Laisvasis skysčio paviršius, esantis pusiausvyroje gravitaciniame lauke, yra plokščias. Jei yra veikiamas kokių nors išorinis poveikis skysčio paviršius kažkurioje vietoje nuo jo pašalinamas pusiausvyros padėtis, tada skystyje vyksta judėjimas. Šis judėjimas sklis per visą skysčio paviršių bangų, vadinamų gravitacinėmis bangomis, pavidalu, nes jas sukelia gravitacinio lauko veikimas. Gravitacinės bangos daugiausia atsiranda skysčio paviršiuje, kuo mažiau užfiksuoja jo vidinius sluoksnius, tuo giliau šie sluoksniai yra.
Čia nagrinėsime gravitacines bangas, kuriose judančių skysčio dalelių greitis yra toks mažas, kad Eulerio lygties termino galima nepaisyti, palyginti su Nesunku išsiaiškinti, ką ši sąlyga reiškia fiziškai. Skysčių dalelių bangoje atliekamų svyravimų periodo eilės laikotarpiu šios dalelės nukeliauja bangos amplitudės a eilės atstumą, todėl jų judėjimo greitis yra greičio dydžio. v pastebimai kinta per tam tikro dydžio laiko intervalus ir didumo eilės atstumus pagal bangos sklidimo kryptį (- ilgio bangos). Todėl greičio išvestinė laiko atžvilgiu yra dydžio eilės, o koordinačių eilės tvarka. Taigi sąlyga yra lygiavertė reikalavimui
tai yra, bangos virpesių amplitudė turi būti maža, palyginti su bangos ilgiu. 9 dalyje matėme, kad jei judėjimo lygties termino galima nepaisyti, tada skysčio judėjimas yra potencialus. Darant prielaidą, kad skystis yra nesuspaudžiamas, galime naudoti (10.6) ir (10.7) lygtis. (10.7) lygtyje galime nepaisyti termino, kuriame yra greičio kvadratas; įdėję ir įvesdami terminą į gravitacijos lauką, gauname:
(12,2)
Mes pasirenkame ašį, kaip įprasta, vertikaliai aukštyn, o pusiausvyros plokštumą pasirenkame kaip x, y plokštumą plokščias paviršius skysčių.
- skysčio paviršiaus taškų koordinates pažymėsime ; yra koordinačių x, y ir laiko t funkcija. Pusiausvyros sąlygomis vyksta vertikalus skysčio paviršiaus poslinkis, kai jis svyruoja.
Leiskite pastoviam slėgiui veikti skysčio paviršių. Tada pagal (12.2) paviršių
Konstantą galima pašalinti iš naujo apibrėžiant potencialą (pridedant prie jo nuo koordinačių nepriklausomą dydį. Tada būsena skysčio paviršiuje įgauna formą
Maža bangos virpesių amplitudė reiškia, kad poslinkis yra mažas. Todėl galime daryti tokią pat apytikslę prielaidą, kad vertikalioji paviršiaus taškų judėjimo greičio sudedamoji dalis sutampa su poslinkio laiko išvestine.
Dėl svyravimų mažumo, esant tokiai sąlygai, vietoj to galima paimti išvestinių vertes. Taigi galiausiai gauname tokią lygčių sistemą, kuri nustato judėjimą gravitacinėje bangoje:
Laikysime skysčio paviršiaus bangas, nes šis paviršius yra neribotas. Taip pat manysime, kad bangos ilgis yra mažas, palyginti su skysčio gyliu; tuomet skystis gali būti laikomas be galo giliu. Todėl šoninėse ribose ir skysčio apačioje ribinių sąlygų nerašome.
Panagrinėkime gravitacinę bangą, sklindančią išilgai ašies ir tolygią, tokioje bangoje visi dydžiai nepriklauso nuo y koordinatės. Ieškosime sprendinio, kuris yra paprasta periodinė laiko funkcija ir koordinatė x:
kur ( yra ciklinis dažnis (apie jį kalbėsime tiesiog kaip dažnį), k – bangos bangos vektorius, yra bangos ilgis. Pakeitę šią išraišką į lygtį, gauname funkcijos lygtį
Jo tirpalas, suyra į skysčio gylį (t. y. ties ):
Mes vis tiek turime patenkinti ribinė sąlyga(12.5), pakeisdami į jį (12.5), randame ryšį tarp dažnio b ir bangos vektoriaus (arba, kaip sakoma, bangos sklaidos dėsnio):
Greičių pasiskirstymas skystyje gaunamas diferencijuojant potencialą pagal koordinates:
Matome, kad greitis eksponentiškai mažėja link skysčio gylio. Kiekviename duotas taškas erdvėje (t. y. duotam x, z) greičio vektorius tolygiai sukasi x plokštumoje, o dydis išlieka pastovus.
Taip pat nustatykime skysčio dalelių trajektoriją bangoje. Laikinai x, z pažymėkime judančios skysčio dalelės koordinates (o ne koordinates fiksuotas taškas erdvėje), o per – dalelės pusiausvyros padėties x reikšmę. Tada ir dešinėje pusėje (12.8) galima apytiksliai parašyti vietoj , pasinaudojant svyravimų mažumu. Integracija laikui bėgant suteikia:
Taigi, skysčio dalelės apibūdina apskritimus aplink taškus, kurių spindulys eksponentiškai mažėja link skysčio gylio.
Bangos sklidimo greitis U yra lygus, kaip bus parodyta § 67. Pakeitę čia, mes nustatome, kad gravitacinių bangų sklidimo greitis neribotame begalinio gilaus skysčio paviršiuje yra lygus
Jis didėja didėjant bangos ilgiui.
Ilgos gravitacinės bangos
Atsižvelgdami į gravitacines bangas, kurių ilgis yra mažas, palyginti su skysčio gyliu, dabar apsigyvename prie priešingo ribinio bangų atvejo, kurių ilgis yra didelis, palyginti su skysčio gyliu.
Tokios bangos vadinamos ilgomis.
Pirmiausia panagrinėkime ilgųjų bangų sklidimą kanale. Kanalo ilgį (nukreiptą išilgai x ašies) laikysime neribotu. Kanalo skerspjūvis gali būti savavališkos formos ir gali skirtis išilgai jo ilgio. Skysčio skerspjūvio plotas kanale žymimas Manoma, kad kanalo gylis ir plotis yra maži, palyginti su bangos ilgiu.
Čia mes svarstysime išilginę ilgos bangos, kuriame skystis juda išilgai kanalo. Tokiose bangose greičio komponentas išilgai kanalo ilgio yra didelis, palyginti su komponentais
Žymėdami tiesiog v ir praleisdami mažus terminus, Eulerio lygties komponentą - galime parašyti kaip
a-komponentas – formoje
(praleidžiame kvadratinio greičio terminus, nes bangos amplitudė vis dar laikoma maža). Iš antrosios lygties turime, pažymėdami, kad toliau laisvas paviršius) turėtų būti
Pakeitę šią išraišką į pirmąją lygtį, gauname:
Antroji dviejų nežinomųjų nustatymo lygtis gali būti išvesta naudojant metodą, panašų į tęstinumo lygties išvedimą. Ši lygtis iš esmės yra tęstinumo lygtis, taikoma nagrinėjamam atvejui. Panagrinėkime skysčio tūrį, uždarytą tarp dviejų kanalo skerspjūvio plokštumų, esančių viena nuo kitos. Per laiko vienetą skysčio tūris pateks per vieną plokštumą, o tūris išeis per kitą plokštumą, todėl skysčio tūris tarp abiejų plokštumų pasikeis
Mojuokite ranka ir gravitacinės bangos bėgs visoje Visatoje.
S. Popovas, M. Prochorovas. Fantominės Visatos bangos
Astrofizikoje įvyko įvykis, kurio laukta dešimtmečius. Po pusę amžiaus trukusių paieškų pagaliau buvo atrastos gravitacinės bangos, paties erdvėlaikio virpesiai, kuriuos Einšteinas numatė prieš šimtą metų. 2015 m. rugsėjo 14 d. atnaujinta LIGO observatorija aptiko gravitacinių bangų pliūpsnį, kurį sukėlė dviejų juodųjų skylių, kurių masės 29 ir 36, susiliejimas. saulės masės tolimoje galaktikoje, esančioje maždaug už 1,3 milijardo šviesmečių. Gravitacinių bangų astronomija tapo visateise fizikos šaka; tai atvėrė mums naują būdą stebėti Visatą ir leis tyrinėti anksčiau neprieinamus stiprios gravitacijos padarinius.
Gravitacinės bangos
Galite sugalvoti įvairių gravitacijos teorijų. Visi jie vienodai gerai apibūdins mūsų pasaulį, jei tik apsiribosime viena jo apraiška – Niutono visuotinės gravitacijos dėsniu. Tačiau yra ir kitų, subtilesnių gravitaciniai efektai, kurie buvo eksperimentiškai išbandyti Saulės sistemos mastu, ir jie nurodo vieną konkrečią teoriją – bendrąjį reliatyvumą (GR).
