Fale grawitacyjne - odkryte! Istota fal grawitacyjnych w prostych słowach.

Żyjemy obecnie we Wszechświecie wypełnionym falami grawitacyjnymi.

Do historycznego ogłoszenia w czwartek rano na posiedzeniu Narodowej Fundacji Nauki (NSF) w Waszyngtonie krążyły jedynie pogłoski, że Obserwatorium Fal Grawitacyjnych z Interferometrem Laserowym (LIGO) odkryło kluczowy element ogólnej teorii względności Alberta Einsteina, ale teraz wiemy, rzeczywistość jest głębsza, niż nam się wydawało.

Z niesamowitą wyrazistością LIGO był w stanie „usłyszeć” moment, zanim układ podwójny (dwie czarne dziury krążące wokół siebie) połączył się w jedną całość, tworząc sygnał fali grawitacyjnej na tyle wyraźny, zgodnie z modelem teoretycznym, że nie wymagał dyskusji . LIGO było świadkiem „odrodzenia” potężnej czarnej dziury, które miało miejsce około 1,3 miliarda lat temu.

Fale grawitacyjne zawsze były i zawsze będą przelatywać przez naszą planetę (a właściwie przechodzą przez nas), ale dopiero teraz wiemy, jak je znaleźć. Otworzyliśmy teraz oczy na różne sygnały kosmiczne, wibracje spowodowane znanymi zdarzeniami energetycznymi i jesteśmy świadkami narodzin zupełnie nowej dziedziny astronomii.

Dźwięk łączenia się dwóch czarnych dziur:

„Teraz możemy usłyszeć Wszechświat” – powiedziała Gabriela Gonzalez, fizyk i rzeczniczka LIGO, podczas czwartkowego triumfalnego spotkania. „Odkrycie wyznacza początek nowa era: Dziedzina astronomii grawitacyjnej stała się teraz rzeczywistością.”

Nasze miejsce we Wszechświecie zmienia się dramatycznie, a odkrycie to może być tak fundamentalne, jak odkrycie fal radiowych i zrozumienie, że Wszechświat się rozszerza.

Teoria względności staje się bardziej wartościowa

Próba wyjaśnienia, czym są fale grawitacyjne i dlaczego są tak ważne, jest równie złożona jak równania je opisujące, ale ich wykrycie nie tylko wzmacnia teorie Einsteina na temat natury czasoprzestrzeni, ale mamy teraz narzędzie do badania części wszechświata które były dla nas niewidoczne. Możemy teraz badać fale kosmiczne powstałe w wyniku najbardziej energetycznych wydarzeń zachodzących we Wszechświecie i być może wykorzystać fale grawitacyjne do dokonywania nowych odkryć fizycznych i badania nowych zjawisk astronomicznych.

„Musimy teraz udowodnić, że dysponujemy technologią wykraczającą poza odkrywanie fal grawitacyjnych, ponieważ otwiera to wiele możliwości” – powiedział Lewis Lehner z Instytutu Fizyki Teoretycznej w Ontario w wywiadzie po czwartkowym ogłoszeniu.

Badania Lehnera skupiają się na gęstych obiektach (takich jak czarne dziury), które wytwarzają potężne fale grawitacyjne. Chociaż Lehner nie był powiązany ze współpracą z LIGO, szybko zdał sobie sprawę ze znaczenia tego historycznego odkrycia. „Nie ma lepszych sygnałów” – stwierdził.

Odkrycie opiera się na trzech ścieżkach – argumentuje. Po pierwsze, wiemy już, że fale grawitacyjne istnieją i wiemy, jak je wykryć. Po drugie, sygnał wykryty przez stacje LIGO 14 września 2015 roku jest mocnym dowodem na istnienie układu podwójnego czarnych dziur, a każda czarna dziura waży kilkadziesiąt mas Słońca. Sygnał jest dokładnie taki, jakiego oczekiwaliśmy po gwałtownym połączeniu dwóch czarnych dziur, z których jedna waży 29 razy więcej niż Słońce, a druga 36 razy więcej. Po trzecie i być może najważniejsze, „zdolność bycia wysłanym do czarnej dziury” jest zdecydowanie najsilniejszym dowodem na istnienie czarnych dziur.

Kosmiczna intuicja

Wydarzeniu temu towarzyszyło szczęście, podobnie jak wielu innym odkryciom naukowym. LIGO to największy projekt finansowany przez Narodową Fundację Nauki, którego realizacja rozpoczęła się w 2002 roku. Okazało się, że po wielu latach poszukiwań nieuchwytnego sygnału fal grawitacyjnych LIGO nie było wystarczająco czułe i w 2010 roku obserwatoria zostały zamrożone i prowadzono współpracę międzynarodową w celu zwiększenia ich czułości. Pięć lat później, we wrześniu 2015 r., narodziło się „ulepszone LIGO”.

W tamtym czasie współzałożyciel LIGO i zawodnik wagi ciężkiej fizyki teoretycznej Kip Thorne był pewien sukcesu LIGO, mówiąc BBC: „Jesteśmy tutaj. Dotarliśmy na pole świetna gra. I jest całkiem jasne, że uchylimy zasłonę tajemnicy.” - I miał rację, kilka dni po rekonstrukcji przez naszą planetę przetoczył się wybuch fal grawitacyjnych, a LIGO był wystarczająco czuły, aby je wykryć.

Te łączenia się czarnych dziur nie są uważane za coś specjalnego; Szacuje się, że takie zdarzenia zdarzają się gdzieś we Wszechświecie co 15 minut. Ale to właśnie ta fuzja miała miejsce w we właściwym miejscu(w odległości 1,3 miliarda lat świetlnych) w właściwy czas(1,3 miliarda lat temu), aby uchwycić swój sygnał w obserwatoriach LIGO. Był to czysty sygnał z Wszechświata i Einstein to przewidział, a jego fale grawitacyjne okazały się prawdziwe, opisując kosmiczne wydarzenie 50 razy silniejsze niż moc wszystkich gwiazd we Wszechświecie razem wzięta. Ten ogromny wybuch fal grawitacyjnych został zarejestrowany przez LIGO jako sygnał o wysokiej częstotliwości z liniową modulacją częstotliwości, gdy czarne dziury spiralnie się łączyły i łączyły w jedną.

Aby potwierdzić propagację fal grawitacyjnych, LIGO składa się z dwóch stacji obserwacyjnych, jednej w Luizjanie, drugiej w Waszyngtonie. Aby wyeliminować fałszywe alarmy, na obu stacjach należy wykryć sygnał fali grawitacyjnej. 14 września wynik uzyskano najpierw w Luizjanie, a 7 milisekund później w Waszyngtonie. Sygnały zbiegły się i za pomocą triangulacji fizycy byli w stanie dowiedzieć się, że pochodzą one z przestrzeni niebieskiej półkuli południowej.

Fale grawitacyjne: do czego mogą się przydać?

Mamy więc potwierdzenie sygnału połączenia czarnych dziur, ale co z tego? Ten odkrycie historyczne, co jest całkiem zrozumiałe – 100 lat temu Einsteinowi nawet nie śniło się o odkryciu tych fal, a jednak tak się stało.

Ogólna teoria względności była jednym z najgłębszych odkryć naukowych i filozoficznych XX wieku i stanowi podstawę niektórych z najinteligentniejszych badań w rzeczywistości. W astronomii zastosowania ogólnej teorii względności są jasne: od soczewki grawitacyjnej po pomiar ekspansji Wszechświata. Ale to wcale nie jest jasne praktyczne zastosowanie Teorie Einsteina, ale większość nowoczesne technologie korzystaj z lekcji teorii względności w niektórych sprawach uważanych za proste. Weźmy na przykład satelity służące do pozycjonowania globalnego – nie będą one wystarczająco dokładne, jeśli nie zastosuje się prostego dostosowania do dylatacji czasu (przewidywanej przez teorię względności).

Jest oczywiste, że ogólna teoria względności ma zastosowanie w prawdziwy świat, ale kiedy Einstein przedstawił swoją teorię w 1916 r., jej zastosowanie było wysoce wątpliwe, co wydawało się oczywiste. Po prostu połączył Wszechświat tak, jak go widział, i tak narodziła się ogólna teoria względności. A teraz udowodniono kolejny element teorii względności, ale jak można wykorzystać fale grawitacyjne? Astrofizycy i kosmolodzy są zdecydowanie zaintrygowani.

„Kiedy już zbierzemy dane z par czarnych dziur, które będą działać jak latarnie rozproszone po całym wszechświecie” – powiedział w czwartek podczas prezentacji wideo fizyk teoretyczny Neil Turok, dyrektor Instytutu Fizyki Teoretycznej prędkość.” Ekspansja Wszechświata, czyli ilość ciemnej energii, z niezwykłą precyzją, znacznie dokładniej niż możemy to zrobić dzisiaj.”

„Einstein rozwinął swoją teorię w oparciu o pewne wskazówki pochodzące z natury, ale w oparciu o logiczną spójność. Po 100 latach można zobaczyć bardzo dokładne potwierdzenie jego przewidywań.”

