„Recent, o serie de experimente de observare directă pe termen lung au trezit un puternic interes în comunitatea științifică. valuri gravitationale„”, a scris fizicianul teoretician Michio Kaku în cartea „Cosmosul lui Einstein” în 2004. — Proiectul LIGO (Laser Interferometer for Observing Gravitational Waves) poate fi primul care „vad” unde gravitaționale, cel mai probabil de la ciocnirea a două găuri negre din spațiul profund. LIGO este visul unui fizician devenit realitate, prima instalație cu suficientă putere pentru a măsura undele gravitaționale.”

Predicția lui Kaku s-a adeverit: joi, un grup de oameni de știință internaționali de la observatorul LIGO a anunțat descoperirea undelor gravitaționale.

Undele gravitaționale sunt oscilații în spațiu-timp care „scapă” de obiecte masive (cum ar fi găurile negre) care se mișcă cu accelerație. Cu alte cuvinte, undele gravitaționale sunt o perturbare de răspândire a spațiului-timp, o deformare călătorie a vidului absolut.

O gaură neagră este o regiune din spațiu-timp a cărei atracție gravitațională este atât de puternică încât chiar și obiectele care se mișcă cu viteza luminii (inclusiv lumina însăși) nu pot părăsi aceasta. Granița care separă o gaură neagră de restul lumii se numește orizont de evenimente: tot ceea ce se întâmplă în interiorul orizontului de evenimente este ascuns de ochii unui observator extern.

Erin Ryan O fotografie cu un tort postat online de Erin Ryan.

Oamenii de știință au început să prindă undele gravitaționale în urmă cu o jumătate de secol: atunci fizicianul american Joseph Weber s-a interesat de teoria relativității generale (GTR) a lui Einstein, a luat un an sabatic și a început să studieze undele gravitaționale. Weber a inventat primul dispozitiv de detectare a undelor gravitaționale și a anunțat curând că a înregistrat „sunetul undelor gravitaționale”. Cu toate acestea, comunitatea științifică a respins mesajul său.

Cu toate acestea, datorită lui Joseph Weber, mulți oameni de știință s-au transformat în „vânători de valuri”. Astăzi, Weber este considerat părintele domeniului științific al astronomiei undelor gravitaționale.

„Acesta este începutul unei noi ere a astronomiei gravitaționale”

Observatorul LIGO, unde oamenii de știință au înregistrat undele gravitaționale, este format din trei instalații laser în Statele Unite: două sunt situate în statul Washington și una în Louisiana. Așa descrie Michio Kaku funcționarea detectorilor laser: „Raza laser este împărțită în două fascicule separate, care apoi merg perpendicular unul pe celălalt. Apoi, reflectate de oglindă, se conectează din nou. Dacă o undă gravitațională trece printr-un interferometru (dispozitiv de măsurare), lungimile traseului celor două fascicule laser vor fi perturbate și acest lucru se va reflecta în modelul lor de interferență. Pentru a vă asigura că semnalul înregistrat de instalația laser nu este aleatoriu, detectoarele ar trebui plasate în diferite puncte de pe Pământ.

Doar sub influența unei unde gravitaționale gigantice, mult mai mare decât dimensiunea planetei noastre, toți detectoarele vor funcționa simultan.”

Acum, colaborarea LIGO a detectat radiația gravitațională cauzată de fuziunea unui sistem binar de găuri negre cu mase de 36 și 29 de mase solare într-un obiect cu o masă de 62 de mase solare. „Aceasta este prima măsurătoare directă (este foarte important că este directă!) a acțiunii undelor gravitaționale”, a comentat Serghei Vyatchanin, profesor la Facultatea de Fizică a Universității de Stat din Moscova, corespondentului Gazeta.Ru. departamentul de știință. — Adică a fost primit un semnal de la catastrofa astrofizică a fuziunii a două găuri negre. Și acest semnal este identificat - și acesta este foarte important! Este clar că aceasta este de la două găuri negre. Și acesta este începutul nouă eră astronomia gravitațională, care va face posibilă obținerea de informații despre Univers nu numai prin surse optice, cu raze X, electromagnetice și neutrini - ci și prin unde gravitaționale.

Putem spune că 90 la sută din găurile negre au încetat să mai fie obiecte ipotetice. Rămâne unele îndoieli, dar totuși semnalul care a fost prins se potrivește foarte bine cu ceea ce este prezis de nenumăratele simulări ale fuziunii a două găuri negre în conformitate cu teoria generală a relativității.

Acesta este un argument puternic că găurile negre există. Nu există încă o altă explicație pentru acest semnal. Prin urmare, este acceptat faptul că găurile negre există.”

„Einstein ar fi foarte fericit”

Undele gravitaționale au fost prezise de Albert Einstein (care, apropo, era sceptic cu privire la existența găurilor negre) ca parte a teoriei sale generale a relativității. În GR, timpul se adaugă celor trei dimensiuni spațiale, iar lumea devine patrudimensională. Conform teoriei care a dat peste cap toată fizica, gravitația este o consecință a curburii spațiu-timpului sub influența masei.

Einstein a demonstrat că orice materie care se mișcă cu accelerație creează o perturbare în spațiu-timp - o undă gravitațională. Această perturbare este mai mare, cu cât accelerația și masa obiectului sunt mai mari.

Din cauza slăbiciunii forte gravitationaleÎn comparație cu alte interacțiuni fundamentale, aceste unde ar trebui să aibă o magnitudine foarte mică, greu de înregistrat.

Când explică relativitatea generală oamenilor de știință, fizicienii le cer adesea să-și imagineze o foaie de cauciuc întinsă pe care sunt coborâte bile masive. Bilele presează prin cauciuc, iar foaia întinsă (care reprezintă spațiu-timp) este deformată. Conform relativității generale, întregul Univers este cauciuc, pe care fiecare planetă, fiecare stea și fiecare galaxie lasă urme. Pământul nostru se rotește în jurul Soarelui ca o minge mică, lansată să se rostogolească în jurul conului unei pâlnii formate ca urmare a „împingerii” spațiu-timp de către o minge grea.

FIȘĂ/Reuters

Mingea grea este Soarele

Este probabil ca descoperirea undelor gravitaționale, care este principala confirmare a teoriei lui Einstein, să fie eligibilă pentru Premiul Nobel pentru Fizică. „Einstein ar fi foarte fericit”, a spus Gabriella Gonzalez, purtătoare de cuvânt a colaborării LIGO.

Potrivit oamenilor de știință, este prea devreme să vorbim despre aplicabilitatea practică a descoperirii. „Deși, ar putea Heinrich Hertz (fizicianul german care a dovedit existența undelor electromagnetice. - Gazeta.Ru) să creadă că ar exista telefon mobil? Nu! „Nu ne putem imagina nimic acum”, a spus Valery Mitrofanov, profesor la Facultatea de Fizică a Universității de Stat din Moscova. M.V. Lomonosov. — Mă concentrez pe filmul „Interstellar”. Este criticat, da, dar și un om sălbatic și-ar putea imagina un covor magic. Și covorul magic s-a transformat într-un avion și atât. Și aici trebuie să ne imaginăm ceva foarte complex. În Interstellar, unul dintre puncte este legat de faptul că o persoană poate călători dintr-o lume în alta. Dacă îți imaginezi așa, crezi că o persoană poate călători dintr-o lume în alta, că pot exista multe universuri - orice? Nu pot răspunde nu. Pentru că un fizician nu poate răspunde la o astfel de întrebare „nu”! Doar dacă contravine unor legi de conservare! Există opțiuni care nu contrazic legile fizice cunoscute. Deci, pot exista călătorii prin lumi!”

La o sută de ani după predicția teoretică făcută de Albert Einstein în cadrul teoriei generale a relativității, oamenii de știință au putut confirma existența undelor gravitaționale. Începe epoca unei metode fundamental noi de studiere a spațiului adânc – astronomia undelor gravitaționale.

Sunt descoperiri diferite. Sunt aleatorii, sunt comune în astronomie. Nu există unele în întregime accidentale, făcute ca urmare a unei „pieptănări amănunțite a zonei”, cum ar fi descoperirea lui Uranus de către William Herschel. Există serendipal - când căutau un lucru și găsiseră altul: de exemplu, au descoperit America. Dar descoperirile planificate ocupă un loc special în știință. Ele se bazează pe o predicție teoretică clară. Ceea ce se prezice este căutat în primul rând pentru a confirma teoria. Astfel de descoperiri includ descoperirea bosonului Higgs la Large Hadron Collider și detectarea undelor gravitaționale folosind interferometrul laser observatorul de unde gravitaționale LIGO. Dar pentru a înregistra un fenomen prezis de teorie, trebuie să înțelegeți destul de bine ce anume și unde să căutați, precum și ce instrumente sunt necesare pentru aceasta.

