаба на света, в който живеем, но не повече. Тъй като нашето откритие се фокусира върху физиката на много голямото, то само по себе си няма да ни придвижи много към единна теория. Но не това е въпросът. Сега областта на физиката на гравитационните вълни току-що се роди. Когато научим повече, определено ще разширим резултатите си в областта на единната теория. Но преди да бягате, трябва да ходите.

Сега, когато слушаме гравитационните вълни, какво трябва да чуят учените, за да издухат буквално тухлата? 1) Неестествени модели/структури? 2) Източници на гравитационни вълни от региони, които смятахме за празни? 3) Рик Астли - Никога няма да се откажа от теб?

Когато прочетох въпроса ти, веднага се сетих за сцената от "Контакт", в която радиотелескопът хваща шаблони прости числа... Едва ли това може да се намери в природата (доколкото знаем). Така че вашият вариант с неестествен модел или структура би бил най-вероятен.

Не мисля, че някога ще бъдем сигурни за празнота в определен регион на пространството. В крайна сметка системата от черна дупка, която открихме, беше изолирана и от този регион не идваше никаква светлина, но все пак открихме гравитационни вълни там.

По отношение на музиката... Специализирам се в отделянето на сигнали от гравитационни вълни от статичен шум, който постоянно измерваме на фона. заобикаляща среда... Ако намеря музика в гравитационната вълна, особено тази, която съм чувал преди, това би било шега. Но музика, която не се е чувала на Земята... Би било като с прости случаи от „Контакт”.

Тъй като експериментът регистрира вълни чрез промяна на разстоянието между два обекта, по-голяма ли е амплитудата на една посока от другата? В противен случай четените данни означават ли, че Вселената се променя по размер? И ако е така, това разширение ли е или нещо неочаквано?

Трябва да видим много гравитационни вълни, идващи от много различни посоки във Вселената, преди да можем да отговорим на този въпрос. В астрономията това създава модел на населението. Колко различни видове неща има? Това е основният въпрос. След като имаме много наблюдения и започнем да виждаме неочаквани закономерности, например, че гравитационните вълни от определен тип идват от определена част на Вселената и от никъде другаде, това ще бъде изключително интересен резултат. Някои модели биха могли да потвърдят разширяването (в което сме много уверени) или други явления, за които все още не сме знаели. Но първо трябва да се видят много повече гравитационни вълни.

За мен е напълно непонятно как учените са определили, че вълните, които измерват, принадлежат на две свръхмасивни черни дупки. Как може да се идентифицира източникът на вълните с такава точност?

Техниките за анализ на данни използват каталог от прогнозирани сигнали на гравитационни вълни, за да се сравнят с нашите данни. Ако има силна корелация с едно от тези прогнози или модели, тогава ние не само знаем, че това е гравитационна вълна, но също така знаем коя система я е образувала.

Всеки един начин за създаване на гравитационна вълна, независимо дали става дума за сливане на черни дупки, въртене или смърт на звезди, всички вълни имат различни форми. Когато открием гравитационна вълна, ние използваме тези форми, както е предвидено от общата теория на относителността, за да определим тяхната причина.

Как да разберем, че тези вълни са дошли от сблъсъка на две черни дупки, а не от някакво друго събитие? Възможно ли е да се предвиди къде или кога се е случило подобно събитие с някаква степен на точност?

След като знаем коя система е произвела гравитационната вълна, можем да предвидим колко силна е била гравитационната вълна в близост до мястото си на раждане. Чрез измерване на силата му, когато достига Земята и сравнявайки нашите измервания с прогнозираната сила на източника, можем да изчислим колко далеч е източникът. Тъй като гравитационните вълни се движат със скоростта на светлината, можем също да изчислим колко време е било необходимо на гравитационните вълни да пътуват към Земята.

