Gravitacijski valovi su otvoreni! Bit gravitacijskih valova jednostavnim riječima.

Sada živimo u svemiru ispunjenom gravitacijskim valovima.

Prije povijesne objave u četvrtak ujutro sa sastanka Nacionalne zaklade za znanost (NSF) u Washingtonu, postojale su samo glasine da je Opservatorij za laserske interferometrijske gravitacijske valove (LIGO) otkrio ključnu komponentu Opće teorije relativnosti Alberta Einsteina, ali sada znamo stvarnost je dublja nego što smo mislili.

Uz nevjerojatnu jasnoću, LIGO je uspio "čuti" trenutak prije spajanja binarnog sustava (dvije crne rupe koje rotiraju jedna oko druge) u jedinstvenu cjelinu, stvarajući tako jasan signal gravitacijskog vala u skladu s teoretskim modelom koji nije zahtijevaju raspravu. LIGO je svjedočio "ponovnom rođenju" moćne crne rupe, koje se dogodilo prije otprilike 1,3 milijarde godina.

Gravitacijski valovi uvijek su bili i uvijek će biti, prolazeći kroz naš planet (u stvari, prolazeći kroz nas), ali tek sada znamo kako ih pronaći. Sada smo otvorili oči za razne kozmičke signale, vibracije uzrokovane poznatim energetskim događajima, i svjedočimo rađanju potpuno novog polja astronomije.

Zvuk spajanja dviju crnih rupa:

"Sada možemo čuti svemir", rekla je Gabriela Gonzalez, fizičarka i glasnogovornica LIGO-a, tijekom trijumfalnog sastanka u četvrtak. nova era: Polje gravitacijske astronomije sada je stvarnost."

Naše mjesto u Svemiru se jako mijenja i ovo otkriće može biti temeljno, poput otkrića radio valova i razumijevanja da se Svemir širi.

Teorija relativnosti postaje sve valjanija

Pokušaji da se objasni što su gravitacijski valovi i zašto su toliko važni složeni su kao i jednadžbe koje ih opisuju, ali njihovo pronalaženje ne samo da jača Einsteinove teorije o prirodi prostorvremena, već sada imamo i alat za ispitivanje dijela svemira koji bila nam nevidljiva. Sada možemo proučavati kozmičke valove koje stvaraju najenergičniji događaji u svemiru i možda koristiti gravitacijske valove za nova fizička otkrića i istraživanje novih astronomskih fenomena.

"Sada moramo dokazati da imamo tehnologiju da idemo dalje od otkrića gravitacijskih valova, jer nam to otvara mnoge mogućnosti", rekao je Lewis Lehner, s Instituta za teorijsku fiziku Ontarija, u intervjuu nakon izjave od četvrtka.

Lehnerovo istraživanje usmjereno je na guste objekte (kao što su crne rupe) koji stvaraju snažne gravitacijske valove. Iako nije povezan s LIGO kolaboracijom, Lehner je brzo shvatio važnost ovog povijesnog otkrića. "Nema boljih signala", rekao je.

Otkriće se temelji na tri puta, objašnjava on. Prvo, sada znamo da gravitacijski valovi postoje i znamo kako ih otkriti. Drugo, signal koji su LIGO stanice detektirale 14. rujna 2015. snažan je dokaz za postojanje binarnog sustava crnih rupa, a svaka crna rupa teži nekoliko desetaka solarnih masa. Signal je upravo onakav kakav smo očekivali vidjeti kao rezultat čvrstog spajanja dviju crnih rupa, jedna 29 puta teža od Sunca, a druga 36 puta. Treće, i možda najvažnije, "mogućnost slanja u crnu rupu" je definitivno najjači dokaz za postojanje crnih rupa.

Kozmička intuicija

Ovaj događaj pratila je sreća, kao i mnoga druga znanstvena otkrića. LIGO je najveći projekt koji je financirala Nacionalna zaklada za znanost, a započeo je 2002. godine. Pokazalo se da nakon dugogodišnje potrage za nedostižnim signalom gravitacijskih valova LIGO nije bio dovoljno osjetljiv te su 2010. zvjezdarnice zamrznute dok se međunarodnom suradnjom radila na povećanju njihove osjetljivosti. Pet godina kasnije, u rujnu 2015. rođen je "poboljšani LIGO".

U to vrijeme, suosnivač LIGO-a i teoretski fizičar Kip Thorne bio je uvjeren u uspjeh LIGO-a, rekavši za BBC: "Ovdje smo. U velikoj smo igri. I sasvim je jasno da ćemo podići veo tajne.“ I bio je u pravu, nekoliko dana nakon rekonstrukcije, val gravitacijskih valova preplavio je naš planet, a LIGO je bio dovoljno osjetljiv da ih otkrije.

Ova spajanja crnih rupa ne smatraju se ničim posebnim; procjenjuje se da se takvi događaji događaju svakih 15 minuta negdje u svemiru. Ali to spajanje dogodilo se u pravo mjesto(na udaljenosti od 1,3 milijarde svjetlosnih godina) u pravo vrijeme(prije 1,3 milijarde godina) kako bi LIGO zvjezdarnice uhvatile njegov signal. Bio je to čisti signal iz svemira, a Einstein ga je predvidio, a njegovi gravitacijski valovi su se pokazali stvarnima, opisujući kozmički događaj 50 puta jači od snage svih zvijezda u svemiru zajedno. Ovu ogromnu eksploziju gravitacijskih valova LIGO je zabilježio kao visokofrekventni signal cvrkutanja dok su se crne rupe spiralno spajale u jednu.

Kako bi se potvrdilo širenje gravitacijskih valova, LIGO se sastoji od dvije promatračke stanice, jedne u Louisiani, druge u Washingtonu. Kako bi se eliminirali lažni pozitivni signali, signal gravitacijskih valova mora se detektirati na obje postaje. 14. rujna rezultat je prvo dobiven u Louisiani, a nakon 7 milisekundi u Washingtonu. Signali su se poklopili i uz pomoć triangulacije fizičari su uspjeli otkriti da potječu s neba južne hemisfere.

Gravitacijski valovi: kako mogu biti korisni?

Dakle, imamo potvrdu signala spajanja crne rupe, pa što? Ovaj povijesno otkriće, što je sasvim razumljivo – prije 100 godina Einstein nije mogao ni sanjati da će otkriti te valove, ali to se dogodilo.

Opća teorija relativnosti bila je jedno od najdubljih znanstvenih i filozofskih ostvarenja 20. stoljeća i čini temelj najintelektualnijih istraživanja u stvarnosti. U astronomiji su primjene opće teorije relativnosti jasne: od gravitacijske leće do mjerenja širenja svemira. Ali nije nimalo jasno praktičnu upotrebu Einsteinove teorije, ali većina moderne tehnologije koristiti lekcije iz teorije relativnosti u nekim stvarima koje se smatraju jednostavnima. Na primjer, uzmite globalne navigacijske satelite, oni neće biti dovoljno precizni ako se ne primijeni jednostavna korekcija za dilataciju vremena (predviđenu relativnošću).

Posve je jasno da opća teorija relativnosti ima primjenu u stvarni svijet, ali kada je Einstein predstavio svoju teoriju 1916. godine, njezina je primjena bila vrlo upitna, što se činilo očiglednim. Jednostavno je povezao Svemir kako ga je on vidio i tako je nastala opća teorija relativnosti. I sada je još jedna komponenta teorije relativnosti dokazana, ali kako se mogu koristiti gravitacijski valovi? Astrofizičari i kozmolozi su definitivno zaintrigirani.

"Nakon što prikupimo podatke iz parova crnih rupa koje će djelovati kao svjetionici razasuti diljem svemira", rekao je u četvrtak tijekom video prezentacije teorijski fizičar Neil Turok, direktor Instituta za teorijsku fiziku, "moći ćemo izmjeriti brzinu širenja svemira, ili količinu tamne energije s ekstremnom preciznošću, mnogo preciznijom nego što možemo danas.”

“Einstein je svoju teoriju razvio s nekim tragovima iz prirode, ali na temelju logičnog slijeda. Za 100 godina vidjet ćete vrlo točnu potvrdu njegovih predviđanja.”

Štoviše, događaj od 14. rujna ima neke fizičke značajke koje tek treba istražiti. Na primjer, Lehner je primijetio da se iz analize signala gravitacijskog vala može izmjeriti "spin" ili kutni moment pri spajanju crne rupe. "Ako ste dugo radili na teoriji, trebali biste znati da crna rupa ima vrlo, vrlo posebnu vrtnju", rekao je.