Undele gravitaționale sunt numite în mod tradițional o predicție a teoriei generale a relativității (GTR), și acest lucru este într-adevăr așa (deși acum astfel de unde există în toate modelele care sunt alternative sau complementare GTR). Apariția undelor este cauzată de caracterul finit al vitezei de propagare a interacțiunii gravitaționale (în relativitatea generală această viteză este exact egală cu viteza luminii). Astfel de unde sunt perturbări în spațiu-timp care se propagă de la o sursă. Pentru ca undele gravitaționale să apară, sursa trebuie să pulseze sau să se miște cu o rată accelerată, dar într-un anumit fel. Să presupunem că mișcările cu simetrie sferică sau cilindrică perfectă nu sunt potrivite. Există destul de multe astfel de surse, dar adesea au o masă mică, insuficientă pentru a genera un semnal puternic. La urma urmei, gravitația este cea mai slabă dintre cele patru interacțiuni fundamentale, așa că este foarte dificil să înregistrezi un semnal gravitațional. În plus, pentru înregistrare este necesar ca semnalul să se schimbe rapid în timp, adică să aibă o frecvență suficient de mare. În caz contrar, nu îl vom putea înregistra, deoarece modificările vor fi prea lente. Aceasta înseamnă că și obiectele trebuie să fie compacte.

Inițial, un mare entuziasm a fost generat de exploziile de supernove care au loc în galaxii ca a noastră la fiecare câteva decenii. Aceasta înseamnă că dacă putem atinge o sensibilitate care să ne permită să vedem un semnal de la o distanță de câteva milioane de ani lumină, putem conta pe mai multe semnale pe an. Dar mai târziu s-a dovedit că estimările inițiale ale puterii de eliberare a energiei sub formă de unde gravitaționale în timpul exploziei unei supernove au fost prea optimiste și un semnal atât de slab ar putea fi detectat doar dacă o supernova ar fi izbucnit în galaxia noastră.

O altă opțiune pentru obiectele compacte masive care se mișcă rapid sunt stelele neutronice sau găurile negre. Putem vedea fie procesul formării lor, fie procesul de interacțiune unul cu celălalt. Ultimele etape ale prăbușirii nucleelor ​​stelare, care conduc la formarea obiectelor compacte, precum și ultimele etape ale fuziunii stelelor neutronice și găurilor negre, au o durată de ordinul a câteva milisecunde (care corespunde unei frecvențe de sute de hertzi) - exact ceea ce este necesar. În acest caz, se eliberează multă energie, inclusiv (și uneori în principal) sub formă de unde gravitaționale, deoarece corpurile compacte masive fac anumite mișcări rapide. Acestea sunt sursele noastre ideale.

Adevărat, supernovele erup în Galaxie o dată la câteva decenii, fuziunile stelelor neutronice au loc o dată la câteva zeci de mii de ani, iar găurile negre se contopesc unele cu altele și mai rar. Dar semnalul este mult mai puternic, iar caracteristicile sale pot fi calculate destul de precis. Dar acum trebuie să putem vedea semnalul de la o distanță de câteva sute de milioane de ani lumină pentru a acoperi câteva zeci de mii de galaxii și a detecta mai multe semnale într-un an.

După ce ne-am hotărât sursele, vom începe să proiectăm detectorul. Pentru a face acest lucru, trebuie să înțelegeți ce face o undă gravitațională. Fără a intra în detalii, putem spune că trecerea unei unde gravitaționale provoacă o forță de maree (mareele lunare sau solare obișnuite sunt un fenomen separat, iar undele gravitaționale nu au nicio legătură cu asta). Deci, puteți lua, de exemplu, un cilindru metalic, îl puteți echipa cu senzori și puteți studia vibrațiile acestuia. Acest lucru nu este dificil, motiv pentru care astfel de instalații au început să fie realizate în urmă cu jumătate de secol (sunt disponibile și în Rusia; acum un detector îmbunătățit dezvoltat de echipa lui Valentin Rudenko de la SAI MSU este instalat în laboratorul subteran Baksan). Problema este că un astfel de dispozitiv va vedea semnalul fără unde gravitaționale. Există o mulțime de zgomote care sunt greu de tratat. Este posibil (și s-a făcut!) să instalați detectorul în subteran, să încercați să-l izolați, să-l răciți la temperaturi scăzute, dar totuși, pentru a depăși nivelul de zgomot, ar fi nevoie de un semnal de undă gravitațională foarte puternic. Dar semnalele puternice vin rar.

Prin urmare, alegerea a fost făcută în favoarea unei alte scheme, care a fost prezentată în 1962 de Vladislav Pustovoit și Mihail Herzenstein. Într-un articol publicat în JETP (Journal of Experimental and Theoretical Physics), ei au propus utilizarea unui interferometru Michelson pentru a detecta undele gravitaționale. Raza laser trece între oglinzile din cele două brațe ale interferometrului, apoi se adaugă fasciculele de la brațe diferite. Analizând rezultatul interferenței fasciculului, poate fi măsurată modificarea relativă a lungimii brațului. Aceasta este foarte măsurători precise, așa că dacă bateți zgomotul, puteți obține o sensibilitate fantastică.

La începutul anilor 1990, s-a decis construirea mai multor detectoare folosind acest design. Primele care au intrat în funcțiune au fost instalațiile relativ mici, GEO600 în Europa și TAMA300 în Japonia (numerele corespund lungimii brațelor în metri) pentru a testa tehnologia. Însă principalii jucători urmau să fie instalațiile LIGO din SUA și VIRGO din Europa. Dimensiunea acestor instrumente este deja măsurată în kilometri, iar sensibilitatea finală planificată ar trebui să permită vizualizarea a zeci, dacă nu sute de evenimente pe an.

De ce sunt necesare mai multe dispozitive? În primul rând pentru validare încrucișată, deoarece există zgomote locale (de exemplu, seismice). Detectarea simultană a semnalului în nord-vestul Statelor Unite și Italia ar fi o dovadă excelentă a originii sale externe. Dar există un al doilea motiv: detectoarele de unde gravitaționale sunt foarte slabe în a determina direcția către sursă. Dar dacă există mai mulți detectori distanțați unul de celălalt, va fi posibil să indicați direcția destul de precis.

Giganți laser

În forma lor originală, detectoarele LIGO au fost construite în 2002, iar detectoarele VIRGO în 2003. Conform planului, aceasta a fost doar prima etapă. Toate instalațiile au funcționat câțiva ani, iar în 2010-2011 au fost oprite pentru modificări, pentru a ajunge apoi la sensibilitatea ridicată planificată. Detectoarele LIGO au fost primele care au funcționat în septembrie 2015, VIRGO ar trebui să se alăture în a doua jumătate a anului 2016, iar din această etapă sensibilitatea ne permite să sperăm la înregistrarea a cel puțin mai multe evenimente pe an.

După ce LIGO a început să funcționeze, rata de explozie așteptată a fost de aproximativ un eveniment pe lună. Astrofizicienii au estimat în avans că primele evenimente așteptate ar fi fuziunile găurilor negre. Acest lucru se datorează faptului că găurile negre sunt de obicei de zece ori mai grele decât stelele neutronice, semnalul este mai puternic și este „vizibil” de la distanțe mari, ceea ce compensează mai mult decât rata mai scăzută a evenimentelor pe galaxie. Din fericire, nu a trebuit să așteptăm mult. Pe 14 septembrie 2015, ambele instalații au înregistrat un semnal aproape identic, denumit GW150914.

Cu destul ajutor analiză simplă pot fi obținute date precum masele găurilor negre, puterea semnalului și distanța până la sursă. Masa și dimensiunea găurilor negre sunt legate într-un mod foarte simplu și binecunoscut, iar din frecvența semnalului se poate estima imediat dimensiunea regiunii de eliberare a energiei. În acest caz, dimensiunea a indicat că din două găuri cu o masă de 25-30 și 35-40 de mase solare s-a format o gaură neagră cu o masă de peste 60 de mase solare. Cunoscând aceste date, se poate obține energia totală a exploziei. Aproape trei mase solare au fost transformate în radiații gravitaționale. Aceasta corespunde luminozității a 1023 de luminozități solare - aproximativ aceeași cantitate pe care o emit toate stelele din partea vizibilă a Universului în acest timp (sutimi de secundă). Și din energia și magnitudinea cunoscute a semnalului măsurat se obține distanța. Masa mare a corpurilor fuzionate a făcut posibilă înregistrarea unui eveniment care a avut loc într-o galaxie îndepărtată: semnalul a durat aproximativ 1,3 miliarde de ani pentru a ajunge la noi.

