Eksperimentinis gravitacinių bangų aptikimas. Pabėgimas nuo gravitacinės bangos

Valentinas Nikolajevičius Rudenko dalijasi istorija apie savo vizitą į Kascinos miestą (Italija), kur savaitę praleido prie tuomet ką tik pastatytos „gravitacinės antenos“ – Michelsono optinio interferometro. Pakeliui į tikslą taksistas klausia, kodėl buvo pastatyta instaliacija. „Žmonės čia mano, kad tai skirta kalbėtis su Dievu“, – prisipažįsta vairuotojas.

– Kas yra gravitacinės bangos?

– Gravitacinė banga yra viena iš „astrofizinės informacijos nešėjų“. Yra matomi astrofizinės informacijos kanalai. Astronomai taip pat yra įvaldę žemo dažnio kanalus – mikrobangų ir infraraudonųjų spindulių bei aukšto dažnio – rentgeno ir gama. Be elektromagnetinės spinduliuotės, galime aptikti dalelių srautus iš Kosmoso. Tam naudojami neutrinų teleskopai – didelio dydžio kosminių neutrinų detektoriai – dalelės, kurios silpnai sąveikauja su medžiaga, todėl jas sunku užregistruoti. Praktiškai patikimai įsisavinti beveik visi teoriškai numatyti ir laboratoriškai ištirti „astrofizinės informacijos nešėjų“ tipai. Išimtis buvo gravitacija – silpniausia sąveika mikrokosmose ir galingiausia jėga makrokosmose.

Gravitacija yra geometrija. Gravitacinės bangos yra geometrinės bangos, tai yra bangos, kurios keičia geometrines erdvės charakteristikas, kai praeina pro tą erdvę. Grubiai tariant, tai bangos, kurios deformuoja erdvę. Įtempimas yra santykinis atstumo tarp dviejų taškų pokytis. Gravitacinė spinduliuotė nuo visų kitų spinduliuotės rūšių skiriasi būtent tuo, kad yra geometrinė.

– Ar Einšteinas numatė gravitacines bangas?

– Formaliai manoma, kad gravitacines bangas Einšteinas numatė kaip vieną iš savo bendrosios reliatyvumo teorijos pasekmių, tačiau iš tikrųjų jų egzistavimas tampa akivaizdus jau specialiojoje reliatyvumo teorijoje.

Reliatyvumo teorija teigia, kad dėl gravitacinio potraukio galimas gravitacinis griūtis, tai yra, objektas dėl griūties susitraukia, grubiai tariant, iki taško. Tada gravitacija tokia stipri, kad šviesa iš jos net negali ištrūkti, todėl toks objektas perkeltine prasme vadinamas juodąja skyle.

– Koks gravitacinės sąveikos ypatumas?

Gravitacinės sąveikos bruožas yra lygiavertiškumo principas. Pagal ją dinaminė bandomojo kūno reakcija gravitaciniame lauke nepriklauso nuo šio kūno masės. Paprasčiau tariant, visi kūnai krenta tuo pačiu pagreičiu.

Gravitacinė sąveika yra silpniausia, kurią šiandien žinome.

– Kas pirmasis bandė pagauti gravitacinę bangą?

– Gravitacinių bangų eksperimentą pirmasis atliko Josephas Weberis iš Merilendo universiteto (JAV). Jis sukūrė gravitacinį detektorių, kuris dabar saugomas Smithsonian muziejuje Vašingtone. 1968–1972 m. Joe Weberis atliko keletą stebėjimų poroje erdviškai atskirtų detektorių, bandydamas išskirti „sutapimų“ atvejus. Sutapimo technika pasiskolinta iš branduolinės fizikos. Mažas statistinis Weberio gautų gravitacinių signalų reikšmingumas sukėlė kritišką požiūrį į eksperimento rezultatus: nebuvo pasitikėjimo, kad buvo aptiktos gravitacinės bangos. Vėliau mokslininkai bandė padidinti Weber tipo detektorių jautrumą. Detektoriui, kurio jautrumas atitiko astrofizines prognozes, sukurti prireikė 45 metų.

Eksperimento pradžioje buvo atlikta daug kitų eksperimentų prieš fiksavimą per šį laikotarpį, tačiau jų intensyvumas buvo per mažas.

– Kodėl signalo fiksavimas nebuvo paskelbtas iš karto?

– Gravitacinės bangos buvo užfiksuotos dar 2015 metų rugsėjį. Bet net jei sutapimas buvo užfiksuotas, prieš jį paskelbiant reikia įrodyti, kad tai neatsitiktinis. Iš bet kurios antenos paimtame signale visada yra triukšmo pliūpsnių (trumpalaikių pliūpsnių), o vienas iš jų gali atsitiktinai atsirasti kartu su triukšmo pliūpsniu ant kitos antenos. Kad sutapimas nebuvo atsitiktinis, galima įrodyti tik statistiniais įverčiais.

