„Recent, o serie de experimente pe termen lung privind observarea directă a undelor gravitaționale a generat un puternic interes științific”, a scris fizicianul teoretician Michio Kaku în cartea sa din 2004 Einstein’s Cosmos. — 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.

Valuri gravitationale- acestea sunt oscilații ale spațiului-timp care „fug” de obiecte masive (de exemplu, 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 în interiorul lor teorie generală relativitatea a fost prezisă de Albert Einstein (care, apropo, era sceptic cu privire la existența găurilor negre). 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!”

Acum trăim într-un Univers plin de unde gravitaționale.

Până la anunțul istoric de joi dimineață de la reuniunea Fundației Naționale pentru Știință (NSF) de la Washington, existau doar zvonuri că Observatorul cu undele gravitaționale cu interferometru laser (LIGO) a descoperit o componentă cheie a Teoriei generale a relativității a lui Albert Einstein, dar acum știm că realitatea este mai profundă decât am crezut.

Cu o claritate uimitoare, LIGO a reușit să „aude” momentul înainte ca un sistem binar (două găuri negre care orbitează una pe cealaltă) să se fuzioneze într-un singur întreg, creând un semnal de undă gravitațională atât de clar în conformitate cu modelul teoretic încât nu a necesitat discuții. . LIGO a asistat la „renașterea” unei găuri negre puternice, care a avut loc acum aproximativ 1,3 miliarde de ani.

Undele gravitaționale au trecut și vor fi întotdeauna prin planeta noastră (într-adevăr, trecând prin noi), dar abia acum știm cum să le găsim. Acum ne-am deschis ochii la diferite semnale cosmice, vibrații cauzate de evenimente energetice cunoscute și asistăm la nașterea unui zona noua astronomie.

Sunetul a două găuri negre care se îmbină:

„Acum putem auzi Universul”, a declarat Gabriela Gonzalez, fizician și purtător de cuvânt al LIGO, în timpul întâlnirii triumfale de joi. „Descoperirea marchează începutul unei noi ere: domeniul astronomiei gravitaționale este acum o realitate”.

Locul nostru în Univers se schimbă foarte mult și această descoperire ar putea fi la fel de fundamentală ca și descoperirea undelor radio și înțelegerea faptului că Universul se extinde.

Teoria relativității devine mai valoroasă

Încercarea de a explica ce sunt undele gravitaționale și de ce sunt atât de importante este la fel de complexă ca și ecuațiile care le descriu, dar descoperirea lor nu numai că întărește teoriile lui Einstein despre natura spațiu-timpului, ci acum avem un instrument pentru sondarea unor părți ale universului. care erau invizibile pentru toată lumea.noi. Acum putem studia undele cosmice create de cele mai energice evenimente care au loc în Univers și poate folosi undele gravitaționale pentru a face noi descoperiri fizice și a explora noi fenomene astronomice.

„Acum trebuie să dovedim că avem tehnologia pentru a depăși descoperirea undelor gravitaționale, pentru că asta deschide o mulțime de posibilități”, a declarat Lewis Lehner de la Institutul de Fizică Teoretică din Ontario într-un interviu după anunțul de joi.

Cercetările lui Lehner se concentrează pe obiecte dense (cum ar fi găurile negre) care creează unde gravitaționale puternice. Deși nu este asociat cu colaborarea LIGO, Lehner și-a dat seama rapid de importanța acestei descoperiri istorice. „Nu există semnale mai bune”, a spus el.

Descoperirea se bazează pe trei căi, argumentează el. În primul rând, știm acum că undele gravitaționale există și știm cum să le detectăm. În al doilea rând, semnalul detectat de stațiile LIGO pe 14 septembrie 2015 este o dovadă puternică a existenței unui sistem binar de găuri negre, iar fiecare gaură neagră cântărește câteva zeci de mase solare. Semnalul este exact ceea ce ne așteptam să vedem de la fuziunea violentă a două găuri negre, una cântărind de 29 de ori Soarele, cealaltă de 36 de ori. În al treilea rând, și poate cel mai important, „abilitatea de a fi trimis într-o gaură neagră” este de departe cea mai puternică dovadă a existenței găurilor negre.