Nastanak gravitacijskih valova tijekom spajanja dviju crnih rupa:

Iz nekog razloga, konačna rotacija crne rupe je sporija od očekivane, što ukazuje na to da se crne rupe sudaraju malom brzinom, ili su bile u takvom sudaru koji je uzrokovao da se zajednički kutni momenti suprotstavljaju. “Vrlo je zanimljivo, zašto je priroda ovo učinila?” rekao je Lehner.

Ova nedavna zagonetka može vratiti neke osnovne fizike koje su bile izostavljene, ali, što je još intrigantnije, može otkriti "novu", neobičnu fiziku koja se ne uklapa u opću teoriju relativnosti. A ovo otkriva i druge primjene gravitacijskih valova: budući da ih stvaraju jaki gravitacijski fenomeni, imamo mogućnost sondirati ovo okruženje izdaleka, uz moguća iznenađenja usput. Osim toga, mogli bismo kombinirati promatranja astrofizičkih fenomena s elektromagnetskim silama kako bismo bolje razumjeli strukturu svemira.

Primjena?

Naravno, nakon silnih najava iz kompleksa znanstvenih otkrića, mnogi ljudi izvan znanstvene zajednice pitaju se kako na njih mogu utjecati. Može se izgubiti dubina otkrića, što se, naravno, odnosi i na gravitacijske valove. Ali razmislite o drugom slučaju, kada je Wilhelm Roentgen otkrio X-zrake 1895. godine, dok je eksperimentirao s katodnim cijevima, malo ljudi zna da će za samo nekoliko godina ti elektromagnetski valovi postati ključna komponenta u svakodnevnoj medicini od dijagnoze do liječenja. Slično tome, prvim eksperimentalnim stvaranjem radiovalova 1887., Heinrich Hertz potvrdio je poznate elektromagnetske jednadžbe Jamesa Clerka Maxwella. Tek nakon nekog vremena, 90-ih godina 20. stoljeća, Guglielmo Marconi, koji je stvorio radio odašiljač i radio prijemnik, dokazao je njihovu praktičnu primjenu. Također, Schrödingerove jednadžbe opisuju složeni svijet kvantna dinamika sada se koristi u razvoju ultrabrzog kvantnog računalstva.

Sva znanstvena otkrića su korisna, a mnoga u konačnici imaju svakodnevnu primjenu koju uzimamo zdravo za gotovo. Trenutno je praktična primjena gravitacijskih valova ograničena na astrofiziku i kozmologiju - sada imamo prozor u "mračnom svemiru" koji nije vidljiv elektromagnetskom zračenju. Nema sumnje da će znanstvenici i inženjeri pronaći druge svrhe za ove kozmičke pulsacije osim osjeta svemira. Međutim, kako bi se otkrili ti valovi, mora postojati dobar napredak u optičkoj tehnologiji u LIGO-u, u kojem će se s vremenom pojaviti nove tehnologije.

Gravitacijski valovi - slika umjetnika

Gravitacijski valovi su poremećaji prostorno-vremenske metrike koji se odvajaju od izvora i šire poput valova (tzv. "prostorno-vremenski valovi").

U općoj teoriji relativnosti iu većini drugih modernih teorija gravitacije, gravitacijski valovi nastaju kretanjem masivnih tijela s promjenjivom akceleracijom. Gravitacijski valovi slobodno se šire u prostoru brzinom svjetlosti. Zbog relativne slabosti gravitacijskih sila (u usporedbi s ostalima) ti valovi imaju vrlo mala količina teško za registraciju.

Polarizirani gravitacijski val

Gravitacijske valove predviđa Opća teorija relativnosti (GR), mnoge druge. Prvi put su izravno detektirani u rujnu 2015. s dva detektora blizanaca, koji su registrirali gravitacijske valove, vjerojatno nastale spajanjem ta dva i formiranjem jednog masivnijeg rotirajućeg Crna rupa. Neizravni dokazi o njihovom postojanju poznati su od 1970-ih - opća teorija relativnosti predviđa brzinu konvergencije bliskih sustava koja se poklapa s opažanjima zbog gubitka energije za emisiju gravitacijskih valova. Izravna registracija gravitacijskih valova i njihova uporaba za određivanje parametara astrofizičkih procesa važan je zadatak suvremene fizike i astronomije.

U okviru opće relativnosti gravitacijski valovi opisuju se rješenjima Einsteinovih jednadžbi valnog tipa, koje predstavljaju poremećaj metrike prostor-vrijeme koja se kreće brzinom svjetlosti (u linearnoj aproksimaciji). Manifestacija ove perturbacije trebala bi biti, posebno, periodična promjena udaljenosti između dviju ispitnih masa koje slobodno padaju (to jest, na koje ne utječu nikakve sile). Amplituda h gravitacijski val je bezdimenzijska veličina – relativna promjena udaljenosti. Predviđene maksimalne amplitude gravitacijskih valova od astrofizičkih objekata (na primjer, kompaktnih binarnih sustava) i fenomena (eksplozije, spajanja, zarobljavanja crnim rupama itd.) vrlo su male kada se mjere u ( h=10 −18 -10 −23). Slabi (linearni) gravitacijski val, prema općoj teoriji relativnosti, nositelj je energije i količine gibanja, giba se brzinom svjetlosti, transverzalan je, četveropolni, a opisuju ga dvije neovisne komponente koje se međusobno nalaze pod kutom od 45°. (ima dva smjera polarizacije).

Razne teorije na različite načine predviđaju brzinu širenja gravitacijskih valova. U općoj teoriji relativnosti jednaka je brzini svjetlosti (u linearnoj aproksimaciji). U drugim teorijama gravitacije, ona može poprimiti bilo koju vrijednost, uključujući ad infinitum. Prema podacima prve registracije gravitacijskih valova pokazalo se da je njihova disperzija kompatibilna s bezmasenim gravitonom, a brzina je procijenjena jednakom brzini svjetlosti.

Generiranje gravitacijskih valova

Sustav dviju neutronskih zvijezda stvara valove u prostor-vremenu

Gravitacijski val emitira svaka tvar koja se kreće asimetričnim ubrzanjem. Za nastanak vala značajne amplitude potrebna je iznimno velika masa emitera ili/i ogromna ubrzanja, amplituda gravitacijskog vala izravno je proporcionalna prva derivacija akceleracije i masa generatora tj. ~ . Međutim, ako se neki objekt kreće ubrzano, to znači da na njega djeluje neka sila sa strane drugog tijela. S druge strane, ovaj drugi objekt doživljava obrnuto djelovanje (prema Newtonovom 3. zakonu), dok se ispostavlja da m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Ispostavilo se da dva objekta zrače gravitacijske valove samo u parovima, a kao rezultat interferencije međusobno se gotovo potpuno gase. Stoga gravitacijsko zračenje u općoj teoriji relativnosti uvijek ima karakter barem kvadrupolnog zračenja u smislu multipolarnosti. Osim toga, za nerelativističke emitere, izraz za intenzitet zračenja sadrži mali parametar gdje je gravitacijski radijus emitera, r- njegova karakteristična veličina, T- karakterističan period kretanja, c je brzina svjetlosti u vakuumu.

Najjači izvori gravitacijskih valova su:

• sudaranje (ogromne mase, vrlo mala ubrzanja),
• gravitacijski kolaps binarnog sustava kompaktnih objekata (kolosalna ubrzanja s prilično velikom masom). Kao poseban i najzanimljiviji slučaj - spajanje neutronskih zvijezda. U takvom sustavu, luminoznost gravitacijskih valova je blizu najveće moguće Planckove luminoznosti u prirodi.

Gravitacijski valovi koje emitira sustav dvaju tijela

Dva tijela koja se kreću po kružnim orbitama oko zajedničkog centra mase

Dva gravitacijski vezana tijela s masama m 1 i m 2 , krećući se nerelativistički ( v << c) u kružnim orbitama oko njihovog zajedničkog središta mase na udaljenosti r jedni od drugih zrače gravitacijske valove sljedeće energije, u prosjeku tijekom razdoblja:

Zbog toga sustav gubi energiju, što dovodi do konvergencije tijela, odnosno do smanjenja udaljenosti između njih. Brzina približavanja tijela:

Za Sunčev sustav, na primjer, podsustav i proizvodi najveće gravitacijsko zračenje. Snaga ovog zračenja je približno 5 kilovata. Dakle, energija koju Sunčev sustav godišnje gubi na gravitacijsko zračenje potpuno je zanemariva u usporedbi s karakterističnom kinetičkom energijom tijela.