– Kodėl atradimai gravitacinių bangų srityje tokie svarbūs?

– Galimybė registruoti reliktinį gravitacinį foną ir išmatuoti jo charakteristikas, tokias kaip tankis, temperatūra ir pan., leidžia priartėti prie visatos pradžios.

Patrauklus dalykas yra tai, kad sunku aptikti gravitacinę spinduliuotę, nes ji labai silpnai sąveikauja su medžiaga. Tačiau dėl tos pačios savybės jis praeina be absorbcijos iš labiausiai nuo mūsų nutolusių objektų, turinčių paslaptingiausias, materijos požiūriu, savybes.

Galima sakyti, kad gravitacinė spinduliuotė praeina be iškraipymų. Ambicingiausias tikslas yra ištirti gravitacinę spinduliuotę, kuri buvo atskirta nuo pirminės materijos Didžiojo sprogimo teorijoje, kuri buvo sukurta kuriant Visatą.

– Ar gravitacinių bangų atradimas atmeta kvantinę teoriją?

Gravitacijos teorija daro prielaidą, kad egzistuoja gravitacinis kolapsas, tai yra, masyvių objektų susitraukimas iki taško. Tuo pačiu metu Kopenhagos mokyklos sukurta kvantinė teorija rodo, kad dėl neapibrėžtumo principo neįmanoma vienu metu nurodyti tiksliai tokių parametrų kaip kūno koordinatės, greitis ir impulsas. Čia galioja neapibrėžtumo principas. Tikslios trajektorijos nustatyti neįmanoma, nes trajektorija yra ir koordinatė, ir greitis ir t.t. Nustatyti tam tikrą sąlyginį pasitikėjimo koridorių galima tik šios paklaidos ribose. su neapibrėžtumo principais. Kvantinė teorija kategoriškai neigia taškinių objektų galimybę, tačiau aprašo juos statistiškai tikimybiškai: konkrečiai nenurodo koordinačių, o nurodo tikimybę, kad turi tam tikras koordinates.

Kvantinės teorijos ir gravitacijos teorijos suvienijimo klausimas yra vienas iš pagrindinių vieningos lauko teorijos kūrimo klausimų.

Jie ir toliau šiuo klausimu dirba, o žodžiai „kvantinė gravitacija“ reiškia visiškai pažengusią mokslo sritį, žinių ir nežinojimo ribą, kurioje dabar dirba visi pasaulio teoretikai.

– Ką atradimas gali atnešti ateityje?

Gravitacinės bangos neišvengiamai turi sudaryti šiuolaikinio mokslo pagrindą, kaip vieną iš mūsų žinių komponentų. Jie vaidina reikšmingą vaidmenį Visatos evoliucijoje ir su šių bangų pagalba Visata turėtų būti tiriama. Šis atradimas prisideda prie bendros mokslo ir kultūros plėtros.

Jei nuspręsite peržengti šių dienų mokslo ribas, tuomet leistina įsivaizduoti gravitacines telekomunikacijų linijas, reaktyvinius įrenginius, naudojančius gravitacinę spinduliuotę, gravitacinių bangų introskopijos įrenginius.

– Ar gravitacinės bangos turi ką nors bendro su ekstrasensoriniu suvokimu ir telepatija?

Jie to nedaro. Aprašyti efektai – tai kvantinio pasaulio, optikos efektai.

Kalbino Anna Utkina

Oficiali gravitacinių bangų atradimo (aptikimo) diena yra 2016 m. vasario 11 d. Būtent tada Vašingtone surengtoje spaudos konferencijoje LIGO bendradarbiavimo lyderiai paskelbė, kad tyrėjų komandai pirmą kartą žmonijos istorijoje pavyko užfiksuoti šį reiškinį.

Didžiojo Einšteino pranašystės

Faktą, kad egzistuoja gravitacinės bangos, praėjusio amžiaus pradžioje (1916 m.) pasiūlė Albertas Einšteinas, remdamasis savo Bendrąja reliatyvumo teorija (GTR). Galima tik stebėtis nuostabiais garsaus fiziko sugebėjimais, kuris, turėdamas minimalų realių duomenų, sugebėjo padaryti tokias toli siekiančias išvadas. Tarp daugelio kitų prognozuojamų fizikinių reiškinių, kurie pasitvirtino kitame amžiuje (laiko tėkmės lėtėjimas, elektromagnetinės spinduliuotės krypties keitimas gravitaciniuose laukuose ir kt.), praktiškai nebuvo įmanoma aptikti tokio tipo bangų sąveikos buvimo. kūnų iki šiol.

Ar gravitacija yra iliuzija?

