Ndikimi i valëve gravitacionale tek njerëzit. Zbulohen valë gravitacionale

Astrofizikanët kanë konfirmuar ekzistencën e valëve gravitacionale, ekzistenca e të cilave ishte parashikuar nga Albert Einstein rreth 100 vjet më parë. Ato u zbuluan duke përdorur detektorë në observatorin e valëve gravitacionale LIGO, i cili ndodhet në Shtetet e Bashkuara.

Për herë të parë në histori, njerëzimi ka regjistruar valë gravitacionale - dridhje të hapësirë-kohës që erdhën në Tokë nga përplasja e dy vrimave të zeza që ndodhën larg në Univers. Shkencëtarët rusë gjithashtu kontribuan në këtë zbulim. Të enjten, studiuesit flasin për zbulimin e tyre në mbarë botën - në Uashington, Londër, Paris, Berlin dhe qytete të tjera, përfshirë Moskën.

Fotografia tregon një simulim të një përplasjeje të vrimës së zezë

Në një konferencë për shtyp në zyrën e Rambler&Co, Valery Mitrofanov, kreu i pjesës ruse të bashkëpunimit LIGO, njoftoi zbulimin e valëve gravitacionale:

“Ne ishim të nderuar që morëm pjesë në këtë projekt dhe ju prezantuam rezultatet. Tani do t'ju tregoj kuptimin e zbulimit në Rusisht. Kemi parë foto të bukura të detektorëve LIGO në SHBA. Distanca midis tyre është 3000 km. Nën ndikimin e një valë gravitacionale, një nga detektorët u zhvendos, pas së cilës i zbuluam. Në fillim pamë vetëm zhurmë në kompjuter dhe më pas masa e detektorëve Hamford filloi të lëkundet. Pas llogaritjes së të dhënave të marra, arritëm të përcaktonim se ishin vrimat e zeza që u përplasën në një distancë prej 1.3 miliardë. vite dritë larg. Sinjali ishte shumë i qartë, doli shumë qartë nga zhurma. Shumë njerëz na thanë se ishim me fat, por natyra na dha një dhuratë të tillë. Janë zbuluar valët gravitacionale, kjo është e sigurt.”

Astrofizikanët kanë konfirmuar thashethemet se ata ishin në gjendje të zbulonin valët gravitacionale duke përdorur detektorë në observatorin e valëve gravitacionale LIGO. Ky zbulim do t'i lejojë njerëzimit të bëjë përparim të rëndësishëm në të kuptuarit se si funksionon Universi.

Zbulimi ndodhi më 14 shtator 2015 njëkohësisht me dy detektorë në Uashington dhe Luiziana. Sinjali ka mbërritur në detektorë si pasojë e përplasjes së dy vrimave të zeza. Shkencëtarëve iu desh kaq shumë kohë për të verifikuar se ishin valët gravitacionale ato që ishin produkt i përplasjes.

Përplasja e vrimave ndodhi me një shpejtësi prej rreth gjysmës së shpejtësisë së dritës, që është afërsisht 150,792,458 m/s.

Graviteti Njutonian u përshkrua në hapësirën e sheshtë dhe Ajnshtajni e transferoi atë në planin e kohës dhe supozoi se e përkul atë. Ndërveprimi gravitacional është shumë i dobët. Në Tokë, eksperimentet për të krijuar valë gravitacionale janë të pamundura. Ato u zbuluan vetëm pas bashkimit të vrimave të zeza. Detektori u zhvendos, imagjinoni, me 10 deri në -19 metra. Ju nuk mund ta ndjeni atë me duart tuaja. Vetëm me ndihmën e instrumenteve shumë të sakta. Si ta bëjmë atë? Rrezja lazer me të cilën u regjistrua zhvendosja ishte unike në natyrë. Antena e gravitetit lazer e gjeneratës së dytë LIGO u bë funksionale në 2015. Ndjeshmëria bën të mundur zbulimin e shqetësimeve gravitacionale afërsisht një herë në muaj. Kjo është bota e përparuar dhe shkenca amerikane nuk ka asgjë më të saktë në botë. Shpresojmë se do të jetë në gjendje të kapërcejë kufirin standard të ndjeshmërisë kuantike,” shpjegoi zbulimi. Sergey Vyatchanin, punonjës i Departamentit të Fizikës të Universitetit Shtetëror të Moskës dhe bashkëpunimit LIGO.

Kufiri standard kuantik (SQL) në mekanikën kuantike është një kufizim i vendosur në saktësinë e një matjeje të vazhdueshme ose të përsëritur të çdo sasie të përshkruar nga një operator që nuk lëviz me veten në momente të ndryshme kohore. Parashikuar në 1967 nga V.B Braginsky, dhe termi Standard Kuantik (SQL) u propozua më vonë nga Thorne. SKP është e lidhur ngushtë me lidhjen e pasigurisë së Heisenberg.

Duke përmbledhur, Valery Mitrofanov foli për planet për kërkime të mëtejshme:

“Ky zbulim është fillimi i një astronomie të re të valëve gravitacionale. Nëpërmjet kanalit të valëve gravitacionale ne presim të mësojmë më shumë për Universin. Ne e dimë përbërjen e vetëm 5% të materies, pjesa tjetër është një mister. Detektorët e gravitetit do t'ju lejojnë të shihni qiellin në "valë gravitacionale". Në të ardhmen, ne shpresojmë të shohim fillimin e gjithçkaje, domethënë rrezatimin relikt të Big Bengut dhe të kuptojmë se çfarë ndodhi saktësisht atëherë.”

Valët gravitacionale u propozuan për herë të parë nga Albert Einstein në 1916, pothuajse saktësisht 100 vjet më parë. Ekuacioni për valët është pasojë e ekuacioneve të teorisë së relativitetit dhe nuk është nxjerrë në mënyrën më të thjeshtë.

Fizikani teorik kanadez Clifford Burgess publikoi më parë një letër duke thënë se observatori zbuloi rrezatim gravitacional të shkaktuar nga bashkimi i një sistemi binar vrimash të zeza me masa 36 dhe 29 masa diellore në një objekt me një masë prej 62 masash diellore. Përplasja dhe kolapsi gravitacional asimetrik zgjasin një pjesë të sekondës, dhe gjatë kësaj kohe energjia që arrin deri në 50 përqind të masës së sistemit humbet në rrezatim gravitacional - valëzime në hapësirë-kohë.

Një valë gravitacionale është një valë graviteti e krijuar në shumicën e teorive të gravitetit nga lëvizja e trupave gravitacionalë me nxitim të ndryshueshëm. Për shkak të dobësisë relative të forcave gravitacionale (krahasuar me të tjerat), këto valë duhet të kenë një madhësi shumë të vogël, të vështira për t'u regjistruar. Ekzistenca e tyre ishte parashikuar rreth një shekull më parë nga Albert Einstein.

Lëvizni dorën tuaj dhe valët gravitacionale do të kalojnë në të gjithë Universin.
S. Popov, M. Prokhorov. Valët fantazmë të universit

Në astrofizikë ka ndodhur një ngjarje që është pritur prej dekadash. Pas gjysmë shekulli kërkimi, më në fund janë zbuluar valët gravitacionale, dridhjet e vetë hapësirë-kohës, të parashikuara nga Ajnshtajni njëqind vjet më parë. Më 14 shtator 2015, observatori i përmirësuar LIGO zbuloi një shpërthim valësh gravitacionale të krijuar nga bashkimi i dy vrimave të zeza me masa 29 dhe 36 masa diellore në një galaktikë të largët afërsisht 1.3 miliardë vite dritë larg. Astronomia me valë gravitacionale është bërë një degë e plotë e fizikës; ka hapur një rrugë të re për ne për të vëzhguar Universin dhe do të na lejojë të studiojmë efektet e paarritshme më parë të gravitetit të fortë.

Valët gravitacionale

Ju mund të dilni me teori të ndryshme të gravitetit. Të gjithë ata do ta përshkruajnë botën tonë njëlloj mirë, për sa kohë që ne kufizohemi në një manifestim të vetëm të saj - ligjin e gravitetit universal të Njutonit. Por ka efekte të tjera gravitacionale më delikate që janë testuar eksperimentalisht në shkallën e sistemit diellor, dhe ato tregojnë një teori të veçantë: relativitetin e përgjithshëm (GR).

Relativiteti i përgjithshëm nuk është vetëm një grup formulash, ai është një pamje themelore e thelbit të gravitetit. Nëse në fizikën e zakonshme hapësira shërben vetëm si sfond, një enë për dukuritë fizike, atëherë në GTR ajo vetë bëhet një fenomen, një sasi dinamike që ndryshon në përputhje me ligjet e GTR. Janë këto shtrembërime të hapësirë-kohës në lidhje me një sfond të lëmuar - ose, në gjuhën e gjeometrisë, shtrembërime të metrikës hapësirë-kohë - që ndihen si gravitet. Me pak fjalë, relativiteti i përgjithshëm zbulon origjinën gjeometrike të gravitetit.

Relativiteti i Përgjithshëm ka një parashikim vendimtar: valët gravitacionale. Këto janë shtrembërime të hapësirë-kohës që janë të afta të "shkëputen nga burimi" dhe, të vetëqëndrueshme, të fluturojnë larg. Ky është graviteti në vetvete, i askujt, i tij. Albert Ajnshtajni më në fund formuloi relativitetin e përgjithshëm në vitin 1915 dhe pothuajse menjëherë kuptoi se ekuacionet që ai nxori lejonin ekzistencën e valëve të tilla.

Ashtu si me çdo teori të ndershme, një parashikim kaq i qartë i relativitetit të përgjithshëm duhet të verifikohet eksperimentalisht. Çdo trup në lëvizje mund të lëshojë valë gravitacionale: planetë, një gur i hedhur lart ose një valë e dorës. Problemi, megjithatë, është se ndërveprimi gravitacional është aq i dobët sa që asnjë strukturë eksperimentale nuk mund të zbulojë emetimin e valëve gravitacionale nga "emetuesit" e zakonshëm.

Për të "ndjekur" një valë të fuqishme, duhet të shtrembëroni shumë hapësirë-kohën. Opsioni ideal është dy vrima të zeza që rrotullohen rreth njëra-tjetrës në një vallëzim të ngushtë, në një distancë të rendit të rrezes së tyre gravitacionale (Fig. 2). Shtrembërimet e metrikës do të jenë aq të forta sa një pjesë e dukshme e energjisë së këtij çifti do të emetohet në valë gravitacionale. Duke humbur energjinë, çifti do të lëvizë më afër njëri-tjetrit, duke u rrotulluar më shpejt dhe më shpejt, duke shtrembëruar metrikën gjithnjë e më shumë dhe duke gjeneruar valë gravitacionale edhe më të forta - derisa, më në fund, të ndodhë një ristrukturim rrënjësor i të gjithë fushës gravitacionale të këtij çifti dhe dy vrima të zeza bashkohen në një.

Një bashkim i tillë i vrimave të zeza është një shpërthim i fuqisë së jashtëzakonshme, por vetëm e gjithë kjo energji e emetuar nuk shkon në dritë, jo në grimca, por në dridhje të hapësirës. Energjia e emetuar do të përbëjë një pjesë të dukshme të masës fillestare të vrimave të zeza dhe ky rrezatim do të shpërthejë në një pjesë të sekondës. Lëkundje të ngjashme do të krijohen nga bashkimet e yjeve neutron. Një çlirim pak më i dobët i valës gravitacionale të energjisë shoqëron edhe procese të tjera, siç është kolapsi i një bërthame supernova.