Gravitacijski kolaps binarnog sustava

Svaka binarna zvijezda, kada se njezine komponente okreću oko zajedničkog središta mase, gubi energiju (kao što se pretpostavlja - zbog emisije gravitacijskih valova) i na kraju se stapaju zajedno. Ali za obične, nekompaktne, binarne zvijezde, ovaj proces traje jako dugo, mnogo više od današnjeg doba. Ako se binarni kompaktni sustav sastoji od para neutronskih zvijezda, crnih rupa ili njihove kombinacije, tada se spajanje može dogoditi za nekoliko milijuna godina. Prvo, objekti se približavaju jedan drugome, a njihov period revolucije se smanjuje. Zatim u završnoj fazi dolazi do sudara i asimetričnog gravitacijskog kolapsa. Taj proces traje djelić sekunde, a za to vrijeme energija se gubi u gravitacijsko zračenje koje prema nekim procjenama čini više od 50% mase sustava.

Osnovna egzaktna rješenja Einsteinovih jednadžbi za gravitacijske valove

Tjelesni valovi Bondi - Pirani - Robinson

Ti su valovi opisani metrikom oblika . Ako uvedemo varijablu i funkciju , tada iz GR jednadžbi dobivamo jednadžbu

Takeno metrika

ima oblik , -funkcije, zadovoljavaju istu jednadžbu.

Rosenova metrika

Gdje zadovoljiti

Perezova metrika

pri čemu

Einstein-Rosen cilindrični valovi

U cilindričnim koordinatama takvi valovi imaju oblik i ispunjeni su

Registracija gravitacijskih valova

Registracija gravitacijskih valova prilično je komplicirana zbog slabosti potonjih (mala distorzija metrike). Instrumenti za njihovu registraciju su detektori gravitacijskih valova. Pokušaji detektiranja gravitacijskih valova vršeni su od kasnih 1960-ih. Gravitacijski valovi detektabilne amplitude nastaju tijekom kolapsa binarnog sustava. Slični se događaji u okolici odvijaju otprilike jednom u desetljeću.

S druge strane, opća relativnost predviđa ubrzanje međusobne rotacije dvojnih zvijezda zbog gubitka energije za emisiju gravitacijskih valova, a taj je učinak pouzdano zabilježen u nekoliko poznatih sustava binarnih kompaktnih objekata (osobito pulsara sa kompaktnim pratiocima). Godine 1993. "za otkriće novog tipa pulsara koji je dao nove mogućnosti u proučavanju gravitacije" otkrivačima prvog dvostrukog pulsara PSR B1913+16, Russellu Hulseu i Josephu Tayloru Jr. je dobio Nobelovu nagradu za fiziku. Ubrzanje rotacije opaženo u ovom sustavu potpuno se poklapa s predviđanjima opće relativnosti za emisiju gravitacijskih valova. Isti fenomen zabilježen je u još nekoliko slučajeva: za pulsare PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (obično skraćeno J0651) i binarni sustav RX J0806. Na primjer, udaljenost između dvije komponente A i B prve binarne zvijezde dvaju pulsara PSR J0737-3039 smanjuje se za oko 2,5 inča (6,35 cm) dnevno zbog gubitka energije gravitacijskim valovima, a to se događa u skladu s opća relativnost . Svi ovi podaci tumače se kao neizravna potvrda postojanja gravitacijskih valova.

Prema procjenama, najjači i najčešći izvori gravitacijskih valova za gravitacijske teleskope i antene su katastrofe povezane s kolapsom binarnih sustava u obližnjim galaksijama. Očekuje se da će u bliskoj budućnosti napredni gravitacijski detektori registrirati nekoliko takvih događaja godišnje, iskrivljujući metriku u blizini za 10 −21 -10 −23 . Prva opažanja signala optičko-metričke parametarske rezonancije, koja omogućuje otkrivanje učinka gravitacijskih valova iz periodičnih izvora blisko binarnog tipa na zračenje kozmičkih masera, možda su dobivena u Radioastronomskom opservatoriju Rusije Akademija znanosti, Pushchino.

Druga mogućnost otkrivanja pozadine gravitacijskih valova koji ispunjavaju Svemir je visokoprecizno mjerenje vremena udaljenih pulsara – analiza vremena dolaska njihovih impulsa, koje se karakteristično mijenja pod djelovanjem gravitacijskih valova koji prolaze kroz prostor između Zemlje i pulsara. Prema procjenama iz 2013., točnost mjerenja vremena treba se povećati za otprilike jedan red veličine kako bi se mogli detektirati pozadinski valovi iz više izvora u našem svemiru, a taj se zadatak može riješiti prije kraja desetljeća.

Prema suvremenim konceptima, naš je svemir ispunjen reliktnim gravitacijskim valovima koji su se pojavili u prvim trenucima nakon. Njihova će registracija pružiti informacije o procesima na početku rađanja Svemira. Dana 17. ožujka 2014. u 20:00 sati po moskovskom vremenu u Harvard-Smithsonian centru za astrofiziku, američka skupina istraživača koji rade na projektu BICEP 2 objavila je detekciju perturbacija tenzora različitih od nule u ranom svemiru polarizacijom CMB-a, što je ujedno i otkriće ovih reliktnih gravitacijskih valova . Međutim, gotovo odmah je ovaj rezultat osporavan, budući da je, kako se pokazalo, doprinos . Jedan od autora, J. M. Kovats ( Kovač J.M.), priznao je da su "s tumačenjem i pokrivanjem podataka eksperimenta BICEP2 sudionici eksperimenta i znanstveni novinari malo požurili."

Eksperimentalna potvrda postojanja

Prvi zabilježeni signal gravitacijskih valova. S lijeve strane podaci s detektora u Hanfordu (H1), s desne strane u Livingstonu (L1). Vrijeme se računa od 14. rujna 2015., 09:50:45 UTC. Za vizualizaciju signala, on je filtriran frekvencijskim filtrom s propusnim opsegom od 35-350 Hz kako bi se suzbile velike fluktuacije izvan raspona visoke osjetljivosti detektora; također su korišteni propusni filtri za suzbijanje buke samih instalacija. Gornji red: naponi h u detektorima. GW150914 prvo je stigao na L1 i nakon 6 9 +0 5 −0 4 ms na H1; za vizualnu usporedbu, podaci iz H1 prikazani su u dijagramu L1 obrnuti i vremenski pomaknuti (kako bi se uzela u obzir relativna orijentacija detektora). Drugi red: naponi h iz signala gravitacijskog vala, propuštenog kroz isti pojasni filtar 35-350 Hz. Puna linija je rezultat numeričke relativnosti za sustav s parametrima kompatibilnim s onima koji su pronađeni na temelju proučavanja signala GW150914, dobivenog pomoću dva neovisna koda s rezultirajućim podudaranjem od 99,9. Sive debele linije predstavljaju intervale pouzdanosti od 90% valnog oblika dobivenog iz podataka detektora pomoću dvije različite metode. Tamno siva linija modelira očekivane signale od spajanja crnih rupa, svijetlosiva linija ne koristi astrofizičke modele, već predstavlja signal kao linearnu kombinaciju sinusoidno-gaussovih valića. Rekonstrukcije se preklapaju 94%. Treći red: Preostale pogreške nakon izdvajanja filtriranog predviđanja numeričkog relativnog signala iz filtriranog signala detektora. Donji red: prikaz karte frekvencije napona koji pokazuje povećanje dominantne frekvencije signala tijekom vremena.

11. veljače 2016. suradnje LIGO i VIRGO. Signal spajanja dviju crnih rupa s maksimalnom amplitudom od oko 10 −21 detektiran je 14. rujna 2015. u 09:51 UTC s dva LIGO detektora u Hanfordu i Livingstonu u razmaku od 7 milisekundi, u području maksimalnog signala amplituda (0,2 sekunde) kombinirani omjer signala i šuma bio je 24:1. Signal je označen GW150914. Oblik signala odgovara predviđanju opće teorije relativnosti za spajanje dviju crnih rupa s masama od 36 i 29 solarnih masa; nastala crna rupa trebala bi imati masu od 62 solarne mase i rotacijski parametar a= 0,67. Udaljenost do izvora je oko 1,3 milijarde, energija koja se zrači u desetinkama sekunde u spajanju je ekvivalentna oko 3 solarne mase.