Bendrasis reliatyvumas nėra tik formulių rinkinys, tai esminis gravitacijos esmės vaizdas. Jei įprastoje fizikoje erdvė tarnauja tik kaip fonas, tai konteineris fizikiniai reiškiniai, tada GTR jis pats tampa reiškiniu, dinamišku dydžiu, kuris kinta pagal GTR dėsnius. Būtent šie erdvės laiko iškraipymai lygaus fono atžvilgiu – arba, geometrijos kalba, erdvės ir laiko metrikos iškraipymai – jaučiami kaip gravitacija. Trumpai tariant, bendrasis reliatyvumas atskleidžia geometrinę gravitacijos kilmę.
Bendroji reliatyvumo teorija turi lemiamą prognozę: gravitacines bangas. Tai yra erdvės laiko iškraipymai, kurie gali „atsiplėšti nuo šaltinio“ ir, išsilaikydami, nuskristi. Tai gravitacija savaime, niekieno, sava. Albertas Einšteinas pagaliau suformulavo bendrąjį reliatyvumą 1915 m. ir beveik iš karto suprato, kad jo išvestos lygtys leidžia egzistuoti tokioms bangoms.
Kaip ir bet kuri sąžininga teorija, toks aiškus bendrojo reliatyvumo numatymas turi būti patikrintas eksperimentiškai. Bet koks judantis kūnas gali skleisti gravitacines bangas: planetas, aukštyn išmestą akmenį ar rankos mostą. Tačiau problema yra ta, kad gravitacinė sąveika yra tokia silpna, kad jokia eksperimentinė sąranka negali aptikti gravitacinių bangų spinduliavimo iš įprastų "spinduliuotojų".
Norint „persekioti“ galingą bangą, reikia labai iškraipyti erdvėlaikį. Idealus variantas – dvi juodosios skylės, besisukančios viena aplink kitą glaudžiai šokdamos, jų gravitacinio spindulio eilės atstumu (2 pav.). Metrikos iškraipymai bus tokie stiprūs, kad pastebima šios poros energijos dalis išsiskirs į gravitacines bangas. Prarasdama energiją, pora suartės, suks vis greičiau, vis labiau iškraipys metriką ir generuos dar stipresnes gravitacines bangas – kol galiausiai įvyks radikalus visko pertvarkymas. gravitacinis laukasŠi pora ir dvi juodosios skylės nesusilies į vieną.
Toks juodųjų skylių susiliejimas yra milžiniškos galios sprogimas, tačiau visa ši skleidžiama energija nueina ne į šviesą, ne į daleles, o į erdvės virpesius. Išspinduliuojama energija sudarys pastebimą pradinės juodųjų skylių masės dalį, o ši spinduliuotė išsitaškys per sekundės dalį. Panašius svyravimus sukels neutroninių žvaigždžių susiliejimas. Šiek tiek silpnesnis gravitacinių bangų energijos išsiskyrimas taip pat lydi kitus procesus, pavyzdžiui, supernovos branduolio griūtį.
Gravitacinės bangos sprogimas susijungus dviem kompaktiškiems objektams turi labai specifinį, gerai apskaičiuotą profilį, parodytą Fig. 3. Nustatomas svyravimo periodas orbitinis judėjimas du objektai aplink vienas kitą. Gravitacinės bangos neša energiją; dėl to objektai suartėja ir sukasi greičiau – ir tai matoma tiek svyravimų pagreityje, tiek amplitudės padidėjimu. Tam tikru momentu įvyksta susiliejimas, išspinduliuojama paskutinė stipri banga, o tada seka aukšto dažnio „pasigirdimas“ ( suskambėti) - susidariusios juodosios skylės drebėjimas, kuris „numeta“ visus ne sferinius iškraipymus (šis etapas nepavaizduotas paveikslėlyje). Žinodami šį būdingą profilį, fizikai gali ieškoti silpno tokio susijungimo signalo labai triukšminguose detektoriaus duomenyse.
Erdvės ir laiko metrikos svyravimai – grandiozinio sprogimo gravitacinės bangos aidas – iš šaltinio išsklaidys visą Visatą visomis kryptimis. Jų amplitudė silpnėja didėjant atstumui, panašiai kaip taškinio šaltinio ryškumas mažėja tolstant nuo jo. Kai Žemę pasieks pliūpsnis iš tolimos galaktikos, metriniai svyravimai bus 10–22 ar net mažesni. Kitaip tariant, atstumas tarp objektų, fiziškai nesusijusių vienas su kitu, periodiškai didės ir mažės tokiu santykiniu dydžiu.
Šio skaičiaus dydį lengva nustatyti atsižvelgiant į mastelį (žr. V. M. Lipunovo straipsnį). Neutroninių žvaigždžių ar žvaigždžių masių juodųjų skylių susiliejimo momentu šalia jų esančios metrinės iškraipymai yra labai dideli – maždaug 0,1, todėl gravitacija yra stipri. Toks didelis iškraipymas paveikia plotą, kurio dydis yra panašus į šių objektų dydį, ty kelis kilometrus. Tolstant nuo šaltinio, virpesių amplitudė mažėja atvirkščiai proporcingai atstumui. Tai reiškia, kad 100 Mpc = 3·10 21 km atstumu svyravimų amplitudė sumažės 21 dydžiu ir taps apie 10 −22.
Žinoma, jei susijungimas įvyks mūsų gimtojoje galaktikoje, Žemę pasiekiantys erdvėlaikio virpesiai bus daug stipresni. Tačiau tokie įvykiai vyksta kartą per kelis tūkstančius metų. Todėl tikrai reikėtų pasikliauti tik tokiu detektoriumi, kuris galės pajusti neutroninių žvaigždžių ar juodųjų skylių susiliejimą nuo dešimčių iki šimtų megaparsekų, o tai reiškia, kad jis apims daugybę tūkstančių ir milijonų galaktikų.
Čia reikia pridurti, kad netiesioginis gravitacinių bangų egzistavimo požymis jau buvo atrastas ir netgi buvo apdovanotas Nobelio fizikos premija už 1993 m. Ilgalaikiai pulsaro stebėjimai dvejetainėje sistemoje PSR B1913+16 parodė, kad orbitos periodas mažėja lygiai tokiu pat greičiu, kaip numato bendroji reliatyvumo teorija, atsižvelgiant į energijos nuostolius dėl gravitacinės spinduliuotės. Dėl šios priežasties beveik nė vienas mokslininkas neabejoja gravitacinių bangų tikrumu; tik klausimas kaip juos sugauti.
Paieškos istorija
Gravitacinių bangų paieškos prasidėjo maždaug prieš pusę amžiaus – ir beveik iš karto virto sensacija. Josephas Weberis iš Merilendo universiteto sukūrė pirmąjį rezonansinį detektorių: tvirtą dviejų metrų aliuminio cilindrą su jautriais pjezoelektriniais jutikliais šonuose ir gera vibracijos izoliacija nuo pašalinių virpesių (4 pav.). Kai gravitacinė banga praeina, cilindras laike rezonuoja su erdvės-laiko iškraipymais, kuriuos jutikliai turėtų užregistruoti. Weberis sukonstravo kelis tokius detektorius, o 1969 m., išanalizavęs jų rodmenis per vieną iš seansų, tiesiai pareiškė, kad „gravitacinių bangų garsą“ užregistravo keliuose detektoriuose, esančiuose dviejų kilometrų atstumu (J. Weber, 1969 m. Gravitacinės spinduliuotės atradimo įrodymai). Jo paskelbta virpesių amplitudė pasirodė esanti neįtikėtinai didelė, maždaug 10–16, tai yra milijoną kartų didesnė už tipišką numatomą vertę. Mokslo bendruomenė Weberio žinią sutiko labai skeptiškai; Be to, kitos eksperimentinės grupės, ginkluotos panašiais detektoriais, vėliau negalėjo sugauti vieno panašaus signalo.
Tačiau Weberio pastangos suteikė impulsą visai šiai tyrimų sričiai ir pradėjo bangų medžioklę. Nuo 1970-ųjų Vladimiro Braginskio ir jo kolegų iš Maskvos valstybinio universiteto pastangomis SSRS taip pat įsitraukė į šias lenktynes (žr. gravitacinių bangų signalų nebuvimą). Įdomi istorija apie tuos laikus rašinyje Jei mergina įkrenta į skylę... . Braginskis, beje, yra vienas iš visos kvantinių optinių matavimų teorijos klasikų; jis pirmasis sugalvojo standartinio kvantinio matavimo ribos koncepciją – pagrindinį optinių matavimų apribojimą – ir parodė, kaip jas iš esmės galima įveikti. Weber rezonansinė grandinė buvo patobulinta, o dėl gilaus įrenginio aušinimo triukšmas smarkiai sumažėjo (žr. šių projektų sąrašą ir istoriją). Tačiau tokių metalo detektorių tikslumas vis dar buvo nepakankamas, kad būtų galima patikimai aptikti numatomus įvykius, be to, jie buvo sureguliuoti taip, kad rezonuotų tik labai siaurame dažnių diapazone aplink kilohercus.