O analiză mai detaliată face posibilă clarificarea raportului de masă al găurilor negre și înțelegerea modului în care acestea s-au rotit în jurul axei lor, precum și determinarea altor parametri. În plus, semnalul de la două instalații face posibilă determinarea aproximativă a direcției exploziei. Din păcate, acuratețea aici nu este încă foarte mare, dar odată cu punerea în funcțiune a FECIOARĂ actualizată va crește. Și în câțiva ani, detectorul japonez KAGRA va începe să primească semnale. Apoi, unul dintre detectoarele LIGO (inițial erau trei, una dintre instalații era duală) va fi asamblat în India și este de așteptat ca multe zeci de evenimente să fie înregistrate pe an.

Era noii astronomii

Pe acest moment Cel mai important rezultat al LIGO este confirmarea existenței undelor gravitaționale. În plus, prima explozie a făcut posibilă îmbunătățirea restricțiilor asupra masei gravitonului (în relativitatea generală are masă zero), precum și limitarea mai puternică a diferenței dintre viteza de propagare a gravitației și viteza de ușoară. Dar oamenii de știință speră că deja în 2016 vor putea obține o mulțime de date astrofizice noi folosind LIGO și VIRGO.

În primul rând, datele de la observatoarele undelor gravitaționale oferă o nouă cale pentru studierea găurilor negre. Dacă anterior era posibil să se observe doar fluxurile de materie în vecinătatea acestor obiecte, acum puteți „vede” direct procesul de îmbinare și „calmare” a găurii negre rezultate, cum fluctuează orizontul său, luând forma finală ( determinată de rotaţie). Probabil, până la descoperirea evaporării găurilor negre Hawking (deocamdată acest proces rămâne o ipoteză), studiul fuziunilor va oferi informații directe mai bune despre acestea.

În al doilea rând, observațiile fuziunilor stelelor neutronice vor oferi o mulțime de informații noi, necesare urgent despre aceste obiecte. Pentru prima dată, vom putea studia stelele cu neutroni în modul în care fizicienii studiază particulele: urmărindu-le ciocnind pentru a înțelege cum funcționează în interior. Misterul structurii interioarelor stelelor neutronice îi îngrijorează atât pe astrofizicieni, cât și pe fizicieni. Înțelegerea noastră a fizicii nucleare și a comportamentului materiei la densități ultraînalte este incompletă fără a rezolva această problemă. Este probabil ca observațiile undelor gravitaționale să joace un rol cheie aici.

Se crede că fuziunile stelelor de neutroni sunt responsabile pentru exploziile cosmologice scurte de raze gamma. În cazuri rare, va fi posibil să se observe simultan un eveniment atât în ​​domeniul gamma, cât și pe detectoarele de unde gravitaționale (raritatea se datorează faptului că, în primul rând, semnalul gamma este concentrat într-un fascicul foarte îngust și nu este întotdeauna îndreptată către noi, dar în al doilea rând, nu vom înregistra unde gravitaționale de la evenimente foarte îndepărtate). Aparent, va fi nevoie de câțiva ani de observație pentru a putea vedea acest lucru (deși, ca de obicei, s-ar putea să ai noroc și se va întâmpla astăzi). Apoi, printre altele, vom putea compara foarte precis viteza gravitației cu viteza luminii.

Astfel, interferometrele laser împreună vor funcționa ca un singur telescop cu undă gravitațională, aducând noi cunoștințe atât astrofizicienilor, cât și fizicienilor. Ei bine, mai devreme sau mai târziu va fi acordat un binemeritat premiu Nobel pentru descoperirea primelor explozii și analiza lor.

2236

Participanții la experimentul științific LIGO, la care participă și fizicieni ruși, au anunțat că observatoarele americane au detectat unde gravitaționale generate de coliziunea a două găuri negre.

Undele gravitaționale au fost înregistrate pe 14 septembrie 2015, ceea ce a fost raportat pe 11 februarie 2016 la o conferință de presă specială de către reprezentanții LIGO la Washington. Oamenii de știință au avut nevoie de șase luni pentru a procesa și a verifica rezultatele. Aceasta poate fi considerată descoperirea oficială a undelor gravitaționale, deoarece acestea au fost înregistrate direct pe Pământ pentru prima dată. Rezultatele lucrării au fost publicate în revista Physical Review Letters.

Fizicieni de la Universitatea de Stat din Moscova la o conferință de presă. Fotografie de Maxim Abaev.

Diagrama interferometrelor și locația lor pe o hartă schematică a Statelor Unite. Masele oglinzii de testare din figură se numesc Masa de testare.

Masele de testare, cunoscute și sub numele de oglinzi de interferometru, sunt fabricate din cuarț topit. Foto: www.ligo.caltech.edu

Simularea numerică a undelor gravitaționale din apropierea găurilor negre. Figura: Scrisori de revizuire fizică http://physics.aps.org/articles/v9/17

Observatorul LIGO lângă Livingston, Louisiana. Foto: www.ligo.caltech.edu

Astfel, una dintre cele mai importante probleme cu care se confruntă fizicienii în ultimii 100 de ani a fost rezolvată. Existența undelor gravitaționale este prezisă de teoria generală a relativității (GTR), dezvoltată în 1915-1916 de Albert Einstein, teoria fizică fundamentală care descrie structura și evoluția lumii noastre. Relativitatea generală, în esență, este o teorie a gravitației care stabilește legătura ei cu proprietățile spațiului-timp. Corpuri masive produc modificări în ea care se numesc în mod obișnuit curbură spațiu-timp. Dacă aceste corpuri se mișcă cu accelerație variabilă, atunci apar schimbări de propagare în spațiu-timp, care sunt numite unde gravitaționale.

Problema cu înregistrarea lor este că undele gravitaționale sunt foarte slabe, iar detectarea lor din orice sursă terestră este aproape imposibilă. De-a lungul anilor, ele nu au fost detectate nici de la majoritatea obiectelor spațiale. Speranțele au rămas doar pentru undele gravitaționale de la dezastre cosmice majore, cum ar fi exploziile de supernove, ciocnirile de stele neutronice sau găurile negre. Aceste speranțe s-au împlinit. În această lucrare, undele gravitaționale au fost descoperite tocmai din fuziunea a două găuri negre.

Pentru a detecta undele gravitaționale, în 1992 a fost propus un proiect grandios numit LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Tehnologia pentru aceasta a fost dezvoltată de aproape douăzeci de ani. Și a fost implementat de două dintre cele mai mari centre de cercetare din Statele Unite - California și Massachusetts Institutes of Technology. Echipa științifică generală, colaborarea LIGO, include aproximativ 1.000 de oameni de știință din 16 țări. Rusia este reprezentată în ea de Moscova Universitate de statși Institutul de Fizică Aplicată RAS (Nijni Novgorod)

LIGO include observatoare din statele Washington și Louisiana, situate la o distanță de 3000 km, care este un interferometru Michelson în formă de L, cu două brațe lungi de 4 km. Raza laser, care trece printr-un sistem de oglinzi, este împărțită în două fascicule, fiecare se propagă în propriul braț. Sunt reflectate de oglinzi și revin. Apoi, aceste două unde luminoase, care călătoresc pe căi diferite, sunt adăugate împreună în detector. Inițial, sistemul este configurat astfel încât undele se anulează reciproc și nimic nu lovește detectorul. Undele gravitaționale modifică distanțele dintre masele de testare, care servesc simultan ca oglinzi ale interferometrului, ceea ce duce la faptul că suma undelor nu mai este egală cu zero și intensitatea semnalului la fotodetector va fi proporțională cu aceste modificări. Acest semnal este folosit pentru a înregistra o undă gravitațională.

Prima etapă, inițială, a măsurătorilor a avut loc în 2002-2010 și nu a permis detectarea undelor gravitaționale. Sensibilitatea dispozitivelor nu a fost suficientă (s-au urmărit schimbări de până la 4x10 -18 m). Apoi s-a decis oprirea lucrărilor în 2010 și modernizarea echipamentelor, mărind sensibilitatea de peste 10 ori. Echipamentul îmbunătățit, care a început să funcționeze în a doua jumătate a anului 2015, a reușit să detecteze o deplasare a unui record de 10 -19 m. Și deja în timpul testului, oamenii de știință așteptau o descoperire; au înregistrat o explozie gravitațională de la eveniment. , care după un studiu îndelungat a fost identificat ca fuziunea a două găuri negre cu mase la 29 și 36 de mase solare.

Concomitent cu Washingtonul, a avut loc o conferință de presă la Moscova. La acesta, participanții la experiment, reprezentând Facultatea de Fizică a Universității de Stat din Moscova, au vorbit despre contribuția lor la implementarea acestuia. Grupul lui V.B. Braginsky a participat la lucru încă de la începutul proiectului. Fizicienii de la Universitatea de Stat din Moscova au asigurat asamblarea unei structuri complexe, care constă din oglinzi cu interferometru, care servesc simultan ca mase de testare.