Apskritai, atsižvelgiant į reliatyvumo teoriją, gravitaciją vargu ar galima pavadinti jėga. erdvės ir laiko kontinuumo trikdžiai arba kreiviai. Geras pavyzdys, iliustruojantis šį postulatą, yra ištemptas audinio gabalas. Pagal ant tokio paviršiaus padėto masyvaus daikto svorį susidaro įduba. Kiti objektai, judėdami šalia šios anomalijos, tarsi „patraukti“ keis savo judėjimo trajektoriją. Ir kuo didesnis objekto svoris (kuo didesnis kreivės skersmuo ir gylis), tuo didesnė „traukos jėga“. Kai jis juda per audinį, galima pastebėti besiskiriančių „raibuliukų“ atsiradimą.

Kažkas panašaus vyksta kosmose. Bet kuri greitai judanti masyvi medžiaga yra erdvės ir laiko tankio svyravimų šaltinis. Didelės amplitudės gravitacinę bangą formuoja itin didelės masės kūnai arba judant didžiuliais pagreičiais.

Fizinės savybės

Erdvės ir laiko metrikos svyravimai pasireiškia kaip gravitacinio lauko pokyčiai. Šis reiškinys kitaip vadinamas erdvės ir laiko bangavimu. Gravitacinė banga veikia sutiktus kūnus ir objektus, juos suspaudžia ir tempia. Deformacijos dydis labai nežymus – apie 10 -21 nuo pradinio dydžio. Visas šio reiškinio aptikimo sunkumas buvo tas, kad mokslininkams reikėjo išmokti išmatuoti ir įrašyti tokius pokyčius naudojant atitinkamą įrangą. Gravitacinės spinduliuotės galia taip pat itin maža – visai Saulės sistemai ji siekia kelis kilovatus.

Gravitacinių bangų sklidimo greitis šiek tiek priklauso nuo laidžios terpės savybių. Virpesių amplitudė palaipsniui mažėja tolstant nuo šaltinio, bet niekada nepasiekia nulio. Dažnis svyruoja nuo kelių dešimčių iki šimtų hercų. Gravitacinių bangų greitis tarpžvaigždinėje terpėje artėja prie šviesos greičio.

Netiesioginiai įrodymai

Pirmąjį teorinį gravitacinių bangų egzistavimo patvirtinimą 1974 metais gavo amerikiečių astronomas Josephas Tayloras ir jo padėjėjas Russellas Hulse'as. Tirdami Visatos platybes naudodamiesi Arecibo observatorijos radijo teleskopu (Puerto Rikas), mokslininkai atrado pulsarą PSR B1913+16, kuris yra dvinarė neutroninių žvaigždžių sistema, besisukanti aplink bendrą masės centrą pastoviu kampiniu greičiu (gana reta). atvejis). Kiekvienais metais cirkuliacijos laikotarpis, iš pradžių 3,75 valandos, sumažinamas 70 ms. Ši vertė visiškai atitinka bendrųjų reliatyvumo lygčių išvadas, kurios numato tokių sistemų sukimosi greičio padidėjimą dėl energijos sąnaudų generuojant gravitacines bangas. Vėliau buvo aptikta keletas panašaus elgesio dvigubų pulsarų ir baltųjų nykštukų. Radijo astronomai D. Taylor ir R. Hulse 1993 metais buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija už naujų gravitacinių laukų tyrimo galimybių atradimą.

Pabėgimas nuo gravitacinės bangos

Pirmąjį pranešimą apie gravitacinių bangų aptikimą Merilendo universiteto mokslininkas Josephas Weberis (JAV) paskelbė 1969 m. Šiems tikslams jis panaudojo dvi savos konstrukcijos gravitacines antenas, atskirtas dviejų kilometrų atstumu. Rezonansinis detektorius buvo gerai vibracijai izoliuotas tvirtas dviejų metrų aliuminio cilindras su jautriais pjezoelektriniais jutikliais. Weberio tariamai užfiksuotų virpesių amplitudė pasirodė daugiau nei milijoną kartų didesnė nei tikėtasi. Kitų mokslininkų bandymai pakartoti amerikiečių fiziko „sėkmę“ naudojant panašią įrangą teigiamų rezultatų nedavė. Po kelerių metų Weberio darbas šioje srityje buvo pripažintas nepagrįstu, tačiau paskatino „gravitacinio bumo“ vystymąsi, kuris pritraukė daug specialistų į šią tyrimų sritį. Beje, pats Josephas Weberis iki savo dienų pabaigos buvo tikras, kad gavo gravitacines bangas.

Priėmimo įrangos tobulinimas

70-aisiais mokslininkas Billas Fairbankas (JAV) sukūrė gravitacinių bangų antenos dizainą, aušinamas naudojant SQUIDS – itin jautrius magnetometrus. Tuo metu egzistuojančios technologijos neleido išradėjui pamatyti savo gaminio, pagaminto iš „metalo“.