Shpërthimi i valës gravitacionale nga bashkimi i dy objekteve kompakte ka një profil shumë specifik, të llogaritur mirë, të paraqitur në Fig. 3. Periudha e lëkundjes përcaktohet nga lëvizja orbitale e dy objekteve rreth njëri-tjetrit. Valët gravitacionale mbartin energjinë; si rezultat, objektet afrohen më shumë dhe rrotullohen më shpejt - dhe kjo është e dukshme si në përshpejtimin e lëkundjeve ashtu edhe në rritjen e amplitudës. Në një moment, ndodh një bashkim, emetohet vala e fundit e fortë dhe më pas vjen një "unazë pas" me frekuencë të lartë ( zile poshtë) - dridhja e vrimës së zezë që rezulton, e cila "hedh" të gjitha shtrembërimet jo sferike (kjo fazë nuk tregohet në foto). Njohja e këtij profili karakteristik i ndihmon fizikanët të kërkojnë sinjalin e dobët nga një bashkim i tillë në të dhënat e detektorëve shumë të zhurmshëm.

Luhatjet në metrikën hapësirë-kohë - jehona e valës gravitacionale të një shpërthimi madhështor - do të shpërndahen në të gjithë Universin në të gjitha drejtimet nga burimi. Amplituda e tyre dobësohet me distancën, e ngjashme me atë se si zvogëlohet ndriçimi i një burimi pikësor me distancën prej tij. Kur një shpërthim nga një galaktikë e largët arrin në Tokë, luhatjet metrike do të jenë të rendit 10 -22 ose edhe më pak. Me fjalë të tjera, distanca midis objekteve fizikisht të palidhura me njëri-tjetrin do të rritet dhe ulet periodikisht me një sasi të tillë relative.

Rendi i madhësisë së këtij numri është i lehtë për t'u marrë nga konsideratat e shkallëzimit (shih artikullin nga V. M. Lipunov). Në momentin e bashkimit të yjeve neutron ose vrimave të zeza të masave yjore, shtrembërimet e metrikës pranë tyre janë shumë të mëdha - në rendin e 0.1, prandaj graviteti është i fortë. Një shtrembërim i tillë i rëndë prek një zonë në rendin e madhësisë së këtyre objekteve, domethënë disa kilometra. Ndërsa largoheni nga burimi, amplituda e lëkundjes zvogëlohet në proporcion të zhdrejtë me distancën. Kjo do të thotë se në një distancë prej 100 Mpc = 3·10 21 km amplituda e lëkundjeve do të bjerë me 21 rend të madhësisë dhe do të bëhet rreth 10 -22.

Sigurisht, nëse bashkimi ndodh në galaktikën tonë të shtëpisë, dridhjet e hapësirë-kohës që arrijnë në Tokë do të jenë shumë më të forta. Por ngjarje të tilla ndodhin një herë në disa mijëra vjet. Prandaj, duhet të mbështeteni vërtet vetëm në një detektor që do të jetë në gjendje të ndiejë bashkimin e yjeve neutron ose vrimave të zeza në një distancë prej dhjetëra deri në qindra megaparseks, që do të thotë se do të mbulojë mijëra e miliona galaktika.

Këtu duhet shtuar se tashmë është zbuluar një tregues indirekt i ekzistencës së valëve gravitacionale, madje iu dha Çmimi Nobel në Fizikë për vitin 1993. Vëzhgimet afatgjata të pulsarit në sistemin binar PSR B1913+16 kanë treguar se periudha e orbitës zvogëlohet saktësisht me të njëjtin ritëm siç parashikohet nga relativiteti i përgjithshëm, duke marrë parasysh humbjet e energjisë për shkak të rrezatimit gravitacional. Për këtë arsye, pothuajse asnjë nga shkencëtarët nuk dyshon në realitetin e valëve gravitacionale; pyetja e vetme është se si t'i kapni ato.

Historia e kërkimit

Kërkimi për valët gravitacionale filloi rreth gjysmë shekulli më parë - dhe pothuajse menjëherë u shndërrua në një ndjesi. Joseph Weber nga Universiteti i Maryland-it projektoi detektorin e parë rezonant: një cilindër alumini prej dy metrash me sensorë piezoelektrikë të ndjeshëm në anët dhe izolim të mirë të dridhjeve nga dridhjet e jashtme (Fig. 4). Kur kalon një valë gravitacionale, cilindri rezonon në kohë me shtrembërimet e hapësirë-kohës, gjë që duhet të regjistrojnë sensorët. Weber ndërtoi disa detektorë të tillë dhe në vitin 1969, pasi analizoi leximet e tyre gjatë njërës prej seancave, ai deklaroi drejtpërdrejt se kishte regjistruar "tingullin e valëve gravitacionale" në disa detektorë njëherësh, të ndarë dy kilometra larg njëri-tjetrit (J. Weber, 1969 Dëshmi për zbulimin e rrezatimit gravitacional). Amplituda e lëkundjeve që ai deklaroi doli të ishte tepër e madhe, në rendin 10 -16, domethënë një milion herë më e madhe se vlera tipike e pritur. Mesazhi i Weber u prit me skepticizëm të madh nga komuniteti shkencor; Për më tepër, grupet e tjera eksperimentale, të armatosura me detektorë të ngjashëm, nuk ishin në gjendje të kapnin më pas një sinjal të vetëm të ngjashëm.

Megjithatë, përpjekjet e Weber i dhanë shtysë të gjithë kësaj fushe kërkimi dhe nisën gjuetinë e valëve. Që nga vitet 1970, përmes përpjekjeve të Vladimir Braginsky dhe kolegëve të tij nga Universiteti Shtetëror i Moskës, BRSS gjithashtu ka hyrë në këtë garë (shih mungesën e sinjaleve të valëve gravitacionale). Ka një histori interesante për ato kohë në esenë Nëse një vajzë bie në një vrimë... . Braginsky, meqë ra fjala, është një nga klasikët e të gjithë teorisë së matjeve optike kuantike; ai ishte i pari që doli me konceptin e kufirit standard të matjes kuantike - një kufizim kyç në matjet optike - dhe tregoi se si ato në parim mund të kapërceheshin. Qarku rezonant i Weber u përmirësua dhe falë ftohjes së thellë të instalimit, zhurma u ul në mënyrë dramatike (shih listën dhe historinë e këtyre projekteve). Sidoqoftë, saktësia e detektorëve të tillë tërësisht metalikë ishte ende e pamjaftueshme për të zbuluar në mënyrë të besueshme ngjarjet e pritshme, dhe përveç kësaj, ata ishin akorduar për të rezonuar vetëm në një gamë shumë të ngushtë frekuence rreth kilohertz.

Detektorët që përdornin më shumë se një objekt rezonues, por gjurmonin distancën midis dy trupave të palidhur, të varur në mënyrë të pavarur, të tilla si dy pasqyra, dukeshin shumë më premtues. Për shkak të dridhjeve të hapësirës të shkaktuara nga vala gravitacionale, distanca midis pasqyrave do të jetë ose pak më e madhe ose pak më e vogël. Për më tepër, sa më i gjatë të jetë krahu, aq më e madhe do të shkaktohet zhvendosja absolute nga një valë gravitacionale e një amplitude të caktuar. Këto dridhje mund të ndihen nga një rreze lazer që kalon midis pasqyrave. Një skemë e tillë është e aftë të zbulojë lëkundjet në një gamë të gjerë frekuencash, nga 10 hertz në 10 kilohertz, dhe kjo është pikërisht diapazoni në të cilin bashkimi i çifteve të yjeve neutron ose vrimave të zeza me masë yjore do të lëshojnë.

Zbatimi modern i kësaj ideje bazuar në interferometrin Michelson duket kështu (Fig. 5). Pasqyrat janë të varura në dy dhoma vakum të gjata, disa kilometra, pingul me njëra-tjetrën. Në hyrje të instalimit, rrezja e lazerit ndahet, kalon nëpër të dy dhomat, reflektohet nga pasqyrat, kthehet prapa dhe ribashkohet në një pasqyrë të tejdukshme. Faktori i cilësisë së sistemit optik është jashtëzakonisht i lartë, kështu që rrezja lazer nuk kalon vetëm një herë mbrapa dhe mbrapa, por qëndron në këtë rezonator optik për një kohë të gjatë. Në gjendjen e "qetë", gjatësitë zgjidhen në mënyrë që të dy rrezet, pas ribashkimit, të anulojnë njëri-tjetrin në drejtim të sensorit dhe më pas fotodetektori të jetë në hije të plotë. Por sapo pasqyrat lëvizin në një distancë mikroskopike nën ndikimin e valëve gravitacionale, kompensimi i dy rrezeve bëhet i paplotë dhe fotodetektori kap dritën. Dhe sa më i fortë të jetë kompensimi, aq më e ndritshme do të jetë drita fotosensori.

Fjalët "zhvendosje mikroskopike" nuk i afrohen as përçimit të hollësisë së efektit. Zhvendosja e pasqyrave nga gjatësia e valës së dritës, domethënë mikronet, është e lehtë të vërehet edhe pa asnjë mashtrim. Por me një gjatësi krahu prej 4 km, kjo korrespondon me lëkundjet e hapësirë-kohës me një amplitudë 10 -10. Vërerja e zhvendosjes së pasqyrave sipas diametrit të një atomi nuk është gjithashtu problem - mjafton të shkrepni një rreze lazer, e cila do të kalojë mijëra herë përpara dhe mbrapa dhe do të marrë zhvendosjen e dëshiruar të fazës. Por kjo gjithashtu jep një maksimum prej 10 −14. Dhe ne duhet të zbresim në shkallën e zhvendosjes miliona herë të tjera, domethënë, të mësojmë të regjistrojmë një zhvendosje pasqyre jo as me një atom, por me të mijëtat e një bërthame atomike!

Në rrugën drejt kësaj teknologjie vërtet të mahnitshme, fizikantëve iu desh të kapërcenin shumë vështirësi. Disa prej tyre janë thjesht mekanike: ju duhet të varni pasqyra masive në një pezullim, i cili varet në një pezullim tjetër, atë në një pezullim të tretë, e kështu me radhë - dhe të gjitha për të hequr qafe dridhjet e jashtme sa më shumë që të jetë e mundur. Problemet e tjera janë gjithashtu instrumentale, por optike. Për shembull, sa më e fuqishme të jetë rrezja që qarkullon në sistemin optik, aq më e dobët zhvendosja e pasqyrave mund të zbulohet nga fotosensori. Por një rreze që është shumë e fuqishme do të ngrohë në mënyrë të pabarabartë elementët optikë, gjë që do të ketë një efekt të dëmshëm në vetitë e vetë rrezes. Ky efekt duhet të kompensohet disi, dhe për këtë në vitet 2000, u lançua një program i tërë kërkimor mbi këtë temë (për një histori rreth këtij kërkimi, shihni lajmin Kapërcimi i pengesave në rrugën drejt një detektori shumë të ndjeshëm të valëve gravitacionale, "Elementet" , 27.06.2006). Së fundi, ekzistojnë kufizime fizike thjesht themelore që lidhen me sjelljen kuantike të fotoneve në një zgavër dhe parimin e pasigurisë. Ata kufizojnë ndjeshmërinë e sensorit në një vlerë të quajtur kufiri standard kuantik. Megjithatë, fizikanët, duke përdorur një gjendje kuantike të përgatitur me zgjuarsi të dritës lazer, tashmë kanë mësuar ta kapërcejnë atë (J. Aasi et al., 2013. Ndjeshmëria e zgjeruar e detektorit të valëve gravitacionale LIGO duke përdorur gjendjet e shtrydhura të dritës).

Një listë e tërë vendesh po marrin pjesë në garën për valët gravitacionale; Rusia ka instalimin e saj, në Observatorin Baksan, dhe, meqë ra fjala, përshkruhet në filmin dokumentar shkencor nga Dmitry Zavilgelsky. "Duke pritur për valë dhe grimca". Liderët e kësaj race janë tani dy laboratorë - projekti amerikan LIGO dhe detektori italian Virgo. LIGO përfshin dy detektorë identikë, të vendosur në Hanford (Shteti i Uashingtonit) dhe Livingston (Luiziana) dhe të ndarë me 3000 km nga njëri-tjetri. Të kesh dy cilësime është e rëndësishme për dy arsye. Së pari, sinjali do të konsiderohet i regjistruar vetëm nëse shihet nga të dy detektorët në të njëjtën kohë. Dhe së dyti, nga ndryshimi në ardhjen e një shpërthimi të valës gravitacionale në dy instalime - dhe mund të arrijë 10 milisekonda - mund të përcaktohet afërsisht nga cila pjesë e qiellit erdhi ky sinjal. Vërtetë, me dy detektorë gabimi do të jetë shumë i madh, por kur Virgjëresha të hyjë në punë, saktësia do të rritet ndjeshëm.