În plus, sarcinile lor includ combaterea vibrațiilor străine (zgomot) care ar putea interfera cu detectarea undelor gravitaționale. Specialiștii Universității de Stat din Moscova au fost cei care au demonstrat că dispozitivul ar trebui să fie din cuarț topit, care la temperaturi de funcționare va face mai puțin zgomot decât safirul propus de alți cercetători. În special, pentru a reduce zgomotul termic, a fost necesar să se asigure că oscilațiile maselor de testare suspendate ca pendule nu s-au stins pentru o perioadă foarte lungă de timp. Fizicienii de la Universitatea de Stat din Moscova au atins un timp de degradare de 5 ani!

Succesul măsurătorilor va da naștere unei noi astronomii cu unde gravitaționale și ne va permite să învățăm o mulțime de lucruri noi despre Univers. Poate că fizicienii vor putea dezvălui unele dintre misterele materiei întunecate și etapele incipiente ale dezvoltării Universului, precum și să cerceteze zonele în care relativitatea generală este încălcată.

Pe baza materialelor din conferința de presă de colaborare LIGO.

Valentin Nikolaevich Rudenko împărtășește povestea vizitei sale în orașul Cascina (Italia), unde a petrecut o săptămână pe „antena gravitațională” tocmai construită pe atunci - interferometrul optic Michelson. În drum spre destinație, taximetristul întreabă de ce a fost construită instalația. „Oamenii de aici cred că este pentru a vorbi cu Dumnezeu”, recunoaște șoferul.

– Ce sunt undele gravitaționale?

– Unda gravitațională este unul dintre „purtătorii de informații astrofizice”. Există canale vizibile de informații astrofizice; telescoapele joacă un rol special în „viziunea la distanță”. Astronomii au stăpânit și canalele de joasă frecvență - microunde și infraroșu, și canalele de înaltă frecvență - raze X și gamma. Pe lângă radiația electromagnetică, putem detecta fluxuri de particule din spațiu. În acest scop, se folosesc telescoape cu neutrini - detectoare mari de neutrini cosmici - particule care interacționează slab cu materia și, prin urmare, sunt greu de înregistrat. Aproape toate tipurile de „purtători de informații astrofizice” prezise teoretic și studiate în laborator au fost stăpânite în mod fiabil în practică. Excepția a fost gravitația - cea mai slabă interacțiune din microcosmos și cea mai mare forta puternicaîn macrocosmos.

Gravitația este geometrie. Undele gravitaționale sunt unde geometrice, adică unde care schimbă caracteristicile geometrice ale spațiului atunci când trec prin acel spațiu. În linii mari, acestea sunt valuri care deformează spațiul. Deformarea este modificarea relativă a distanței dintre două puncte. Radiația gravitațională diferă de toate celelalte tipuri de radiații tocmai prin aceea că este geometrică.

– A prezis Einstein undele gravitaționale?

– Formal, se crede că undele gravitaționale au fost prezise de Einstein ca una dintre consecințele teoriei sale generale a relativității, dar de fapt existența lor devine evidentă deja în teoria relativității speciale.

Teoria relativității sugerează că, datorită atracției gravitaționale, colapsul gravitațional este posibil, adică un obiect care este tras împreună ca urmare a colapsului, aproximativ vorbind, până la un punct. Atunci gravitația este atât de puternică încât lumina nici măcar nu poate scăpa din ea, așa că un astfel de obiect este numit la figurat o gaură neagră.

– Care este particularitatea interacțiunii gravitaționale?

O caracteristică a interacțiunii gravitaționale este principiul echivalenței. Potrivit acestuia, răspunsul dinamic al unui corp de testare într-un câmp gravitațional nu depinde de masa acestui corp. Mai simplu spus, toate corpurile cad cu aceeași accelerație.

Interacțiunea gravitațională este cea mai slabă pe care o cunoaștem astăzi.

– Cine a fost primul care a încercat să prindă o undă gravitațională?

– Experimentul undelor gravitaționale a fost efectuat pentru prima dată de Joseph Weber de la Universitatea din Maryland (SUA). El a creat un detector gravitațional, care acum este păstrat la Muzeul Smithsonian din Washington. În 1968-1972, Joe Weber a efectuat o serie de observații pe o pereche de detectoare separate spațial, încercând să izoleze cazurile de „coincidențe”. Tehnica coincidenței este împrumutată din fizica nucleară. Semnificația statistică scăzută a semnalelor gravitaționale obținute de Weber a determinat o atitudine critică față de rezultatele experimentului: nu exista nicio încredere că undele gravitaționale au fost detectate. Ulterior, oamenii de știință au încercat să crească sensibilitatea detectorilor de tip Weber. A fost nevoie de 45 de ani pentru a dezvolta un detector a cărui sensibilitate era adecvată prognozei astrofizice.

La începutul experimentului au avut loc multe alte experimente înainte de fixare; impulsurile au fost înregistrate în această perioadă, dar intensitatea lor a fost prea mică.

– De ce nu a fost anunțată imediat fixarea semnalului?

– Undele gravitaționale au fost înregistrate în septembrie 2015. Dar chiar dacă s-a înregistrat o coincidență, înainte de a o anunța, este necesar să se demonstreze că nu este întâmplătoare. Semnalul preluat de la orice antenă conține întotdeauna rafale de zgomot (rafale de scurtă durată), iar una dintre ele poate apărea accidental simultan cu o explozie de zgomot pe o altă antenă. Se poate demonstra că coincidența nu a fost întâmplătoare doar cu ajutorul estimărilor statistice.

– De ce sunt atât de importante descoperirile în domeniul undelor gravitaționale?

– Capacitatea de a înregistra fondul gravitațional relict și de a măsura caracteristicile acestuia, precum densitatea, temperatura etc., ne permite să ne apropiem de începutul universului.

Ceea ce este atractiv este că radiația gravitațională este greu de detectat, deoarece interacționează foarte slab cu materia. Dar, grație aceleiași proprietăți, trece fără absorbție de la obiectele cele mai îndepărtate de noi cu cele mai misterioase, din punct de vedere al materiei, proprietăți.

Putem spune că radiația gravitațională trece fără distorsiuni. Cel mai ambițios obiectiv este studierea radiației gravitaționale care a fost separată de materia primordială în Teoria Big Bang, care a fost creată la crearea Universului.

– Descoperirea undelor gravitaționale exclude teoria cuantică?

Teoria gravitației presupune existența colapsului gravitațional, adică contracția obiectelor masive până la un punct. În același timp, teoria cuantică dezvoltată de Școala de la Copenhaga sugerează că, datorită principiului incertitudinii, este imposibil să se indice simultan exact astfel de parametri precum coordonatele, viteza și impulsul unui corp. Există aici un principiu de incertitudine, este imposibil să se determine traiectoria exactă, deoarece traiectoria este atât o coordonată, cât și o viteză etc. Este posibil să se determine doar un anumit coridor de încredere condiționată în limitele acestei erori, care este asociată. cu principiile incertitudinii. Teoria cuantică neagă categoric posibilitatea unor obiecte punctuale, dar le descrie într-o manieră probabilistică statistic: nu indică în mod specific coordonatele, ci indică probabilitatea ca aceasta să aibă anumite coordonate.

Problema unificării teoriei cuantice și a gravitației este una dintre întrebările fundamentale ale creării unei teorii unificate a câmpului.

Ei continuă să lucreze la el acum, iar cuvintele „gravitație cuantică” înseamnă o zonă complet avansată a științei, granița cunoașterii și ignoranței, unde lucrează acum toți teoreticienii din lume.

– Ce poate aduce descoperirea în viitor?

Undele gravitaționale trebuie să se afle inevitabil în fundație stiinta moderna ca una dintre componentele cunoștințelor noastre. Ele joacă un rol semnificativ în evoluția Universului și cu ajutorul acestor unde Universul ar trebui studiat. Descoperirea promovează dezvoltare generală stiinta si cultura.

Dacă decideți să depășiți scopul științei de astăzi, atunci este permis să vă imaginați linii de telecomunicații gravitaționale, dispozitive cu jet care utilizează radiații gravitaționale, dispozitive de introscopie cu unde gravitaționale.

– Au undele gravitaționale vreo legătură cu percepția extrasenzorială și telepatia?

Nu Aveți. Efectele descrise sunt efectele lumii cuantice, efectele opticii.