Nacionalinėje Legnaros laboratorijoje (Paduja, Italija) veikia šiuo principu veikiantis gravitacinis detektorius Auriga. Konstrukcija paremta 3 metrų ilgio ir 0,6 m skersmens aliuminio-magnio cilindru. 2,3 tonos sveriantis priėmimo įtaisas pakabinamas izoliuotoje vakuuminėje kameroje, atšaldytoje beveik iki absoliutaus nulio. Smūgiams fiksuoti ir aptikti naudojamas pagalbinis kilogramo rezonatorius ir kompiuterinis matavimo kompleksas. Nurodytas įrangos jautrumas yra 10 -20.

Interferometrai

Gravitacinių bangų trukdžių detektorių veikimas grindžiamas tais pačiais principais, kuriais veikia Michelsono interferometras. Šaltinio skleidžiamas lazerio spindulys yra padalintas į du srautus. Po daugybės atspindžių ir keliaujant palei prietaiso rankas srautai vėl sujungiami, o pagal galutinį įvertinama, ar spindulių eigą paveikė kokie nors trikdžiai (pavyzdžiui, gravitacinė banga). Panaši įranga buvo sukurta daugelyje šalių:

• GEO 600 (Hanoveris, Vokietija). Vakuuminių tunelių ilgis – 600 metrų.
• TAMA (Japonija) su pečiais 300 m.
• VIRGO (Pisa, Italija) – tai 2007 metais pradėtas bendras prancūzų ir italų projektas su trijų kilometrų ilgio tuneliais.
• LIGO (JAV, Ramiojo vandenyno pakrantė), gravitacinių bangų medžioklė nuo 2002 m.

Pastarąjį verta apsvarstyti išsamiau.

LIGO Advanced

Projektas buvo sukurtas Masačusetso ir Kalifornijos technologijos institutų mokslininkų iniciatyva. Jį sudaro dvi observatorijos, atskirtos 3 tūkst. km, Vašingtone ir Vašingtone (Livingstono ir Hanfordo miestuose) su trimis vienodais interferometrais. Statmenų vakuuminių tunelių ilgis siekia 4 tūkstančius metrų. Tai didžiausios šiuo metu veikiančios tokios struktūros. Iki 2011 m. daugybė bandymų aptikti gravitacines bangas nedavė jokių rezultatų. Atliktas reikšmingas modernizavimas (Advanced LIGO) padidino įrangos jautrumą 300-500 Hz diapazone daugiau nei penkis kartus, o žemų dažnių srityje (iki 60 Hz) beveik eilės tvarka ir pasiekė trokštama 10 -21 vertė. Atnaujintas projektas startavo 2015 metų rugsėjį, o daugiau nei tūkstančio bendradarbiavimo darbuotojų pastangos buvo įvertintos gautais rezultatais.

Aptiktos gravitacinės bangos

2015 m. rugsėjo 14 d. pažangūs LIGO detektoriai su 7 ms intervalu užfiksavo gravitacines bangas, pasiekusias mūsų planetą iš didžiausio įvykio, įvykusio stebimos Visatos pakraštyje – dviejų didelių juodųjų skylių, kurių masė 29 ir 36 kartus, susiliejimo. didesnė už Saulės masę. Proceso, kuris vyko daugiau nei prieš 1,3 milijardo metų, metu per sekundės dalis, skleisdamos gravitacines bangas, buvo sunaudotos maždaug trys Saulės medžiagos masės. Užregistruotas pradinis gravitacinių bangų dažnis buvo 35 Hz, o didžiausia didžiausia vertė siekė 250 Hz.

Gauti rezultatai buvo pakartotinai visapusiškai tikrinami ir apdorojami, o alternatyvios gautų duomenų interpretacijos buvo kruopščiai pašalintos. Galiausiai pernai pasaulinei bendruomenei buvo paskelbta tiesioginė Einšteino numatytų reiškinių registracija.

Titanišką tyrinėtojų darbą iliustruojantis faktas: interferometro svirties dydžio svyravimų amplitudė buvo 10–19 m – ši reikšmė tiek pat kartų mažesnė už atomo skersmenį, nes pats atomas yra mažesnis už oranžinė.

Ateities perspektyvos

Atradimas dar kartą patvirtina, kad Bendroji reliatyvumo teorija yra ne tik abstrakčių formulių rinkinys, bet iš esmės naujas žvilgsnis į gravitacinių bangų ir apskritai gravitacijos esmę.

Tolesniuose tyrimuose mokslininkai daug vilčių deda į ELSA projektą: milžiniško orbitinio interferometro su maždaug 5 milijonų km atstumo rankomis sukūrimą, galintį aptikti net nedidelius gravitacijos laukų trikdžius. Darbo suaktyvinimas šia kryptimi gali pasakyti daug naujų dalykų apie pagrindinius Visatos vystymosi etapus, apie procesus, kuriuos sunku arba neįmanoma stebėti tradiciniuose diapazonuose. Neabejotina, kad juodosios skylės, kurių gravitacinės bangos bus aptiktos ateityje, daug pasakys apie jų prigimtį.