Co więcej, wydarzenie z 14 września ma pewne cechy fizyczne, które nadal wymagają zbadania. Na przykład Lehner zauważył, że analizując sygnał fali grawitacyjnej, można zmierzyć „spin”, czyli moment pędu łączącej się czarnej dziury. „Jeśli pracowałeś nad tą teorią przez długi czas, wiesz, że czarna dziura ma bardzo, bardzo szczególny spin” – powiedział.

Powstawanie fal grawitacyjnych podczas łączenia się dwóch czarnych dziur:

Z jakiegoś powodu końcowy obrót czarnej dziury jest wolniejszy niż oczekiwano, co wskazuje, że czarne dziury zderzyły się przy małej prędkości lub brały udział w takim zderzeniu, które spowodowało przeciwstawienie się łącznego momentu pędu. „To bardzo interesujące. Dlaczego natura to zrobiła?” – powiedział Lehner.

Ta niedawna zagadka może przywrócić pewne podstawowe elementy fizyki, które zostały pominięte, ale, co bardziej intrygujące, może ujawnić „nową”, niezwykłą fizykę, która nie pasuje do ogólnej teorii względności. To podkreśla inne zastosowania fal grawitacyjnych: ponieważ powstają one w wyniku silnych zjawisk grawitacyjnych, mamy możliwość badania tego środowiska z daleka, mogąc spotkać po drodze niespodzianki. Ponadto moglibyśmy połączyć obserwacje zjawisk astrofizycznych z siłami elektromagnetycznymi, aby lepiej zrozumieć strukturę Wszechświata.

Aplikacja?

Naturalnie po ogromnych ogłoszeniach wynikających z szeregu odkryć naukowych wiele osób spoza społeczności naukowej zastanawia się, jaki wpływ może to mieć na nich. Głębokość odkrycia może zostać utracona, co oczywiście dotyczy również fal grawitacyjnych. Rozważmy jednak inny przypadek, kiedy Wilhelm Roentgen odkrył promienie rentgenowskie w 1895 r. podczas eksperymentów z lampami katodowymi, niewiele osób wie, że zaledwie kilka lat później te fale elektromagnetyczne staną się kluczowym elementem codziennej medycyny, od diagnozy po leczenie. Podobnie, dokonując pierwszego eksperymentalnego stworzenia fal radiowych w 1887 r., Heinrich Hertz potwierdził słynne równania elektromagnetyczne Jamesa Clerka Maxwella. Dopiero po pewnym czasie, w latach 90. XX wieku, Guglielmo Marconi, twórca nadajnika i odbiornika radiowego, udowodnił ich praktyczne zastosowanie. Również opis równań Schrödingera złożony świat Dynamika kwantowa jest obecnie wykorzystywana w rozwoju ultraszybkich obliczeń kwantowych.

Wszystkie odkrycia naukowe są przydatne, a wiele z nich ostatecznie ma codzienne zastosowania, które uważamy za oczywiste. Obecnie praktyczne zastosowania fal grawitacyjnych ograniczają się do astrofizyki i kosmologii – mamy teraz okno na „ciemny wszechświat”, niewidzialny dla promieniowania elektromagnetycznego. Bez wątpienia naukowcy i inżynierowie znajdą inne zastosowania dla tych kosmicznych pulsacji, poza badaniem Wszechświata. Aby jednak wykryć te fale, w LIGO musi nastąpić znaczny postęp w technologii optycznej, a z czasem pojawiają się nowe technologie.

Fale grawitacyjne - grafika artystyczna

Fale grawitacyjne to zaburzenia metryki czasoprzestrzeni, które odrywają się od źródła i rozchodzą się jak fale (tzw. „zmarszczenia czasoprzestrzeni”).

W ogólnej teorii względności oraz w większości innych współczesnych teorii grawitacji fale grawitacyjne powstają w wyniku ruchu masywnych ciał ze zmiennym przyspieszeniem. Fale grawitacyjne rozchodzą się swobodnie w przestrzeni z prędkością światła. Ze względu na względną słabość sił grawitacyjnych (w porównaniu do innych) fale te mają bardzo mała ilość, trudno się zarejestrować.

Spolaryzowana fala grawitacyjna

Fale grawitacyjne przewiduje ogólna teoria względności (GR) i wiele innych. Po raz pierwszy zostały bezpośrednio odkryte we wrześniu 2015 r. przez dwa bliźniacze detektory, które wykryły fale grawitacyjne powstałe prawdopodobnie w wyniku połączenia dwóch i powstania jeszcze jednego, masywniejszego, wirującego detektora. czarna dziura. Pośrednie dowody na ich istnienie znane są od lat 70. XX wieku - Ogólna Teoria Względności przewiduje tempo zbieżności bliskich układów na skutek utraty energii w wyniku emisji fal grawitacyjnych, co pokrywa się z obserwacjami. Bezpośrednia rejestracja fal grawitacyjnych i wykorzystanie ich do wyznaczania parametrów procesów astrofizycznych jest ważnym zadaniem współczesnej fizyki i astronomii.

W ramach ogólnej teorii względności fale grawitacyjne opisywane są rozwiązaniami falowych równań Einsteina, które reprezentują zaburzenie metryki czasoprzestrzeni poruszającej się z prędkością światła (w przybliżeniu liniowym). Przejawem tego zaburzenia powinna być w szczególności okresowa zmiana odległości pomiędzy dwiema swobodnie opadającymi (czyli na które nie działają żadne siły) masami próbnymi. Amplituda H fala grawitacyjna jest wielkością bezwymiarową – względną zmianą odległości. Przewidywane maksymalne amplitudy fal grawitacyjnych z obiektów astrofizycznych (na przykład zwartych układów podwójnych) i zjawisk (eksplozji, fuzji, przechwytywania przez czarne dziury itp.) w momencie pomiaru są bardzo małe ( H=10-18-10-23). Słaba (liniowa) fala grawitacyjna, zgodnie z ogólną teorią względności, przenosi energię i pęd, porusza się z prędkością światła, jest poprzeczna, kwadrupolowa i opisana jest przez dwie niezależne składowe położone względem siebie pod kątem 45° ( ma dwa kierunki polaryzacji).

Różne teorie w różny sposób przewidują prędkość rozchodzenia się fal grawitacyjnych. W ogólnej teorii względności jest ona równa prędkości światła (w przybliżeniu liniowym). W innych teoriach grawitacji może przyjmować dowolną wartość, łącznie z nieskończonością. Według pierwszej rejestracji fal grawitacyjnych ich rozproszenie okazało się zgodne z bezmasowym grawitonem, a prędkość oszacowano na równą prędkości światła.

Generacja fal grawitacyjnych

Układ dwóch gwiazd neutronowych tworzy zmarszczki w czasoprzestrzeni

Fala grawitacyjna jest emitowana przez każdą materię poruszającą się z asymetrycznym przyspieszeniem. Aby powstała fala o znacznej amplitudzie, wymagana jest niezwykle duża masa emitera i/lub ogromne przyspieszenia. Amplituda fali grawitacyjnej jest wprost proporcjonalna pierwsza pochodna przyspieszenia i masa generatora, czyli ~ . Jeśli jednak obiekt porusza się z przyspieszeniem, oznacza to, że działa na niego pewna siła z innego obiektu. Z kolei ten inny obiekt doświadcza odwrotnego efektu (zgodnie z III zasadą Newtona) i okazuje się, że M 1 A 1 = − M 2 A 2 . Okazuje się, że dwa obiekty emitują fale grawitacyjne tylko parami, a w wyniku interferencji są one niemal całkowicie zniesione. Dlatego promieniowanie grawitacyjne w ogólnej teorii względności zawsze ma charakter wielobiegunowy, co najmniej promieniowania kwadrupolowego. Dodatkowo dla emiterów nierelatywistycznych w wyrażeniu na natężenie promieniowania występuje mały parametr, w którym jest promień grawitacyjny emitera, R- jego charakterystyczny rozmiar, T- charakterystyczny okres ruchu, C- prędkość światła w próżni.

Najsilniejszymi źródłami fal grawitacyjnych są:

zderzenie (olbrzymie masy, bardzo małe przyspieszenia),
zapadnięcie się grawitacyjne układu podwójnego zwartych obiektów (kolosalne przyspieszenia o dość dużej masie). Jako szczególny i najciekawszy przypadek - połączenie gwiazd neutronowych. W takim systemie jasność fali grawitacyjnej jest bliska maksymalnej jasności Plancka możliwej w przyrodzie.

Fale grawitacyjne emitowane przez układ dwóch ciał

Dwa ciała poruszające się po orbitach kołowych wokół wspólnego środka masy

Dwa powiązane grawitacyjnie ciała o masach M 1 i M 2, poruszając się nierelatywistycznie ( w << C) na orbitach kołowych wokół wspólnego środka masy w pewnej odległości R emitują od siebie fale grawitacyjne o średniej energii w okresie:

W rezultacie układ traci energię, co prowadzi do zbieżności ciał, czyli zmniejszenia odległości między nimi. Prędkość zbliżania się ciał:

Na przykład w Układzie Słonecznym największe promieniowanie grawitacyjne wytwarza podsystem i. Moc tego promieniowania wynosi około 5 kilowatów. Zatem energia tracona przez Układ Słoneczny na promieniowanie grawitacyjne w ciągu roku jest całkowicie znikoma w porównaniu z charakterystyczną energią kinetyczną ciał.

