Astrofizikai patvirtino gravitacinių bangų egzistavimą, kurių egzistavimą Albertas Einšteinas numatė maždaug prieš 100 metų. Jie buvo aptikti naudojant LIGO gravitacinių bangų observatorijos, esančios JAV, detektorius.
Pirmą kartą istorijoje žmonija užfiksavo gravitacines bangas – erdvėlaikio virpesius, kurie atkeliavo į Žemę susidūrus dviem juodosioms skylėms, įvykusioms toli Visatoje. Prie šio atradimo prisidėjo ir Rusijos mokslininkai. Ketvirtadienį mokslininkai apie savo atradimą pasakoja visame pasaulyje – Vašingtone, Londone, Paryžiuje, Berlyne ir kituose miestuose, tarp jų ir Maskvoje.
Nuotraukoje parodytas juodosios skylės susidūrimo modeliavimas
Spaudos konferencijoje Rambler&Co biure Valerijus Mitrofanovas, LIGO bendradarbiavimo Rusijos dalies vadovas, paskelbė apie gravitacinių bangų atradimą:
„Džiaugiamės galėdami dalyvauti šiame projekte ir pristatyti jums rezultatus. Dabar papasakosiu atradimo prasmę rusų kalba. Mes matėme gražias LIGO detektorių nuotraukas JAV. Atstumas tarp jų yra 3000 km. Gravitacinės bangos įtakoje vienas iš detektorių pasislinko, po to mes juos atradome. Iš pradžių kompiuteryje matėme tiesiog triukšmą, o paskui Hamfordo detektorių masė pradėjo svirduliuoti. Paskaičiavus gautus duomenis, pavyko nustatyti, kad būtent juodosios skylės susidūrė 1,3 mlrd. šviesmečių atstumu. Signalas buvo labai aiškus, labai aiškiai išėjo iš triukšmo. Daug kas sakė, kad mums pasisekė, bet gamta mums padovanojo tokią dovaną. Gravitacinės bangos buvo atrastos, tai tikrai.
Astrofizikai patvirtino gandus, kad jiems pavyko aptikti gravitacines bangas naudojant LIGO gravitacinių bangų observatorijos detektorius. Šis atradimas leis žmonijai padaryti didelę pažangą suprasdama, kaip veikia Visata.
Atradimas įvyko 2015 m. rugsėjo 14 d. tuo pačiu metu su dviem detektoriais Vašingtone ir Luizianoje. Signalas į detektorius pateko dėl dviejų juodųjų skylių susidūrimo. Mokslininkams prireikė tiek laiko, kad patikrintų, ar susidūrimo rezultatas buvo gravitacinės bangos.
Skylių susidūrimas įvyko maždaug per pusę šviesos greičio, kuris yra maždaug 150 792 458 m/s.
„Niutono gravitacija buvo aprašyta plokščioje erdvėje, o Einšteinas perkėlė ją į laiko plokštumą ir padarė prielaidą, kad ji ją lenkia. Gravitacinė sąveika yra labai silpna. Žemėje eksperimentai, skirti sukurti gravitacines bangas, neįmanomi. Jie buvo atrasti tik po juodųjų skylių susijungimo. Detektorius pasislinko, tik įsivaizduokite, 10–19 metrų. Nejaučiate to rankomis. Tik labai tikslių instrumentų pagalba. Kaip tai padaryti? Lazerio spindulys, kuriuo buvo užfiksuotas poslinkis, buvo unikalaus pobūdžio. Antrosios kartos LIGO lazerinė gravitacinė antena pradėjo veikti 2015 m. Jautrumas leidžia aptikti gravitacijos trikdžius maždaug kartą per mėnesį. Tai pažangus pasaulio ir Amerikos mokslas, pasaulyje nėra nieko tikslesnio. Tikimės, kad jam pavyks įveikti standartinę kvantinio jautrumo ribą“, – paaiškino atradimas Sergejus Vyatchanin, Maskvos valstybinio universiteto Fizikos katedros darbuotojas ir LIGO bendradarbiavimas.
Standartinė kvantinė riba (SQL) kvantinėje mechanikoje yra apribojimas, nustatytas nuolatinio arba pakartotinai kartojamo bet kokio operatoriaus aprašyto dydžio matavimo tikslumui, kuris nekeliauja su savimi skirtingu laiku. 1967 m. numatė V. B. Braginsky, o terminą standartinė kvantinė riba (SQL) pasiūlė vėliau Thorne'as. SKP yra glaudžiai susijęs su Heisenbergo neapibrėžtumo santykiu.
Apibendrindamas Valerijus Mitrofanovas kalbėjo apie tolesnių tyrimų planus:
„Šis atradimas yra naujos gravitacinių bangų astronomijos pradžia. Per gravitacinių bangų kanalą tikimės daugiau sužinoti apie Visatą. Mes žinome tik 5% medžiagos sudėtį, likusi dalis yra paslaptis. Gravitacijos detektoriai leis jums pamatyti dangų „gravitacinėmis bangomis“. Ateityje tikimės pamatyti visa ko pradžią, tai yra Didžiojo sprogimo reliktą, ir suprasti, kas tada tiksliai įvyko.
Gravitacines bangas pirmą kartą pasiūlė Albertas Einšteinas 1916 m., beveik lygiai prieš 100 metų. Bangų lygtis yra reliatyvumo teorijos lygčių pasekmė ir nėra išvesta pačiu paprasčiausiu būdu.
Kanados teorinis fizikas Cliffordas Burgessas anksčiau paskelbė laišką, kuriame teigiama, kad observatorija aptiko gravitacinę spinduliuotę, kurią sukėlė 36 ir 29 Saulės masių dvejetainių juodųjų skylių sistemos susiliejimas į objektą, kurio masė siekia 62 Saulės mases. Susidūrimas ir asimetrinis gravitacinis kolapsas trunka sekundės dalį, o per tą laiką energija, sudaranti iki 50 procentų sistemos masės, prarandama gravitacinei spinduliuotei – erdvėlaikio bangavimui.