Daug perspektyvesni atrodė detektoriai, kurie naudoja daugiau nei vieną rezonuojantį objektą, bet seka atstumą tarp dviejų nesusijusių, nepriklausomai kabančių kūnų, pavyzdžiui, dviejų veidrodžių. Dėl gravitacinės bangos sukeltos erdvės vibracijos atstumas tarp veidrodžių bus arba kiek didesnis, arba šiek tiek mažesnis. Be to, kuo didesnis rankos ilgis, tuo didesnį absoliutų poslinkį sukels tam tikros amplitudės gravitacinė banga. Šiuos virpesius gali pajusti tarp veidrodžių einantis lazerio spindulys. Tokia schema gali aptikti svyravimus plačiame dažnių diapazone – nuo 10 hercų iki 10 kilohercų, ir būtent tokiame diapazone skleis susiliejančios neutroninių žvaigždžių poros arba žvaigždžių masės juodosios skylės.
Šiuolaikinis šios idėjos įgyvendinimas remiantis Michelson interferometru atrodo taip (5 pav.). Veidrodžiai pakabinti dviejose ilgose, kelių kilometrų ilgio, statmenose viena kitai vakuuminėse kamerose. Prie įėjimo į instaliaciją lazerio spindulys padalijamas, praeina per abi kameras, atsispindi nuo veidrodžių, grįžta atgal ir vėl sujungiamas į permatomą veidrodį. Optinės sistemos kokybės koeficientas yra itin aukštas, todėl lazerio spindulys ne tik vieną kartą praskrieja pirmyn ir atgal, o ilgam užsitęsia šiame optiniame rezonatoriuje. „Tylioje“ būsenoje ilgiai parenkami taip, kad du spinduliai, vėl sujungus, atšauktų vienas kitą jutiklio kryptimi, o tada fotodetektorius būtų visiškai šešėlyje. Tačiau kai tik veidrodžiai, veikiami gravitacinių bangų, pasislenka mikroskopiniu atstumu, dviejų spindulių kompensacija tampa nepilna ir fotodetektorius pagauna šviesą. Ir kuo stipresnis poslinkis, tuo daugiau ryški šviesa pamatys foto jutiklį.
Žodžiai „mikroskopinis poslinkis“ net neprilygsta perteikti efekto subtilumo. Veidrodžių poslinkį šviesos bangos ilgiu, tai yra mikronais, lengva pastebėti net ir be jokių gudrybių. Bet kai rankos ilgis yra 4 km, tai atitinka erdvės laiko svyravimus, kurių amplitudė yra 10–10. Pastebėti veidrodžių poslinkį pagal atomo skersmenį taip pat ne bėda – užtenka paleisti lazerio spindulį, kuris bėgs pirmyn ir atgal tūkstančius kartų ir gaus norimą fazės poslinkį. Bet tai taip pat suteikia daugiausiai 10–14. Ir mums reikia dar milijonus kartų nusileisti poslinkio skale, tai yra išmokti registruoti veidrodžio poslinkį net ne vienu atomu, o tūkstantosiomis atomo branduolys!
Kelyje į šią tikrai nuostabią technologiją fizikai turėjo įveikti daugybę sunkumų. Kai kurie jų yra grynai mechaniniai: ant pakabos reikia kabinti masyvius veidrodžius, kurie kabo ant kitos pakabos, kad ant trečios pakabos ir taip toliau – ir viskas tam, kad kuo labiau atsikratytum pašalinės vibracijos. Kitos problemos taip pat yra instrumentinės, bet optinės. Pavyzdžiui, kuo galingesnis optinėje sistemoje cirkuliuojantis spindulys, tuo silpnesnį veidrodžių poslinkį gali aptikti fotojutiklis. Tačiau per galingas spindulys netolygiai įkaitins optinius elementus, o tai neigiamai paveiks paties pluošto savybes. Šį efektą reikia kažkaip kompensuoti, o už tai 2000-aisiais buvo pradėta visa tyrimų programa šia tema (pasakymą apie šį tyrimą žr. naujienose „Įveikta kliūtis pakeliui į labai jautrų gravitacinių bangų detektorių“, „Elementai“ “, 2006-06-27). Galiausiai, yra grynai esminių fizinių apribojimų, susijusių su kvantiniu fotonų elgesiu ertmėje ir neapibrėžtumo principu. Jie riboja jutiklio jautrumą iki vertės, vadinamos standartine kvantine riba. Tačiau fizikai, naudodami sumaniai paruoštą kvantinę lazerio šviesos būseną, jau išmoko ją įveikti (J. Aasi ir kt., 2013. LIGO gravitacinių bangų detektoriaus padidintas jautrumas naudojant suspaustas šviesos būsenas).
Dalyvauja gravitacinių bangų lenktynėse visas sąrašasšalyse; Rusija turi savo instaliaciją Baksano observatorijoje ir, beje, aprašyta Dmitrijaus Zavilgelskio dokumentiniame mokslo populiarinimo filme. „Belaukiant bangų ir dalelių“. Šių lenktynių lyderiai dabar yra dvi laboratorijos – amerikietiškas LIGO projektas ir itališkas detektorius „Virgo“. LIGO apima du identiškus detektorius, esančius Hanforde (Vašingtono valstija) ir Livingstone (Luiziana) ir atskirtus vienas nuo kito 3000 km. Turėti du nustatymus svarbu dėl dviejų priežasčių. Pirma, signalas bus laikomas užregistruotu tik tuo atveju, jei jį vienu metu matys abu detektoriai. Ir, antra, pagal gravitacinės bangos pliūpsnio skirtumą dviejuose įrenginiuose – ir jis gali siekti 10 milisekundžių – galima apytiksliai nustatyti, iš kurios dangaus dalies atkeliavo šis signalas. Tiesa, su dviem detektoriais paklaida bus labai didelė, tačiau pradėjus veikti Mergelei, tikslumas pastebimai padidės.
Griežtai kalbant, idėją apie interferometrinį gravitacinių bangų aptikimą pirmą kartą pasiūlė sovietų fizikai M. E. Herzensteinas ir V. I. Pustovoitas 1962 m. Tuo metu lazeris buvo ką tik išrastas, o Weberis pradėjo kurti savo rezonansinius detektorius. Tačiau šis straipsnis Vakaruose nebuvo pastebėtas ir, tiesą pasakius, raidai įtakos neturėjo tikrų projektų(žr. Gravitacinių bangų aptikimo fizika: rezonansiniai ir interferometriniai detektoriai istorinę apžvalgą).
LIGO gravitacinės observatorijos sukūrimas buvo trijų mokslininkų iš Masačusetso technologijos instituto (MIT) ir Kalifornijos technologijos instituto (Caltech) iniciatyva. Tai Raineris Weissas, įgyvendinęs interferometrinio gravitacinių bangų detektoriaus idėją, Ronaldas Dreveris, pasiekęs aptikimui pakankamą lazerio šviesos stabilumą, ir Kipas Thorne'as, projekto teoretikas, dabar gerai žinomas plačiajai visuomenei. kaip mokslinis konsultantas filmas „Tarpžvaigždinis“. Apie ankstyvąją LIGO istoriją galite perskaityti neseniai duotame interviu su Raineriu Weissu ir Johno Preskill atsiminimuose.
Veikla, susijusi su interferometrinio gravitacinių bangų aptikimo projektu, prasidėjo aštuntojo dešimtmečio pabaigoje, ir iš pradžių daugelis žmonių taip pat abejojo šio projekto įgyvendinamumu. Tačiau pademonstravus daugybę prototipų, dabartinis LIGO dizainas buvo parašytas ir patvirtintas. Jis buvo pastatytas paskutinį XX amžiaus dešimtmetį.
Nors pradinis postūmis projektui buvo iš JAV, LIGO yra tikrai tarptautinis projektas. Į jį finansiškai ir intelektualiai investavo 15 šalių, o bendradarbiavimo nariai yra daugiau nei tūkstantis žmonių. Svarbų vaidmenį įgyvendinant projektą atliko sovietų ir rusų fizikai. Įgyvendinant LIGO projektą nuo pat pradžių aktyviai dalyvavo jau minėta Vladimiro Braginskio grupė iš Maskvos valstybinio universiteto, o vėliau prie bendradarbiavimo prisijungė ir Taikomosios fizikos institutas iš Nižnij Novgorodo.
LIGO observatorija pradėjo veikti 2002 m. ir iki 2010 m. joje vyko šeši moksliniai stebėjimai. Gravitacinių bangų pliūpsniai nebuvo patikimai aptikti, o fizikai galėjo nustatyti tik viršutines tokių įvykių dažnio ribas. Tačiau tai jų pernelyg nenustebino: skaičiavimai parodė, kad toje Visatos dalyje, kurios detektorius tuomet „klausėsi“, pakankamai galingo kataklizmo tikimybė buvo maža: maždaug kartą per kelis dešimtmečius.
Finišo linija
Nuo 2010 iki 2015 metų LIGO ir Virgo bendradarbiavimas radikaliai modernizavo įrangą (tačiau Virgo dar tik ruošiamasi). Ir dabar ilgai lauktas taikinys buvo tiesioginiame akyse. LIGO – tiksliau, aLIGO ( Išplėstinė LIGO) – dabar buvo pasirengęs užfiksuoti serijas, kurias generuoja neutroninės žvaigždės, 60 megaparsekų atstumu, o juodosios skylės – šimtais megaparsekų. Gravitacinių bangų klausymui atviros Visatos tūris išaugo dešimt kartų, palyginti su ankstesniais seansais.