Zapadnięcie się grawitacyjne układu podwójnego

Każda gwiazda podwójna, gdy jej składniki obracają się wokół wspólnego środka masy, traci energię (zgodnie z założeniami - w wyniku emisji fal grawitacyjnych) i ostatecznie łączy się ze sobą. Ale w przypadku zwykłych, niezwartych gwiazd podwójnych proces ten zajmuje bardzo dużo czasu, znacznie dłużej niż obecnie. Jeśli zwarty układ podwójny składa się z pary gwiazd neutronowych, czarnych dziur lub kombinacji obu, wówczas połączenie może nastąpić w ciągu kilku milionów lat. Po pierwsze, obiekty zbliżają się do siebie, a ich okres obrotu maleje. Następnie w końcowym etapie następuje zderzenie i asymetryczne zapadnięcie grawitacyjne. Proces ten trwa ułamek sekundy i w tym czasie energia ulega zniszczeniu w postaci promieniowania grawitacyjnego, które według niektórych szacunków stanowi ponad 50% masy układu.

Podstawowe dokładne rozwiązania równań Einsteina dla fal grawitacyjnych

Fale ciała Bondi-Pirani-Robinsona

Fale te opisuje się metryką postaci . Jeśli wprowadzimy zmienną i funkcję, to z ogólnych równań teorii względności otrzymamy równanie

Metryka Takeno

ma postać , -funkcje spełniają to samo równanie.

Metryka Rosena

Gdzie zaspokoić

metryka Pereza

Naraz

Cylindryczne fale Einsteina-Rosena

We współrzędnych cylindrycznych fale takie mają postać i są wykonywane

Rejestracja fal grawitacyjnych

Rejestracja fal grawitacyjnych jest dość trudna ze względu na słabość tej ostatniej (niewielkie zniekształcenie metryki). Urządzeniami do ich rejestracji są detektory fal grawitacyjnych. Próby wykrywania fal grawitacyjnych podejmowane są od końca lat 60. XX wieku. Fale grawitacyjne o wykrywalnej amplitudzie powstają podczas zapadania się układu podwójnego. Podobne zdarzenia mają miejsce w okolicy mniej więcej raz na dekadę.

Z kolei ogólna teoria względności przewiduje przyspieszenie wzajemnego obrotu gwiazd podwójnych na skutek utraty energii na skutek emisji fal grawitacyjnych, a efekt ten wiarygodnie rejestruje się w kilku znanych układach podwójnych obiektów zwartych (w w szczególności pulsary ze zwartymi towarzyszami). W 1993 roku „za odkrycie nowego typu pulsara, który zapewnił nowe możliwości w badaniu grawitacji” odkrywcom pierwszego podwójnego pulsara PSR B1913+16, Russellowi Hulse i Josephowi Taylorowi Jr. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Przyspieszenie rotacji obserwowane w tym układzie całkowicie pokrywa się z przewidywaniami ogólnej teorii względności dotyczącymi emisji fal grawitacyjnych. To samo zjawisko zarejestrowano w kilku innych przypadkach: dla pulsarów PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (zwykle w skrócie J0651) oraz układu podwójnego RX J0806. Na przykład odległość między dwoma składnikami A i B pierwszej gwiazdy podwójnej dwóch pulsarów PSR J0737-3039 zmniejsza się o około 2,5 cala (6,35 cm) dziennie z powodu utraty energii na rzecz fal grawitacyjnych, co jest zgodne z ogólna teoria względności. Wszystkie te dane interpretuje się jako pośrednie potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych.

Według szacunków najsilniejszym i najczęstszym źródłem fal grawitacyjnych dla teleskopów i anten grawitacyjnych są katastrofy związane z zapadnięciem się układów podwójnych w pobliskich galaktykach. Oczekuje się, że w najbliższej przyszłości na ulepszonych detektorach grawitacyjnych będzie rejestrowanych kilka podobnych zdarzeń rocznie, zniekształcając metrykę w okolicy o 10 −21 -10 −23 . Pierwsze obserwacje optyczno-metrycznego sygnału rezonansu parametrycznego, umożliwiającego wykrycie wpływu fal grawitacyjnych ze źródeł okresowych, takich jak bliski układ podwójny, na promieniowanie kosmicznych maserów, można było uzyskać w Obserwatorium Radioastronomicznym Rosji Akademia Nauk w Puszchino.

Inną możliwością wykrywania tła fal grawitacyjnych wypełniających Wszechświat jest bardzo precyzyjne mierzenie czasu odległych pulsarów – analiza czasu nadejścia ich impulsów, który charakterystycznie zmienia się pod wpływem fal grawitacyjnych przechodzących przez przestrzeń pomiędzy Ziemią a pulsarem. Szacunki na rok 2013 wskazują, że dokładność synchronizacji musi zostać poprawiona o około jeden rząd wielkości, aby wykryć fale tła z wielu źródeł w naszym Wszechświecie, a zadanie to można zrealizować przed końcem dekady.

Według współczesnych koncepcji nasz Wszechświat wypełniony jest reliktowymi falami grawitacyjnymi, które pojawiły się w pierwszych chwilach później. Ich rejestracja umożliwi uzyskanie informacji o procesach zachodzących na początku narodzin Wszechświata. 17 marca 2014 roku o godzinie 20:00 czasu moskiewskiego w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics amerykańska grupa badaczy pracujących nad projektem BICEP 2 ogłosiła wykrycie niezerowych zaburzeń tensorowych we wczesnym Wszechświecie w wyniku polaryzacji promieniowania kosmicznego mikrofalowe promieniowanie tła, co jest jednocześnie odkryciem tych reliktowych fal grawitacyjnych. Jednak niemal natychmiast wynik ten został zakwestionowany, ponieważ, jak się okazało, wkład nie został należycie uwzględniony. Jeden z autorów, J. M. Kovats ( Kovac J.M.), przyznał, że „uczestnicy i dziennikarze naukowi trochę pośpieszyli się z interpretacją i raportowaniem danych z eksperymentu BICEP2”.

Eksperymentalne potwierdzenie istnienia

Pierwszy zarejestrowany sygnał fali grawitacyjnej. Po lewej stronie dane z detektora w Hanford (H1), po prawej - w Livingston (L1). Czas liczony jest od 14 września 2015, 09:50:45 UTC. Aby zwizualizować sygnał, jest on filtrowany przez filtr częstotliwościowy o paśmie przepustowym 35-350 Hz, co pozwala tłumić duże wahania poza zakresem wysokiej czułości detektorów. Do tłumienia szumów samych instalacji zastosowano również filtry pasmowo-zaporowe. Górny rząd: napięcia h w czujkach. GW150914 po raz pierwszy dotarł do L1 i 6 9 +0 5 −0 4 ms później do H1; Dla porównania wizualnego dane z H1 pokazano na wykresie L1 w odwróconej i przesuniętej w czasie formie (w celu uwzględnienia względnej orientacji detektorów). Drugi rząd: napięcia h z sygnału fali grawitacyjnej, przepuszczane przez ten sam filtr środkowoprzepustowy 35-350 Hz. Linia ciągła to wynik numerycznej teorii względności dla układu o parametrach zgodnych z ustalonymi na podstawie badania sygnału GW150914, uzyskanego za pomocą dwóch niezależnych kodów z wynikiem zgodności 99,9. Szare, grube linie to obszary ufności 90% przebiegu zrekonstruowanego na podstawie danych z detektora dwiema różnymi metodami. Ciemnoszara linia modeluje oczekiwane sygnały z połączenia czarnych dziur, jasnoszara linia nie wykorzystuje modeli astrofizycznych, ale przedstawia sygnał jako liniową kombinację fal sinusoidalno-gaussowskich. Rekonstrukcje pokrywają się w 94%. Rząd trzeci: Błędy resztkowe po wyodrębnieniu przefiltrowanej predykcji sygnału numerycznej teorii względności z przefiltrowanego sygnału detektorów. Dolny rząd: Reprezentacja mapy częstotliwości napięć, pokazująca wzrost dominującej częstotliwości sygnału w czasie.

11 lutego 2016 r., dzięki współpracy LIGO i VIRGO. Sygnał połączenia dwóch czarnych dziur o maksymalnej amplitudzie około 10-21 został zarejestrowany 14 września 2015 r. o godzinie 9:51 UTC przez dwa detektory LIGO w Hanford i Livingston, oddalone od siebie o 7 milisekund, w obszarze maksymalnej amplitudy sygnału ( 0,2 sekundy) łącznie stosunek sygnału do szumu wyniósł 24:1. Sygnał oznaczono jako GW150914. Kształt sygnału odpowiada przewidywaniom ogólnej teorii względności dotyczącym połączenia dwóch czarnych dziur o masach 36 i 29 mas Słońca; powstała czarna dziura powinna mieć masę 62 mas Słońca i parametr rotacji A= 0,67. Odległość do źródła wynosi około 1,3 miliarda, energia wyemitowana w ciągu dziesiątych części sekundy podczas fuzji jest odpowiednikiem około 3 mas Słońca.