В случая на откритата от нас система от черна дупка, ние измерихме максималната промяна в дължината на рамената на LIGO с 1/1000 от диаметъра на протона. Тази система се намира на 1,3 милиарда светлинни години от нас. Гравитационната вълна, открита през септември и обявена онзи ден, се движи към нас от 1,3 милиарда години. Това се случи преди да се формира животинският живот на Земята, но след появата на многоклетъчни организми.

По време на съобщението беше обявено, че други детектори ще търсят вълни с по-дълъг период - някои от които ще бъдат космически. Какво можете да ни кажете за тези големи детектори?

Наистина има космически детектор в процес на разработка. Нарича се LISA (космическа антена за лазерен интерферометър). Тъй като ще бъде в космоса, той ще бъде доста чувствителен към нискочестотни гравитационни вълни, за разлика от земните детектори, поради естествените вибрации на Земята. Ще бъде трудно, тъй като спътниците ще трябва да бъдат разположени по-далеч от Земята, отколкото хората някога са били. Ако нещо се обърка, няма да можем да изпратим астронавти за ремонт. За да тествате необходимите технологии,. До момента тя се справи с всички поставени задачи, но мисията далеч не е изпълнена.

Могат ли гравитационните вълни да се превърнат в звукови? И ако да, как ще изглеждат?

Мога. Разбира се, няма да чуете просто гравитационна вълна. Но ако вземете сигнала и го прокарате през високоговорителите, можете да го чуете.

Какво да правим с тази информация? Други астрономически обекти със значителна маса излъчват ли тези вълни? Могат ли вълните да се използват за намиране на планети или прости черни дупки?

Когато търсите гравитационни стойности, не само масата е от значение. Също така и ускорението, което е присъщо на обекта. Черните дупки, които открихме, се въртяха една около друга със 60% скорост на светлината, когато се сляха. Следователно успяхме да ги открием по време на сливането. Но сега те вече не получават гравитационни вълни, тъй като са се слели в една неактивна маса.

Така че всичко, което има много маса и се движи много бързо, създава гравитационни вълни, които могат да бъдат уловени.

Екзопланетите е малко вероятно да имат достатъчно маса или ускорение, за да създадат откриваеми гравитационни вълни. (Не казвам, че изобщо не ги създават, само че няма да са достатъчно силни или с различна честота). Дори ако екзопланетата е достатъчно масивна, за да генерира необходимите вълни, ускорението ще я разкъса. Не забравяйте, че най-масивните планети обикновено са газови гиганти.

Колко вярна е аналогията с водната вълна? Можем ли да яздим тези вълни? Има ли гравитационни "върхове" като вече познатите "кладенци"?

Тъй като гравитационните вълни могат да се движат през материята, няма начин да ги яздите или да ги използвате за движение. Така че няма сърфиране с гравитационни вълни.

Върховете и кладенците са прекрасни. Гравитацията винаги привлича, защото няма отрицателна маса. Не знаем защо, но никога не е било наблюдавано в лаборатория или във Вселената. Следователно гравитацията обикновено се представя като "кладенец". Масата, която се движи по този "кладенец", ще се изсипе навътре; така работи привличането. Ако имате отрицателна маса, тогава ще получите отблъскване, а с това и "пика". Масата, която се движи на „пика“, ще се извие от него. Така че "кладенците" съществуват, но "върховете" не.

Аналогията с водата е добра, стига да говорим за факта, че силата на вълната намалява с изминатото разстояние от източника. Водната вълна ще става все по-малка и по-малка, а гравитационната ще става все по-слаба.

Как това откритие ще повлияе на нашето описание на инфлационния период Голям взрив?

В момента това откритие има малък или никакъв ефект върху инфлацията. За да правите изявления като това, трябва да наблюдавате реликтните гравитационни вълни на Големия взрив. Проектът BICEP2 вярваше, че косвено наблюдава тези гравитационни вълни, но се оказа, че за това е виновен космическият прах. Ако получи нужните му данни, това също ще потвърди съществуването на кратък период на инфлация малко след Големия взрив.