Gravitacinė banga yra gravitacijos banga, kurią daugelyje gravitacijos teorijų sukuria kintamo pagreičio gravitacinių kūnų judėjimas. Dėl santykinio gravitacinių jėgų silpnumo (lyginant su kitomis) šios bangos turėtų būti labai mažo dydžio, sunkiai registruojamos. Jų egzistavimą maždaug prieš šimtmetį išpranašavo Albertas Einšteinas.
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 gravitacinės bangos pliūpsnį, susijungus dviem juodosioms skylėms, kurių masė yra 29 ir 36 Saulės masių, tolimoje galaktikoje, esančioje maždaug už 1,3 milijardo šviesmečių. Gravitacinių bangų astronomija tapo visateise fizikos šaka; jis 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 vienu jo pasireiškimu – Niutono visuotinės gravitacijos dėsniu. Tačiau yra ir kitų, subtilesnių gravitacinių efektų, 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, fizikinių reiškinių konteineris, tai GTR ji pati tampa reiškiniu, dinaminiu 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 judės arčiau vienas kito, vis greičiau suksis, vis labiau iškraipys metriką ir generuos dar stipresnes gravitacines bangas – kol galiausiai įvyks radikalus viso šios poros gravitacinio lauko pertvarkymas ir susijungs dvi juodosios skylės. vienas.
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. Virpesių periodą lemia dviejų vienas kitą supančių objektų judėjimas orbitoje. 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 po to 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 nesunku 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 naudojo daugiau nei vieną rezonuojantį objektą, bet stebėjo 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 ilgesnė ranka, 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 šviesesnę šviesą matys fotojutiklis.
Žodžiai „mikroskopinis poslinkis“ net neprilygsta perteikti efekto subtilumo. Veidrodžių poslinkį šviesos bangos ilgiu, tai yra mikronais, lengva pastebėti net ir be jokių gudrybių. Tačiau 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 veidrodinį poslinkį net ne vienu atomu, o tūkstantosiomis atomo branduolio dalimis!
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).
Gravitacinių bangų lenktynėse dalyvauja visas sąrašas šalių; 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 Vakaruose šis straipsnis nebuvo pastebėtas ir, tiesą pasakius, realių projektų vystymui įtakos neturėjo (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. Įgyvendinant projektą svarbų vaidmenį 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 pasiruošęs gaudyti neutroninių žvaigždžių pliūpsnius 60 megaparsekų atstumu, o juodąsias skyles – šimtų megaparsekų atstumu. Gravitacinių bangų klausymui atviros Visatos tūris padidėjo 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 paskutiniuose analizės etapuose „atsiskleidžia kortos“ ir bendradarbiavimo nariai sužino, ar tai buvo tikras įvykis, ar 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 sudėtinga, neįveikiama mokslinė užduotis lieka neišspręsta keletą metų, tai yra 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 taip pat pasitiks juos pusiaukelėje ir išmes galingą purslą į kokią nors netoliese esančią galaktiką, tačiau tuo pat metu supranta, kad net jei gamta ir ne taip palaiko, ji nebegalės pasislėpti nuo mokslininkų. . Tik klausimas, kada tiksliai jie galės pasiekti savo techninius tikslus. Jau minėtame filme galima išgirsti pasakojimą apie šį pojūtį iš kelis dešimtmečius gravitacinių bangų ieškančio žmogaus „Belaukiant bangų ir dalelių“.
Atidarymas
Fig. 7 paveiksle parodytas pagrindinis rezultatas: abiejų detektorių užfiksuoto signalo profilis. Matyti, kad triukšmo fone norimos formos svyravimai pirmiausia pasirodo silpnai, o vėliau didėja amplitudė ir dažnis. 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 grynai 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 tik gravitacinių bangų registravimo fakto konstatavimu, bet taip pat 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 mums 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. Dabartinės padėties šia kryptimi apžvalgą galima rasti neseniai paskelbtoje S. Rosswog publikacijoje, 2015. Multi-messenger picture of compact binary mergers.
Trečia, užfiksavus iš supernovos kilusį sprogimą ir palyginus jį su optiniais stebėjimais, pagaliau bus galima detaliai suprasti, kas vyksta viduje, pačioje žlugimo pradžioje. Dabar fizikai vis dar turi sunkumų su skaitmeniniu šio proceso modeliavimu.
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, atsirado nauja galimybė išbandyti egzotiškas gravitacijos teorijas. Tokių teorijų šiuolaikinėje fizikoje jau yra daug, žr., pavyzdžiui, joms 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 sferoje. 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 veiks visas tinklas gravitacinių bangų detektorių ir reguliariai fiksuos signalus (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 didelės energijos neutrinus. 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.
Vakar pasaulį sukrėtė sensacija: mokslininkai pagaliau atrado gravitacines bangas, kurių egzistavimą Einšteinas numatė prieš šimtą metų. Tai yra proveržis. Erdvės laiko iškraipymas (tai gravitacinės bangos – dabar paaiškinsime, kas yra kas) buvo aptiktas LIGO observatorijoje, o vienas jos įkūrėjų yra – kaip manai? – Kipas Tornas, knygos autorius.
Mes jums pasakysime, kodėl gravitacinių bangų atradimas yra toks svarbus, ką pasakė Markas Zuckerbergas ir, žinoma, pasidaliname istorija iš pirmojo asmens. Kipas Thorne'as, kaip niekas kitas, žino, kaip projektas veikia, kuo jis neįprastas ir kokią reikšmę LIGO turi žmonijai. Taip, taip, viskas taip rimta.
Gravitacinių bangų atradimas
Mokslo pasaulis amžinai prisimins datą – 2016 m. vasario 11 d. Šią dieną LIGO projekto dalyviai paskelbė: po tiek bergždžių bandymų buvo rastos gravitacinės bangos. Tai yra realybė. Tiesą sakant, jie buvo aptikti šiek tiek anksčiau: 2015-ųjų rugsėjį, tačiau vakar atradimas buvo oficialiai pripažintas. „The Guardian“ mano, kad mokslininkai tikrai gaus Nobelio fizikos premiją.
Gravitacinių bangų priežastis – dviejų juodųjų skylių susidūrimas, įvykęs jau... už milijardo šviesmečių nuo Žemės. Ar galite įsivaizduoti, kokia didžiulė yra mūsų Visata! Kadangi juodosios skylės yra labai masyvūs kūnai, jos siunčia bangas per erdvėlaikį, jį šiek tiek iškraipydami. Taip atsiranda bangos, panašios į tas, kurios sklinda nuo įmesto į vandenį akmens.