Historia

Historia samego terminu „fala grawitacyjna”, teoretyczne i eksperymentalne poszukiwania tych fal oraz ich wykorzystanie do badania zjawisk niedostępnych innymi metodami.

1900 - Lorentz zasugerował, że grawitacja „...może rozprzestrzeniać się z prędkością nie większą niż prędkość światła”;
1905 – Poincaré jako pierwszy wprowadził termin fala grawitacyjna (onde gravifique). Poincaré na poziomie jakościowym usunął ustalone zastrzeżenia Laplace'a i wykazał, że poprawki związane z falami grawitacyjnymi do ogólnie przyjętych Newtonowskich praw grawitacji porządku znoszą się, zatem założenie o istnieniu fal grawitacyjnych nie przeczy obserwacjom;
1916 - Einstein wykazał, że w ramach ogólnej teorii względności układ mechaniczny przekaże energię falom grawitacyjnym i, z grubsza mówiąc, każdy obrót względem gwiazd stałych musi prędzej czy później się zatrzymać, chociaż oczywiście w normalnych warunkach występują straty energii rzędu wielkości są znikome i praktycznie niemierzalne (w pracy tej błędnie sądził także, że układ mechaniczny stale zachowujący symetrię kulistą może emitować fale grawitacyjne);
1918 - Einsteina wyprowadził wzór kwadrupolowy, w którym emisja fal grawitacyjnych okazuje się efektem porządku, korygując w ten sposób błąd w swojej poprzedniej pracy (pozostał błąd we współczynniku, energia fali jest 2 razy mniejsza);
1923 – Eddington – kwestionował fizyczną rzeczywistość fal grawitacyjnych „...rozchodzących się… z prędkością myśli”. W 1934 roku, przygotowując rosyjskie tłumaczenie swojej monografii „Teoria względności”, Eddington dodał kilka rozdziałów, w tym rozdziały z dwiema opcjami obliczania strat energii przez obracający się pręt, zauważył jednak, że metody stosowane do przybliżonych obliczeń ogólnej teorii względności, jego zdaniem nie mają zastosowania do układów związanych grawitacyjnie, stąd wątpliwości pozostają;
1937 - Einstein wraz z Rosenem badali rozwiązania fal cylindrycznych do dokładnych równań pola grawitacyjnego. W trakcie tych badań zaczęto wątpić, czy fale grawitacyjne mogą być artefaktem przybliżonych rozwiązań równań ogólnej teorii względności (znana jest korespondencja dotycząca recenzji artykułu „Czy fale grawitacyjne istnieją?” Einsteina i Rosena). Później znalazł błąd w swoim rozumowaniu; ostateczna wersja artykułu z zasadniczymi zmianami została opublikowana w Journal of the Franklin Institute;
1957 - Herman Bondi i Richard Feynman zaproponowali eksperyment myślowy „trzcina z koralikami”, w którym udowodnili istnienie fizycznych konsekwencji fal grawitacyjnych w ogólnej teorii względności;
1962 - Władysław Pustowojt i Michaił Herzenstein opisali zasady stosowania interferometrów do wykrywania długofalowych fal grawitacyjnych;
1964 - Philip Peters i John Matthew teoretycznie opisali fale grawitacyjne emitowane przez układy podwójne;
1969 - Joseph Weber, twórca astronomii fal grawitacyjnych, donosi o wykryciu fal grawitacyjnych za pomocą detektora rezonansowego - mechanicznej anteny grawitacyjnej. Doniesienia te dają początek szybkiemu rozwojowi prac w tym kierunku, w szczególności Rainier Weiss, jeden z założycieli projektu LIGO, rozpoczął wówczas eksperymenty. Do chwili obecnej (2015 rok) nikomu nie udało się uzyskać wiarygodnego potwierdzenia tych wydarzeń;
1978 – Józef Taylor poinformował o wykryciu promieniowania grawitacyjnego w układzie podwójnym pulsarów PSR B1913+16. Badania Josepha Taylora i Russella Hulse przyniosły im w 1993 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Według stanu na początek 2015 r. dla co najmniej 8 takich układów zmierzono trzy parametry postkeplerowskie, w tym redukcję okresu w wyniku emisji fal grawitacyjnych;
2002 - Sergey Kopeikin i Edward Fomalont wykorzystali interferometrię fal radiowych o ultradługiej linii bazowej do pomiaru odchylenia światła w polu grawitacyjnym Jowisza w dynamice, co dla pewnej klasy hipotetycznych rozszerzeń ogólnej teorii względności pozwala oszacować prędkość grawitacja - różnica w stosunku do prędkości światła nie powinna przekraczać 20% (ta interpretacja nie jest powszechnie akceptowana);
2006 - międzynarodowy zespół Marthy Bourgay (Obserwatorium Parkes, Australia) zgłosił znacznie dokładniejsze potwierdzenie ogólnej teorii względności i jej zgodność z wielkością promieniowania fal grawitacyjnych w układzie dwóch pulsarów PSR J0737-3039A/B;
2014 - Astronomowie z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (BICEP) poinformowali o wykryciu pierwotnych fal grawitacyjnych podczas pomiaru fluktuacji kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. W chwili obecnej (2016) uważa się, że wykryte fluktuacje nie mają pochodzenia reliktowego, ale można je wytłumaczyć emisją pyłu w Galaktyce;
2016 - międzynarodowy zespół LIGO zgłosiło wykrycie zdarzenia związanego z przejściem fali grawitacyjnej GW150914. Po raz pierwszy bezpośrednia obserwacja oddziałujących ze sobą masywnych ciał w ultrasilnych polach grawitacyjnych o ultrawysokich prędkościach względnych (< 1,2 × R s , v/c >0,5), co umożliwiło sprawdzenie poprawności ogólnej teorii względności z dokładnością do kilku postnewtonowskich wyrazów wysokich rzędów. Zmierzone rozproszenie fal grawitacyjnych nie stoi w sprzeczności z wcześniej wykonanymi pomiarami rozproszenia i górnej granicy masy hipotetycznego grawitonu (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.

Wczoraj świat był zszokowany sensacją: naukowcy w końcu odkryli fale grawitacyjne, których istnienie przepowiadał Einstein sto lat temu. To przełom. Zakłócenie czasoprzestrzeni (są to fale grawitacyjne – teraz wyjaśnimy o co chodzi) odkryto w obserwatorium LIGO, a jednym z jego założycieli jest – jak myślicie? – Kip Thorne, autor książki.

Opowiadamy, dlaczego odkrycie fal grawitacyjnych jest tak ważne, co powiedział Mark Zuckerberg i oczywiście dzielimy się tą historią w pierwszej osobie. Kip Thorne jak nikt inny wie, jak działa projekt, co czyni go niezwykłym i jakie znaczenie ma LIGO dla ludzkości. Tak, tak, wszystko jest takie poważne.

Odkrycie fal grawitacyjnych

Świat naukowy na zawsze zapamięta datę 11 lutego 2016 r. Tego dnia uczestnicy projektu LIGO ogłosili: po wielu daremnych próbach odnaleziono fale grawitacyjne. To jest rzeczywistość. Tak naprawdę odkryto je nieco wcześniej: we wrześniu 2015 roku, ale wczoraj odkrycie zostało oficjalnie uznane. The Guardian wierzy, że naukowcy z pewnością otrzymają Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Przyczyną fal grawitacyjnych jest zderzenie dwóch czarnych dziur, które miało miejsce już... miliard lat świetlnych od Ziemi. Czy możesz sobie wyobrazić, jak ogromny jest nasz Wszechświat! Ponieważ czarne dziury są bardzo masywnymi ciałami, wysyłają zmarszczki w czasoprzestrzeni, lekko ją zniekształcając. Pojawiają się więc fale podobne do tych, które rozchodzą się od kamienia wrzuconego do wody.

Tak można sobie wyobrazić fale grawitacyjne docierające na Ziemię na przykład z tunelu czasoprzestrzennego. Rysunek z książki „Interstellar. Nauka za kulisami”

Powstałe wibracje zostały przekształcone w dźwięk. Co ciekawe, sygnał fal grawitacyjnych dociera z w przybliżeniu tą samą częstotliwością, co nasza mowa. Dzięki temu możemy na własne uszy usłyszeć, jak zderzają się czarne dziury. Posłuchaj, jak brzmią fale grawitacyjne.

I zgadnij co? Niedawno czarne dziury nie mają struktury, jak wcześniej sądzono. Ale nie było żadnych dowodów na to, że w zasadzie istnieją. A teraz jest. Czarne dziury naprawdę „żyją” we Wszechświecie.

Naukowcy uważają, że tak wygląda katastrofa – połączenie czarnych dziur.