Në mënyrë rigoroze, ideja e zbulimit interferometrik të valëve gravitacionale u propozua për herë të parë nga fizikanët sovjetikë M.E. Herzenstein dhe V.I. Në atë kohë, lazeri sapo ishte shpikur dhe Weber filloi të krijonte detektorët e tij rezonantë. Sidoqoftë, ky artikull nuk u vu re në Perëndim dhe, për të thënë të vërtetën, nuk ndikoi në zhvillimin e projekteve reale (shiko rishikimin historik të Fizikës së zbulimit të valëve gravitacionale: detektorë rezonantë dhe interferometrikë).

Krijimi i observatorit gravitacional LIGO ishte iniciativa e tre shkencëtarëve nga Instituti i Teknologjisë i Massachusetts (MIT) dhe Instituti i Teknologjisë në Kaliforni (Caltech). Këta janë Rainer Weiss, i cili realizoi idenë e një detektori interferometrik të valëve gravitacionale, Ronald Drever, i cili arriti stabilitetin e dritës lazer të mjaftueshme për zbulim dhe Kip Thorne, teoricieni pas projektit, tashmë i njohur për publikun e gjerë. si një film konsulent shkencor "Interstellar". Ju mund të lexoni për historinë e hershme të LIGO në një intervistë të fundit me Rainer Weiss dhe në kujtimet e John Preskill.

Aktivitetet në lidhje me projektin e zbulimit interferometrik të valëve gravitacionale filluan në fund të viteve 1970, dhe në fillim shumë njerëz dyshuan gjithashtu në realizueshmërinë e kësaj ndërmarrjeje. Megjithatë, pas demonstrimit të një numri prototipash, dizajni aktual LIGO u shkrua dhe u miratua. Është ndërtuar gjatë dekadës së fundit të shekullit të 20-të.

Edhe pse shtysa fillestare për projektin erdhi nga Shtetet e Bashkuara, LIGO është një projekt vërtet ndërkombëtar. 15 vende kanë investuar në të, financiarisht dhe intelektualisht, dhe mbi një mijë njerëz janë anëtarë të bashkëpunimit. Fizikanët sovjetikë dhe rusë luajtën një rol të rëndësishëm në zbatimin e projektit. Që në fillim, grupi i përmendur tashmë i Vladimir Braginsky nga Universiteti Shtetëror i Moskës mori pjesë aktive në zbatimin e projektit LIGO, dhe më vonë Instituti i Fizikës së Aplikuar nga Nizhny Novgorod gjithashtu iu bashkua bashkëpunimit.

Observatori LIGO filloi funksionimin në vitin 2002 dhe deri në vitin 2010 priti gjashtë sesione vëzhgimi shkencor. Asnjë shpërthim i valëve gravitacionale nuk u zbulua në mënyrë të besueshme dhe fizikanët ishin në gjendje të vendosnin vetëm kufijtë e sipërm në frekuencën e ngjarjeve të tilla. Sidoqoftë, kjo nuk i befasoi shumë: vlerësimet treguan se në atë pjesë të Universit që detektori "dëgjonte" atëherë, probabiliteti i një kataklizmi mjaft të fuqishëm ishte i ulët: afërsisht një herë në disa dekada.

Linja e përfundimit

Nga viti 2010 deri në vitin 2015, bashkëpunimet LIGO dhe Virgo modernizuan rrënjësisht pajisjet (Virgjëresha, megjithatë, është ende në proces përgatitjeje). Dhe tani objektivi i shumëpritur ishte në pamje të drejtpërdrejtë. LIGO - ose më mirë, aLIGO ( LIGO i avancuar) - tani ishte gati për të kapur shpërthime të krijuara nga yjet neutron në një distancë prej 60 megaparseks, dhe vrimat e zeza - në një distancë prej qindra megaparseks. Vëllimi i Universit i hapur ndaj dëgjimit të valëve gravitacionale është rritur dhjetëfish në krahasim me seancat e mëparshme.

Sigurisht, është e pamundur të parashikohet se kur dhe ku do të ndodhë bumi tjetër i valëve gravitacionale. Por ndjeshmëria e detektorëve të përditësuar bëri të mundur llogaritjen e disa bashkimeve të yjeve neutron në vit, kështu që shpërthimi i parë mund të pritej tashmë gjatë seancës së parë katërmujore të vëzhgimit. Nëse flasim për të gjithë projektin aLIGO, i cili zgjati disa vjet, atëherë verdikti ishte jashtëzakonisht i qartë: ose shpërthimet do të bien njëri pas tjetrit, ose diçka në relativitetin e përgjithshëm në thelb nuk funksionon. Të dyja do të jenë zbulime të mëdha.

Nga data 18 shtator 2015 deri më 12 janar 2016, u zhvillua sesioni i parë i vëzhgimit të aLIGO. Gjatë gjithë kësaj kohe, thashethemet për regjistrimin e valëve gravitacionale qarkulluan në internet, por bashkëpunimi mbeti i heshtur: "ne po mbledhim dhe analizojmë të dhëna dhe nuk jemi ende gati të raportojmë rezultatet". Një intrigë shtesë u krijua nga fakti se gjatë procesit të analizës, vetë anëtarët e bashkëpunimit nuk mund të jenë plotësisht të sigurt se po shohin një shpërthim të vërtetë valësh gravitacionale. Fakti është se në LIGO, një shpërthim i gjeneruar nga kompjuteri herë pas here futet artificialisht në rrjedhën e të dhënave reale. Quhet "injeksion i verbër" dhe nga i gjithë grupi, vetëm tre persona (!) kanë akses në sistemin që e kryen atë në një moment arbitrar në kohë. Ekipi duhet ta gjurmojë këtë rritje, ta analizojë me përgjegjësi dhe vetëm në fazat e fundit të analizës "kartat zbulohen" dhe anëtarët e bashkëpunimit të zbulojnë nëse kjo ishte një ngjarje e vërtetë apo një provë vigjilence. Meqë ra fjala, në një rast të tillë në vitin 2010, erdhi deri te shkrimi i një artikulli, por sinjali i zbuluar më pas doli të ishte thjesht një "mbushje qorre".

Digresion lirik

Për të ndjerë edhe një herë solemnitetin e momentit, unë propozoj ta shikojmë këtë histori nga ana tjetër, nga brenda shkencës. Kur një problem shkencor kompleks dhe i paarritshëm mbetet pa përgjigje për disa vite, ky është një moment normal pune. Kur nuk jep për më shumë se një brez, perceptohet krejtësisht ndryshe.

Si nxënës shkolle, ju lexoni libra të njohur shkencorë dhe mësoni për këtë gjëegjëzë shkencore të vështirë për t'u zgjidhur, por tmerrësisht interesante. Si student, ju studioni fizikën, jepni raporte dhe ndonjëherë, në mënyrë të përshtatshme ose jo, njerëzit përreth jush ju kujtojnë ekzistencën e saj. Pastaj ju vetë bëni shkencë, punoni në një fushë tjetër të fizikës, por dëgjoni rregullisht për përpjekje të pasuksesshme për ta zgjidhur atë. Ju, sigurisht, e kuptoni se diku po bëhen përpjekje aktive për ta zgjidhur atë, por rezultati përfundimtar për ju si i huaj mbetet i pandryshuar. Problemi perceptohet si një sfond statik, si një dekorim, si një element i përjetshëm dhe pothuajse i pandryshuar i fizikës në shkallën e jetës suaj shkencore. Si një detyrë që ka qenë gjithmonë dhe do të jetë.

Dhe pastaj - ata e zgjidhin atë. Dhe befas, në një shkallë prej disa ditësh, ju ndjeni se pamja fizike e botës ka ndryshuar dhe se tani ajo duhet formuluar në terma të tjerë dhe të bëjë pyetje të tjera.

Për njerëzit që punojnë drejtpërdrejt në kërkimin e valëve gravitacionale, kjo detyrë, natyrisht, nuk mbeti e pandryshuar. Ata e shohin qëllimin, ata e dinë se çfarë duhet të arrihet. Ata, natyrisht, shpresojnë që natyra do t'i takojë ata në gjysmë të rrugës dhe do të hedhë një spërkatje të fuqishme në ndonjë galaktikë të afërt, por në të njëjtën kohë ata e kuptojnë se, edhe nëse natyra nuk është aq mbështetëse, ajo nuk do të jetë më në gjendje të fshihet nga shkencëtarët. . Pyetja e vetme është se kur saktësisht do të jenë në gjendje të arrijnë qëllimet e tyre teknike. Një histori për këtë ndjesi nga një person që ka qenë në kërkim të valëve gravitacionale për disa dekada mund të dëgjohet në filmin e përmendur tashmë. "Duke pritur për valë dhe grimca".

Hapja

Në Fig. Figura 7 tregon rezultatin kryesor: profilin e sinjalit të regjistruar nga të dy detektorët. Mund të shihet se në sfondin e zhurmës, një lëkundje e formës së dëshiruar fillimisht shfaqet dobët, dhe më pas rritet në amplitudë dhe frekuencë. Krahasimi me rezultatet e simulimeve numerike bëri të mundur sqarimin se cilat objekte vëzhguam duke u bashkuar: këto ishin vrima të zeza me masa afërsisht 36 dhe 29 masa diellore, të cilat u bashkuan në një vrimë të zezë me një masë prej 62 masash diellore (gabimi në të gjitha këta numra, që korrespondojnë me një interval besimi 90%, janë 4 masa diellore). Autorët vënë në dukje kalimthi se vrima e zezë që rezulton është vrima e zezë më e rëndë me masë yjore e vërejtur ndonjëherë. Diferenca midis masës totale të dy objekteve fillestare dhe vrimës së zezë përfundimtare është 3 ± 0,5 masa diellore. Ky defekt në masë gravitacionale u shndërrua plotësisht në energjinë e valëve gravitacionale të emetuara në rreth 20 milisekonda. Llogaritjet treguan se fuqia maksimale e valës gravitacionale arriti në 3.6 10 56 erg/s, ose, për sa i përket masës, afërsisht 200 masa diellore në sekondë.

Rëndësia statistikore e sinjalit të zbuluar është 5.1σ. Me fjalë të tjera, nëse supozojmë se këto luhatje statistikore kanë mbivendosur njëra-tjetrën dhe thjesht rastësisht kanë prodhuar një shpërthim të tillë, një ngjarje e tillë do të duhej të priste 200 mijë vjet. Kjo na lejon të deklarojmë me besim se sinjali i zbuluar nuk është një luhatje.

Vonesa kohore midis dy detektorëve ishte afërsisht 7 milisekonda. Kjo bëri të mundur vlerësimin e drejtimit të mbërritjes së sinjalit (Fig. 9). Meqenëse ka vetëm dy detektorë, lokalizimi doli të ishte shumë i përafërt: rajoni i sferës qiellore i përshtatshëm për sa i përket parametrave është 600 gradë katrore.

Bashkëpunimi LIGO nuk u kufizua vetëm në deklarimin e faktit të regjistrimit të valëve gravitacionale, por gjithashtu kreu analizën e parë të implikimeve që ky vëzhgim ka për astrofizikën. Në artikullin Implikimet astrofizike të bashkimit binar të vrimës së zezë GW150914, botuar në të njëjtën ditë në revistën The Astrophysical Journal Letters, autorët vlerësuan frekuencën me të cilën ndodhin bashkime të tilla të vrimave të zeza. Rezultati ishte të paktën një bashkim për gigaparsek kub në vit, që është në përputhje me parashikimet e modeleve më optimiste në këtë drejtim.

Çfarë na thonë valët gravitacionale?

