Гравітаційні хвилі – відкриті! Суть гравітаційних хвиль простими словами.

Тепер ми живемо у Всесвіті заповненим гравітаційними хвилями.

До історичної заяви в четвер вранці від Національного Наукового Фонду (ННФ), яка проводила зустріч у Вашингтоні, були лише чутки, що Лазерна Інтерферометрична Гравітаційно-хвильова Обсерваторія (ЛІГО) відкрила ключовий компонент Загальної Теорії Відносності Альберта Ейнштейна, що ми думали.

З дивовижною чіткістю, ЛІГО змогли «почути» момент перед злиттям бінарної системи (дві чорні діри, що обертаються одна навколо одної) в єдине ціле, створивши настільки чіткий гравітаційно-хвильовий сигнал відповідно до теоретичної моделі, яка не вимагала обговорення. ЛІГО стала свідком «переродження» потужної чорної діри, що трапилася близько 1,3 мільярда років тому.

Гравітаційні хвилізавжди були і завжди будуть, проходячи через нашу планету (справді, проходячи через нас), але тільки тепер ми знаємо, як їх шукати. Тепер ми розплющили очі на різні космічні сигнали, вібрації, викликані відомими енергетичними подіями, і спостерігаємо народження зовсім нової галузі астрономії.

Звук злиття двох чорних дірок:

"Тепер ми можемо чути Всесвіт", - сказала Габріела Гонсалес, фізик і представник ЛІГО, Під час тріумфального засідання у четвер. - "Виявлення започаткувало початок нової ери: Область гравітаційної астрономії тепер реальність»

Наше місце у Всесвіті сильно змінюється і це відкриття може бути основним, як відкриття радіохвиль та розуміння того, що Всесвіт розширюється.

Теорія Відносності стає більш обґрунтованою

Спроби пояснити, що таке гравітаційні хвилі і чому вони такі важливі, настільки ж складні, як рівняння, що їх описують, але їх виявлення не тільки зміцнює теорії Ейнштейна про природу простору-часу, тепер у нас є інструмент для зондування частини Всесвіту, який був невидимий для нас. Тепер ми можемо вивчати космічні хвилі, створені найенергійнішими подіями, що відбуваються у Всесвіті, і, можливо, використовувати гравітаційні хвилі для нових фізичних відкриттів та досліджувати нові астрономічні явища.

"Тепер ми повинні довести, що маємо технології, щоб піти далі відкриття гравітаційних хвиль, адже це відкриває перед нами багато можливостей", - сказав Льюїс Ленер з Інституту Теоретичної Фізики в Онтаріо, в інтерв'ю після заяви в четвер.

Дослідження Ленера сфокусовані на щільних об'єктах (таких як чорні дірки), що утворюють потужні гравітаційні хвилі. Хоча він не пов'язаний із співпрацею ЛІГО, Ленер швидко усвідомив усю важливість цього історичного відкриття. "Не існує сигналів краще", - сказав він.

Відкриття ґрунтується на трьох шляхах, розмірковує він. По-перше, тепер ми знаємо, що гравітаційні хвилі є, і ми знаємо, як їх виявити. По-друге, сигнал виявлений станціями ЛІГО 14 вересня 2015 року, є сильним свідченням існування бінарної системи чорних дірок, і кожна чорна діра важить кілька десятків мас сонця. Сигнал, це саме те, що ми очікували побачити в результаті жорсткого злиття двох чорних дірок, одна важить у 29 разів більше за Сонце, а інша в 36 разів. По-третє, і, можливо, найважливіше, «можливість відправлення в чорну дірку», це безперечно сильний доказ існування чорних дірок.

Космічна інтуїція

Цій події супроводжував успіх, як і багатьом іншим науковим відкриттям. ЛІГО є найбільшим проектом, що фінансується Національним Науковим Фондом, який стартував спочатку у 2002 році. Виявилося, що після багатьох років пошуку невловимого сигналу гравітаційних хвиль, ЛІГО недостатньо чутливий і в 2010 році обсерваторії заморозили на час робіт міжнародного співробітництва зі збільшення їх чутливості. Через п'ять років, у вересні 2015, народилася «покращена ЛІГО».

У той час, співзасновник ЛІГО та важкоатлет у теоретичній фізиці Кіп Торн був впевнений в успіху ЛІГО, сказавши BBC: «Ми тут. Ми потрапили на поле великої гри. І цілком ясно, що ми відкриємо завісу таємниці». - І мав рацію, через кілька днів після реконструкції, сплеск гравітаційних хвиль прокотився нашою планетою, і ЛІГО було досить чутливим, щоб їх виявити.

Ці злиття чорних дірок не вважаються чимось особливим; за приблизними підрахунками такі події відбуваються кожні 15 хвилин десь у Всесвіті. Але саме це злиття відбулося в потрібному місці(на відстані 1,3 мільярда світлових років) потрібний час(1,3 мільярда років тому) для уловлювання його сигналу обсерваторіями ЛІГО. Це був чистий сигнал із Всесвіту, і Ейнштейн його передбачив, а його гравітаційні хвилі виявилися реальними, описавши космічну подію, в 50 разів потужнішу за потужність усіх зірок у Всесвіті разом узятих. Цей величезний вибух гравітаційних хвиль був записаний ЛІГО, як високочастотний сигнал з лінійною частотною модуляцією, тоді як чорні дірки, рухаючись по спіралі, злилися в одне ціле.

Для підтвердження поширення гравітаційних хвиль, ЛІГО складається з двох спостережних станцій, одна в Луїзіані, інша у Вашингтоні. Щоб унеможливити помилкові спрацьовування, гравітаційно-хвильовий сигнал повинен бути виявлений на обох станціях. 14 вересня результат було отримано спочатку у Луїзіані, а через 7 мілісекунд у Вашингтоні. Сигнали збіглися, а за допомогою тріангуляції фізики змогли дізнатися, що вони виникли в небесному просторі Південної Півкулі.

Гравітаційні хвилі: чим вони можуть бути корисними?

Отже, ми маємо підтвердження сигналу злиття чорних дірок, і що з того? Це історичне відкриттяЩо цілком зрозуміло - 100 років тому Ейнштейн не міг і мріяти про виявлення цих хвиль, але це все-таки трапилося.

Загальна теорія відносності була одним із найглибших наукових та філософських усвідомлень 20-го століття і становить основу найінтелектуальніших досліджень у реальності. В астрономії застосування загальної теорії відносності зрозумілі: від гравітаційної лінзи до виміру розширення Всесвіту. Але зовсім не ясно практичне застосуваннятеорій Ейнштейна, але більшість сучасних технологійвикористовують уроки з теорії відносності у деяких речах, які вважаються простими. Наприклад, візьмемо супутники глобальної навігації, вони будуть досить точними, а то й застосовувати просте коригування уповільнення часу (передбаченого теорією відносності).

Цілком ясно, що у загальної теорії відносності є застосування в реальному світіАле коли Ейнштейн представив свою теорію в 1916 році, її застосування було дуже сумнівним, що здавалося очевидним. Він просто з'єднував Всесвіт, в таку, якою він її бачив, так і народилася загальна теорія відносності. А зараз доведено ще один компонент теорії відносності, але як можуть бути використані гравітаційні хвилі? Астрофізики та космологи безперечно заінтриговані.

"Після того, як ми зібрали дані від пар чорних дірок, які будуть грати роль маяків, розкиданих по Всесвіту", - сказав фізик-теоретик Неїл Турок, директор Інституту Теоретичної Фізики в четвер під час відео-презентації. - "Ми зможемо виміряти швидкість розширення Всесвіту, або кількість темної енергії з надзвичайною точністю, набагато точніша, ніж ми можемо сьогодні».

«Ейнштейн розробив свою теорію з деякими підказками природи, але на основі логічної послідовності. Через 100 років ви бачите дуже точні підтвердження його прогнозів».