11 lutego odbyła się wspaniała konferencja, w której wzięło udział ponad tysiąc naukowców z 15 krajów. Obecni byli także rosyjscy naukowcy. I oczywiście był Kip Thorne. „To odkrycie jest początkiem niesamowitych, wspaniałych poszukiwań ludzi: poszukiwania i eksploracji zakrzywionej strony Wszechświata – obiektów i zjawisk powstałych ze zniekształconej czasoprzestrzeni. Zderzenia czarnych dziur i fale grawitacyjne to nasze pierwsze niezwykłe przykłady” – powiedział Kip Thorne.

Poszukiwanie fal grawitacyjnych jest jednym z głównych problemów fizyki. Teraz je odnaleziono. Geniusz Einsteina został ponownie potwierdzony.

W październiku przeprowadziliśmy wywiad z Siergiejem Popowem, rosyjskim astrofizykiem i znanym popularyzatorem nauki. Wyglądał, jakby patrzył w wodę! Jesienią: „Wydaje mi się, że jesteśmy teraz u progu nowych odkryć, co wiąże się przede wszystkim z pracą detektorów fal grawitacyjnych LIGO i VIRGO (Kip Thorne wniósł duży wkład w powstanie projektu LIGO) .” Niesamowite, prawda?

Fale grawitacyjne, detektory fal i LIGO

Cóż, teraz trochę fizyki. Dla tych, którzy naprawdę chcą zrozumieć, czym są fale grawitacyjne. Tutaj obraz artystyczny Linie Tendex dwóch czarnych dziur, które krążą wokół siebie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, a następnie zderzają się. Linie Tendex generują grawitację pływową. Przejdźmy dalej. Linie, które wychodzą z dwóch najbardziej oddalonych od siebie punktów na powierzchni pary czarnych dziur, rozciągają wszystko na swojej drodze, łącznie z przyjacielem artysty na rysunku. Linie wychodzące z obszaru kolizji ściskają wszystko.

Gdy dziury obracają się wokół siebie, przenoszą wzdłuż swoich linii ścięgien, które przypominają strumienie wody z wirującego zraszacza na trawniku. Na zdjęciu z książki „Interstellar. Nauka za kulisami” – para zderzających się czarnych dziur, obracających się wokół siebie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, oraz ich linie ścięgien.

Czarne dziury łączą się w jedną duża dziura; jest zdeformowany i obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, ciągnąc za sobą linie ścięgien. Nieruchomy obserwator z dala od dziury odczuje wibracje, gdy linie ścięgien przechodzą przez niego: rozciąganie, potem ściskanie, wreszcie rozciąganie - linie ścięgien stały się falą grawitacyjną. W miarę rozprzestrzeniania się fal deformacja czarnej dziury stopniowo maleje, a fale również słabną.

Kiedy fale te docierają do Ziemi, wyglądają jak ta pokazana na górze poniższego rysunku. Rozciągają się w jednym kierunku i ściskają w drugim. Wydłużenia i skurcze zmieniają się (od czerwonego prawego lewego, niebieskiego prawego lewego, czerwonego prawego lewego itd.), gdy fale przechodzą przez detektor na dole figury.

Fale grawitacyjne przechodzące przez detektor LIGO.

Detektor składa się z czterech dużych luster (40 kilogramów i średnicy 34 centymetrów), które są przymocowane do końców dwóch prostopadłych rur, zwanych ramionami detektora. Linie Tendex fal grawitacyjnych rozciągają jedno ramię, ściskając drugie, a następnie odwrotnie, ściskają pierwsze i rozciągają drugie. I tak w kółko. Ponieważ długość ramion zmienia się okresowo, zwierciadła przesuwają się względem siebie, a przemieszczenia te są śledzone za pomocą wiązek laserowych w sposób zwany interferometrią. Stąd nazwa LIGO: Obserwatorium Fal Grawitacyjnych z Interferometrem Laserowym.

Centrum sterowania LIGO, skąd wysyłają polecenia do detektora i monitorują odbierane sygnały. Detektory grawitacyjne LIGO znajdują się w Hanford w stanie Waszyngton i Livingston w Luizjanie. Zdjęcie z książki „Interstellar. Nauka za kulisami”

Teraz LIGO to międzynarodowy projekt, w którym bierze udział 900 naukowców różne kraje z siedzibą w California Institute of Technology.

Zakrzywiona strona wszechświata

Czarne dziury, tunele czasoprzestrzenne, osobliwości, anomalie grawitacyjne i wymiary wyższego rzędu są powiązane z krzywiznami przestrzeni i czasu. Dlatego Kip Thorne nazywa je „pokręconą stroną wszechświata”. Ludzkość wciąż posiada bardzo mało danych eksperymentalnych i obserwacyjnych z zakrzywionej strony Wszechświata. Dlatego tak dużą wagę przywiązujemy do fal grawitacyjnych: składają się one z zakrzywionej przestrzeni i zapewniają nam najbardziej dostępny sposób badania zakrzywionej strony.

Wyobraź sobie, że widziałeś ocean tylko wtedy, gdy był spokojny. Nie miałbyś pojęcia o prądach, wirach i falach sztormowych. Przypomina to naszą obecną wiedzę o krzywiźnie przestrzeni i czasu.

Prawie nic nie wiemy o tym, jak zakrzywiona przestrzeń i zakrzywiony czas zachowują się „podczas burzy” – kiedy kształt przestrzeni ulega gwałtownym zmianom i kiedy zmienia się prędkość czasu. To niezwykle kusząca granica wiedzy. Naukowiec John Wheeler ukuł termin „geometrodynamika” dla określenia tych zmian.

Szczególnie interesujące w dziedzinie geometrii jest zderzenie dwóch czarnych dziur.

Zderzenie dwóch nierotujących czarnych dziur. Model z książki „Interstellar. Nauka za kulisami”

Powyższe zdjęcie pokazuje moment zderzenia dwóch czarnych dziur. Właśnie takie wydarzenie pozwoliło naukowcom zarejestrować fale grawitacyjne. Model ten jest zbudowany dla nierotujących czarnych dziur. U góry: orbity i cienie dziur widziane z naszego Wszechświata. Środek: zakrzywiona przestrzeń i czas widziane z masy (wielowymiarowa hiperprzestrzeń); Strzałki pokazują, jak przestrzeń jest zaangażowana w ruch, a zmieniające się kolory pokazują, jak zakrzywiony jest czas. U dołu: Kształt emitowanych fal grawitacyjnych.

Fale grawitacyjne z Wielkiego Wybuchu

Przejdźmy do Kipa Thorne’a. „W 1975 roku Leonid Grischuk, mój dobry znajomy z Rosji, wygłosił sensacyjną wypowiedź. Stwierdził, że w momencie Wielkiego Wybuchu powstało wiele fal grawitacyjnych, a mechanizm ich powstawania (wcześniej nieznany) był następujący: fluktuacje kwantowe (losowe wahania – przyp. red.) pola grawitacyjne podczas Wielkiego Wybuchu zostały znacznie wzmocnione przez początkową ekspansję Wszechświata i w ten sposób stały się pierwotnymi falami grawitacyjnymi. Fale te, jeśli zostaną wykryte, mogą nam powiedzieć, co wydarzyło się podczas narodzin naszego Wszechświata.”

Jeśli naukowcy odnajdą pierwotne fale grawitacyjne, dowiemy się, jak powstał Wszechświat.

Ludzie rozwiązali już wszystkie tajemnice Wszechświata. Jeszcze wiele przed nami.

W kolejnych latach, w miarę jak poprawiało się nasze zrozumienie Wielkiego Wybuchu, stało się oczywiste, że te pierwotne fale muszą być silne na długości fal proporcjonalnych do rozmiaru widzialnego Wszechświata, czyli na długości miliardów lat świetlnych. Czy możesz sobie wyobrazić, ile to jest?.. A przy długościach fal, które pokrywają detektory LIGO (setki i tysiące kilometrów), fale będą najprawdopodobniej zbyt słabe, aby je rozpoznać.

Zespół Jamiego Bocka zbudował aparat BICEP2, za pomocą którego odkryto ślad pierwotnych fal grawitacyjnych. Urządzenie znajdujące się na biegunie północnym pokazane jest tutaj podczas zmierzchu, który występuje tam tylko dwa razy w roku.

Urządzenie BICEP2. Zdjęcie z książki Interstellar. Nauka za kulisami”

Jest otoczony tarczami, które chronią urządzenie przed promieniowaniem z otaczającej pokrywy lodowej. Po prawej górny róg pokazuje ślad odkryty w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła - wzór polaryzacji. Kwestia pole elektryczne kierowane krótkimi, lekkimi pociągnięciami.

Ślad początku wszechświata

Na początku lat dziewięćdziesiątych kosmolodzy zdali sobie sprawę, że te fale grawitacyjne o długości miliardów lat świetlnych pozostawiły niepowtarzalny ślad na Ziemi. fale elektromagnetyczne wypełniającego Wszechświat – w tzw. kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, czyli kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła. To rozpoczęło poszukiwania Świętego Graala. Wszak jeśli wykryjemy ten ślad i wywnioskujemy z niego właściwości pierwotnych fal grawitacyjnych, możemy dowiedzieć się, jak narodził się Wszechświat.