LIGO ще може да види тези гравитационни вълни директно (това ще бъде и най-слабият тип гравитационни вълни, които се надяваме да открием). Ако ги видим, ще можем да надникнем дълбоко в миналото на Вселената, както не сме гледали преди, и да съдим за инфлацията от получените данни.

Първото директно откриване на гравитационни вълни беше разкрито пред света на 11 февруари 2016 г. и генерира заглавия по целия свят. За това откритие физиците получиха Нобелова награда през 2017 г. и официално поставиха началото на нова ера на гравитационната астрономия. Но група физици от Института Нилс Бор в Копенхаген, Дания, поставят под въпрос констатацията въз основа на собствен независим анализ на данни през последните две години и половина.

Един от най-мистериозните обекти в света, черните дупки, редовно привличат вниманието към себе си. Знаем, че се сблъскват, сливат, променят яркостта и дори се изпаряват. И все пак, на теория, черните дупки могат да свържат вселените помежду си, използвайки. Въпреки това, всичките ни знания и предположения за тези масивни обекти може да се окажат неточни. Напоследък в научната общност се появиха слухове, че учените са получили сигнал, излъчван от черна дупка, чийто размер и маса са толкова огромни, че съществуването й е физически невъзможно.

Първото директно откриване на гравитационни вълни беше разкрито пред света на 11 февруари 2016 г. и генерира заглавия по целия свят. За това откритие физиците получиха Нобелова награда през 2017 г. и официално поставиха началото на нова ера на гравитационната астрономия. Но група физици от Института Нилс Бор в Копенхаген поставят под въпрос констатацията въз основа на собствен независим анализ на данни през последните две години и половина.

Официалният ден за откриване (откриване) на гравитационни вълни е 11 февруари 2016 г. Тогава, на пресконференция, проведена във Вашингтон, лидерите на колаборацията LIGO обявиха, че екип от изследователи е успял да запише това явление за първи път в човешката история.

Пророчества на великия Айнщайн

Алберт Айнщайн предполага, че гравитационните вълни съществуват в началото на миналия век (1916 г.) в рамките на формулираната от него Обща теория на относителността (ОТО). Остава само да се учудим на блестящите способности на известния физик, който с минимум реални данни успя да направи толкова далечни заключения. Сред многото други предсказани физически явления, които намериха потвърждение през следващия век (забавяне на течението на времето, промяна на посоката на електромагнитното излъчване в гравитационни полета и т.н.), доскоро не беше възможно на практика да се установи наличието на това вид вълново взаимодействие на телата.

Илюзия ли е гравитацията?

Като цяло, в светлината на Теорията на относителността, гравитацията трудно може да се нарече сила. смущения или изкривявания на пространствено-времевия континуум. Разтегнато парче плат е добър пример за илюстриране на този постулат. Под тежестта на масивен предмет, поставен върху такава повърхност, се образува депресия. Други обекти, движещи се близо до тази аномалия, ще променят траекторията си, сякаш „биха привлечени“. И колкото по-голямо е теглото на обекта (колкото по-голям е диаметърът и дълбочината на кривината), толкова по-висока е "силата на гравитацията". Когато се движи по протежение на тъканта, можете да наблюдавате появата на разминаващи се "пулсации".

Нещо подобно се случва в световното пространство. Всяка бързо движеща се масивна материя е източник на флуктуации в плътността на пространството и времето. Гравитационна вълна със значителна амплитуда се образува от тела с изключително големи маси или при движение с огромни ускорения.

физически характеристики

Осцилациите на метриката пространство-време се проявяват като промени в гравитационното поле. Това явление по друг начин се нарича пространствено-времеви вълни. Гравитационна вълна действа върху срещнатите тела и обекти, като ги компресира и разтяга. Стойностите на деформация са много незначителни - около 10 -21 от първоначалния размер. Цялата трудност при откриването на това явление беше, че изследователите трябваше да се научат как да измерват и записват такива промени с помощта на подходящо оборудване. Силата на гравитационното излъчване също е изключително малка - за цялата Слънчева система тя възлиза на няколко киловата.