Priča

Povijest samog pojma "gravitacijski val", teorijska i eksperimentalna potraga za tim valovima, kao i njihova upotreba za proučavanje fenomena nedostupnih drugim metodama.

• 1900. - Lorentz je predložio da se gravitacija "... može širiti brzinom koja nije veća od brzine svjetlosti";
• 1905. - Poincare prvi uveo pojam gravitacijski val (onde gravifique). Poincaré je, na kvalitativnoj razini, uklonio dobro utvrđene Laplaceove primjedbe i pokazao da se korekcije povezane s gravitacijskim valovima Newtonovih općeprihvaćenih zakona gravitacijskog reda poništavaju, tako da pretpostavka o postojanju gravitacijskih valova nije u suprotnosti s promatranjima;
• 1916. - Einstein je pokazao da bi, u okviru GR-a, mehanički sustav prenosio energiju na gravitacijske valove i, grubo rečeno, svaka rotacija u odnosu na fiksne zvijezde mora prestati prije ili kasnije, iako, naravno, u normalnim uvjetima gubici energije od reda su zanemarivi i praktički se ne mogu mjeriti (u U ovom je radu još uvijek pogrešno vjerovao da mehanički sustav koji stalno održava sfernu simetriju može zračiti gravitacijske valove);
• 1918. - Einstein izveo kvadrupolnu formulu u kojoj se zračenje gravitacijskih valova pokazalo kao učinak reda, čime je ispravio pogrešku u svom prethodnom radu (došlo je do pogreške u koeficijentu, energija vala je 2 puta manja);
• 1923. - Eddington - dovodi u pitanje fizičku stvarnost gravitacijskih valova "... šire se ... brzinom misli." Godine 1934., pripremajući ruski prijevod svoje monografije Teorija relativnosti, Eddington je dodao nekoliko poglavlja, uključujući poglavlja s dvije varijante izračuna gubitaka energije rotirajućim štapom, ali je primijetio da metode korištene za približne izračune opće relativnosti, u njegovom mišljenja, nisu primjenjivi na gravitacijsko spregnute sustave, pa nedoumice ostaju;
• 1937. - Einstein je zajedno s Rosenom istraživao cilindrična valna rješenja točnih jednadžbi gravitacijskog polja. Tijekom ovih studija sumnjali su da bi gravitacijski valovi mogli biti artefakt približnih rješenja GR jednadžbi (poznata je korespondencija u vezi s prikazom članka Einsteina i Rosena "Postoje li gravitacijski valovi?"). Kasnije je pronašao pogrešku u obrazloženju, konačna verzija članka s temeljnim izmjenama već je objavljena u Journal of the Franklin Institute;
• 1957. - Herman Bondy i Richard Feynman predložili su misaoni eksperiment "štap s perlama" u kojem su potkrijepili postojanje fizičkih posljedica gravitacijskih valova u općoj teoriji relativnosti;
• 1962. - Vladislav Pustovoit i Mikhail Gertsenshtein opisali su principe korištenja interferometra za detekciju dugovalnih gravitacijskih valova;
• 1964. - Philip Peters i John Matthew teoretski su opisali gravitacijske valove koje emitiraju binarni sustavi;
• 1969. - Joseph Weber, utemeljitelj astronomije gravitacijskih valova, izvještava o detekciji gravitacijskih valova pomoću rezonantnog detektora - mehaničke gravitacijske antene. Ova izvješća dovode do brzog rasta rada u tom smjeru, posebice je Rene Weiss, jedan od osnivača projekta LIGO, započeo eksperimente u to vrijeme. Do danas (2015.) nitko nije uspio dobiti pouzdanu potvrdu ovih događaja;
• 1978. - Joseph Taylor objavio je detekciju gravitacijskog zračenja u binarnom sustavu pulsara PSR B1913+16. Rad Josepha Taylora i Russella Hulsea donio je Nobelovu nagradu za fiziku 1993. godine. Početkom 2015. izmjerena su tri postkeplerovska parametra, uključujući smanjenje perioda zbog emisije gravitacijskih valova, za najmanje 8 takvih sustava;
• 2002. - Sergey Kopeikin i Edward Fomalont izvršili su dinamička mjerenja otklona svjetlosti u Jupiterovu gravitacijskom polju koristeći radiovalnu interferometriju s iznimno dugom osnovnom linijom, što za određenu klasu hipotetskih proširenja opće relativnosti omogućuje procjenu brzine gravitacije - razliku od brzina svjetlosti ne smije prelaziti 20% (ova interpretacija nije općeprihvaćena);
• 2006. - međunarodni tim Marthe Burgay (Parks Observatory, Australija) izvijestio je o mnogo preciznijoj potvrdi opće relativnosti i korespondenciji s njom veličine zračenja gravitacijskih valova u sustavu dvaju pulsara PSR J0737-3039A/B;
• 2014. - Astronomi Harvard-Smithsonian centra za astrofiziku (BICEP) izvijestili su o detekciji primordijalnih gravitacijskih valova u mjerenjima CMB fluktuacija. U ovom trenutku (2016.), otkrivene fluktuacije se ne smatraju reliktnim podrijetlom, već se objašnjavaju zračenjem prašine u Galaksiji;
• 2016 - LIGO međunarodni tim objavio je detekciju događaja prolaska gravitacijskih valova GW150914. Po prvi put, izravno promatranje interakcija masivnih tijela u superjakim gravitacijskim poljima s supervisokim relativnim brzinama (< 1,2 × R s , v/c >0,5), što je omogućilo provjeru točnosti opće relativnosti s točnošću nekoliko post-Newtonovih članova visokog reda. Izmjerena disperzija gravitacijskih valova nije u suprotnosti s prethodnim mjerenjima disperzije i gornje granice mase hipotetskog gravitona (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.



Jučer je svijet šokirala senzacija: znanstvenici su konačno otkrili gravitacijske valove čije je postojanje Einstein predvidio prije sto godina. Ovo je iskorak. Izobličenje prostor-vremena (radi se o gravitacijskim valovima - sad ćemo objasniti što je što) otkriveno je u zvjezdarnici LIGO, a jedan od njezinih utemeljitelja je - što mislite tko? - Kip Thorne, autor knjige.

Govorimo zašto je otkriće gravitacijskih valova toliko važno, što je rekao Mark Zuckerberg i, naravno, dijelimo priču iz prvog lica. Kip Thorne, kao nitko drugi, zna kako projekt funkcionira, što ga čini neobičnim i kakav značaj LIGO ima za čovječanstvo. Da, da, sve je tako ozbiljno.

Otkriće gravitacijskih valova

Znanstveni svijet zauvijek će pamtiti datum 11. veljače 2016. Na današnji dan su sudionici projekta LIGO objavili: nakon toliko uzaludnih pokušaja, pronađeni su gravitacijski valovi. Ovo je stvarnost. Zapravo, otkriveni su nešto ranije: u rujnu 2015., no jučer je otkriće službeno priznato. The Guardian vjeruje da će znanstvenici sigurno dobiti Nobelovu nagradu za fiziku.

Uzrok gravitacijskih valova je sudar dviju crnih rupa, koji se dogodio već ... milijardu svjetlosnih godina od Zemlje. Zamislite koliki je naš svemir! Budući da su crne rupe vrlo masivna tijela, one se mreškaju kroz prostor-vrijeme, pomalo ga iskrivljujući. Tako nastaju valovi, slični onima koji se šire od kamena bačenog u vodu.

Ovako možete zamisliti gravitacijske valove koji na Zemlju dolaze, primjerice, iz crvotočine. Crtež iz knjige “Interstellar. Znanost iza kulisa"

Rezultirajuće vibracije pretvorene su u zvuk. Zanimljivo je da signal gravitacijskih valova dolazi približno istom frekvencijom kao i naš govor. Dakle, vlastitim ušima možemo čuti kako se crne rupe sudaraju. Poslušajte kako zvuče gravitacijski valovi.

I znate što? Od nedavno su crne rupe raspoređene drugačije nego što se mislilo. Ali uostalom, uopće nije bilo dokaza da oni u principu postoje. I sada postoji. Crne rupe doista "žive" u Svemiru.