W marcu 2014 roku, kiedy Kip Thorne pisał tę książkę, zespół Jamiego Boka, kosmologa z Caltech, którego biuro znajduje się obok biura Thorne'a, w końcu odkrył ten ślad w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła.

To absolutnie niesamowite odkrycie, ale jest jeden kontrowersyjny punkt: ślad znaleziony przez zespół Jamiego mógł być spowodowany czymś innym niż fale grawitacyjne.

Jeśli rzeczywiście odnaleziono ślad fal grawitacyjnych, które powstały podczas Wielkiego Wybuchu, oznacza to, że doszło do odkrycia kosmologicznego na poziomie, który zdarza się może raz na pół wieku. Daje szansę dotknięcia wydarzeń, które miały miejsce jedną bilionową bilionowej bilionowej sekundy po narodzinach Wszechświata.

Odkrycie to potwierdza teorie, że ekspansja Wszechświata w tamtym momencie była niezwykle szybka, w żargonie kosmologów – szybka inflacyjna. I zwiastuje nadejście nowej ery w kosmologii.

Fale grawitacyjne i międzygwiazdowe

Wczoraj na konferencji na temat odkrycia fal grawitacyjnych Walery Mitrofanow, szef moskiewskiej współpracy naukowców LIGO, w skład której wchodzi 8 naukowców z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, zauważył, że fabuła filmu „Interstellar”, choć fantastyczna, nie jest taka daleko od rzeczywistości. A wszystko dlatego, że konsultantem naukowym był Kip Thorne. Sam Thorne wyraził nadzieję, że wierzy w przyszłe załogowe loty do czarnej dziury. Być może nie nastąpią one tak szybko, jak byśmy tego chcieli, ale dziś jest to o wiele bardziej realne niż wcześniej.

Niedaleki jest dzień, w którym ludzie opuszczą granice naszej galaktyki.

To wydarzenie poruszyło umysły milionów ludzi. Osławiony Mark Zuckerberg napisał: „Odkrycie fal grawitacyjnych jest największym odkryciem współczesnej nauki. Albert Einstein jest jednym z moich bohaterów, dlatego tak osobiście przyjąłem to odkrycie. Sto lat temu w ramach Ogólnej Teorii Względności (GTR) przewidział istnienie fal grawitacyjnych. Są jednak tak małe, że można je wykryć, że zaczęto ich szukać w źródłach takich wydarzeń, jak Wielki Wybuch, eksplozje gwiazd i zderzenia czarnych dziur. Kiedy naukowcy analizują uzyskane dane, jest to idealne rozwiązanie nowy wygląd do kosmosu. Być może rzuci to światło na pochodzenie Wszechświata, narodziny i rozwój czarnych dziur. Bardzo inspirująca jest myśl o tym, ile istnień ludzkich i wysiłków włożono w odkrycie tej tajemnicy Wszechświata. Ten przełom stał się możliwy dzięki talentowi genialnych naukowców i inżynierów, ludzi różne narodowości, a także najnowsze technologie komputerowe, które pojawiły się dopiero niedawno. Gratulacje dla wszystkich zaangażowanych. Einstein byłby z ciebie dumny.”

To jest przemówienie. A to jest osoba, która po prostu interesuje się nauką. Można sobie wyobrazić, jaka burza emocji ogarnęła naukowców, którzy przyczynili się do odkrycia. Wydaje się, że jesteśmy świadkami nowej ery, przyjaciele. To jest niesamowite.

P.S. Podobało Ci się? Zapisz się do naszego newslettera na temat horyzontów. Raz w tygodniu wysyłamy listy edukacyjne i udzielamy rabatów na książki MIT.

W czwartek 11 lutego grupa naukowców z międzynarodowego projektu LIGO Scientific Collaboration ogłosiła, że udało się, którego istnienie przepowiedział Albert Einstein już w 1916 roku. Według naukowców 14 września 2015 roku zarejestrowali falę grawitacyjną, która powstała w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur o masach 29 i 36 mas Słońca, po czym połączyły się one w jedną dużą czarną dziurę. Według nich miało to miejsce rzekomo 1,3 miliarda lat temu w odległości 410 megaparseków od naszej galaktyki.

LIGA.net szczegółowo opowiedziała o falach grawitacyjnych i odkryciach na dużą skalę Bogdana Hnatyka, ukraiński naukowiec, astrofizyk, doktor nauk fizycznych i matematycznych, prezenter pracownik naukowy Obserwatorium Astronomiczne w Kijowie uniwersytet narodowy nazwany na cześć Tarasa Szewczenki, który kierował obserwatorium w latach 2001–2004.

Teoria w prostym języku

Fizyka bada wzajemne oddziaływanie ciał. Ustalono, że istnieją cztery rodzaje interakcji między ciałami: oddziaływanie elektromagnetyczne, silne i słabe oddziaływanie jądrowe oraz oddziaływanie grawitacyjne, które wszyscy odczuwamy. W wyniku oddziaływania grawitacyjnego planety krążą wokół Słońca, ciała mają ciężar i spadają na ziemię. Człowiek nieustannie styka się z oddziaływaniem grawitacyjnym.

W 1916 roku, 100 lat temu, Albert Einstein zbudował teorię grawitacji, która ulepszyła teorię grawitacji Newtona, uczyniła ją matematycznie poprawną: zaczęła spełniać wszystkie wymagania fizyki i zaczęła uwzględniać fakt, że grawitacja rozchodzi się z bardzo dużą prędkością. wysoka, ale skończona prędkość. Jest to słusznie jedno z największych osiągnięć Einsteina, ponieważ zbudował teorię grawitacji, która odpowiada wszystkim zjawiskom fizycznym, które obserwujemy dzisiaj.

Teoria ta również sugerowała istnienie fale grawitacyjne. Podstawą tego przewidywania było to, że fale grawitacyjne istnieją w wyniku oddziaływania grawitacyjnego, które zachodzi w wyniku połączenia dwóch masywnych ciał.

Co to jest fala grawitacyjna

Trudny język jest to wzbudzenie metryki czasoprzestrzennej. „Powiedzmy, że przestrzeń ma pewną elastyczność i fale mogą przez nią przepływać. To jakby wrzucić kamyk do wody i fale się z niego rozchodzą” – powiedział LIGA.net doktor nauk fizycznych i matematycznych.

Naukowcom udało się eksperymentalnie udowodnić, że podobne oscylacje miały miejsce we Wszechświecie, a fala grawitacyjna rozchodziła się we wszystkich kierunkach. „Astrofizycznie po raz pierwszy zarejestrowano zjawisko tak katastrofalnej ewolucji układu podwójnego, kiedy dwa obiekty łączą się w jeden, a to połączenie prowadzi do bardzo intensywnego uwolnienia energii grawitacyjnej, która następnie rozprzestrzenia się w przestrzeni w postaci fal grawitacyjnych” – wyjaśnił naukowiec.

Jak to wygląda (zdjęcie - EPA)

Te fale grawitacyjne są bardzo słabe i aby mogły wstrząsnąć czasoprzestrzenią, konieczne jest oddziaływanie bardzo dużych i masywnych ciał, aby natężenie pola grawitacyjnego w miejscu ich powstania było wysokie. Jednak pomimo ich słabości obserwator po pewnym czasie (równym odległości do oddziaływania podzielonej przez prędkość sygnału) zarejestruje tę falę grawitacyjną.

Podajmy przykład: gdyby Ziemia spadła na Słońce, wówczas nastąpiłoby oddziaływanie grawitacyjne: wyzwoliłaby się energia grawitacyjna, powstałaby fala grawitacyjna o sferycznej symetrii, którą obserwator mógłby zarejestrować. „Podobne, choć wyjątkowe z punktu widzenia astrofizyki, zjawisko miało miejsce tutaj: zderzyły się dwa masywne ciała – dwie czarne dziury” – zauważył Gnatyk.

Wróćmy do teorii

Czarna dziura to kolejna przepowiednia ogólnej teorii względności Einsteina, która przewiduje, że ciało posiadające ogromną masę, ale masa ta skupiona w małej objętości, jest w stanie znacząco zniekształcić otaczającą ją przestrzeń, aż do jej zamknięcia. Oznacza to, że założono, że gdy osiągnięte zostanie krytyczne stężenie masy tego ciała - takie, że wielkość ciała będzie mniejsza niż tzw. promień grawitacyjny, wówczas przestrzeń wokół tego ciała zostanie zamknięta, a jej topologia będzie taki, że żaden sygnał z niego nie przedostanie się poza zamkniętą przestrzeń.

„To znaczy czarna dziura, w prostych słowach, to masywny obiekt, który jest tak ciężki, że zamyka wokół siebie czasoprzestrzeń” – mówi naukowiec.

A my według niego możemy wysyłać do tego obiektu dowolne sygnały, ale on nie może ich wysyłać do nas. Oznacza to, że żaden sygnał nie może wydostać się poza czarną dziurę.