Zbulimi i një fenomeni të ri pas dekadash kërkimesh nuk është fundi, por vetëm fillimi i një dege të re të fizikës. Sigurisht, regjistrimi i valëve gravitacionale nga bashkimi i dy zezakëve është i rëndësishëm në vetvete. Kjo është provë e drejtpërdrejtë e ekzistencës së vrimave të zeza, dhe ekzistencës së vrimave të zeza të dyfishta, dhe realitetit të valëve gravitacionale, dhe, në përgjithësi, provë e saktësisë së qasjes gjeometrike ndaj gravitetit, mbi të cilën bazohet relativiteti i përgjithshëm. Por për fizikanët, nuk është më pak e vlefshme që astronomia me valë gravitacionale po bëhet një mjet i ri kërkimor, duke bërë të mundur studimin e asaj që më parë ishte e paarritshme.

Së pari, është një mënyrë e re për të parë Universin dhe për të studiuar kataklizmat kozmike. Nuk ka pengesa për valët gravitacionale, ato kalojnë në gjithçka në Univers pa asnjë problem. Ata janë të vetë-mjaftueshëm: profili i tyre mbart informacione për procesin që i lindi. Së fundi, nëse një shpërthim madhështor gjeneron një shpërthim optik, neutrino dhe gravitacional, atëherë ne mund të përpiqemi t'i kapim të gjitha, t'i krahasojmë me njëri-tjetrin dhe të kuptojmë detaje të paarritshme më parë të asaj që ndodhi atje. Të qenit në gjendje për të kapur dhe krahasuar sinjale kaq të ndryshme nga një ngjarje është qëllimi kryesor i astronomisë gjithë-sinjale.

Kur detektorët e valëve gravitacionale bëhen edhe më të ndjeshëm, ata do të jenë në gjendje të zbulojnë lëkundjen e hapësirë-kohës jo në momentin e bashkimit, por disa sekonda para tij. Ata do të dërgojnë automatikisht sinjalin e tyre paralajmërues në rrjetin e përgjithshëm të stacioneve të vëzhgimit, dhe satelitët e teleskopit astrofizikë, pasi kanë llogaritur koordinatat e bashkimit të propozuar, do të kenë kohë në këto sekonda të kthehen në drejtimin e dëshiruar dhe të fillojnë të fotografojnë qiellin përpara shpërthimit optik. fillon.

Së dyti, shpërthimi i valës gravitacionale do të na lejojë të mësojmë gjëra të reja rreth yjeve neutron. Një bashkim i yjeve neutron është, në fakt, eksperimenti më i fundit dhe më ekstrem mbi yjet neutronike që natyra mund të kryejë për ne, dhe ne, si spektatorë, do të na duhet vetëm të vëzhgojmë rezultatet. Pasojat vëzhguese të një bashkimi të tillë mund të jenë të ndryshme (Figura 10), dhe duke mbledhur statistikat e tyre ne mund të kuptojmë më mirë sjelljen e yjeve neutron në mjedise të tilla ekzotike. Një pasqyrë e gjendjes aktuale të punëve në këtë drejtim mund të gjendet në botimin e fundit nga S. Rosswog, 2015. Pamje me shumë mesazhe të bashkimeve kompakte binare.

Së treti, regjistrimi i shpërthimit që erdhi nga supernova dhe krahasimi i tij me vëzhgimet optike më në fund do të bëjë të mundur të kuptosh në detaje se çfarë po ndodh brenda, në fillim të kolapsit. Tani fizikanët kanë ende vështirësi me modelimin numerik të këtij procesi.

Së katërti, fizikanët e përfshirë në teorinë e gravitetit kanë një "laborator" të lakmuar për studimin e efekteve të gravitetit të fortë. Deri më tani, të gjitha efektet e relativitetit të përgjithshëm që ne mund të vëzhgonim drejtpërdrejt lidheshin me gravitetin në fusha të dobëta. Mund të merrnim me mend se çfarë ndodh në kushtet e gravitetit të fortë, kur shtrembërimet e hapësirë-kohës fillojnë të ndërveprojnë fuqishëm me veten e tyre, vetëm nga manifestimet indirekte, përmes jehonës optike të katastrofave kozmike.

Së pesti, ekziston një mundësi e re për të testuar teoritë ekzotike të gravitetit. Tashmë ka shumë teori të tilla në fizikën moderne, shihni, për shembull, kapitullin kushtuar atyre nga libri popullor "Gravity" nga A. N. Petrov. Disa nga këto teori i ngjajnë relativitetit të përgjithshëm konvencional në kufirin e fushave të dobëta, por mund të jenë shumë të ndryshme kur graviteti bëhet shumë i fortë. Të tjerë pranojnë ekzistencën e një lloji të ri polarizimi për valët gravitacionale dhe parashikojnë një shpejtësi paksa të ndryshme nga shpejtësia e dritës. Së fundi, ka teori që përfshijnë dimensione hapësinore shtesë. Çfarë mund të thuhet për to bazuar në valët gravitacionale është një pyetje e hapur, por është e qartë se disa informacione mund të përfitohen nga këtu. Ne rekomandojmë gjithashtu të lexoni mendimin e vetë astrofizikanëve për atë që do të ndryshojë me zbulimin e valëve gravitacionale, në një përzgjedhje në Postnauka.

Planet e ardhshme

Perspektivat për astronominë e valëve gravitacionale janë më inkurajuese. Tani ka përfunduar vetëm seanca e parë, më e shkurtër e vëzhgimit të detektorit aLIGO - dhe tashmë në këtë kohë të shkurtër u zbulua një sinjal i qartë. Do të ishte më e saktë të thuhej kjo: sinjali i parë u kap edhe para fillimit zyrtar dhe bashkëpunimi nuk ka raportuar ende për të katër muajt e punës. Kush e di, ndoshta ka tashmë disa pika shtesë atje? Në një mënyrë apo tjetër, por më tej, ndërsa ndjeshmëria e detektorëve rritet dhe pjesa e Universit e aksesueshme për vëzhgimet e valëve gravitacionale zgjerohet, numri i ngjarjeve të regjistruara do të rritet si një ortek.

Orari i pritur i seancave për rrjetin LIGO-Virgo është paraqitur në Fig. 11. Seanca e dytë, gjashtëmujore do të fillojë në fund të këtij viti, seanca e tretë do të zgjasë pothuajse gjithë vitin 2018 dhe në çdo fazë ndjeshmëria e detektorit do të rritet. Rreth vitit 2020, aLIGO duhet të arrijë ndjeshmërinë e tij të planifikuar, gjë që do t'i lejojë detektorit të hetojë Universin për bashkimin e yjeve neutron të largët prej nesh në distanca deri në 200 Mpc. Për ngjarjet edhe më energjike të bashkimit të vrimave të zeza, ndjeshmëria mund të arrijë pothuajse një gigaparsek. Në një mënyrë apo tjetër, vëllimi i Universit i disponueshëm për vëzhgim do të rritet dhjetëra herë në krahasim me seancën e parë.

Laboratori italian i rinovuar Virgo do të hyjë gjithashtu në lojë më vonë këtë vit. Ndjeshmëria e tij është pak më e vogël se ajo e LIGO, por ende mjaft e mirë. Për shkak të metodës së trekëndëshit, një treshe detektorësh të ndarë në hapësirë do të bëjnë të mundur rindërtimin shumë më të mirë të pozicionit të burimeve në sferën qiellore. Nëse tani, me dy detektorë, zona e lokalizimit arrin qindra gradë katrore, atëherë tre detektorë do ta zvogëlojnë atë në dhjetëra. Për më tepër, një antenë e ngjashme me valë gravitacionale KAGRA po ndërtohet aktualisht në Japoni, e cila do të fillojë të funksionojë pas dy deri në tre vjet, dhe në Indi, rreth vitit 2022, është planifikuar të lëshohet detektor LIGO-India. Si rezultat, pas disa vitesh, një rrjet i tërë detektorësh të valëve gravitacionale do të funksionojë dhe do të regjistrojë rregullisht sinjalet (Fig. 13).

Së fundi, ka plane për lëshimin e instrumenteve të valëve gravitacionale në hapësirë, në veçanti projektin eLISA. Dy muaj më parë u hodh në orbitë sateliti i parë testues, detyra e të cilit do të jetë testimi i teknologjive. Zbulimi real i valëve gravitacionale është ende shumë larg. Por kur ky grup satelitësh të fillojë të mbledhë të dhëna, ai do të hapë një dritare tjetër në Univers - përmes valëve gravitacionale me frekuencë të ulët. Kjo qasje gjithë-valore ndaj valëve gravitacionale është një qëllim i madh afatgjatë për fushën.

Paralelet

Zbulimi i valëve gravitacionale ishte hera e tretë në vitet e fundit kur fizikanët më në fund depërtuan nëpër të gjitha pengesat dhe arritën në hollësitë e panjohura më parë të strukturës së botës sonë. Në vitin 2012, u zbulua bozoni Higgs, një grimcë e parashikuar pothuajse gjysmë shekulli më parë. Në vitin 2013, detektori i neutrinos IceCube vërtetoi realitetin e neutrineve astrofizike dhe filloi të "shikonte universin" në një mënyrë krejtësisht të re, më parë të paarritshme - përmes neutrinos me energji të lartë. Dhe tani natyra i është nënshtruar njeriut edhe një herë: një "dritare" me valë gravitacionale është hapur për të vëzhguar universin dhe, në të njëjtën kohë, efektet e gravitetit të fortë janë bërë të disponueshme për studim të drejtpërdrejtë.

Duhet thënë se këtu nuk kishte asnjë "falas" nga natyra. Kërkimi u krye për një kohë shumë të gjatë, por nuk dha rezultat, sepse atëherë, dekada më parë, pajisja nuk arrinte rezultatin për sa i përket energjisë, shkallës apo ndjeshmërisë. Ishte zhvillimi i qëndrueshëm dhe i synuar i teknologjisë që çoi në qëllimin, një zhvillim që nuk u ndal as nga vështirësitë teknike dhe as nga rezultatet negative të viteve të kaluara.

Dhe në të tre rastet, vetë fakti i zbulimit nuk ishte fundi, por, përkundrazi, fillimi i një drejtimi të ri kërkimi, ai u bë një mjet i ri për të hetuar botën tonë. Vetitë e bozonit Higgs janë bërë të disponueshme për matje - dhe në këto të dhëna, fizikanët po përpiqen të dallojnë efektet e Fizikës së Re. Falë statistikave në rritje të neutrinos me energji të lartë, astrofizika e neutrinove po hedh hapat e saj të parë. Të paktën e njëjta gjë pritet tani nga astronomia me valë gravitacionale dhe ka çdo arsye për optimizëm.

Burimet:
1) Koleksioni shkencor LIGO. dhe Virgo Coll. Vëzhgimi i valëve gravitacionale nga një bashkim binar i vrimës së zezë // Fiz. Rev. Lett. Publikuar më 11 shkurt 2016.
2) Dokumentet e zbulimit - një listë e artikujve teknikë që shoqërojnë artikullin kryesor të zbulimit.
3) E. Berti. Pikëpamja: Tingujt e parë të bashkimit të vrimave të zeza // Fizika. 2016. V. 9. N. 17.

Rishikoni materialet:
1) David Blair et al. Astronomia e valëve gravitacionale: statusi aktual // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott dhe LIGO Scientific Colaboration and Virgo Colaboration. Perspektivat për vëzhgimin dhe lokalizimin e kalimeve të valëve gravitacionale me LIGO të avancuar dhe Virgjëreshën e avancuar // Living Rev. Relativiteti. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. E kaluara, e tashmja dhe e ardhmja e detektorëve të valëve gravitacionale të masës rezonante // Res. Astron. Astrofia. 2011. V. 11. N. 1.
4) Kërkimi i valëve gravitacionale - një përzgjedhje e materialeve në faqen e internetit të revistës Shkenca në kërkimin e valëve gravitacionale.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Zbulimi i valëve gravitacionale me anë të interferometrisë (Toka dhe Hapësirë) // arXiv:1102.3355.
6) V. B. Braginsky. Astronomia me valë gravitacionale: metoda të reja të matjes // UFN. 2000. T. 170. fq 743–752.
7) Peter R. Saulson.

