Dugi gravitacijski valovi slike u vezi. Gravitacijski valovi su otvoreni! Generiranje gravitacijskih valova

Zamahnite rukom - i gravitacijski valovi proći će cijelim Svemirom.
S. Popov, M. Prokhorov. Fantomski valovi svemira

U astrofizici se dogodio događaj koji se čekao desetljećima. Nakon pola stoljeća traženja, konačno su otkriveni gravitacijski valovi, oscilacije samog prostor-vremena, koje je Einstein predvidio prije stotinu godina. Dana 14. rujna 2015. ažurirana zvjezdarnica LIGO zabilježila je gravitacijski val nastao spajanjem dviju crnih rupa s masama od 29 i 36 solarnih masa u udaljenoj galaksiji na udaljenosti od oko 1,3 milijarde svjetlosnih godina. Astronomija gravitacijskih valova postala je punopravna grana fizike; otvorio nam je novi način promatranja svemira i omogućit će nam proučavanje dotad nedostupnih učinaka jake gravitacije.

Gravitacijski valovi

Mogu se izmisliti različite teorije gravitacije. Svi će oni jednako dobro opisati naš svijet, sve dok se ograničimo na jednu i jedinu njegovu manifestaciju - Newtonov zakon univerzalne gravitacije. No, postoje i drugi, suptilniji gravitacijski učinci koji su eksperimentalno ispitani na skali Sunčevog sustava, a upućuju na jednu specifičnu teoriju – opću relativnost (GR).

Opća relativnost nije samo skup formula, ona je temeljni pogled na bit gravitacije. Ako u običnoj fizici prostor služi samo kao pozadina, spremnik za fizičke pojave, onda u općoj relativnosti ona sama postaje fenomen, dinamička veličina koja se mijenja u skladu sa zakonima opće relativnosti. Upravo ta izobličenja prostor-vremena s obzirom na ravnomjernu pozadinu - ili, jezikom geometrije, izobličenja metrike prostor-vremena - osjećaju se kao gravitacija. Ukratko, opća teorija relativnosti otkriva geometrijsko porijeklo gravitacije.

Opća teorija relativnosti ima važno predviđanje: gravitacijske valove. To su izobličenja prostor-vremena, koja su u stanju "otrgnuti se od izvora" i, samoodrživa, odletjeti. Gravitacija je sama po sebi, ničija, vlastita. Albert Einstein je konačno formulirao opću relativnost 1915. i gotovo odmah shvatio da jednadžbe koje je dobio priznaju postojanje takvih valova.

Kao i kod svake poštene teorije, tako jasno predviđanje opće relativnosti mora se eksperimentalno provjeriti. Svako tijelo koje se kreće može emitirati gravitacijske valove: planete, izbačeni kamen i mahanje ruke. Problem je, međutim, u tome što je gravitacijska interakcija toliko slaba da nijedna eksperimentalna postava nije u stanju detektirati zračenje. gravitacijski valovi od običnih "emitera".

Da biste "potjerali" snažan val, morate jako iskriviti prostor-vrijeme. Idealna varijanta su dvije crne rupe koje se okreću jedna oko druge u bliskom plesu, na udaljenosti reda njihova gravitacijskog radijusa (slika 2). Distorzije metrike bit će toliko jake da će se zamjetan dio energije ovog para zračiti u gravitacijske valove. Gubeći energiju, par će se približavati jedan drugome, vrteći se sve brže i brže, sve više iskrivljujući metriku i generirajući još jače gravitacijske valove - sve dok, konačno, ne dođe do radikalnog restrukturiranja cjelokupnog gravitacijskog polja ovog para i dvije crne rupe se spoje u jednu.

Takvo spajanje crnih rupa je eksplozija ogromne snage, ali sva ta isijavana energija ne ide u svjetlost, ne u čestice, već u vibracije prostora. Zračena energija činit će zamjetan dio izvorne mase crnih rupa, a to će zračenje prskati u djeliću sekunde. Slične fluktuacije će dovesti do spajanja neutronskih zvijezda. Nešto slabije oslobađanje energije gravitacijskih valova prati druge procese, na primjer, kolaps jezgre supernove.

Prasak gravitacijskog vala uslijed spajanja dva kompaktna objekta ima vrlo specifičan, dobro proračunat profil, prikazan na sl. 3. Period titranja je postavljen orbitalnim gibanjem dvaju objekata jedan oko drugog. Gravitacijski valovi odnose energiju; zbog toga se objekti brže približavaju i vrte – a to se može vidjeti i u ubrzanju oscilacija i u pojačavanju amplitude. U nekom trenutku dolazi do spajanja, emitira se posljednji jaki val, a zatim slijedi visokofrekventni "after-ring" ( ringdown) - podrhtavanje formirane crne rupe koja "izbacuje" sva nesferna izobličenja (ova faza nije prikazana na slici). Poznavanje ovog profila potpisa pomaže fizičarima da traže slab signal iz takve fuzije u vrlo bučnim podacima detektora.

Oscilacije prostorno-vremenske metrike - gravitacijsko-valna jeka grandiozne eksplozije - raspršit će se po Svemiru u svim smjerovima od izvora. Njihova amplituda slabi s udaljenosti, po analogiji s opadanjem svjetline točkastog izvora s udaljenošću od njega. Kada prasak iz daleke galaksije stigne do Zemlje, metričke fluktuacije će biti reda 10-22 ili čak manje. Drugim riječima, udaljenost između objekata koji nisu fizički povezani jedan s drugim povremeno će se povećavati i smanjivati ​​za tako relativnu količinu.

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

Naravno, ako se spajanje dogodi u našoj matičnoj galaksiji, potresi prostor-vremena koji su stigli do Zemlje bit će mnogo jači. Ali takvi se događaji događaju svakih nekoliko tisuća godina. Stoga doista treba računati samo na takav detektor koji će moći osjetiti spajanje neutronskih zvijezda ili crnih rupa na udaljenosti od nekoliko desetaka do stotina megaparseka, što znači da će pokriti mnoge tisuće i milijune galaksija.

Ovdje treba dodati da je neizravni pokazatelj postojanja gravitacijskih valova već otkriven, pa čak i nagrađen Nobelovom nagradom za fiziku za 1993. godinu. Dugoročna promatranja pulsara u binarnom sustavu PSR B1913 + 16 pokazala su da se orbitalni period smanjuje točno onom brzinom koju predviđa opća teorija relativnosti, uzimajući u obzir gubitke energije zbog gravitacijskog zračenja. Iz tog razloga praktički nijedan znanstvenik ne sumnja u stvarnost gravitacijskih valova; samo je pitanje kako ih uhvatiti.

Povijest pretraživanja

Potraga za gravitacijskim valovima započela je prije otprilike pola stoljeća - i gotovo se odmah pretvorila u senzaciju. Joseph Weber sa Sveučilišta Maryland dizajnirao je prvi rezonantni detektor: jednodijelni dvometarski aluminijski cilindar s osjetljivim piezoelektričnim senzorima na bočnim stranama i dobrom izolacijom vibracija od stranih vibracija (slika 4.). Kada gravitacijski val prođe, cilindar rezonira u vremenu s izobličenjem prostor-vremena, što bi trebali zabilježiti senzori. Weber je napravio nekoliko takvih detektora, a 1969., nakon analize njihovih očitanja tijekom jedne od seansi, rekao je u čistom tekstu da je registrirao "sondiranje gravitacijskih valova" u nekoliko detektora međusobno udaljenih dva kilometra (J. Weber , 1969. Dokazi za otkriće gravitacijskog zračenja). Pokazalo se da je amplituda fluktuacija koju je on proglasio nevjerojatno velika, reda 10-16, odnosno milijun puta veća od tipične očekivane vrijednosti. Weberova poruka naišla je na veliki skepticizam u znanstvenoj zajednici; osim toga, druge eksperimentalne skupine, naoružane sličnim detektorima, nisu mogle uhvatiti niti jedan sličan signal u budućnosti.

Međutim, Weberovi napori dali su poticaj cijelom ovom području istraživanja i pokrenuli lov na valove. Od 1970-ih, zahvaljujući naporima Vladimira Braginskog i njegovih kolega s Moskovskog državnog sveučilišta, SSSR je također ušao u ovu utrku (vidi o odsutnosti signala gravitacijskih valova). Zanimljiva priča o tim vremenima nalazi se u eseju Ako djevojka upadne u rupu .... Braginsky je, inače, jedan od klasika cijele teorije kvantnih optičkih mjerenja; prvi je došao do koncepta standardne kvantne granice mjerenja – ključnog ograničenja u optičkim mjerenjima – i pokazao kako se ona, u principu, mogu prevladati. Weberova rezonantna shema je poboljšana, a zahvaljujući dubokom hlađenju instalacije, buka je naglo smanjena (vidi popis i povijest ovih projekata). Međutim, točnost takvih detektora svih metala još uvijek je bila nedovoljna za pouzdano detektiranje očekivanih događaja, a osim toga, oni su podešeni da rezoniraju samo u vrlo uskom frekvencijskom rasponu blizu kiloherca.