Скоростта на разпространение на гравитационните вълни леко зависи от свойствата на проводящата среда. Амплитудата на трептене постепенно намалява с разстоянието от източника, но никога не достига нула. Честотата варира от няколко десетки до стотици херца. Скоростта на гравитационните вълни в междузвездната среда се доближава до скоростта на светлината.

Косвени доказателства

За първи път теоретичното потвърждение за съществуването на гравитационни вълни е получено от американския астроном Джоузеф Тейлър и неговия асистент Ръсел Хълс през 1974 г. Изучавайки необятността на Вселената с радиотелескопа на обсерваторията Аресибо (Пуерто Рико), изследователите откриха пулсара PSR B1913 + 16, който е двоична система от неутронни звезди, въртящи се около общ център на масата с постоянна ъглова скорост ( доста рядък случай). Годишно орбиталният период, който първоначално е бил 3,75 часа, се намалява със 70 ms. Тази стойност е напълно съвместима с изводите от общите уравнения на относителността, предвиждащи увеличаване на скоростта на въртене на такива системи поради разхода на енергия за генериране на гравитационни вълни. По-късно са открити няколко двойни пулсара и бели джуджета с подобно поведение. Радиоастрономите Д. Тейлър и Р. Халс са удостоени с Нобелова награда по физика през 1993 г. за откриването на нови възможности за изследване на гравитационните полета.

Бягство от гравитационна вълна

Първото приложение за откриване на гравитационни вълни идва от учения от Университета на Мериленд Джоузеф Вебер (САЩ) през 1969 г. За тези цели той използва две гравитационни антени по собствен дизайн, разделени на разстояние от два километра. Резонансният детектор беше добре изолиран от вибрации двуметров алуминиев цилиндър, снабден с чувствителни пиезоелектрични сензори. Амплитудата на колебанията, за които се твърди, че е регистриран от Вебер, се оказва повече от милион пъти по-висока от очакваната стойност. Опитите на други учени с помощта на подобно оборудване да повторят "успеха" на американския физик не дават положителни резултати. Няколко години по-късно работата на Вебер в тази област беше счетена за несъстоятелна, но даде тласък за развитието на "гравитационен бум", който привлече много специалисти в тази област на изследване. Между другото, самият Джоузеф Вебер до края на дните си беше сигурен, че получава гравитационни вълни.

Подобряване на приемното оборудване

През 70-те години ученият Бил Феърбанк (САЩ) разработва антена с гравитационни вълни, охлаждана с помощта на калмари - свръхчувствителни магнитометри. Съществуващите по това време технологии не позволяват на изобретателя да види своя продукт, реализиран в "метал".

Това е принципът зад гравитационния детектор Auriga в Националната лаборатория Legnard (Падуа, Италия). Конструкцията е базирана на алуминиево-магнезиев цилиндър, дълъг 3 метра и диаметър 0,6 м. Приемното устройство с тегло 2,3 тона е окачено в изолирана вакуумна камера, охладена до почти абсолютна нула. За фиксиране и откриване на удари се използват допълнителен килограмов резонатор и компютърно базиран измервателен комплекс. Обявената чувствителност на оборудването е 10 -20.

Интерферометри

Функционирането на интерференционните детектори на гравитационните вълни се основава на същите принципи, по които работи интерферометърът на Майкелсон. Лазерният лъч, излъчван от източника, се разделя на два потока. След множество отражения и пътувания по протежение на раменете на устройството, потоците отново се събират заедно и крайната преценка се използва, за да се прецени дали някакви смущения (например гравитационна вълна) са повлияли на пътя на лъчите. Подобно оборудване е създадено в много страни:

• GEO 600 (Хановер, Германия). Дължината на вакуумните тунели е 600 метра.
• TAMA (Япония) с рамене от 300 м.
• VIRGO (Пиза, Италия) е съвместен френско-италиански проект, стартиран през 2007 г. с трикилометрови тунели.
• LIGO (САЩ, тихоокеанското крайбрежие), водеща в лова за гравитационни вълни от 2002 г.