Dje, bota u trondit nga një ndjesi: shkencëtarët më në fund zbuluan valët gravitacionale, ekzistencën e të cilave Ajnshtajni e parashikoi njëqind vjet më parë. Ky është një zbulim i madh. Shtrembërimi i hapësirë-kohës (këto janë valë gravitacionale - tani do të shpjegojmë se çfarë është) u zbulua në observatorin LIGO, dhe një nga themeluesit e tij është - kush mendoni? - Kip Thorne, autor i librit.

Ne ju tregojmë pse zbulimi i valëve gravitacionale është kaq i rëndësishëm, çfarë tha Mark Zuckerberg dhe, natyrisht, ndajmë historinë nga vetë i parë. Kip Thorne, si askush tjetër, e di se si funksionon projekti, çfarë e bën atë të pazakontë dhe çfarë rëndësie ka LIGO për njerëzimin. Po, po, gjithçka është kaq serioze.

Zbulimi i valëve gravitacionale

Bota shkencore do ta kujtojë përgjithmonë datën 11 shkurt 2016. Në këtë ditë, pjesëmarrësit në projektin LIGO njoftuan: pas kaq shumë përpjekjesh të kota, ishin gjetur valë gravitacionale. Ky është realiteti. Në fakt, ato u zbuluan pak më herët: në shtator 2015, por dje zbulimi u njoh zyrtarisht. The Guardian beson se shkencëtarët me siguri do të marrin çmimin Nobel në Fizikë.

Shkaku i valëve gravitacionale është përplasja e dy vrimave të zeza, e cila ndodhi tashmë... një miliardë vite dritë nga Toka. Mund ta imagjinoni sa i madh është Universi ynë! Meqenëse vrimat e zeza janë trupa shumë masivë, ato dërgojnë valëzime nëpër hapësirë-kohë, duke e shtrembëruar pak. Kështu shfaqen valë, të ngjashme me ato që përhapen nga një gur i hedhur në ujë.

Kështu mund të imagjinoni valët gravitacionale që vijnë në Tokë, për shembull, nga një vrimë krimbi. Vizatim nga libri “Ndëryjor. Shkenca në prapaskenë"

Dridhjet që rezultuan u shndërruan në zë. Është interesante se sinjali nga valët gravitacionale arrin afërsisht në të njëjtën frekuencë si fjalimi ynë. Pra, ne mund të dëgjojmë me veshët tanë se si vrimat e zeza përplasen. Dëgjoni se si tingëllojnë valët gravitacionale.

Dhe me mend çfarë? Kohët e fundit, vrimat e zeza nuk janë të strukturuara siç mendohej më parë. Por nuk kishte fare prova se ato ekzistojnë në parim. Dhe tani ka. Vrimat e zeza me të vërtetë "jetojnë" në Univers.

Kjo është ajo që shkencëtarët besojnë se duket një katastrofë - një bashkim i vrimave të zeza.

Më 11 shkurt u zhvillua një konferencë madhështore, e cila mblodhi së bashku më shumë se një mijë shkencëtarë nga 15 vende. Të pranishëm ishin edhe shkencëtarët rusë. Dhe, sigurisht, ishte Kip Thorne. "Ky zbulim është fillimi i një kërkimi të mahnitshëm, madhështor për njerëzit: kërkimi dhe eksplorimi i anës së lakuar të Universit - objekte dhe fenomene të krijuara nga hapësirë-koha e shtrembëruar. Përplasjet e vrimave të zeza dhe valët gravitacionale janë shembujt tanë të parë të shquar”, tha Kip Thorne.

Kërkimi i valëve gravitacionale ka qenë një nga problemet kryesore në fizikë. Tani ata janë gjetur. Dhe gjenialiteti i Ajnshtajnit konfirmohet sërish.

Në tetor, ne intervistuam Sergei Popov, një astrofizikan rus dhe popullarizues i famshëm i shkencës. Ai dukej sikur po shikonte në ujë! Në vjeshtë: "Më duket se tani jemi në pragun e zbulimeve të reja, të cilat lidhen kryesisht me punën e detektorëve të valëve gravitacionale LIGO dhe VIRGO (Kip Thorne dha një kontribut të madh në krijimin e projektit LIGO) . E mahnitshme, apo jo?

Valët gravitacionale, detektorët e valëve dhe LIGO

Epo, tani për pak fizikë. Për ata që vërtet duan të kuptojnë se çfarë janë valët gravitacionale. Këtu është një përshkrim artistik i linjave tendex të dy vrimave të zeza që rrotullohen rreth njëra-tjetrës, në drejtim të kundërt të akrepave të orës dhe më pas duke u përplasur. Linjat Tendex gjenerojnë gravitetin e baticës. Shkoni përpara. Vijat, të cilat dalin nga dy pikat më larg njëra-tjetrës në sipërfaqet e një çifti vrimash të zeza, shtrijnë gjithçka në rrugën e tyre, duke përfshirë edhe mikun e artistit në vizatim. Linjat që dalin nga zona e përplasjes kompresojnë gjithçka.

Ndërsa vrimat rrotullohen rreth njëra-tjetrës, ato bartin përgjatë vijave të tyre tendex, të cilat i ngjajnë rrjedhave të ujit nga një spërkatës rrotullues në një lëndinë. Në foto nga libri “Ndëryjor. Shkenca në prapaskenë" - një palë vrimash të zeza që përplasen, duke u rrotulluar rreth njëra-tjetrës në drejtim të kundërt të akrepave të orës, dhe linjat e tyre tendeksi.

Vrimat e zeza bashkohen në një vrimë të madhe; deformohet dhe rrotullohet në drejtim të kundërt të akrepave të orës, duke tërhequr me vete vija tendeksi. Një vëzhgues i palëvizshëm larg vrimës do të ndjejë dridhje ndërsa linjat tendeksi kalojnë përmes tij: shtrirje, pastaj ngjeshje, pastaj shtrirje - linjat tendeksi janë shndërruar në një valë gravitacionale. Ndërsa valët përhapen, deformimi i vrimës së zezë gradualisht zvogëlohet, dhe valët gjithashtu dobësohen.

Kur këto valë arrijnë në Tokë, ato duken si ajo e treguar në krye të figurës më poshtë. Ata shtrihen në një drejtim dhe ngjeshen në tjetrin. Zgjatjet dhe ngjeshjet luhaten (nga e kuqja djathtas-majtas, në blu djathtas-majtas, në të kuqe djathtas-majtas, etj.) ndërsa valët kalojnë përmes detektorit në fund të figurës.

Valët gravitacionale që kalojnë përmes detektorit LIGO.

Detektori përbëhet nga katër pasqyra të mëdha (40 kilogramë, 34 centimetra në diametër), të cilat janë ngjitur në skajet e dy tubave pingul, të quajtur krahë detektor. Linjat Tendex të valëve gravitacionale shtrijnë njërën krah, ndërsa ngjeshin të dytin, dhe më pas, përkundrazi, ngjeshni të parin dhe shtrini të dytin. Dhe kështu përsëri dhe përsëri. Ndërsa gjatësia e krahëve ndryshon periodikisht, pasqyrat lëvizin në lidhje me njëra-tjetrën dhe këto lëvizje gjurmohen duke përdorur rreze lazer në një mënyrë të quajtur interferometri. Prandaj emri LIGO: Observatori i valëve gravitacionale me interferometër laser.

Qendra e kontrollit LIGO, nga ku dërgojnë komanda në detektor dhe monitorojnë sinjalet e marra. Detektorët e gravitetit të LIGO ndodhen në Hanford, Uashington dhe Livingston, Luiziana. Foto nga libri “Interstellar. Shkenca në prapaskenë"

Tani LIGO është një projekt ndërkombëtar që përfshin 900 shkencëtarë nga vende të ndryshme, me seli të vendosur në Institutin e Teknologjisë në Kaliforni.

Ana e lakuar e Universit

Vrimat e zeza, vrimat e krimbave, singularitetet, anomalitë gravitacionale dhe dimensionet e rendit më të lartë lidhen me lakimet e hapësirës dhe kohës. Kjo është arsyeja pse Kip Thorne i quan ata "ana e shtrembëruar e universit". Njerëzimi ka ende shumë pak të dhëna eksperimentale dhe vëzhguese nga ana e lakuar e Universit. Kjo është arsyeja pse ne i kushtojmë kaq shumë vëmendje valëve gravitacionale: ato janë bërë nga hapësira e lakuar dhe ofrojnë mënyrën më të arritshme për ne për të eksploruar anën e lakuar.

Imagjinoni sikur të shihnit oqeanin vetëm kur ishte i qetë. Ju nuk do të dinit për rrymat, vorbullat dhe valët e stuhisë. Kjo të kujton njohuritë tona aktuale për lakimin e hapësirës dhe kohës.

Ne nuk dimë pothuajse asgjë se si hapësira e lakuar dhe koha e lakuar sillen "në një stuhi" - kur forma e hapësirës luhatet fuqishëm dhe kur shpejtësia e kohës luhatet. Ky është një kufi tepër tërheqës i dijes. Shkencëtari John Wheeler shpiku termin "gjeometridinamikë" për këto ndryshime.

Me interes të veçantë në fushën e gjeometridinamikës është përplasja e dy vrimave të zeza.

Përplasja e dy vrimave të zeza jo rrotulluese. Model nga libri “Ndëryjor. Shkenca në prapaskenë"

Fotografia e mësipërme tregon momentin kur dy vrima të zeza përplasen. Vetëm një ngjarje e tillë i lejoi shkencëtarët të zbulonin valët gravitacionale. Ky model është ndërtuar për vrima të zeza jo rrotulluese. Lart: orbitat dhe hijet e vrimave, siç shihen nga Universi ynë. Mesi: hapësira dhe koha e lakuar, siç shihet nga pjesa më e madhe (hiperhapësirë shumëdimensionale); Shigjetat tregojnë se si hapësira përfshihet në lëvizje, dhe ngjyrat në ndryshim tregojnë se si koha përkulet. Fundi: Forma e valëve gravitacionale të emetuara.

Valët gravitacionale nga Big Bengu

Për në Kip Thorne. “Në vitin 1975, Leonid Grischuk, miku im i mirë nga Rusia, bëri një deklaratë të bujshme. Ai tha se në momentin e Big Bengut u ngritën shumë valë gravitacionale dhe mekanizmi i origjinës së tyre (i panjohur më parë) ishte si vijon: luhatjet kuantike (luhatje të rastësishme - shënimi i redaktorit) Fushat gravitacionale gjatë Big Bengut u rritën shumë nga zgjerimi fillestar i Universit dhe kështu u bënë valët gravitacionale origjinale. Këto valë, nëse zbulohen, mund të na tregojnë se çfarë ndodhi në lindjen e Universit tonë."

Nëse shkencëtarët gjejnë valët gravitacionale primordiale, ne do të dimë se si filloi Universi.

Njerëzit kanë zgjidhur larg të gjitha misteret e Universit. Ka më shumë për të ardhur.

Në vitet pasuese, ndërsa kuptimi ynë për Big Bengun u përmirësua, u bë e qartë se këto valë primordiale duhet të jenë të forta në gjatësi vale në përpjesëtim me madhësinë e Universit të dukshëm, domethënë në gjatësi prej miliarda vitesh dritë. A mund ta imagjinoni sa është kjo?.. Dhe në gjatësitë e valëve që mbulojnë detektorët LIGO (qindra e mijëra kilometra), valët ka shumë të ngjarë të jenë shumë të dobëta për t'u njohur.

Ekipi i Jamie Bock ndërtoi aparatin BICEP2, me të cilin u zbulua gjurma e valëve origjinale gravitacionale. Pajisja e vendosur në Polin e Veriut shfaqet këtu gjatë muzgut, i cili ndodh atje vetëm dy herë në vit.