Činilo se da su mnogo perspektivniji detektori u kojima se ne koristi jedan rezonirajući objekt, već se prati udaljenost između dva nepovezana, neovisno viseća tijela, na primjer, dva zrcala. Zbog fluktuacije prostora uzrokovane gravitacijskim valom, razmak između zrcala bit će nešto veći, ponekad nešto manji. U ovom slučaju, što je duljina kraka duža, to će veći apsolutni pomak uzrokovati gravitacijski val određene amplitude. Te se vibracije mogu osjetiti laserskom zrakom koja prolazi između zrcala. Takva shema sposobna je registrirati oscilacije u širokom frekvencijskom rasponu, od 10 herca do 10 kiloherca, a upravo to je interval u kojem će emitirati spojeni parovi neutronskih zvijezda ili crne rupe zvjezdanih masa.

Suvremena implementacija ove ideje temeljena na Michelsonovom interferometru je sljedeća (slika 5.). Ogledala su obješena u dvije dugačke, nekoliko kilometara duge, okomite jedna na drugu vakuumske komore. Na ulazu u instalaciju laserska zraka se dijeli, prolazi kroz obje komore, reflektira se od zrcala, vraća se i ponovno spaja u poluprozirno zrcalo. Faktor kvalitete optičkog sustava je iznimno visok, tako da laserska zraka ne ide samo jednom naprijed-natrag, već se dugo zadržava u ovoj optičkoj šupljini. U "mirnom" stanju, duljine se biraju tako da se dva snopa nakon ponovnog spajanja ugase jedan drugog u smjeru senzora, a tada je fotodetektor u punoj sjeni. Ali čim se zrcala pomaknu na mikroskopsku udaljenost pod djelovanjem gravitacijskih valova, kompenzacija dviju zraka postaje nepotpuna i fotodetektor će uhvatiti svjetlost. I što je jači pomak, fotosenzor će vidjeti svjetliju svjetlost.

Riječi "mikroskopski pomak" ne mogu ni blizu da dočaraju suptilnost efekta. Pomicanje zrcala valnom duljinom svjetlosti, odnosno mikronima, lako je primijetiti, čak i bez ikakvih podešavanja. Ali s duljinom kraka od 4 km, to odgovara oscilacijama prostor-vreme s amplitudom od 10 −10. Uočiti pomak zrcala po promjeru atoma također nije problem – dovoljno je pokrenuti lasersku zraku koja će trčati naprijed-natrag tisućama puta i dobiti potrebnu fazu. Ali čak i ovo daje snagu od 10-14. I trebamo se milijune puta više spustiti niz ljestvicu pomaka, odnosno naučiti kako registrirati pomak zrcala ni za jedan atom, već za tisućinke atomske jezgre!

Fizičari su morali prevladati mnoge poteškoće na putu do ove uistinu nevjerojatne tehnologije. Neki od njih su čisto mehanički: morate objesiti masivna ogledala na ovjes koji visi na drugom ovjesu, onaj na trećem ovjesu i tako dalje - i sve kako biste se što više riješili stranih vibracija. Drugi problemi su također instrumentalni, ali optički. Na primjer, jačina je zraka koja kruži optički sustav, fotosenzorom se može vidjeti slabiji pomak zrcala. Ali previše snažna zraka će neravnomjerno zagrijati optičke elemente, što će negativno utjecati na svojstva same zrake. Taj se učinak mora nekako nadoknaditi, a za to je 2000-ih pokrenut cijeli program istraživanja o ovom pitanju (za priču o ovoj studiji pogledajte vijesti Prevladavanje prepreke na putu do vrlo osjetljivog detektora gravitacijskih valova, " Elementi", 27.06.2006.). Konačno, postoje čisto temeljna fizička ograničenja povezana s kvantnim ponašanjem fotona u rezonatoru i principom nesigurnosti. Oni ograničavaju osjetljivost senzora na vrijednost koja se naziva standardna kvantna granica. No, fizičari su ga već naučili prevladati uz pomoć pametno pripremljenog kvantnog stanja laserske svjetlosti (J. Aasi i sur., 2013. Povećana osjetljivost detektora gravitacijskih valova LIGO korištenjem stisnutih stanja svjetlosti).

Postoji cijeli popis zemalja u utrci za gravitacijskim valovima; Rusija također ima svoju instalaciju, u Baksanskoj zvjezdarnici, a, usput rečeno, opisana je u dokumentarnom znanstveno-popularnom filmu Dmitrija Zavilgelskog "Čekajući valove i čestice"... Lideri ove utrke sada su dva laboratorija - američki projekt LIGO i talijanski detektor Virgo. LIGO uključuje dva identična detektora smještena u Hanfordu u Washingtonu i Livingstonu u Louisiani, udaljena 3000 km. Imati dvije instalacije važno je iz dva razloga odjednom. Prvo, signal će se smatrati registriranim samo ako ga oba detektora vide u isto vrijeme. I drugo, po razlici u dolasku gravitacijsko-valnog praska na dvije instalacije - a može doseći 10 milisekundi - moguće je otprilike odrediti s kojeg je dijela neba došao ovaj signal. Istina, s dva detektora pogreška će biti vrlo velika, ali kada Djevica počne raditi, točnost će se osjetno povećati.

Strogo govoreći, ideju interferometrijskog otkrivanja gravitacijskih valova prvi su predložili sovjetski fizičari M. E. Hertsenstein i V. I. Pustovoit još 1962. godine. Tada je laser upravo izmišljen, a Weber je krenuo u stvaranje svojih rezonantnih detektora. Međutim, ovaj članak nije bio zapažen na Zapadu i, istina, nije utjecao na razvoj pravi projekti(vidi povijesni pregled Fizika detekcije gravitacijskih valova: rezonantni i interferometrijski detektori).

LIGO gravitacijski opservatorij pokrenula su tri znanstvenika s Massachusetts Institute of Technology (MIT) i California Institute of Technology (Caltech). To su Rainer Weiss, koji je implementirao ideju interferometrijskog detektora gravitacijskih valova, Ronald Drever, koji je postigao dovoljnu stabilnost laserskog svjetla za registraciju, i Kip Thorne, teoretičar-majstor projekta, danas dobro poznat široj javnosti. kao znanstveni savjetnik.film "Interstellar". O ranoj povijesti LIGO-ove kreacije mogu se pročitati u nedavnom intervjuu s Rainerom Weissom i u flashbacku Johna Preskilla.

Aktivnosti vezane uz projekt interferometrijske detekcije gravitacijskih valova počele su krajem 1970-ih, a isprva su mnogi dovodili u pitanje i realnost ovog pothvata. Međutim, nakon demonstracije brojnih prototipova, sadašnji LIGO projekt je napisan i odobren. Građena je tijekom posljednjeg desetljeća 20. stoljeća.

Iako je početni poticaj za projekt došao iz Sjedinjenih Država, LIGO je uistinu međunarodni projekt. U nju je uložilo 15 zemalja, financijski i intelektualno, a preko tisuću ljudi članovi su kolaboracije. Sovjetski i ruski fizičari odigrali su važnu ulogu u provedbi projekta. Već spomenuta skupina Vladimira Braginskog s Moskovskog državnog sveučilišta od samog početka aktivno je sudjelovala u provedbi projekta LIGO, a kasnije se u suradnju uključio Institut za primijenjenu fiziku iz Nižnjeg Novgoroda.

Zvjezdarnica LIGO puštena je u rad 2002. godine, a do 2010. godine na njoj je održano šest znanstvenih promatračkih sesija. Nikakvi gravitacijski valovi nisu pouzdano detektirani, a fizičari su mogli postaviti samo gornje granice učestalosti takvih događaja. To ih, međutim, nije previše iznenadilo: procjene su pokazale da je u tom dijelu Svemira, koji je tada "osluškivao" detektor, vjerojatnost dovoljno snažne kataklizme mala: otprilike jednom u nekoliko desetljeća.

Kućno rastezanje

Od 2010. do 2015. suradnje LIGO i Virgo radikalno su modernizirale opremu (Djevica je, međutim, još uvijek u procesu pripreme). A sada je dugo očekivana meta bila na vidiku. LIGO - ili bolje rečeno, aLIGO ( Napredni LIGO) - sada je bio spreman uhvatiti praske koje stvaraju neutronske zvijezde na udaljenosti od 60 megaparseka, a crne rupe - stotine megaparseka. Glasnoća Svemira, otvorenog za slušanje gravitacijskih valova, deseterostruko je narasla u odnosu na prethodne sesije.