Intervievat de Anna Utkina

Flutură-ți mâna și undele gravitaționale vor circula prin tot Universul.
S. Popov, M. Prohorov. Valurile fantomă ale universului

În astrofizică a avut loc un eveniment așteptat de zeci de ani. După o jumătate de secol de căutări, undele gravitaționale, vibrațiile spațiu-timp în sine, prezise de Einstein cu o sută de ani în urmă, au fost în sfârșit descoperite. Pe 14 septembrie 2015, observatorul LIGO modernizat a detectat o explozie de undă gravitațională generată de fuziunea a două găuri negre cu mase de 29 și 36 de mase solare într-o galaxie îndepărtată la aproximativ 1,3 miliarde de ani lumină distanță. Astronomia undelor gravitaționale a devenit o ramură cu drepturi depline a fizicii; ne-a deschis o nouă cale de a observa Universul și ne va permite să studiem efectele inaccesibile anterior ale gravitației puternice.

Valuri gravitationale

Puteți veni cu diferite teorii ale gravitației. Toate vor descrie lumea noastră la fel de bine, atâta timp cât ne limităm la o singură manifestare a acesteia - legea gravitației universale a lui Newton. Dar există și alte efecte gravitaționale, mai subtile, care au fost testate experimental la scară sistem solar, și indică o anumită teorie - teoria generală a relativității (GR).

Relativitatea generală nu este doar un set de formule, este o viziune fundamentală asupra esenței gravitației. Dacă în fizica obișnuită spațiul servește doar ca fundal, un container pentru fenomene fizice, atunci în GTR el însuși devine un fenomen, o mărime dinamică care se modifică în conformitate cu legile GTR. Aceste distorsiuni ale spațiu-timpului în raport cu un fundal neted - sau, în limbajul geometriei, distorsiuni ale metricii spațiu-timp - sunt resimțite ca gravitație. Pe scurt, relativitatea generală dezvăluie originea geometrică a gravitației.

Relativitatea generală are o predicție crucială: undele gravitaționale. Acestea sunt distorsiuni ale spațiului-timp care sunt capabile să „se desprindă de sursă” și, auto-susținut, să zboare. Aceasta este gravitația în sine, a nimănui, a ei. Albert Einstein a formulat în sfârșit relativitatea generală în 1915 și aproape imediat și-a dat seama că ecuațiile pe care le-a derivat permiteau existența unor astfel de unde.

Ca și în cazul oricărei teorii sincere, o astfel de predicție clară a relativității generale trebuie verificată experimental. Orice corp în mișcare poate emite unde gravitaționale: planete, o piatră aruncată în sus sau un val al mâinii. Problema, totuși, este că interacțiunea gravitațională este atât de slabă încât nicio configurație experimentală nu poate detecta emisia de unde gravitaționale de la „emițătorii” obișnuiți.

Pentru a „alunga” un val puternic, trebuie să distorsionați foarte mult spațiu-timp. Opțiunea ideală este două găuri negre care se rotesc una în jurul celeilalte într-un dans apropiat, la o distanță de ordinul razei lor gravitaționale (Fig. 2). Distorsiunile metricii vor fi atât de puternice încât o parte notabilă a energiei acestei perechi va fi emisă în unde gravitaționale. Pierzând energie, perechea se va apropia din ce în ce mai mult, învârtindu-se din ce în ce mai repede, distorsionând metrica din ce în ce mai mult și generând unde gravitaționale și mai puternice - până când, în cele din urmă, va avea loc o restructurare radicală a întregului câmp gravitațional al acestei perechi și două găuri negre se contopesc în unu.

O astfel de fuziune a găurilor negre este o explozie de o putere extraordinară, dar numai că toată această energie emisă nu ajunge în lumină, nu în particule, ci în vibrațiile spațiului. Energia emisă va alcătui o parte notabilă din masa inițială a găurilor negre, iar această radiație se va împrăștia într-o fracțiune de secundă. Oscilații similare vor fi generate de fuziunea stelelor neutronice. O eliberare de energie a undelor gravitaționale puțin mai slabă însoțește și alte procese, cum ar fi prăbușirea unui nucleu de supernovă.

Unda gravitațională izbucnită de la fuziunea a două obiecte compacte are un profil foarte specific, bine calculat, prezentat în Fig. 3. Perioada de oscilație este determinată de mișcarea orbitală a două obiecte unul în jurul celuilalt. Undele gravitaționale transportă energie; ca urmare, obiectele se apropie și se rotesc mai repede - iar acest lucru este vizibil atât în ​​accelerarea oscilațiilor, cât și în creșterea amplitudinii. La un moment dat, are loc o fuziune, se emite ultimul val puternic și apoi urmează un „apel de înaltă frecvență” ( ringdown) - tremurul găurii negre rezultate, care „aruncă” toate distorsiunile nesferice (această etapă nu este prezentată în imagine). Cunoașterea acestui profil caracteristic îi ajută pe fizicieni să caute semnalul slab dintr-o astfel de fuziune în datele detectoarelor foarte zgomotoase.

Fluctuațiile în metrica spațiu-timp - ecoul undelor gravitaționale ale unei explozii grandioase - se vor împrăștia în tot Universul în toate direcțiile de la sursă. Amplitudinea lor scade odată cu distanța, similar cu modul în care luminozitatea unei surse punctuale scade odată cu distanța de la aceasta. Când o explozie dintr-o galaxie îndepărtată ajunge pe Pământ, fluctuațiile metrice vor fi de ordinul a 10 -22 sau chiar mai puțin. Cu alte cuvinte, distanța dintre obiectele care nu au legătură fizic între ele va crește și va scădea periodic cu o astfel de cantitate relativă.

Ordinul de mărime al acestui număr este ușor de obținut din considerente de scalare (a se vedea articolul de V. M. Lipunov). În momentul fuziunii stelelor neutronice sau a găurilor negre ale maselor stelare, distorsiunile metricii chiar lângă ele sunt foarte mari - de ordinul a 0,1, motiv pentru care gravitația este puternică. O astfel de distorsiune severă afectează o zonă de ordinul dimensiunii acestor obiecte, adică mai mulți kilometri. Pe măsură ce vă îndepărtați de sursă, amplitudinea oscilației scade invers proporțional cu distanța. Aceasta înseamnă că la o distanță de 100 Mpc = 3·10 21 km amplitudinea oscilațiilor va scădea cu 21 de ordine de mărime și va deveni aproximativ 10 −22.

Desigur, dacă fuziunea are loc în galaxia noastră natală, tremururile spațiu-timp care ajung pe Pământ vor fi mult mai puternice. Dar astfel de evenimente au loc o dată la câteva mii de ani. Prin urmare, ar trebui să contați cu adevărat doar pe un detector care va putea simți fuziunea stelelor neutronice sau a găurilor negre la o distanță de zeci până la sute de megaparsecs, ceea ce înseamnă că va acoperi multe mii și milioane de galaxii.

Aici trebuie adăugat că o indicație indirectă a existenței undelor gravitaționale a fost deja descoperită și chiar a fost distins cu Premiul Nobel pentru Fizică pentru 1993. Observațiile pe termen lung ale pulsarului în sistemul binar PSR B1913+16 au arătat că perioada orbitală scade exact în aceeași rată ca cea prezisă de relativitatea generală, ținând cont de pierderile de energie datorate radiației gravitaționale. Din acest motiv, aproape niciunul dintre oamenii de știință nu se îndoiește de realitatea undelor gravitaționale; singura întrebare este cum să-i prind.

Istoricul cautarilor

Căutarea undelor gravitaționale a început cu aproximativ jumătate de secol în urmă - și aproape imediat s-a transformat într-o senzație. Joseph Weber de la Universitatea din Maryland a proiectat primul detector rezonant: un cilindru solid din aluminiu de doi metri cu senzori piezoelectrici sensibili pe laterale și o bună izolare a vibrațiilor de vibrațiile străine (Fig. 4). Când trece o undă gravitațională, cilindrul rezonează în timp cu distorsiunile spațiu-timpului, ceea ce ar trebui să înregistreze senzorii. Weber a construit mai multe astfel de detectoare, iar în 1969, după ce le-a analizat citirile în timpul uneia dintre sesiuni, a declarat direct că a înregistrat „sunetul undelor gravitaționale” în mai multe detectoare deodată, la distanță de doi kilometri (J. Weber, 1969). Dovezi pentru descoperirea radiațiilor gravitaționale). Amplitudinea oscilațiilor pe care a declarat-o s-a dovedit a fi incredibil de mare, de ordinul a 10 -16, adică de un milion de ori mai mare decât valoarea tipică așteptată. Mesajul lui Weber a fost primit cu mare scepticism de către comunitatea științifică; Mai mult, alte grupuri experimentale, înarmate cu detectoare similare, nu au fost în măsură să prindă ulterior un singur semnal similar.