Intuiția cosmică

Acest eveniment a fost însoțit de noroc, ca multe alte descoperiri științifice. LIGO este cel mai mare proiect finanțat de Fundația Națională pentru Știință, care a început inițial în 2002. S-a dovedit că, după mulți ani de căutare a semnalului evaziv al undelor gravitaționale, LIGO nu a fost suficient de sensibil și în 2010 observatoarele au fost înghețate în timpul lucrărilor. cooperare internationala pentru a le spori sensibilitatea. Cinci ani mai târziu, în septembrie 2015, a luat naștere „LIGO îmbunătățit”.

La acea vreme, co-fondatorul LIGO și greutatea grea a fizicii teoretice Kip Thorne era încrezător în succesul LIGO, spunând BBC: „Suntem aici. Am ajuns pe teren joc grozav. Și este destul de clar că vom ridica vălul secretului.” - Și avea dreptate, la câteva zile după reconstrucție, o explozie de unde gravitaționale a cuprins planeta noastră, iar LIGO a fost suficient de sensibil pentru a le detecta.

Aceste fuziuni ale găurilor negre nu sunt considerate nimic special; Se estimează că astfel de evenimente au loc la fiecare 15 minute undeva în Univers. Dar această fuziune specială a avut loc la locul potrivit (la 1,3 miliarde de ani lumină distanță) la momentul potrivit (acum 1,3 miliarde de ani) pentru ca observatoarele LIGO să-și capteze semnalul. Era un semnal pur din Univers, iar Einstein l-a prezis, iar undele sale gravitaționale s-au dovedit a fi reale, descriind un eveniment cosmic de 50 de ori mai puternic decât puterea tuturor stelelor din Univers combinate. Această explozie uriașă de unde gravitaționale a fost înregistrată de LIGO ca un semnal de înaltă frecvență cu modulație liniară a frecvenței, pe măsură ce găurile negre s-au spiralat împreună și s-au fuzionat într-una singură.

Pentru a confirma propagarea undelor gravitaționale, LIGO constă din două stații de observare, una în Louisiana, cealaltă în Washington. Pentru a elimina alarmele false, semnalul undei gravitaționale trebuie detectat la ambele stații. Pe 14 septembrie, rezultatul a fost obținut mai întâi în Louisiana, iar 7 milisecunde mai târziu la Washington. Semnalele au coincis și, cu ajutorul triangulației, fizicienii au putut afla că își au originea în spațiul ceresc al emisferei sudice.

Undele gravitaționale: cum pot fi ele utile?

Deci avem confirmarea unui semnal de fuziune a unei găuri negre, dar ce? Acest descoperire istorică, ceea ce este destul de de înțeles - acum 100 de ani Einstein nici nu putea visa să descopere aceste valuri, dar tot s-a întâmplat.

Relativitatea generală a fost una dintre cele mai profunde perspective științifice și filozofice ale secolului al XX-lea și formează baza unora dintre cele mai inteligente cercetări din realitate. În astronomie, aplicațiile relativității generale sunt clare: de la lentila gravitațională până la măsurarea expansiunii Universului. Dar nu este deloc clar uz practic Teoriile lui Einstein, dar cele mai multe tehnologii moderne folosiți lecții din teoria relativității în unele lucruri care sunt considerate simple. De exemplu, luați sateliții de navigație la nivel mondial, aceștia nu vor fi suficient de precisi decât dacă se aplică o simplă ajustare la dilatarea timpului (prevăzută de relativitate).

Este clar că relativitatea generală are aplicații în lumea reală, dar când Einstein și-a prezentat teoria în 1916, aplicarea ei a fost foarte discutabilă, ceea ce părea evident. Pur și simplu a conectat Universul așa cum l-a văzut și astfel s-a născut teoria generală a relativității. Și acum a fost dovedită o altă componentă a teoriei relativității, dar cum pot fi folosite undele gravitaționale? Astrofizicienii și cosmologii sunt cu siguranță intrigați.