Последното си струва да се разгледа по-подробно.

LIGO Advanced

Проектът е иницииран от учени от Масачузетс и Калифорния технологични институти... Включва две обсерватории, разделени на 3 хиляди км, в и Вашингтон (градовете Ливингстън и Ханфорд) с три еднакви интерферометра. Дължината на перпендикулярните вакуумни тунели е 4000 метра. Това са най-големите подобни структури, които в момента са в експлоатация. До 2011 г. многобройните опити за откриване на гравитационни вълни не доведоха до никакви резултати. Значителната модернизация (Advanced LIGO) увеличи чувствителността на оборудването в диапазона 300-500 Hz с повече от пет пъти, а в нискочестотната област (до 60 Hz) почти с порядък, достигайки много -желана стойност от 10 -21. Актуализираният проект стартира през септември 2015 г., а усилията на повече от хиляда сътрудници бяха възнаградени с резултатите.

Открити са гравитационни вълни

На 14 септември 2015 г. подобрени LIGO детектори с интервал от 7 ms записаха гравитационни вълни, достигнали нашата планета от най-голямото явление, случило се в покрайнините на наблюдаваната Вселена - сливането на две големи черни дупки с маси 29 и 36 пъти по-големи от маса на Слънцето. По време на процеса, който се проведе преди повече от 1,3 милиарда години, за части от секундата, около три слънчеви маси материя бяха изразходвани за излъчване на гравитационни вълни. Записаната първоначална честота на гравитационните вълни е 35 Hz, а максималната пикова стойност достига 250 Hz.

Получените резултати бяха многократно подлагани на цялостна проверка и обработка, а алтернативните интерпретации на получените данни бяха внимателно отрязани. И накрая, миналата година пред световната общност беше обявено прякото регистриране на явлението, предсказано от Айнщайн.

Факт, който илюстрира титаничната работа на изследователите: амплитудата на флуктуациите в размера на рамената на интерферометрите е 10 -19 m - тази стойност е толкова пъти по-малка от диаметъра на атома, колкото самият той е по-малък отколкото портокал.

Допълнителни гледни точки

Това откритие още веднъж потвърждава, че Общата теория на относителността не е просто набор от абстрактни формули, а принципно нов поглед върху същността на гравитационните вълни и гравитацията като цяло.

В по-нататъшни изследвания учените възлагат големи надежди на проекта ELSA: създаването на гигантски орбитален интерферометър с рамена от около 5 милиона км, способен да открива дори малки смущения на гравитационните полета. Интензифицирането на работата в тази посока може да разкаже много за основните етапи от развитието на Вселената, за процесите, чието наблюдение в традиционните диапазони е трудно или невъзможно. Несъмнено черните дупки, чиито гравитационни вълни ще бъдат записани в бъдеще, ще разкажат много за тяхната природа.

За изследване на реликтната гравитационна радиация, която може да разкаже за първите моменти на нашия свят след Големия взрив, ще са необходими по-чувствителни космически инструменти. Такъв проект съществува ( Наблюдател на Големия взрив), но изпълнението му, според уверенията на експертите, е възможно не по-рано от 30-40 години.

Сто години след теоретичното предсказание, направено от Алберт Айнщайн в рамките на общата теория на относителността, учените успяха да потвърдят съществуването на гравитационни вълни. Започва ерата на принципно нов метод за изучаване на дълбокия космос - гравитационно-вълновата астрономия.

