Zašto je važno otkriće gravitacijskih valova? Einstein je bio u pravu: gravitacijski valovi postoje

Astrofizičari su potvrdili postojanje gravitacijski valovi, čije je postojanje predvidio Albert Einstein prije otprilike 100 godina. Otkriveni su pomoću detektora u opservatoriju za gravitacijske valove LIGO, koji se nalazi u Sjedinjenim Državama.

Po prvi put u povijesti čovječanstvo je zabilježilo gravitacijske valove - vibracije prostor-vremena koje su došle na Zemlju od sudara dviju crnih rupa koji se dogodio daleko u Svemiru. Ovom otkriću doprinijeli su i ruski znanstvenici. U četvrtak, istraživači govore o svom otkriću diljem svijeta - u Washingtonu, Londonu, Parizu, Berlinu i drugim gradovima, uključujući Moskvu.

Fotografija prikazuje simulaciju sudara crne rupe

Na konferenciji za novinare u uredu Rambler&Co, Valerij Mitrofanov, voditelj ruskog dijela kolaboracije LIGO, najavio je otkriće gravitacijskih valova:

“Bila nam je čast sudjelovati u ovom projektu i predstaviti vam rezultate. Sada ću vam reći značenje otkrića na ruskom. Vidjeli smo prekrasne slike LIGO detektora u SAD-u. Udaljenost između njih je 3000 km. Pod utjecajem gravitacijskog vala jedan od detektora se pomaknuo, nakon čega smo ih otkrili. Prvo smo vidjeli samo šum na računalu, a onda se masa Hamfordovih detektora počela ljuljati. Nakon izračuna dobivenih podataka, uspjeli smo utvrditi da su se crne rupe sudarile na udaljenosti od 1,3 milijarde. svjetlosnim godinama daleko. Signal je bio vrlo jasan, dolazio je iz buke vrlo jasno. Mnogi su nam govorili da smo imali sreće, ali priroda nam je dala takav dar. Gravitacijski valovi su otkriveni, to je sigurno."

Astrofizičari su potvrdili glasine da su uspjeli detektirati gravitacijske valove pomoću detektora u opservatoriju za gravitacijske valove LIGO. Ovo otkriće omogućit će čovječanstvu značajan napredak u razumijevanju funkcioniranja Svemira.

Otkriće se dogodilo 14. rujna 2015. istovremeno s dva detektora u Washingtonu i Louisiani. Signal je do detektora stigao kao posljedica sudara dviju crnih rupa. Znanstvenicima je trebalo toliko vremena da potvrde da su gravitacijski valovi bili proizvod sudara.

Do sudara rupa došlo je brzinom od oko polovine brzine svjetlosti, što je otprilike 150.792.458 m/s.

“Newtonova gravitacija opisana je u ravnom prostoru, a Einstein ju je prenio na ravan vremena i pretpostavio da ga ona savija. Gravitacijska interakcija je vrlo slaba. Na Zemlji su pokusi stvaranja gravitacijskih valova nemogući. Otkrivene su tek nakon spajanja crnih rupa. Detektor se pomaknuo, zamislite, za 10 do -19 metara. Ne možete ga osjetiti rukama. Samo uz pomoć vrlo preciznih instrumenata. Kako to učiniti? Laserska zraka kojom je zabilježen pomak bila je jedinstvena po prirodi. LIGO-ova laserska gravitacijska antena druge generacije postala je operativna 2015. Osjetljivost omogućuje otkrivanje gravitacijskih poremećaja otprilike jednom mjesečno. To je napredna svjetska i američka znanost, nema ništa točnije na svijetu. Nadamo se da će uspjeti nadmašiti standardnu ​​granicu kvantne osjetljivosti", objasnio je otkriće Sergej Vjatčanin, zaposlenik Odsjeka za fiziku Moskovskog državnog sveučilišta i kolaboracije LIGO.

Standardna kvantna granica (SQL) u kvantnoj mehanici je ograničenje nametnuto na točnost kontinuiranog ili opetovano ponovljenog mjerenja bilo koje veličine koju opisuje operator koji ne komunicira sam sa sobom u različitim vremenima. Predvidio ga je 1967. V.B. Braginsky, a pojam Standardna kvantna granica (SQL) kasnije je predložio Thorne. SKP je usko povezan s Heisenbergovom relacijom nesigurnosti.

Ukratko, Valery Mitrofanov je govorio o planovima za daljnja istraživanja:

“Ovo otkriće je početak nove astronomije gravitacijskih valova. Kroz kanal gravitacijskih valova očekujemo saznati više o Svemiru. Znamo sastav samo 5% materije, ostalo je misterija. Detektori gravitacije omogućit će vam da vidite nebo u "gravitacijskim valovima". Nadamo se da ćemo u budućnosti vidjeti početak svega, odnosno reliktno zračenje Velikog praska i shvatiti što se točno tada dogodilo.”

Gravitacijske valove prvi je predložio Albert Einstein 1916., prije gotovo točno 100 godina. Jednadžba za valove je posljedica jednadžbi teorije relativnosti i nije izvedena na najjednostavniji način.

Kanadski teorijski fizičar Clifford Burgess prethodno je objavio pismo u kojem navodi da je zvjezdarnica detektirala gravitacijsko zračenje uzrokovano spajanjem binarnog sustava crnih rupa s masama od 36 i 29 solarnih masa u objekt s masom od 62 solarne mase. Sudar i asimetrični gravitacijski kolaps traju djelić sekunde, a za to vrijeme energija koja iznosi i do 50 posto mase sustava gubi se u gravitacijsko zračenje - valove u prostor-vremenu.

Gravitacijski val je val gravitacije koji se u većini teorija gravitacije stvara kretanjem gravitirajućih tijela s promjenjivom akceleracijom. Zbog relativne slabosti gravitacijskih sila (u usporedbi s drugima), ovi bi valovi trebali imati vrlo mala količina, teško se registrirati. Njihovo postojanje predvidio je prije otprilike jednog stoljeća Albert Einstein.

Sto godina nakon teorijskog predviđanja Alberta Einsteina u okviru opće teorije relativnosti, znanstvenici su uspjeli potvrditi postojanje gravitacijskih valova. Započinje doba temeljno nove metode za proučavanje dubokog svemira - astronomije gravitacijskih valova.

Postoje različita otkrića. Postoje nasumične, uobičajene su u astronomiji. Nema ni sasvim slučajnih, nastalih kao rezultat temeljitog "češljanja prostora", poput otkrića Urana Williama Herschela. Ima serendipalnih - kad su jedno tražili, a našli drugo: otkrili su, primjerice, Ameriku. Ali planirana otkrića zauzimaju posebno mjesto u znanosti. Temelje se na jasnom teoretskom predviđanju. Ono što je predviđeno traži se prvenstveno kako bi se potvrdila teorija. Takva otkrića uključuju otkriće Higgsovog bozona na Velikom hadronskom sudaraču i detekciju gravitacijskih valova pomoću laserskog interferometra opservatorija za gravitacijske valove LIGO. Ali da biste registrirali neki fenomen predviđen teorijom, morate prilično dobro razumjeti što točno i gdje tražiti, kao i koji su vam alati za to potrebni.

Gravitacijski valovi se tradicionalno nazivaju predviđanjem opće teorije relativnosti (OTR) i to je doista tako (iako sada takvi valovi postoje u svim modelima koji su alternativni ili komplementarni OTR-u). Pojava valova uzrokovana je konačnošću brzine širenja gravitacijske interakcije (u općoj teoriji relativnosti ta je brzina točno jednaka brzini svjetlosti). Takvi valovi su poremećaji u prostor-vremenu koji se šire od izvora. Da bi došlo do gravitacijskih valova, izvor mora pulsirati ili se kretati ubrzanom brzinom, ali na određeni način. Recimo da pokreti sa savršenom sfernom ili cilindričnom simetrijom nisu prikladni. Postoji dosta takvih izvora, ali često imaju malu masu, nedovoljnu za generiranje snažnog signala. Uostalom, gravitacija je najslabija od četiri temeljne interakcije, pa je vrlo teško registrirati gravitacijski signal. Osim toga, za registraciju je potrebno da se signal brzo mijenja tijekom vremena, odnosno da ga ima dovoljno visoka frekvencija. U protivnom ga nećemo moći registrirati jer će promjene biti prespore. To znači da i objekti moraju biti kompaktni.

U početku su veliki entuzijazam izazvale eksplozije supernova koje se u galaksijama poput naše događaju svakih nekoliko desetljeća. To znači da ako možemo postići osjetljivost koja nam omogućuje da vidimo signal s udaljenosti od nekoliko milijuna svjetlosnih godina, možemo računati na nekoliko signala godišnje. No, kasnije se pokazalo da su početne procjene snage oslobađanja energije u obliku gravitacijskih valova tijekom eksplozije supernove bile previše optimistične, a tako slab signal mogao bi se detektirati samo ako je supernova izbila u našoj Galaksiji.