Понад те, подія 14 вересня має деякі особливості фізики, які ще треба буде досліджувати. Наприклад, Ленер зауважив, що з аналізу сигналу гравітаційної хвилі можна виміряти «обертання» або кутовий момент злиття чорної діри. "Якщо ви довго працювали над теорією, то повинні знати, що у чорної дірки дуже, дуже особливе обертання", - сказав він.

Утворення гравітаційних хвиль при злитті двох чорних дірок:

З якоїсь причини, кінцеве обертання чорної діри повільніше, ніж очікується, вказуючи на те, що чорні діри стикаються на низькій швидкості, або вони були в такому зіткненні, яке викликало спільний кутовий момент, що протидіє один одному. "Це дуже цікаво, чому природа це зробила?", - сказав Ленер.

Ця недавня загадка може повернути до деяких основ фізики, які не були враховані, але, що більш інтригуюче, може виявити «нову», незвичайну фізику, яка не вкладається в загальну теорію відносності. І це виявляє інші застосування гравітаційних хвиль: оскільки вони створюються сильними гравітаційними явищами, ми маємо можливість зондувати це середовище здалеку, з можливими сюрпризами на шляху. Крім того, ми могли б об'єднати спостереження астрофізичних явищ з електромагнітними силами, щоб більше зрозуміти будову Всесвіту.

Застосування?

Звичайно, після величезних оголошень, зроблених з комплексу наукових відкриттів, багато людей, що не входять до наукової спільноти, цікавляться, як вони можуть вплинути на них. Глибина відкриття може загубитися, що, безумовно, стосується гравітаційних хвиль. Але розглянемо інший випадок, коли Вільгельм Рентген у 1895 році виявив рентгенівські промені, під час дослідів з електронно-променевими трубками, мало хто знає, що лише через кілька років ці електромагнітні хвилі стануть ключовим компонентом у повсякденній медицині від постановки діагнозу до лікування. Аналогічно, першим експериментальним створенням радіохвиль у 1887 році Генріх Герц підтвердив відомі електромагнітні рівняння Джеймса Клерка Максвелла. Тільки через час у 90-х роках 20-го століття, Гульєльмо Марконі, який створив радіопередавач та радіоприймач, довів їхнє практичне застосування. Також, рівняння Шредінгера, що описують складний світквантової динаміки знаходять застосування зараз у створенні надшвидких квантових обчислень.

Всі наукові відкриття корисні, і багато хто, зрештою, має повсякденне застосування, яке ми сприймаємо як належне. В даний час практичне застосування гравітаційних хвиль обмежується астрофізикою і космологією - тепер у нас є вікно в темному Всесвіті, не видимої електромагнітного випромінювання. Без сумніву, вчені та інженери знайдуть інше застосування цим космічним пульсаціям, крім зондування Всесвіту. Тим не менш, для виявлення цих хвиль повинні бути хороші успіхи в оптичній техніці в ЛІГО, в яких з часом з'являтимуться нові технології.

Гравітаційні хвилі – зображення художника

Гравітаційні хвилі - обурення метрики простору-часу, що відриваються від джерела і поширюються подібно до хвиль (так звана «брижі простору-часу»).

У загальній теорії відносності та більшості інших сучасних теорій гравітації гравітаційні хвилі породжуються рухом масивних тіл зі змінним прискоренням. Гравітаційні хвилі вільно поширюються у просторі зі швидкістю світла. Через відносну слабкість гравітаційних сил (в порівнянні з іншими) ці хвилі мають дуже малу величину, що важко піддається реєстрації.

Поляризована гравітаційна хвиля

Гравітаційні хвилі пророкуються загальною теорією відносності (ОТО), багатьма іншими. Вперше вони були безпосередньо виявлені у вересні 2015 року двома детекторами-близнюками, на яких були зареєстровані гравітаційні хвилі, що виникли, ймовірно, в результаті злиття двох і утворення однієї масивної обертової чорної дірки. Непрямі свідчення їх існування були відомі з 1970-х років - ОТО передбачає збіги зі спостереженнями темпи зближення тісних систем за рахунок втрати енергії на випромінювання гравітаційних хвиль. Пряма реєстрація гравітаційних хвиль та їх використання для визначення параметрів астрофізичних процесів є важливим завданням сучасної фізики та астрономії.

У рамках ОТО гравітаційні хвилі описуються рішеннями рівнянь Ейнштейна хвильового типу, що є рухоме зі швидкістю світла (у лінійному наближенні) обурення метрики простору-часу. Проявом цього обурення має бути, зокрема, періодична зміна відстані між двома вільно падаючими (тобто не зазнають впливу жодних сил) пробними масами. Амплітудою hгравітаційною хвилею є безрозмірна величина - відносна зміна відстані. Передбачувані максимальні амплітуди гравітаційних хвиль від астрофізичних об'єктів (наприклад, компактних подвійних систем) і явищ (вибухів, злиття, захоплення чорними дірками і т. п.) при вимірюваннях в дуже малі ( h=10 -18 -10 -23). Слабка (лінійна) гравітаційна хвиля згідно з загальною теорією відносності переносить енергію та імпульс, рухається зі швидкістю світла, є поперечною, квадрупольною і описується двома незалежними компонентами, розташованими під кутом 45° один до одного (має два напрями поляризації).

Різні теорії по-різному пророкують швидкість поширення гравітаційних хвиль. У загальній теорії відносності вона дорівнює швидкості світла (у лінійному наближенні). В інших теоріях гравітації вона може набувати будь-яких значень, у тому числі до нескінченності. За даними першої реєстрації гравітаційних хвиль їхня дисперсія виявилася сумісною з безмасовим гравітоном, а швидкість оцінена як рівна швидкості світла.

Генерація гравітаційних хвиль

Система з двох нейтронних зірок породжує бриж простору-часу

Гравітаційну хвилю випромінює будь-яка матерія, що рухається з асиметричним прискоренням. Для виникнення хвилі суттєвої амплітуди необхідні надзвичайно велика маса випромінювача або величезні прискорення, амплітуда гравітаційної хвилі прямо пропорційна першої похідної прискореннята масі генератора, тобто ~ . Однак якщо об'єкт рухається прискорено, це означає, що у нього діє деяка сила із боку іншого об'єкта. У свою чергу, цей інший об'єкт зазнає зворотної дії (за 3-м законом Ньютона), при цьому виявляється, що m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Виходить, що два об'єкти випромінюють гравітаційні хвилі тільки в парі, причому в результаті інтерференції вони гасяться взаємно майже повністю. Тому гравітаційне випромінювання у загальній теорії відносності завжди має по мультипольності характер як мінімум квадрупольного випромінювання. Крім того, для нерелятивістських випромінювачів у вираженні для інтенсивності випромінювання є малий параметр де - гравітаційний радіус випромінювача, r- Його характерний розмір, T- характерний період руху, c- Швидкість світла у вакуумі.

Найбільш сильними джерелами гравітаційних хвиль є:

стикаються (гігантські маси, дуже невеликі прискорення),
гравітаційний колапс подвійної системи компактних об'єктів (колосальні прискорення за досить великої маси). Як окремий і найцікавіший випадок - злиття нейтронних зірок. Така система гравітаційно-хвильова світність близька до максимально можливої в природі планківської світності.

Гравітаційні хвилі, що випромінюються системою двох тіл

Два тіла, що рухаються круговими орбітами навколо загального центру мас

Два гравітаційно пов'язані тіла з масами m 1 і m 2 , що рухаються нерелятивістськи ( v << c) за круговими орбітами навколо їхнього загального центру мас на відстані rодин від одного, випромінюють гравітаційні хвилі наступної енергії, в середньому за період:

Внаслідок цього система втрачає енергію, що призводить до зближення тіл, тобто зменшення відстані між ними. Швидкість зближення тел:

Для Сонячної системи, наприклад, найбільше гравітаційне випромінювання виробляє підсистема та . Потужність цього випромінювання приблизно 5 кіловат. Таким чином, енергія, що втрачається Сонячною системою на гравітаційне випромінювання за рік, зовсім незначна порівняно з характерною кінетичною енергією тіл.