Откритията са различни. Те са случайни, в астрономията са често срещани. Има и някои не съвсем случайни, направени в резултат на внимателно „прочесване на терена“, като например откриването на Уран от Уилям Хершел. Има случайности - когато са търсили едно, а са намерили друго: например откриват Америка. Но планираните открития заемат специално място в науката. Те се основават на ясни теоретични прогнози. Това, което се предвижда, се търси преди всичко, за да се потвърди теорията. Такива открития включват откриване на бозона на Хигс в Големия адронен колайдер и регистриране на гравитационни вълни с помощта на лазерно-интерферометричната гравитационна обсерватория LIGO. Но за да регистрирате някакво явление, предсказано от теорията, трябва доста добре да разберете какво точно и къде да търсите, както и какви инструменти са необходими за това.

Гравитационните вълни традиционно се наричат ​​предсказание на общата теория на относителността (ОТО) и това наистина е така (въпреки че сега такива вълни присъстват във всички модели, които са алтернативни на ОТО или го допълват). Появата на вълни се причинява от ограничеността на скоростта на разпространение на гравитационното взаимодействие (в общата теория на относителността тази скорост е точно равна на скоростта на светлината). Такива вълни са смущения на пространство-времето, разпространяващи се от източник. За появата на гравитационни вълни е необходимо източникът да пулсира или да се ускорява, но по определен начин. Да кажем, че движенията с перфектна сферична или цилиндрична симетрия не са подходящи. Има много такива източници, но често те имат малка маса, недостатъчна за генериране на мощен сигнал. В крайна сметка гравитацията е най-слабото от четирите фундаментални взаимодействия, така че е много трудно да се регистрира гравитационен сигнал. Освен това, за регистрация е необходимо сигналът да се променя бързо с течение на времето, тоест да има достатъчно висока честота. В противен случай няма да можем да го регистрираме, тъй като промените ще бъдат твърде бавни. Това означава, че обектите също трябва да са компактни.

Първоначално голям ентусиазъм беше предизвикан от експлозии на свръхнови, които се случват в галактики като нашата на всеки няколко десетилетия. Това означава, че ако можете да постигнете чувствителност, която ви позволява да виждате сигнала от разстояние от няколко милиона светлинни години, можете да разчитате на няколко сигнала годишно. Но по-късно се оказа, че първоначалните оценки за силата на освобождаване на енергия под формата на гравитационни вълни по време на експлозия на свръхнова са твърде оптимистични и такъв слаб сигнал може да бъде записан само ако свръхнова е избухнала в нашата Галактика.

Друг вариант на бързо движещи се масивни компактни обекти са неутронните звезди или черните дупки. Можем да видим или процеса на тяхното формиране, или процеса на взаимодействие един с друг. Последните етапи на колапса на звездните ядра, водещи до образуването на компактни обекти, както и последните етапи от сливането на неутронни звезди и черни дупки, продължават от порядъка на няколко милисекунди (което съответства на честота от стотици херца) - точно това, от което се нуждаете. В същото време се освобождава много енергия, включително (и понякога главно) под формата на гравитационни вълни, тъй като масивните компактни тела извършват определени бързи движения. Това са нашите идеални източници.

Вярно е, че свръхнови избухват в Галактиката на всеки няколко десетилетия, сливания на неутронни звезди се случват веднъж на всеки няколко десетки хиляди години, а черните дупки се сливат една с друга още по-рядко. Но сигналът е много по-мощен и неговите характеристики могат да бъдат изчислени доста точно. Но сега трябва да се научим как да виждаме сигнал от разстояние от няколкостотин милиона светлинни години, за да покрием няколко десетки хиляди галактики и да открием няколко сигнала годишно.