„Odată ce am colectat date de la perechi de găuri negre care vor acționa ca niște faruri împrăștiate în univers”, a declarat fizicianul teoretician Neil Turok, directorul Institutului de Fizică Teoretică, în timpul unei prezentări video. „Vom putea măsura viteza.” expansiunea Universului sau cantitatea de energie întunecată cu o precizie extremă, mult mai precis decât putem astăzi.”

„Einstein și-a dezvoltat teoria cu niște indicii din natură, dar bazată pe consistența logică. După 100 de ani, vedeți o confirmare foarte exactă a predicțiilor sale.”

Mai mult, evenimentul din 14 septembrie are câteva caracteristici de fizică care încă mai trebuie explorate. De exemplu, Lehner a remarcat că, din analiza semnalului undei gravitaționale, este posibil să se măsoare „spinul” sau momentul unghiular al unei găuri negre care fuzionează. „Dacă ai lucrat la teorie de mult timp, vei ști că gaura neagră are o învârtire foarte, foarte specială”, a spus el.

Formarea undelor gravitaționale în timpul fuziunii a două găuri negre:

Din anumite motive, rotația finală a găurii negre este mai lentă decât era de așteptat, ceea ce indică faptul că găurile negre s-au ciocnit cu viteză mică sau au fost într-o astfel de coliziune care a provocat un moment unghiular comun opus unul altuia. „Este foarte interesant, de ce a făcut natura asta?” a spus Lehner.

Acest mister recent poate aduce înapoi o fizică de bază care fusese omisă, dar, mai intrigant, poate dezvălui o fizică „nouă”, neobișnuită, care nu se încadrează în relativitatea generală. Și acest lucru evidențiază alte utilizări ale undelor gravitaționale: deoarece sunt create de fenomene gravitaționale puternice, avem capacitatea de a sonda acest mediu de la distanță, cu posibile surprize pe parcurs. În plus, am putea combina observațiile fenomenelor astrofizice cu forțele electromagnetice pentru a înțelege mai bine structura Universului.

Aplicație?

Desigur, după anunțuri uriașe făcute dintr-un set de descoperiri științifice, mulți oameni din afara comunității științifice se întreabă cum ar putea fi afectați. Se poate pierde adâncimea descoperirii, ceea ce cu siguranță se aplică undelor gravitaționale. Dar luați în considerare un alt caz, când Wilhelm Roentgen a descoperit razele X în 1895, în timpul experimentelor cu tuburi catodice, puțini oameni știu că doar câțiva ani mai târziu, aceste unde electromagnetice vor deveni o componentă cheie în medicina de zi cu zi, de la diagnostic până la tratament. De asemenea, odată cu prima creație experimentală a undelor radio în 1887, Heinrich Hertz a confirmat faimoasele ecuații electromagnetice ale lui James Clerk Maxwell. Abia după un timp, în anii 90 ai secolului XX, Guglielmo Marconi, care a creat un emițător radio și un receptor radio, și-a dovedit aplicarea practică. De asemenea, ecuațiile lui Schrödinger, care descriu lumea complexă a dinamicii cuantice, sunt acum folosite în dezvoltarea calculului cuantic ultra-rapid.

Toate descoperirile științifice sunt utile și, în cele din urmă, multe au aplicații de zi cu zi pe care le considerăm de la sine înțeles. În prezent, aplicațiile practice ale undelor gravitaționale sunt limitate la astrofizică și cosmologie - acum avem o fereastră către „universul întunecat”, invizibil pentru radiația electromagnetică. Fără îndoială, oamenii de știință și inginerii vor găsi și alte întrebuințări pentru aceste pulsații cosmice, pe lângă sondarea Universului. Cu toate acestea, pentru a detecta aceste unde, trebuie să existe progres bunîn inginerie optică la LIGO, în care noi tehnologii vor apărea în timp.

Astrofizicienii au confirmat existența undelor gravitaționale, a căror existență a fost prezisă de Albert Einstein în urmă cu aproximativ 100 de ani. Au fost detectați folosind detectoare la observatorul de unde gravitaționale LIGO, care se află în Statele Unite.