Pajisja BICEP2. Imazhi nga libri Interstellar. Shkenca në prapaskenë"

Ai është i rrethuar nga mburoja që mbrojnë pajisjen nga rrezatimi nga mbulesa e akullit përreth. Në këndin e sipërm të djathtë ka një gjurmë të zbuluar në rrezatimin e sfondit kozmik të mikrovalës - një model polarizimi. Linjat e fushës elektrike drejtohen përgjatë goditjeve të shkurtra të lehta.

Gjurmë e fillimit të universit

Në fillim të viteve nëntëdhjetë, kozmologët kuptuan se këto valë gravitacionale, miliarda vite dritë të gjata, duhet të kenë lënë një gjurmë unike në valët elektromagnetike që mbushin Universin - të ashtuquajturin sfond mikrovalor kozmik, ose rrezatim kozmik të sfondit mikrovalor. Kjo filloi kërkimin për Graalin e Shenjtë. Në fund të fundit, nëse zbulojmë këtë gjurmë dhe nxjerrim prej saj vetitë e valëve gravitacionale origjinale, mund të zbulojmë se si lindi Universi.

Në mars 2014, ndërsa Kip Thorne po shkruante këtë libër, ekipi i Jamie Bok, një kozmolog në Caltech, zyra e të cilit është ngjitur me Thorne's, më në fund zbuloi këtë gjurmë në rrezatimin e sfondit kozmik të mikrovalës.

Ky është një zbulim absolutisht i mahnitshëm, por ka një pikë të diskutueshme: gjurma e gjetur nga ekipi i Jamie mund të ishte shkaktuar nga diçka tjetër përveç valëve gravitacionale.

Nëse vërtet gjendet një gjurmë e valëve gravitacionale që u ngritën gjatë Big Bengut, kjo do të thotë se një zbulim kozmologjik ka ndodhur në një nivel që ndodh ndoshta një herë në gjysmë shekulli. Kjo ju jep një shans për të prekur ngjarjet që ndodhën një triliontë e një triliontë e një triliontë e sekondës pas lindjes së Universit.

Ky zbulim konfirmon teoritë se zgjerimi i Universit në atë moment ishte jashtëzakonisht i shpejtë, në zhargonin e kozmologëve - shpejte inflacioniste. Dhe paralajmëron ardhjen e një epoke të re në kozmologji.

Valët gravitacionale dhe ndëryjore

Dje, në një konferencë për zbulimin e valëve gravitacionale, Valery Mitrofanov, kreu i bashkëpunimit të shkencëtarëve LIGO në Moskë, i cili përfshin 8 shkencëtarë nga Universiteti Shtetëror i Moskës, vuri në dukje se komploti i filmit "Interstellar", megjithëse fantastik, nuk është aq. larg realitetit. Dhe gjithçka sepse Kip Thorne ishte konsulenti shkencor. Vetë Thorne shprehu shpresën se ai beson në fluturimet e ardhshme me njerëz në një vrimë të zezë. Mund të mos ndodhin aq shpejt sa do të donim, por sot është shumë më reale se më parë.

Dita nuk është shumë e largët kur njerëzit do të largohen nga kufijtë e galaktikës sonë.

Ngjarja trazoi mendjet e miliona njerëzve. Mark Zuckerberg ka shkruar: “Zbulimi i valëve gravitacionale është zbulimi më i madh në shkencën moderne. Albert Einstein është një nga heronjtë e mi, prandaj e mora zbulimin kaq personalisht. Një shekull më parë, në kuadrin e Teorisë së Përgjithshme të Relativitetit (GTR), ai parashikoi ekzistencën e valëve gravitacionale. Por ato janë aq të vogla për t'u zbuluar saqë ka ardhur për t'i kërkuar në origjinën e ngjarjeve të tilla si Big Bengu, shpërthimet yjore dhe përplasjet e vrimave të zeza. Kur shkencëtarët analizojnë të dhënat e marra, një pamje krejtësisht e re e hapësirës do të hapet para nesh. Dhe ndoshta kjo do të hedhë dritë mbi origjinën e Universit, lindjen dhe zhvillimin e vrimave të zeza. Është shumë frymëzuese të mendosh se sa jetë dhe përpjekje janë bërë për të zbuluar këtë mister të Universit. Ky zbulim u bë i mundur falë talentit të shkencëtarëve dhe inxhinierëve të shkëlqyer, njerëzve të kombësive të ndryshme, si dhe teknologjive më të fundit kompjuterike që janë shfaqur vetëm kohët e fundit. Urime për të gjithë të përfshirët. Ajnshtajni do të ishte krenar për ty”.

Ky është fjalimi. Dhe ky është një person që është thjesht i interesuar për shkencën. Mund të imagjinohet se çfarë stuhie emocionesh pushtoi shkencëtarët që kontribuan në zbulimin. Duket se kemi qenë dëshmitarë të një epoke të re, miq. Kjo është e mahnitshme.

P.S.: Ju pëlqeu? Regjistrohu në buletinin tonë në horizont. Një herë në javë ne dërgojmë letra edukative dhe bëjmë zbritje në librat MYTH.

Valentin Nikolaevich Rudenko ndan historinë e vizitës së tij në qytetin e Cascina (Itali), ku ai kaloi një javë në "antenën gravitacionale" të sapo ndërtuar në atë kohë - interferometri optik Michelson. Rrugës për në destinacion, taksisti pyet pse u ndërtua instalimi. "Njerëzit këtu mendojnë se është për të folur me Zotin," pranon shoferi.

– Çfarë janë valët gravitacionale?

– Vala gravitacionale është një nga “bartësit e informacionit astrofizik”. Ka kanale të dukshme të informacionit astrofizik, teleskopët luajnë një rol të veçantë në "vizionin e largët". Astronomët kanë zotëruar gjithashtu kanale me frekuencë të ulët - mikrovalë dhe infra të kuqe, dhe kanale me frekuencë të lartë - rreze X dhe gama. Përveç rrezatimit elektromagnetik, ne mund të zbulojmë rrjedhat e grimcave nga Hapësira. Për këtë qëllim, përdoren teleskopë neutrino - detektorë me përmasa të mëdha të neutrinos kozmike - grimca që ndërveprojnë dobët me materien dhe për këtë arsye janë të vështira për t'u regjistruar. Pothuajse të gjitha llojet e parashikuara teorikisht dhe të studiuara në laborator të "bartësve të informacionit astrofizik" janë zotëruar në mënyrë të besueshme në praktikë. Përjashtim ishte graviteti - ndërveprimi më i dobët në mikrokozmos dhe forca më e fuqishme në makrokozmos.

Graviteti është gjeometri. Valët gravitacionale janë valë gjeometrike, domethënë valë që ndryshojnë karakteristikat gjeometrike të hapësirës kur kalojnë nëpër atë hapësirë. Përafërsisht, këto janë valë që deformojnë hapësirën. Sforcimi është ndryshimi relativ në distancën midis dy pikave. Rrezatimi gravitacional ndryshon nga të gjitha llojet e tjera të rrezatimit pikërisht në atë që është gjeometrik.

– A i parashikoi Ajnshtajni valët gravitacionale?

– Formalisht, besohet se valët gravitacionale u parashikuan nga Ajnshtajni si një nga pasojat e teorisë së tij të përgjithshme të relativitetit, por në fakt ekzistenca e tyre bëhet e dukshme tashmë në teorinë speciale të relativitetit.

Teoria e relativitetit sugjeron që, për shkak të tërheqjes gravitacionale, është e mundur kolapsi gravitacional, domethënë tkurrja e një objekti si rezultat i kolapsit, përafërsisht, deri në një pikë. Atëherë graviteti është aq i fortë sa drita as nuk mund t'i ikë, kështu që një objekt i tillë në mënyrë figurative quhet vrimë e zezë.

– Cila është veçoria e bashkëveprimit gravitacional?

Një tipar i ndërveprimit gravitacional është parimi i ekuivalencës. Sipas tij, përgjigja dinamike e një trupi testues në një fushë gravitacionale nuk varet nga masa e këtij trupi. E thënë thjesht, të gjithë trupat bien me të njëjtin nxitim.

Ndërveprimi gravitacional është më i dobëti që njohim sot.

– Kush ishte i pari që u përpoq të kapte një valë gravitacionale?

– Eksperimenti i valëve gravitacionale u krye për herë të parë nga Joseph Weber nga Universiteti i Maryland (SHBA). Ai krijoi një detektor gravitacional, i cili tani mbahet në Muzeun Smithsonian në Uashington. Në vitet 1968-1972, Joe Weber kreu një seri vëzhgimesh në një palë detektorësh të ndarë në hapësirë, duke u përpjekur të izolonte rastet e "rastësisë". Teknika e rastësisë është huazuar nga fizika bërthamore. Rëndësia e ulët statistikore e sinjaleve gravitacionale të marra nga Weber shkaktoi një qëndrim kritik ndaj rezultateve të eksperimentit: nuk kishte besim se valët gravitacionale ishin zbuluar. Më pas, shkencëtarët u përpoqën të rrisin ndjeshmërinë e detektorëve të tipit Weber. U deshën 45 vjet për të zhvilluar një detektor, ndjeshmëria e të cilit ishte e përshtatshme për parashikimin astrofizik.

Gjatë fillimit të eksperimentit, u zhvilluan shumë eksperimente të tjera përpara se të regjistroheshin impulset gjatë kësaj periudhe, por intensiteti i tyre ishte shumë i ulët.

– Pse nuk u njoftua menjëherë fiksimi i sinjalit?

– Valët gravitacionale u regjistruan në shtator 2015. Por edhe nëse është regjistruar një rastësi, para se të shpallet, duhet të vërtetohet se nuk është e rastësishme. Sinjali i marrë nga çdo antenë përmban gjithmonë breshëri zhurmash (shpërthime afatshkurtra) dhe njëra prej tyre mund të ndodhë aksidentalisht njëkohësisht me një shpërthim zhurme në një antenë tjetër. Është e mundur të vërtetohet se rastësia nuk ishte e rastësishme vetëm me ndihmën e vlerësimeve statistikore.

– Pse janë kaq të rëndësishme zbulimet në fushën e valëve gravitacionale?

– Aftësia për të regjistruar sfondin gravitacional relikt dhe për të matur karakteristikat e tij, si dendësia, temperatura, etj., na lejon t'i afrohemi fillimit të universit.

Ajo që është tërheqëse është se rrezatimi gravitacional është i vështirë për t'u zbuluar sepse ndërvepron shumë dobët me materien. Por, falë kësaj vetie, ajo kalon pa përthithje nga objektet më të largëta prej nesh me vetitë më misterioze, nga pikëpamja e materies.

Mund të themi se rrezatimi gravitacional kalon pa shtrembërim. Qëllimi më ambicioz është studimi i rrezatimit gravitacional që u nda nga lënda parësore në Teorinë e Big Bengut, e cila u krijua në krijimin e Universit.

– A e përjashton teorinë kuantike zbulimi i valëve gravitacionale?

Teoria e gravitetit supozon ekzistencën e kolapsit gravitacional, domethënë tkurrjen e objekteve masive në një pikë. Në të njëjtën kohë, teoria kuantike e zhvilluar nga Shkolla e Kopenhagës sugjeron se, falë parimit të pasigurisë, është e pamundur të tregohen njëkohësisht saktësisht parametra të tillë si koordinata, shpejtësia dhe momenti i një trupi. Këtu ekziston një parim i pasigurisë, është e pamundur të përcaktohet trajektorja e saktë, sepse trajektorja është njëkohësisht një koordinatë dhe një shpejtësi, etj. Është e mundur të përcaktohet vetëm një korridor i caktuar besimi i kushtëzuar brenda kufijve të këtij gabimi; me parimet e pasigurisë. Teoria kuantike mohon kategorikisht mundësinë e objekteve pika, por i përshkruan ato në një mënyrë statistikisht probabiliste: ajo nuk tregon në mënyrë specifike koordinatat, por tregon probabilitetin që ajo të ketë koordinata të caktuara.