Norint ištirti kosminę mikrobangų foninę spinduliuotę, kuri gali mums pasakyti apie pirmąsias mūsų pasaulio akimirkas po Didžiojo sprogimo, reikės jautresnių kosminių instrumentų. Toks projektas egzistuoja ( Didžiojo sprogimo stebėtojas), tačiau jo įgyvendinimas, ekspertų teigimu, įmanomas ne anksčiau kaip po 30–40 metų.

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. Tačiau suplanuoti atradimai moksle užima ypatingą 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 gravitacinės sąveikos sklidimo greičio baigtumas (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 užregistruoti labai sunku. Be to, registruojant būtina, kad signalas laikui bėgant greitai keistųsi, tai yra, būtų pakankamai 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 vienas su kitu procesą. Paskutiniai žvaigždžių branduolių žlugimo etapai, dėl kurių susidaro kompaktiški objektai, taip pat paskutiniai neutroninių žvaigždžių ir juodųjų skylių susiliejimo etapai trunka keletą milisekundžių (tai atitinka dažnį šimtai hercų) – kaip tik tai, ko 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, tačiau vis tiek reikia labai galingo gravitacinių bangų signalo, kad viršytų triukšmo lygį. 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 Theoretical Physics), 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 sprogimų 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. Šiuo atveju dydis rodė, kad iš dviejų skylių, kurių masė yra 25-30 ir 35-40 saulės masių, susidarė juodoji skylė, kurios masė viršija 60 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. O iš žinomos išmatuoto signalo energijos ir dydžio gaunamas atstumas. Didelė susijungusių kūnų masė 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

Šiuo metu svarbiausias LIGO rezultatas yra 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 susiliejimo stebėjimai suteiks daug naujos, skubiai reikalingos informacijos 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 apie branduolinę fiziką ir medžiagos elgesį 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.

Ketvirtadienį, vasario 11 d., grupė mokslininkų iš tarptautinio projekto LIGO Scientific Collaboration paskelbė, kad jiems pavyko, kurio egzistavimą Albertas Einšteinas išpranašavo dar 1916 metais. Tyrėjų teigimu, 2015 metų rugsėjo 14 dieną jie užfiksavo gravitacinę bangą, kurią sukėlė dviejų juodųjų skylių, sveriančių 29 ir 36 kartus daugiau už Saulės masę, susidūrimo, po kurio jos susiliejo į vieną didelę juodąją skylę. Anot jų, tai tariamai įvyko prieš 1,3 milijardo metų 410 megaparsekų atstumu nuo mūsų galaktikos.

LIGA.net išsamiai kalbėjo apie gravitacines bangas ir didelio masto atradimą Bogdanas Hnatykas, Ukrainos mokslininkas, astrofizikas, fizinių ir matematikos mokslų daktaras, Kijevo nacionalinio Taraso Ševčenkos universiteto Astronomijos observatorijos vadovaujantis tyrėjas, observatorijai vadovavęs 2001–2004 m.

Teorija paprastais žodžiais

Fizika tiria kūnų sąveiką. Nustatyta, kad tarp kūnų yra keturios sąveikos rūšys: elektromagnetinė, stiprioji ir silpnoji branduolinė sąveika bei gravitacinė sąveika, kurią jaučiame visi. Dėl gravitacinės sąveikos planetos sukasi aplink Saulę, kūnai turi svorį ir krenta ant žemės. Žmonės nuolat susiduria su gravitacine sąveika.

1916 m., prieš 100 metų, Albertas Einšteinas sukūrė gravitacijos teoriją, kuri patobulino Niutono gravitacijos teoriją, padarė ją matematiškai teisingą: ji pradėjo atitikti visus fizikos reikalavimus ir pradėjo atsižvelgti į tai, kad gravitacija sklinda labai didelis, bet ribotas greitis. Tai pagrįstai vienas didžiausių Einšteino laimėjimų, nes jis sukūrė gravitacijos teoriją, atitinkančią visus šiandien stebimus fizikos reiškinius.

Ši teorija taip pat pasiūlė egzistavimą gravitacines bangas. Šios prognozės pagrindas buvo tai, kad gravitacinės bangos egzistuoja dėl gravitacinės sąveikos, atsirandančios dėl dviejų masyvių kūnų susijungimo.

Kas yra gravitacinė banga

Sudėtingoje kalboje tai yra erdvės ir laiko metrikos sužadinimas. „Tarkime, erdvė turi tam tikrą elastingumą ir per ją gali prasiskverbti bangos. Tai panašu į tai, kai mes metame akmenuką į vandenį ir iš jo sklinda bangos“, – LIGA.net sakė fizinių ir matematikos mokslų daktaras.