Druga opcija za masivne kompaktne objekte koji se brzo kreću su neutronske zvijezde ili crne rupe. Možemo vidjeti ili proces njihovog nastanka ili proces međusobnog djelovanja. Posljednje faze kolapsa zvjezdanih jezgri, koje dovode do stvaranja kompaktnih objekata, kao i posljednje faze spajanja neutronskih zvijezda i crnih rupa, imaju trajanje reda veličine nekoliko milisekundi (što odgovara učestalosti stotine herca) - upravo ono što je potrebno. U tom se slučaju oslobađa puno energije, uključujući (i ponekad uglavnom) u obliku gravitacijskih valova, budući da masivna kompaktna tijela čine određena brza kretanja. Ovo su naši idealni izvori.

Istina, supernove eruptiraju u Galaksiji jednom u nekoliko desetljeća, spajanje neutronskih zvijezda događa se jednom u nekoliko desetaka tisuća godina, a crne rupe se spajaju jedna s drugom još rjeđe. Ali signal je puno moćniji, a njegove karakteristike mogu se prilično precizno izračunati. Ali sada moramo moći vidjeti signal s udaljenosti od nekoliko stotina milijuna svjetlosnih godina kako bismo pokrili nekoliko desetaka tisuća galaksija i detektirali nekoliko signala u jednoj godini.

Odlučivši se o izvorima, počet ćemo dizajnirati detektor. Da biste to učinili, morate razumjeti što radi gravitacijski val. Ne ulazeći u detalje, možemo reći da prolazak gravitacijskog vala uzrokuje plimnu silu (obične lunarne ili solarne plime su zaseban fenomen, a gravitacijski valovi s tim nemaju nikakve veze). Tako možete uzeti, na primjer, metalni cilindar, opremiti ga senzorima i proučavati njegove vibracije. To nije teško, zbog čega su se takve instalacije počele izrađivati ​​prije pola stoljeća (dostupne su i u Rusiji; sada se u podzemnom laboratoriju Baksan postavlja poboljšani detektor koji je razvio tim Valentina Rudenka iz SAI MSU). Problem je što će takav uređaj vidjeti signal bez ikakvih gravitacijskih valova. Puno je zvukova s ​​kojima se teško nositi. Moguće je (i učinjeno je!) instalirati detektor ispod zemlje, pokušati ga izolirati, ohladiti na niske temperature, ali ipak vam je potreban vrlo snažan signal gravitacijskih valova da biste premašili razinu buke. Ali snažni signali dolaze rijetko.

Stoga je izbor napravljen u korist druge sheme, koju su 1962. iznijeli Vladislav Pustovoit i Mikhail Herzenstein. U članku objavljenom u JETP (Journal of Experimental and Theoretical Physics), predložili su korištenje Michelsonovog interferometra za otkrivanje gravitacijskih valova. Laserska zraka prolazi između zrcala u dva kraka interferometra, a zatim se zbrajaju zrake iz različitih krakova. Analizom rezultata interferencije snopa može se izmjeriti relativna promjena duljine krakova. Ovo su vrlo precizna mjerenja, pa ako pobijedite šum, možete postići fantastičnu osjetljivost.

Početkom 1990-ih odlučeno je izgraditi nekoliko detektora koji koriste ovaj dizajn. Prve su puštene u rad relativno male instalacije, GEO600 u Europi i TAMA300 u Japanu (brojevi odgovaraju duljini krakova u metrima) za testiranje tehnologije. Ali glavni igrači trebali su biti instalacije LIGO u SAD-u i VIRGO u Europi. Veličina ovih instrumenata već se mjeri u kilometrima, a konačna planirana osjetljivost trebala bi omogućiti uočavanje desetaka, ako ne i stotina događaja godišnje.

Zašto je potrebno više uređaja? Prvenstveno za unakrsnu provjeru valjanosti, budući da postoje lokalni šumovi (npr. seizmički). Istodobna detekcija signala u sjeverozapadnim Sjedinjenim Državama i Italiji bila bi izvrstan dokaz njegovog vanjskog porijekla. Ali postoji i drugi razlog: detektori gravitacijskih valova vrlo su loši u određivanju smjera prema izvoru. Ali ako postoji nekoliko razmaknutih detektora, bit će moguće vrlo točno odrediti smjer.

Laserski divovi

U izvornom obliku LIGO detektori izgrađeni su 2002. godine, a VIRGO 2003. godine. Prema planu, to je bila samo prva faza. Sve su instalacije radile nekoliko godina, a 2010.-2011. su zaustavljene radi preinaka, kako bi se tada postigla planirana visoka osjetljivost. LIGO detektori prvi su proradili u rujnu 2015., VIRGO bi se trebao pridružiti u drugoj polovici 2016., a od ove faze osjetljivost nam omogućuje da se nadamo snimanju barem nekoliko događaja godišnje.

Nakon što je LIGO počeo s radom, očekivana stopa pucanja bila je otprilike jedan događaj mjesečno. Astrofizičari su unaprijed procijenili da će prvi očekivani događaji biti spajanja crnih rupa. To je zbog činjenice da su crne rupe obično deset puta teže od neutronskih zvijezda, signal je snažniji i „vidljiv“ je s velikih udaljenosti, što više nego kompenzira nižu stopu događaja po galaksiji. Srećom, nismo morali dugo čekati. 14. rujna 2015. obje su instalacije registrirale gotovo identičan signal, nazvan GW150914.

Prilično jednostavnom analizom mogu se dobiti podaci poput mase crne rupe, jačine signala i udaljenosti do izvora. Masa i veličina crnih rupa su vrlo jednostavno i dobro povezane na poznati način, a iz frekvencije signala može se odmah procijeniti veličina područja oslobađanja energije. U ovom slučaju veličina je pokazala da je od dvije rupe mase 25-30 i 35-40 Sunčevih masa nastala crna rupa mase veće od 60 Sunčevih masa. Znajući ove podatke, može se dobiti ukupna energija praska. Gotovo tri solarne mase pretvorene su u gravitacijsko zračenje. To odgovara luminoznosti od 1023 sunčeva luminoziteta - približno istom iznosu koliko sve zvijezde u vidljivom dijelu Svemira emitiraju za to vrijeme (stotinke sekunde). A iz poznate energije i veličine izmjerenog signala dobiva se udaljenost. Velika masa spojenih tijela omogućila je registraciju događaja koji se dogodio u dalekoj galaksiji: signalu je trebalo otprilike 1,3 milijarde godina da stigne do nas.

Detaljnijom analizom moguće je razjasniti omjer mase crnih rupa i razumjeti kako su se okretale oko svoje osi, kao i odrediti neke druge parametre. Osim toga, signal iz dvije instalacije omogućuje približno određivanje smjera praska. Nažalost, točnost ovdje još nije velika, ali s puštanjem u rad ažuriranog VIRGO-a ona će se povećati. A za nekoliko godina japanski detektor KAGRA počet će primati signale. Potom će se u Indiji sastaviti jedan od LIGO detektora (u početku su bila tri, jedna od instalacija je bila dvojna), a očekuje se da će godišnje biti zabilježeno nekoliko desetaka događaja.

Doba nove astronomije

Trenutačno je najvažniji rezultat rada LIGO-a potvrda postojanja gravitacijskih valova. Osim toga, već prvi prasak omogućio je poboljšanje ograničenja mase gravitona (u općoj relativnosti on ima nultu masu), kao i jače ograničavanje razlike između brzine širenja gravitacije i brzine svjetlo. No, znanstvenici se nadaju da će već 2016. moći dobiti mnogo novih astrofizičkih podataka koristeći LIGO i VIRGO.

Prvo, podaci iz opservatorija gravitacijskih valova pružaju novi put za proučavanje crnih rupa. Ako je prije bilo moguće samo promatrati tokove materije u blizini tih objekata, sada možete izravno "vidjeti" proces spajanja i "smirivanja" nastale crne rupe, kako njezin horizont fluktuira, poprimajući svoj konačni oblik ( određena rotacijom). Vjerojatno će do Hawkingovog otkrića isparavanja crnih rupa (za sada taj proces ostaje hipoteza), proučavanje spajanja pružiti bolje izravne informacije o njima.

Drugo, promatranja spajanja neutronskih zvijezda pružit će puno novih, hitno potrebnih informacija o tim objektima. Po prvi put, moći ćemo proučavati neutronske zvijezde na način na koji fizičari proučavaju čestice: promatrajući ih kako se sudaraju da bismo razumjeli kako rade unutra. Misterij strukture unutrašnjosti neutronskih zvijezda zabrinjava i astrofizičare i fizičare. Naše razumijevanje nuklearne fizike i ponašanja materije pri ultravisokim gustoćama nije potpuno bez rješavanja ovog problema. Vjerojatno će ovdje promatranje gravitacijskih valova igrati ključnu ulogu.