Taip galite įsivaizduoti gravitacines bangas, ateinančias į Žemę, pavyzdžiui, iš kirmgraužos. Piešinys iš knygos „Tarpžvaigždinis. Mokslo užkulisiuose“
Susidariusios vibracijos buvo paverstos garsu. Įdomu tai, kad gravitacinių bangų signalas ateina maždaug tokiu pat dažniu kaip ir mūsų kalba. Taigi savo ausimis galime išgirsti, kaip susiduria juodosios skylės. Klausykite, kaip skamba gravitacinės bangos.
Ir spėk ką? Visai neseniai juodųjų skylių struktūra nėra tokia, kaip manyta anksčiau. Tačiau nebuvo jokių įrodymų, kad jie iš esmės egzistuoja. Ir dabar yra. Juodosios skylės tikrai „gyvena“ Visatoje.
Taip, mokslininkų nuomone, atrodo katastrofa – juodųjų skylių susijungimas.
Vasario 11 dieną įvyko grandiozinė konferencija, į kurią susirinko daugiau nei tūkstantis mokslininkų iš 15 šalių. Dalyvavo ir rusų mokslininkai. Ir, žinoma, buvo Kipas Tornas. „Šis atradimas yra nuostabių, nuostabių žmonių ieškojimų pradžia: lenktosios Visatos pusės – objektų ir reiškinių, sukurtų iš iškreipto erdvėlaikio – paieška ir tyrinėjimas. Susidūrimai su juodosiomis skylėmis ir gravitacinės bangos yra pirmieji mūsų nuostabūs pavyzdžiai“, – sakė Kipas Thorne'as.
Gravitacinių bangų paieška buvo viena iš pagrindinių fizikos problemų. Dabar jie rasti. Ir Einšteino genialumas vėl pasitvirtina.
Spalio mėnesį kalbinome rusų astrofiziką ir garsų mokslo populiarintoją Sergejų Popovą. Jis atrodė taip, lyg žiūrėtų į vandenį! Rudenį: „Man atrodo, kad dabar esame ant naujų atradimų slenksčio, kuris pirmiausia yra susijęs su LIGO ir VIRGO gravitacinių bangų detektorių darbu (Kip Thorne labai prisidėjo kuriant LIGO projektą) . Nuostabu, tiesa?
Gravitacinės bangos, bangų detektoriai ir LIGO
Na, o dabar šiek tiek fizikos. Tiems, kurie tikrai nori suprasti, kas yra gravitacinės bangos. Čia yra meniškai pavaizduotos dviejų juodųjų skylių, besisukančių viena apie kitą prieš laikrodžio rodyklę ir tada susidūrusių, tendencijų linijos. Tendex linijos sukuria potvynio gravitaciją. Eikime toliau. Linijos, kylančios iš dviejų labiausiai vienas nuo kito nutolusių taškų poros juodųjų skylių paviršiuose, ištempia viską savo kelyje, įskaitant piešinio menininko draugą. Iš susidūrimo zonos sklindančios linijos viską suspaudžia.
Kai skylės sukasi viena aplink kitą, jos tęsiasi išilgai savo sausgyslių linijų, kurios primena vandens srautus iš besisukančio purkštuvo vejoje. Nuotraukoje iš knygos „Tarpžvaigždinis. Mokslo užkulisiuose“ – pora juodųjų skylių, kurios susiduria, besisukančios viena aplink kitą prieš laikrodžio rodyklę, ir jų sausgyslių linijos.
Juodosios skylės susilieja į vieną didelę skylę; ji deformuojasi ir sukasi prieš laikrodžio rodyklę, tempdama su savimi sausgysles. Nejudantis stebėtojas, esantis toli nuo skylės, pajus vibracijas, kai per jį praeina sausgyslių linijos: tempimas, tada suspaudimas, tada tempimas – sausgyslių linijos tapo gravitacine banga. Bangoms plintant, juodosios skylės deformacija palaipsniui mažėja, o bangos taip pat silpnėja.
Kai šios bangos pasiekia Žemę, jos atrodo taip, kaip parodyta paveikslėlio viršuje. Jie tempiasi viena kryptimi, o suspaudžiami kita. Pratęsimai ir susitraukimai svyruoja (nuo raudonos dešinės-kairėn, iki mėlynos dešinės-kairės, iki raudonos dešinės-kairėn ir t.t.), kai bangos praeina pro detektorių paveikslo apačioje.
Gravitacinės bangos, einančios per LIGO detektorių.
Detektorius susideda iš keturių didelių veidrodžių (40 kilogramų, 34 centimetrų skersmens), kurie pritvirtinti prie dviejų statmenų vamzdžių, vadinamų detektoriaus svirtimis, galų. Gravitacinių bangų tendencijos ištempia vieną ranką, o antrąją suspaudžia, o tada, priešingai, suspaudžia pirmąją ir ištempia antrąją. Ir taip vėl ir vėl. Periodiškai keičiantis rankų ilgiui, veidrodžiai juda vienas kito atžvilgiu, o šie judesiai sekami naudojant lazerio spindulius interferometrijos būdu. Iš čia ir kilo pavadinimas LIGO: lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorija.
LIGO valdymo centras, iš kurio jie siunčia komandas į detektorių ir stebi gaunamus signalus. LIGO gravitacijos detektoriai yra Hanforde, Vašingtone ir Livingstone, Luizianoje. Nuotrauka iš knygos „Tarpžvaigždinis. Mokslo užkulisiuose“
Dabar LIGO yra tarptautinis projektas, kuriame dalyvauja 900 mokslininkų iš įvairių šalių, kurio būstinė yra Kalifornijos technologijos institute.
Kreivoji Visatos pusė
Juodosios skylės, kirmgraužos, singuliarumai, gravitacinės anomalijos ir aukštesnės eilės matmenys yra susiję su erdvės ir laiko kreivėmis. Štai kodėl Kipas Thorne'as juos vadina „išsukta visatos puse“. Žmonija vis dar turi labai mažai eksperimentinių ir stebėjimų duomenų iš kreivosios Visatos pusės. Štai kodėl mes skiriame tiek daug dėmesio gravitacinėms bangoms: jos sudarytos iš lenktos erdvės ir suteikia mums prieinamiausią būdą tyrinėti lenktą pusę.