Naravno, nemoguće je predvidjeti kada i gdje će biti sljedeći "prasak" gravitacijskog vala. No, osjetljivost ažuriranih detektora omogućila je računati na nekoliko spajanja neutronskih zvijezda godišnje, tako da se prvi prasak mogao očekivati ​​već tijekom prvog četveromjesečnog promatranja. Ako govorimo o cijelom projektu aLIGO koji traje nekoliko godina, onda je presuda bila krajnje jasna: ili će rafali padati jedan za drugim, ili nešto u općoj relativnosti ne funkcionira u principu. Oboje će biti velika otkrića.

Od 18. rujna 2015. do 12. siječnja 2016. održana je prva sesija promatranja aLIGO-a. Za cijelo to vrijeme internetom su kružile glasine o registraciji gravitacijskih valova, no o suradnji se šutjelo: "prikupljamo i analiziramo podatke i još nismo spremni izvijestiti rezultate". Dodatnu intrigu stvorilo je to što u procesu analize ni sami članovi kolaboracije ne mogu biti potpuno sigurni da vide pravi prasak gravitacijskog vala. Činjenica je da se u LIGO-u kompjuterski generirani prasak ponekad umjetno unosi u tok stvarnih podataka. To se zove "slijepa injekcija", a od cijele grupe samo tri osobe (!) imaju pristup sustavu koji to provodi u proizvoljnom trenutku. Tim mora pratiti taj nalet, odgovorno ga analizirati, a tek u zadnjim fazama analize "otvore se karte" i članovi kolaboracije će saznati je li to bilo pravi događaj ili test budnosti. Inače, u jednom takvom slučaju 2010. došlo se čak i do pisanja članka, no tada se detektirani signal pokazao samo "slijepim nadjevom".

Lirska digresija

Kako bih još jednom osjetio svečanost trenutka, predlažem da ovu povijest pogledamo s druge strane, iznutra znanosti. Kad je teško, nepristupačno znanstveni zadatak ne posuđuje se nekoliko godina - ovo je normalan radni trenutak. Kad ne popušta više od jedne generacije, percipira se na potpuno drugačiji način.

Kao školarac čitate popularne znanstvene knjige i učite o ovoj teško razriješivoj, ali užasno zanimljivoj znanstvenoj zagonetki. Kao student studirate fiziku, izrađujete izvještaje, a ponekad vas, do točke ili ne, ljudi oko vas podsjete na njezino postojanje. Tada se i sami bavite znanošću, radite u nekom drugom području fizike, ali redovito čujete o neuspješnim pokušajima da se to riješi. Vi, naravno, shvaćate da se negdje aktivno radi na rješavanju toga, ali konačni rezultat za vas kao osobu izvana ostaje nepromijenjen. Problem se percipira kao statična pozadina, kao ukras, kao vječni i gotovo nepromjenjivi element fizike na ljestvici vašeg znanstvenog života. Kao zadatak koji je uvijek bio i koji će biti.

I onda to riješe. I naglo, na ljestvici od nekoliko dana, osjetite da se fizička slika svijeta promijenila i da je sada treba formulirati u različitim izrazima i postavljati druga pitanja.

Za ljude koji izravno rade na potrazi za gravitacijskim valovima, ovaj zadatak, naravno, nije ostao nepromijenjen. Oni vide cilj, znaju što treba postići. Oni se, naravno, nadaju da će im i priroda izaći u susret i ubaciti ih obližnjoj galaksiji snažan nalet, ali u isto vrijeme shvaćaju da čak i ako priroda ne pruža toliko podrške, više se neće skrivati ​​od znanstvenika. Pitanje je samo kada će točno uspjeti ostvariti svoje tehničke ciljeve. Priču o tom osjećaju od čovjeka koji već nekoliko desetljeća traga za gravitacijskim valovima može se čuti u već spomenutom filmu "Čekajući valove i čestice".

Otvor

Na sl. 7 prikazuje glavni rezultat: profil signala koji su zabilježila oba detektora. Vidi se da se na pozadini buke isprva oscilacija željenog oblika pojavljuje slabo, a zatim raste u amplitudi i frekvenciji. Usporedba s rezultatima numeričkih simulacija omogućila nam je da otkrijemo koje smo objekte promatrali kako se spajaju: bile su to crne rupe s masama od oko 36 i 29 solarnih masa, koje su se spojile u jednu crnu rupu s masom od 62 sunčeve mase (pogreška svih ovi brojevi, koji odgovaraju intervalu pouzdanosti od 90%, su 4 solarne mase). Autori usput primjećuju da je rezultirajuća crna rupa najteža crna rupa zvjezdane mase ikad opažena. Razlika između ukupne mase dva izvorna objekta i konačne crne rupe iznosi 3 ± 0,5 solarnih masa. Ovaj defekt gravitacijske mase za oko 20 milisekundi potpuno se transformirao u energiju emitiranih gravitacijskih valova. Proračuni su pokazali da je vršna snaga gravitacijskih valova dosegla 3,6 · 10 56 erg/s, odnosno, u smislu mase, oko 200 solarnih masa u sekundi.

Statistička značajnost detektiranog signala je 5,1σ. Drugim riječima, ako pretpostavimo da su se te statističke fluktuacije nadovezale jedna na drugu i čisto slučajno proizvele sličan prasak, takav bi događaj morao čekati 200 tisuća godina. To nam omogućuje pouzdano ustvrditi da otkriveni signal nije fluktuacija.

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

LIGO kolaboracija nije se ograničila samo na konstataciju činjenice registracije gravitacijskih valova, već je provela i prvu analizu kakve posljedice ovo opažanje ima na astrofiziku. U članku Astrofizičke implikacije spajanja binarnih crnih rupa GW150914, objavljenom istog dana u časopisu The Astrophysical Journal Letters, autori su procijenili učestalost s kojom dolazi do takvih spajanja crnih rupa. Pokazalo se barem jedno spajanje u kubičnom gigaparseku godišnje, što se slaže s predviđanjima najoptimističnijih modela u tom pogledu.

O čemu vam govore gravitacijski valovi

Otkriće novog fenomena nakon desetljeća traganja nije kraj, već samo početak nove grane fizike. Naravno, registracija gravitacijskih valova iz spajanja dva crna je važna sama po sebi. Ovo je izravan dokaz postojanja crnih rupa, i postojanja dvostrukih crnih rupa, i stvarnosti gravitacijskih valova, i, općenito govoreći, dokaz ispravnosti geometrijskog pristupa gravitaciji, na kojem se temelji opća teorija relativnosti. Ali za fizičare nije manje vrijedna činjenica da astronomija gravitacijskih valova postaje novi istraživački alat, koji im omogućuje proučavanje onoga što je prije bilo nedostupno.

Prvo, to je novi način gledanja na svemir i proučavanja kozmičkih kataklizmi. Za gravitacijske valove nema prepreka, oni bez problema prolaze kroz sve u Svemiru. Oni su sami sebi dovoljni: njihov profil nosi informacije o procesu koji ih je iznjedrio. Konačno, ako jedna grandiozna eksplozija generira i optički, neutrin i gravitacijski prasak, onda ih možete pokušati uhvatiti, usporediti jedni s drugima i u dotad nedostupnim detaljima shvatiti što se tamo dogodilo. Biti u stanju uhvatiti i usporediti tako različite signale iz jednog događaja glavni je cilj astronomije svih signala.

Kada detektori gravitacijskih valova postanu još osjetljiviji, moći će registrirati podrhtavanje prostor-vremena ne u samom trenutku spajanja, već nekoliko sekundi prije njega. Oni će automatski poslati svoj signal upozorenja zajedničkoj mreži promatračkih stanica, a astrofizički sateliti-teleskopi, nakon što su izračunali koordinate predloženog spajanja, imat će vremena da se u tim sekundama okrenu u pravom smjeru i počnu snimati nebo prije optičkog počinje prasak.

Drugo, gravitacijski val će vam omogućiti da naučite nove stvari o neutronskim zvijezdama. Spajanje neutronskih zvijezda je, zapravo, najnoviji i najekstremniji eksperiment na neutronskim zvijezdama koji nam priroda može izvesti, a mi kao gledatelji ostajemo samo promatrati rezultate. Promatračke posljedice takvog spajanja mogu biti različite (slika 10.), a upisivanjem njihove statistike možemo bolje razumjeti ponašanje neutronskih zvijezda u takvim egzotičnim uvjetima. Pregled stanje tehnike slučajevi u tom smjeru mogu se naći u nedavnoj publikaciji S. Rosswog, 2015. Slika kompaktnih binarnih spajanja s više glasnika.

Treće, registracija praska koji je došao iz supernove i njezina usporedba s optičkim opažanjima omogućit će nam da konačno shvatimo detalje onoga što se događa unutra, na samom početku kolapsa. Sada fizičari još uvijek imaju poteškoća s numeričkim modeliranjem ovog procesa.

Četvrto, fizičari koji se bave teorijom gravitacije imaju željeni "laboratorij" za proučavanje učinaka jake gravitacije. Do sada su svi učinci opće relativnosti koje smo mogli izravno promatrati bili povezani s gravitacijom u slabim poljima. Što se događa u uvjetima jake gravitacije, kada prostorno-vremenska izobličenja počnu snažno komunicirati sami sa sobom, mogli smo samo nagađati iz neizravnih manifestacija, kroz optičku jeku kozmičkih katastrofa.