Vjeruje se da su spajanja neutronskih zvijezda odgovorna za kratke kozmološke eksplozije gama zraka. U rijetkim slučajevima bit će moguće istovremeno promatrati događaj i u gama rasponu i na detektorima gravitacijskih valova (rijetkost je zbog činjenice da je, prvo, gama signal koncentriran u vrlo usku zraku, a nije uvijek usmjereni na nas, ali drugo, nećemo registrirati gravitacijske valove iz vrlo udaljenih događaja). Navodno će biti potrebno nekoliko godina promatranja da se to vidi (iako, kao i obično, možda ćete imati sreće i to će se dogoditi danas). Tada ćemo, između ostalog, moći vrlo precizno usporediti brzinu gravitacije s brzinom svjetlosti.

Stoga će laserski interferometri zajedno raditi kao jedan teleskop s gravitacijskim valovima, donoseći nova znanja i astrofizičarima i fizičarima. Pa za otkriće prvih praskova i njihovu analizu prije ili kasnije doći će zaslužena Nobelova nagrada.

2197

Sudionici znanstvenog eksperimenta LIGO, u kojem sudjeluju i ruski fizičari, objavili su da su američke zvjezdarnice detektirale gravitacijske valove nastale sudarom dviju crnih rupa.

Gravitacijski valovi snimljeni su 14. rujna 2015., o čemu su 11. veljače 2016. na posebnoj konferenciji za novinare izvijestili predstavnici LIGO-a u Washingtonu. Znanstvenicima je trebalo šest mjeseci da obrade i provjere rezultate. Ovo se može smatrati službenim otkrićem gravitacijskih valova, jer su prvi put izravno zabilježeni na Zemlji. Rezultati rada objavljeni su u časopisu Physical Review Letters.

Fizičari s Moskovskog državnog sveučilišta na konferenciji za novinare. Fotografija Maxima Abaeva.

Dijagram interferometra i njihov položaj na shematskoj karti Sjedinjenih Država. Mase ispitnog zrcala na slici nazivaju se ispitne mase.

Ispitne mase, također poznate kao interferometarska zrcala, izrađene su od taljenog kvarca. Fotografija: www.ligo.caltech.edu

Numerička simulacija gravitacijskih valova iz približavanja crnim rupama. Slika: Physical Review Letters http://physics.aps.org/articles/v9/17

Zvjezdarnica LIGO blizu Livingstona, Louisiana. Fotografija: www.ligo.caltech.edu

Time je riješen jedan od najvažnijih problema s kojima su se fizičari suočavali u posljednjih 100 godina. Postojanje gravitacijskih valova predviđa Opća teorija relativnosti (OTR), koju je 1915.-1916. razvio Albert Einstein, temeljna fizikalna teorija koja opisuje strukturu i evoluciju našeg svijeta. Opća relativnost, u biti, je teorija gravitacije koja uspostavlja njezinu vezu sa svojstvima prostor-vremena. Masivna tijela proizvode promjene u njemu, koje se obično nazivaju zakrivljenost prostor-vremena. Ako se ta tijela gibaju promjenjivom akceleracijom, tada nastaju propagirajuće promjene u prostor-vremenu, koje se nazivaju gravitacijski valovi.

Problem s njihovim registriranjem je taj što su gravitacijski valovi vrlo slabi, a njihovo otkrivanje iz bilo kojeg zemaljskog izvora gotovo je nemoguće. Tijekom godina nisu otkriveni ni iz većine svemirskih objekata. Nade su ostale samo za gravitacijske valove od velikih kozmičkih katastrofa poput eksplozija supernova, sudara neutronskih zvijezda ili crnih rupa. Ove su se nade ostvarile. U ovom radu su gravitacijski valovi otkriveni upravo spajanjem dviju crnih rupa.

Za otkrivanje gravitacijskih valova 1992. godine predložen je grandiozni projekt nazvan LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Tehnologija za njega razvijana je gotovo dvadeset godina. I implementirala su ga dva najveća istraživačka centra u Sjedinjenim Državama - Kalifornijski i Massachusetts Institutes of Technology. Ukupni znanstveni tim, LIGO kolaboracija, uključuje oko 1000 znanstvenika iz 16 zemalja. Rusiju u njemu predstavlja Moskva Državno sveučilište i Institut za primijenjenu fiziku RAS (Nižnji Novgorod)

LIGO uključuje zvjezdarnice u državama Washington i Louisiana, koje se nalaze na udaljenosti od 3000 km, što je Michelsonov interferometar u obliku slova L s dva kraka dug 4 km. Laserska zraka, prolazeći kroz sustav zrcala, dijeli se na dvije zrake, od kojih se svaka širi u svom kraku. Oni se reflektiraju od ogledala i vraćaju se. Zatim se ova dva svjetlosna vala, putujući različitim putanjama, zbrajaju u detektoru. U početku je sustav konfiguriran tako da se valovi međusobno poništavaju i ništa ne pogađa detektor. Gravitacijski valovi mijenjaju udaljenosti između ispitnih masa, koje ujedno služe i kao zrcala interferometra, što dovodi do toga da zbroj valova više nije jednak nuli te će intenzitet signala na fotodetektoru biti proporcionalan tim promjenama. Ovaj signal se koristi za registraciju gravitacijskog vala.

Prva, početna, faza mjerenja odvijala se 2002.-2010. i nije omogućila detekciju gravitacijskih valova. Osjetljivost uređaja nije bila dovoljna (praćeni su pomaci do 4x10 -18 m). Zatim je odlučeno da se 2010. prekine rad i modernizira oprema, povećavajući osjetljivost za više od 10 puta. Poboljšana oprema, koja je počela s radom u drugoj polovici 2015., uspjela je detektirati pomak od rekordnih 10 -19 m. I već tijekom probnog rada znanstvenici su čekali otkriće; zabilježili su gravitacijski udar iz događaja , koji je nakon dugog proučavanja identificiran kao spajanje dviju crnih rupa s masama od 29 i 36 solarnih masa.

Istovremeno s Washingtonom, konferencija za novinare održana je u Moskvi. Na njemu su sudionici eksperimenta, predstavnici Fizičkog fakulteta Moskovskog državnog sveučilišta, govorili o svom doprinosu njegovoj provedbi. Grupa V. B. Braginsky sudjelovala je u radu od samog početka projekta. Fizičari s Moskovskog državnog sveučilišta osigurali su montažu složen dizajn, koji su interferometarska zrcala koja istovremeno služe i kao ispitne mase.

Osim toga, njihovi su zadaci uključivali borbu protiv vanjskih vibracija (buke) koje bi mogle ometati detekciju gravitacijskih valova. Stručnjaci Moskovskog državnog sveučilišta dokazali su da bi uređaj trebao biti izrađen od topljenog kvarca, koji će na radnim temperaturama stvarati manje buke od safira koji su predložili drugi istraživači. Konkretno, da bi se smanjio toplinski šum, bilo je potrebno osigurati da oscilacije ispitnih masa ovješenih poput njihala ne nestanu jako dugo. Fizičari s Moskovskog državnog sveučilišta postigli su vrijeme raspada od 5 godina!

Uspjeh mjerenja dovest će do nove astronomije gravitacijskih valova i omogućiti nam da naučimo puno novih stvari o Svemiru. Možda će fizičari uspjeti razotkriti neke od misterija tamne tvari i ranih faza razvoja svemira, kao i istražiti područja u kojima je opća relativnost narušena.

Na temelju materijala s konferencije za novinare LIGO kolaboracije.

Službeni dan otkrića (detekcije) gravitacijskih valova je 11. veljače 2016. godine. Upravo su tada, na tiskovnoj konferenciji održanoj u Washingtonu, čelnici kolaboracije LIGO objavili da je tim istraživača prvi put u povijesti čovječanstva uspio zabilježiti ovaj fenomen.

Proročanstva velikog Einsteina

Činjenicu o postojanju gravitacijskih valova sugerirao je Albert Einstein početkom prošlog stoljeća (1916.) u okviru svoje Opće teorije relativnosti (OTR). Možemo se samo čuditi briljantnim sposobnostima slavnog fizičara, koji je uz minimum stvarnih podataka mogao izvući tako dalekosežne zaključke. Među mnogim drugim predviđenim fizičkim fenomenima koji su potvrđeni u sljedećem stoljeću (usporavanje protoka vremena, promjena smjera elektromagnetska radijacija u gravitacijskim poljima itd.) donedavno nije bilo moguće praktično detektirati prisutnost ove vrste međudjelovanja valova između tijela.