Pentru prima dată în istorie, omenirea a înregistrat unde gravitaționale - vibrații ale spațiu-timpului care au venit pe Pământ în urma coliziunii a două găuri negre care au avut loc departe în Univers. La această descoperire au contribuit și oamenii de știință ruși. Joi, cercetătorii vorbesc despre descoperirea lor din întreaga lume - la Washington, Londra, Paris, Berlin și alte orașe, inclusiv Moscova.

Fotografia prezintă o simulare a unei coliziuni a unei găuri negre

Într-o conferință de presă la biroul Rambler&Co, Valery Mitrofanov, șeful părții ruse a colaborării LIGO, a anunțat descoperirea undelor gravitaționale:

„Am fost onorați să participăm la acest proiect și să vă prezentăm rezultatele. Vă voi spune acum semnificația descoperirii în rusă. Am văzut imagini frumoase cu detectoare LIGO în SUA. Distanța dintre ele este de 3000 km. Sub influența unei unde gravitaționale, unul dintre detectoare s-a deplasat, după care i-am descoperit. La început am văzut doar zgomot pe computer, iar apoi masa detectorilor Hamford a început să se clatine. După calcularea datelor obținute, am putut stabili că găurile negre s-au ciocnit la o distanță de 1,3 miliarde. la ani lumină depărtare. Semnalul a fost foarte clar, a ieșit din zgomot foarte clar. Mulți oameni ne-au spus că am avut noroc, dar natura ne-a făcut un astfel de cadou. Au fost descoperite unde gravitaționale, asta este sigur.”

Astrofizicienii au confirmat zvonurile că au fost capabili să detecteze undele gravitaționale folosind detectoare de la observatorul de unde gravitaționale LIGO. Această descoperire va permite omenirii să facă progrese semnificative în înțelegerea modului în care funcționează Universul.

Descoperirea a avut loc pe 14 septembrie 2015, simultan cu două detectoare din Washington și Louisiana. Semnalul a ajuns la detectoare ca urmare a ciocnirii a două găuri negre. Oamenilor de știință le-a luat atât de mult timp să verifice că undele gravitaționale au fost produsul coliziunii.

Ciocnirea găurilor a avut loc cu o viteză de aproximativ jumătate din viteza luminii, care este de aproximativ 150.792.458 m/s.

„Gravația newtoniană a fost descrisă în spațiul plat, iar Einstein a transferat-o în planul timpului și a presupus că o îndoaie. Interacțiunea gravitațională este foarte slabă. Pe Pământ, experimentele pentru a crea unde gravitaționale sunt imposibile. Au fost descoperite abia după fuziunea găurilor negre. Detectorul s-a deplasat, imaginați-vă, cu 10 până la -19 metri. Nu poți simți asta cu mâinile tale. Doar cu ajutorul unor instrumente foarte precise. Cum să o facă? Raza laser cu care a fost înregistrată schimbarea a fost unică în natură. Antena gravitațională laser de a doua generație a LIGO a devenit operațională în 2015. Sensibilitatea face posibilă detectarea perturbărilor gravitaționale aproximativ o dată pe lună. Aceasta este știință mondială și americană avansată; nu există nimic mai precis în lume. Sperăm că va putea depăși limita standard de sensibilitate cuantică”, a explicat descoperirea Serghei Vyatchanin, angajat al Departamentului de Fizică al Universității de Stat din Moscova și al colaborării LIGO.

Limita cuantică standard (SQL) în mecanica cuantică este o limitare impusă acurateței unei măsurări continue sau repetate în mod repetat a oricărei mărimi descrise de un operator care nu comută cu sine în momente diferite. Prezetat în 1967 de V.B. Braginsky, iar termenul Standard Quantum Limit (SQL) a fost propus mai târziu de Thorne. SKP este strâns legat de relația de incertitudine Heisenberg.