Гравітаційний колапс подвійної системи

Будь-яка подвійна зірка при обертанні її компонент навколо загального центру мас втрачає енергію (як передбачається - рахунок випромінювання гравітаційних хвиль) і, зрештою, зливається воєдино. Але для звичайних, некомпактних, подвійних зірок цей процес займає дуже багато часу, набагато більше справжнього віку. Якщо подвійна компактна система складається з пари нейтронних зірок, чорних дірок або їх комбінації, то злиття може статися за кілька мільйонів років. Спочатку об'єкти зближуються, які період звернення зменшується. Потім на заключному етапі відбувається зіткнення та несиметричний гравітаційний колапс. Цей процес триває частки секунди, і за цей час гравітаційне випромінювання сягає енергія, що становить за деякими оцінками більше 50% від маси системи.

Основні точні розв'язки рівнянь Ейнштейна для гравітаційних хвиль

Об'ємні хвилі Бонді - Пірані - Робінсона

Ці хвилі описуються метрикою виду. Якщо ввести змінну та функцію, то з рівнянь ОТО отримаємо рівняння

Метрика Такено

має вигляд -функції, задовольняють тому ж рівнянню.

Метрика Розена

Де задовольняють

Метрика Переса

При цьому

Циліндричні хвилі Ейнштейна - Розена

У циліндричних координатах такі хвилі мають вигляд і виконуються.

Реєстрація гравітаційних хвиль

Реєстрація гравітаційних хвиль досить складна через слабкість останніх (малого спотворення метрики). Приладами їх реєстрації є детектори гравітаційних хвиль. Спроби виявлення гравітаційних хвиль робляться з кінця 1960-х років. Гравітаційні хвилі амплітуди, що детектується, народжуються при колапсі подвійного. Подібні події відбуваються на околицях орієнтовно раз на десятиліття.

З іншого боку, загальна теорія відносності передбачає прискорення взаємного обертання подвійних зірок через втрату енергії на випромінювання гравітаційних хвиль, і цей ефект надійно зафіксований у кількох відомих системах подвійних компактних об'єктів (зокрема, пульсарів із компактними компаньйонами). У 1993 році «за відкриття нового типу пульсарів, що дало нові можливості у вивченні гравітації» відкривачам першого подвійного пульсара PSR B1913+16 Рассел Халс і Джозефу Тейлору мл. було присуджено Нобелівську премію з фізики. Прискорення обертання, що спостерігається у цій системі, повністю збігається з передбаченнями ОТО на випромінювання гравітаційних хвиль. Таке ж явище зафіксовано ще в кількох випадках: для пульсарів PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (зазвичай скорочено J0651) та системи подвійних RX J0806. Наприклад, відстань між двома компонентами A і B першої подвійної зірки з двох пульсарів PSR J0737-3039 зменшується приблизно на 2,5 дюйма (6,35 см) на день через втрату енергії на гравітаційні хвилі, причому це відбувається у згоді з ОТО . Всі ці дані інтерпретуються як непрямі докази існування гравітаційних хвиль.

За оцінками найбільш сильними та досить частими джерелами гравітаційних хвиль для гравітаційних телескопів та антен є катастрофи, пов'язані з колапсами подвійних систем у найближчих галактиках. Очікується, що в найближчому майбутньому на вдосконалених гравітаційних детекторах реєструватиметься кілька подібних подій на рік, що спотворюють метрику на околиці на 10 −21 -10 −23 . Перші спостереження сигналу оптико-метричного параметричного резонансу, що дозволяє виявити вплив гравітаційних хвиль від періодичних джерел типу тісної подвійної на випромінювання космічних мазерів, можливо, були отримані на радіоастрономічній обсерваторії РАН Пущино.

Ще однією можливістю детектування фону гравітаційних хвиль, що заповнюють Всесвіт, є високоточний таймінг віддалених пульсарів - аналіз часу приходу їх імпульсів, який характерним чином змінюється під дією проходять через простір між Землею і пульсаром гравітаційних хвиль. За оцінками на 2013 рік, точність таймінгу необхідно підняти приблизно на один порядок, щоб можна було задетектувати фонові хвилі від безлічі джерел у нашому Всесвіті, і це завдання може бути вирішене до кінця десятиліття.

Згідно з сучасними уявленнями, наш Всесвіт заповнюють реліктові гравітаційні хвилі, що з'явилися в перші моменти після . Їхня реєстрація дозволить отримати інформацію про процеси на початку народження Всесвіту. 17 березня 2014 року о 20:00 за московським часом у Гарвард-Смітсонівському центрі астрофізики американською групою дослідників, що працює над проектом BICEP 2, було оголошено про детектування з поляризації реліктового випромінювання ненульових тензорних обурень у ранньому Всесвіті. . Однак майже відразу цей результат був оскаржений, оскільки, як з'ясувалося, не було належним чином враховано внесок. Один із авторів, Дж. М. Ковац ( Kovac J. M.), визнав, що «з інтерпретацією та висвітленням даних експерименту BICEP2 учасники експерименту та наукові журналісти трохи поквапилися».

Експериментальне підтвердження існування

Перший зафіксований гравітаційно-хвильовий сигнал. Зліва дані з детектора в Хенфорді (H1), праворуч – у Лівінгстоні (L1). Час відраховується від 14 вересня 2015, 09:50:45 UTC. Для візуалізації сигналу він відфільтрований частотним фільтром зі смугою пропускання 35-350 Герц для пригнічення великих флуктуацій поза діапазоном високої чутливості детекторів, також були застосовані смугові фільтри для придушення шуму самих установок. Верхній ряд: напруги в детекторах. GW150914 спочатку прибув L1 і через 6 9 +0 5 −0 4 мс на H1; для візуального порівняння дані з H1 показані на графіку L1 у зверненому і зсунутому за часом вигляді (щоб врахувати відносну орієнтацію детекторів). Другий ряд: напруги h від гравітаційно-хвильового сигналу, пропущені через такий самий смуговий фільтр 35-350 Гц. Суцільна лінія - результат чисельної відносності системи з параметрами, сумісними з знайденими з урахуванням вивчення сигналу GW150914, отриманий двома незалежними кодами з результуючим збігом 99,9. Сірі товсті лінії - області 90% довірчої ймовірності форми сигналу, відновлені з цих детекторів двома різними методами. Темно-сіра лінія моделює очікувані сигнали від злиття чорних дірок, світло-сіра не використовує астрофізичних моделей, а представляє сигнал лінійною комбінацією синусоїдально-гаусових вейвлетів. Реконструкції перекриваються на 94%. Третій ряд: Залишкові помилки після вилучення фільтрованого передбачення сигналу чисельної відносності з фільтрованого сигналу детекторів. Нижній ряд: подання частотної карти напруги, що показує зростання домінуючої частоти сигналу з часом.

11 лютого 2016 року колабораціями LIGO та VIRGO. Сигнал злиття двох чорних дірок з амплітудою в максимумі близько 10 −21 був зареєстрований 14 вересня 2015 року о 9:51 UTC двома детекторами LIGO в Хенфорді та Лівінгстоні через 7 мілісекунд один від одного, в області максимальної амплітуди сигналу (0,2 секунди) відношення сигнал-шум становило 24:1. Сигнал був позначений GW150914. Форма сигналу збігається з прогнозом загальної теорії відносності для злиття двох чорних дірок масами 36 і 29 сонячних; чорна діра, що виникла, повинна мати масу 62 сонячні і параметр обертання a= 0,67. Відстань до джерела близько 1,3 мільярда, випромінювана за десяті частки секунди в злитті енергія – еквівалент близько 3 сонячних мас.