Mokslininkams pavyko eksperimentiškai įrodyti, kad panašus svyravimas vyko Visatoje ir gravitacinė banga bėgo visomis kryptimis. „Pirmą kartą astrofiziškai buvo užfiksuotas tokios katastrofiškos dvinarės sistemos evoliucijos reiškinys, kai du objektai susilieja į vieną ir dėl šio susijungimo labai intensyviai išsiskiria gravitacinė energija, kuri vėliau pasklinda erdvėje tokia forma. gravitacinių bangų“, – aiškino mokslininkas.

Šios gravitacinės bangos yra labai silpnos ir, kad jos išjudintų erdvėlaikį, būtina labai didelių ir masyvių kūnų sąveika, kad gravitacinio lauko intensyvumas generacijos taške būtų didelis. Tačiau, nepaisant jų silpnumo, stebėtojas po tam tikro laiko (lygaus atstumui iki sąveikos padalijus iš signalo greičio) užregistruos šią gravitacinę bangą.

Pateiksime pavyzdį: jei Žemė nukristų ant Saulės, tai įvyktų gravitacinė sąveika: išsiskirtų gravitacinė energija, susidarytų gravitacinė sferiškai simetriška banga ir stebėtojas galėtų ją užregistruoti. „Čia įvyko panašus, bet unikalus astrofizikos požiūriu reiškinys: susidūrė du masyvūs kūnai – dvi juodosios skylės“, – pažymėjo Gnatyk.

Grįžkime prie teorijos

Juodoji skylė yra dar viena Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos prognozė, numatanti, kad kūnas, turintis didžiulę masę, tačiau koncentruotas nedideliame tūryje, gali žymiai iškraipyti aplink ją esančią erdvę iki pat jos uždarymo. Tai yra, buvo daroma prielaida, kad kai pasiekiama kritinė šio kūno masės koncentracija - tokia, kad kūno dydis bus mažesnis už vadinamąjį gravitacinį spindulį, tada erdvė aplink šį kūną bus uždara ir jo topologija. bus toks, kad joks signalas iš jo nepasklistų už uždaros erdvės negali.

„Tai yra, juodoji skylė, paprastais žodžiais tariant, yra masyvus objektas, toks sunkus, kad uždaro aplink save erdvėlaikį“, – sako mokslininkas.

Ir mes, anot jo, į šį objektą galime siųsti bet kokius signalus, bet jis negali jų siųsti mums. Tai reiškia, kad jokie signalai negali peržengti juodosios skylės ribų.

Juodoji skylė gyvena pagal įprastus fizinius dėsnius, tačiau dėl stiprios gravitacijos joks materialus kūnas, net fotonas, negali peržengti šio kritinio paviršiaus. Juodosios skylės susidaro paprastų žvaigždžių evoliucijos metu, kai centrinė šerdis subyra ir dalis žvaigždės materijos, subyrėjusios, virsta juodąja skyle, o kita žvaigždės dalis išmeta Supernovos apvalkalo pavidalu, virsdama vadinamasis Supernovos „protrūkis“.

Kaip mes matėme gravitacinę bangą

Pateikime pavyzdį. Kai vandens paviršiuje turime dvi plūdes ir vanduo ramus, atstumas tarp jų yra pastovus. Kai atplaukia banga, ji šias plūdes išstumia ir atstumas tarp plūdžių pasikeis. Banga praėjo – ir plūdės grįžta į ankstesnes pozicijas, o atstumas tarp jų atsistato.

Gravitacinė banga erdvėlaikyje sklinda panašiai: suspaudžia ir ištempia jos kelyje susitinkančius kūnus ir objektus. „Pasiekus tam tikrą objektą bangos kelyje, jis deformuojasi išilgai savo ašių, o praėjęs grįžta į ankstesnę formą Gravitacinės bangos įtakoje deformuojasi visi kūnai, tačiau šios deformacijos yra labai nereikšmingas“, – sako Gnatyk.

Kai banga, kurią užfiksavo mokslininkai, praėjo, santykinis kūnų dydis erdvėje pasikeitė 1 kartą 10 iki minus 21 laipsnio. Pavyzdžiui, jei paimsite metro liniuotę, tada ji susitraukė tiek, kiek jos dydis yra padaugintas iš 10 iki minus 21 galios. Tai labai maža suma. Ir problema buvo ta, kad mokslininkai turėjo išmokti išmatuoti šį atstumą. Įprasti metodai davė tikslumą nuo 1 iš 10 iki 9-osios milijonų laipsnio, tačiau čia reikia daug didesnio tikslumo. Tam buvo sukurtos vadinamosios gravitacinės antenos (gravitacinių bangų detektoriai).