Žinoma, neįmanoma numatyti, kada ir kur įvyks kitas gravitacinių bangų bumas. Tačiau atnaujintų detektorių jautrumas leido tikėtis kelių neutroninių žvaigždžių susiliejimo per metus, todėl pirmojo sprogimo buvo galima tikėtis jau per pirmą keturių mėnesių stebėjimo sesiją. Jeigu kalbėtume apie visą aLIGO projektą, kuris truko kelerius metus, tai nuosprendis buvo itin aiškus: arba vienas po kito kris pliūpsniai, arba kažkas bendrojoje reliatyvumo teorijoje iš esmės neveikia. Abu bus dideli atradimai.
Nuo 2015 metų rugsėjo 18 dienos iki 2016 metų sausio 12 dienos vyko pirmoji aLIGO stebėjimo sesija. Visą tą laiką internete sklandė gandai apie gravitacinių bangų registravimą, tačiau bendradarbiavimas tylėjo: „renkame ir analizuojame duomenis ir dar nesame pasiruošę pranešti apie rezultatus“. Papildomą intrigą sukūrė tai, kad analizės proceso metu patys bendradarbiavimo nariai negali būti visiškai tikri, jog mato tikrą gravitacinės bangos pliūpsnį. Faktas yra tas, kad LIGO kompiuteryje kartais dirbtinai įtraukiamas į realių duomenų srautą. Tai vadinama „akluoju įpurškimu“, ir iš visos grupės tik trys žmonės (!) turi prieigą prie sistemos, kuri tai atlieka tam tikru momentu. Komanda turi sekti šį bangą, atsakingai jį analizuoti ir tik daugiausia paskutiniai etapai analizė „atskleidžiamos kortos“ ir bendradarbiavimo nariai išsiaiškins, ar taip buvo tikras įvykis arba budrumo išbandymas. Beje, vienu tokiu atveju 2010 metais net priėjo prie straipsnio parašymo, tačiau tada atrastas signalas pasirodė esąs tik „aklas iškamšas“.
Lyrinis nukrypimas
Norėdamas dar kartą pajusti akimirkos iškilmingumą, siūlau į šią istoriją pažvelgti iš kitos pusės, iš mokslo vidaus. Kai sunku, neprieinamas mokslinė problema nepasiduoda kelerius metus – tai normalus darbo momentas. Kai nepasiduoda daugiau nei vieną kartą, tai suvokiama visiškai kitaip.
Būdamas moksleivis skaitai mokslo populiarinimo knygas ir sužinai šią sunkiai įveikiamą, bet siaubingai įdomią mokslinę mįslę. Būdamas studentas studijuojate fiziką, rengiate pranešimus, o kartais, deramai ar ne, aplinkiniai primena apie jos egzistavimą. Tada jūs pats darote mokslą, dirbate kitoje fizikos srityje, tačiau reguliariai girdite apie nesėkmingus bandymus tai išspręsti. Jūs, žinoma, suprantate, kad kažkur dedamos aktyvios pastangos tai išspręsti, tačiau galutinis rezultatas jums, kaip pašaliniui, išlieka nepakitęs. Problema suvokiama kaip statiškas fonas, kaip puošmena, kaip amžinas ir beveik nepakitęs fizikos elementas Jūsų mokslinio gyvenimo mastu. Kaip užduotis, kuri visada buvo ir bus.
Ir tada – jie tai išsprendžia. Ir staiga kelių dienų skalėje pajunti, kad fizinis pasaulio vaizdas pasikeitė ir kad dabar jį reikia suformuluoti kitais terminais ir užduoti kitus klausimus.
Žmonėms, tiesiogiai dirbantiems su gravitacinių bangų paieška, ši užduotis, žinoma, neliko nepakitusi. Jie mato tikslą, žino, ko reikia pasiekti. Jie, žinoma, tikisi, kad gamta juos taip pat pasitiks pusiaukelėje ir įmes netoliese esanti galaktika galingas bangavimas, bet tuo pačiu jie supranta, kad, net jei gamta nebus tokia palaikoma, ji nebegalės pasislėpti nuo mokslininkų. Tik klausimas, kada tiksliai jie galės pasiekti savo tikslus. techniniais tikslais. Jau minėtame filme galima išgirsti pasakojimą apie šį pojūtį iš kelis dešimtmečius gravitacinių bangų ieškančio žmogaus „Belaukiant bangų ir dalelių“.
Atidarymas
Fig. 7 parodyta pagrindinis rezultatas: abiejų detektorių įrašyto signalo profilis. Matyti, kad triukšmo fone svyravimai iš pradžių pasirodo silpnai, o vėliau didėja amplitudė ir dažnis. norimą formą. Palyginus su skaitmeninių modeliavimų rezultatais, buvo galima išsiaiškinti, kuriuos objektus stebėjome besijungiančius: tai buvo juodosios skylės, kurių masė siekė maždaug 36 ir 29 saulės mases, kurios susiliejo į vieną juodąją skylę, kurios masė siekė 62 saulės mases (paklaida šie skaičiai, atitinkantys 90 % pasikliautinąjį intervalą, yra 4 saulės masės). Autoriai prabėgomis pažymi, kad susidariusi juodoji skylė yra sunkiausia kada nors pastebėta žvaigždžių masės juodoji skylė. Skirtumas tarp bendros dviejų pradinių objektų masės ir galutinės juodosios skylės yra 3 ± 0,5 saulės masės. Šis gravitacinės masės defektas buvo visiškai paverstas skleidžiamų gravitacinių bangų energija maždaug per 20 milisekundžių. Skaičiavimai parodė, kad didžiausia gravitacinių bangų galia siekė 3,6·10 56 erg/s, arba, skaičiuojant pagal masę, maždaug 200 Saulės masių per sekundę.
Aptikto signalo statistinis reikšmingumas yra 5,1σ. Kitaip tariant, jei darytume prielaidą, kad šie statistiniai svyravimai sutampa vienas su kitu ir visiškai atsitiktinai sukėlė tokį sprogimą, tokio įvykio tektų laukti 200 tūkstančių metų. Tai leidžia mums užtikrintai teigti, kad aptiktas signalas nėra svyravimas.
Laiko delsa tarp dviejų detektorių buvo maždaug 7 milisekundės. Tai leido įvertinti signalo atvykimo kryptį (9 pav.). Kadangi detektorių yra tik du, lokalizacija pasirodė labai apytikslė: pagal parametrus tinkama dangaus sferos sritis yra 600 kvadratinių laipsnių.
LIGO bendradarbiavimas neapsiribojo vien tik gravitacinių bangų registravimo fakto konstatavimu, bet ir atliko pirmąją šio stebėjimo pasekmių astrofizikai analizę. Straipsnyje Astrophysical implikations of the binary black hole merger GW150914, paskelbtame tą pačią dieną žurnale Astrophysical Journal Letters, autoriai įvertino tokių juodųjų skylių susijungimų dažnį. Rezultatas buvo bent vienas susijungimas vienam kubiniam gigaparsekui per metus, o tai atitinka optimistiškiausių modelių prognozes šiuo atžvilgiu.
Ką jums sako gravitacinės bangos?
Naujo reiškinio atradimas po dešimtmečius trukusių paieškų nėra pabaiga, o tik naujos fizikos šakos pradžia. Žinoma, dviejų juodaodžių susijungimo gravitacinių bangų registracija yra svarbi savaime. Tai yra tiesioginis juodųjų skylių egzistavimo ir dvigubų juodųjų skylių egzistavimo bei gravitacinių bangų tikrovės įrodymas ir, paprastai tariant, geometrinio požiūrio į gravitaciją, kuriuo grindžiamas bendrasis reliatyvumas, teisingumo įrodymas. Tačiau fizikams ne mažiau vertinga tai, kad gravitacinių bangų astronomija tampa nauja tyrimų priemone, leidžiančia tyrinėti tai, kas anksčiau buvo neprieinama.
Pirma, tai naujas būdas žiūrėti į Visatą ir tyrinėti kosminius kataklizmus. Gravitacinėms bangoms nėra jokių kliūčių, jos be problemų praeina per viską, kas yra Visatoje. Jie yra savarankiški: jų profilyje pateikiama informacija apie procesą, dėl kurio jie gimė. Galiausiai, jei vienas didžiulis sprogimas sukelia optinį, neutrininį ir gravitacinį sprogimą, galime pabandyti juos visus sugauti, palyginti tarpusavyje ir suprasti anksčiau nepasiekiamas detales, kas ten įvyko. Galimybė pagauti ir palyginti tokius skirtingus vieno įvykio signalus yra pagrindinis visų signalų astronomijos tikslas.
Kai gravitacinių bangų detektoriai taps dar jautresni, jie galės aptikti erdvėlaikio drebėjimą ne susijungimo momentu, o likus kelioms sekundėms iki jo. Jie automatiškai išsiųs įspėjamąjį signalą į bendrą stebėjimo stočių tinklą, o astrofiziniai teleskopiniai palydovai, apskaičiavę siūlomo susijungimo koordinates, per šias sekundes turės laiko pasisukti norima kryptimi ir pradėti fotografuoti dangų prieš optinį pliūpsnį. prasideda.