Peto, postoji nova prilika za testiranje egzotičnih teorija gravitacije. Takve teorije u moderna fizika već dosta, vidi npr. njima posvećeno poglavlje iz popularne knjige A. N. Petrova "Gravitacija". Neke od ovih teorija nalikuju običnoj općoj relativnosti u granici slabog polja, ali se mogu jako razlikovati od nje kada gravitacija postane vrlo jaka. Drugi priznaju postojanje nove vrste polarizacije za gravitacijske valove i predviđaju brzinu malo drugačiju od brzine svjetlosti. Konačno, postoje teorije koje uključuju dodatne prostorne dimenzije. Što se o njima može reći na temelju gravitacijskih valova, otvoreno je pitanje, ali jasno je da se ovdje mogu profitirati neke informacije. Preporučamo i da pročitate mišljenje samih astrofizičara o tome što će se promijeniti otkrićem gravitacijskih valova u izboru na Post Science.

Planovi za budućnost

Izgledi za astronomiju gravitacijskih valova su najviše ohrabrujući. Sada je završila samo prva, najkraća sesija promatranja aLIGO detektora - i već u ovom kratkom vremenu uhvaćen je jasan signal. Točnije bi bilo reći ovo: prvi signal je uhvaćen i prije službenog početka, a suradnja još nije izvijestila o sva četiri mjeseca rada. Tko zna, možda je tu već nekoliko dodatnih rafala? Na ovaj ili onaj način, ali dalje, kako se osjetljivost detektora povećava i širi dio Svemira koji je dostupan za promatranja gravitacijskih valova, broj registriranih događaja će rasti poput lavine.

Očekivani raspored sesija mreže LIGO-Virgo prikazan je na Sl. 11. Druga, šestomjesečna sesija počet će krajem ove godine, treća će trajati gotovo cijelu 2018., a u svakoj fazi osjetljivost detektora će se povećavati. U regiji 2020. aLIGO bi trebao dostići planiranu osjetljivost, što će omogućiti detektoru da ispita svemir radi spajanja neutronskih zvijezda koje se nalaze na udaljenosti do 200 Mpc od nas. Za još energičnije događaje spajanja crnih rupa, osjetljivost može doseći gotovo gigaparsek. Na ovaj ili onaj način, volumen svemira koji je dostupan za promatranje povećat će se u usporedbi s prvom sesijom deset puta više.

Obnovljeni talijanski laboratorij Virgo također će doći u igru ​​kasnije ove godine. Osjetljivost mu je nešto niža od LIGO-ove, ali je i sasvim pristojna. Zbog metode triangulacije, trostruka razmaknuta detektora omogućit će puno bolju rekonstrukciju položaja izvora na nebeskoj sferi. Ako sada, s dva detektora, područje lokalizacije dosegne stotine kvadratnih stupnjeva, tada će ga tri detektora smanjiti na desetke. Osim toga, u Japanu se trenutno gradi slična gravitacijsko-valna antena KAGRA, koja će početi s radom za dvije do tri godine, a u Indiji se u regiji 2022. godine planira lansiranje detektora LIGO-India. Kao rezultat toga, nekoliko godina kasnije, cijela mreža detektora gravitacijskih valova će raditi i redovito registrirati signale (slika 13).

Konačno, postoje planovi za lansiranje instrumenata gravitacijskih valova u svemir, posebice projekta eLISA. Prije dva mjeseca u orbitu je lansiran prvi, testni satelit, čiji će zadatak biti testiranje tehnologija. Pravo otkrivanje gravitacijskih valova još je daleko odavde. Ali kada ova skupina satelita počne prikupljati podatke, otvorit će još jedan prozor u svemir – kroz niskofrekventne gravitacijske valove. Ovaj svevalni pristup gravitacijskim valovima glavni je dugoročni cilj ovog područja.

Paralele

Otkriće gravitacijskih valova postalo je treći slučaj posljednjih godina kada su fizičari konačno probili sve prepreke i došli do dosad nepoznatih suptilnosti strukture našeg svijeta. 2012. godine otkriven je Higgsov bozon – čestica predviđena gotovo pola stoljeća kasnije. 2013. detektor neutrina IceCube dokazao je realnost astrofizičkih neutrina i počeo "gledati svemir" na potpuno nov, dotad nedostupan način - kroz visokoenergetske neutrine. A sada je priroda ponovno podlegla čovjeku: otvorio se "prozor" gravitacijskih valova za promatranje svemira, a istodobno su učinci jake gravitacije postali dostupni za izravno proučavanje.

Moram reći, nigdje ovdje nije bilo "besplate" od prirode. Potraga je trajala jako dugo, ali nije popuštala jer tada, prije nekoliko desetljeća, oprema nije postigla rezultat ni po energiji, ni po mjerilu, ni po osjetljivosti. Stalni, svrhoviti razvoj tehnologija doveo je do cilja, razvoja koji nisu zaustavile ni tehničke poteškoće ni negativni rezultati prethodnih godina.

I u sva tri slučaja sama činjenica otkrića nije bila kraj, već, naprotiv, početak novog smjera istraživanja, postao je novi instrument za ispitivanje našeg svijeta. Svojstva Higgsovog bozona postala su mjerljiva - i u tim podacima fizičari pokušavaju razaznati učinke Nove fizike. Zahvaljujući povećanoj statistici visokoenergetskih neutrina, neutrina astrofizika čini svoje prve korake. Barem se isto sada očekuje od astronomije gravitacijskih valova, a ima razloga za optimizam.

Izvori:
1) LIGO Scientific Coll. i Virgo Coll. Promatranje gravitacijskih valova iz spajanja binarnih crnih rupa // fiz. vlč. Lett. Objavljeno 11. veljače 2016.
2) Detection Papers - Popis tehničkih članaka koji prate glavni članak o otkriću.
3) E. Berti. Točka gledišta: Prvi zvukovi spajanja crnih rupa // Fizika. 2016. V. 9.N. 17.

Pregledajte materijale:
1) David Blair i sur. Astronomija gravitacijskih valova: trenutno stanje // arXiv: 1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott i LIGO Scientific Collaboration i Virgo Collaboration. Izgledi za promatranje i lokaliziranje prijelaznih gravitacijskih valova s ​​naprednim LIGO i naprednim Virgo // Živi vlč. Relativnost... 2016. V. 19.N. 1.
3) O. D. Aguiar. Prošlost, sadašnjost i budućnost detektora gravitacijskih valova rezonantne mase // Rez. Astron. Astrofija. 2011. V. 11.N. 1.
4) Potraga za gravitacijskim valovima – izbor materijala na web stranici časopisa Znanost o potrazi za gravitacijskim valovima.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Detekcija gravitacijskih valova interferometrijom (zemlja i svemir) // arXiv: 1102.3355.
6) V. B. Braginsky. Astronomija gravitacijskih valova: nove metode mjerenja // UFN... 2000. Svezak 170, str. 743–752.
7) Peter R. Saulson.

Ali više me zanima što se neočekivano može otkriti pomoću gravitacijskih valova. Svaki put kad su ljudi promatrali svemir na novi način, otkrili smo mnoge neočekivane stvari koje su preokrenule naše razumijevanje svemira. Želim pronaći te gravitacijske valove i otkriti nešto o čemu prije nismo imali pojma.

Hoće li nam to pomoći da napravimo pravi warp pogon?

Budući da gravitacijski valovi slabo djeluju s materijom, teško se mogu koristiti za pomicanje ove materije. Ali čak i da možete, gravitacijski val putuje samo brzinom svjetlosti. Neće raditi za warp pogon. Ipak bi bilo cool.

Što je s antigravitacijskim uređajima?

Da bismo stvorili antigravitacijski uređaj, moramo pretvoriti silu gravitacije u silu odbijanja. I premda gravitacijski val širi promjene u gravitaciji, ta promjena nikada nije odbojna (ili negativna).

Gravitacija je uvijek privlačna jer se čini da negativna masa ne postoji. Uostalom, postoji pozitivan i negativan naboj, sjeverni i južni magnetski pol, ali samo pozitivna masa. Zašto? Da postoji negativna masa, kuglica materije bi pala gore, a ne dolje. Odbijala bi ga pozitivna masa Zemlje.

Što to znači za putovanje kroz vrijeme i teleportaciju? Možemo li pronaći praktične primjene za ovaj fenomen osim proučavanja našeg svemira?

Sada Najbolji način Putovanje kroz vrijeme (i to samo u budućnost) znači putovati brzinom skorom svjetlosti (sjetite se paradoksa blizanaca u općoj relativnosti) ili otići u područje s povećanom gravitacijom (ovakvo putovanje kroz vrijeme je demonstrirano u Interstellaru). Budući da gravitacijski val širi promjene gravitacije, nastat će vrlo male fluktuacije u brzini vremena, ali budući da su gravitacijski valovi inherentno slabi, vremenske fluktuacije su također slabe. I premda mislim da ovo ne možete primijeniti na putovanje kroz vrijeme (ili teleportaciju), nikad ne reci nikad (kladim se da si dahnuo).