Totuși, eforturile lui Weber au dat impuls întregului domeniu de cercetare și au lansat vânătoarea de valuri. Din anii 1970, prin eforturile lui Vladimir Braginsky și a colegilor săi de la Universitatea de Stat din Moscova, URSS a intrat și ea în această cursă (vezi absența semnalelor undelor gravitaționale). Există o poveste interesantă despre acele vremuri în eseul Dacă o fată cade într-o groapă... . Braginsky, de altfel, este unul dintre clasicii întregii teorii a măsurătorilor optice cuantice; el a fost primul care a venit cu conceptul unei limite de măsurare cuantică standard - o limitare cheie în măsurătorile optice - și a arătat cum acestea ar putea fi depășite în principiu. Circuitul rezonant al lui Weber a fost îmbunătățit și, datorită răcirii profunde a instalației, zgomotul a fost redus dramatic (vezi lista și istoricul acestor proiecte). Cu toate acestea, acuratețea unor astfel de detectoare din metal era încă insuficientă pentru a detecta în mod fiabil evenimentele așteptate și, în plus, au fost reglate pentru a rezona doar la un interval de frecvență foarte îngust în jurul kiloherți.

Detectoarele care au folosit mai mult de un obiect rezonant, dar au urmărit distanța dintre două corpuri independente, suspendate independent, cum ar fi două oglinzi, păreau mult mai promițătoare. Datorită vibrației spațiului cauzată de unda gravitațională, distanța dintre oglinzi va fi fie puțin mai mare, fie puțin mai mică. Mai mult, ce lungime mai mare umăr, cu atât deplasarea absolută va fi mai mare cauzată de o undă gravitațională de o amplitudine dată. Aceste vibrații pot fi simțite raza laser alergând printre oglinzi. O astfel de schemă este capabilă să detecteze oscilații într-o gamă largă de frecvențe, de la 10 herți la 10 kiloherți, și tocmai acesta este intervalul în care vor emite perechi de stele neutronice sau găuri negre cu masă stelară care fuzionează.

Implementarea modernă a acestei idei bazată pe interferometrul Michelson arată astfel (Fig. 5). Oglinzile sunt suspendate în două camere de vid lungi, lungi de câțiva kilometri, perpendiculare una pe cealaltă. La intrarea in instalatie, fasciculul laser este scindat, trece prin ambele camere, este reflectat de oglinzi, revine inapoi si se reuneste intr-o oglinda translucida. Factorul de calitate al sistemului optic este extrem de ridicat, astfel încât fasciculul laser nu trece doar o dată înainte și înapoi, ci rămâne mult timp în acest rezonator optic. În starea „liniștită”, lungimile sunt selectate astfel încât cele două fascicule, după reunire, să se anuleze reciproc în direcția senzorului, iar apoi fotodetectorul să fie în umbră completă. Dar de îndată ce oglinzile se deplasează pe o distanță microscopică sub influența undelor gravitaționale, compensarea celor două fascicule devine incompletă și fotodetectorul captează lumina. Și cu cât offset-ul este mai puternic, cu atât mai strălucitoare va vedea fotosenzorul.

Cuvintele „deplasare microscopică” nici măcar nu se apropie de a transmite subtilitatea efectului. Deplasarea oglinzilor după lungimea de undă a luminii, adică microni, este ușor de observat chiar și fără trucuri. Dar cu o lungime a brațului de 4 km, aceasta corespunde oscilațiilor spațiu-timp cu o amplitudine de 10 -10. Observarea deplasării oglinzilor în funcție de diametrul unui atom nu este, de asemenea, o problemă - este suficient să trageți un fascicul laser, care va rula înainte și înapoi de mii de ori și va obține schimbarea de fază dorită. Dar aceasta dă și un maxim de 10 −14. Și trebuie să coborâm scara de deplasare de milioane de ori, adică să învățăm să înregistrăm o deplasare în oglindă nici măcar cu un atom, ci cu miimi dintr-un nucleu atomic!

Pe drumul către această tehnologie cu adevărat uimitoare, fizicienii au trebuit să depășească multe dificultăți. Unele dintre ele sunt pur mecanice: trebuie să atârnați oglinzile masive pe o suspensie, care atârnă pe o altă suspensie, pe o a treia suspensie și așa mai departe - și totul pentru a scăpa de vibrațiile străine cât mai mult posibil. Alte probleme sunt, de asemenea, instrumentale, dar optice. De exemplu, cu cât fasciculul care circulă în sistemul optic este mai puternic, cu atât mai slabă deplasarea oglinzilor poate fi detectată de fotosenzor. Dar un fascicul prea puternic va încălzi în mod neuniform elementele optice, ceea ce va avea un efect dăunător asupra proprietăților fasciculului în sine. Acest efect trebuie cumva compensat, iar pentru asta în anii 2000 a fost lansat un întreg program de cercetare pe acest subiect (pentru o poveste despre această cercetare, vezi știrea Obstacol depășit în drumul către un detector de unde gravitaționale extrem de sensibil, „Elemente” , 27.06.2006). În cele din urmă, există limitări fizice pur fundamentale legate de comportamentul cuantic al fotonilor într-o cavitate și de principiul incertitudinii. Ele limitează sensibilitatea senzorului la o valoare numită limită cuantică standard. Cu toate acestea, fizicienii, folosind o stare cuantică inteligent pregătită a luminii laser, au învățat deja să o depășească (J. Aasi și colab., 2013. Sensibilitate îmbunătățită a detectorului de unde gravitaționale LIGO prin utilizarea stărilor de lumină comprimate).

O listă întreagă de țări participă la cursa pentru unde gravitaționale; Rusia are propria ei instalație, la Observatorul Baksan și, apropo, este descrisă în filmul documentar de știință populară de Dmitri Zavilgelsky „Așteptăm unde și particule”. Liderii acestei curse sunt acum două laboratoare - proiectul american LIGO și detectorul italian Virgo. LIGO include două detectoare identice, situate în Hanford (statul Washington) și Livingston (Louisiana) și separate la 3000 km unul de celălalt. A avea două setări este important din două motive. În primul rând, semnalul va fi considerat înregistrat numai dacă este văzut de ambii detectoare în același timp. Și în al doilea rând, prin diferența de sosire a unei explozii de unde gravitaționale la două instalații - și poate ajunge la 10 milisecunde - se poate determina aproximativ din ce parte a cerului a venit acest semnal. Adevărat, cu două detectoare eroarea va fi foarte mare, dar atunci când Virgo intră în funcțiune, precizia va crește considerabil.

Strict vorbind, ideea detectării interferometrice a undelor gravitaționale a fost propusă pentru prima dată de fizicienii sovietici M.E. Herzenstein și V.I. Pustovoit încă din 1962. La acel moment, laserul tocmai fusese inventat, iar Weber a început să-și creeze detectoarele rezonante. Cu toate acestea, acest articol nu a fost observat în Occident și, pentru a spune adevărul, nu a influențat dezvoltarea unor proiecte reale (vezi recenzia istorică a Fizicii detectării undelor gravitaționale: detectoare rezonante și interferometrice).

Crearea observatorului gravitațional LIGO a fost inițiativa a trei oameni de știință de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) și California Institute of Technology (Caltech). Aceștia sunt Rainer Weiss, care a realizat ideea unui detector de unde gravitaționale interferometrice, Ronald Drever, care a obținut o stabilitate a luminii laser suficientă pentru detectare, și Kip Thorne, teoreticianul din spatele proiectului, acum binecunoscut publicului larg. ca un consultant științific film „Interstellar”. DESPRE istoria timpurie crearea LIGO poate fi citită într-un interviu recent cu Rainer Weiss și în memoriile lui John Preskill.

Activitățile legate de proiectul de detectare interferometrică a undelor gravitaționale au început la sfârșitul anilor 1970, iar la început mulți oameni s-au îndoit și de fezabilitatea acestei întreprinderi. Cu toate acestea, după demonstrarea unui număr de prototipuri, actualul design LIGO a fost scris și aprobat. A fost construit pe parcursul ultimului deceniu al secolului XX.

Deși impulsul inițial pentru proiect a venit din Statele Unite, LIGO este cu adevărat proiect international. 15 țări au investit în el, financiar și intelectual, iar peste o mie de oameni sunt membri ai colaborării. Fizicienii sovietici și ruși au jucat un rol important în implementarea proiectului. De la bun început, grupul deja menționat al lui Vladimir Braginsky de la Universitatea de Stat din Moscova a luat parte activ la implementarea proiectului LIGO, iar mai târziu s-a alăturat colaborării și Institutul de Fizică Aplicată de la Nijni Novgorod.

Observatorul LIGO a început să funcționeze în 2002 și până în 2010 a găzduit șase sesiuni de observare științifică. Nu au fost detectate în mod fiabil explozii de unde gravitaționale, iar fizicienii au putut doar să stabilească limite superioare ale frecvenței unor astfel de evenimente. Acest lucru, însă, nu i-a surprins prea mult: estimările au arătat că în acea parte a Universului pe care detectorul o „asculta” atunci, probabilitatea unui cataclism suficient de puternic era scăzută: aproximativ o dată la câteva decenii.