Antra, gravitacinės bangos sprogimas leis mums sužinoti naujų dalykų apie neutronines žvaigždes. Neutroninių žvaigždžių susijungimas iš tikrųjų yra naujausias ir ekstremaliausias eksperimentas su neutroninėmis žvaigždėmis, kurį gamta gali atlikti už mus, ir mes, žiūrovai, turėsime tik stebėti rezultatus. Tokio susijungimo stebėjimo pasekmės gali būti įvairios (10 pav.), o surinkę jų statistiką galime geriau suprasti neutroninių žvaigždžių elgesį tokioje egzotiškoje aplinkoje. Apžvalga dabartinė būklė atvejų šia kryptimi galima rasti naujausioje S. Rosswog publikacijoje, 2015. Multi-messenger picture of compact binary mergers.
Trečia, supernovos pliūpsnio registravimas ir jo palyginimas su optiniai stebėjimai leis mums pagaliau suprasti detales, kas ten vyksta viduje, pačioje griūties pradžioje. Šiuo metu fizikai vis dar turi sunkumų skaitmeninis modeliavimasšis procesas.
Ketvirta, gravitacijos teorijoje dalyvaujantys fizikai turi geidžiamą „laboratoriją“, skirtą stiprios gravitacijos poveikiui tirti. Iki šiol visi bendrosios reliatyvumo teorijos padariniai, kuriuos galėjome tiesiogiai stebėti, buvo susiję su gravitacija silpnuose laukuose. Galėtume numanyti, kas vyksta stiprios gravitacijos sąlygomis, kai erdvėlaikio iškraipymai pradeda stipriai sąveikauti su savimi, tik iš netiesioginių apraiškų, per optinį kosminių katastrofų aidą.
Penkta, pasirodo nauja galimybė išbandyti egzotiškas gravitacijos teorijas. Tokios teorijos šiuolaikinė fizika jau daug, žr., pavyzdžiui, jiems skirtą skyrių iš populiarios A. N. Petrovo knygos „Gravitacija“. Kai kurios iš šių teorijų primena įprastinę bendrąją reliatyvumo teoriją silpnų laukų ribose, tačiau gali labai skirtis, kai gravitacija tampa labai stipri. Kiti pripažįsta naujo tipo gravitacinių bangų poliarizacijos egzistavimą ir prognozuoja greitį, kuris šiek tiek skiriasi nuo šviesos greičio. Galiausiai, yra teorijų, kurios apima papildomus erdvinius matmenis. Ką apie juos galima pasakyti remiantis gravitacinėmis bangomis, yra atviras klausimas, tačiau aišku, kad iš čia galima pasipelnyti tam tikros informacijos. Taip pat rekomenduojame perskaityti pačių astrofizikų nuomonę apie tai, kas pasikeis atradus gravitacines bangas, atrankoje apie Postnauką.
Ateities planai
Gravitacinių bangų astronomijos perspektyvos yra labiausiai džiuginančios. Dabar baigtas tik pirmasis, trumpiausias aLIGO detektoriaus stebėjimo seansas – ir jau per šį trumpą laiką buvo aptiktas aiškus signalas. Tiksliau būtų sakyti taip: pirmasis signalas buvo pagautas dar prieš oficialią startą, o bendradarbiavimas dar nepranešė apie visus keturis darbo mėnesius. Kas žino, gal ten jau yra keletas papildomų smaigalių? Vienaip ar kitaip, bet toliau, didėjant detektorių jautrumui ir plečiantis gravitacinių bangų stebėjimams prieinamai Visatos daliai, užfiksuotų įvykių skaičius augs kaip lavina.
Numatomas LIGO-Virgo tinklo seanso grafikas parodytas Fig. 11. Antrasis, šešis mėnesius truksiantis seansas prasidės šių metų pabaigoje, trečiasis užtruks beveik visus 2018 metus ir kiekviename etape detektoriaus jautrumas didės. Maždaug 2020 m. aLIGO turėtų pasiekti numatytą jautrumą, kuris leis detektoriui ištirti Visatą, ar nėra nuo mūsų nutolusių neutroninių žvaigždžių susijungimo iki 200 Mpc atstumu. Dar energingesniems juodųjų skylių susijungimo įvykiams jautrumas gali siekti beveik gigaparseką. Vienaip ar kitaip, stebėjimui prieinamos Visatos tūris padidės dešimtis kartų, palyginti su pirmuoju seansu.
Atnaujinta Italijos laboratorija Virgo taip pat pradės veikti vėliau šiais metais. Jo jautrumas yra šiek tiek mažesnis nei LIGO, bet vis tiek gana geras. Dėl trianguliacijos metodo erdvėje išdėstytų detektorių trijulė leis daug geriau atkurti šaltinių padėtį dangaus sfera. Jei dabar su dviem detektoriais lokalizacijos sritis siekia šimtus kvadratinių laipsnių, tai trys detektoriai sumažins ją iki dešimčių. Be to, Japonijoje šiuo metu statoma panaši KAGRA gravitacinių bangų antena, kuri pradės veikti po dvejų trejų metų, o Indijoje apie 2022-uosius planuojama paleisti LIGO-India detektorių. Dėl to po kelerių metų jis veiks ir reguliariai įrašys signalus. visas tinklas gravitacinių bangų detektoriai (13 pav.).
Galiausiai planuojama į kosmosą paleisti gravitacinių bangų instrumentus, ypač projektą eLISA. Prieš du mėnesius į orbitą buvo paleistas pirmasis bandomasis palydovas, kurio užduotis bus išbandyti technologijas. Realus gravitacinių bangų aptikimas dar toli. Tačiau kai ši palydovų grupė pradės rinkti duomenis, ji atvers dar vieną langą į Visatą – per žemo dažnio gravitacines bangas. Šis visų bangų požiūris į gravitacines bangas yra pagrindinis ilgalaikis šios srities tikslas.
Paralelės
Gravitacinės bangos buvo atrastos trečią kartą per pastaruosius metus, kai fizikai pagaliau įveikė visas kliūtis ir pasiekė iki tol nežinomas mūsų pasaulio sandaros subtilybes. 2012 metais buvo aptiktas Higso bozonas – dalelė, prognozuota beveik prieš pusę amžiaus. 2013 m. IceCube neutrinų detektorius įrodė astrofizinių neutrinų realumą ir pradėjo „žiūrėti į visatą“ visiškai nauju, anksčiau neprieinamu būdu - per neutrinus. didelės energijos. Ir dabar gamta vėl pasidavė žmogui: atsivėrė gravitacinių bangų „langas“ visatai stebėti, o tuo pat metu stiprios gravitacijos poveikis tapo prieinamas tiesioginiam tyrinėjimui.
Reikia pasakyti, kad čia niekur nebuvo „nemokamų“ iš gamtos. Paieškos buvo vykdomos labai ilgai, bet nedavė rezultatų, nes tada, prieš kelis dešimtmečius, įranga nepasiekė rezultato nei energijos, nei masto, nei jautrumo prasme. Būtent pastovus, kryptingas technologijų vystymas lėmė tikslą, kurio nesustabdė nei techniniai sunkumai, nei neigiami praėjusių metų rezultatai.
Ir visais trimis atvejais pats atradimo faktas buvo ne pabaiga, o priešingai – naujos tyrimų krypties pradžia, tai tapo nauju mūsų pasaulio zondavimo įrankiu. Higso bozono savybės tapo prieinamos matavimams – ir šiais duomenimis fizikai bando įžvelgti naujosios fizikos poveikį. Dėl padidėjusios didelės energijos neutrinų statistikos neutrinų astrofizika žengia pirmuosius žingsnius. Bent jau to paties dabar tikimasi iš gravitacinių bangų astronomijos, ir optimizmui yra visos priežastys.
Šaltiniai:
1) LIGO Scientific Coll. ir Mergelė Coll. Gravitacinių bangų stebėjimas iš dvejetainės juodosios skylės susijungimo // Fizik. Rev. Lett. Paskelbta 2016 m. vasario 11 d.
2) Detection Papers – techninių straipsnių sąrašas, pridedamas prie pagrindinio atradimo straipsnio.
3) E. Berti. Požiūris: pirmieji juodųjų skylių susiliejimo garsai // Fizika. 2016. V. 9. N. 17.
Peržiūrėkite medžiagą:
1) Davidas Blairas ir kt. Gravitacinės bangos astronomija: dabartinė būsena // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott ir LIGO Scientific Collaboration ir Virgo Collaboration. Gravitacinių bangų pereinamųjų įvykių stebėjimo ir lokalizavimo perspektyvos naudojant pažangiąją LIGO ir pažangiąją Mergelę // Gyvas kun. Reliatyvumas. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Rezonansinių-masių gravitacinių bangų detektorių praeitis, dabartis ir ateitis // Res. Astron. Astrofija. 2011. V. 11. N. 1.
4) Gravitacinių bangų paieška – medžiagos pasirinkimas žurnalo svetainėje Mokslas apie gravitacinių bangų paiešką.
5) Matthew Pitkin, Stuartas Reidas, Sheila Rowan, Jimas Houghas. Gravitacinių bangų aptikimas interferometrija (žemė ir erdvė) // arXiv:1102.3355.
6) V. B. Braginskis. Gravitacinių bangų astronomija: nauji matavimo metodai // UFN. 2000. T. 170. 743–752 p.
7) Peteris R. Saulsonas.