Antena, fiksavusi gravitacines bangas, pastatyta taip: yra du maždaug 4 kilometrų ilgio vamzdžiai, išdėstyti raidės „L“ pavidalu, bet tomis pačiomis rankomis ir stačiu kampu. Kai gravitacinė banga atsitrenkia į sistemą, ji deformuoja antenos sparnus, tačiau priklausomai nuo orientacijos, vieną deformuoja labiau, kitą mažiau. Ir tada atsiranda kelio skirtumas, pasikeičia signalo trukdžių modelis – atsiranda bendra teigiama arba neigiama amplitudė.

„Tai yra, gravitacinės bangos prasiskverbimas yra panašus į bangą vandenyje, einantį tarp dviejų plūdžių: jei išmatuotume atstumą tarp jų bangai slenkant ir po jo, pamatytume, kad atstumas pasikeis, ir tada taptume vėl tas pats“, – sakė jis Gnatyk.

Čia matuojamas santykinis atstumo pokytis tarp dviejų interferometro sparnų, kurių kiekvienas yra apie 4 kilometrus ilgio. Ir tik labai tikslios technologijos ir sistemos gali išmatuoti tokį gravitacinės bangos sukeltą mikroskopinį sparnų poslinkį.

Visatos pakraštyje: iš kur kilo banga?

Mokslininkai signalą užfiksavo naudodami du detektorius, esančius dviejose JAV valstijose: Luizianoje ir Vašingtone, maždaug 3 tūkstančių kilometrų atstumu. Mokslininkai sugebėjo įvertinti, iš kur ir iš kokio atstumo šis signalas atkeliavo. Apskaičiavimai rodo, kad signalas atėjo iš 410 megaparsekų atstumo. Megaparsekas yra atstumas, kurį šviesa nukeliauja per tris milijonus metų.

Kad būtų lengviau įsivaizduoti: arčiausiai mūsų esanti aktyvi galaktika, kurios centre yra supermasyvi juodoji skylė, yra Kentauras A, esantis keturių megaparsekų atstumu nuo mūsų, o Andromedos ūkas yra 0,7 megaparseko atstumu. „Tai yra, atstumas, iš kurio atkeliavo gravitacinių bangų signalas, yra toks didelis, kad signalas į Žemę keliavo apie 1,3 milijardo metų. Tai yra kosmologiniai atstumai, kurie siekia apie 10% mūsų Visatos horizonto“, – sakė mokslininkas.

Šiuo atstumu kažkurioje tolimoje galaktikoje susijungė dvi juodosios skylės. Šios skylės, viena vertus, buvo palyginti mažos, o kita vertus, didelė signalo amplitudė rodo, kad jos buvo labai sunkios. Nustatyta, kad jų masė buvo atitinkamai 36 ir 29 Saulės masės. Saulės masė, kaip žinoma, lygi 2 kartus 10 iki 30 kilogramo laipsnio. Po susijungimo šie du kūnai susijungė ir dabar jų vietoje susidarė viena juodoji skylė, kurios masė lygi 62 Saulės masėms. Tuo pačiu metu gravitacinių bangų energijos pavidalu išsiliejo maždaug trys Saulės masės.

Kas ir kada padarė atradimą

Tarptautinio LIGO projekto mokslininkams 2015 metų rugsėjo 14 dieną pavyko aptikti gravitacinę bangą. LIGO (Lazerinės interferometrijos gravitacijos observatorija) yra tarptautinis projektas, kuriame dalyvauja nemažai valstybių, prisidėjusių tam tikru finansiniu ir moksliniu indėliu, ypač JAV, Italija, Japonija, kurios yra pažangios šio tyrimo srityje.

Buvo užfiksuotas toks vaizdas: gravitacinio detektoriaus sparnai pasislinko dėl faktinio gravitacinės bangos praėjimo per mūsų planetą ir per šį įrenginį. Tada apie tai nebuvo pranešta, nes signalą reikėjo apdoroti, „išvalyti“, surasti jo amplitudę ir patikrinti. Tai yra standartinė procedūra: nuo tikrojo atradimo iki paskelbimo apie atradimą užtrunka keletą mėnesių, kol pateikiamas pagrįstas pareiškimas. „Niekas nenori gadinti savo reputacijos Tai visi slapti duomenys, apie kuriuos niekas nežinojo, buvo tik gandai“, – pažymėjo Hnatyk.

Istorija

Gravitacinės bangos buvo tiriamos nuo praėjusio amžiaus 70-ųjų. Per tą laiką buvo sukurta nemažai detektorių ir atlikta nemažai esminių tyrimų. Devintajame dešimtmetyje amerikiečių mokslininkas Josephas Weberis pastatė pirmąją gravitacinę anteną aliuminio cilindro pavidalu, kuris buvo maždaug kelių metrų dydžio, aprūpintas pjezo jutikliais, kurie turėjo fiksuoti gravitacinės bangos praėjimą.