Linie de sfârșit

Din 2010 până în 2015, colaborările LIGO și Virgo au modernizat radical echipamentul (Virgo, însă, este încă în proces de pregătire). Și acum ținta mult așteptată era în vedere directă. LIGO - sau mai bine zis, aLIGO ( LIGO avansat) - era acum gata să prindă exploziile generate de stelele neutronice la o distanță de 60 de megaparsecs, și găurile negre - la o distanță de sute de megaparsecs. Volumul Universului deschis ascultării undelor gravitaționale a crescut de zece ori comparativ cu sesiunile anterioare.

Desigur, este imposibil de prezis când și unde va avea loc următorul boom de unde gravitaționale. Dar sensibilitatea detectorilor actualizați a făcut posibilă contarea pe mai multe fuziuni de stele neutroni pe an, astfel încât prima explozie ar putea fi așteptată deja în timpul primei sesiuni de observare de patru luni. Dacă vorbim despre întreg proiectul aLIGO, care a durat câțiva ani, atunci verdictul a fost extrem de clar: fie exploziile vor cădea una după alta, fie ceva în relativitatea generală nu funcționează fundamental. Ambele vor fi mari descoperiri.

Din 18 septembrie 2015 până în 12 ianuarie 2016 a avut loc prima sesiune de observare aLIGO. În tot acest timp, pe internet au circulat zvonuri despre înregistrarea undelor gravitaționale, dar colaborarea a rămas tăcută: „colectăm și analizăm date și nu suntem încă pregătiți să raportăm rezultatele”. O intrigă suplimentară a fost creată de faptul că, în timpul procesului de analiză, membrii colaboratori înșiși nu pot fi complet siguri că văd o explozie reală a undelor gravitaționale. Faptul este că în LIGO, o explozie generată de computer este introdusă ocazional în mod artificial în fluxul de date reale. Se numește „injecție oarbă” și din întregul grup, doar trei persoane (!) au acces la sistemul care o efectuează la un moment arbitrar. Echipa trebuie să urmărească această creștere, să o analizeze în mod responsabil și doar în ultimele etape ale analizei „cărțile sunt dezvăluite”, iar membrii colaborării află dacă a fost eveniment real sau un test de vigilență. Apropo, într-un astfel de caz în 2010, a ajuns chiar la punctul de a scrie un articol, dar semnalul descoperit atunci s-a dovedit a fi doar o „umplutură oarbă”.

Digresiune lirică

Pentru a simți din nou solemnitatea momentului, îmi propun să privim această poveste din cealaltă parte, din interiorul științei. Când o sarcină științifică complexă, inaccesibilă, rămâne fără răspuns timp de câțiva ani, acesta este un moment normal de lucru. Când nu cedează pentru mai mult de o generație, este perceput complet diferit.

Ca școlar, citești cărți de știință populară și înveți despre această ghicitoare științifică greu de rezolvat, dar teribil de interesantă. Ca student, studiezi fizica, dai rapoarte și, uneori, potrivit sau nu, oamenii din jurul tău îți amintesc de existența ei. Apoi, tu însuți faci știință, lucrezi într-o altă zonă a fizicii, dar auzi în mod regulat despre încercări nereușite de a o rezolva. Desigur, înțelegeți că undeva se fac eforturi active pentru a o rezolva, dar rezultatul final pentru dvs., ca străin, rămâne neschimbat. Problema este percepută ca un fundal static, ca un decor, ca etern și aproape neschimbat la scara ta. viata stiintifica element de fizică. Ca o sarcină care a fost și va fi întotdeauna.

Și apoi - o rezolvă. Și deodată, la o scară de câteva zile, simți că imaginea fizică a lumii s-a schimbat și că acum trebuie formulată în alți termeni și să pui alte întrebări.

Pentru oamenii care lucrează direct la căutarea undelor gravitaționale, această sarcină, desigur, nu a rămas neschimbată. Ei văd scopul, știu ce trebuie atins. Ei, desigur, speră că natura îi va întâlni și la jumătatea drumului și va arunca o stropire puternică într-o galaxie din apropiere, dar în același timp înțeleg că, chiar dacă natura nu este atât de susținătoare, nu se va mai putea ascunde de oamenii de știință. . Singura întrebare este când anume își vor putea atinge obiectivele tehnice. O poveste despre această senzație de la o persoană care caută unde gravitaționale de câteva decenii poate fi auzită în filmul deja menționat. „Așteptăm unde și particule”.

Deschidere

În fig. Figura 7 prezintă rezultatul principal: profilul semnalului înregistrat de ambii detectoare. Se poate observa că pe fondul zgomotului, oscilația apare mai întâi slab, apoi crește în amplitudine și frecvență. forma dorită. Comparația cu rezultatele simulărilor numerice a făcut posibil să aflăm ce obiecte am observat fuzionarea: acestea erau găuri negre cu mase de aproximativ 36 și 29 de mase solare, care s-au contopit într-o gaură neagră cu o masă de 62 de mase solare (eroarea în toate aceste cifre corespund la 90 la sută interval de încredere, este de 4 mase solare). Autorii notează în trecere că gaura neagră rezultată este cea mai grea gaură neagră cu masă stelar observată vreodată. Diferența dintre masa totală a celor două obiecte inițiale și gaura neagră finală este de 3 ± 0,5 mase solare. Acest defect de masă gravitațională a fost complet transformat în energia undelor gravitaționale emise în aproximativ 20 de milisecunde. Calculele au arătat că puterea maximă a undelor gravitaționale a atins 3,6 10 56 erg/s sau, în termeni de masă, aproximativ 200 de mase solare pe secundă.

Semnificația statistică a semnalului detectat este de 5,1σ. Cu alte cuvinte, dacă presupunem că aceste fluctuații statistice s-au suprapus și au produs o astfel de explozie pur întâmplător, un astfel de eveniment ar trebui să aștepte 200 de mii de ani. Acest lucru ne permite să afirmăm cu încredere că semnalul detectat nu este o fluctuație.

Întârzierea dintre cele două detectoare a fost de aproximativ 7 milisecunde. Acest lucru a făcut posibilă estimarea direcției de sosire a semnalului (Fig. 9). Deoarece există doar doi detectoare, localizarea s-a dovedit a fi foarte aproximativă: regiunea sferei cerești potrivită din punct de vedere al parametrilor este de 600 de grade pătrate.

Colaborarea LIGO nu s-a limitat la a afirma doar faptul de a înregistra undele gravitaționale, ci a realizat și prima analiză a implicațiilor pe care această observație le are pentru astrofizică. În articolul Astrophysical implications of the binary black hole merger GW150914, publicat în aceeași zi în jurnal Scrisorile din jurnalul astrofizic, autorii au estimat frecvența cu care apar astfel de fuziuni ale găurilor negre. Rezultatul a fost cel puțin o fuziune pe gigaparsec cub pe an, ceea ce este în concordanță cu previziunile celor mai optimiste modele în acest sens.

Ce ne spun undele gravitaționale

Descoperirea unui nou fenomen după decenii de căutări nu este sfârșitul, ci doar începutul unei noi ramuri a fizicii. Desigur, înregistrarea undelor gravitaționale din fuziunea a doi negrii este importantă în sine. Aceasta este o dovadă directă a existenței găurilor negre și a existenței găurilor negre duble și a realității undelor gravitaționale și, în general, o dovadă a corectitudinii abordării geometrice a gravitației, pe care se bazează relativitatea generală. Dar pentru fizicieni, nu este mai puțin valoros faptul că astronomia undelor gravitaționale devine un nou instrument de cercetare, făcând posibilă studierea a ceea ce era anterior inaccesibil.

În primul rând, este o nouă modalitate de a vedea Universul și de a studia cataclismele cosmice. Nu există obstacole pentru undele gravitaționale; ele trec prin tot ceea ce există în Univers fără probleme. Sunt autosuficienți: profilul lor poartă informații despre procesul care le-a dat naștere. În cele din urmă, dacă o mare explozie generează o explozie optică, neutrină și gravitațională, atunci putem încerca să le prindem pe toate, să le comparăm între ele și să înțelegem detalii inaccesibile anterior despre ceea ce s-a întâmplat acolo. A fi capabil să surprindă și să compare semnale atât de diferite de la un eveniment este obiectivul principal al astronomiei cu toate semnalele.

Când detectoarele de unde gravitaționale devin și mai sensibile, ei vor putea detecta tremurul spațiu-timp nu în momentul fuziunii, ci cu câteva secunde înainte de aceasta. Ei își vor trimite automat semnalul de avertizare către rețeaua generală de stații de observare, iar sateliții telescopului astrofizic, după ce au calculat coordonatele fuziunii propuse, vor avea timp în aceste secunde să se întoarcă în direcția dorită și să înceapă să fotografieze cerul înainte de explozia optică. începe.