Įsivaizduokite, jei vandenyną pamatytumėte tik tada, kai jis būtų ramus. Nežinote apie sroves, sūkurius ir audros bangas. Tai primena mūsų dabartines žinias apie erdvės ir laiko kreivumą.
Mes beveik nieko nežinome apie tai, kaip vingiuota erdvė ir lenktas laikas elgiasi „audroje“ – kai stipriai svyruoja erdvės forma ir kada svyruoja laiko greitis. Tai neįtikėtinai viliojanti žinių riba. Mokslininkas Johnas Wheeleris šiems pokyčiams sugalvojo terminą „geometrodinamika“.
Geometrodinamikos srityje ypač domina dviejų juodųjų skylių susidūrimas.
Dviejų nesisukančių juodųjų skylių susidūrimas. Modelis iš knygos „Tarpžvaigždinis. Mokslo užkulisiuose“
Viršuje esančiame paveikslėlyje parodytas momentas, kai susiduria dvi juodosios skylės. Kaip tik toks įvykis leido mokslininkams užfiksuoti gravitacines bangas. Šis modelis sukurtas nesisukančioms juodosioms skylėms. Viršuje: orbitos ir skylių šešėliai, kaip matyti iš mūsų Visatos. Vidurys: išlenkta erdvė ir laikas, žiūrint iš didžiosios dalies (daugiamatė hipererdvė); Rodyklės rodo, kaip erdvė dalyvauja judėjime, o besikeičiančios spalvos – kaip lenkiamas laikas. Apačia: skleidžiamų gravitacinių bangų forma.
Gravitacinės bangos iš Didžiojo sprogimo
Pas Kipą Torną. „1975 m. Leonidas Grischukas, mano geras draugas iš Rusijos, padarė sensacingą pareiškimą. Jis sakė, kad Didžiojo sprogimo momentu kilo daug gravitacinių bangų, o jų atsiradimo mechanizmas (anksčiau nežinomas) buvo toks: kvantiniai svyravimai. (atsitiktiniai svyravimai – red. pastaba) gravitaciniai laukai Didžiojo sprogimo metu buvo labai sustiprinti dėl pradinio Visatos plėtimosi ir taip tapo originaliomis gravitacinėmis bangomis. Šios bangos, jei jos būtų aptiktos, galėtų mums pasakyti, kas atsitiko mūsų Visatos gimimo metu.
Jei mokslininkai suras pirmaprades gravitacines bangas, sužinosime, kaip atsirado Visata.
Žmonės išsprendė visas Visatos paslaptis. Bus dar daugiau.
Vėlesniais metais, tobulėjant mūsų supratimui apie Didįjį sprogimą, tapo akivaizdu, kad šios pirminės bangos turi būti stiprios bangų ilgiais, atitinkančiais matomos Visatos dydį, ty milijardų šviesmečių ilgio. Įsivaizduojate, kiek tai kainuoja?.. O bangos ilgiuose, kuriuos apima LIGO detektoriai (šimtai ir tūkstančiai kilometrų), bangos greičiausiai bus per silpnos, kad jas būtų galima atpažinti.
Jamie'o Bocko komanda sukonstravo BICEP2 aparatą, su kuriuo buvo aptiktas pirminių gravitacinių bangų pėdsakas. Prietaisas, esantis Šiaurės ašigalyje, čia rodomas prieblandos metu, kuri ten pasitaiko tik du kartus per metus.
BICEP2 įrenginys. Vaizdas iš knygos „Tarpžvaigždinis“. Mokslo užkulisiuose“
Jį supa skydai, apsaugantys įrenginį nuo aplinkinio ledo dangos spinduliuotės. Viršutiniame dešiniajame kampe yra kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės pėdsakas – poliarizacijos raštas. Elektrinio lauko linijos nukreiptos išilgai trumpų šviesos smūgių.
Visatos pradžios pėdsakas
Dešimtojo dešimtmečio pradžioje kosmologai suprato, kad šios gravitacinės bangos, kurių ilgis yra milijardai šviesmečių, turėjo palikti unikalų pėdsaką elektromagnetinėse bangose, kurios užpildo Visatą – vadinamąjį kosminį mikrobangų foną arba kosminę mikrobangų foninę spinduliuotę. Taip prasidėjo Šventojo Gralio paieška. Juk jei aptiksime šį pėdsaką ir iš jo išvesime pirminių gravitacinių bangų savybes, galime sužinoti, kaip gimė Visata.
2014 m. kovo mėn., kai Kipas Thorne'as rašė šią knygą, Jamie Boko, Caltech kosmologo, kurio biuras yra šalia Thorne'o biuro, komanda pagaliau atrado šį pėdsaką kosminėje mikrobangų foninėje spinduliuotėje.
Tai absoliučiai nuostabus atradimas, tačiau yra vienas prieštaringas dalykas: Jamie komandos aptiktas pėdsakas galėjo atsirasti dėl ne gravitacinių bangų.
Jei gravitacinių bangų, kilusių per Didįjį sprogimą, pėdsakas iš tiesų randamas, tai reiškia, kad kosmologinis atradimas įvyko tokiu lygiu, kuris įvyksta gal kartą per pusę amžiaus. Tai suteikia jums galimybę paliesti įvykius, kurie įvyko trilijonąją trilijonąją sekundės dalį po Visatos gimimo.
Šis atradimas patvirtina teorijas, kad Visatos plėtimasis tuo metu buvo itin greitas, kosmologų žargonu kalbant – infliacinis. Ir skelbia naujos eros atėjimą kosmologijoje.
Gravitacinės bangos ir tarpžvaigždinės
Vakar vykusioje konferencijoje apie gravitacinių bangų atradimą Maskvos LIGO mokslininkų bendradarbiavimo, kurį sudaro 8 mokslininkai iš Maskvos valstybinio universiteto, vadovas Valerijus Mitrofanovas pažymėjo, kad filmo „Tarpžvaigždinis“ siužetas, nors ir fantastiškas, nėra toks. toli nuo realybės. Ir viskas todėl, kad Kipas Thorne'as buvo mokslinis konsultantas. Pats Thorne'as išreiškė viltį, kad tiki būsimais pilotuojamais skrydžiais į juodąją skylę. Galbūt jie neįvyks taip greitai, kaip norėtume, bet šiandien tai daug tikresnė, nei buvo anksčiau.