Çështja e unifikimit të teorisë kuantike dhe teorisë së gravitetit është një nga pyetjet themelore të krijimit të një teorie të unifikuar të fushës.

Ata vazhdojnë të punojnë për të tani, dhe fjalët "gravitet kuantik" nënkuptojnë një zonë krejtësisht të avancuar të shkencës, kufirin e dijes dhe injorancës, ku tani punojnë të gjithë teoricienët në botë.

– Çfarë mund të sjellë zbulimi në të ardhmen?

Valët gravitacionale duhet të formojnë në mënyrë të pashmangshme themelin e shkencës moderne si një nga komponentët e njohurive tona. Ato luajnë një rol të rëndësishëm në evolucionin e Universit dhe me ndihmën e këtyre valëve duhet studiuar Universi. Zbulimi kontribuon në zhvillimin e përgjithshëm të shkencës dhe kulturës.

Nëse vendosni të shkoni përtej fushëveprimit të shkencës së sotme, atëherë është e lejueshme të imagjinoni linja telekomunikuese gravitacionale, pajisje reaktive që përdorin rrezatim gravitacional, pajisje introskopie të valëve gravitacionale.

– A kanë lidhje valët gravitacionale me perceptimin jashtëshqisor dhe telepatinë?

Nuk Ka. Efektet e përshkruara janë efektet e botës kuantike, efektet e optikës.

Intervistoi Anna Utkina

Valët gravitacionale - interpretim i artistit

Valët gravitacionale janë shqetësime të metrikës hapësinore-kohë që shkëputen nga burimi dhe përhapen si valë (të ashtuquajturat "valë hapësinore-kohë").

Në relativitetin e përgjithshëm dhe në shumicën e teorive të tjera moderne të gravitetit, valët gravitacionale krijohen nga lëvizja e trupave masivë me nxitim të ndryshueshëm. Valët gravitacionale përhapen lirshëm në hapësirë me shpejtësinë e dritës. Për shkak të dobësisë relative të forcave gravitacionale (krahasuar me të tjerat), këto valë kanë një madhësi shumë të vogël, e cila është e vështirë të regjistrohet.

Vala gravitacionale e polarizuar

Valët gravitacionale parashikohen nga teoria e përgjithshme e relativitetit (GR) dhe shumë të tjera. Ato u zbuluan për herë të parë drejtpërdrejt në shtator 2015 nga dy detektorë binjakë, të cilët zbuluan valë gravitacionale që mund të rezultojnë nga bashkimi i dyve për të formuar një vrimë të zezë të vetme, më masive, rrotulluese. Dëshmia indirekte e ekzistencës së tyre është e njohur që nga vitet 1970 - Relativiteti i Përgjithshëm parashikon shkallën e konvergjencës së sistemeve të afërta për shkak të humbjes së energjisë për shkak të emetimit të valëve gravitacionale, që përkon me vëzhgimet. Regjistrimi i drejtpërdrejtë i valëve gravitacionale dhe përdorimi i tyre për të përcaktuar parametrat e proceseve astrofizike është një detyrë e rëndësishme e fizikës dhe astronomisë moderne.

Brenda kuadrit të relativitetit të përgjithshëm, valët gravitacionale përshkruhen nga zgjidhjet e ekuacioneve të Ajnshtajnit të tipit valë, të cilat paraqesin një shqetësim të metrikës hapësirë-kohë që lëviz me shpejtësinë e dritës (në përafrim linear). Shfaqja e këtij shqetësimi duhet të jetë, në veçanti, një ndryshim periodik në distancën midis dy masave testuese që bien lirisht (d.m.th., të pa ndikuar nga ndonjë forcë). Amplituda h Vala gravitacionale është një sasi pa dimension - një ndryshim relativ në distancë. Amplituda maksimale e parashikuar e valëve gravitacionale nga objektet astrofizike (për shembull, sistemet kompakte binare) dhe fenomenet (shpërthimet, bashkimet, kapjet nga vrimat e zeza, etj.) kur maten janë shumë të vogla ( h=10 −18 -10 −23). Një valë gravitacionale e dobët (lineare), sipas teorisë së përgjithshme të relativitetit, transferon energji dhe moment, lëviz me shpejtësinë e dritës, është tërthore, katërpolëshe dhe përshkruhet nga dy komponentë të pavarur të vendosur në një kënd 45° me njëri-tjetrin. ka dy drejtime polarizimi).

Teori të ndryshme parashikojnë ndryshe shpejtësinë e përhapjes së valëve gravitacionale. Në relativitetin e përgjithshëm, është e barabartë me shpejtësinë e dritës (në përafrimin linear). Në teoritë e tjera të gravitetit, ai mund të marrë çdo vlerë, duke përfshirë pafundësinë. Sipas regjistrimit të parë të valëve gravitacionale, shpërndarja e tyre doli të ishte e pajtueshme me një graviton pa masë, dhe shpejtësia u vlerësua të jetë e barabartë me shpejtësinë e dritës.

Gjenerimi i valëve gravitacionale

Një sistem me dy yje neutrone krijon valëzime në hapësirë-kohë

Një valë gravitacionale emetohet nga çdo lëndë që lëviz me nxitim asimetrik. Që të ndodhë një valë me amplitudë të konsiderueshme, kërkohet një masë jashtëzakonisht e madhe e emetuesit dhe/ose përshpejtime të mëdha, amplituda e valës gravitacionale është drejtpërdrejt proporcionale derivati i parë i nxitimit dhe masa e gjeneratorit, që është ~ . Sidoqoftë, nëse një objekt lëviz me një shpejtësi të përshpejtuar, kjo do të thotë se një forcë po vepron mbi të nga një objekt tjetër. Nga ana tjetër, ky objekt tjetër përjeton efektin e kundërt (sipas ligjit të 3-të të Njutonit), dhe rezulton se m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Rezulton se dy objekte lëshojnë valë gravitacionale vetëm në çifte, dhe si rezultat i ndërhyrjes ato anulohen reciprokisht pothuajse plotësisht. Prandaj, rrezatimi gravitacional në teorinë e përgjithshme të relativitetit ka gjithmonë karakterin shumëpolësh të të paktën rrezatimit katërpolësh. Përveç kësaj, për emetuesit jorelativistë në shprehjen për intensitetin e rrezatimit ekziston një parametër i vogël ku është rrezja gravitacionale e emetuesit, r- madhësia e tij karakteristike, T- periudha karakteristike e lëvizjes, c- shpejtësia e dritës në vakum.

Burimet më të forta të valëve gravitacionale janë:

përplasje (masa gjigante, nxitime shumë të vogla),
kolapsi gravitacional i një sistemi binar të objekteve kompakte (përshpejtime kolosale me një masë mjaft të madhe). Si një rast i veçantë dhe më interesant - bashkimi i yjeve neutron. Në një sistem të tillë, shkëlqimi i valës gravitacionale është afër shkëlqimit maksimal të Plankut të mundshëm në natyrë.

Valët gravitacionale të emetuara nga një sistem me dy trupa

Dy trupa që lëvizin në orbita rrethore rreth një qendre të përbashkët të masës

Dy trupa të lidhur në mënyrë gravitacionale me masa m 1 dhe m 2, duke lëvizur në mënyrë jorelativiste ( v << c) në orbita rrethore rreth qendrës së tyre të përbashkët të masës në një distancë r nga njëra-tjetra, lëshojnë valë gravitacionale të energjisë së mëposhtme, mesatarisht gjatë periudhës:

Si rezultat, sistemi humbet energjinë, gjë që çon në konvergjencën e trupave, domethënë në një ulje të distancës midis tyre. Shpejtësia e afrimit të trupave:

Për Sistemin Diellor, për shembull, rrezatimi më i madh gravitacional prodhohet nga nënsistemi dhe. Fuqia e këtij rrezatimi është afërsisht 5 kilovat. Kështu, energjia e humbur nga Sistemi Diellor ndaj rrezatimit gravitacional në vit është krejtësisht e papërfillshme në krahasim me energjinë karakteristike kinetike të trupave.

Kolapsi gravitacional i një sistemi binar

Çdo yll i dyfishtë, kur përbërësit e tij rrotullohen rreth një qendre të përbashkët të masës, humbet energjinë (siç supozohet - për shkak të emetimit të valëve gravitacionale) dhe, në fund, bashkohet së bashku. Por për yjet e zakonshëm, jo kompakt, të dyfishtë, ky proces kërkon një kohë shumë të gjatë, shumë më tepër se epoka aktuale. Nëse një sistem binar kompakt përbëhet nga një palë yje neutron, vrima të zeza ose një kombinim i të dyjave, atëherë bashkimi mund të ndodhë brenda disa milion viteve. Së pari, objektet afrohen më shumë dhe periudha e tyre e revolucionit zvogëlohet. Pastaj, në fazën përfundimtare, ndodh një përplasje dhe kolaps gravitacional asimetrik. Ky proces zgjat një pjesë të sekondës dhe gjatë kësaj kohe energjia humbet në rrezatim gravitacional, i cili, sipas disa vlerësimeve, arrin në më shumë se 50% të masës së sistemit.

Zgjidhjet e sakta themelore të ekuacioneve të Ajnshtajnit për valët gravitacionale

Valët e trupit Bondi-Pirani-Robinson

Këto valë përshkruhen nga një metrikë e formës. Nëse prezantojmë një ndryshore dhe një funksion, atëherë nga ekuacionet e relativitetit të përgjithshëm marrim ekuacionin

Takeno Metric

ka formën , -funksionet plotësojnë të njëjtin ekuacion.

Rozen metrike

Ku të kënaq

Metrikë Perez

Valët cilindrike Ajnshtajn-Rosen

Në koordinatat cilindrike, valë të tilla kanë formën dhe ekzekutohen

Regjistrimi i valëve gravitacionale

Regjistrimi i valëve gravitacionale është mjaft i vështirë për shkak të dobësisë së kësaj të fundit (shtrembërim i vogël i metrikës). Pajisjet për regjistrimin e tyre janë detektorë të valëve gravitacionale. Përpjekjet për të zbuluar valët gravitacionale janë bërë që nga fundi i viteve 1960. Valët gravitacionale me amplitudë të dallueshme lindin gjatë kolapsit të një binar. Ngjarje të ngjashme ndodhin në zonën përreth afërsisht një herë në dekadë.

Nga ana tjetër, teoria e përgjithshme e relativitetit parashikon përshpejtimin e rrotullimit të ndërsjellë të yjeve binare për shkak të humbjes së energjisë për shkak të emetimit të valëve gravitacionale, dhe ky efekt regjistrohet në mënyrë të besueshme në disa sisteme të njohura të objekteve kompakte binare (në veçanërisht, pulsarët me shoqërues kompakt). Në vitin 1993, "për zbulimin e një lloji të ri pulsari, i cili u dha mundësi të reja në studimin e gravitetit" zbuluesve të pulsarit të parë të dyfishtë PSR B1913+16, Russell Hulse dhe Joseph Taylor Jr. u nderua me Çmimin Nobel në Fizikë. Përshpejtimi i rrotullimit i vërejtur në këtë sistem përkon plotësisht me parashikimet e relativitetit të përgjithshëm për emetimin e valëve gravitacionale. I njëjti fenomen u regjistrua në disa raste të tjera: për pulsarët PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (zakonisht shkurtuar J0651) dhe sistemin binar RX J0806. Për shembull, distanca midis dy komponentëve A dhe B të yllit të parë binar të dy pulsarëve PSR J0737-3039 zvogëlohet me rreth 2,5 inç (6,35 cm) në ditë për shkak të humbjes së energjisë ndaj valëve gravitacionale, dhe kjo ndodh në përputhje me relativiteti i përgjithshëm. Të gjitha këto të dhëna interpretohen si konfirmim indirekt i ekzistencës së valëve gravitacionale.