Dakle, prema znanstvenicima, katastrofa izgleda kao - spajanje crnih rupa, -.

Dana 11. veljače održana je grandiozna konferencija koja je okupila više od tisuću znanstvenika iz 15 zemalja. Bili su prisutni i ruski znanstvenici. I, naravno, ne bez Kipa Thornea. “Ovo otkriće početak je nevjerojatne, veličanstvene potrage za ljude: potraga i istraživanje zakrivljene strane Svemira - objekata i pojava stvorenih iz iskrivljenog prostor-vremena. Sudar crnih rupa i gravitacijskih valova naši su prvi izuzetni uzorci,” rekao je Kip Thorne.

Potraga za gravitacijskim valovima jedan je od glavnih problema fizike. Sada su pronađeni. I Einsteinova genijalnost ponovno je potvrđena.

U listopadu smo intervjuirali Sergeja Popova, ruskog astrofizičara i poznatog popularizatora znanosti. Pogledao je u vodu! U jesen: “Čini mi se da smo sada na pragu novih otkrića, što je prvenstveno zahvaljujući radu detektora gravitacijskih valova LIGO i VIRGO (Kip Thorne je upravo dao veliki doprinos stvaranju projekta LIGO). ” Nevjerojatno, zar ne?

Gravitacijski valovi, detektori valova i LIGO

Pa, sada malo fizike. Za one koji stvarno žele razumjeti što su gravitacijski valovi. Ovdje umjetnička slika tendex linije dviju crnih rupa koje kruže jedna oko druge, suprotno od kazaljke na satu, a zatim se sudaraju. Tendex linije stvaraju plimnu gravitaciju. Samo naprijed. Linije koje izviru iz dviju najudaljenijih točaka na površini par crnih rupa protežu sve što im se nađe na putu, uključujući i umjetnikova prijatelja koji se uvukao u crtež. Linije koje izlaze iz područja sudara sabijaju sve.

Dok se rupe okreću jedna oko druge, one slijede svoje tendex linije, koje su poput mlazova vode iz vrteće se prskalice za travnjak. Slikano iz knjige Interstellar. Znanost iza kulisa je par crnih rupa koje se sudaraju, rotirajući jedna oko druge u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, i njihove tendex linije.

Crne rupe se spajaju u jednu velika rupa; deformira se i okreće u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, povlačeći sa sobom linije tetive. Stacionarni promatrač udaljen od rupe osjetit će vibracije dok linije tetive prolaze kroz nju: istezanje, zatim stiskanje, pa rastezanje - linije tetive postaju gravitacijski val. Kako se valovi šire, deformacija crne rupe postupno se smanjuje, a valovi također slabe.

Kada ti valovi dođu do Zemlje, imaju oblik prikazan na vrhu donje slike. Istežu se u jednom smjeru, a stisnu u drugom. Istezanja i stiskanja fluktuiraju (od crvenog desno-lijevo, do plavog desno-lijevo, do crvenog desno-lijevo, itd.) dok valovi prolaze kroz detektor na dnu slike.

Gravitacijski valovi koji prolaze kroz LIGO detektor.

Detektor se sastoji od četiri velika zrcala (40 kilograma, 34 centimetra u promjeru) koja su pričvršćena na krajeve dviju okomitih cijevi koje se nazivaju krakovi detektora. Tendex linije gravitacijskih valova rastežu jedno rame, dok sabijaju drugo, a zatim, naprotiv, stisnu prvo i istežu drugo. I tako opet i opet. Povremenom promjenom duljine krakova zrcala se pomiču jedno u odnosu na drugo, a ti se pomaci prate pomoću laserskih zraka na način koji se naziva interferometrija. Otuda i naziv LIGO: Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory.

Kontrolni centar LIGO, odakle šalju naredbe detektoru i prate primljene signale. LIGO-ovi gravitacijski detektori nalaze se u Hanfordu, Washington i Livingstonu, Louisiana. Fotografija iz knjige “Interstellar. Znanost iza kulisa"

Sada je LIGO međunarodni projekt koji uključuje 900 znanstvenika iz različite zemlje, sa sjedištem na Kalifornijskom institutu za tehnologiju.

Uvrnuta strana svemira

Crne rupe, crvotočine, singulariteti, gravitacijske anomalije i dimenzije višeg reda povezuju se sa zakrivljenošću prostora i vremena. Zato ih Kip Thorne naziva "zakrivljenom stranom svemira". Čovječanstvo još uvijek ima vrlo malo eksperimentalnih i promatračkih podataka sa zakrivljene strane svemira. To je razlog zašto pridajemo toliko pažnje gravitacijskim valovima: oni su napravljeni od zakrivljenog prostora i pružaju nam najpristupačniji način za istraživanje zakrivljene strane.

Zamislite da ste morali vidjeti ocean samo kada je miran. Ne biste znali za struje, vrtloge i olujne valove. Ovo podsjeća na naše trenutno znanje o zakrivljenosti prostora i vremena.

Ne znamo gotovo ništa o tome kako se iskrivljeni prostor i iskrivljeno vrijeme ponašaju "u oluji" - kada oblik prostora silovito fluktuira i kada brzina protoka vremena fluktuira. Ovo je neobično primamljiva granica znanja. Znanstvenik John Wheeler skovao je izraz "geometrodinamika" za ove promjene.

Od posebnog interesa u području geometrodinamike je sudar dviju crnih rupa.

Sudar dviju nerotirajućih crnih rupa. Model iz knjige „Interstellar. Znanost iza kulisa"

Gornja slika prikazuje trenutak sudara dvije crne rupe. Upravo takav događaj omogućio je znanstvenicima snimanje gravitacijskih valova. Ovaj model je napravljen za nerotirajuće crne rupe. Gore: orbite i sjene rupa, gledano iz našeg svemira. Sredina: zakrivljeni prostor i vrijeme, gledano iz snopa (visokodimenzionalni hiperprostor); strelice pokazuju kako se prostor povlači u pokret, a promjenjive boje pokazuju kako se vrijeme savija. Dolje: Oblik emitiranih gravitacijskih valova.

Gravitacijski valovi od Velikog praska

Riječ Kipu Thorneu. “Godine 1975. Leonid Grischuk, moj dobar prijatelj iz Rusije, dao je senzacionalnu izjavu. Rekao je da su u trenutku Velikog praska nastali mnogi gravitacijski valovi, a mehanizam njihovog nastanka (do sada nepoznat) bio je sljedeći: kvantne fluktuacije (slučajne fluktuacije - ur.) Gravitacijsko polje pri Velikom prasku uvelike je pojačano početnim širenjem svemira i tako su postali izvorni gravitacijski valovi. Ti valovi, ako se mogu detektirati, mogu nam reći što se događalo u trenutku rođenja našeg svemira.”

Ako znanstvenici pronađu izvorne gravitacijske valove, znat ćemo kako je nastao svemir.

Ljudi su daleko odgonetnuli sve misterije svemira. Još uvijek naprijed.

Sljedećih godina, kako se naše razumijevanje Velikog praska poboljšavalo, postalo je jasno da ti početni valovi moraju biti jaki na valnim duljinama razmjernim veličini vidljivog svemira, to jest, na duljinama od milijardi svjetlosnih godina. Možete li zamisliti koliko je to?.. A na valnim duljinama koje LIGO detektori pokrivaju (stotine i tisuće kilometara), valovi će vjerojatno biti preslabi da bi ih prepoznali.

Tim Jamieja Bocka napravio je aparat BICEP2, koji je pronašao trag primordijalnih gravitacijskih valova. Letjelica Sjevernog pola ovdje je prikazana tijekom sumraka, koji se ondje događa samo dva puta godišnje.

BICEP2 aparat. Slika iz knjige “Interstellar. Znanost iza kulisa"

Okružen je štitovima koji štite letjelicu od radijacije okolnog ledenog pokrivača. U desnoj gornji kut prikazuje trag pronađen u reliktnom zračenju - polarizacijski uzorak. linije električno polje usmjeren duž kratkih laganih poteza.

Trag početka svemira

Početkom 1990-ih kozmolozi su shvatili da su ti gravitacijski valovi dugi milijarde svjetlosnih godina morali ostaviti jedinstveni trag u Elektromagnetski valovi ispunjavajući Svemir – u takozvanoj kozmičkoj mikrovalnoj pozadini, odnosno reliktnom zračenju. To je označilo početak potrage za Svetim gralom. Uostalom, ako pronađete ovaj trag i iz njega izvedete svojstva izvornih gravitacijskih valova, možete saznati kako je svemir rođen.