Czarna dziura żyje według zwykłych praw fizycznych, ale w wyniku silnej grawitacji ani jedno ciało materialne, ani nawet foton nie jest w stanie wyjść poza tę krytyczną powierzchnię. Czarne dziury powstają podczas ewolucji zwykłych gwiazd, kiedy centralny rdzeń zapada się i część materii gwiazdy, zapadając się, zamienia się w czarną dziurę, a druga część gwiazdy zostaje wyrzucona w postaci powłoki supernowej, zamieniając się w tak zwany „wybuch” supernowej.

Jak widzieliśmy falę grawitacyjną

Podajmy przykład. Gdy na powierzchni wody mamy dwa pływaki i woda jest spokojna, odległość między nimi jest stała. Kiedy nadejdzie fala, przemieszcza te pływaki, a odległość między pływakami ulegnie zmianie. Fala minęła - pływaki wracają do poprzednich pozycji, a odległość między nimi zostaje przywrócona.

Fala grawitacyjna rozchodzi się w czasoprzestrzeni w podobny sposób: ściska i rozciąga ciała i obiekty, które spotykają się na swojej drodze. „Kiedy jakiś obiekt napotyka się na drodze fali, ulega on deformacji wzdłuż swoich osi, a po przejściu wraca do poprzedniego kształtu. Pod wpływem fali grawitacyjnej wszystkie ciała ulegają deformacji, ale te deformacje są bardzo duże nieistotne” – mówi Gnatyk.

Kiedy zarejestrowana przez naukowców fala minęła, względny rozmiar ciał w przestrzeni zmienił się o wielkość rzędu 1 razy 10 do potęgi minus 21. Na przykład, jeśli weźmiesz linijkę metra, skurczy się ona o wielkość stanowiącą jej rozmiar pomnożony przez 10 do minus 21. potęgi. Jest to bardzo mała ilość. Problem polegał na tym, że naukowcy musieli nauczyć się mierzyć tę odległość. Konwencjonalne metody dawały dokładność rzędu 1 na 10 do 9 potęgi milionów, jednak tutaj potrzebna była znacznie większa dokładność. W tym celu stworzono tzw. anteny grawitacyjne (detektory fal grawitacyjnych).

Obserwatorium LIGO (zdjęcie – EPA)

Antena rejestrująca fale grawitacyjne zbudowana jest w ten sposób: to dwie rury o długości około 4 kilometrów, ułożone w kształcie litery „L”, ale z tymi samymi ramionami i pod kątem prostym. Kiedy fala grawitacyjna uderza w układ, odkształca skrzydełka anteny, ale w zależności od ich orientacji odkształca jedno bardziej, a drugie mniej. A potem pojawia się różnica ścieżek, zmienia się wzór interferencji sygnału - pojawia się całkowita dodatnia lub ujemna amplituda.

„Oznacza to, że przejście fali grawitacyjnej jest podobne do fali na wodzie przechodzącej między dwoma pływakami: gdybyśmy zmierzyli odległość między nimi w trakcie i po przejściu fali, zobaczylibyśmy, że odległość się zmieni, a następnie stanie się znowu to samo” – powiedział Gnatyk.

Tutaj mierzona jest względna zmiana odległości dwóch skrzydeł interferometru, z których każde ma około 4 kilometry długości. I tylko bardzo precyzyjne technologie i systemy są w stanie zmierzyć takie mikroskopijne przemieszczenie skrzydeł wywołane falą grawitacyjną.

Na krańcu Wszechświata: skąd wzięła się fala?

Naukowcy zarejestrowali sygnał za pomocą dwóch detektorów, które znajdują się w dwóch stanach USA: Luizjanie i Waszyngtonie, w odległości około 3 tysięcy kilometrów. Naukowcom udało się oszacować, skąd i z jakiej odległości pochodził ten sygnał. Szacunki pokazują, że sygnał pochodził z odległości 410 megaparseków. Megaparsek to odległość, jaką światło pokonuje w ciągu trzech milionów lat.

Żeby było łatwiej to sobie wyobrazić: najbliższą nam aktywną galaktyką z supermasywną czarną dziurą w centrum jest Centaurus A, która znajduje się w odległości czterech megaparseków od naszej, natomiast Mgławica Andromeda znajduje się w odległości 0,7 megaparseka. „Oznacza to, że odległość, z której przyszedł sygnał fali grawitacyjnej, jest tak duża, że sygnał podróżował do Ziemi przez około 1,3 miliarda lat. Są to odległości kosmologiczne sięgające około 10% horyzontu naszego Wszechświata” – stwierdził naukowiec.

W tej odległości, w jakiejś odległej galaktyce, połączyły się dwie czarne dziury. Dziury te z jednej strony miały stosunkowo niewielkie rozmiary, z drugiej zaś duża amplituda sygnału świadczy o tym, że były bardzo ciężkie. Ustalono, że ich masy wynosiły odpowiednio 36 i 29 mas Słońca. Jak wiadomo, masa Słońca jest równa 2 razy 10 do 30. potęgi kilograma. Po połączeniu te dwa ciała połączyły się i obecnie na ich miejscu powstała pojedyncza czarna dziura o masie równej 62 masom Słońca. W tym samym czasie około trzy masy Słońca wytrysnęły w postaci energii fal grawitacyjnych.

Kto i kiedy dokonał odkrycia

Naukowcom z międzynarodowego projektu LIGO udało się wykryć falę grawitacyjną 14 września 2015 roku. LIGO (Obserwatorium Grawitacyjne Interferometrii Laserowej) to projekt międzynarodowy, w którym bierze udział szereg państw wnoszących pewien wkład finansowy i naukowy, w szczególności USA, Włochy, Japonia, które są zaawansowane w dziedzinie tych badań.

Profesorowie Rainer Weiss i Kip Thorne (zdjęcie – EPA)

Zarejestrowano następujący obraz: skrzydełka detektora grawitacyjnego przesunęły się w wyniku faktycznego przejścia fali grawitacyjnej przez naszą planetę i przez tę instalację. Nie zgłoszono tego wtedy, bo sygnał trzeba było przetworzyć, „oczyścić”, znaleźć i sprawdzić jego amplitudę. Ten standardowa procedura: Od faktycznego otwarcia do ogłoszenia otwarcia mija kilka miesięcy, aby móc wydać uzasadnione oświadczenie. „Nikt nie chce psuć swojej reputacji. To wszystko tajne dane, przed publikacją nikt o nich nie wiedział, krążyły tylko plotki” – zauważył Hnatyk.

Historia

Badania fal grawitacyjnych prowadzone są od lat 70. ubiegłego wieku. W tym czasie stworzono szereg detektorów i przeprowadzono szereg badań podstawowych. W latach 80-tych amerykański naukowiec Joseph Weber zbudował pierwszą antenę grawitacyjną w postaci aluminiowego cylindra o wielkości około kilku metrów, wyposażonego w czujniki piezoelektryczne, które miały rejestrować przejście fali grawitacyjnej.

Czułość tego urządzenia była milion razy gorsza niż detektorów prądowych. I oczywiście nie mógł wtedy faktycznie wykryć fali, chociaż Weber oświadczył, że to zrobił: pisała o tym prasa i nastąpił „boom grawitacyjny” - na całym świecie natychmiast zbudowano anteny grawitacyjne. Weber zachęcał innych naukowców do badania fal grawitacyjnych i kontynuowania eksperymentów nad tym zjawiskiem, co pozwoliło milion razy zwiększyć czułość detektorów.

Jednak samo zjawisko fal grawitacyjnych zostało zarejestrowane w ubiegłym stuleciu, kiedy naukowcy odkryli podwójny pulsar. Był to pośredni zapis faktu istnienia fal grawitacyjnych, potwierdzony obserwacjami astronomicznymi. Pulsar odkryli Russell Hulse i Joseph Taylor w 1974 roku podczas obserwacji za pomocą radioteleskopu Obserwatorium Arecibo. Naukowcy zostali nagrodzeni Nagroda Nobla w 1993 r. „za odkrycie nowego typu pulsarów, które zapewniły nowe możliwości w badaniu grawitacji”.

Badania na świecie i Ukrainie

We Włoszech podobny projekt o nazwie Virgo jest już na ukończeniu. Podobny detektor zamierza za rok wystrzelić także Japonia, taki eksperyment przygotowują także Indie. Oznacza to, że podobne detektory istnieją w wielu częściach świata, ale nie osiągnęły jeszcze trybu czułości, abyśmy mogli mówić o wykrywaniu fal grawitacyjnych.

„Oficjalnie Ukraina nie jest uwzględniona w LIGO, a także nie uczestniczy we włoskiej i Projekty japońskie. Wśród takich fundamentalnych obszarów Ukraina uczestniczy obecnie w projekcie LHC (Large Hadron Collider) oraz w CERN (oficjalnie zostaniemy uczestnikiem dopiero po opłaceniu wpisowego)” – powiedział LIGA.net doktor nauk fizycznych i matematycznych Bohdan Hnatyk.