След като решихме източниците, нека започнем да проектираме детектора. За да направите това, трябва да разберете какво прави гравитационната вълна. Без да навлизаме в подробности, можем да кажем, че преминаването на гравитационна вълна предизвиква приливна сила (обикновените лунни или слънчеви приливи са отделно явление и гравитационните вълни нямат нищо общо с това). Така че можете да вземете например метален цилиндър, да оборудвате сензори и да изучавате неговите вибрации. Не е трудно, следователно, подобни инсталации започнаха да се правят преди половин век (те също са в Русия, сега в подземната лаборатория в Баксан се монтира подобрен детектор, разработен от екипа на Валентин Руденко от SAI MSU) . Проблемът е, че такова устройство ще види сигнала без никакви гравитационни вълни. Има тонове шумове, с които е трудно да се справите. Възможно е (и това е направено!) Да инсталирате детектора под земята, опитайте се да го изолирате, да го охладите до ниски температури, но все пак, за да се превиши нивото на шума, е необходим много мощен гравитационно-вълнов сигнал. А силните сигнали са рядкост.

Поради това беше направен избор в полза на различна схема, която беше предложена от Владислав Пустовойт и Михаил Херценщайн през 1962 г. В статия, публикувана в ZhETF (Journal of Experimental and Theoretical Physics), те предложиха да се използва интерферометър на Майкелсон за регистриране на гравитационни вълни. Лазерен лъч преминава между огледала в две рамена на интерферометъра и след това се добавят лъчите от различни рамена. Чрез анализиране на резултата от интерференцията на лъчите е възможно да се измери относителната промяна в дължината на раменете. Това са много точни измервания, така че ако победите шума, можете да постигнете фантастична чувствителност.

В началото на 90-те години беше решено да се изградят няколко детектора по тази схема. Първите, които влязоха в експлоатация, бяха сравнително малки единици, GEO600 в Европа и TAMA300 в Япония (числата съответстват на дължината на рамената в метри) за технологичното внедряване. Но основните играчи трябваше да бъдат инсталациите на LIGO в САЩ и инсталациите на VIRGO в Европа. Размерът на тези устройства вече се измерва в километри, а крайната планирана чувствителност трябваше да позволи да се видят десетки, ако не и стотици събития годишно.

Защо са необходими множество приспособления? Основно за кръстосано валидиране, тъй като има локализиран шум (напр. сеизмичен). Едновременното регистриране на сигнала в северозападните Съединени щати и в Италия би било отлично доказателство за външния му произход. Но има и втора причина: детекторите на гравитационни вълни са много лоши при определяне на посоката към източника. Но ако има няколко раздалечени детектора, ще бъде възможно да се посочи посоката доста точно.

Лазерни гиганти

В неговия оригинална формаДетекторите LIGO са построени през 2002 г., а детекторите VIRGO през 2003 г. По план това беше само първият етап. Всички инсталации са в експлоатация от няколко години, като през 2010-2011 г. бяха спрени за ревизия, за да се достигне след това планираната висока чувствителност. Детекторите LIGO започнаха да функционират за първи път през септември 2015 г., VIRGO трябва да се присъедини през втората половина на 2016 г. и започвайки от този етап, чувствителността ни позволява да се надяваме да регистрираме поне няколко събития годишно.

От началото на LIGO очакваният процент на избухвания е приблизително едно събитие на месец. Астрофизиците са изчислили предварително, че първите очаквани събития трябва да бъдат сливания на черни дупки. Това се дължи на факта, че черните дупки обикновено са десет пъти по-тежки от неутронните звезди, сигналът е по-мощен и се "видим" от дълги разстояния, което повече от компенсира по-ниската скорост на събития на галактика. За щастие не се наложи да чакаме дълго. На 14 септември 2015 г. и двете инсталации регистрират почти идентичен сигнал, който е наречен GW150914.