Rezumând, Valery Mitrofanov a vorbit despre planurile de cercetare ulterioară:

„Această descoperire este începutul unei noi astronomii cu unde gravitaționale. Prin canalul undelor gravitaționale ne așteptăm să aflăm mai multe despre Univers. Cunoaștem compoziția a doar 5% din materie, restul este un mister. Detectoarele gravitaționale vă vor permite să vedeți cerul în „unde gravitaționale”. În viitor, sperăm să vedem începutul tuturor, adică radiația relicvă a Big Bang-ului și să înțelegem ce s-a întâmplat exact atunci.”

Undele gravitaționale au fost propuse pentru prima dată de Albert Einstein în 1916, acum aproape 100 de ani. Ecuația pentru unde este o consecință a ecuațiilor teoriei relativității și nu este derivată în cel mai simplu mod.

Fizicianul teoretician canadian Clifford Burgess a publicat anterior o scrisoare în care spunea că observatorul 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. Ciocnirea și colapsul gravitațional asimetric durează o fracțiune de secundă, iar în acest timp energie care se ridică la 50% din masa sistemului este pierdută în radiația gravitațională - ondulații în spațiu-timp.

O undă gravitațională este o undă de gravitație generată în majoritatea teoriilor gravitaționale prin mișcarea corpurilor gravitaționale cu accelerație variabilă. Datorită slăbiciunii relative a forțelor gravitaționale (comparativ cu altele), aceste unde ar trebui să aibă o magnitudine foarte mică, greu de înregistrat. Existența lor a fost prezisă acum aproximativ un secol de Albert Einstein.

Ziua oficială de descoperire (detecție) a undelor gravitaționale este 11 februarie 2016. Atunci, la o conferință de presă susținută la Washington, liderii colaborării LIGO au anunțat că o echipă de cercetători a reușit să înregistreze acest fenomen pentru prima dată în istoria omenirii.

Profețiile marelui Einstein

Faptul că undele gravitaționale există a fost sugerat de Albert Einstein la începutul secolului trecut (1916) în cadrul Teoriei sale generale a relativității (GTR). Nu se poate decât să se minuneze de abilitățile strălucitoare ale celebrului fizician, care, cu un minim de date reale, a reușit să tragă concluzii atât de ample. Printre multe alte fenomene fizice prezise care au fost confirmate în secolul următor (încetinirea curgerii timpului, schimbarea direcției radiațiilor electromagnetice în câmpurile gravitaționale etc.), până de curând nu a fost posibil să se detecteze practic prezența acestui tip de interacțiunea undelor dintre corpuri.

Este gravitația o iluzie?

În general, în lumina Teoriei relativității, gravitația cu greu poate fi numită forță. perturbaţii sau curburi ale continuumului spaţiu-timp. Un exemplu bun O bucată de material întinsă poate servi ca ilustrare a acestui postulat. Sub greutatea unui obiect masiv plasat pe o astfel de suprafață, se formează o depresiune. Alte obiecte, atunci când se deplasează în apropierea acestei anomalii, își vor schimba traiectoria mișcării, ca și cum ar fi „atrase”. Si ce greutate mai mare obiect (cu cât diametrul și adâncimea de curbură sunt mai mari), cu atât „forța de atracție” este mai mare. Pe măsură ce se deplasează pe țesătură, se poate observa apariția unor „unduri” divergente.

Ceva similar se întâmplă în spațiul cosmic. Orice materie masivă care se mișcă rapid este o sursă de fluctuații în densitatea spațiului și a timpului. O undă gravitațională cu o amplitudine semnificativă este formată din corpuri cu mase extrem de mari sau când se deplasează cu accelerații enorme.

caracteristici fizice

Fluctuațiile în metrica spațiu-timp se manifestă ca modificări ale câmpului gravitațional. Acest fenomen este altfel numit ondulații spațiu-timp. Unda gravitațională afectează corpurile și obiectele întâlnite, comprimându-le și întinzându-le. Mărimea deformării este foarte nesemnificativă - aproximativ 10 -21 față de dimensiunea inițială. Întreaga dificultate de a detecta acest fenomen a fost că cercetătorii trebuiau să învețe cum să măsoare și să înregistreze astfel de modificări folosind echipamente adecvate. Puterea radiației gravitaționale este, de asemenea, extrem de mică - pentru toți sistem solar se ridică la câțiva kilowați.