Історія

Історія самого терміна «гравітаційна хвиля», теоретичного та експериментального пошуку цих хвиль, а також їх використання для досліджень явищ недоступних іншими методами.

1900 - Лоренц припустив, що гравітація "...може поширяться зі швидкістю, не більшою за швидкість світла";
1905 - Пуанкаревперше запровадив термін гравітаційна хвиля (onde gravifique). Пуанкаре, на якісному рівні, зняв заперечення Лапласа і показав, що пов'язані з гравітаційними хвилями поправки до загальноприйнятих законів тяжіння Ньютона порядку скорочуються, таким чином, припущення про існування гравітаційних хвиль не суперечить спостереженням;
1916 - Ейнштейн показав, що в рамках ОТО механічна система передаватиме енергію гравітаційним хвилям і, грубо кажучи, будь-яке обертання щодо нерухомих зірок має рано чи пізно зупинитися, хоча, звичайно, у звичайних умовах втрати енергії порядку мізерні і практично не піддаються виміру (в цій роботі він помилково вважав, що механічна система, постійно зберігає сферичну симетрію, може випромінювати гравітаційні хвилі);
1918 - Ейнштейнвивів квадрупольну формулу, в якій випромінювання гравітаційних хвиль виявляється ефектом порядку, тим самим виправивши помилку у своїй попередній роботі (залишилася помилка в коефіцієнті, енергія хвилі в 2 рази менша);
1923 – Еддінгтон – поставив під сумнів фізичну реальність гравітаційних хвиль «…розповсюджуються… зі швидкістю думки». У 1934 році, при підготовці російського перекладу своєї монографії «Теорія відносності», Еддінгтон додав кілька розділів, включаючи розділи з двома варіантами розрахунків втрат енергії стрижнем, що обертається, але зазначив, що використані методи наближених розрахунків ОТО, на його думку, незастосовні до грамітаційно тому сумніви залишаються;
1937 - Ейнштейн спільно з Розеном досліджував циліндричні хвильові розв'язки точних рівнянь гравітаційного поля. У ході цих досліджень у них виникли сумніви, що гравітаційні хвилі, можливо, є артефактом наближених рішень рівнянь ОТО (відоме листування щодо рецензії на статтю Ейнштейна та Розена «Чи існують гравітаційні хвилі?»). Пізніше він знайшов помилку в міркуваннях, остаточний варіант статті з фундаментальними правками було опубліковано вже в Journal of the Franklin Institute;
1957 - Герман Бонді та Річард Фейнман запропонували уявний експеримент «тростину з бусинками» в якому обґрунтували існування фізичних наслідків гравітаційних хвиль у ВТО;
1962 - Владислав Пустовойт та Михайло Герценштейн описали принципи використання інтерферометрів для виявлення довгохвильових гравітаційних хвиль;
1964 - Філіп Петерс і Джон Метью теоретично описали гравітаційні хвилі, випромінювані подвійними системами;
1969 – Джозеф Вебер, засновник гравітаційно-хвильової астрономії, повідомляє про виявлення гравітаційних хвиль за допомогою резонансного детектора – механічної гравітаційної антени. Ці повідомлення породжують бурхливе зростання робіт у цьому напрямі, зокрема, Реньє Вайс, один із засновників проекту LIGO, розпочав експерименти на той час. На даний момент (2015) нікому так і не вдалося отримати надійні підтвердження цих подій;
1978 - Джозеф Тейлорповідомив про виявлення гравітаційного випромінювання у подвійній системі пульсара PSR B1913+16. Дослідження Джозефа Тейлора та Рассела Халса заслужили Нобелівську премію з фізики за 1993 рік. На початок 2015 року три пост-кеплерівські параметри, що включають зменшення періоду внаслідок випромінювання гравітаційних хвиль, було виміряно як мінімум для 8 подібних систем;
2002 - Сергій Копєйкін і Едвард Фомалонт виробили за допомогою радіохвильної інтерферометрії з наддовгою базою вимірювання відхилення світла в гравітаційному полі Юпітера в динаміці, що для деякого класу гіпотетичних розширень ОТО дозволяє оцінити швидкість гравітації - відмінність від швидкості світла не повинна перевищувати загальноприйнята);
2006 - міжнародна команда Марти Бургей (Обсерваторія Паркса, Австралія) повідомила про суттєво точніші підтвердження ОТО та відповідність їй величини випромінювання гравітаційних хвиль у системі двох пульсарів PSR J0737-3039A/B;
2014 – астрономи Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики (BICEP) повідомили про виявлення первинних гравітаційних хвиль при вимірах флуктуацій реліктового випромінювання. На даний момент (2016) виявлені флуктуації вважаються такими, що не мають реліктового походження, а пояснюються випромінюванням пилу в Галактиці;
2016 – міжнародна команда LIGOповідомила про виявлення події проходження гравітаційних хвиль GW150914. Вперше повідомлено про пряме спостереження взаємодіючих масивних тіл у надсильних гравітаційних полях із надвисокими відносними швидкостями (< 1,2 × R s , v/c >0.5), що дозволило перевірити коректність ОТО з точністю до кількох постньютонівських членів високих порядків. Виміряна дисперсія гравітаційних хвиль не суперечить зробленим раніше вимірюванням дисперсії та верхньої межі маси гіпотетичного гравітону (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.

Учора світ вразила сенсація: вчені нарешті виявили гравітаційні хвилі, існування яких передбачав Ейнштейн ще сто років тому. Це прорив. Спотворення простору-часу (це і є гравітаційні хвилі – зараз пояснимо, що до чого) виявили в обсерваторії ЛІГО, а одним із її засновників є – хто б ви думали? - Кіп Торн, автор книги.

Розповідаємо, чому відкриття гравітаційних хвиль таке важливе, що сказав Марк Цукерберг і, звичайно, ділимося історією від першої особи. Кіп Торн як ніхто інший знає, як влаштований проект, у чому його незвичність та яке значення ЛІГО має для людства. Так-так, все так серйозно.

Відкриття гравітаційних хвиль

Науковий світ назавжди запам'ятає дату 11 лютого 2016 року. Цього дня учасники проекту ЛІГО (LIGO) оголосили: після стільки марних спроб гравітаційні хвилі знайдено. Це реальність. Насправді, їх виявили трохи раніше: у вересні 2015 року, але вчора відкриття було визнано офіційно. У The Guardian вважають, що вчені неодмінно отримають Нобелівську премію з фізики.

Причина гравітаційних хвиль - зіткнення двох чорних дірок, яке сталося аж... у мільярді світлових років від Землі. Уявляєте, наскільки величезний наш Всесвіт! Так як чорні дірки - дуже масивні тіла, вони пускають «брижі» по простору-часу, трохи його спотворюючи. Ось і з'являються хвилі, схожі на ті, що поширюються від каменю, кинутого у воду.

Ось так можна уявити гравітаційні хвилі, що йдуть до Землі, наприклад, від червоточини. Малюнок із книги «Інтерстелар. Наука за кадром»

Отримані коливання перетворили на звук. Цікаво, що сигнал від гравітаційних хвиль приходить приблизно на тій самій частоті, що і наша мова. Тож ми можемо на власні вуха почути, як стикаються чорні дірки. Послухайте, як звучать гравітаційні хвилі.

І знаєте, що? Зовсім недавно, що чорні дірки влаштовані не так, як вважалося раніше. Але доказів того, що вони в принципі існують, не було зовсім. А тепер є. Чорні дірки справді «живуть» у Всесвіті.

Так, на думку вчених, виглядає катастрофа - злиття чорних дірок, - .