Hoće li doći dan kada ćemo prestati potvrđivati ​​Einsteina i ponovno početi tražiti čudne stvari?

Naravno! Budući da je gravitacija najslabija od sila, s njom je također teško eksperimentirati. Do sada, svaki put kada su znanstvenici testirali opću relativnost, dobivali su točno predviđene rezultate. Čak je i detekcija gravitacijskih valova još jednom potvrdila Einsteinovu teoriju. Ali pretpostavljam da ćemo kad počnemo provjeravati i najsitnije detalje teorije (možda s gravitacijskim valovima, možda s nekim drugim), pronaći "smiješne" stvari, kao ne baš točnu podudarnost rezultata eksperimenta s prognozom. To neće značiti da je opća teorija relativnosti pogrešna, već samo potreba da se razjasne njezini detalji.

Svaki put kada odgovorimo na jedno pitanje o prirodi, pojavljuju se nova. Na kraju ćemo imati pitanja koja će biti hladnija od odgovora koje opća relativnost može dopustiti.

Možete li objasniti kako bi se ovo otkriće moglo povezati s teorijom ujedinjenog polja ili utjecati na nju? Jesmo li bliže tome da to potvrdimo ili razotkrijemo?

Sada su rezultati našeg otkrića uglavnom posvećeni provjeri i potvrđivanju opće relativnosti. Unificirana teorija polja traži način za stvaranje teorije koja objašnjava fiziku vrlo malih ( kvantna mehanika) i vrlo velika (opća relativnost). Sada se ove dvije teorije mogu generalizirati kako bi objasnile razmjere svijeta u kojem živimo, ali ne više. Budući da se naše otkriće usredotočuje na fiziku vrlo velikoga, ono nas samo po sebi neće puno unaprijediti prema jedinstvenoj teoriji. Ali to nije pitanje. Sada se upravo rodilo polje fizike gravitacijskih valova. Kada saznamo više, sigurno ćemo proširiti naše rezultate u području jedinstvene teorije. Ali prije trčanja morate prošetati.

Sada kada slušamo gravitacijske valove, što znanstvenici trebaju čuti da bi doslovno otpuhali ciglu? 1) Neprirodni uzorci/strukture? 2) Izvori gravitacijskih valova iz područja koja smo smatrali praznima? 3) Rick Astley - Nikad te neću odustati?

Kad sam pročitao vaše pitanje, odmah sam se sjetio scene iz "Kontakta" u kojoj radio teleskop hvata uzorke primarni brojevi... Malo je vjerojatno da se to može naći u prirodi (koliko znamo). Dakle, vaša bi opcija s neprirodnim uzorkom ili strukturom bila najvjerojatnija.

Mislim da nikada nećemo biti sigurni u prazninu u određenoj regiji prostora. Naposljetku, sustav crnih rupa koji smo pronašli bio je izoliran i iz ove regije nije dolazilo svjetlo, ali smo ipak tamo pronašli gravitacijske valove.

Što se tiče glazbe... Specijalizirao sam se za odvajanje signala gravitacijskih valova od statičkog šuma koji neprestano mjerimo u pozadini. okoliš... Kad bih pronašao glazbu u gravitacijskom valu, pogotovo onu koju sam čuo prije, bila bi to šala. Ali glazba kakva se nikad nije čula na Zemlji... Bilo bi to kao s jednostavnim slučajevima iz "Kontakta".

Budući da pokus registrira valove promjenom udaljenosti između dva objekta, je li amplituda jednog smjera veća od drugog? Inače, znače li čitani podaci da se svemir mijenja u veličini? I ako je tako, je li ovo produžetak ili nešto neočekivano?

Moramo vidjeti mnoge gravitacijske valove koji dolaze iz mnogo različitih smjerova u svemiru prije nego što možemo odgovoriti na ovo pitanje. U astronomiji to stvara model populacije. Koliko različitih vrsta stvari postoji? Ovo je glavno pitanje. Kada budemo imali puno zapažanja i počeli uviđati neočekivane obrasce, na primjer, da gravitacijski valovi određene vrste dolaze iz određenog dijela Svemira i niotkuda drugdje, bit će to izuzetno zanimljiv rezultat. Neki obrasci bi mogli potvrditi ekspanziju (u što smo vrlo uvjereni), ili druge pojave za koje još nismo znali. Ali prvo treba vidjeti puno više gravitacijskih valova.

Potpuno mi je neshvatljivo kako su znanstvenici utvrdili da valovi koje su izmjerili pripadaju dvije supermasivne crne rupe. Kako se izvor valova može identificirati s takvom preciznošću?

Tehnike analize podataka koriste katalog predviđenih signala gravitacijskih valova za usporedbu s našim podacima. Ako postoji jaka korelacija s jednim od ovih predviđanja, ili obrazaca, onda ne samo da znamo da je to gravitacijski val, već znamo i koji ga je sustav formirao.

Svaki pojedini način stvaranja gravitacijskog vala, bilo da se radi o spajanju crnih rupa, rotaciji ili smrti zvijezda, svi valovi imaju različite oblike. Kada otkrijemo gravitacijski val, koristimo te oblike kako je predviđeno općom relativnošću kako bismo odredili njihov uzrok.

Kako znamo da su ti valovi nastali sudarom dviju crnih rupa, a ne nekim drugim događajem? Je li moguće s bilo kojim stupnjem točnosti predvidjeti gdje ili kada se takav događaj dogodio?

Kada znamo koji je sustav proizveo gravitacijski val, možemo predvidjeti koliko je jak gravitacijski val bio u blizini mjesta rođenja. Mjerenjem njegove snage dok stigne do Zemlje i uspoređujući naša mjerenja s predviđenom snagom izvora, možemo izračunati koliko je udaljen izvor. Budući da gravitacijski valovi putuju brzinom svjetlosti, možemo izračunati i koliko je vremena trebalo gravitacijskim valovima da putuju prema Zemlji.

U slučaju sustava crnih rupa koji smo otkrili, izmjerili smo maksimalnu promjenu duljine LIGO krakova za 1/1000 protonskog promjera. Ovaj sustav je udaljen 1,3 milijarde svjetlosnih godina. Gravitacijski val, otkriven u rujnu i najavljen neki dan, kreće se prema nama već 1,3 milijarde godina. To se dogodilo prije nego što je na Zemlji nastao životinjski svijet, ali nakon pojave višestaničnih organizama.

U vrijeme objave najavljeno je da će drugi detektori tražiti valove duljeg razdoblja - od kojih će neki biti kozmički. Što nam možete reći o ovim velikim detektorima?

Doista je u razvoju svemirski detektor. Zove se LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Budući da će biti u svemiru, bit će prilično osjetljiv na gravitacijske valove niske frekvencije, za razliku od Zemljinih detektora, zbog prirodnih vibracija Zemlje. Bit će teško, budući da će sateliti morati biti locirani dalje od Zemlje nego što su ljudi ikada bili. Ako nešto pođe po zlu, nećemo moći poslati astronaute na popravak. Za testiranje potrebnih tehnologija,. Do sada se nosila sa svim postavljenim zadacima, ali misija je daleko od završetka.

Mogu li se gravitacijski valovi pretvoriti u zvučne? I ako je tako, kako će izgledati?

Limenka. Naravno, nećete čuti samo gravitacijski val. Ali ako uzmete signal i prođete ga kroz zvučnike, možete ga čuti.

Što ćemo s tim informacijama? Emitiraju li te valove drugi astronomski objekti sa značajnom masom? Mogu li se valovi koristiti za pronalaženje planeta ili jednostavnih crnih rupa?

Kada se traže gravitacijske vrijednosti, nije samo masa bitna. Također i ubrzanje koje je svojstveno objektu. Crne rupe koje smo otkrili okretale su se jedna oko druge brzinom od 60% kada su se spojile. Stoga smo ih uspjeli otkriti tijekom spajanja. Ali sada više ne primaju gravitacijske valove, jer su se spojili u jednu neaktivnu masu.

Dakle, sve što ima veliku masu i kreće se vrlo brzo stvara gravitacijske valove koji se mogu uhvatiti.

Malo je vjerojatno da će egzoplaneti imati dovoljno mase ili ubrzanja za stvaranje vidljivih gravitacijskih valova. (Ne kažem da ih uopće ne stvaraju, samo da neće biti dovoljno jake ili s drugom frekvencijom). Čak i ako je egzoplanet dovoljno masivan da generira potrebne valove, ubrzanje će ga razdvojiti. Ne zaboravite da su najmasivniji planeti obično plinoviti divovi.

Koliko je točna analogija s vodenim valovima? Možemo li jahati na ovim valovima? Postoje li gravitacijski "vrhovi" poput već poznatih "bunara"?