U ožujku 2014., dok je Kip Thorne pisao ovu knjigu, tim Jamieja Boka, kozmologa s Caltecha čiji se ured nalazi pokraj Thorneovog, konačno je pronašao ovaj trag u CMB-u.

Ovo je apsolutno nevjerojatno otkriće, ali postoji jedna kontroverzna točka: trag koji je pronašao Jamiejev tim nisu mogli uzrokovati gravitacijski valovi, već nešto drugo.

Ako je doista pronađen trag gravitacijskih valova iz Velikog praska, tada je došlo do kozmološkog otkrića razine koja se događa, možda, jednom u pola stoljeća. Daje priliku dotaknuti događaje koji su se dogodili trilijunti od trilijuntog od trilijuntog dijela sekunde nakon rođenja Svemira.

Ovo otkriće potvrđuje teorije da je širenje svemira u tom trenutku bilo iznimno brzo, u žargonu kozmologa - inflacijska brzina. I najavljuje dolazak nove ere u kozmologiji.

Gravitacijski valovi i međuzvjezdani

Jučer je na konferenciji o otkriću gravitacijskih valova Valerij Mitrofanov, voditelj moskovske kolaboracije znanstvenika LIGO, koja uključuje 8 znanstvenika s Moskovskog državnog sveučilišta, istaknuo da radnja filma Interstellar, iako fantastična, nije tako daleko od stvarnosti. . A sve zato što je znanstveni savjetnik bio Kip Thorne. Sam Thorne izrazio je nadu da vjeruje u buduće letove ljudske posade do crne rupe. Neka se ne dogode čim bismo htjeli, a ipak je danas mnogo stvarnije nego što je bilo prije.

Nije daleko dan kada će ljudi napustiti granice naše galaksije.

Događaj je potresao umove milijuna ljudi. Ozloglašeni Mark Zuckerberg je napisao: “Otkriće gravitacijskih valova je najveće otkriće u modernoj znanosti. Albert Einstein jedan je od mojih heroja i zato sam ovo otkriće shvatio tako blizu. Prije jednog stoljeća, u okviru Opće teorije relativnosti (GR), predvidio je postojanje gravitacijskih valova. Ali oni su toliko mali da bi ih se otkrilo da ih je počelo tražiti u izvorima događaja kao što su Veliki prasak, eksplozije zvijezda i sudari crnih rupa. Kada znanstvenici analiziraju dobivene podatke, vidjet ćemo savršenstvo Novi izgled svemiru. I možda će to rasvijetliti podrijetlo svemira, rađanje i razvoj crnih rupa. Vrlo je inspirativno razmišljati o tome koliko je života i truda uloženo u otkrivanje ove misterije svemira. Ovaj iskorak omogućen je zahvaljujući talentu briljantnih znanstvenika i inženjera, ljudi različitih nacionalnosti, kao i najnovijim računalnim tehnologijama koje su se tek nedavno pojavile. Čestitke svim uključenima. Einstein bi bio ponosan na tebe."

Takav je govor. A to je čovjek kojeg jednostavno zanima znanost. Može se zamisliti kakva je oluja emocija preplavila znanstvenike koji su pridonijeli otkriću. Čini se da smo svjedoci nove ere, prijatelji. Odlično je.

P.S. Svidjelo vam se? Pretplatite se na naš newsletter oko horizonta. Jednom tjedno šaljemo edukativna pisma i dajemo popuste na MIF knjige.

U četvrtak, 11. veljače, skupina znanstvenika iz međunarodnog projekta LIGO Scientific Collaboration objavila je da im je uspjelo, čije je postojanje predvidio Albert Einstein još 1916. godine. Prema riječima istraživača, 14. rujna 2015. snimili su gravitacijski val, koji je nastao sudarom dviju crnih rupa mase 29 i 36 puta veće od mase Sunca, nakon čega su se spojile u jednu veliku crnu rupu. . Prema njima, to se dogodilo navodno prije 1,3 milijarde godina na udaljenosti od 410 megaparseka od naše galaksije.

LIGA.net je detaljno govorila o gravitacijskim valovima i velikom otkriću Bohdan Hnatyk, ukrajinski znanstvenik, astrofizičar, doktor fizikalnih i matematičkih znanosti, voditelj Istraživač Astronomski opservatorij u Kijevu nacionalno sveučilište nazvan po Tarasu Ševčenku, koji je bio na čelu zvjezdarnice od 2001. do 2004. godine.

Teorija prostim jezikom

Fizika proučava međudjelovanje između tijela. Utvrđeno je da postoje četiri vrste interakcija među tijelima: elektromagnetska, jaka i slaba nuklearna interakcija i gravitacijska interakcija, koju svi osjećamo. Zbog gravitacijske interakcije planeti se okreću oko Sunca, tijela imaju težinu i padaju na tlo. Ljudska bića su stalno suočena s gravitacijskom interakcijom.

Godine 1916., prije 100 godina, Albert Einstein izgradio je teoriju gravitacije koja je poboljšala Newtonovu teoriju gravitacije, učinila je matematički ispravnom: počela je ispunjavati sve zahtjeve fizike, počela je uzimati u obzir činjenicu da se gravitacija širi na vrlo visokoj , ali konačne brzine. Ovo je s pravom jedno od Einsteinovih najambicioznijih postignuća, jer je izgradio teoriju gravitacije koja odgovara svim fenomenima fizike koje danas promatramo.

Ova teorija također je sugerirala postojanje gravitacijski valovi. Osnova ovog predviđanja bila je da gravitacijski valovi postoje kao rezultat gravitacijske interakcije koja nastaje zbog spajanja dvaju masivnih tijela.

Što je gravitacijski val

Kompliciran jezik ovo je pobuda metrike prostor-vrijeme. "Recimo da prostor ima određenu elastičnost i kroz njega mogu prolaziti valovi. To je kao kad bacimo kamenčić u vodu i iz njega se rasprše valovi", rekao je za LIGA.net doktor fizikalnih i matematičkih znanosti.

Znanstvenici su uspjeli eksperimentalno dokazati da se takva fluktuacija dogodila u Svemiru i da je gravitacijski val jurio na sve strane. “Prvi put je astrofizičkom metodom snimljen fenomen tako katastrofalne evolucije binarnog sustava, kada se dva objekta spajaju u jedan, a to spajanje dovodi do vrlo intenzivnog oslobađanja gravitacijske energije, koja se zatim širi svemirom u obliku gravitacijskih valova”, objasnio je znanstvenik.

Kako to izgleda (foto - EPA)

Ti su gravitacijski valovi vrlo slabi i da bi oscilirali prostor-vrijeme potrebna je interakcija vrlo velikih i masivnih tijela tako da je jakost gravitacijskog polja velika na mjestu nastanka. No, unatoč njihovoj slabosti, promatrač će nakon određenog vremena (jednako udaljenosti do interakcije podijeljenoj s brzinom signala) registrirati ovaj gravitacijski val.

Navedimo primjer: kad bi Zemlja pala na Sunce, tada bi došlo do gravitacijske interakcije: oslobodila bi se gravitacijska energija, stvorio bi se gravitacijski sferno simetrični val, a promatrač bi ga mogao registrirati. "Ovdje se dogodio sličan, ali jedinstven, sa stajališta astrofizike, fenomen: sudarila su se dva masivna tijela - dvije crne rupe", primijetio je Gnatyk.

Povratak teoriji

Crna rupa je još jedno predviđanje Einsteinove opće teorije relativnosti, koja predviđa da tijelo koje ima ogromnu masu, ali je ta masa koncentrirana u malom volumenu, može značajno iskriviti prostor oko sebe, sve do njegovog zatvaranja. To jest, pretpostavljeno je da kada se postigne kritična koncentracija mase ovog tijela - takva da će veličina tijela biti manja od takozvanog gravitacijskog radijusa, tada će se prostor zatvoriti oko tog tijela i njegova topologija će biti takav da se nikakav signal iz njega neće širiti izvan zatvorenog prostora ne može.

"To jest, crna rupa, jednostavnim riječima, je masivan objekt koji je toliko težak da zatvara prostor-vrijeme oko sebe", kaže znanstvenik.