Według niego od 2015 roku Ukraina jest pełnoprawnym członkiem międzynarodowej współpracy CTA (Cerenkov Telescope Array), która buduje nowoczesny multiteleskop TeV długi zakres gamma (z energiami fotonów do 1014 eV). „Głównymi źródłami takich fotonów są właśnie okolice supermasywnych czarnych dziur, których promieniowanie grawitacyjne jako pierwszy zarejestrował detektor LIGO. Dlatego otwierają się nowe okna w astronomii – fale grawitacyjne i multi TeV„Technologia elektromagnetyczna nogo obiecuje nam w przyszłości znacznie więcej odkryć” – dodaje naukowiec.

Co dalej i jak nowa wiedza pomoże ludziom? Naukowcy się z tym nie zgadzają. Niektórzy twierdzą, że to dopiero kolejny krok w zrozumieniu mechanizmów Wszechświata. Inni postrzegają to jako pierwszy krok w kierunku nowych technologii umożliwiających przemieszczanie się w czasie i przestrzeni. Tak czy inaczej, to odkrycie po raz kolejny pokazało, jak mało rozumiemy i jak wiele pozostaje do nauczenia się.

Walentin Nikołajewicz Rudenko dzieli się historią swojej wizyty w mieście Cascina (Włochy), gdzie spędził tydzień na nowo zbudowanej wówczas „antenie grawitacyjnej” – interferometrze optycznym Michelsona. W drodze do celu taksówkarz pyta, po co zbudowano instalację. „Ludzie myślą, że chodzi o rozmowę z Bogiem” – przyznaje kierowca.

– Czym są fale grawitacyjne?

– Fala grawitacyjna jest jednym z „nośników informacji astrofizycznej”. Istnieją widoczne kanały informacji astrofizycznej; szczególną rolę w „widzeniu na odległość” odgrywają teleskopy. Astronomowie opanowali także kanały o niskiej częstotliwości – mikrofalowe i podczerwone oraz kanały o wysokiej częstotliwości – rentgenowskie i gamma. Z wyjątkiem promieniowanie elektromagnetyczne, możemy rejestrować strumienie cząstek z kosmosu. W tym celu wykorzystuje się teleskopy neutrinowe – wielkogabarytowe detektory neutrin kosmicznych – cząstek, które słabo oddziałują z materią i dlatego są trudne do zarejestrowania. Prawie wszystkie teoretycznie przewidywane i badane laboratoryjnie typy „nośników informacji astrofizycznej” zostały niezawodnie opanowane w praktyce. Wyjątkiem była grawitacja – najsłabsza interakcja w mikrokosmosie i najpotężniejsza siła w makrokosmosie.

Grawitacja to geometria. Fale grawitacyjne to fale geometryczne, to znaczy fale, które zmieniają geometryczne właściwości przestrzeni, gdy przechodzą przez nią. Z grubsza mówiąc, są to fale deformujące przestrzeń. Odkształcenie to względna zmiana odległości między dwoma punktami. Promieniowanie grawitacyjne różni się od wszystkich innych rodzajów promieniowania właśnie tym, że jest geometryczne.

– Czy Einstein przewidział fale grawitacyjne?

– Formalnie uważa się, że fale grawitacyjne zostały przewidziane przez Einsteina jako jedna z konsekwencji jego ogólnej teorii względności, jednak w rzeczywistości ich istnienie staje się oczywiste już w szczególnej teorii względności.

Teoria względności sugeruje, że w wyniku przyciągania grawitacyjnego możliwe jest zapadnięcie się grawitacyjne, czyli skurczenie się obiektu w wyniku zapadnięcia się, z grubsza, do pewnego punktu. Grawitacja jest wówczas tak silna, że nawet światło nie może z niej uciec, dlatego taki obiekt w przenośni nazywany jest czarną dziurą.

– Jaka jest osobliwość oddziaływania grawitacyjnego?

Cechą oddziaływania grawitacyjnego jest zasada równoważności. Zgodnie z nią odpowiedź dynamiczna ciała badawczego w polu grawitacyjnym nie zależy od masy tego ciała. Krótko mówiąc, wszystkie ciała spadają z tym samym przyspieszeniem.

Oddziaływanie grawitacyjne jest najsłabszym, jakie znamy dzisiaj.

– Kto jako pierwszy próbował złapać falę grawitacyjną?

– Eksperyment z falą grawitacyjną jako pierwszy przeprowadził Joseph Weber z Uniwersytetu Maryland (USA). Stworzył detektor grawitacyjny, który obecnie znajduje się w Smithsonian Museum w Waszyngtonie. W latach 1968-1972 Joe Weber przeprowadził serię obserwacji na parze przestrzennie oddzielonych detektorów, próbując wyizolować przypadki „zbiegów okoliczności”. Technika koincydencji została zapożyczona z fizyki jądrowej. Niska istotność statystyczna sygnałów grawitacyjnych uzyskanych przez Webera spowodowała krytyczne podejście do wyników eksperymentu: nie było pewności, że fale grawitacyjne zostały wykryte. Następnie naukowcy próbowali zwiększyć czułość detektorów typu Webera. Opracowanie detektora o czułości adekwatnej do prognoz astrofizycznych zajęło 45 lat.

Na początku eksperymentu przeprowadzono wiele innych eksperymentów, zanim zarejestrowano impulsy w tym okresie, ale ich intensywność była zbyt mała.

– Dlaczego nie ogłoszono od razu utrwalenia sygnału?

– Fale grawitacyjne zarejestrowano już we wrześniu 2015 roku. Ale nawet jeśli odnotowano zbieg okoliczności, przed ogłoszeniem go należy udowodnić, że nie jest to przypadek. Sygnał pobierany z dowolnej anteny zawsze zawiera impulsy szumowe (krótkoterminowe), a jeden z nich może przypadkowo wystąpić jednocześnie z impulsem szumowym na innej antenie. Tylko za pomocą szacunków statystycznych można wykazać, że zbieg okoliczności nie był przypadkowy.

– Dlaczego odkrycia w zakresie fal grawitacyjnych są tak ważne?

– Możliwość rejestracji reliktowego tła grawitacyjnego i pomiaru jego cech, takich jak gęstość, temperatura itp., pozwala nam zbliżyć się do początków wszechświata.

Atrakcyjne jest to, że promieniowanie grawitacyjne jest trudne do wykrycia, ponieważ bardzo słabo oddziałuje z materią. Ale dzięki tej samej właściwości przechodzi bez absorpcji od obiektów najbardziej od nas oddalonych o najbardziej tajemniczych z punktu widzenia materii właściwości.

Można powiedzieć, że promieniowanie grawitacyjne przechodzi bez zniekształceń. Najbardziej ambitnym celem jest zbadanie promieniowania grawitacyjnego oddzielonego od pierwotnej materii w Teorii Wielkiego Wybuchu, która powstała przy stworzeniu Wszechświata.

– Czy odkrycie fal grawitacyjnych wyklucza teorię kwantową?

Teoria grawitacji zakłada istnienie kolapsu grawitacyjnego, czyli kurczenia się masywnych obiektów do pewnego punktu. Jednocześnie teoria kwantowa opracowana przez Szkołę Kopenhaską sugeruje, że dzięki zasadzie nieoznaczoności nie jest możliwe jednoczesne wskazanie dokładnie takich parametrów, jak współrzędna, prędkość i pęd ciała. Obowiązuje tu zasada nieoznaczoności, nie da się wyznaczyć dokładnej trajektorii, bo trajektoria to zarówno współrzędna, jak i prędkość itp. Wyznaczenie pewnego warunkowego korytarza ufności jest możliwe jedynie w granicach tego błędu, który jest z tym związany z zasadami niepewności. Teoria kwantowa kategorycznie zaprzecza możliwości obiektów punktowych, ale opisuje je w sposób statystycznie probabilistyczny: nie wskazuje konkretnie współrzędnych, ale wskazuje prawdopodobieństwo, że ma określone współrzędne.

Kwestia ujednolicenia teorii kwantowej i teorii grawitacji jest jednym z podstawowych zagadnień tworzenia jednolitej teorii pola.

Obecnie nadal nad tym pracują, a słowa „grawitacja kwantowa” oznaczają całkowicie zaawansowany obszar nauki, granicę wiedzy i ignorancji, nad którym pracują obecnie wszyscy teoretycy na świecie.

– Co odkrycie może przynieść w przyszłości?

Fale grawitacyjne muszą nieuchronnie znajdować się w fundamencie współczesna nauka jako jeden ze składników naszej wiedzy. Odgrywają one znaczącą rolę w ewolucji Wszechświata i za ich pomocą należy badać Wszechświat. Odkrycie promuje ogólny rozwój nauka i kultura.

Jeśli zdecydujesz się wyjść poza zakres dzisiejszej nauki, wówczas dopuszczalne jest wyobrażenie sobie grawitacyjnych linii telekomunikacyjnych, urządzeń odrzutowych wykorzystujących promieniowanie grawitacyjne, urządzeń do introskopii fal grawitacyjnych.

– Czy fale grawitacyjne mają coś wspólnego z percepcją pozazmysłową i telepatią?

Oni nie. Opisane efekty są efektami świata kwantowego, efektami optyki.

Wywiad przeprowadziła Anna Utkina