Budući da se gravitacijski valovi mogu kretati kroz materiju, ne postoji način da ih jašete ili koristite za kretanje. Dakle, nema surfanja na gravitacijskim valovima.

Vrhovi i bunari su prekrasni. Gravitacija uvijek privlači jer nema negativne mase. Ne znamo zašto, ali nikada nije opažen u laboratoriju ili u svemiru. Stoga se gravitacija obično predstavlja kao "bunar". Masa koja se kreće duž ovog "bunara" će se baciti prema unutra; ovako djeluje privlačnost. Ako imate negativnu masu, tada ćete dobiti odbojnost, a s njom i "vrhunac". Masa koja se kreće na "vrhu" savijat će se od njega. Dakle, "bunari" postoje, ali "vrhovi" ne.

Analogija s vodom je u redu sve dok govorimo o činjenici da snaga vala opada s udaljenosti prijeđenom od izvora. Vodeni val će biti sve manji i manji, a gravitacijski val sve slabiji.

Kako će ovo otkriće utjecati na naš opis inflatornog razdoblja Veliki prasak?

U ovom trenutku ovo otkriće ima mali ili nikakav utjecaj na inflaciju. Da biste dali ovakve izjave, morate promatrati reliktne gravitacijske valove Velikog praska. Projekt BICEP2 vjerovao je da neizravno promatra ove gravitacijske valove, ali se pokazalo da je za to kriva kozmička prašina. Ako dobije podatke koji su mu potrebni, to će također potvrditi postojanje kratkog razdoblja inflacije ubrzo nakon Velikog praska.

LIGO će moći izravno vidjeti ove gravitacijske valove (ovo će također biti najslabija vrsta gravitacijskih valova za koju se nadamo da ćemo otkriti). Ako ih vidimo, moći ćemo duboko zaviriti u prošlost Svemira, kao što nismo gledali prije, i suditi o inflaciji na temelju primljenih podataka.

Prvo izravno otkrivanje gravitacijskih valova otkriveno je svijetu 11. veljače 2016. godine i izazvalo je naslovnice diljem svijeta. Za ovo otkriće, fizičari su 2017. dobili Nobelovu nagradu i službeno pokrenuli novu eru gravitacijske astronomije. No, skupina fizičara s Instituta Niels Bohr u Kopenhagenu u Danskoj dovodi u pitanje nalaz na temelju vlastite neovisne analize podataka u posljednje dvije i pol godine.

Jedan od najmisterioznijih objekata na svijetu, crne rupe, redovito privlače pozornost na sebe. Znamo da se sudaraju, spajaju, mijenjaju svjetlinu, pa čak i isparavaju. Pa ipak, u teoriji, crne rupe mogu međusobno povezati svemire pomoću. Međutim, sva naša znanja i pretpostavke o tim masivnim objektima mogu se pokazati netočnima. Nedavno su znanstvenom zajednicom kružile glasine da su znanstvenici primili signal iz crne rupe, čija je veličina i masa toliko golema da je njezino postojanje fizički nemoguće.

Prvo izravno otkrivanje gravitacijskih valova otkriveno je svijetu 11. veljače 2016. godine i izazvalo je naslovnice diljem svijeta. Za ovo otkriće, fizičari su 2017. dobili Nobelovu nagradu i službeno pokrenuli novu eru gravitacijske astronomije. No, skupina fizičara s Instituta Niels Bohr u Kopenhagenu dovodi u pitanje nalaz na temelju vlastite neovisne analize podataka u posljednje dvije i pol godine.

Službeni dan otkrića (detekcije) gravitacijskih valova je 11. veljače 2016. godine. Tada su, na konferenciji za novinare održanoj u Washingtonu, čelnici LIGO kolaboracije objavili da je tim istraživača prvi put u povijesti čovječanstva uspio zabilježiti ovaj fenomen.

Proročanstva velikog Einsteina

Albert Einstein je sugerirao da gravitacijski valovi postoje početkom prošlog stoljeća (1916.) u okviru Opće teorije relativnosti (GR) koju je on formulirao. Ostaje samo začuditi se briljantnim sposobnostima slavnog fizičara, koji je uz minimum stvarnih podataka uspio izvući tako dalekosežne zaključke. Među mnogim drugim predviđenim fizikalnim pojavama koje su našle potvrdu u sljedećem stoljeću (usporavanje protoka vremena, promjena smjera elektromagnetskog zračenja u gravitacijskim poljima, itd.), nije bilo moguće praktički detektirati prisutnost ove vrste valova. interakcije tijela donedavno.

Je li gravitacija iluzija?

Općenito, u svjetlu Teorije relativnosti, gravitaciju se teško može nazvati silom. poremećaji ili izobličenja prostorno-vremenskog kontinuuma. Razvučeni komad tkanine dobar je primjer za ilustraciju ovog postulata. Pod težinom masivnog predmeta postavljenog na takvu površinu nastaje udubljenje. Ostali objekti koji se kreću u blizini ove anomalije promijenit će svoju putanju, kao da su "privučeni". I što je veća težina predmeta (što je veći promjer i dubina zakrivljenosti), to je veća "sila gravitacije". Kada se kreće duž tkiva, možete promatrati pojavu divergentnih "mreškanja".

Nešto slično događa se u svjetskom prostoru. Svaka masivna tvar koja se brzo kreće izvor je fluktuacija u gustoći prostora i vremena. Gravitacijski val sa značajnom amplitudom tvore tijela iznimno velike mase ili kada se kreću velikim ubrzanjima.

fizičke karakteristike

Oscilacije prostorno-vremenske metrike očituju se kao promjene u gravitacijskom polju. Taj se fenomen inače naziva prostorno-vremenskim mreškanjem. Gravitacijski val djeluje na tijela i predmete na koje se nailazi, sabijajući ih i rastežući ih. Vrijednosti deformacije su vrlo beznačajne - oko 10 -21 od izvorne veličine. Cijela poteškoća u otkrivanju ovog fenomena bila je u tome što su istraživači morali naučiti kako izmjeriti i zabilježiti takve promjene koristeći odgovarajuću opremu. Snaga gravitacijskog zračenja također je iznimno mala - za cijeli Sunčev sustav iznosi nekoliko kilovata.

Brzina širenja gravitacijskih valova neznatno ovisi o svojstvima vodljivog medija. Amplituda titranja postupno opada s udaljenosti od izvora, ali nikada ne doseže nulu. Frekvencija se kreće od nekoliko desetaka do stotina herca. Brzina gravitacijskih valova u međuzvjezdanom mediju približava se brzini svjetlosti.

Neizravni dokazi

Prvi put teorijsku potvrdu postojanja gravitacijskih valova dobili su američki astronom Joseph Taylor i njegov pomoćnik Russell Hulse 1974. godine. Proučavajući prostranstvo svemira uz radio teleskop opservatorija Arecibo (Puerto Rico), istraživači su otkrili pulsar PSR B1913 + 16, koji je binarni sustav neutronskih zvijezda koje se okreću oko zajedničkog središta mase s konstantnom kutnom brzinom ( prilično rijedak slučaj). Godišnje se orbitalni period, koji je u početku iznosio 3,75 sati, smanjuje za 70 ms. Ova vrijednost je sasvim u skladu sa zaključcima iz jednadžbi opće relativnosti koji predviđaju povećanje brzine rotacije takvih sustava zbog utroška energije za generiranje gravitacijskih valova. Kasnije je otkriveno nekoliko dvostrukih pulsara i bijelih patuljaka sličnog ponašanja. Radio astronomi D. Taylor i R. Hals dobili su 1993. Nobelovu nagradu za fiziku za otkriće novih mogućnosti proučavanja gravitacijskih polja.

Izbjegavanje gravitacijskog vala

Prva aplikacija za detekciju gravitacijskih valova došla je od znanstvenika sa Sveučilišta Maryland Josepha Webera (SAD) 1969. godine. U te svrhe koristio je dvije gravitacijske antene vlastitog dizajna, razdvojene udaljenosti od dva kilometra. Rezonantni detektor bio je jednodijelni dvometarski aluminijski cilindar dobro izoliran od vibracija opremljen osjetljivim piezoelektričnim senzorima. Amplituda fluktuacija koje je navodno zabilježio Weber pokazala se više od milijun puta većom od očekivane vrijednosti. Pokušaji drugih znanstvenika uz pomoć slične opreme da ponove "uspjeh" američkog fizičara nisu dali pozitivne rezultate. Nekoliko godina kasnije, Weberov rad na ovom području smatran je neodrživim, ali je dao poticaj razvoju "gravitacijskog buma", koji je privukao mnoge stručnjake u ovo područje istraživanja. Inače, sam Joseph Weber do kraja svojih dana bio je siguran da prima gravitacijske valove.