Šio prietaiso jautrumas buvo milijoną kartų blogesnis nei dabartinių detektorių. Ir, žinoma, tada jis tikrai negalėjo aptikti bangos, nors Weberis pareiškė tai padaręs: apie tai parašė spauda ir įvyko „gravitacinis bumas“ - pasaulis iš karto pradėjo statyti gravitacines antenas. Weberis paskatino kitus mokslininkus imtis gravitacinių bangų ir tęsti šio reiškinio eksperimentus, kurie leido milijoną kartų padidinti detektorių jautrumą.

Tačiau pats gravitacinių bangų fenomenas buvo užfiksuotas praėjusiame amžiuje, kai mokslininkai atrado dvigubą pulsarą. Tai buvo netiesioginis gravitacinių bangų egzistavimo faktas, įrodytas astronominiais stebėjimais. Pulsarą atrado Russellas Hulse'as ir Josephas Tayloras 1974 m., atlikdami stebėjimus su Arecibo observatorijos radijo teleskopu. Mokslininkai 1993 metais buvo apdovanoti Nobelio premija „už naujo tipo pulsaro atradimą, kuris suteikė naujų galimybių tiriant gravitaciją“.

Tyrimai pasaulyje ir Ukrainoje

Italijoje panašus projektas, pavadintas Virgo, artėja prie pabaigos. Po metų panašų detektorių ketina paleisti ir Japonija, o Indija taip pat ruošia tokį eksperimentą. Tai yra, panašūs detektoriai egzistuoja daugelyje pasaulio vietų, tačiau jie dar nepasiekė jautrumo režimo, kad galėtume kalbėti apie gravitacinių bangų aptikimą.

„Oficialiai Ukraina nėra LIGO dalis, taip pat nedalyvauja Italijos ir Japonijos projektuose. Iš tokių esminių sričių Ukraina dabar dalyvauja LHC (Large Hadron Collider) projekte ir CERN (oficialiai tapsime tik dalyve). sumokėjus stojamąjį mokestį)“, – LIGA.net sakė fizinių ir matematikos mokslų daktaras Bohdanas Gnatykas.

Anot jo, nuo 2015 metų Ukraina yra visateise tarptautinio bendradarbiavimo CTA (Cerenkov Telescope Array), kuriančio modernų daugiafunkcį teleskopą, narė. TeV ilgas gama diapazonas (su fotonų energija iki 1014 eV). „Pagrindiniai tokių fotonų šaltiniai yra būtent supermasyvių juodųjų skylių, kurių gravitacinį spinduliavimą pirmasis užfiksavo LIGO detektorius, apylinkės TeV„Nogo elektromagnetinė technologija žada mums daug daugiau atradimų ateityje“, – priduria mokslininkas.

Kas toliau ir kaip naujos žinios padės žmonėms? Mokslininkai nesutinka. Kai kas sako, kad tai tik kitas žingsnis siekiant suprasti Visatos mechanizmus. Kiti mano, kad tai pirmieji žingsniai naujų technologijų, skirtų judėti laike ir erdvėje, link. Vienaip ar kitaip, šis atradimas dar kartą įrodė, kiek mažai mes suprantame ir kiek daug dar reikia išmokti.

„Pastaruoju metu daugybė ilgalaikių eksperimentų, skirtų tiesioginiam gravitacinių bangų stebėjimui, sukėlė didelį mokslinį susidomėjimą“, – rašė teorinis fizikas Michio Kaku savo 2004 m. knygoje „Einstein’s Cosmos“. — 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 erdvėlaikio sritis, kurios gravitacinė trauka yra tokia stipri, kad net šviesos greičiu judantys objektai (įskaitant pačią šviesą) negali iš jos 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: tuomet amerikiečių fizikas Josephas Weberis susidomėjo Einšteino bendrąja reliatyvumo teorija (GTR), 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 gravitacinių bangų astronomijos mokslo srities tėvu.

„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. Norint įsitikinti, kad lazerio instaliacijos užfiksuotas signalas nėra atsitiktinis, detektoriai turi būti išdėstyti skirtinguose Žemės taškuose.

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 dviejų juodųjų skylių susijungimo astrofizinės katastrofos. 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 gauti informacijos apie Visatą ne tik per optinius, rentgeno, elektromagnetinius ir neutrino šaltinius – bet ir per 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 gravitacijos jėgų silpnumo, palyginti su kitomis fundamentaliomis sąveikomis, šios bangos turėtų būti labai mažo dydžio, sunkiai registruojamos.

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 sukasi aplink Saulę kaip mažas rutulys, paleistas riedėti aplink piltuvo kūgį, susidariusį „stumiant“ erdvėlaikį sunkiam rutuliui.

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 laukinis žmogus galėtų įsivaizduoti stebuklingą kilimą. 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!