11 лютого відбулася грандіозна конференція, куди з'їхалися понад тисячу вчених із 15 країн. Російські вчені також були присутніми. І, звісно, не обійшлося без Кіпа Торна. «Це відкриття – початок дивовижного, чудового квесту для людей: пошуку та дослідження викривленого боку Всесвіту – об'єктів та явищ, створених із спотвореного простору-часу. Зіткнення чорних дірок та гравітаційні хвилі – наші перші чудові зразки», - сказав Кіп Торн.

Пошук гравітаційних хвиль був однією з головних проблем фізики. Тепер їх знайдено. І геній Ейнштейна підтверджено знову.

У жовтні ми взяли інтерв'ю у Сергія Попова, вітчизняного астрофізика та відомого популяризатора науки. Він як у воду дивився! Восени: «Мені здається, що зараз ми стоїмо на порозі нових відкриттів, що в першу чергу пов'язано з роботою детекторів гравітаційних хвиль LIGO і VIRGO (Кіп Торн якраз зробив великий внесок у створення проекту LIGO)». Дивно, правда?

Гравітаційні хвилі, детектори хвиль та LIGO

Що ж, а тепер трохи фізики. Для тих, хто справді хочеться розібратися в тому, що таке гравітаційні хвилі. Ось художнє зображеннятендекс-ліній двох чорних дірок, які обертаються по орбітах один навколо одного, проти годинникової стрілки, а потім зіштовхуються. Тендекс-лінії породжують гравітацію. Йдемо далі. Лінії, які виходять з двох найбільш віддалених один від одного крапок на поверхнях пари чорних дірок, розтягують все на своєму шляху, включаючи подругу художниці, що потрапила на малюнок. А лінії, що виходять з області зіткнення, всі стискають.

Коли дірки обертаються одна навколо іншої, вони захоплюють слідом свої тендекс-лінії, які схожі на струмені води з поливалки, що крутиться, на газоні. На малюнку із книги «Інтерстелар. Наука за кадром» - пара чорних дірок, які стикаються, обертаючись одна довкола іншої проти годинникової стрілки, та їх тендекс-лінії.

Чорні дірки об'єднуються в одну велику дірку; вона деформована та обертається проти годинникової стрілки, захоплюючи за собою тендекс-лінії. Нерухомий спостерігач, що знаходиться далеко від дірки, відчує коливання, коли через нього проходитимуть тендекс-лінії: розтяг, потім стиснення, потім розтяг - тендекс-лінії стали гравітаційною хвилею. У міру поширення хвиль деформація чорної дірки поступово зменшується, і хвилі також слабшають.

Коли ці хвилі досягають Землі, вони мають вигляд, показаний у верхній частині малюнка нижче. Вони розтягують в одному напрямку та стискають в іншому. Розтягування і стискування коливаються (від червоного вправо-вліво, до синього вправо-вліво, до червоного вправо-вліво і т. д.) у міру того, як хвилі проходять через детектор у нижній частині малюнка.

Гравітаційні хвилі, що проходять через детектор Ліго.

Детектор є чотири великих дзеркала (40 кілограмів, 34 сантиметри в діаметрі), які закріплені на кінцях двох перпендикулярних труб, званих плечима детектора. Тендекс-лінії гравітаційних хвиль розтягують одне плече, стискаючи при цьому друге, а потім навпаки стискають перше і розтягують друге. І так знову і знову. При періодичній зміні довжини плечей дзеркала зміщуються один щодо одного, і ці усунення відстежуються за допомогою лазерних променів способом, який називається інтерферометрією. Звідси і назва ЛІГО: Лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія.

Центр управління ЛІГО, звідки відправляють команди детектору та стежать за отриманими сигналами. Гравітаційні детектори ЛІГО розташовані в Хенфорді, штат Вашингтон, та Лівінгстоні, штат Луїзіана. Фото із книги «Інтерстелар. Наука за кадром»

Сьогодні ЛІГО - міжнародний проект, у якому бере участь 900 вчених з різних країнзі штабом, розташованим у Каліфорнійському технологічному інституті.

Скривлена сторона Всесвіту

Чорні дірки, червоточини, сингулярності, гравітаційні аномалії та вимірювання вищого порядку пов'язані з викривленням простору та часу. Тому Кіп Торн називає їх «викривленою стороною Всесвіту». У людства досі дуже мало експериментальних та спостережних даних із викривленого боку Всесвіту. Ось чому ми стільки уваги віддаємо гравітаційним хвилям: вони складаються з викривленого простору і надають найдоступніший для нас спосіб дослідити викривлену сторону.

Уявіть, що вам доводилося бачити океан лише тоді, коли він спокійний. Ви б знати не знали про течії, вир і штормові хвилі. Це нагадує наші сьогоднішні знання про викривлення простору та часу.

Ми майже нічого не знаємо про те, як викривлений простір і викривлений час поводяться «у шторм» - коли форма простору бурхливо коливається і коли коливається швидкість часу. Це надзвичайно привабливий рубіж знань. Вчений Джон Вілер придумав для цих змін термін "геометродинаміка"

Особливий інтерес у галузі геометродинаміки становить зіткнення двох чорних дірок.

Зіткнення двох чорних дірок, що не обертаються. Модель із книги «Інтерстелар. Наука за кадром»

На малюнку вище зображено момент зіткнення двох чорних дірок. Саме така подія дозволила вченим зафіксувати гравітаційні хвилі. Ця модель побудована для чорних дірок, що не обертаються. Зверху: орбіти та тіні дір, вид з нашого Всесвіту. Посередині: викривлений простір і час, вид з балка (багатомірного гіперпростору); стрілками показано, як простір залучається в рух, а квітами, що змінюються - як викривляється час. Знизу: форма гравітаційних хвиль, що випускаються.

Гравітаційні хвилі від Великого вибуху

Слово Кіпу Торну. «1975 року Леонід Грищук, мій добрий приятель із Росії, зробив сенсаційну заяву. Він сказав, що в момент Великого вибуху виникло безліч гравітаційних хвиль, причому механізм їх виникнення (перш за невідомий) був таким: квантові флуктуації (Випадкові коливання - прим. ред)гравітаційного поля при Великому вибуху були багаторазово посилені початковим розширенням Всесвіту і стали початковими гравітаційними хвилями. Ці хвилі, якщо їх вдасться виявити, можуть розповісти нам, що відбувалося в момент зародження нашого Всесвіту».

Якщо вчені знайдуть початкові гравітаційні хвилі, ми дізнаємося, як зародився Всесвіт.

Люди розгадали далеко на всі загадки Всесвіту. Все ще попереду.

У наступні роки, у міру того, як удосконалювалися наші уявлення про Великий вибух, стало очевидно: ці початкові хвилі повинні бути сильними на довжинах хвиль, порівнянних з величиною видимого Всесвіту, тобто на довжинах у мільярди світлових років. Уявляєте скільки це?.. А на довжинах хвиль, які охоплюють детектори ЛІГО (сотні та тисячі кілометрів), хвилі, швидше за все, виявляться надто слабкими, щоб їх розпізнати.

Команда Джеймі Бока побудувала апарат BICEP2, за допомогою якого було виявлено слід споконвічних гравітаційних хвиль. Апарат, що знаходиться на Північному полюсі, показаний тут під час сутінків, які бувають там лише двічі на рік.

Апарат BICEP2. Зображення із книги «Інтерстелар. Наука за кадром»

Він оточений щитами, що екранують апарат від випромінювання навколишнього крижаного покриву. У правому верхньому куткупоказаний виявлений у реліктовому випромінюванні слід - поляризаційний візерунок. Лінії електричного поляспрямовані вздовж коротких світлих штрихів.