Viteza de propagare a undelor gravitaționale depinde puțin de proprietățile mediului conductor. Amplitudinea oscilațiilor scade treptat cu distanța de la sursă, dar nu ajunge niciodată la zero. Frecvența variază de la câteva zeci la sute de herți. Viteza undelor gravitaționale în mediul interstelar se apropie de viteza luminii.

Dovezi circumstanțiale

Prima confirmare teoretică a existenței undelor gravitaționale a fost obținută de astronomul american Joseph Taylor și asistentul său Russell Hulse în 1974. Studiind vastitatea Universului folosind radiotelescopul Observatorului Arecibo (Puerto Rico), cercetătorii au descoperit pulsarul PSR B1913+16, care este sistem dual stele neutronice care se rotesc în jurul unui centru de masă comun cu o viteză unghiulară constantă (un caz destul de rar). În fiecare an, perioada de circulație, inițial de 3,75 ore, se reduce cu 70 ms. Această valoare este pe deplin în concordanță cu concluziile din ecuațiile relativității generale, care prezic o creștere a vitezei de rotație a unor astfel de sisteme din cauza consumului de energie pentru generarea undelor gravitaționale. Ulterior, au fost descoperite mai multe pulsari duble și pitice albe cu comportament similar. Radioastronomii D. Taylor și R. Hulse au primit premiul Premiul Nobelîn fizică pentru descoperirea de noi posibilităţi de studiere a câmpurilor gravitaţionale.

Evadarea undei gravitaționale

Primul anunț despre detectarea undelor gravitaționale a venit de la om de știință Joseph Weber (SUA) de la Universitatea din Maryland, în 1969. În aceste scopuri, a folosit două antene gravitaționale de design propriu, separate de o distanță de doi kilometri. Detectorul rezonant era un cilindru solid de aluminiu de doi metri, bine izolat de vibrații, echipat cu senzori piezoelectrici sensibili. Amplitudinea oscilațiilor pretins înregistrate de Weber s-a dovedit a fi de peste un milion de ori mai mare decât valoarea așteptată. Încercările altor oameni de știință de a repeta „succesul” fizicianului american folosind echipamente similare nu au adus rezultate pozitive. Câțiva ani mai târziu, munca lui Weber în acest domeniu a fost recunoscută ca insustenabilă, dar a dat impuls dezvoltării „boom-ului gravitațional”, care a atras mulți specialiști în acest domeniu de cercetare. Apropo, Joseph Weber însuși a fost sigur până la sfârșitul zilelor sale că a primit unde gravitaționale.

Îmbunătățirea echipamentului de recepție

În anii '70, omul de știință Bill Fairbank (SUA) a dezvoltat designul unei antene cu unde gravitaționale, răcită cu ajutorul SQUIDS - magnetometre ultra-sensibile. Tehnologiile existente la acea vreme nu i-au permis inventatorului să-și vadă produsul realizat în „metal”.

Detectorul gravitațional Auriga de la Laboratorul Național Legnar (Padova, Italia) este proiectat folosind acest principiu. Designul se bazează pe un cilindru din aluminiu-magneziu, lung de 3 metri și diametru de 0,6 m. Dispozitivul de recepție cu o greutate de 2,3 tone este suspendat într-o cameră de vid izolată răcită aproape la zero absolut. Pentru înregistrarea și detectarea șocurilor, se utilizează un rezonator kilogram auxiliar și un complex de măsurare bazat pe computer. Sensibilitatea declarată a echipamentului este de 10 -20.