Je li gravitacija iluzija?

Općenito, u svjetlu Teorije relativnosti, gravitacija se teško može nazvati silom. poremećaja ili zakrivljenosti prostorno-vremenskog kontinuuma. Dobar primjer za ilustraciju ovog postulata je razvučeni komad tkanine. Pod težinom masivnog predmeta postavljenog na takvu površinu nastaje udubljenje. Drugi objekti, kada se kreću u blizini ove anomalije, promijenit će putanju svog kretanja, kao da su "privučeni". A što je veća težina objekta (što je veći promjer i dubina zakrivljenosti), to je veća "sila privlačenja". Dok se kreće po tkanini, može se primijetiti pojava divergentnih "mreška".

Nešto slično događa se u svemiru. Svaka masivna materija koja se brzo kreće izvor je fluktuacija u gustoći prostora i vremena. Gravitacijski val značajne amplitude stvaraju tijela ekstremno velikih masa ili pri kretanju golemim ubrzanjima.

fizičke karakteristike

Fluktuacije u metrici prostor-vrijeme manifestiraju se kao promjene u gravitacijskom polju. Taj se fenomen inače naziva prostorno-vremenski valovi. Gravitacijski val djeluje na tijela i objekte koji se susreću, sabijajući ih i rastežući. Veličina deformacije je vrlo beznačajna - oko 10 -21 od izvorne veličine. Cijela poteškoća u otkrivanju ovog fenomena bila je u tome što su istraživači morali naučiti kako mjeriti i bilježiti takve promjene koristeći odgovarajuću opremu. Snaga gravitacijskog zračenja također je iznimno mala – za cijeli Sunčev sustav iznosi nekoliko kilovata.

Brzina širenja gravitacijskih valova malo ovisi o svojstvima vodljivog medija. Amplituda oscilacija postupno opada s udaljenošću od izvora, ali nikada ne doseže nulu. Frekvencija se kreće od nekoliko desetaka do stotina herca. Brzina gravitacijskih valova u međuzvjezdanom mediju približava se brzini svjetlosti.

Indikativni dokazi

Prvu teoretsku potvrdu postojanja gravitacijskih valova dobili su američki astronom Joseph Taylor i njegov pomoćnik Russell Hulse 1974. godine. Proučavajući prostranstva Svemira pomoću radioteleskopa Arecibo Observatorija (Portoriko), istraživači su otkrili pulsar PSR B1913+16, koji je binarni sustav neutronskih zvijezda koje rotiraju oko zajedničkog centra mase konstantnom kutnom brzinom (prilično rijetka slučaj). Svake godine period cirkulacije, izvorno 3,75 sati, smanjuje se za 70 ms. Ova je vrijednost u potpunosti u skladu sa zaključcima iz jednadžbi opće relativnosti, koje predviđaju povećanje brzine rotacije takvih sustava zbog utroška energije na stvaranje gravitacijskih valova. Nakon toga je otkriveno nekoliko dvostrukih pulsara i bijelih patuljaka sa sličnim ponašanjem. Radioastronomi D. Taylor i R. Hulse 1993. godine dobili su Nobelovu nagradu za fiziku za otkriće novih mogućnosti proučavanja gravitacijskih polja.

Izbjegavanje gravitacijskog vala

Prvu najavu o detekciji gravitacijskih valova dao je znanstvenik Joseph Weber (SAD) sa Sveučilišta Maryland 1969. godine. U te svrhe koristio je dvije gravitacijske antene vlastitog dizajna, udaljene dva kilometra. Rezonantni detektor bio je dvometarski aluminijski cilindar dobro izoliran od vibracija opremljen osjetljivim piezoelektričnim senzorima. Amplituda oscilacija koje je Weber navodno zabilježio pokazala se više od milijun puta većom od očekivane vrijednosti. Pokušaji drugih znanstvenika da ponove "uspjeh" američkog fizičara koristeći sličnu opremu nisu donijeli pozitivne rezultate. Nekoliko godina kasnije, Weberov rad na ovom području prepoznat je kao neodrživ, ali je dao poticaj razvoju "gravitacijskog buma", koji je privukao mnoge stručnjake u ovo područje istraživanja. Inače, sam Joseph Weber je do kraja svojih dana bio siguran da je primio gravitacijske valove.

Poboljšanje prijemne opreme

U 70-ima je znanstvenik Bill Fairbank (SAD) razvio dizajn antene gravitacijskih valova, hlađene pomoću SQUIDS - ultra-osjetljivih magnetometara. Tehnologije koje su postojale u to vrijeme nisu dopuštale izumitelju da vidi svoj proizvod realiziran u "metalu".

Gravitacijski detektor Auriga u Nacionalnom laboratoriju Legnar (Padova, Italija) dizajniran je prema ovom principu. Dizajn se temelji na aluminijsko-magnezijskom cilindru, dugom 3 metra i promjeru 0,6 m. Prihvatni uređaj težak 2,3 tone visi u izoliranoj vakuumskoj komori ohlađenoj gotovo do apsolutne nule. Za snimanje i detekciju udara koriste se pomoćni kilogramski rezonator i računalni mjerni kompleks. Navedena osjetljivost opreme je 10 -20.

Interferometri

Rad detektora interferencije gravitacijskih valova temelji se na istim principima na kojima radi Michelsonov interferometar. Laserska zraka koju emitira izvor dijeli se na dva toka. Nakon višestrukih refleksija i putovanja duž krakova uređaja, tokovi se ponovno spajaju, a na temelju konačnog prosuđuje jesu li neki poremećaji (primjerice gravitacijski val) utjecali na tijek zraka. Slična oprema stvorena je u mnogim zemljama:

• GEO 600 (Hannover, Njemačka). Duljina vakuumskih tunela je 600 metara.
• TAMA (Japan) s ramenima od 300 m.
• VIRGO (Pisa, Italija) je zajednički francusko-talijanski projekt pokrenut 2007. godine s tri kilometra tunela.
• LIGO (SAD, pacifička obala), koji je u potrazi za gravitacijskim valovima od 2002. godine.

Ovo posljednje vrijedi detaljnije razmotriti.

LIGO Napredni

Projekt je nastao na inicijativu znanstvenika s Instituta za tehnologiju Massachusetts i California. Uključuje dvije zvjezdarnice, udaljene 3 tisuće km, u i Washingtonu (gradovi Livingston i Hanford) s tri identična interferometra. Duljina okomitih vakuumskih tunela je 4 tisuće metara. Ovo su najveće takve strukture koje trenutno rade. Sve do 2011. brojni pokušaji detekcije gravitacijskih valova nisu dali nikakve rezultate. Provedena značajna modernizacija (Advanced LIGO) povećala je osjetljivost opreme u rasponu od 300-500 Hz za više od pet puta, au niskofrekventnom području (do 60 Hz) za gotovo red veličine, dostigavši željenu vrijednost od 10 -21. Ažurirani projekt započeo je u rujnu 2015. godine, a trud više od tisuću djelatnika kolaboracije nagrađen je dobivenim rezultatima.

Otkriveni gravitacijski valovi

Napredni LIGO detektori su 14. rujna 2015. s intervalom od 7 ms zabilježili gravitacijske valove koji su dopirali do našeg planeta od najvećeg događaja koji se dogodio na periferiji vidljivog Svemira - spajanja dviju velikih crnih rupa s masama 29 i 36 puta veća od mase Sunca. Tijekom procesa, koji se odvijao prije više od 1,3 milijarde godina, oko tri solarne mase materije potrošene su u djeliću sekunde emitiranjem gravitacijskih valova. Zabilježena početna frekvencija gravitacijskih valova bila je 35 Hz, a maksimalna vršna vrijednost dosegla je 250 Hz.

Dobiveni rezultati više puta su podvrgnuti sveobuhvatnoj provjeri i obradi, a alternativna tumačenja dobivenih podataka pažljivo su eliminirana. Konačno, prošle je godine svjetskoj javnosti najavljena izravna registracija fenomena koji je predvidio Einstein.

Činjenica koja ilustrira titanski rad istraživača: amplituda fluktuacija u veličini krakova interferometra bila je 10 -19 m - ta je vrijednost isto toliko puta manja od promjera atoma, jer je sam atom manji od naranča.

Buduci izgledi

Otkriće još jednom potvrđuje da Opća teorija relativnosti nije samo skup apstraktnih formula, već temeljno Novi izgled o suštini gravitacijskih valova i gravitacije uopće.

U daljnjim istraživanjima znanstvenici velike nade dodijeljeni su projektu ELSA: stvaranju divovskog orbitalnog interferometra s krakovima od oko 5 milijuna km, sposobnog detektirati čak i manje poremećaje u gravitacijskim poljima. Aktivacija rada u ovom smjeru može reći puno novih stvari o glavnim fazama razvoja Svemira, o procesima koje je teško ili nemoguće promatrati u tradicionalnim rasponima. Nema sumnje da će crne rupe, čiji će gravitacijski valovi biti detektirani u budućnosti, reći mnogo o svojoj prirodi.