Ne per toli diena, kai žmonės paliks mūsų galaktikos ribas.
Šis įvykis sujaudino milijonų žmonių protus. Liūdnai pagarsėjęs Markas Zuckerbergas rašė: „Gravitacinių bangų atradimas yra didžiausias šiuolaikinio mokslo atradimas. Albertas Einšteinas yra vienas iš mano herojų, todėl atradimą priėmiau taip asmeniškai. Prieš šimtmetį Bendrosios reliatyvumo teorijos (GTR) rėmuose jis numatė gravitacinių bangų egzistavimą. Tačiau jie yra tokie maži, kad juos galima aptikti, todėl jų reikia ieškoti įvykių, tokių kaip Didysis sprogimas, žvaigždžių sprogimai ir juodųjų skylių susidūrimai, ištakose. Kai mokslininkai analizuos gautus duomenis, prieš mus atsivers visiškai naujas kosmoso vaizdas. Ir galbūt tai atskleis Visatos kilmę, juodųjų skylių gimimą ir vystymąsi. Labai įkvepia mintis apie tai, kiek gyvybių ir pastangų įdėta siekiant atskleisti šią Visatos paslaptį. Šis proveržis buvo įmanomas dėl puikių mokslininkų ir inžinierių, įvairių tautybių žmonių talento, taip pat naujausių kompiuterinių technologijų, kurios pasirodė visai neseniai. Sveikiname visus dalyvaujančius. Einšteinas tavimi didžiuotųsi“.
Tai yra kalba. O tai žmogus, kuris tiesiog domisi mokslu. Galima įsivaizduoti, kokia emocijų audra užvaldė prie atradimo prisidėjusius mokslininkus. Atrodo, mes, draugai, tapome naujos eros liudininkais. Tai nuostabu.
P.S. Ar patiko? Prenumeruokite mūsų naujienlaiškį horizonte. Kartą per savaitę siunčiame edukacinius laiškus ir suteikiame nuolaidas MITŲ knygoms.
Valentinas Nikolajevičius Rudenko dalijasi istorija apie savo vizitą į Kascinos miestą (Italija), kur savaitę praleido prie tuomet naujai 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 gravitacinės traukos galimas gravitacinis kolapsas, tai yra, objekto susitraukimas dėl griūties, 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. Įrodyti, kad sutapimas neatsitiko atsitiktinai, galima tik pasitelkus statistinius įverčius.
– 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 gravitacinę spinduliuotę sunku aptikti, 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
Gravitacinės bangos – menininko perteikimas
Gravitacinės bangos yra erdvės ir laiko metrikos sutrikimai, kurie atitrūksta nuo šaltinio ir sklinda kaip bangos (vadinamieji „erdvės-laiko bangavimas“).
Bendrojoje reliatyvumo teorijoje ir daugelyje kitų šiuolaikinių gravitacijos teorijų gravitacines bangas sukuria masyvių kūnų judėjimas su kintamu pagreičiu. Gravitacinės bangos laisvai sklinda erdvėje šviesos greičiu. Dėl santykinio gravitacinių jėgų silpnumo (lyginant su kitomis) šios bangos yra labai mažo dydžio, kurį sunku užregistruoti.
Poliarizuota gravitacinė banga
Gravitacines bangas numato bendroji reliatyvumo teorija (GR) ir daugelis kitų. Pirmą kartą jie buvo tiesiogiai aptikti 2015 m. rugsėjį dviem dvigubais detektoriais, kurie aptiko gravitacines bangas, kurios, tikėtina, susilieja dviem, kad susidarytų viena masyvesnė besisukanti juodoji skylė. Netiesioginiai jų egzistavimo įrodymai žinomi nuo aštuntojo dešimtmečio – Bendrasis reliatyvumas numato artimų sistemų konvergencijos greitį dėl energijos praradimo dėl gravitacinių bangų emisijos, o tai sutampa su stebėjimais. Tiesioginis gravitacinių bangų registravimas ir jų panaudojimas astrofizinių procesų parametrams nustatyti yra svarbus šiuolaikinės fizikos ir astronomijos uždavinys.
Bendrosios reliatyvumo teorijos ribose gravitacinės bangos apibūdinamos banginio tipo Einšteino lygčių sprendimais, kurie parodo erdvės ir laiko metrikos, judančios šviesos greičiu (tiesine aproksimacija), perturbaciją. Šio trikdymo pasireiškimas visų pirma turėtų būti periodiškas atstumo tarp dviejų laisvai krintančių (ty neveikiančių jokių jėgų) bandymo masių pasikeitimas. Amplitudė h gravitacinė banga yra bematis dydis – santykinis atstumo pokytis. Numatomos didžiausios astrofizinių objektų (pavyzdžiui, kompaktiškų dvejetainių sistemų) ir reiškinių (sprogimų, susijungimų, juodųjų skylių užfiksavimo ir kt.) gravitacinių bangų amplitudės išmatuojant yra labai mažos ( h=10 -18 -10 -23). Silpna (tiesinė) gravitacinė banga, pagal bendrąją reliatyvumo teoriją, perduoda energiją ir impulsą, juda šviesos greičiu, yra skersinė, keturpolio ir apibūdinama dviem nepriklausomais komponentais, išdėstytais 45° kampu vienas kito atžvilgiu ( turi dvi poliarizacijos kryptis).
Įvairios teorijos skirtingai prognozuoja gravitacinių bangų sklidimo greitį. Bendrojoje reliatyvumo teorijoje jis lygus šviesos greičiui (tiesine aproksimacija). Kitose gravitacijos teorijose jis gali turėti bet kokią vertę, įskaitant begalybę. Remiantis pirmąja gravitacinių bangų registracija, paaiškėjo, kad jų sklaida yra suderinama su bemasiu gravitonu, o greitis buvo lygus šviesos greičiui.