I mi, prema njemu, možemo slati bilo kakve signale ovom objektu, ali on ne može slati nama. To jest, nikakvi signali ne mogu ići dalje od crne rupe.

Crna rupa živi prema uobičajenim fizikalnim zakonima, ali kao posljedica jake gravitacije niti jedno materijalno tijelo, pa čak ni foton, ne može izaći izvan te kritične površine. Crne rupe nastaju tijekom evolucije običnih zvijezda, kada središnja jezgra kolabira i dio materije zvijezde kolabirajući se pretvara u crnu rupu, a drugi dio zvijezde biva izbačen u obliku ljuske supernove, pretvarajući se u takozvani "bljesak" supernove.

Kako smo vidjeli gravitacijski val

Uzmimo primjer. Kada imamo dva plovka na površini vode, a voda je mirna, udaljenost između njih je konstantna. Kada dođe val, on pomiče te plovke i udaljenost između plovaka će se promijeniti. Val je prošao - i plovci se vraćaju na svoje prethodne položaje, a udaljenost između njih se vraća.

Gravitacijski val se na sličan način širi u prostor-vremenu: sabija i rasteže tijela i objekte koji mu se susreću na putu. "Kada se određeni objekt naiđe na putu vala, on se deformira duž svojih osi, a nakon prolaska vraća se u svoj prijašnji oblik. Pod utjecajem gravitacijskog vala sva se tijela deformiraju, ali su te deformacije vrlo beznačajno”, kaže Hnatyk.

Kada je val prošao, što su znanstvenici zabilježili, relativna veličina tijela u svemiru promijenila se za vrijednost reda veličine 1 puta 10 na minus 21. potenciju. Na primjer, ako uzmete metarsko ravnalo, onda se ono smanjilo za toliku vrijednost da je to bila njegova veličina, pomnožena s 10 na minus 21. stupanj. Ovo je vrlo mali iznos. A problem je bio u tome što su znanstvenici morali naučiti kako izmjeriti tu udaljenost. Konvencionalne metode dale su točnost reda veličine od 1 do 10 na 9. milijunsku potenciju, ali ovdje je potrebna mnogo veća točnost. Da biste to učinili, stvorene su takozvane gravitacijske antene (detektori gravitacijskih valova).

Zvjezdarnica LIGO (foto - EPA)

Antena koja je snimala gravitacijske valove konstruirana je na ovaj način: dvije su cijevi, duge oko 4 kilometra, raspoređene u obliku slova "L", ali s istim kracima i pod pravim kutom. Kada gravitacijski val padne na sustav, on deformira krila antene, ali ovisno o orijentaciji, jedno deformira više, a drugo manje. A onda postoji razlika putanje, mijenja se interferencijski uzorak signala - postoji ukupna pozitivna ili negativna amplituda.

“Odnosno, prolaz gravitacijskog vala sličan je valu na vodi koji prolazi između dva plovka: kad bismo izmjerili udaljenost između njih tijekom i nakon prolaska vala, vidjeli bismo da bi se udaljenost promijenila, a zatim postala opet isto«, rekao je.Gnatyk.

Također mjeri relativnu promjenu udaljenosti dva krila interferometra, od kojih je svako dugo oko 4 kilometra. A samo vrlo precizne tehnologije i sustavi mogu izmjeriti takav mikroskopski pomak krila uzrokovan gravitacijskim valom.

Na rubu svemira: odakle je došao val

Znanstvenici su zabilježili signal pomoću dva detektora, koji se u Sjedinjenim Državama nalaze u dvije države: Louisiani i Washingtonu na udaljenosti od oko 3 tisuće kilometara. Znanstvenici su uspjeli procijeniti odakle i s koje udaljenosti dolazi taj signal. Procjene pokazuju da je signal došao s udaljenosti od 410 megaparseka. Megaparsec je udaljenost koju svjetlost prijeđe u tri milijuna godina.

Da lakše zamislimo: nama najbliža aktivna galaksija sa supermasivnom crnom rupom u središtu je Centaurus A, koja je od naše četiri megaparseka, dok je maglica Andromeda na udaljenosti od 0,7 megaparseka. "Odnosno, udaljenost s koje je došao signal gravitacijskih valova je toliko velika da je signal išao do Zemlje oko 1,3 milijarde godina. To su kozmološke udaljenosti koje dosežu oko 10% horizonta našeg svemira", rekao je znanstvenik.

Na ovoj udaljenosti, u nekoj dalekoj galaksiji, spojile su se dvije crne rupe. Te su rupe, s jedne strane, bile relativno male veličine, as druge strane velika amplituda signala ukazuje da su bile vrlo teške. Utvrđeno je da su njihove mase bile 36 odnosno 29 Sunčevih masa. Masa Sunca, kao što znate, je vrijednost koja je jednaka 2 puta 10 na 30. potenciju kilograma. Nakon spajanja, ova dva tijela su se spojila i sada je na njihovom mjestu nastala jedna crna rupa, koja ima masu jednaku 62 solarne mase. Istovremeno su otprilike tri mase Sunca ispljusnule u obliku energije gravitacijskih valova.

Tko je otkrio i kada

Znanstvenici iz međunarodnog projekta LIGO uspjeli su detektirati gravitacijski val 14. rujna 2015. godine. LIGO (Laserska interferometrijska gravitacijska zvjezdarnica) je međunarodni projekt u kojem sudjeluje niz država koje su dale određeni financijski i znanstveni doprinos, posebice SAD, Italija, Japan, koje su napredne na području ovih studija.

Profesori Rainer Weiss i Kip Thorne (foto - EPA)

Zabilježena je sljedeća slika: došlo je do pomaka krila gravitacijskog detektora, kao rezultat stvarnog prolaska gravitacijskog vala kroz naš planet i kroz ovu instalaciju. Tada to nije prijavljeno, jer je signal trebalo obraditi, “očistiti”, pronaći njegovu amplitudu i provjeriti. Ovaj standardni postupak: Od pravog otkrića do objave otkrića potrebno je nekoliko mjeseci da se izda valjana tvrdnja. "Nitko im ne želi pokvariti ugled. To su sve tajni podaci, prije čije objave - nitko nije znao za njih, postojale su samo glasine", rekao je Hnatyk.

Priča

Gravitacijski valovi se proučavaju od 70-ih godina prošlog stoljeća. Tijekom tog vremena stvoren je niz detektora i provedeno je nekoliko temeljnih studija. U 80-ima je američki znanstvenik Joseph Weber izradio prvu gravitacijsku antenu u obliku aluminijskog cilindra, veličine reda nekoliko metara, opremljenu piezo senzorima koji su trebali bilježiti prolaz gravitacijskog vala.

Osjetljivost ovog instrumenta bila je milijun puta lošija od trenutnih detektora. I, naravno, tada nije mogao stvarno popraviti val, iako je Weber rekao da je to učinio: tisak je pisao o tome i dogodio se "gravitacijski bum" - svijet je odmah počeo graditi gravitacijske antene. Weber je potaknuo druge znanstvenike da proučavaju gravitacijske valove i nastave s eksperimentima na ovom fenomenu, koji je omogućio povećanje osjetljivosti detektora milijun puta.

Međutim, sam fenomen gravitacijskih valova zabilježen je u prošlom stoljeću, kada su znanstvenici otkrili dvostruki pulsar. Bila je to neizravna registracija činjenice da gravitacijski valovi postoje, dokazana astronomskim promatranjima. Pulsar su otkrili Russell Hulse i Joseph Taylor 1974. dok su promatrali radioteleskopom Arecibo Observatorija. Znanstvenici su nagrađeni Nobelova nagrada 1993. "za otkriće novog tipa pulsara koji je otvorio nove mogućnosti za proučavanje gravitacije."

Istraživanja u svijetu i Ukrajini

U Italiji je blizu završetka sličan projekt pod nazivom Virgo. Japan također namjerava lansirati sličan detektor za godinu dana, Indija također priprema takav eksperiment. Naime, u mnogim dijelovima svijeta postoje slični detektori, ali oni još nisu dosegli tu osjetljivost da bi se moglo govoriti o fiksiranju gravitacijskih valova.

"Službeno, Ukrajina nije članica LIGO-a, a također ne sudjeluje u talijanskom i Japanski projekti. Među takvim temeljnim područjima, Ukrajina sada sudjeluje u projektu LHC (LHC - Large Hadron Collider) iu CERN-u (službeno ćemo postati član tek nakon plaćanja ulaznice)", rekao je doktor fizikalnih i matematičkih znanosti Bogdan Hnatyk za LIGA. neto.