În al doilea rând, explozia undelor gravitaționale ne va permite să învățăm lucruri noi despre stelele neutronice. O fuziune a stelelor neutronice este, de fapt, cel mai recent și extrem de experiment pe stelele neutronice pe care natura îl poate face pentru noi, iar noi, ca spectatori, nu va trebui decât să observăm rezultatele. Consecințele observaționale ale unei astfel de fuziuni pot fi variate (Figura 10), iar prin colectarea statisticilor acestora putem înțelege mai bine comportamentul stelelor neutronice în astfel de medii exotice. Revizuire starea curenta cazuri în această direcție pot fi găsite în publicația recentă a lui S. Rosswog, 2015. Multi-messenger picture of compact binary mergers.

În al treilea rând, înregistrarea exploziei care a venit de la supernovă și compararea acesteia cu observațiile optice va face în sfârșit posibilă înțelegerea în detaliu a ceea ce se întâmplă în interior, chiar la începutul colapsului. Acum, fizicienii au încă dificultăți cu modelarea numerică a acestui proces.

În al patrulea rând, fizicienii implicați în teoria gravitației au un „laborator” râvnit pentru studierea efectelor gravitației puternice. Până acum, toate efectele relativității generale pe care le-am putut observa direct s-au raportat la gravitația în câmpuri slabe. Am putea ghici ce se întâmplă în condiții de gravitație puternică, când distorsiunile spațiu-timp încep să interacționeze puternic cu ele însele, doar din manifestări indirecte, prin ecoul optic al catastrofelor cosmice.

În al cincilea rând, se pare noua oportunitate pentru a testa teoriile exotice ale gravitației. Există deja multe astfel de teorii în fizica modernă, vezi, de exemplu, capitolul dedicat acestora din cartea populară „Gravitatea” de A. N. Petrov. Unele dintre aceste teorii seamănă cu relativitatea generală convențională în limita câmpurilor slabe, dar pot fi foarte diferite atunci când gravitația devine foarte puternică. Alții admit existența unui nou tip de polarizare pentru undele gravitaționale și prezic o viteză ușor diferită de viteza luminii. În cele din urmă, există teorii care includ dimensiuni spațiale suplimentare. Ce se poate spune despre ele pe baza undelor gravitaționale este o întrebare deschisă, dar este clar că unele informații pot fi profitate de aici. De asemenea, vă recomandăm să citiți părerea astrofizicienilor înșiși despre ce se va schimba odată cu descoperirea undelor gravitaționale, într-o selecție de pe Postnauka.

Planuri de viitor

Perspectivele pentru astronomia undelor gravitaționale sunt cele mai încurajatoare. Acum doar prima, cea mai scurtă sesiune de observație a detectorului aLIGO s-a încheiat - și deja pentru asta un timp scurt a fost primit un semnal clar. Mai corect ar fi să spunem asta: primul semnal a fost prins încă înainte de începerea oficială, iar colaborarea nu a raportat încă toate cele patru luni de muncă. Cine știe, poate că există deja câteva vârfuri suplimentare acolo? Într-un fel sau altul, dar mai departe, pe măsură ce sensibilitatea detectorilor crește și partea din Univers accesibilă pentru observațiile undelor gravitaționale se extinde, numărul evenimentelor înregistrate va crește ca o avalanșă.

Programul așteptat al sesiunii pentru rețeaua LIGO-Virgo este prezentat în Fig. 11. A doua sesiune, de șase luni, va începe la sfârșitul acestui an, a treia sesiune va dura aproape tot anul 2018, iar la fiecare etapă sensibilitatea detectorului va crește. În jurul anului 2020, aLIGO ar trebui să atingă sensibilitatea planificată, ceea ce va permite detectorului să sondeze Universul pentru fuziunea stelelor neutronice aflate la distanțe de până la 200 Mpc. Pentru evenimentele de fuziune a găurilor negre și mai energice, sensibilitatea poate atinge aproape un gigaparsec. Într-un fel sau altul, volumul Universului disponibil pentru observare va crește de zeci de ori față de prima sesiune.

Laboratorul italian renovat Virgo va intra și el în joc la sfârșitul acestui an. Sensibilitatea sa este puțin mai mică decât cea a LIGO, dar totuși destul de decentă. Datorită metodei de triangulare, un trio de detectoare distanțate în spațiu va face posibilă reconstrucția mult mai bună a poziției surselor pe sfera cerească. Dacă acum, cu doi detectoare, zona de localizare ajunge la sute de grade pătrate, atunci trei detectoare o vor reduce la zeci. În plus, în Japonia se construiește în prezent o antenă similară cu unde gravitaționale KAGRA, care va începe să funcționeze în doi-trei ani, iar în India, în jurul anului 2022, este planificată să fie lansat detectorul LIGO-India. Ca urmare, după câțiva ani, o întreagă rețea de detectoare de unde gravitaționale va funcționa și va înregistra regulat semnalele (Fig. 13).

În cele din urmă, există planuri de lansare a instrumentelor cu unde gravitaționale în spațiu, în special proiectul eLISA. În urmă cu două luni, a fost lansat pe orbită primul satelit de testare, a cărui sarcină va fi testarea tehnologiilor. Detectarea reală a undelor gravitaționale este încă departe. Dar când acest grup de sateliți începe să colecteze date, va deschide o altă fereastră în Univers - prin unde gravitaționale de joasă frecvență. Această abordare cu toate undele a undelor gravitaționale este un obiectiv major pe termen lung pentru domeniu.

Paralele

Descoperirea undelor gravitaționale a fost a treia oară în istorie anul trecut un caz în care fizicienii au trecut în cele din urmă peste toate obstacolele și au ajuns la subtilitățile necunoscute anterior ale structurii lumii noastre. În 2012, a fost descoperit bosonul Higgs, o particulă prezisă acum aproape jumătate de secol. În 2013, detectorul de neutrini IceCube a dovedit realitatea neutrinilor astrofizici și a început să „privească universul” într-un mod complet nou, anterior inaccesibil - prin neutrini de înaltă energie. Și acum natura a cedat din nou omului: o „fereastră” a undelor gravitaționale s-a deschis pentru observarea universului și, în același timp, efectele gravitației puternice au devenit disponibile pentru studiu direct.

Trebuie spus că nu a existat niciun „freebie” din natură nicăieri aici. Căutarea s-a făcut foarte mult timp, dar nu a dat rezultate pentru că atunci, cu zeci de ani în urmă, echipamentul nu a ajuns la rezultat în ceea ce privește energia, scara sau sensibilitatea. Dezvoltarea constantă, direcționată a tehnologiei a fost cea care a condus la obiectiv, o dezvoltare care nu a fost oprită nici de dificultățile tehnice, nici de rezultatele negative din anii trecuți.

Și în toate cele trei cazuri, însuși faptul descoperirii nu a fost sfârșitul, ci, dimpotrivă, începutul unei noi direcții de cercetare, a devenit un nou instrument de sondare a lumii noastre. Proprietățile bosonului Higgs au devenit disponibile pentru măsurare - și în aceste date, fizicienii încearcă să discearnă efectele Noii Fizice. Datorită statisticilor sporite ale neutrinilor de înaltă energie, astrofizica neutrinilor face primii pași. Cel puțin același lucru este de așteptat acum de la astronomia undelor gravitaționale și există toate motivele pentru optimism.

Surse:
1) Coll. Ştiinţifică LIGO. și Virgo Coll. Observarea undelor gravitaționale dintr-o fuziune binară a unei găuri negre // Fiz. Rev. Lett. Publicat 11 februarie 2016.
2) Documente de detectare - o listă de articole tehnice care însoțesc articolul principal de descoperire.
3) E. Berti. Punct de vedere: Primele sunete ale fuzionarii găurilor negre // Fizică. 2016. V. 9. N. 17.

Revizuirea materialelor:
1) David Blair și colab. Astronomia undelor gravitaționale: starea actuală // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott și colaborarea științifică LIGO și colaborarea Virgo. Perspective pentru observarea și localizarea tranzitoriilor gravitaționale cu LIGO avansat și Fecioară avansat // Living Rev. relativitatea. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Trecutul, prezentul și viitorul detectoarelor de unde gravitaționale cu masă rezonantă // Res. Astron. Astrophys. 2011. V. 11. N. 1.
4) Căutarea undelor gravitaționale - o selecție de materiale pe site-ul revistei Ştiinţă privind căutarea undelor gravitaționale.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Detectarea undelor gravitaționale prin interferometrie (sol și spațiu) // arXiv:1102.3355.
6) V. B. Braginsky. Astronomia undelor gravitaționale: noi metode de măsurare // UFN. 2000. T. 170. p. 743–752.
7) Peter R. Saulson.