С доста прост анализ можете да получите данни като масите на черните дупки, силата на сигнала и разстоянието до източника. Масата и размерът на черните дупки са свързани по много прост и добре познат начин и от честотата на сигнала може веднага да се оцени размерът на областта на освобождаване на енергия. В този случай размерът показва, че черна дупка с маса над 60 слънчеви маси е образувана от две дупки с маса 25-30 и 35-40 слънчеви маси. Познавайки тези данни, можете да получите пълната енергия на взрива. Почти три слънчеви маси са преминали в гравитационно лъчение. Това съответства на осветеността на 1023 светимости на Слънцето - приблизително същото, както през това време (стотни части от секундата) излъчват всички звезди във видимата част на Вселената. И от известната енергия и големината на измервания сигнал се получава разстоянието. Голяма масаобединените тела направиха възможно регистрирането на събитие, което се е случило в далечна галактика: сигналът отиде при нас за около 1,3 милиарда години.

По-подробният анализ ни позволява да изясним съотношението на масите на черните дупки и да разберем как те се въртят около оста си, както и да определим някои други параметри. Освен това сигналът от две инсталации дава възможност за грубо определяне на посоката на взрива. За съжаление, засега точността тук не е много висока, но с пускането в експлоатация на обновената VIRGO тя ще се увеличи. И след няколко години японският детектор KAGRA ще започне да получава сигнали. Тогава един от детекторите LIGO (първоначално бяха три, една от инсталациите беше двойна) ще бъде сглобен в Индия и се очаква тогава да се записват много десетки събития годишно.

Ерата на новата астрономия

Досега най-важният резултат от работата на LIGO е потвърждението за съществуването на гравитационни вълни. Освен това първият взрив направи възможно подобряването на ограниченията върху масата на гравитона (в общата теория на относителността тя има нулева маса), както и по-силно ограничаване на разликата между скоростта на разпространение на гравитацията и скоростта на светлината. Но учените се надяват, че през 2016 г. ще могат да получат много нови астрофизични данни с помощта на LIGO и VIRGO.

Първо, данните от обсерваториите на гравитационните вълни са нов канал за изследване на черни дупки. Ако по-рано беше възможно само да се наблюдават потоците на материя в близост до тези обекти, сега можете директно да „видите“ процеса на сливане и „успокояване“ на появяващата се черна дупка, как нейният хоризонт вибрира, приемайки окончателната си форма ( определя се чрез ротация). Вероятно, до откриването на изпаряването на черни дупки от Хокинг (засега този процес остава хипотеза), изследването на сливанията ще предостави най-добрата пряка информация за тях.

Второ, наблюденията на сливания на неутронни звезди ще предоставят много нова, крайно необходима информация за тези обекти. За първи път ще можем да изучаваме неутронните звезди по начина, по който физиците изучават частиците: да наблюдаваме техните сблъсъци, за да разберем как работят вътре. Мистерията на структурата на недрата на неутронните звезди тревожи както астрофизиците, така и физиците. Нашето разбиране за ядрената физика и поведението на материята при свръхвисока плътност е непълно без разглеждане на този проблем. Вероятно наблюденията на гравитационните вълни ще играят ключова роля тук.

Смята се, че сливането на неутронни звезди са отговорни за кратките космологични гама-лъчи. В редки случаи ще бъде възможно едновременно да се наблюдава събитие както в гама диапазона, така и на детектори за гравитационни вълни (рядкост се дължи на факта, че, първо, гама сигналът е концентриран в много тесен лъч и не е винаги насочени към нас, но второ, ние няма да регистрираме гравитационни вълни от много далечни събития). Очевидно ще са необходими няколко години наблюдение, за да можете да видите това (въпреки че, както обикновено, можете да имате късмет и това ще се случи точно днес). Тогава, наред с други неща, ще можем много точно да сравним скоростта на гравитацията със скоростта на светлината.

Така лазерните интерферометри ще работят заедно като единен телескоп с гравитационни вълни, носейки нови знания както на астрофизиците, така и на физиците. Е, за откриването на първите изблици и техния анализ рано или късно ще бъде връчена заслужената Нобелова награда.