Слід початку Всесвіту

На початку дев'яностих космологи зрозуміли, що ці гравітаційні хвилі довжиною у мільярди світлових років мали залишити унікальний слід у електромагнітних хвилях, що наповнюють Всесвіт, - у так званому космічному мікрохвильовому фоні, або реліктовому випромінюванні. Це започаткувало пошуки святого Грааля. Адже якщо виявити цей слід і вивести з нього властивості початкових гравітаційних хвиль, можна дізнатися, як зароджувався Всесвіт.

У березні 2014 року, коли Кіп Торн писав цю книгу, команда Джемі Бока, космолога з Калтеха, кабінет якого знаходиться поряд із кабінетом Торна, нарешті виявила цей слід у реліктовому випромінюванні.

Це чудове відкриття, але є один спірний момент: слід, знайдений командою Джемі, міг бути викликаний не гравітаційними хвилями, а чимось ще.

Якщо дійсно знайдено слід гравітаційних хвиль, що виникли при Великому вибуху, значить, відбулося космологічне відкриття такого рівня, які трапляються, можливо, раз на півстоліття. Воно дає шанс торкнутися подій, які відбувалися через трильйонну від трильйонної від трильйонної частки секунди після народження Всесвіту.

Це відкриття підтверджує теорії, що свідчать, що розширення Всесвіту тієї миті було надзвичайно швидким, на сленгу космологів - інфляційно швидким. І сповіщає настання нової ери в космології.

Гравітаційні хвилі та «Інтерстелар»

Учора на конференції з приводу відкриття гравітаційних хвиль Валерій Митрофанов, керівник московської колаборації вчених LIGO, до якої входять 8 вчених із МДУ, зазначив, що сюжет фільму «Інтерстелар» хоч і фантастичний, але не такий далекий від дійсності. А все тому, що науковим консультантом був Кіп Торн. Сам же Торн висловив сподівання, що вірить у майбутні пілотовані польоти людини до чорної діри. Нехай вони трапляться не так скоро, як хотілося б, і все ж таки сьогодні це набагато реальніше, ніж було раніше.

Не так уже й далекий день, коли люди покинуть межі нашої галактики.

Подія сколихнула розуми мільйонів людей. Відомий Марк Цукерберг написав: «Виявлення гравітаційних хвиль – найбільше відкриття у сучасній науці. Альберт Ейнштейн - один із моїх героїв, тому я сприйняв відкриття так близько. Століття тому в рамках Загальної Теорії Відносності він передбачив існування гравітаційних хвиль. Адже вони такі малі, щоб їх виявити, що прийшло шукати їх у витоках таких подій, як Великий вибух, вибухи зірок та зіткнення чорних дірок. Коли вчені проаналізують отримані дані, перед нами відкриється досконала новий поглядна космос. І, можливо, це проллє світло на походження Всесвіту, народження та процес розвитку чорних дірок. Це дуже надихає – думати про те, скільки життів та зусиль було покладено на те, щоб зірвати покрив із цієї таємниці Всесвіту. Цей прорив став можливим завдяки таланту блискучих вчених та інженерів, людей різних національностей, а також новітнім комп'ютерним технологіям, які з'явилися нещодавно. Вітаю всіх причетних. Ейнштейн би вами пишався».

Така ось мова. І це людина, яка просто цікавиться наукою. Можна собі уявити, яка буря емоцій захлеснула вчених, які зробили свій внесок у відкриття. Здається, ми стали свідками нової доби, друзі. Це вражає.

PS: Сподобалося? Підписуйтесь на нашу розсилку по кругозору. Раз на тиждень надсилаємо пізнавальні листи та даруємо знижки на книги МІФу.

У четвер, 11 лютого, група вчених із міжнародного проекту LIGO Scientific Collaboration заявили, що їм вдалося, існування яких ще в 1916 році передбачив Альберт Ейнштейн. За твердженням дослідників, 14 вересня 2015 року вони зафіксували гравітаційну хвилю, яка була викликана зіткненням двох чорних дірок масою у 29 та 36 разів більше за масу Сонця, після чого вони злилися в одну велику чорну діру. За їхніми словами, це сталося приблизно 1,3 мільярда років тому на відстані 410 мегапарсеків від нашої галактики.

Детально про гравітаційні хвилі та масштабне відкриття ЛІГА.net розповів Богдан Гнатик, український вчений, астрофізик, доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітникАстрономічній обсерваторії Київського національного університетуімені Тараса Шевченка, який очолював обсерваторію з 2001 по 2004 рік.

Теорія простою мовою

Фізика вивчає взаємодію між тілами. Встановлено, що між тілами існує чотири види взаємодії: електромагнітна, сильна та слабка ядерна взаємодія та гравітаційна взаємодія, яку ми всі відчуваємо. Внаслідок гравітаційної взаємодії планети обертаються навколо Сонця, тіла мають вагу та падають на землю. З гравітаційною взаємодією людина стикається постійно.

У 1916 році, 100 років тому, Альберт Ейнштейн побудував теорію гравітації, яка покращувала ньютонівську теорію гравітації, зробила її математично правильною: вона стала відповідати всім вимогам фізики, почала враховувати те, що гравітація поширюється з дуже великою, але кінцевою швидкістю. Це по праву одне з найграндіозніших досягнень Ейнштейна, оскільки він побудував теорію гравітації, яка відповідає всім явищам фізики, які ми сьогодні спостерігаємо.

Ця теорія також передбачала існування гравітаційних хвиль. Основою цього передбачення було те, що гравітаційні хвилі існують у результаті гравітаційної взаємодії, що виникає внаслідок злиття двох масивних тіл.

Що таке гравітаційна хвиля

Складною мовоюце збудження метрики простору-часу. "Скажімо, простір має певну пружність і ним можуть бігти хвилі. Це схоже на те, коли ми у воду кидаємо камінчиків і від нього розбігаються хвилі", - розповів ЛІГА.net доктор фізико-математичних наук.

Вченим вдалося експериментально довести, що подібне коливання мало місце у Всесвіті та у всіх напрямках пробігла гравітаційна хвиля. "Астрофізичним способом вперше було зафіксовано явище такої катастрофічної еволюції подвійної системи, коли зливаються два об'єкти в один, а це злиття призводить до дуже інтенсивного виділення гравітаційної енергії, яка потім у вигляді гравітаційних хвиль поширюється у просторі", - пояснив учений.

Як це виглядає (фото – EPA)

Ці гравітаційні хвилі дуже слабкі і щоб вони похитнули простір-час, потрібна взаємодія дуже великих і масивних тіл, щоб напруженість гравітаційного поля була великою в місці генерування. Але, незважаючи на їхню слабкість, спостерігач через певний час (рівний відстані до взаємодії розділеного на швидкість проходження сигналу) зареєструє цю гравітаційну хвилю.

Наведемо приклад: якби Земля впала на Сонце, то сталася б гравітаційна взаємодія: виділилася б гравітаційна енергія, утворилася б гравітаційна сферично-симетрична хвиля і спостерігач міг би її зареєструвати. "Тут сталося аналогічне, але унікальне, з погляду астрофізики, явище: зіткнулися два масивні тіла - дві чорні дірки", - зазначив Гнатик.

Повернемося до теорії

Чорна діра - це ще одне пророцтво загальної теорії відносності Ейнштейна, яке передбачає, що тіло, яке має величезну масу, але ця маса сконцентрована в малому обсязі, здатне суттєво спотворювати простір навколо себе, аж до його замикання. Тобто передбачалося, що коли досягається критична концентрація маси цього тіла - така, що розмір тіла буде меншим, ніж так званий гравітаційний радіус, то навколо цього тіла простір замкнеться і топологія його буде такою, що ніякий сигнал з нього за межі замкнутого простору поширитися не зможе.

"Тобто, чорна діра, простими словами, Це масивний об'єкт, який настільки важкий, що замикає навколо себе простір-час", - каже вчений.