Za proučavanje kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, koje nam može reći o prvim trenucima našeg svijeta nakon Velikog praska, bit će potrebni osjetljiviji svemirski instrumenti. Takav projekt postoji ( Promatrač velikog praska), ali njegova implementacija, prema stručnjacima, moguća je tek za 30-40 godina.

Mahnite rukom i gravitacijski će valovi prostrujati cijelim Svemirom.
S. Popov, M. Prohorov. Fantomski valovi svemira

U astrofizici se dogodio događaj na koji se čekalo desetljećima. Nakon pola stoljeća traženja konačno su otkriveni gravitacijski valovi, vibracije samog prostor-vremena koje je Einstein predvidio prije sto godina. Dana 14. rujna 2015., nadograđena zvjezdarnica LIGO detektirala je eksploziju gravitacijskih valova generiranu spajanjem dviju crnih rupa s masama od 29 i 36 solarnih masa u dalekoj galaksiji udaljenoj približno 1,3 milijarde svjetlosnih godina. Astronomija gravitacijskih valova postala je punopravna grana fizike; otvorio nam je novi način promatranja Svemira i omogućit će nam proučavanje dosad nedostupnih učinaka jake gravitacije.

Gravitacijski valovi

Možete doći do različitih teorija gravitacije. Svi će oni podjednako dobro opisati naš svijet, sve dok se ograničimo na jednu njegovu manifestaciju - Newtonov zakon univerzalne gravitacije. Ali postoje i drugi, suptilniji gravitacijski učinci koji su eksperimentalno ispitani na skali Sunčev sustav, a upućuju na jednu posebnu teoriju – Opću teoriju relativnosti (OTO).

Opća relativnost nije samo skup formula, ona je temeljni pogled na suštinu gravitacije. Ako u običnoj fizici prostor služi samo kao pozadina, spremnik fizikalnih pojava, onda u OTO on sam postaje pojava, dinamička veličina koja se mijenja u skladu sa zakonima OTO. Upravo se te distorzije prostor-vremena u odnosu na glatku pozadinu - ili, jezikom geometrije, distorzije metrike prostor-vremena - osjećaju kao gravitacija. Ukratko, opća teorija relativnosti otkriva geometrijsko podrijetlo gravitacije.

Opća teorija relativnosti ima ključno predviđanje: gravitacijske valove. To su iskrivljenja prostor-vremena koja su sposobna "otrgnuti se od izvora" i, samoodrživi, ​​odletjeti. Ovo je gravitacija sama po sebi, ničija, svoja. Albert Einstein konačno je formulirao opću teoriju relativnosti 1915. godine i gotovo odmah shvatio da jednadžbe koje je izveo dopuštaju postojanje takvih valova.

Kao i kod svake poštene teorije, takvo jasno predviđanje opće relativnosti mora se eksperimentalno potvrditi. Svako tijelo koje se kreće može emitirati gravitacijske valove: planeti, kamen bačen uvis ili pokret ruke. Problem je, međutim, u tome što je gravitacijska interakcija toliko slaba da nijedna eksperimentalna postavka ne može otkriti emisiju gravitacijskih valova iz običnih "emitera".

Da biste "jurili" za snažnim valom, morate jako iskriviti prostor-vrijeme. Savršena opcija- dvije crne rupe koje rotiraju jedna oko druge u bliskom plesu, na udaljenosti reda veličine njihovog gravitacijskog radijusa (slika 2). Izobličenja metrike bit će toliko jaka da će zamjetan dio energije ovog para biti emitiran u gravitacijske valove. Gubeći energiju, par će se približavati, okrećući se sve brže i brže, iskrivljujući metriku sve više i više i generirajući još jače gravitacijske valove - sve dok, konačno, ne dođe do radikalnog restrukturiranja cijelog gravitacijskog polja ovog para i spajanja dvije crne rupe u jedan.

Takvo spajanje crnih rupa je eksplozija ogromne snage, ali sva ta emitirana energija ne odlazi u svjetlost, ne u čestice, već u vibracije prostora. Emitirana energija činit će zamjetan dio početne mase crnih rupa, a to će zračenje isprsnuti u djeliću sekunde. Slične oscilacije će biti generirane spajanjem neutronskih zvijezda. Nešto slabije oslobađanje energije gravitacijskim valom prati i druge procese, poput kolapsa jezgre supernove.

Prasak gravitacijskog vala od spajanja dvaju kompaktnih objekata ima vrlo specifičan, dobro izračunat profil, prikazan na Sl. 3. Period titranja određen je orbitalnim gibanjem dvaju tijela jedno oko drugog. Gravitacijski valovi odnose energiju; kao rezultat toga, objekti se približavaju i okreću brže - a to je vidljivo iu ubrzanju oscilacija iu povećanju amplitude. U nekom trenutku dolazi do spajanja, emitira se posljednji jaki val, a zatim slijedi visokofrekventni “after-ring” ( zvonjenje) - podrhtavanje rezultirajuće crne rupe, koja "odbacuje" sva nesferna izobličenja (ova faza nije prikazana na slici). Poznavanje ovog karakterističnog profila pomaže fizičarima u traženju slabog signala takvog spajanja u podacima detektora s visokim šumom.

Fluktuacije u metrici prostor-vrijeme - eho gravitacijskih valova grandiozne eksplozije - raspršit će se svemirom u svim smjerovima od izvora. Njihova amplituda slabi s udaljenošću, slično kao što svjetlina točkastog izvora opada s udaljenošću od njega. Kada prasak iz daleke galaksije dosegne Zemlju, metričke fluktuacije bit će reda veličine 10 −22 ili čak manje. Drugim riječima, udaljenost između fizički nepovezanih objekata povremeno će se povećavati i smanjivati ​​za takav relativni iznos.

Red veličine ovog broja lako je dobiti iz razmatranja skaliranja (vidi članak V. M. Lipunova). U trenutku spajanja neutronskih zvijezda ili crnih rupa zvjezdanih masa, distorzije metrike neposredno uz njih su vrlo velike - reda veličine 0,1, zbog čega je gravitacija jaka. Takva ozbiljna distorzija zahvaća područje reda veličine ovih objekata, to jest nekoliko kilometara. Kako se udaljavate od izvora, amplituda oscilacija opada obrnuto proporcionalno udaljenosti. To znači da će na udaljenosti od 100 Mpc = 3·10 21 km amplituda oscilacija pasti za 21 red veličine i postati oko 10 −22.

Naravno, ako se spajanje dogodi u našoj matičnoj galaksiji, podrhtaji prostor-vremena koji dopiru do Zemlje bit će puno jači. Ali takvi se događaji događaju jednom u nekoliko tisuća godina. Dakle, doista treba računati samo na detektor koji će moći osjetiti spajanje neutronskih zvijezda ili crnih rupa na udaljenosti od desetaka do stotina megaparseka, što znači da će pokriti mnoge tisuće i milijune galaksija.

Ovdje treba dodati da je neizravna indikacija o postojanju gravitacijskih valova već otkrivena, pa je čak i nagrađena Nobelovom nagradom za fiziku za 1993. godinu. Dugoročna promatranja pulsara u binarnom sustavu PSR B1913+16 pokazala su da se orbitalni period smanjuje točno onom brzinom koju predviđa opća teorija relativnosti, uzimajući u obzir gubitke energije zbog gravitacijskog zračenja. Iz tog razloga gotovo nitko od znanstvenika ne sumnja u stvarnost gravitacijskih valova; samo je pitanje kako ih uhvatiti.

Povijest pretraživanja

Potraga za gravitacijskim valovima započela je prije otprilike pola stoljeća – i gotovo se odmah pretvorila u senzaciju. Joseph Weber sa Sveučilišta u Marylandu dizajnirao je prvi rezonantni detektor: čvrsti dvometarski aluminijski cilindar s osjetljivim piezoelektričnim senzorima sa strane i dobrom izolacijom vibracija od stranih vibracija (slika 4). Kada gravitacijski val prođe, cilindar rezonira u vremenu s distorzijama prostor-vremena, što bi senzori trebali registrirati. Weber je izgradio nekoliko takvih detektora, a 1969. godine, nakon analize njihovih očitanja tijekom jedne od seansi, izravno je izjavio da je registrirao "zvuk gravitacijskih valova" u nekoliko detektora odjednom, udaljenih dva kilometra (J. Weber, 1969. Dokazi za otkriće gravitacijskog zračenja). Amplituda oscilacija koju je proglasio pokazala se nevjerojatno velikom, reda veličine 10 −16, odnosno milijun puta većom od tipične očekivane vrijednosti. Znanstvena zajednica je Weberovu poruku dočekala s velikim skepticizmom; Štoviše, druge eksperimentalne skupine, naoružane sličnim detektorima, kasnije nisu mogle uhvatiti niti jedan sličan signal.