Poboljšanje opreme za prijem

U 70-ima znanstvenik Bill Fairbank (SAD) razvio je gravitacijsko-valnu antenu, hlađenu korištenjem lignji - superosjetljivih magnetometara. Tehnologije koje su postojale u to vrijeme nisu dopuštale izumitelju da vidi svoj proizvod, realiziran u "metal".

Ovo je princip iza gravitacijskog detektora Auriga u Nacionalnom laboratoriju Legnard (Padova, Italija). Dizajn se temelji na aluminijsko-magnezijskom cilindru, duljine 3 metra i promjera 0,6 m. Prihvatni uređaj težak 2,3 tone visi u izoliranoj vakuumskoj komori ohlađenoj na gotovo apsolutnu nulu. Za fiksiranje i detekciju udara koristi se pomoćni kilogramski rezonator i računalni mjerni kompleks. Deklarisana osjetljivost opreme je 10 -20.

Interferometri

Rad detektora interferencije gravitacijskih valova temelji se na istim principima po kojima radi Michelsonov interferometar. Laserska zraka koju emitira izvor dijeli se na dva toka. Nakon višestrukih refleksija i putovanja duž krakova uređaja, potoci se ponovno spajaju, a konačnim se prosudom prosuđuje jesu li neki poremećaji (na primjer, gravitacijski val) utjecali na putanju zraka. Slična oprema stvorena je u mnogim zemljama:

• GEO 600 (Hannover, Njemačka). Duljina vakuumskih tunela je 600 metara.
• TAMA (Japan) s ramenima od 300 m.
• VIRGO (Pisa, Italija) zajednički je francusko-talijanski projekt pokrenut 2007. s tunelima od tri kilometra.
• LIGO (SAD, obala Pacifika), koji vodi lov na gravitacijske valove od 2002.

Potonje je vrijedno detaljnije razmotriti.

LIGO Advanced

Projekt su pokrenuli znanstvenici iz Massachusettsa i Kalifornije tehnoloških instituta... Obuhvaća dvije zvjezdarnice, međusobno udaljene 3 tisuće km, u i Washingtonu (gradovi Livingston i Hanford) s tri identična interferometra. Duljina okomitih vakuumskih tunela je 4000 metara. Ovo su najveće takve strukture koje su trenutno u funkciji. Sve do 2011. brojni pokušaji otkrivanja gravitacijskih valova nisu donijeli nikakve rezultate. Značajna modernizacija (Advanced LIGO) povećala je osjetljivost opreme u rasponu od 300-500 Hz za više od pet puta, a u području niskih frekvencija (do 60 Hz) gotovo za red veličine, dosegnuvši toliko željena vrijednost od 10 -21. Ažurirani projekt pokrenut je u rujnu 2015., a trud više od tisuću suradnika nagrađen je rezultatima.

Otkriveni gravitacijski valovi

Dana 14. rujna 2015. poboljšani LIGO detektori s intervalom od 7 ms zabilježili su gravitacijske valove koji su stigli do našeg planeta od najveće pojave koja se dogodila na periferiji promatranog svemira – spajanja dviju velikih crnih rupa s masama 29 i 36 puta većim masa Sunca. Tijekom procesa, koji se odvijao prije više od 1,3 milijarde godina, u djelićima sekunde, na zračenje gravitacijskih valova potrošeno je oko tri sunčeve mase materije. Zabilježena početna frekvencija gravitacijskih valova bila je 35 Hz, a maksimalna vršna vrijednost dosegnula je 250 Hz.

Dobiveni rezultati su više puta podvrgnuti sveobuhvatnoj provjeri i obradi, a alternativna tumačenja dobivenih podataka pažljivo su prekinuta. Konačno, prošle godine je svjetskoj zajednici objavljena izravna registracija fenomena koji je predvidio Einstein.

Činjenica koja ilustrira titanski rad istraživača: amplituda kolebanja u veličini krakova interferometara bila je 10 -19 m - ova vrijednost je onoliko puta manja od promjera atoma, onoliko koliko je on sam manji nego naranča.

Daljnje perspektive

Ovo otkriće još jednom potvrđuje da Opća relativnost nije samo skup apstraktnih formula, već temeljno novi pogled na bit gravitacijskih valova i gravitacije općenito.

U daljnjim istraživanjima znanstvenici polažu velike nade u projekt ELSA: stvaranje divovskog orbitalnog interferometra s krakovima od oko 5 milijuna km, sposobnog detektirati čak i manje poremećaje gravitacijskih polja. Intenziviranje rada u ovom smjeru može puno reći o glavnim fazama razvoja svemira, o procesima čije je promatranje u tradicionalnim rasponima teško ili nemoguće. Bez sumnje, crne rupe, čiji će gravitacijski valovi biti snimljeni u budućnosti, puno će reći o njihovoj prirodi.

Za proučavanje reliktnog gravitacijskog zračenja, koje može reći o prvim trenucima našeg svijeta nakon Velikog praska, bit će potrebni osjetljiviji svemirski instrumenti. Takav projekt postoji ( Promatrač Velikog praska), ali njegova je provedba, prema uvjeravanjima stručnjaka, moguća ne prije nego za 30-40 godina.

Stotinu godina nakon teorijskog predviđanja Alberta Einsteina u okviru opće teorije relativnosti, znanstvenici su uspjeli potvrditi postojanje gravitacijskih valova. Počinje doba temeljno nove metode proučavanja dubokog svemira – gravitacijsko-valne astronomije.

Otkrića su različita. Oni su nasumični, u astronomiji su česti. Ima i onih ne sasvim slučajnih, nastalih kao rezultat pomnog "češljanja terena", kao što je, na primjer, otkriće Urana Williama Herschela. Postoje slučajnosti - kada su tražili jedno, a pronašli drugo: na primjer, otkrili su Ameriku. Ali planirana otkrića zauzimaju posebno mjesto u znanosti. Temelje se na jasnom teorijskom predviđanju. Ono što se predviđa traži se prvenstveno kako bi se potvrdila teorija. Takva otkrića uključuju detekciju Higgsovog bozona na Velikom hadronskom sudaraču i registraciju gravitacijskih valova pomoću lasersko-interferometrijskog gravitacijsko-valnog opservatorija LIGO. Ali da biste registrirali neki fenomen predviđen teorijom, morate dobro razumjeti što točno i gdje tražiti, kao i koji su alati potrebni za to.

Gravitacijski valovi se tradicionalno nazivaju predviđanjem opće relativnosti (GR), i to je doista tako (iako su sada takvi valovi prisutni u svim modelima koji su alternativa GR ili ga nadopunjuju). Pojava valova uzrokovana je konačnošću brzine širenja gravitacijske interakcije (u općoj relativnosti ta je brzina točno jednaka brzini svjetlosti). Takvi valovi su perturbacije prostor-vremena koje se šire od izvora. Za pojavu gravitacijskih valova potrebno je da izvor pulsira ili ubrzava, ali na određeni način. Recimo pokreti sa savršenom sfernom ili cilindričnom simetrijom nisu prikladni. Postoji mnogo takvih izvora, ali često imaju malu masu, nedovoljnu za generiranje snažnog signala. Uostalom, gravitacija je najslabija od četiri temeljne interakcije, pa je vrlo teško registrirati gravitacijski signal. Osim toga, za registraciju je potrebno da se signal brzo mijenja tijekom vremena, odnosno da ima dovoljno visoku frekvenciju. U protivnom ga nećemo moći registrirati jer će promjene biti prespore. To znači da objekti također moraju biti kompaktni.

U početku su veliki entuzijazam izazvale eksplozije supernove koje se u galaksijama poput naše događaju svakih nekoliko desetljeća. To znači da ako možete postići osjetljivost koja vam omogućuje da vidite signal s udaljenosti od nekoliko milijuna svjetlosnih godina, možete računati na nekoliko signala godišnje. No kasnije se pokazalo da su početne procjene snage oslobađanja energije u obliku gravitacijskih valova tijekom eksplozije supernove bile previše optimistične, a tako slab signal mogao bi se zabilježiti samo ako bi supernova izbila u našoj Galaksiji.

Druga varijanta masivnih kompaktnih objekata koji se brzo kreću su neutronske zvijezde ili crne rupe. Možemo vidjeti ili proces njihovog formiranja, ili proces međusobne interakcije. Posljednje faze kolapsa zvjezdanih jezgri, koje dovode do stvaranja kompaktnih objekata, kao i posljednje faze spajanja neutronskih zvijezda i crnih rupa, traju reda veličine nekoliko milisekundi (što odgovara frekvenciji od stotine herca) - upravo ono što vam treba. Istodobno se oslobađa puno energije, uključujući (i ponekad uglavnom) u obliku gravitacijskih valova, budući da masivna kompaktna tijela izvode određene brze pokrete. To su naši idealni izvori.