І ми, за його словами, можемо надсилати будь-які сигнали цьому об'єкту, а він нам – ні. Тобто ніякі сигнали не можуть виходити за межі чорної діри.

Чорна діра живе за звичайними фізичними законами, але внаслідок сильної гравітації, жодне матеріальне тіло, навіть фотон, не здатне вийти за межі цієї критичної поверхні. Чорні дірки утворюються в ході еволюції звичайних зірок, коли відбувається колапс центрального ядра і частина речовини зірки, колапсуючи, перетворюється на чорну дірку, а інша частина зірки викидається у вигляді оболонки Наднової зірки, перетворюючись на так званий "спалах" Наднової зірки.

Як ми побачили гравітаційну хвилю

Наведемо приклад. Коли на поверхні води у нас є два поплавці і вода спокійна – то відстань між ними постійна. Коли приходить хвиля, вона зміщує ці поплавці і відстань між поплавцями зміниться. Хвиля пройшла – і поплавці повертаються на свої колишні позиції, а відстань між ними відновлюється.

Аналогічним чином поширюється і гравітаційна хвиля у просторі-часі: вона стискає та розтягує тіла та об'єкти, що зустрічаються на її шляху. "Коли на шляху хвилі зустрічається якийсь об'єкт – він деформується вздовж своїх осей, а після її проходження – повертається до колишньої форми. Під дією гравітаційної хвилі всі тіла деформуються, але ці деформації – дуже незначні", – каже Гнатик.

Коли пройшла хвиля, яку зафіксували вчені, то відносний розмір тіл у просторі змінився на величину порядку 1 помножити на 10 мінус 21-го ступеня. Наприклад, якщо взяти метрову лінійку, то вона стиснулася на таку величину, яка становила її розмір, помножений на 10 мінус 21-го ступеня. Це дуже мізерна величина. І проблема полягала в тому, що вченим треба було навчитися виміряти цю відстань. Звичайні методи давали точність порядку 1 до 10 9 ступеня мільйонам, а тут необхідна набагато більш висока точність. І тому створили звані гравітаційні антени (детектори гравітаційних хвиль).

Обсерваторія LIGO (фото - EPA)

Антена, яка зафіксувала гравітаційні хвилі, побудована таким чином: існує дві труби приблизно по 4 кілометри в довжину, розташовані у формі літери "Г", але з однаковими плечима і під прямим кутом. Коли на систему падає гравітаційна хвиля, вона деформує крила антени, але в залежності від її орієнтації вона деформує одне більше, а друге - менше. І тоді виникає різниця ходу, інтерференційна картина сигналу змінюється – виникає сумарна позитивна чи негативна амплітуда.

"Тобто проходження гравітаційної хвилі аналогічне хвилі на воді, що проходить між двома поплавцями: якби ми міряли відстань між ними під час і після проходження хвилі, то ми б побачили, що відстань змінилася б, а потім знову стала колишньою", - розповів Гнатик.

Тут же вимірюється відносна зміна відстані двох крил інтерферометра, кожне з яких має близько 4 кілометрів у довжину. І лише дуже точні технології та системи дозволяють виміряти таке мікроскопічне зміщення крил, викликане гравітаційною хвилею.

На межі Всесвіту: звідки прийшла хвиля

Вчені зафіксували сигнал за допомогою двох детекторів, які у США розташовані у двох штатах: Луїзіані та Вашингтон на відстані близько 3 тис кілометрів. Вченим вдалося оцінити, звідки і з якої відстані прийшов цей сигнал. Оцінки показують, що сигнал прийшов з відстані 410 мегапарсеків. Мегапарсек – це відстань, яка світло проходить за три мільйони років.

Щоб було легше уявити: найближча до нас активна галактика із надмасивною чорною діркою в центрі - Центавр А, яка знаходиться від нашої на відстані чотири Мегапарсеки, водночас Туманність Андромеди знаходиться на відстані 0,7 Мегапарсеків. "Тобто відстань, з якої прийшов сигнал гравітаційної хвилі настільки велика, що сигнал йшов до Землі приблизно 1,3 млрд. років. Це космологічні відстані, які досягають близько 10% горизонту нашого Всесвіту", - розповів учений.

На такій відстані в якійсь далекій галактиці відбулося злиття двох чорних дірок. Ці дірки, з одного боку, були відносно малими за розмірами, а з іншого боку, велика сила сигналу амплітуди свідчить, що вони були дуже важкі. Встановлено, що їх маси були відповідно 36 і 29 мас Сонця. Маса Сонця, як відомо, становить величину, яка дорівнює 2 помножити на 10 до 30 ступеня кілограм. Після злиття ці два тіла злилися і тепер на їх місці утворилася одна чорна діра, яка має масу, що дорівнює 62 мас Сонця. При цьому приблизно три маси Сонця виплеснулися у вигляді енергії гравітаційної хвилі.

Хто і коли зробив відкриття

Виявити гравітаційну хвилю вдалося вченим із міжнародного проекту LIGO 14 вересня 2015 року. LIGO (Laser Interferometry Gravitation Observatory)- це міжнародний проект, в якому беруть участь низка держав, які здійснили певний фінансовий та науковий внесок, зокрема США, Італія, Японія, які є передовими у сфері цих досліджень.

Професори Райнер Вайс та Кіп Торн (фото - EPA)

Була зафіксована наступна картина: відбулося усунення крил гравітаційного детектора, внаслідок реального проходження гравітаційної хвилі через нашу планету та через цю установку. Про це не повідомили тоді, бо сигнал потрібно було обробити, "почистити", знайти його амплітуду та перевірити. Це стандартна процедура: від реального відкриття до оголошення про відкриття - проходить кілька місяців для того, щоб видати обґрунтовану заяву. "Ніхто не хоче псувати свою репутацію. Це все секретні дані, до оприлюднення яких – про них ніхто не знав, ходили лише чутки", – зазначив Гнатик.

Історія

Гравітаційні хвилі досліджуються з 70-х років минулого століття. За цей час було створено низку детекторів та проведено низку фундаментальних досліджень. У 80-х роках американський вчений Джозеф Вебер побудував першу гравітаційну антену у вигляді алюмінієвого циліндра, який мав розмір близько кількох метрів, оснащений п'єзо-датчиками, які мали зафіксувати проходження гравітаційної хвилі.

Чутливість цього приладу була в мільйон разів гірша, ніж нинішні детектори. І, звичайно, він тоді реально зафіксувати хвилю не міг, хоч і Вебер заявив, що він це зробив: преса про це написала і стався "гравітаційний бум" - у світі одразу почали будувати гравітаційні антени. Вебер стимулював інших учених зайнятися гравітаційними хвилями та продовжувати експерименти над цим явищем, завдяки чому вдалося в мільйон разів підняти чутливість детекторів.

Проте саме явище гравітаційних хвиль було зареєстровано ще минулого століття, коли вчені виявили подвійний пульсар. Це була непряма реєстрація факту, що гравітаційні хвилі існують, доведені завдяки астрономічним спостереженням. Пульсар був відкритий Расселом Халсом та Джозефом Тейлором у 1974 році, під час проведення спостережень на радіотелескопі обсерваторії Аресібо. Вчені були удостоєні Нобелівської преміїу 1993 році "за відкриття нового типу пульсарів, що дало нові можливості у вивченні гравітації".

Дослідження у світі та Україні

На території Італії близький до завершення аналогічний проект, який має назву Virgo. Японія також має намір за рік запустити аналогічний детектор, Індія також готує такий експеримент. Тобто у багатьох точках світу існують подібні детектори, але вони ще не вийшли на той режим чутливості, щоб можна було говорити про фіксацію гравітаційних хвиль.