Međutim, Weberov trud dao je poticaj cijelom ovom području istraživanja i pokrenuo lov na valove. Od 1970-ih, naporima Vladimira Braginskog i njegovih kolega s Moskovskog državnog sveučilišta, SSSR je također ušao u ovu utrku (vidi odsutnost signala gravitacijskih valova). Zanimljiva je priča o tim vremenima u eseju Ako djevojka upadne u rupu... . Braginsky je, inače, jedan od klasika cjelokupne teorije kvantnih optičkih mjerenja; bio je prvi koji je došao do koncepta standardne kvantne granice mjerenja - ključnog ograničenja u optičkim mjerenjima - i pokazao kako se ona u načelu mogu prevladati. Weberov rezonantni krug je poboljšan, a zahvaljujući dubokom hlađenju instalacije, buka je dramatično smanjena (pogledajte popis i povijest ovih projekata). Međutim, točnost takvih posve metalnih detektora još uvijek je bila nedovoljna za pouzdano detektiranje očekivanih događaja, a osim toga, bili su podešeni da rezoniraju samo na vrlo uskom frekvencijskom rasponu oko kiloherca.

Detektori koji su koristili više od jednog rezonantnog objekta, ali su pratili udaljenost između dva nepovezana, neovisno ovješena tijela, kao što su dva zrcala, činili su se puno obećavajućim. Zbog titranja prostora izazvanog gravitacijskim valom, razmak između zrcala bit će ili malo veći ili malo manji. Štoviše, što je duži krak, veći će apsolutni pomak biti uzrokovan gravitacijskim valom dane amplitude. Ove vibracije mogu se osjetiti laserskom zrakom koja prolazi između zrcala. Takav sklop može bilježiti vibracije širok raspon frekvencije, od 10 herca do 10 kiloherca, a upravo je to interval u kojem će emitirati spojeni parovi neutronskih zvijezda ili crnih rupa zvjezdane mase.

Suvremena implementacija ove ideje temeljena na Michelsonovom interferometru izgleda ovako (slika 5). Ogledala su ovješena u dvije dugačke, nekoliko kilometara duge, okomite jedna na drugu vakuumske komore. Na ulazu u instalaciju laserska zraka se dijeli, prolazi kroz obje komore, reflektira se od zrcala, vraća natrag i ponovno spaja u prozirno zrcalo. Faktor kvalitete optičkog sustava je izuzetno visok, tako da laserska zraka ne prolazi samo jednom naprijed-nazad, već se dugo zadržava u ovom optičkom rezonatoru. U “mirnom” stanju duljine su odabrane tako da se dvije zrake nakon ponovnog spajanja međusobno poništavaju u smjeru senzora i tada je fotodetektor u potpunoj sjeni. Ali čim se zrcala pomaknu na mikroskopsku udaljenost pod utjecajem gravitacijskih valova, kompenzacija dviju zraka postaje nepotpuna i fotodetektor hvata svjetlost. A što je pomak jači, fotosenzor će vidjeti svjetliju svjetlost.

Riječi "mikroskopski pomak" ni blizu ne odražavaju suptilnost učinka. Pomak zrcala za valnu duljinu svjetlosti, odnosno mikrone, lako je uočiti i bez trikova. Ali s duljinom kraka od 4 km, to odgovara oscilacijama prostor-vremena s amplitudom od 10 −10. Uočavanje pomaka zrcala za promjer atoma također nije problem - dovoljno je ispaliti lasersku zraku, koja će juriti naprijed-nazad tisućama puta i dobiti željeni fazni pomak. Ali ovo također daje maksimum od 10 −14. I trebamo se još milijune puta spustiti na ljestvicu pomaka, odnosno naučiti registrirati zrcalni pomak ne čak ni za jedan atom, nego za tisućinke atomske jezgre!

Na putu do ove zaista nevjerojatne tehnologije fizičari su morali prevladati mnoge poteškoće. Neki od njih su čisto mehanički: potrebno je objesiti masivna ogledala na ovjes, koje visi na drugom ovjesu, ono na trećem ovjesu i tako dalje - a sve kako bi se što više riješili stranih vibracija. Ostali problemi su također instrumentalni, ali optički. Na primjer, što je snažnija zraka koja cirkulira u optičkom sustavu, to slabiji pomak zrcala može detektirati fotosenzor. No, prejaka zraka će neravnomjerno zagrijati optičke elemente, što će štetno utjecati na svojstva same zrake. Taj se učinak mora nekako kompenzirati, a za to je 2000-ih pokrenut cijeli istraživački program na tu temu (priču o ovom istraživanju pogledajte u vijesti Svladana prepreka na putu do vrlo osjetljivog detektora gravitacijskih valova, “Elementi” , 27.06.2006.). Konačno, postoje čisto temeljna fizikalna ograničenja povezana s kvantnim ponašanjem fotona u šupljini i principom nesigurnosti. Oni ograničavaju osjetljivost senzora na vrijednost koja se naziva standardna kvantna granica. Međutim, fizičari su ga, koristeći pametno pripremljeno kvantno stanje laserske svjetlosti, već naučili prevladati (J. Aasi i sur., 2013. Poboljšana osjetljivost LIGO detektora gravitacijskih valova korištenjem stisnutih stanja svjetlosti).

Cijeli popis zemalja sudjeluje u utrci za gravitacijskim valovima; Rusija ima svoju instalaciju, na zvjezdarnici Baksan, a, inače, opisana je u dokumentarnom znanstveno-popularnom filmu Dmitrija Zavilgelskog. "Čekajući valove i čestice". Predvodnici ove utrke sada su dva laboratorija - američki projekt LIGO i talijanski detektor Virgo. LIGO uključuje dva identična detektora, koji se nalaze u Hanfordu (država Washington) i Livingstonu (Louisiana) i udaljeni su 3000 km jedan od drugog. Imati dvije postavke važno je iz dva razloga. Prvo, signal će se smatrati registriranim samo ako ga oba detektora vide u isto vrijeme. I drugo, po razlici u dolasku praska gravitacijskog vala na dvije instalacije - a može doseći i 10 milisekundi - može se približno odrediti iz kojeg je dijela neba taj signal došao. Istina, s dva detektora pogreška će biti vrlo velika, ali kada Virgo proradi, točnost će se osjetno povećati.

Strogo govoreći, ideju o interferometrijskom otkrivanju gravitacijskih valova prvi su predložili sovjetski fizičari M.E. Herzenstein i V.I. Pustovoit još 1962. godine. U to je vrijeme laser tek bio izumljen, a Weber je počeo stvarati svoje rezonantne detektore. Međutim, ovaj članak nije bio zapažen na Zapadu i, istina, nije utjecao na razvoj pravi projekti(vidi povijesni pregled Fizike detekcije gravitacijskih valova: rezonantni i interferometrijski detektori).

Stvaranje gravitacijske zvjezdarnice LIGO bila je inicijativa trojice znanstvenika s Massachusetts Institute of Technology (MIT) i California Institute of Technology (Caltech). To su Rainer Weiss, koji je realizirao ideju o interferometrijskom detektoru gravitacijskih valova, Ronald Drever, koji je postigao stabilnost laserskog svjetla dovoljnu za detekciju, i Kip Thorne, teoretičar koji stoji iza projekta, sada dobro poznat široj javnosti kao znanstveni savjetnik film "Interstellar". O ranoj povijesti LIGO-a možete pročitati u nedavnom intervjuu s Rainerom Weissom i u memoarima Johna Preskilla.

Aktivnosti vezane uz projekt interferometrijske detekcije gravitacijskih valova započele su krajem 1970-ih, a isprva su mnogi također sumnjali u izvedivost tog pothvata. Međutim, nakon demonstracije niza prototipova, trenutni dizajn LIGO-a je napisan i odobren. Građena je tijekom posljednjeg desetljeća 20. stoljeća.

Iako je početni poticaj za projekt došao iz Sjedinjenih Država, LIGO je uistinu međunarodni projekt. U nju je uložilo 15 zemalja, financijski i intelektualno, au kolaboraciju je uključeno preko tisuću ljudi. Važnu ulogu u provedbi projekta odigrali su sovjetski i ruski fizičari. U realizaciji projekta LIGO od samog početka aktivno je sudjelovala već spomenuta grupa Vladimira Braginskog s Moskovskog državnog sveučilišta, a kasnije se suradnji pridružio i Institut za primijenjenu fiziku iz Nižnjeg Novgoroda.