Sipas vlerësimeve, burimet më të forta dhe më të shpeshta të valëve gravitacionale për teleskopët dhe antenat gravitacionale janë katastrofat që lidhen me kolapsin e sistemeve binare në galaktikat e afërta. Pritet që në të ardhmen e afërt disa ngjarje të ngjashme në vit do të regjistrohen në detektorë gravitacionalë të përmirësuar, duke shtrembëruar metrikën në afërsi me 10 -21 -10 -23 . Vëzhgimet e para të një sinjali të rezonancës parametrike optiko-metrike, i cili bën të mundur zbulimin e efektit të valëve gravitacionale nga burime periodike si një binar i ngushtë në rrezatimin e maserëve kozmikë, mund të jenë marrë në observatorin radioastronomik të Rusisë. Akademia e Shkencave, Pushchino.

Një mundësi tjetër për të zbuluar sfondin e valëve gravitacionale që mbushin Universin është koha me saktësi të lartë të pulsarëve të largët - analiza e kohës së mbërritjes së pulseve të tyre, e cila ndryshon në mënyrë karakteristike nën ndikimin e valëve gravitacionale që kalojnë nëpër hapësirën midis Tokës dhe pulsarit. Vlerësimet për vitin 2013 tregojnë se saktësia e kohës duhet të përmirësohet me rreth një rend magnitudë për të zbuluar valët e sfondit nga burime të shumta në Universin tonë, një detyrë që mund të realizohet para fundit të dekadës.

Sipas koncepteve moderne, Universi ynë është i mbushur me valë gravitacionale relike që u shfaqën në momentet e para më pas. Regjistrimi i tyre do të bëjë të mundur marrjen e informacionit për proceset në fillim të lindjes së Universit. Më 17 mars 2014 në orën 20:00 me kohën e Moskës në Qendrën Harvard-Smithsonian për Astrofizikën, një grup amerikan studiuesish që punonin në projektin BICEP 2 njoftuan zbulimin e shqetësimeve të tensorit jo zero në Universin e hershëm nga polarizimi i kozmikut. rrezatimi i sfondit mikrovalor, i cili është edhe zbulimi i këtyre valëve gravitacionale relikte. Megjithatë, pothuajse menjëherë ky rezultat u kundërshtua, pasi, siç doli, kontributi nuk u mor parasysh siç duhet. Një nga autorët, J. M. Kovats ( Kovac J. M.), pranoi se "pjesëmarrësit dhe gazetarët shkencorë ishin pak të nxituar në interpretimin dhe raportimin e të dhënave nga eksperimenti BICEP2."

Konfirmimi eksperimental i ekzistencës

Sinjali i parë i regjistruar i valës gravitacionale. Në të majtë janë të dhënat nga detektori në Hanford (H1), në të djathtë - në Livingston (L1). Koha llogaritet nga data 14 shtator 2015, ora 09:50:45 UTC. Për të vizualizuar sinjalin, ai filtrohet me një filtër frekuencash me një brez kalimi prej 35-350 Hertz për të shtypur luhatjet e mëdha jashtë gamës së ndjeshmërisë së lartë të detektorëve u përdorën gjithashtu filtra të ndalimit të brezit për të shtypur zhurmën e vetë instalimeve. Rreshti i sipërm: tensionet h në detektorë. GW150914 mbërriti fillimisht në L1 dhe 6 9 +0 5 −0 4 ms më vonë në H1; Për krahasim vizual, të dhënat nga H1 tregohen në grafikun L1 në formë të kundërt dhe të zhvendosur në kohë (për të llogaritur orientimin relativ të detektorëve). Rreshti i dytë: tensionet h nga sinjali i valës gravitacionale, të kaluara përmes të njëjtit filtër brezkalimi 35-350 Hz. Linja e ngurtë është rezultat i relativitetit numerik për një sistem me parametra të përputhshëm me ato të gjetura bazuar në studimin e sinjalit GW150914, të marrë nga dy kode të pavarura me një përputhje rezultuese prej 99.9. Vijat e trasha gri janë rajonet e besimit 90% të formës valore të rindërtuara nga të dhënat e detektorit me dy metoda të ndryshme. Linja gri e errët modelon sinjalet e pritshme nga bashkimi i vrimave të zeza, vija gri e lehtë nuk përdor modele astrofizike, por përfaqëson sinjalin si një kombinim linear i valëve sinusoidale-Gaussian. Rikonstruksionet mbivendosen me 94%. Rreshti i tretë: Gabimet e mbetura pas nxjerrjes së parashikimit të filtruar të sinjalit të relativitetit numerik nga sinjali i filtruar i detektorëve. Rreshti i poshtëm: Një paraqitje e hartës së frekuencës së tensionit, që tregon rritjen e frekuencës dominuese të sinjalit me kalimin e kohës.

11 Shkurt 2016 nga bashkëpunimet LIGO dhe VIRGO. Sinjali i bashkimit të dy vrimave të zeza me një amplitudë në maksimum rreth 10 -21 u regjistrua më 14 shtator 2015 në orën 9:51 UTC nga dy detektorë LIGO në Hanford dhe Livingston, 7 milisekonda larg njëri-tjetrit, në rajonin e amplitudës maksimale të sinjalit ( 0.2 sekonda) i kombinuar raporti sinjal-zhurmë ishte 24:1. Sinjali u emërua GW150914. Forma e sinjalit përputhet me parashikimin e relativitetit të përgjithshëm për bashkimin e dy vrimave të zeza me masa 36 dhe 29 masa diellore; vrima e zezë që rezulton duhet të ketë një masë prej 62 diellore dhe një parametër rrotullimi a= 0,67. Distanca nga burimi është rreth 1.3 miliardë, energjia e emetuar në të dhjetat e sekondës në bashkim është e barabartë me rreth 3 masa diellore.

Histori

Historia e vetë termit "valë gravitacionale", kërkimi teorik dhe eksperimental i këtyre valëve, si dhe përdorimi i tyre për studimin e fenomeneve të paarritshme për metodat e tjera.

1900 - Lorentz sugjeroi se graviteti "...mund të përhapet me një shpejtësi jo më të madhe se shpejtësia e dritës";
1905 - Poincaré fillimisht prezantoi termin valë gravitacionale (onde gravifique). Poincaré, në një nivel cilësor, hoqi kundërshtimet e vendosura të Laplace dhe tregoi se korrigjimet e lidhura me valët gravitacionale ndaj ligjeve përgjithësisht të pranuara të gravitetit të Njutonit janë anuluar, kështu që supozimi i ekzistencës së valëve gravitacionale nuk bie në kundërshtim me vëzhgimet;
1916 - Ajnshtajni tregoi se, brenda kuadrit të relativitetit të përgjithshëm, një sistem mekanik do të transferojë energji në valët gravitacionale dhe, përafërsisht, çdo rrotullim në lidhje me yjet fikse herët a vonë duhet të ndalet, megjithëse, natyrisht, në kushte normale, humbjet e energjisë të rendit të madhësisë janë të papërfillshme dhe praktikisht jo të matshme (në këtë vepër, ai gjithashtu besoi gabimisht se një sistem mekanik që ruan vazhdimisht simetrinë sferike mund të lëshojë valë gravitacionale);
1918 - Ajnshtajni nxori një formulë katërpolëshe në të cilën emetimi i valëve gravitacionale rezulton të jetë një efekt i rendit , duke korrigjuar kështu gabimin në punën e tij të mëparshme (një gabim mbeti në koeficient, energjia e valës është 2 herë më pak);
1923 - Eddington - vuri në dyshim realitetin fizik të valëve gravitacionale "...duke përhapur...me shpejtësinë e mendimit". Në vitin 1934, kur përgatiti përkthimin rus të monografisë së tij "Teoria e Relativitetit", Eddington shtoi disa kapituj, duke përfshirë kapituj me dy opsione për llogaritjen e humbjeve të energjisë nga një shufër rrotulluese, por vuri në dukje se metodat e përdorura për llogaritjet e përafërta të relativitetit të përgjithshëm, sipas mendimit të tij, nuk janë të zbatueshme për sistemet e lidhura me gravitacion, kështu që dyshimet mbeten;
1937 - Ajnshtajni, së bashku me Rosen, hetuan zgjidhjet e valëve cilindrike për ekuacionet e sakta të fushës gravitacionale. Gjatë rrjedhës së këtyre studimeve, ata filluan të dyshojnë se valët gravitacionale mund të jenë një objekt i zgjidhjeve të përafërta të ekuacioneve të relativitetit të përgjithshëm (është e njohur korrespondenca në lidhje me një rishikim të artikullit "A ekzistojnë valët gravitacionale?" nga Einstein dhe Rosen). Më vonë, ai gjeti një gabim në arsyetimin e tij, versioni përfundimtar i artikullit me ndryshime thelbësore u botua në Journal of the Franklin Institute;
1957 - Herman Bondi dhe Richard Feynman propozuan eksperimentin e mendimit "kallam me rruaza" në të cilin ata vërtetuan ekzistencën e pasojave fizike të valëve gravitacionale në relativitetin e përgjithshëm;
1962 - Vladislav Pustovoit dhe Mikhail Herzenstein përshkruan parimet e përdorimit të interferometrave për të zbuluar valët gravitacionale me valë të gjata;
1964 - Philip Peters dhe John Matthew përshkruan teorikisht valët gravitacionale të emetuara nga sistemet binare;
1969 - Joseph Weber, themeluesi i astronomisë së valëve gravitacionale, raporton zbulimin e valëve gravitacionale duke përdorur një detektor rezonant - një antenë mekanike gravitacionale. Këto raporte nxisin një rritje të shpejtë të punës në këtë drejtim, në veçanti, Rainier Weiss, një nga themeluesit e projektit LIGO, filloi eksperimentet në atë kohë. Deri më sot (2015), askush nuk ka mundur të marrë konfirmim të besueshëm të këtyre ngjarjeve;
1978 - Joseph Taylor raportoi zbulimin e rrezatimit gravitacional në sistemin binar pulsar PSR B1913+16. Hulumtimi i Joseph Taylor dhe Russell Hulse u dha atyre çmimin Nobel në Fizikë në vitin 1993. Që nga fillimi i vitit 2015, tre parametra post-keplerian, përfshirë reduktimin e periudhës për shkak të emetimit të valëve gravitacionale, ishin matur për të paktën 8 sisteme të tilla;
2002 - Sergey Kopeikin dhe Edward Fomalont përdorën interferometrinë e valëve radio me vijë bazë ultra të gjatë për të matur devijimin e dritës në fushën gravitacionale të Jupiterit në dinamikë, e cila për një klasë të caktuar të zgjerimeve hipotetike të relativitetit të përgjithshëm bën të mundur vlerësimin e shpejtësisë së graviteti - diferenca nga shpejtësia e dritës nuk duhet të kalojë 20% (ky interpretim nuk pranohet përgjithësisht);
2006 - ekipi ndërkombëtar i Martha Bourgay (Observatori Parkes, Australi) raportoi një konfirmim dukshëm më të saktë të relativitetit të përgjithshëm dhe korrespondencën e tij me madhësinë e rrezatimit të valëve gravitacionale në sistemin e dy pulsarëve PSR J0737-3039A/B;
2014 - Astronomët në Qendrën e Astrofizikës Harvard-Smithsonian (BICEP) raportuan zbulimin e valëve gravitacionale primordiale gjatë matjes së luhatjeve në rrezatimin e sfondit të mikrovalës kozmike. Për momentin (2016), luhatjet e zbuluara konsiderohen se nuk janë me origjinë relikte, por shpjegohen me emetimin e pluhurit në Galaxy;
2016 - ekipi ndërkombëtar LIGO raportoi zbulimin e ngjarjes së tranzitit të valës gravitacionale GW150914. Për herë të parë, vëzhgimi i drejtpërdrejtë i trupave masivë ndërveprues në fusha gravitacionale ultra të forta me shpejtësi relative ultra të larta (< 1,2 × R s , v/c >0.5), i cili bëri të mundur verifikimin e korrektësisë së relativitetit të përgjithshëm me një saktësi të disa termave post-njutonian të porosive të larta. Shpërndarja e matur e valëve gravitacionale nuk bie ndesh me matjet e bëra më parë të shpërndarjes dhe kufirit të sipërm në masën e një gravitoni hipotetik (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.