"Офіційно Україна не входить до LIGO і також не бере участі в італійській та японському проектах. Серед таких фундаментальних напрямів Україна зараз бере участь у проекті LHC (БАК – Великий адронний колайдер) та у CERN” (офіційно станемо учасником лише після сплати вступного внеску)”, – розповів ЛІГА.net доктор фізико-математичних наук Богдан Гнатик.

За його словами, Україна з 2015 року є повноправним членом міжнародної колаборації CTA (МЧТ-масив черенківських телескопів), яка будує сучасний телескоп мульти ТеВного гамма діапазону (з енергіями фотонів до 1014 еВ). "Основними джерелами таких фотонів якраз і є околиці надмасивних чорних дірок, гравітаційне випромінювання яких вперше зафіксував детектор LIGO. Тому відкриття нових вікон в астрономії - гравітаційно-хвильового та мульти ТеВного електромагнітного обіцяє нам ще багато відкриттів у майбутньому", - додає вчений.

Що далі та як нові знання допоможуть людям? Вчені розходяться у думках. Одні кажуть, що це лише черговий щабель у розумінні механізмів Всесвіту. Інші бачать у цьому перші кроки на шляху до нових технологій переміщення крізь час та простір. Так чи інакше - це відкриття вкотре довело, як мало ми розуміємо і як багато ще доведеться дізнатися.

Валентин Миколайович Руденко ділиться історією свого візиту до міста Кашина (Італія), де він провів тиждень на тоді ще щойно побудованій «гравітаційній антені» – оптичному інтерферометрі Майкельсона. Дорогою до місця призначення таксист цікавиться, навіщо побудована установка. "Тут люди думають, що це для розмови з Богом", - зізнається водій.

– Що таке гравітаційні хвилі?

– Гравітаційна хвиля – один із «переносників астрофізичної інформації». Існують видимі канали астрофізичної інформації, особлива роль «далекому баченні» належить телескопам. Астрономи освоїли також низькочастотні канали – мікрохвильовий та інфрачервоний, і високочастотні – рентгенівські та гамма-. Крім електромагнітного випромінювання ми можемо реєструвати потоки частинок з Космосу. Для цього використовують нейтринні телескопи – великогабаритні детектори космічних нейтрино – частинок, які слабо взаємодіють із речовиною і тому важко реєструються. Майже всі теоретично передбачені та лабораторно-досліджені види «переносників астрофізичної інформації» надійно освоєні на практиці. Виняток становила гравітація - найслабша взаємодія в мікросвіті і найпотужніша сила в макросвіті.

Гравітація – це геометрія. Гравітаційні хвилі – геометричні хвилі, тобто хвилі, що змінюють геометричні характеристики простору, коли проходять по цьому простору. Грубо кажучи, це хвилі, що деформують простір. Деформація – це відносна зміна відстані між двома точками. Гравітаційне випромінювання відрізняється від інших типів випромінювань саме тим, що вони геометричні.

- Гравітаційні хвилі передбачив Ейнштейн?

– Формально вважається, що гравітаційні хвилі передбачив Ейнштейн, як один із наслідків його загальної теорії відносності, але фактично їхнє існування стає очевидним уже у спеціальній теорії відносності.

Теорія відносності передбачає, що через гравітаційне тяжіння можливий гравітаційний колапс, тобто стягування об'єкта в результаті колапсування, грубо кажучи, в крапку. Тоді гравітація така сильна, що навіть не може вийти світло, тому такий об'єкт образно називається чорною діркою.

– У чому полягає особливість гравітаційної взаємодії?

Особливістю гравітаційної взаємодії є принцип еквівалентності. Відповідно до нього динамічна реакція пробного тіла в гравітаційному полі не залежить від маси цього тіла. Простіше кажучи, всі тіла падають із однаковим прискоренням.

Гравітаційна взаємодія – найслабша з відомих нам сьогодні.

– Хто першим намагався зловити гравітаційну хвилю?

– Гравітаційно-хвильовий експеримент першим провів Джозеф Вебер із Мерілендського університету (США). Він створив гравітаційний детектор, який тепер зберігається у Смітсонівському музеї у Вашингтоні. 1968-1972 року Джо Вебер провів серію спостережень на парі просторово рознесених детекторів, намагаючись виділити випадки «збігів». Прийом збігів запозичений із ядерної фізики. Невисока статистична значимість гравітаційних сигналів, отриманих Вебером, викликала критичне ставлення до результатів експерименту: був впевненості у тому, що вдалося зафіксувати гравітаційні хвилі. Надалі вчені намагалися збільшити чутливість детекторів вебєрівського типу. На розробку детектора, чутливість якого була адекватна астрофізичному прогнозу, пішло 45 років.

За час початку експерименту до фіксації пройшло багато інших експериментів, були зафіксовані імпульси за цей період, але вони мали дуже маленьку інтенсивність.

– Чому про фіксацію сигналу оголосили не одразу?

– Гравітаційні хвилі було зафіксовано ще у вересні 2015 року. Але навіть якщо збіг був зафіксований, треба перш ніж оголошувати, довести, що він не є випадковим. У сигналі, що знімається з будь-якої антени, завжди є шумові викиди (короткочасні сплески), і один з них випадково може статися одночасно з шумовим сплеском на іншій антені. Довести, що збіг стався невипадково можна лише з допомогою статистичних оцінок.

– Чому відкриття в галузі гравітаційних хвиль такі важливі?

– Можливість зареєструвати реліктове гравітаційне тло та виміряти його характеристики, такі як щільність, температура тощо, дозволяє підійти до початку світобудови.

Привабливим є те, що гравітаційне випромінювання важко виявити, тому що воно дуже слабко взаємодіє із речовиною. Але, завдяки цій же властивості, воно і проходить без поглинань з найдальших від нас об'єктів з найтаємничішими, з погляду матерії, властивостями.

Можна сміливо сказати, що гравітаційні випромінювання проходять без спотворення. Найбільш амбітна мета – дослідити те гравітаційне випромінювання, яке відокремлено від первинної матерії в Теорії Великого Вибуху, яке створилося в момент створення Всесвіту.

- Чи виключає відкриття гравітаційних хвиль квантову теорію?

Теорія гравітації передбачає існування гравітаційного колапсу, тобто стягування потужних об'єктів у крапку. У той же час квантова теорія, яку розвивала Копенгагенська школа передбачає, що завдяки принципу невизначеності не можна одночасно вказати точно такі параметри як координата, швидкість та імпульс тіла. Тут є принцип невизначеності, не можна визначити точно траєкторію, тому що траєкторія - це і координата, і швидкість і т. д. Можна визначити лише умовний довірчий коридор в межах цієї помилки, яка пов'язана з принципами невизначеності. Квантова теорія категорично заперечує можливість точкових об'єктів, але визначає їх статистично вероятностным чином: конкретно вказує координати, а показує можливість, що вона має певні координати.

Питання про поєднання квантової теорії та теорії гравітації – одне з фундаментальних питань створення єдиної теорії поля.

Над ним зараз продовжують працювати, і слова "квантова гравітація" означають абсолютно передову галузь науки, межу знань та незнань, де зараз працюють усі теоретики світу.

– Що може дати відкриття у майбутньому?

Гравітаційні хвилі неминуче повинні лягти у фундамент сучасної наукияк одна із складових нашого знання. Їм відводиться істотна роль еволюції Всесвіту і з допомогою цих хвиль Всесвіт слід вивчати. Відкриття сприяє загальному розвиткунауки та культури.

Якщо зважитися вийти за рамки сьогоднішньої науки, то припустимо уявити лінії телекомунікаційного гравітаційного зв'язку, реактивні апарати на гравітаційній радіації, гравітаційно-хвильові прилади інтроскопії.

– Чи мають відношення гравітаційні хвилі до екстрасенсорики та телепатії?

Не мають. Описані ефекти – ефекти квантового світу, ефекти оптики.

Розмовляла Ганна Уткіна