Gravitacinių bangų generavimas
Dviejų neutroninių žvaigždžių sistema sukuria erdvėlaikio bangavimą
Gravitacinę bangą skleidžia bet kuri medžiaga, judanti asimetriniu pagreičiu. Kad atsirastų didelės amplitudės banga, reikalinga itin didelė emiterio masė ir (arba) didžiuliai pagreičiai, tiesiogiai proporcingi gravitacinės bangos amplitudei pirmoji pagreičio išvestinė ir generatoriaus masė, tai yra ~ . Tačiau jei objektas juda pagreitintu greičiu, tai reiškia, kad tam tikra jėga jį veikia iš kito objekto. Savo ruožtu šis kitas objektas patiria priešingą poveikį (pagal 3-ąjį Niutono dėsnį), ir paaiškėja, kad m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Pasirodo, du objektai gravitacines bangas skleidžia tik poromis, o dėl trukdžių jos beveik visiškai panaikinamos. Todėl gravitacinė spinduliuotė bendrojoje reliatyvumo teorijoje visada turi bent keturpolio spinduliuotės daugiapolio pobūdį. Be to, nereliatyvistiniams spinduliuotiesiems spinduliuotės intensyvumo išraiškoje yra mažas parametras, kur yra emiterio gravitacinis spindulys, r- būdingas dydis, T- būdingas judėjimo laikotarpis, c- šviesos greitis vakuume.
Stipriausi gravitacinių bangų šaltiniai yra:
- susidūrimas (milžiniškos masės, labai maži pagreičiai),
- kompaktiškų objektų dvejetainės sistemos gravitacinis griūtis (kolosalūs pagreičiai su gana didele mase). Kaip ypatingas ir įdomiausias atvejis – neutroninių žvaigždžių susijungimas. Tokioje sistemoje gravitacinių bangų šviesumas yra artimas didžiausiam gamtoje įmanomam Planko šviesumui.
Gravitacinės bangos, kurias skleidžia dviejų kūnų sistema
Du kūnai, judantys apskritimo orbitomis aplink bendrą masės centrą
Du gravitaciniu būdu sujungti kūnai su masėmis m 1 ir m 2, juda nereliatyvistiškai ( v << c) apskritimo orbitomis aplink jų bendrą masės centrą per atstumą r viena nuo kitos skleidžia tokios energijos gravitacines bangas vidutiniškai per laikotarpį:
Dėl to sistema praranda energiją, o tai veda prie kūnų konvergencijos, tai yra, mažėja atstumas tarp jų. Kūnų priartėjimo greitis:
Pavyzdžiui, Saulės sistemai didžiausią gravitacinę spinduliuotę sukuria posistemis ir. Šios spinduliuotės galia yra maždaug 5 kilovatai. Taigi Saulės sistemos gravitacinei spinduliuotei per metus prarandama energija yra visiškai nereikšminga, palyginti su būdinga kūnų kinetine energija.
Dvejetainės sistemos gravitacinis kolapsas
Bet kuri dviguba žvaigždė, kai jos komponentai sukasi aplink bendrą masės centrą, netenka energijos (kaip manoma – dėl gravitacinių bangų emisijos) ir galiausiai susilieja. Tačiau paprastoms, nekompaktiškoms, dviguboms žvaigždėms šis procesas užtrunka labai ilgai, daug ilgiau nei dabartinis amžius. Jei kompaktišką dvejetainę sistemą sudaro neutroninių žvaigždžių pora, juodosios skylės arba jų derinys, susijungimas gali įvykti per kelis milijonus metų. Pirma, objektai priartėja vienas prie kito, o jų apsisukimo laikotarpis sumažėja. Tada paskutiniame etape įvyksta susidūrimas ir asimetrinis gravitacinis kolapsas. Šis procesas trunka sekundės dalį ir per tą laiką energija prarandama gravitacinei spinduliuotei, kuri, kai kuriais vertinimais, sudaro daugiau nei 50% sistemos masės.
Pagrindiniai tikslūs gravitacinių bangų Einšteino lygčių sprendiniai
Bondi-Pirani-Robinson kūno bangos
Šios bangos apibūdinamos formos metrika. Jei įvesime kintamąjį ir funkciją, tai iš bendrųjų reliatyvumo lygčių gauname lygtį
Takeno metrika
turi formą , -funkcijos tenkina tą pačią lygtį.
Roseno metrika
Kur patenkinti
Perezo metrika
Tuo pačiu metu
Cilindrinės Einšteino-Roseno bangos
Cilindrinėse koordinatėse tokios bangos turi formą ir yra vykdomos
Gravitacinių bangų registracija
Gravitacinių bangų registravimas yra gana sunkus dėl pastarųjų silpnumo (mažas metrikos iškraipymas). Jų registravimo prietaisai yra gravitacinių bangų detektoriai. Nuo septintojo dešimtmečio pabaigos buvo bandoma aptikti gravitacines bangas. Aptinkamos amplitudės gravitacinės bangos gimsta dvejetainio žlugimo metu. Panašūs įvykiai apylinkėse vyksta maždaug kartą per dešimtmetį.
Kita vertus, bendroji reliatyvumo teorija numato dvinarių žvaigždžių abipusio sukimosi pagreitį dėl energijos praradimo dėl gravitacinių bangų emisijos, ir šis efektas patikimai fiksuojamas keliose žinomose dvinarių kompaktiškų objektų sistemose ( ypač pulsarai su kompaktiškais kompanionais). 1993 m. „už naujo tipo pulsaro, suteikusio naujų galimybių tiriant gravitaciją, atradimą“ pirmojo dvigubo pulsaro PSR B1913+16 atradėjams Russellui Hulse'ui ir Josephui Taylorui jaunesniajam. buvo apdovanotas Nobelio fizikos premija. Šioje sistemoje stebimas sukimosi pagreitis visiškai sutampa su bendrosios reliatyvumo teorijos prognozėmis dėl gravitacinių bangų emisijos. Tas pats reiškinys užfiksuotas dar keliais atvejais: pulsarams PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (dažniausiai sutrumpintas J0651) ir dvejetainio RX J0806 sistemoje. Pavyzdžiui, atstumas tarp dviejų pulsarų PSR J0737-3039 pirmosios dvinarės žvaigždės dviejų komponentų A ir B sumažėja maždaug 2,5 colio (6,35 cm) per dieną dėl energijos praradimo gravitacinėms bangoms, ir tai įvyksta suderinus su bendrasis reliatyvumas. Visi šie duomenys interpretuojami kaip netiesioginis gravitacinių bangų egzistavimo patvirtinimas.