Praėjus šimtui metų po Alberto Einšteino teorinės prognozės pagal bendrąją reliatyvumo teoriją, mokslininkai sugebėjo patvirtinti gravitacinių bangų egzistavimą. Prasideda iš esmės naujo giliosios erdvės tyrimo metodo – gravitacinių bangų astronomijos – era.
Yra įvairių atradimų. Yra atsitiktinių, jie yra įprasti astronomijoje. Yra ne visai atsitiktinių, padarytų kruopščiai „iššukavus teritoriją“, pavyzdžiui, Williamo Herschelio atradus Uraną. Būna serendinių – kai ieškojo vieno, o rado kitą: pavyzdžiui, atrado Ameriką. Bet ypatinga vieta Moksle suplanuoti atradimai užima pirmą vietą. Jie pagrįsti aiškia teorine prognoze. To, kas prognozuojama, pirmiausia siekiama patvirtinti teoriją. Tokie atradimai apima Higso bozono atradimą Didžiajame hadronų greitintuve ir gravitacinių bangų aptikimą naudojant lazerinį interferometrą gravitacinių bangų observatoriją LIGO. Tačiau norint užregistruoti kokį nors teorijos numatytą reiškinį, reikia gana gerai suprasti, ko tiksliai ir kur ieškoti, taip pat kokių priemonių tam reikia.
Gravitacinės bangos tradiciškai vadinamos bendrosios reliatyvumo teorijos (GTR) numatymu, ir taip iš tiesų yra (nors dabar tokios bangos egzistuoja visuose modeliuose, kurie yra alternatyvūs GTR arba jį papildantys). Bangų atsiradimą lemia baigtinis sklidimo greitis gravitacinė sąveika(bendrojoje reliatyvumo teorijoje šis greitis yra tiksliai lygus šviesos greičiui). Tokios bangos yra erdvės ir laiko sutrikimai, sklindantys iš šaltinio. Kad atsirastų gravitacinės bangos, šaltinis turi pulsuoti arba judėti pagreitintu greičiu, bet tam tikru būdu. Tarkime, judesiai su tobula sferine ar cilindrine simetrija netinka. Tokių šaltinių yra gana daug, tačiau dažnai jie turi mažą masę, kurios nepakanka galingam signalui generuoti. Juk gravitacija yra silpniausia iš keturių pagrindinių sąveikų, todėl gravitacinį signalą registruoti labai sunku. Be to, norint užsiregistruoti, signalas laikui bėgant greitai pasikeistų, tai yra, jo užtektų aukšto dažnio. Priešingu atveju negalėsime jo užregistruoti, nes pakeitimai bus per lėtai. Tai reiškia, kad objektai taip pat turi būti kompaktiški.
Iš pradžių didelį entuziazmą sukėlė supernovų sprogimai, kurie įvyksta tokiose galaktikose kaip mūsų kas kelis dešimtmečius. Tai reiškia, kad jei galime pasiekti tokį jautrumą, kuris leidžia matyti signalą iš kelių milijonų šviesmečių atstumo, galime tikėtis kelių signalų per metus. Tačiau vėliau paaiškėjo, kad pirminiai vertinimai apie energijos išskyrimą gravitacinių bangų pavidalu supernovos sprogimo metu buvo pernelyg optimistiški, o tokį silpną signalą būtų galima aptikti tik tuo atveju, jei mūsų Galaktikoje būtų prasiveržusi supernova.
Kitas masyvių kompaktiškų objektų, kurie greitai juda, pasirinkimas yra neutroninės žvaigždės arba juodosios skylės. Galime matyti arba jų formavimosi procesą, arba sąveikos tarpusavyje procesą. Paskutiniai žlugimo etapai žvaigždžių šerdys, dėl kurių susidaro kompaktiški objektai, taip pat paskutiniai neutroninių žvaigždžių ir juodųjų skylių susijungimo etapai, trunka apie kelias milisekundes (tai atitinka šimtų hercų dažnį) – kaip tik reikia. . Šiuo atveju išsiskiria daug energijos, įskaitant (o kartais ir daugiausia) gravitacinių bangų pavidalu, nes masyvūs kompaktiški kūnai atlieka tam tikrus greitus judesius. Tai yra mūsų idealūs šaltiniai.
Tiesa, supernovos Galaktikoje išsiveržia kartą per kelis dešimtmečius, neutroninių žvaigždžių susijungimai vyksta kartą per porą dešimčių tūkstančių metų, o juodosios skylės susilieja viena su kita dar rečiau. Tačiau signalas yra daug galingesnis, o jo charakteristikas galima apskaičiuoti gana tiksliai. Tačiau dabar turime sugebėti matyti signalą iš kelių šimtų milijonų šviesmečių atstumo, kad apimtume kelias dešimtis tūkstančių galaktikų ir aptiktume kelis signalus per metus.
Nusprendę dėl šaltinių, pradėsime projektuoti detektorių. Norėdami tai padaryti, turite suprasti, ką daro gravitacinė banga. Nesigilindami į smulkmenas galime teigti, kad gravitacinės bangos prasiskverbimas sukelia potvynio jėgą (paprasti Mėnulio ar Saulės potvyniai yra atskiras reiškinys, o gravitacinės bangos su tuo neturi nieko bendra). Taigi galite paimti, pavyzdžiui, metalinį cilindrą, aprūpinti jį jutikliais ir ištirti jo vibracijas. Tai nėra sunku, todėl tokie įrenginiai pradėti daryti prieš pusę amžiaus (jų yra ir Rusijoje; dabar Baksano požeminėje laboratorijoje montuojamas patobulintas detektorius, kurį sukūrė Valentino Rudenko komanda iš SAI MSU). Bėda ta, kad toks įrenginys signalą matys be jokių gravitacinių bangų. Yra daug garsų, su kuriais sunku susidoroti. Galima (ir buvo padaryta!) detektorių sumontuoti po žeme, bandyti jį izoliuoti, atvėsinti iki žemos temperatūros, bet visgi, norint viršyti triukšmo lygį, reikėtų labai galingo gravitacinių bangų signalo. Tačiau galingi signalai ateina retai.
Todėl buvo pasirinkta kita schema, kurią 1962 metais pasiūlė Vladislavas Pustovoitas ir Michailas Herzenšteinas. Straipsnyje, paskelbtame JETP (Journal of Experimental and teorinė fizika), jie pasiūlė naudoti Michelsono interferometrą gravitacinėms bangoms aptikti. Lazerio spindulys eina tarp veidrodžių dviejose interferometro rankose, o tada pridedami skirtingų atšakų spinduliai. Analizuojant spindulio trukdžių rezultatą, galima išmatuoti santykinį rankų ilgių pokytį. Tai labai tikslūs matavimai, todėl jei įveiksite triukšmą, galite pasiekti fantastišką jautrumą.
Dešimtojo dešimtmečio pradžioje buvo nuspręsta sukurti kelis detektorius naudojant šią konstrukciją. Pirmieji buvo pradėti eksploatuoti palyginti maži įrenginiai – GEO600 Europoje ir TAMA300 Japonijoje (skaičiai atitinka ginklų ilgį metrais), kad išbandytų technologiją. Tačiau pagrindiniai žaidėjai turėjo būti LIGO instaliacijos JAV ir VIRGO Europoje. Šių instrumentų dydis jau matuojamas kilometrais, o galutinis planuojamas jautrumas turėtų leisti matyti dešimtis, jei ne šimtus įvykių per metus.
Kodėl reikalingi keli įrenginiai? Pirmiausia kryžminiam patvirtinimui, nes yra vietinių triukšmų (pvz., seisminių). Signalo aptikimas vienu metu šiaurės vakarų JAV ir Italijoje būtų puikus jo išorinės kilmės įrodymas. Tačiau yra ir antra priežastis: gravitacinių bangų detektoriai labai prastai nustato kryptį į šaltinį. Bet jei keli detektoriai yra nutolę vienas nuo kito, kryptį bus galima nurodyti gana tiksliai.
Lazerių milžinai
Originalios formos LIGO detektoriai buvo pagaminti 2002 m., o VIRGO detektoriai - 2003 m. Pagal planą tai buvo tik pirmasis etapas. Visi įrenginiai veikė keletą metų, o 2010-2011 m. buvo sustabdyti modifikacijoms, kad vėliau būtų pasiektas planuotas didelis jautrumas. LIGO detektoriai pirmieji pradėjo veikti 2015 metų rugsėjį, VIRGO turėtų prisijungti 2016 metų antroje pusėje, o nuo šio etapo jautrumas leidžia tikėtis užfiksuoti bent kelis įvykius per metus.
Pradėjus veikti LIGO, numatomas serijų dažnis buvo maždaug vienas įvykis per mėnesį. Astrofizikai iš anksto apskaičiavo, kad pirmieji numatomi įvykiai bus juodųjų skylių susijungimai. Taip yra dėl to, kad juodosios skylės paprastai yra dešimt kartų sunkesnės už neutronines žvaigždes, signalas yra galingesnis ir „matomas“ iš didelių atstumų, o tai daugiau nei kompensuoja mažesnį įvykių tempą galaktikoje. Laimei, ilgai laukti nereikėjo. 2015 m. rugsėjo 14 d. abu įrenginiai užregistravo beveik identišką signalą, pavadintą GW150914.