Interferometre

Funcționarea detectoarelor de interferență a undelor gravitaționale se bazează pe aceleași principii pe care funcționează interferometrul Michelson. Emis de o sursă raza laser este împărțit în două fluxuri. După reflexii și călătorii multiple de-a lungul brațelor dispozitivului, fluxurile sunt din nou reunite și pe baza celui final se apreciază dacă vreo perturbare (de exemplu, o undă gravitațională) a afectat cursul razelor. Echipamente similare au fost create în multe țări:

• GEO 600 (Hannover, Germania). Lungimea tunelurilor de vid este de 600 de metri.
• TAMA (Japonia) cu umeri de 300 m.
• VIRGO (Pisa, Italia) este un proiect comun franco-italian lansat în 2007 cu trei kilometri de tuneluri.
• LIGO (SUA, Coasta Pacificului), care vânează unde gravitaționale din 2002.

Acesta din urmă merită luat în considerare mai detaliat.

LIGO avansat

Proiectul a fost creat la inițiativa oamenilor de știință de la institutele de tehnologie din Massachusetts și California. Include două observatoare, separate de 3 mii de km, în și Washington (orașele Livingston și Hanford) cu trei interferometre identice. Lungimea tunelurilor de vid perpendiculare este de 4 mii de metri. Acestea sunt cele mai mari astfel de structuri aflate în funcțiune în prezent. Până în 2011, numeroase încercări de detectare a undelor gravitaționale nu au adus niciun rezultat. Modernizarea semnificativă efectuată (Advanced LIGO) a crescut sensibilitatea echipamentului în intervalul 300-500 Hz de peste cinci ori, iar în regiunea de joasă frecvență (până la 60 Hz) cu aproape un ordin de mărime, ajungând valoarea râvnită de 10 -21. Proiectul actualizat a început în septembrie 2015, iar eforturile a peste o mie de angajați din colaborare au fost răsplătite cu rezultatele obținute.

Unde gravitaționale detectate

Pe 14 septembrie 2015, detectoarele avansate LIGO, cu un interval de 7 ms, au înregistrat unde gravitaționale care ajung pe planeta noastră de la cel mai mare eveniment care a avut loc la periferia Universului observabil - fuziunea a două găuri negre mari cu mase de 29 și 36 de ori. mai mare decât masa Soarelui. În timpul procesului, care a avut loc în urmă cu mai bine de 1,3 miliarde de ani, aproximativ trei mase solare de materie au fost consumate în câteva fracțiuni de secundă prin emisia de unde gravitaționale. Frecvența inițială înregistrată a undelor gravitaționale a fost de 35 Hz, iar valoarea maximă de vârf a atins 250 Hz.

Rezultatele obţinute au fost supuse în mod repetat unei verificări şi prelucrări cuprinzătoare, iar interpretările alternative ale datelor obţinute au fost eliminate cu grijă. În sfârșit, anul trecut a fost anunțată comunității mondiale înregistrarea directă a fenomenului prezis de Einstein.

Un fapt care ilustrează munca titanică a cercetătorilor: amplitudinea fluctuațiilor în dimensiunea brațelor interferometrului a fost de 10 -19 m - această valoare este de același număr de ori mai mică decât diametrul unui atom, deoarece atomul în sine este mai mic decât un atom. portocale.

Perspective de viitor

Descoperirea confirmă încă o dată că Teoria Generală a Relativității nu este doar un set de formule abstracte, ci o privire fundamental nouă asupra esenței undelor gravitaționale și a gravitației în general.

În cercetările ulterioare, oamenii de știință au mari speranțe în proiectul ELSA: crearea unui interferometru orbital gigant cu brațe de aproximativ 5 milioane km, capabil să detecteze chiar și perturbări minore în câmpurile gravitaționale. Activarea muncii în această direcție poate spune o mulțime de lucruri noi despre principalele etape ale dezvoltării Universului, despre procese care sunt dificil sau imposibil de observat în intervalele tradiționale. Nu există nicio îndoială că găurile negre, ale căror unde gravitaționale vor fi detectate în viitor, vor spune multe despre natura lor.

Pentru a studia radiația cosmică de fond cu microunde, care ne poate spune despre primele momente ale lumii noastre după Big Bang, vor fi necesare instrumente spațiale mai sensibile. Un astfel de proiect există ( Big Bang Observer), dar implementarea sa, potrivit experților, este posibilă nu mai devreme de 30-40 de ani.

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.