Remiantis skaičiavimais, stipriausi ir dažniausiai gravitacinių teleskopų ir antenų gravitacinių bangų šaltiniai yra katastrofos, susijusios su dvejetainių sistemų žlugimu netoliese esančiose galaktikose. Tikimasi, kad artimiausiu metu patobulintuose gravitaciniuose detektoriuose bus užfiksuoti keli panašūs įvykiai per metus, iškraipantys metriką apylinkėse 10 -21 -10 -23 . Pirmieji optinio-metrinio parametrinio rezonanso signalo, leidžiančio aptikti periodinių šaltinių, tokių kaip artimas dvejetainis, poveikį kosminių mazerių spinduliuotei, gali būti gauti Rusijos radijo astronomijos observatorijoje. Mokslų akademija, Puščinas.
Kita galimybė aptikti Visatą užpildančių gravitacinių bangų foną yra didelio tikslumo tolimų pulsarų laiko nustatymas – jų impulsų atvykimo laiko analizė, kuri būdinga kinta veikiant gravitacinėms bangoms, praeinančioms per erdvę tarp Žemės ir pulsaro. 2013 m. apskaičiavimai rodo, kad norint aptikti fonines bangas iš kelių šaltinių mūsų Visatoje, laiko nustatymo tikslumą reikia patobulinti maždaug viena eile, o tai gali būti atlikta iki dešimtmečio pabaigos.
Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, mūsų Visata užpildyta reliktinėmis gravitacinėmis bangomis, kurios pasirodė pirmosiomis akimirkomis po to. Jų registracija leis gauti informacijos apie procesus Visatos gimimo pradžioje. 2014 m. kovo 17 d. 20:00 Maskvos laiku Harvardo-Smithsonian astrofizikos centre amerikiečių tyrėjų grupė, dirbanti BICEP 2 projekte, paskelbė apie nulinio tenzoriaus trikdžių aptikimą ankstyvojoje Visatoje dėl kosminės poliarizacijos. mikrobangų foninė spinduliuotė, kuri taip pat yra šių reliktinių gravitacinių bangų atradimas. Tačiau beveik iš karto šis rezultatas buvo užginčytas, nes, kaip paaiškėjo, į indėlį nebuvo tinkamai atsižvelgta. Vienas iš autorių J. M. Kovatsas ( Kovac J.M.), pripažino, kad „dalyviai ir mokslo žurnalistai šiek tiek skubėjo interpretuoti ir pranešti apie BICEP2 eksperimento duomenis“.
Eksperimentinis egzistavimo patvirtinimas
Pirmasis užfiksuotas gravitacinės bangos signalas. Kairėje yra Hanfordo (H1) detektoriaus duomenys, dešinėje - Livingstone (L1). Laikas skaičiuojamas nuo 2015 m. rugsėjo 14 d., 09:50:45 UTC. Norint vizualizuoti signalą, jis filtruojamas 35–350 hercų dažnio filtru, kad būtų slopinami dideli svyravimai už detektorių didelio jautrumo diapazono ribų. Viršutinė eilutė: įtampa h detektoriuose. GW150914 pirmą kartą atvyko į L1 ir 6 9 +0 5 -0 4 ms vėliau į H1; Vizualiniam palyginimui H1 duomenys rodomi L1 diagramoje atvirkštine ir laiko poslinkio forma (siekiant atsižvelgti į santykinę detektorių orientaciją). Antroji eilutė: įtampos h iš gravitacinių bangų signalo, praleidžiamos per tą patį 35-350 Hz dažnių juostos filtrą. Ištisinė linija yra skaitmeninio reliatyvumo rezultatas sistemoje, kurios parametrai yra suderinami su parametrais, nustatytais remiantis GW150914 signalo tyrimu, gauta iš dviejų nepriklausomų kodų, kurių rezultatas yra 99,9. Pilkos storos linijos yra 90 % pasikliovimo bangos formos sritys, rekonstruotos iš detektoriaus duomenų dviem skirtingais metodais. Tamsiai pilka linija modeliuoja laukiamus signalus iš juodųjų skylių susijungimo, šviesiai pilka linija nenaudoja astrofizinių modelių, o vaizduoja signalą kaip tiesinį sinusoidinių-Gauso bangelių derinį. Rekonstrukcijos sutampa 94 proc. Trečioji eilutė: Likutinės klaidos iš filtruoto detektorių signalo ištraukus išfiltruotą skaitinio reliatyvumo signalo prognozę. Apatinė eilutė: įtampų dažnių žemėlapis, rodantis dominuojančio signalo dažnio padidėjimą laikui bėgant.
2016 m. vasario 11 d. LIGO ir VIRGO bendradarbiavimas. 2015 m. rugsėjo 14 d., 9:51 UTC, dviem LIGO detektoriais Hanforde ir Livingstone, 7 milisekundžių atstumu vienas nuo kito, didžiausios signalo amplitudės srityje užfiksuotas dviejų juodųjų skylių susijungimo signalas, kurio amplitudė yra maždaug 10–21 ( 0,2 sekundės) kartu signalo ir triukšmo santykis buvo 24:1. Signalas buvo pažymėtas GW150914. Signalo forma atitinka bendrosios reliatyvumo teorijos prognozę dėl dviejų juodųjų skylių, kurių masė yra 36 ir 29 saulės masės, susijungimo; susidariusi juodoji skylė turėtų turėti 62 saulės masę ir sukimosi parametrą a= 0,67. Atstumas iki šaltinio yra apie 1,3 milijardo, susijungimo metu dešimtosiomis sekundės išskiriama energija prilygsta maždaug 3 saulės masėms.
Istorija
Pačios termino „gravitacinė banga“ istorija, teorinė ir eksperimentinė šių bangų paieška, taip pat jų panaudojimas tiriant reiškinius, neprieinamus kitais metodais.