Zvjezdarnica LIGO započela je s radom 2002. godine i do 2010. godine ugostila je šest znanstvenih promatračkih sesija. Nisu pouzdano otkriveni udari gravitacijskih valova, a fizičari su mogli postaviti samo gornje granice učestalosti takvih događaja. To ih, međutim, nije previše iznenadilo: procjene su pokazale da je u onom dijelu Svemira koji je detektor tada “osluškivao” mala vjerojatnost dovoljno snažne kataklizme: otprilike jednom u nekoliko desetljeća.

Cilj

Od 2010. do 2015. kolaboracije LIGO i Virgo radikalno su modernizirale opremu (Virgo je, međutim, još uvijek u pripremi). I sada je dugo očekivana meta bila na vidiku. LIGO - odnosno aLIGO ( Napredni LIGO) - sada je bio spreman uhvatiti praske koje generiraju neutronske zvijezde na udaljenosti od 60 megaparseka i crne rupe - na udaljenosti od stotina megaparseka. Volumen Svemira otvoren za slušanje gravitacijskih valova povećao se deset puta u usporedbi s prethodnim sesijama.

Naravno, nemoguće je predvidjeti kada i gdje će se dogoditi sljedeći bum gravitacijskih valova. Ali osjetljivost ažuriranih detektora omogućila je računanje na nekoliko spajanja neutronskih zvijezda godišnje, tako da se prvi prasak mogao očekivati ​​već tijekom prve četveromjesečne sesije promatranja. Ako govorimo o cijelom projektu aLIGO, koji je trajao nekoliko godina, tada je presuda bila krajnje jasna: ili će eksplozije padati jedna za drugom, ili nešto u općoj teoriji relativnosti fundamentalno ne funkcionira. Oboje će biti velika otkrića.

Od 18. rujna 2015. do 12. siječnja 2016. održana je prva aLIGO promatračka sesija. Cijelo to vrijeme internetom su kružile glasine o registraciji gravitacijskih valova, ali se o suradnji šutjelo: “prikupljamo i analiziramo podatke i još nismo spremni izvijestiti o rezultatima.” Dodatnu intrigu stvorila je činjenica da tijekom procesa analize ni sami suradnici ne mogu biti potpuno sigurni da vide pravi prasak gravitacijskog vala. Činjenica je da se u LIGO-u računalno generirani prasak povremeno umjetno uvodi u tok stvarnih podataka. Zove se "slijepo ubrizgavanje", a od cijele grupe samo tri osobe (!) imaju pristup sustavu koji to provodi u proizvoljnom trenutku. Tim mora pratiti ovaj val, odgovorno ga analizirati, a tek u zadnjim fazama analize “otkrivaju se karte” i članovi kolaboracije otkrivaju je li to bio stvarni događaj ili test budnosti. Inače, u jednom takvom slučaju 2010. godine došlo se i do toga da se napiše članak, ali se tada otkriveni signal pokazao samo “nabijanjem na slijepo”.

Lirska digresija

Kako bih još jednom osjetio ozbiljnost trenutka, predlažem da ovu priču pogledamo s druge strane, iznutra znanosti. Kada složeni, nedostupni znanstveni zadatak ostane bez rješenja nekoliko godina, to je normalan radni trenutak. Kada ne popušta više od jedne generacije, percipira se potpuno drugačije.

Kao školarac čitate znanstveno-popularne knjige i učite o ovoj teško rješivoj, ali užasno zanimljivoj znanstvenoj zagonetki. Kao student učite fiziku, dajete referate, a ponekad vas, prikladno ili ne, ljudi oko vas podsjete na njezino postojanje. Tada se i sami bavite znanošću, radite u drugom području fizike, ali redovito slušate o neuspješnim pokušajima da se to riješi. Vi, naravno, razumijete da se negdje aktivno radi na rješavanju, ali konačni rezultat za vas kao autsajdera ostaje nepromijenjen. Problem se doživljava kao statična pozadina, kao ukras, kao vječni i gotovo nepromijenjeni element fizike u mjerilu vašeg znanstvenog života. Kao zadatak koji je uvijek bio i bit će.

I onda – rješavaju. I odjednom, na skali od nekoliko dana, osjećate da se fizička slika svijeta promijenila i da se sada mora formulirati u drugim terminima i postaviti druga pitanja.

Za ljude koji izravno rade na potrazi za gravitacijskim valovima, ovaj zadatak, naravno, nije ostao nepromijenjen. Oni vide cilj, znaju što treba postići. Oni se, naravno, nadaju da će im i priroda izaći u susret na pola puta i ubaciti ih obližnja galaksija snažan val, ali u isto vrijeme shvaćaju da, čak i ako priroda nije toliko podržavajuća, više se neće moći sakriti od znanstvenika. Pitanje je samo kada će točno moći ostvariti svoje tehničke ciljeve. Priču o ovoj senzaciji osobe koja je nekoliko desetljeća tragala za gravitacijskim valovima možete čuti u već spomenutom filmu "Čekajući valove i čestice".

Otvor

Na sl. Slika 7 prikazuje glavni rezultat: profil signala koji su zabilježila oba detektora. Vidi se da se na pozadini buke oscilacija željenog oblika najprije slabo pojavljuje, a zatim povećava amplitudu i frekvenciju. Usporedba s rezultatima numeričkih simulacija omogućila je razjašnjenje koji smo objekti promatrali spajanje: to su bile crne rupe s masama od približno 36 i 29 solarnih masa, koje su se spojile u jednu crnu rupu s masom od 62 solarne mase (pogreška u svim ovi brojevi, koji odgovaraju intervalu pouzdanosti od 90%, iznose 4 solarne mase). Autori usput napominju da je nastala crna rupa najteža crna rupa zvjezdane mase ikada opažena. Razlika između ukupne mase dva početna objekta i konačne crne rupe je 3 ± 0,5 Sunčeve mase. Ovaj defekt gravitacijske mase u potpunosti je pretvoren u energiju emitiranih gravitacijskih valova za oko 20 milisekundi. Izračuni su pokazali da je vršna snaga gravitacijskih valova dosegla 3,6 10 56 erg/s, ili, u smislu mase, približno 200 solarnih masa u sekundi.

Statistička značajnost detektiranog signala je 5,1σ. Drugim riječima, ako pretpostavimo da su se ove statističke fluktuacije preklapale jedna s drugom i čisto slučajno proizvele takav prasak, takav bi događaj morao čekati 200 tisuća godina. To nam omogućuje da pouzdano tvrdimo da detektirani signal nije fluktuacija.

Vremenska odgoda između dva detektora bila je približno 7 milisekundi. To je omogućilo procjenu smjera dolaska signala (slika 9). Budući da postoje samo dva detektora, lokalizacija se pokazala vrlo približnom: područje nebeske sfere prikladno u smislu parametara je 600 kvadratnih stupnjeva.

Suradnja LIGO nije se ograničila samo na konstataciju činjenice snimanja gravitacijskih valova, već je također provela prvu analizu implikacija koje ovo opažanje ima za astrofiziku. U članku Astrophysical implications of the binary black hole merger GW150914, objavljenom istog dana u časopisu The Astrophysical Journal Letters, autori su procijenili učestalost spajanja crnih rupa. Rezultat je bilo najmanje jedno spajanje po kubnom gigaparseku godišnje, što je u skladu s predviđanjima najoptimističnijih modela u tom pogledu.

Što nam govore gravitacijski valovi

Otkriće novog fenomena nakon desetljeća potrage nije kraj, već tek početak nove grane fizike. Naravno, registracija gravitacijskih valova od spajanja dva crna važna je sama po sebi. Ovo je izravan dokaz postojanja crnih rupa, i postojanja dvostrukih crnih rupa, i realnosti gravitacijskih valova, te, općenito govoreći, dokaz ispravnosti geometrijskog pristupa gravitaciji, na kojem se temelji opća relativnost. Ali za fizičare nije ništa manje vrijedno to što astronomija gravitacijskih valova postaje novi istraživački alat koji omogućuje proučavanje onoga što je prije bilo nedostupno.

Prvo, to je novi način promatranja svemira i proučavanja kozmičkih kataklizmi. Za gravitacijske valove nema prepreka, oni bez problema prolaze kroz sve u Svemiru. Oni su sami sebi dovoljni: njihov profil nosi podatke o procesu koji ih je iznjedrio. Konačno, ako jedna velika eksplozija generira optički, neutrinski i gravitacijski prasak, tada ih možemo pokušati sve uhvatiti, međusobno usporediti i razumjeti dosad nedostupne detalje onoga što se tamo dogodilo. Biti u stanju uhvatiti i usporediti tako različite signale iz jednog događaja glavni je cilj astronomije svih signala.