Istina, supernove izbijaju u Galaksiji svakih nekoliko desetljeća, spajanje neutronskih zvijezda događa se svakih nekoliko desetaka tisuća godina, a crne rupe se spajaju jedna s drugom još rjeđe. Ali signal je mnogo snažniji, a njegove karakteristike mogu se prilično točno izračunati. Ali sada moramo naučiti kako vidjeti signal s udaljenosti od nekoliko stotina milijuna svjetlosnih godina kako bismo pokrili nekoliko desetaka tisuća galaksija i otkrili nekoliko signala godišnje.

Nakon što smo se odlučili za izvore, krenimo s projektiranjem detektora. Da biste to učinili, morate razumjeti što radi gravitacijski val. Ne ulazeći u detalje, možemo reći da prolazak gravitacijskog vala uzrokuje plimnu silu (obične mjesečeve ili solarne plime su zasebna pojava, a gravitacijski valovi s tim nemaju nikakve veze). Dakle, možete uzeti, na primjer, metalni cilindar, opremiti senzorima i proučavati njegove vibracije. Nije teško, dakle, takve instalacije počele su se izrađivati ​​prije pola stoljeća (i one su u Rusiji, sada se u podzemnom laboratoriju Baksana montira poboljšani detektor, koji je razvio tim Valentina Rudenka iz SAI MSU-a) . Problem je u tome što će takav uređaj vidjeti signal bez ikakvih gravitacijskih valova. Postoje tone zvukova s ​​kojima se teško nositi. Moguće je (i to je učinjeno!) Detektor ugraditi pod zemlju, pokušati ga izolirati, ohladiti na niske temperature, ali ipak, da bi se premašila razina buke, potreban je vrlo snažan signal gravitacijskog vala. A jaki signali su rijetki.

Stoga je napravljen izbor u korist drugačije sheme, koju su iznijeli Vladislav Pustovoit i Mikhail Hertsenstein 1962. godine. U članku objavljenom u ZhETF (Journal of Experimental and Theoretical Physics), predložili su korištenje Michelsonovog interferometra za registraciju gravitacijskih valova. Laserska zraka prolazi između zrcala u dva kraka interferometra, a zatim se dodaju zrake iz različitih krakova. Analizom rezultata interferencije zraka moguće je izmjeriti relativnu promjenu duljine krakova. Ovo su vrlo točna mjerenja, pa ako pobijedite buku, možete postići fantastičnu osjetljivost.

Početkom 1990-ih odlučeno je izgraditi nekoliko detektora prema ovoj shemi. Prve su u službu ušle relativno male jedinice, GEO600 u Europi i TAMA300 u Japanu (brojevi odgovaraju duljini krakova u metrima) za tehnološko uhodavanje. No, glavni igrači su trebali biti LIGO instalacije u SAD-u i VIRGO instalacije u Europi. Veličina ovih uređaja već se mjeri u kilometrima, a konačna planirana osjetljivost trebala je omogućiti viđenje desetaka, ako ne i stotina događaja godišnje.

Zašto je potrebno više uređaja? Prvenstveno za unakrsnu provjeru jer postoji lokalizirana buka (npr. seizmička). Istodobna registracija signala na sjeverozapadu Sjedinjenih Država i u Italiji bila bi izvrstan dokaz njegovog vanjskog porijekla. Ali postoji i drugi razlog: detektori gravitacijskih valova vrlo su slabi u određivanju smjera prema izvoru. Ali ako postoji nekoliko razmaknutih detektora, bit će moguće prilično točno naznačiti smjer.

Laserski divovi

U njegovom izvorni oblik LIGO detektori izrađeni su 2002. godine, a VIRGO detektori 2003. godine. Prema planu, ovo je bila tek prva etapa. Sve instalacije su u pogonu nekoliko godina, a 2010.-2011. su zaustavljene na reviziji, kako bi potom dosegnule planiranu visoku osjetljivost. LIGO detektori prvi su počeli s radom u rujnu 2015., VIRGO bi se trebao pridružiti u drugoj polovici 2016., a počevši od ove faze, osjetljivost nam omogućuje da se nadamo da ćemo registrirati barem nekoliko događaja godišnje.

Od početka LIGO-a, očekivana stopa rafala bila je otprilike jedan događaj mjesečno. Astrofizičari su unaprijed procijenili da bi prvi očekivani događaji trebali biti spajanja crnih rupa. To je zbog činjenice da su crne rupe obično deset puta teže od neutronskih zvijezda, signal je snažniji, a "vidljiv" je iz velike udaljenosti, što više nego kompenzira nižu stopu događaja po galaksiji. Srećom, nismo morali dugo čekati. Dana 14. rujna 2015. obje su instalacije zabilježile gotovo identičan signal koji je dobio naziv GW150914.

Uz prilično jednostavnu analizu, možete dobiti podatke kao što su mase crnih rupa, jačina signala i udaljenost do izvora. Masa i veličina crnih rupa povezane su na vrlo jednostavan i dobro poznat način, a iz frekvencije signala može se odmah procijeniti veličina područja oslobađanja energije. U ovom slučaju, veličina je ukazivala da je crna rupa s masom većom od 60 solarnih masa nastala od dvije rupe mase 25-30 i 35-40 solarnih masa. Znajući ove podatke, možete dobiti punu energiju praska. Gotovo tri solarne mase prešle su u gravitacijsko zračenje. To odgovara svjetlini 1023 luminoziteta Sunca - otprilike isto koliko tijekom tog vremena (stotinke sekunde) emitiraju sve zvijezde u vidljivom dijelu Svemira. A iz poznate energije i veličine izmjerenog signala dobiva se udaljenost. Velika masa spojena tijela omogućila su registraciju događaja koji se dogodio u udaljenoj galaksiji: signal je do nas dolazio oko 1,3 milijarde godina.

Detaljnija analiza omogućuje nam da razjasnimo omjer mase crnih rupa i razumijemo kako su se rotirali oko svoje osi, kao i da odredimo neke druge parametre. Osim toga, signal iz dvije instalacije omogućuje grubo određivanje smjera praska. Nažalost, za sada točnost ovdje nije vrlo visoka, ali s puštanjem u rad ažurirane VIRGO će se povećati. A za nekoliko godina japanski detektor KAGRA počet će primati signale. Tada će se u Indiji montirati jedan od LIGO detektora (u početku ih je bilo tri, jedna od instalacija je bila dvostruka), a očekuje se da će se tada godišnje snimati više desetaka događaja.

Doba nove astronomije

Do sada najvažniji rezultat LIGO-ovog rada je potvrda postojanja gravitacijskih valova. Osim toga, već prvi prasak omogućio je poboljšanje ograničenja mase gravitona (u općoj relativnosti ima nultu masu), kao i jače ograničavanje razlike između brzine širenja gravitacije i brzine svjetlosti. No znanstvenici se nadaju da će 2016. moći dobiti puno novih astrofizičkih podataka koristeći LIGO i DJEVICU.

Prvo, podaci iz opservatorija gravitacijskih valova novi su kanal za proučavanje crnih rupa. Ako je ranije bilo moguće samo promatrati tokove materije u blizini ovih objekata, sada možete izravno "vidjeti" proces spajanja i "smirivanja" crne rupe u nastajanju, kako njen horizont vibrira, poprimajući svoj konačni oblik (određeno rotacijom). Vjerojatno će, do otkrića Hawkingovog isparavanja crnih rupa (zasad je ovaj proces ostao hipoteza), proučavanje spajanja pružiti najbolje izravne informacije o njima.

Drugo, promatranja spajanja neutronskih zvijezda pružit će mnogo novih, prijeko potrebnih informacija o tim objektima. Po prvi put moći ćemo proučavati neutronske zvijezde na način na koji fizičari proučavaju čestice: promatrati njihove sudare kako bismo razumjeli kako rade unutra. Misterij strukture crijeva neutronskih zvijezda brine i astrofizičare i fizičare. Naše razumijevanje nuklearne fizike i ponašanja materije pri ultravisokoj gustoći je nepotpuno bez rješavanja ovog pitanja. Vjerojatno će promatranja gravitacijskih valova ovdje igrati ključnu ulogu.

Vjeruje se da su spajanja neutronskih zvijezda odgovorna za kratke kozmološke praske gama zraka. U rijetkim slučajevima bit će moguće istovremeno promatrati događaj i u gama rasponu i na detektorima gravitacijskih valova (rijetkost je zbog činjenice da je, prvo, gama signal koncentriran u vrlo uskom snopu, a nije uvijek usmjerena na nas, ali drugo, nećemo registrirati gravitacijske valove iz vrlo udaljenih događaja). Očigledno će biti potrebno nekoliko godina promatranja da biste to mogli vidjeti (iako, kao i obično, možete imati sreće, a to će se dogoditi upravo danas). Tada ćemo, između ostalog, moći vrlo precizno usporediti brzinu gravitacije sa brzinom svjetlosti.

Tako će laserski interferometri raditi zajedno kao jedan teleskop gravitacijskih valova, donoseći nova znanja i astrofizičarima i fizičarima. Pa za otkriće prvih rafala i njihovu analizu prije ili kasnije bit će dodijeljena zaslužena Nobelova nagrada.