Atlikus gana paprastą analizę, galima gauti tokius duomenis kaip juodosios skylės masė, signalo stiprumas ir atstumas iki šaltinio. Juodųjų skylių masė ir dydis yra susiję labai paprastai ir gerai žinomu būdu, o iš signalo dažnio galima iš karto įvertinti energijos išleidimo srities dydį. IN šiuo atveju dydis rodė, kad juodoji skylė, kurios masė didesnė nei 60 Saulės masių, susidarė iš dviejų skylių, kurių masė 25-30 ir 35-40 Saulės masių. Žinant šiuos duomenis, galima gauti bendrą sprogimo energiją. Beveik trys saulės masės buvo paverstos gravitacine spinduliuote. Tai atitinka 1023 saulės šviesų šviesumą – maždaug tiek pat, kiek per šį laiką (šimtąsias sekundės dalis) skleidžia visos matomos Visatos dalies žvaigždės. Ir nuo žinoma energija ir išmatuoto signalo didumą, gaunamas atstumas. Didelė masė susijungę kūnai leido užregistruoti įvykį, įvykusį tolimoje galaktikoje: signalas mus pasiekė maždaug per 1,3 milijardo metų.
Išsamesnė analizė leidžia išsiaiškinti juodųjų skylių masės santykį ir suprasti, kaip jos sukasi aplink savo ašį, taip pat nustatyti kai kuriuos kitus parametrus. Be to, dviejų įrenginių signalas leidžia apytiksliai nustatyti sprogimo kryptį. Deja, tikslumas čia kol kas nėra labai didelis, bet pradėjus eksploatuoti atnaujintą VIRGO jis padidės. O po kelerių metų japoniškas KAGRA detektorius pradės priimti signalus. Tada Indijoje bus surinktas vienas iš LIGO detektorių (iš pradžių buvo trys, vienas iš instaliacijų buvo dvigubas), ir tikimasi, kad per metus bus užfiksuota daug dešimčių įvykių.
Naujosios astronomijos era
Įjungta šiuo metu Svarbiausias LIGO rezultatas – gravitacinių bangų egzistavimo patvirtinimas. Be to, pats pirmasis sprogimas leido pagerinti gravitono masės apribojimus (bendrojoje reliatyvumo teorijoje jis turi nulinę masę), taip pat labiau apriboti skirtumą tarp gravitacijos ir gravitacijos greičio. šviesos. Tačiau mokslininkai tikisi, kad jau 2016 metais pavyks gauti daug naujų astrofizinių duomenų naudojant LIGO ir VIRGO.
Pirma, gravitacinių bangų observatorijų duomenys suteikia naują juodųjų skylių tyrimo kelią. Jei anksčiau buvo galima stebėti materijos srautus tik šalia šių objektų, tai dabar galite tiesiogiai „pamatyti“ susijungimo ir susidariusios juodosios skylės „nurimo“ procesą, kaip jos horizontas svyruoja, įgaudamas galutinę formą ( nustatomas sukimosi būdu). Tikriausiai iki Hokingo juodųjų skylių garavimo atradimo (kol kas šis procesas tebėra hipotezė), susijungimų tyrimas suteiks geresnės tiesioginės informacijos apie jas.
Antra, neutroninių žvaigždžių susijungimo stebėjimai duos daug naujų, nepaprastai reikalinga informacija apie šiuos objektus. Pirmą kartą galėsime tyrinėti neutronines žvaigždes taip, kaip fizikai tyrinėja daleles: stebėti jų susidūrimą, kad suprastume, kaip jos veikia viduje. Neutroninių žvaigždžių vidaus sandaros paslaptis kelia nerimą ir astrofizikams, ir fizikams. Mūsų supratimas branduolinė fizika ir medžiagos elgesys esant itin dideliam tankiui yra neišsamus, neišsprendus šios problemos. Tikėtina, kad gravitacinių bangų stebėjimai čia vaidins pagrindinį vaidmenį.
Manoma, kad neutroninių žvaigždžių susijungimas yra atsakingas už trumpus kosmologinius gama spindulių pliūpsnius. Retais atvejais bus galima vienu metu stebėti įvykį tiek gama diapazone, tiek gravitacinių bangų detektoriuose (retumas yra dėl to, kad, pirma, gama signalas yra sutelktas į labai siaurą spindulį, o ne visada nukreiptas į mus, bet, antra, mes neregistruosime gravitacinių bangų iš labai tolimų įvykių). Matyt, prireiks kelių metų stebėjimo, kad galėtum tai pamatyti (nors, kaip įprasta, gali pasisekti ir tai įvyks šiandien). Tada, be kita ko, galėsime labai tiksliai palyginti gravitacijos greitį su šviesos greičiu.
Taigi lazeriniai interferometrai kartu veiks kaip vienas gravitacinių bangų teleskopas, suteiksiantis naujų žinių tiek astrofizikams, tiek fizikai. Na, o už pirmųjų sprogimų atradimą ir jų analizę anksčiau ar vėliau bus įteikta pelnyta Nobelio premija.
2197
„Ne taip seniai stiprus susidomėjimas Mokslo bendruomenę paskatino daugybė ilgalaikių eksperimentų, skirtų tiesiogiai stebėti gravitacines bangas, rašė teorinis fizikas Michio Kaku 2004 m. knygoje „Einšteino kosmosas“. — LIGO (lazerinis interferometras gravitacinėms bangoms stebėti) projektas gali būti pirmasis, kuris „pamatė“ gravitacines bangas, greičiausiai dėl dviejų juodųjų skylių susidūrimo gilioje erdvėje. LIGO yra fiziko svajonės išsipildymas, pirmasis įrenginys, turintis pakankamai galios matuoti gravitacines bangas.
Kaku prognozė išsipildė: ketvirtadienį grupė tarptautinių mokslininkų iš LIGO observatorijos paskelbė apie gravitacinių bangų atradimą.
Gravitacinės bangos yra erdvėlaikio svyravimai, kurie „pabėga“ nuo masyvių objektų (pvz., juodųjų skylių), kurie juda su pagreičiu. Kitaip tariant, gravitacinės bangos yra sklindantis erdvės ir laiko trikdis, keliaujanti absoliučios tuštumos deformacija.
Juodoji skylė yra erdvės laiko sritis gravitacinė trauka kuri yra tokia didelė, kad net šviesos greičiu judantys objektai (įskaitant pačią šviesą) negali iš jo išeiti. Riba, skirianti juodąją skylę nuo likusio pasaulio, vadinama įvykių horizontu: viskas, kas vyksta įvykių horizonto viduje, yra paslėpta nuo išorinio stebėtojo akių.
Erin Ryan Torto nuotrauka, kurią internete paskelbė Erin Ryan.
Mokslininkai gravitacines bangas pradėjo gaudyti prieš pusę amžiaus: tada Amerikos fizikas Josephas Weberis susidomėjo Einšteino bendrąja reliatyvumo teorija (GR), atsipalaidavo ir pradėjo tyrinėti gravitacines bangas. Weberis išrado pirmąjį gravitacinių bangų aptikimo įrenginį ir netrukus paskelbė, kad įrašė „gravitacinių bangų garsą“. Tačiau mokslo bendruomenė paneigė jo žinią.
Tačiau Josepho Weberio dėka daugelis mokslininkų tapo „bangų gaudytojais“. Šiandien Weberis laikomas tėvu moksline kryptimi gravitacinių bangų astronomija.
„Tai naujos gravitacinės astronomijos eros pradžia“
LIGO observatorija, kurioje mokslininkai fiksavo gravitacines bangas, susideda iš trijų lazerių įrenginių Jungtinėse Valstijose: du yra Vašingtono valstijoje ir vienas Luizianoje. Taip lazerinių detektorių veikimą apibūdina Michio Kaku: „Lazerio spindulys padalijamas į du atskirus pluoštus, kurie vėliau eina vienas kitam statmenai. Tada, atsispindėję nuo veidrodžio, jie vėl susijungia. Jei gravitacinė banga praeina per interferometrą (matavimo prietaisą), dviejų lazerio spindulių kelio ilgiai bus sutrikdyti ir tai atsispindės jų trukdžių schemoje. Norėdami užtikrinti, kad signalas būtų užregistruotas lazerinis aparatas, nėra atsitiktinis, reikia įdėti detektorius skirtingus taškusŽemė.
Tik veikiami milžiniškos gravitacinės bangos, daug didesnės už mūsų planetą, visi detektoriai veiks vienu metu.
Dabar LIGO bendradarbiavimas aptiko gravitacinę spinduliuotę, kurią sukelia 36 ir 29 saulės masių dvejetainių juodųjų skylių sistemos susiliejimas į objektą, kurio masė siekia 62 saulės mases. „Tai pirmasis tiesioginis (labai svarbu, kad jis būtų tiesioginis!) gravitacinių bangų veikimo matavimas“, – „Gazeta.Ru“ korespondentui komentavo Maskvos valstybinio universiteto Fizikos fakulteto profesorius Sergejus Vjačaninas. mokslo skyrius. - Tai yra, buvo gautas signalas iš astrofizinės katastrofos, kai susijungė dvi juodosios skylės. Ir šis signalas identifikuojamas – tai taip pat labai svarbu! Aišku, kad tai iš dviejų juodųjų skylių. Ir tai yra naujos gravitacinės astronomijos eros pradžia, kuri leis mums gauti informacijos apie Visatą ne tik per optinius, rentgeno, elektromagnetinius ir neutrino šaltinius – bet ir gravitacines bangas.