Prema njegovim riječima, od 2015. Ukrajina je punopravna članica međunarodne suradnje CTA (MChT-Cherenkov Telescope Array), koja gradi moderan teleskop multi TeVširoko gama područje (s energijama fotona do 1014 eV). "Glavni izvori takvih fotona su upravo blizina supermasivnih crnih rupa čije je gravitacijsko zračenje prvi zabilježio detektor LIGO. Stoga se otvaraju novi prozori u astronomiji - gravitacijsko-valni i multi TeV novo elektromagnetsko polje obećava nam još mnogo otkrića u budućnosti”, dodaje znanstvenik.

Što je sljedeće i kako će nova saznanja pomoći ljudima? Učenjaci se ne slažu. Neki kažu da je ovo samo još jedan korak u razumijevanju mehanizama svemira. Drugi to vide kao prve korake prema novim tehnologijama za kretanje kroz vrijeme i prostor. Na ovaj ili onaj način, ovo je otkriće još jednom pokazalo koliko malo razumijemo i koliko toga tek treba naučiti.

Valentin Nikolaevich Rudenko dijeli priču o svom posjetu gradu Kashina (Italija), gdje je proveo tjedan dana na novoizgrađenoj "gravitacijskoj anteni" - Michelsonovom optičkom interferometru. Na putu do odredišta taksista zanima za što je instalacija izgrađena. “Ljudi ovdje misle da je to za razgovor s Bogom”, priznaje vozač.

– Što su gravitacijski valovi?

– Gravitacijski val jedan je od “nositelja astrofizičke informacije”. Postoje vidljivi kanali astrofizičkih informacija, posebna uloga u "vidu na daljinu" pripada teleskopima. Astronomi su također ovladali niskofrekventnim kanalima - mikrovalnim i infracrvenim, te visokofrekventnim - X-zrakama i gama. Osim elektromagnetskog zračenja, možemo registrirati tokove čestica iz Kozmosa. Za to se koriste neutrinski teleskopi - veliki detektori kozmičkih neutrina - čestica koje slabo stupaju u interakciju s materijom i stoga ih je teško registrirati. Gotovo svi teoretski predviđeni i laboratorijski proučeni tipovi "nositelja astrofizičkih informacija" pouzdano su ovladani u praksi. Iznimka je bila gravitacija - najslabija interakcija u mikrokozmosu i najjača sila u makrokozmosu.

Gravitacija je geometrija. Gravitacijski valovi su geometrijski valovi, odnosno valovi koji putujući tim prostorom mijenjaju geometrijske karakteristike prostora. Grubo rečeno, to su valovi koji deformiraju prostor. Deformacija je relativna promjena udaljenosti između dviju točaka. Gravitacijsko zračenje razlikuje se od svih drugih vrsta zračenja upravo po tome što je geometrijsko.

Je li Einstein predvidio gravitacijske valove?

- Formalno se smatra da je gravitacijske valove predvidio Einstein kao jednu od posljedica svoje opće teorije relativnosti, no zapravo njihovo postojanje postaje očito već u posebnoj teoriji relativnosti.

Teorija relativnosti sugerira da je zbog gravitacijskog privlačenja moguć gravitacijski kolaps, odnosno skupljanje objekta kao rezultat kolapsa, grubo rečeno, u točku. Tada je gravitacija toliko jaka da joj svjetlost ne može niti pobjeći, pa se takav objekt slikovito naziva crnom rupom.

- Koja je osobitost gravitacijske interakcije?

Značajka gravitacijske interakcije je princip ekvivalencije. Prema njemu, dinamički odziv pokusnog tijela u gravitacijskom polju ne ovisi o masi tog tijela. Jednostavno rečeno, sva tijela padaju istom akceleracijom.

Gravitacijska sila je najslabija koju danas poznajemo.

- Tko je prvi pokušao uhvatiti gravitacijski val?

– Eksperiment s gravitacijskim valovima prvi je proveo Joseph Weber sa Sveučilišta Maryland (SAD). On je stvorio gravitacijski detektor koji se danas čuva u muzeju Smithsonian u Washingtonu. U 1968-1972, Joe Weber je napravio niz promatranja s parom razmaknutih detektora u pokušaju da izolira slučajeve "slučajnosti". Recepcija slučajnosti posuđena je iz nuklearne fizike. Nizak statistički značaj gravitacijskih signala koje je primio Weber uzrokovao je kritički stav prema rezultatima eksperimenta: nije bilo sigurnosti da se gravitacijski valovi mogu detektirati. U budućnosti su znanstvenici pokušali povećati osjetljivost detektora tipa Weber. Bilo je potrebno 45 godina da se razvije detektor čija je osjetljivost bila primjerena astrofizičkom predviđanju.

U početku pokusa prije fiksacije odvijali su se mnogi drugi pokusi, impulsi su zabilježeni u tom razdoblju, ali su bili premalog intenziteta.

- Zašto nije odmah najavljeno popravljanje signala?

– Gravitacijski valovi snimljeni su još u rujnu 2015. godine. Ali čak i ako je slučajnost zabilježena, potrebno je dokazati prije izjave da nije slučajna. U signalu uzetom s bilo koje antene uvijek postoje šumovi (kratkotrajni izboji), a jedan od njih može se slučajno pojaviti istovremeno s šumom na drugoj anteni. Da se slučajnost nije dogodila slučajno, moguće je dokazati samo uz pomoć statističkih procjena.

– Zašto su otkrića u području gravitacijskih valova tako važna?

– Mogućnost registracije reliktne gravitacijske pozadine i mjerenja njezinih karakteristika, poput gustoće, temperature itd., omogućuje nam približavanje početku svemira.

Privlačno je to što je gravitacijsko zračenje teško detektirati jer vrlo slabo stupa u interakciju s materijom. Ali, zahvaljujući istom svojstvu, prolazi bez apsorpcije od najudaljenijih objekata od nas s najmisterioznijim, s gledišta materije, svojstvima.

Možemo reći da gravitacijska zračenja prolaze bez izobličenja. Najambiciozniji cilj je istražiti gravitacijsko zračenje koje je odvojeno od primarne materije u Teoriji velikog praska, a koje je nastalo u trenutku nastanka Svemira.

– Isključuje li otkriće gravitacijskih valova kvantnu teoriju?

Teorija gravitacije pretpostavlja postojanje gravitacijskog kolapsa, odnosno skupljanja masivnih tijela u točku. U isto vrijeme, kvantna teorija koju je razvila Kopenhaška škola sugerira da je, zahvaljujući načelu nesigurnosti, nemoguće točno specificirati takve parametre kao što su položaj, brzina i zamah tijela u isto vrijeme. Ovdje postoji načelo nesigurnosti, nemoguće je točno odrediti putanju, jer je putanja i koordinata i brzina itd. Unutar te pogreške možete odrediti samo određeni uvjetni koridor pouzdanosti, koji je povezan s načelima nesigurnosti . Kvantna teorija kategorički poriče mogućnost točkastih objekata, ali ih opisuje na statistički probabilistički način: ne navodi specifično koordinate, ali ukazuje na vjerojatnost da ima određene koordinate.

Pitanje objedinjavanja kvantne teorije i teorije gravitacije jedno je od temeljnih pitanja stvaranja jedinstvene teorije polja.

Oni nastavljaju raditi na tome i sada, a riječi "kvantna gravitacija" označavaju potpuno napredno područje znanosti, granicu znanja i neznanja, gdje sada rade svi teoretičari svijeta.

– Što otkriće može dati u budućnosti?

Gravitacijski valovi neizbježno moraju činiti temelj moderna znanost kao dio našeg znanja. Njima se pripisuje značajna uloga u evoluciji Svemira i uz pomoć tih valova treba proučavati Svemir. Otvaranje doprinosi zajednički razvoj znanosti i kulture.

Ako se odluči izaći iz okvira današnje znanosti, onda je dopušteno zamisliti telekomunikacijske gravitacijske komunikacijske vodove, mlazne aparate na gravitacijsko zračenje, gravitacijsko-valne introskopije.

- Imaju li gravitacijski valovi veze s izvanosjetilnom percepcijom i telepatijom?

Nemati. Opisani efekti su efekti kvantnog svijeta, efekti optike.

Razgovarala Anna Utkina