- 1900 m. – Lorencas pasiūlė, kad gravitacija „...gali plisti greičiu, ne didesniu nei šviesos greitis“;
- 1905 – Puankarė pirmą kartą įvedė terminą gravitacinė banga (onde gravifique). Poincaré kokybiniu lygmeniu pašalino nusistovėjusius Laplaso prieštaravimus ir parodė, kad su gravitacinėmis bangomis susijusios visuotinai priimtų Niutono gravitacijos dėsnių eilės tvarka panaikina, taigi gravitacinių bangų egzistavimo prielaida neprieštarauja stebėjimams;
- 1916 – Einšteinas parodė, kad pagal bendrąją reliatyvumo teoriją mechaninė sistema perduos energiją gravitacinėms bangoms ir, grubiai tariant, bet koks sukimasis nejudančių žvaigždžių atžvilgiu anksčiau ar vėliau turi sustoti, nors, žinoma, normaliomis sąlygomis energijos nuostoliai. dydžio, yra nereikšmingi ir praktiškai neišmatuojami (šiame darbe jis taip pat klaidingai manė, kad mechaninė sistema, kuri nuolat palaiko sferinę simetriją, gali skleisti gravitacines bangas);
- 1918 – Einšteinas išvedė kvadrupolio formulę, kurioje gravitacinių bangų spinduliavimas pasirodo esąs eilės efektas, taip ištaisant ankstesnio darbo klaidą (koeficiente liko klaida, bangos energija 2 kartus mažesnė);
- 1923 m. Edingtonas suabejojo gravitacinių bangų fizine tikrove „...plinta...minčių greičiu“. 1934 m., rengdamas savo monografijos „Reliatyvumo teorija“ vertimą į rusų kalbą, Eddingtonas pridėjo kelis skyrius, įskaitant skyrius su dviem energijos nuostolių sukamojo strypo skaičiavimo galimybėmis, tačiau pažymėjo, kad apytiksliems bendrosios reliatyvumo teorijos skaičiavimams naudojami metodai, jo nuomone, netaikomos gravitacinėms sistemoms, todėl abejonių išlieka;
- 1937 – Einšteinas kartu su Rosenu ištyrė tikslių gravitacinio lauko lygčių cilindrinių bangų sprendimus. Šių tyrimų metu jie pradėjo abejoti, kad gravitacinės bangos gali būti apytikslių bendrųjų reliatyvumo lygčių sprendinių artefaktas (žinomas atitikimas Einšteino ir Roseno straipsnio „Ar egzistuoja gravitacinės bangos?“ apžvalga). Vėliau jis aptiko klaidą savo samprotavimuose, galutinė straipsnio versija su esminiais pakeitimais buvo paskelbta žurnale „Journal of the Franklin Institute“;
- 1957 m. – Hermanas Bondi ir Richardas Feynmanas pasiūlė „karoliukų lazdelės“ minties eksperimentą, kurio metu jie pagrindė gravitacinių bangų fizinių pasekmių egzistavimą bendrojoje reliatyvumo teorijoje;
- 1962 m. – Vladislovas Pustovoitas ir Michailas Herzenšteinas aprašė interferometrų naudojimo principus aptikti ilgųjų bangų gravitacines bangas;
- 1964 – Philipas Petersas ir Johnas Matthew teoriškai aprašė dvejetainių sistemų skleidžiamas gravitacines bangas;
- 1969 — Džozefas Weberis, gravitacinių bangų astronomijos įkūrėjas, pranešė apie gravitacinių bangų aptikimą naudojant rezonansinį detektorių – mechaninę gravitacinę anteną. Šios ataskaitos skatina spartų darbo šia kryptimi augimą, visų pirma, Rainier Weissas, vienas iš LIGO projekto įkūrėjų, tuo metu pradėjo eksperimentus. Iki šiol (2015 m.) niekam nepavyko gauti patikimo šių įvykių patvirtinimo;
- 1978 – Joseph Taylor pranešė apie gravitacinės spinduliuotės aptikimą dvejetainėje pulsarinėje sistemoje PSR B1913+16. Joseph Taylor ir Russell Hulse moksliniai tyrimai jiems pelnė 1993 m. Nobelio fizikos premiją. 2015 m. pradžioje mažiausiai 8 tokioms sistemoms buvo išmatuoti trys post-Keplerio parametrai, įskaitant periodo sumažėjimą dėl gravitacinių bangų emisijos;
- 2002 m. – Sergejus Kopeikinas ir Edvardas Fomalontas panaudojo itin ilgos bazinės linijos radijo bangų interferometriją, kad išmatuotų šviesos nukreipimą Jupiterio gravitaciniame lauke dinamikoje, o tai leidžia įvertinti tam tikros klasės hipotetinių bendrosios reliatyvumo teorijos plėtinių greitį. gravitacija - skirtumas nuo šviesos greičio neturi viršyti 20% (šis aiškinimas nėra visuotinai priimtas);
- 2006 – tarptautinė Martha Bourgay komanda (Parkes observatorija, Australija) pranešė apie žymiai tikslesnį bendrosios reliatyvumo teorijos patvirtinimą ir jos atitikimą gravitacinių bangų spinduliuotės dydžiui dviejų pulsarų sistemoje PSR J0737-3039A/B;
- 2014 – Harvardo-Smithsonian astrofizikos centro (BICEP) astronomai pranešė aptikę pirmykštes gravitacines bangas, matuodami kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės svyravimus. Šiuo metu (2016 m.) aptikti svyravimai laikomi ne reliktinės kilmės, o paaiškinami dulkių emisija Galaktikoje;
- 2016 - tarptautinė LIGO komanda pranešė apie gravitacinių bangų tranzito įvykio GW150914 aptikimą. Pirmą kartą tiesioginis sąveikaujančių masyvių kūnų stebėjimas itin stipriuose gravitaciniuose laukuose, kurių santykinis greitis yra itin didelis (< 1,2 × R s , v/c >0,5), o tai leido patikrinti bendrosios reliatyvumo teorijos teisingumą kelių post Niutono aukštų laipsnių tikslumu. Išmatuota gravitacinių bangų dispersija neprieštarauja anksčiau atliktiems hipotetinio gravitono masės sklaidos ir viršutinės ribos matavimams (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.