Kada detektori gravitacijskih valova postanu još osjetljiviji, moći će detektirati podrhtavanje prostor-vremena ne u trenutku spajanja, već nekoliko sekundi prije njega. Oni će automatski poslati svoj signal upozorenja općoj mreži promatračkih postaja, a astrofizički teleskopski sateliti, nakon što su izračunali koordinate predloženog spajanja, imat će vremena u ovim sekundama da se okrenu u željenom smjeru i počnu fotografirati nebo prije optičkog praska. počinje.

Drugo, eksplozija gravitacijskog vala omogućit će nam da naučimo nove stvari o neutronskim zvijezdama. Spajanje neutronskih zvijezda je, naime, najnoviji i najekstremniji eksperiment na neutronskim zvijezdama koji priroda može izvesti za nas, a mi kao gledatelji ostajemo samo promatrati rezultate. Promatračke posljedice takvog spajanja mogu biti različite (Slika 10), a prikupljanjem njihove statistike možemo bolje razumjeti ponašanje neutronskih zvijezda u takvim egzotičnim okruženjima. Pregled Trenutna država Slučajevi u ovom smjeru mogu se pronaći u nedavnoj publikaciji S. Rosswoga, 2015. Multi-messenger slika kompaktnih binarnih spajanja.

Treće, snimanje praska koji je došao iz supernove i njegova usporedba s optičkim promatranjima konačno će omogućiti da se do detalja razumije što se događa unutra, na samom početku kolapsa. Sada fizičari još uvijek imaju poteškoća s numeričkim modeliranjem ovog procesa.

Četvrto, fizičari uključeni u teoriju gravitacije imaju željeni "laboratorij" za proučavanje učinaka jake gravitacije. Do sada su se svi učinci opće relativnosti koje smo mogli izravno promatrati odnosili na gravitaciju u slabim poljima. Što se događa u uvjetima jake gravitacije, kada distorzije prostor-vremena počnu snažno djelovati same sa sobom, mogli bismo naslutiti tek iz posrednih manifestacija, kroz optički eho kozmičkih katastrofa.

Peto, postoji nova prilika za testiranje egzotičnih teorija gravitacije. U modernoj fizici već postoji mnogo takvih teorija, pogledajte, na primjer, poglavlje posvećeno njima iz popularne knjige “Gravitacija” A. N. Petrova. Neke od ovih teorija nalikuju konvencionalnoj općoj teoriji relativnosti u granicama slabih polja, ali mogu biti vrlo različite kada gravitacija postane vrlo jaka. Drugi priznaju postojanje nove vrste polarizacije za gravitacijske valove i predviđaju brzinu koja se malo razlikuje od brzine svjetlosti. Konačno, postoje teorije koje uključuju dodatne prostorne dimenzije. Otvoreno je pitanje što o njima reći na temelju gravitacijskih valova, no jasno je da se tu neke informacije mogu profitirati. Preporučamo i da pročitate mišljenje samih astrofizičara o tome što će se promijeniti otkrićem gravitacijskih valova, u izboru na Postnauci.

Planovi za buducnost

Izgledi za astronomiju gravitacijskih valova vrlo su uzbudljivi. Sada je završena samo prva, najkraća sesija promatranja aLIGO detektora - i već u ovom kratkom vremenu detektiran je jasan signal. Točnije bi bilo reći ovako: prvi signal uhvaćen je i prije službenog početka, a suradnja još nije izvijestila o sva četiri mjeseca rada. Tko zna, možda tamo već ima nekoliko dodatnih šiljaka? Ovako ili onako, ali dalje, kako se bude povećavala osjetljivost detektora i širio dio Svemira dostupan promatranjima gravitacijskih valova, broj zabilježenih događaja će rasti poput lavine.

Očekivani raspored sesija za LIGO-Virgo mrežu prikazan je na slici. 11. Druga, šestomjesečna sesija započet će krajem ove godine, treća sesija trajat će gotovo cijelu 2018., au svakoj će se fazi povećavati osjetljivost detektora. Oko 2020. aLIGO bi trebao doseći svoju planiranu osjetljivost, što će omogućiti detektoru da sondira svemir u potrazi za spajanjem neutronskih zvijezda udaljenih od nas na udaljenostima do 200 Mpc. Za još energičnije događaje spajanja crnih rupa, osjetljivost može doseći gotovo gigaparsek. Na ovaj ili onaj način, volumen svemira koji je dostupan za promatranje povećat će se desetke puta u usporedbi s prvom sesijom.

Obnovljeni talijanski laboratorij Virgo također će doći u igru ​​kasnije ove godine. Osjetljivost mu je nešto manja nego kod LIGO-a, ali još uvijek sasvim pristojna. Zbog triangulacijske metode, trio detektora razmaknutih u svemiru omogućit će puno bolju rekonstrukciju položaja izvora na nebeskoj sferi. Ako sada, s dva detektora, područje lokalizacije dosegne stotine kvadratnih stupnjeva, tada će ga tri detektora smanjiti na desetke. Osim toga, u Japanu se trenutno gradi slična antena gravitacijskih valova KAGRA, koja će početi s radom za dvije do tri godine, au Indiji se oko 2022. godine planira lansirati detektor LIGO-India. Kao rezultat toga, nakon nekoliko godina, cijela mreža detektora gravitacijskih valova će raditi i redovito snimati signale (slika 13).

Konačno, postoje planovi za lansiranje instrumenata s gravitacijskim valovima u svemir, posebice projekt eLISA. Prije dva mjeseca u orbitu je lansiran prvi testni satelit čija će zadaća biti testiranje tehnologija. Prava detekcija gravitacijskih valova još je daleko. Ali kada ova skupina satelita počne prikupljati podatke, otvorit će još jedan prozor u svemir - kroz niskofrekventne gravitacijske valove. Ovaj svevalni pristup gravitacijskim valovima glavni je dugoročni cilj ovog područja.

Paralele

Otkriće gravitacijskih valova bilo je treći put u povijesti posljednjih godina slučaj kada su fizičari konačno probili sve prepreke i došli do dosad nepoznatih suptilnosti strukture našeg svijeta. Godine 2012. otkriven je Higgsov bozon, čestica predviđena prije gotovo pola stoljeća. 2013. godine detektor neutrina IceCube dokazao je realnost astrofizičkih neutrina i počeo “gledati na svemir” na potpuno novi, dosad nedostupan način – kroz neutrine visoke energije. A sada je priroda ponovno poklekla pred čovjekom: otvorio se “prozor” gravitacijskih valova za promatranje svemira, a istovremeno su učinci jake gravitacije postali dostupni za izravno proučavanje.

Mora se reći da ovdje nigdje nije bilo “džaba” od prirode. Tragalo se jako dugo, ali nije urodilo plodom jer tada, desetljećima prije, oprema nije davala rezultat ni energetski, ni razmjerno, ni osjetljivo. Do cilja je doveo stalan, usmjeren razvoj tehnologije, razvoj koji nisu zaustavile ni tehničke poteškoće ni negativni rezultati prošlih godina.

I u sva tri slučaja sama činjenica otkrića nije bila kraj, već, naprotiv, početak novog smjera istraživanja, postalo je novi alat za ispitivanje našeg svijeta. Svojstva Higgsovog bozona postala su dostupna za mjerenje – a u tim podacima fizičari pokušavaju razaznati učinke Nove fizike. Zahvaljujući povećanoj statistici visokoenergetskih neutrina, astrofizika neutrina poduzima prve korake. Barem se isto sada očekuje od astronomije gravitacijskih valova, a ima razloga za optimizam.

Izvori:
1) LIGO Scientific Coll. i Virgo Coll. Promatranje gravitacijskih valova iz spajanja binarnih crnih rupa // Phys. vlč. Lett. Objavljeno 11. veljače 2016.
2) Dokumenti o otkrivanju - popis tehničkih članaka koji prate glavni članak o otkriću.
3) E. Berti. Gledište: Prvi zvukovi spajanja crnih rupa // Fizika. 2016. V. 9. N. 17.

Pregledajte materijale:
1) David Blair et al. Astronomija gravitacijskih valova: trenutno stanje // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott i znanstvena suradnja LIGO i Virgo kolaboracija. Izgledi za promatranje i lokaliziranje tranzijenata gravitacijskih valova s ​​naprednim LIGO i naprednim Virgo // Živi vlč. Relativnost. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Prošlost, sadašnjost i budućnost detektora rezonantnih gravitacijskih valova // Res. Astron. Astrophys. 2011. V. 11. N. 1.
4) Potraga za gravitacijskim valovima - izbor materijala na web stranici časopisa Znanost o potrazi za gravitacijskim valovima.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Detekcija gravitacijskih valova interferometrijom (zemlja i svemir) // arXiv:1102.3355.
6) V. B. Braginski. Astronomija gravitacijskih valova: nove metode mjerenja // UFN. 2000. T. 170. str. 743–752.
7) Peter R. Saulson.