Galima sakyti, kad 90 procentų juodųjų skylių nustojo būti hipotetiniais objektais. Kai kurios abejonės išlieka, bet vis tiek gautas signalas labai gerai sutampa su tuo, ką pagal bendrąją reliatyvumo teoriją numato daugybė dviejų juodųjų skylių susiliejimo modeliavimų.
Tai yra rimtas argumentas, kad juodosios skylės egzistuoja. Kito šio signalo paaiškinimo kol kas nėra. Todėl pripažįstama, kad juodosios skylės egzistuoja.
"Einšteinas būtų labai laimingas"
Gravitacines bangas numatė Albertas Einšteinas (beje, juodųjų skylių egzistavimą vertinęs skeptiškai) kaip savo bendrosios reliatyvumo teorijos dalį. GR, laikas pridedamas prie trijų erdvinių dimensijų, ir pasaulis tampa keturmatis. Pagal teoriją, kuri apvertė visą fiziką ant galvos, gravitacija yra erdvės-laiko kreivumo, veikiamo masės, pasekmė.
Einšteinas įrodė, kad bet kokia medžiaga, judanti su pagreičiu, sukuria erdvėlaikio sutrikimą – gravitacinę bangą. Šis trikdymas tuo didesnis, kuo didesnis objekto pagreitis ir masė.
Dėl silpnumo gravitacinių jėgų palyginti su kitais esminės sąveikosšios bangos turi būti labai mažo dydžio, jas sunku užregistruoti.
Aiškindami humanitarinių mokslų mokslininkams bendrąjį reliatyvumą, fizikai dažnai prašo įsivaizduoti ištemptą gumos lakštą, ant kurio nuleisti masyvūs rutuliai. Rutuliukai spaudžiasi per gumą, o ištemptas lakštas (atstojantis erdvėlaikį) deformuojasi. Pagal bendrąją reliatyvumo teoriją visa Visata yra guminė, ant kurios kiekviena planeta, kiekviena žvaigždė ir kiekviena galaktika palieka įdubimus. Mūsų Žemė tarsi sukasi aplink Saulę mažas kamuoliukas, pradėjo riedėti aplink piltuvo kūgį, susidariusį sunkiu kamuoliuku „prastumiant“ erdvėlaikį.
DALOMOJI MEDŽIAGA / Reuters
Sunkus kamuolys yra Saulė
Tikėtina, kad gravitacinių bangų atradimas, kuris yra pagrindinis Einšteino teorijos patvirtinimas, gali pretenduoti į Nobelio fizikos premiją. „Einšteinas būtų labai laimingas“, – sakė Gabriella Gonzalez, LIGO bendradarbiavimo atstovė.
Mokslininkų teigimu, apie praktinį atradimo pritaikomumą kalbėti dar anksti. „Nors ar Heinrichas Hercas (vokiečių fizikas, įrodęs elektromagnetinių bangų egzistavimą. - Gazeta.Ru) galėjo pagalvoti, kad bus mobilusis telefonas? Ne! „Dabar nieko neįsivaizduojame“, – sakė Maskvos valstybinio universiteto Fizikos fakulteto profesorius Valerijus Mitrofanovas. M.V. Lomonosovas. — Didžiausią dėmesį skiriu filmui „Tarpžvaigždinis“. Jis kritikuojamas, taip, bet net stebuklingą kilimą būtų galima įsivaizduoti laukinis žmogus. Ir stebuklingas kilimas virto lėktuvu, ir viskas. Ir čia turime įsivaizduoti kažką labai sudėtingo. „Tarpžvaigždiniame“ vienas iš punktų yra susijęs su tuo, kad žmogus gali keliauti iš vieno pasaulio į kitą. Jei taip įsivaizduoji, ar tiki, kad žmogus gali keliauti iš vieno pasaulio į kitą, kad gali būti daug visatų – bet ko? Negaliu atsakyti ne. Nes fizikas į tokį klausimą negali atsakyti „ne“! Tik jei tai prieštarauja kai kuriems gamtosaugos įstatymams! Yra variantų, kurie neprieštarauja žinomiems fiziniams dėsniams. Taigi, galima keliauti po pasaulius!
2016 metų vasario 11 dieną tarptautinė mokslininkų grupė, tarp jų ir iš Rusijos, spaudos konferencijoje Vašingtone paskelbė atradimą, kuris anksčiau ar vėliau pakeis civilizacijos raidą. Praktiškai buvo įmanoma įrodyti gravitacines arba erdvėlaikio bangas. Jų egzistavimą prieš 100 metų numatė Albertas Einšteinas savo.
Niekas neabejoja, kad šis atradimas bus apdovanotas Nobelio premija. Mokslininkai neskuba apie tai kalbėti praktinis pritaikymas. Tačiau jie primena, kad dar visai neseniai žmonija nežinojo, ką daryti elektromagnetines bangas, kuris galiausiai sukėlė tikrą mokslo ir technologijų revoliuciją.
Kas yra gravitacinės bangos paprastais žodžiais
Gravitacija ir visuotinė gravitacija yra vienas ir tas pats dalykas. Gravitacinės bangos yra vienas iš GPV sprendimų. Jie turi plisti šviesos greičiu. Jį skleidžia bet koks kūnas, judantis kintamu pagreičiu.
Pavyzdžiui, jis sukasi savo orbitoje su kintamu pagreičiu, nukreiptu į žvaigždę. Ir šis pagreitis nuolat kinta. saulės sistema gravitacinėmis bangomis išspinduliuoja kelių kilovatų eilės energiją. Tai nereikšminga suma, palyginama su 3 senais spalvotais televizoriais.
Kitas dalykas – du pulsarai (neutroninės žvaigždės), skriejantys vienas kitą. Jie sukasi labai artimomis orbitomis. Tokią „porą“ atrado astrofizikai ir stebėjo ilgą laiką. Objektai buvo pasirengę kristi vienas ant kito, o tai netiesiogiai rodė, kad pulsarai skleidžia erdvės-laiko bangas, tai yra energiją savo lauke.
Gravitacija yra gravitacijos jėga. Mus traukia žemė. O gravitacinės bangos esmė – pokytis šiame lauke, kuris mus pasiekia itin silpnas. Pavyzdžiui, paimkite vandens lygį rezervuare. Gravitacinio lauko stiprumas – pagreitis laisvasis kritimas V konkretus taškas. Per mūsų tvenkinį perbėga banga ir staiga pasikeičia laisvojo kritimo pagreitis, tik šiek tiek.
Tokie eksperimentai prasidėjo praėjusio amžiaus 60-aisiais. Tuo metu jie taip ir sugalvojo: pakabino didžiulį aliuminio cilindrą, aušinamą, kad išvengtų vidinių šilumos svyravimų. Ir jie laukė, kol mus staiga pasieks banga po susidūrimo, pavyzdžiui, dviejų masyvių juodųjų skylių. Tyrėjai buvo kupini entuziazmo ir pasakė, kad viskas gaublys gali patirti gravitacinės bangos, sklindančios iš kosminė erdvė. Planeta pradės vibruoti, ir šias seismines bangas (suspaudimo, šlyties ir paviršiaus bangas) bus galima ištirti.
Svarbus straipsnis apie prietaisą paprastais žodžiais ir kaip amerikiečiai ir LIGO pavogė sovietų mokslininkų idėją ir pastatė introferometrus, dėl kurių šis atradimas buvo įmanomas. Niekas apie tai nekalba, visi tyli!
Beje, gravitacinė spinduliuotė įdomesnė iš padėties kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė, kurią jie bando rasti keisdami elektromagnetinės spinduliuotės spektrą. Relikvija ir elektromagnetinė spinduliuotė atsirado po 700 tūkstančių metų didysis sprogimas, tada visatos plėtimosi procese, užpildyta karštomis dujomis su keliaujančiomis smūgio bangomis, kurios vėliau virto galaktikomis. Šiuo atveju, natūralu, turėjo būti išspinduliuotas milžiniškas, protu nesuvokiamas erdvė-laiko bangų skaičius, turintis įtakos kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės bangos ilgiui, kuris tuo metu dar buvo optinis. Rusų astrofizikas Sažinas rašo ir reguliariai skelbia straipsnius šia tema.
Klaidingas gravitacinių bangų atradimo aiškinimas
„Veidrodis kabo, jį veikia gravitacinė banga ir jis pradeda svyruoti. Ir net pačius nereikšmingiausius svyravimus, kurių amplitudė mažesnė nei atomo branduolio dydis, pastebi instrumentai“ – tokia neteisinga interpretacija, pavyzdžiui, naudojama Vikipedijos straipsnyje. Nepatingėkite, susiraskite sovietų mokslininkų straipsnį iš 1962 m.
Pirma, veidrodis turi būti masyvus, kad jaustųsi „raibuliukai“. Antra, jį reikia beveik atvėsti absoliutus nulis(Kelvinais), kad išvengtų savo šilumos svyravimų. Greičiausiai ne tik XXI amžiuje, bet ir apskritai niekada nepavyks aptikti elementarios dalelės – gravitacinių bangų nešėjos:
