Ce este un val gravitațional?

Ziua oficială de descoperire (detectare) a undelor gravitaționale este 11 februarie 2016. Apoi, la o conferință de presă de la Washington, liderii colaborării LIGO, a fost anunțat că echipa de cercetare a reușit să înregistreze acest fenomen pentru prima dată în istoria omenirii.

Profețiile marelui Einstein

Faptul că există undele gravitaționale, chiar și la începutul secolului trecut (1916) a sugerat Albert Einstein formulate în cadrul relativitatii generale (GR). Se poate minuna numai la abilitățile ingenioase ale celebrului fizician, care a putut să facă astfel de concluzii de anvergură, cu un minim de date reale. Printre multe alte fenomene fizice a prezis că o confirmare găsit în secolul următor (încetinirea trecerea timpului, modificări ale radiației electromagnetice în direcția câmpurilor gravitaționale, etc.) detectează Aproape prezența acestui tip de val de interacțiune a organelor, până de curând nu a fost posibil.

Gravitatea este o iluzie?

În general, în lumina teoriei relativității, greutatea este greu de numit o forță. Aceasta este o consecință perturbația sau curbura continuumului spațiu-timp. Un bun exemplu care ilustrează acest postulat poate servi ca o bucată de pânză întinsă. Sub greutatea unui obiect masiv plasat pe o astfel de suprafață, se formează o depresiune. Alte obiecte care se deplasează în apropierea acestei anomalii vor schimba traiectoria mișcării lor, ca și cum ar "atrage". Și cu cât greutatea obiectului (cu cât este mai mare diametrul și adâncimea curburii), cu atât este mai mare "forța de atracție". Când se mișcă prin țesătură, puteți observa apariția unor "fluctuații" divergente.

Se întâmplă ceva similar în spațiul mondial. Orice materie masivă accelerată este o sursă de fluctuații în densitatea spațiului și a timpului. Valul gravitațional cu o amplitudine semnificativă este format din corpuri cu mase extrem de mari sau când se mișcă cu accelerații uriașe.

Caracteristici fizice

Oscilațiile metricei spațiu-timp se manifestă ca schimbări în câmpul gravitațional. Acest fenomen se mai numește și "spațiu-timp". Valul gravitațional afectează corpurile și obiectele întâlnite, stoarcerea și întinderea acestora. Valorile de deformare sunt foarte mici - aproximativ 10^-21 din dimensiunea originală. Întreaga dificultate de a descoperi acest fenomen a fost că cercetătorii au trebuit să învețe cum să măsoare și să înregistreze astfel de schimbări cu ajutorul unui echipament adecvat. Puterea radiației gravitaționale este, de asemenea, extrem de mică - pentru întregul sistem solar este de câteva kilowați.

Viteza propagării undelor gravitaționale depinde în mod nesemnificativ de proprietățile mediului conducător. Amplitudinea oscilațiilor cu distanța de la sursă scade treptat, dar nu atinge niciodată zero. Frecvența se situează în intervalul de la câteva zeci la sute de hertzi. Viteza undelor gravitationale în mediul interstelar se apropie de viteza luminii.

Indiciu indirect

Pentru prima dată, o confirmare teoretică a existenței undelor gravitaționale a reușit să obțină astronomul american Joseph Taylor și Russell Hulse asistentul său în 1974. Studiind Universul prin telescop observatoarele Arecibo (Puerto Rico), cercetatorii au descoperit pulsarului PSR B1913 + 16 care reprezintă un sistem binar de stele neutronice care se rotesc în jurul unui centru comun de masă, la o viteză unghiulară constantă (caz rar). În fiecare perioadă de tratament de ani este de 3,75 ore, inițial, redus la 70 ms. Această valoare este în concordanță cu concluziile ecuațiilor GTR care prezic creșterea vitezei de rotație a acestor sisteme, datorită consumului de energie pentru generarea undelor gravitaționale. Mai târziu, mai pulsarii duble si pitice albe cu un comportament similar a fost găsit. astronomie Radio D. Taylor și R. Hulse Premiul Nobel pentru Fizică pentru descoperirea de noi posibilități de a studia câmpuri gravitaționale a fost acordat în 1993.

Valul gravitațional care a scăpat

Prima declarație privind detectarea undelor gravitaționale a venit de la cercetătorul de la Universitatea Maryland, Joseph Weber (SUA) în 1969. În acest scop, el a folosit două antene gravitaționale cu propriul său design, distanțate la doi kilometri distanță. Detectorul rezonant a fost un cilindru de un metru, de doi metri, din oțel inoxidabil, bine izolat, cu vibrații, echipat cu senzori piezoelectrici sensibili. Amplitudinea presupusă a fi fixată de oscilațiile lui Weber a fost mai mult de un milion de ori mai mare decât valoarea așteptată. Încercările altor oameni de știință care folosesc astfel de echipamente pentru a repeta "succesul" fizicianului american nu au adus rezultate pozitive. După câțiva ani de muncă Weber în acest domeniu au fost recunoscute insolvabil, dar a dat un impuls pentru dezvoltarea de „boom-ul gravitaționale“ pentru apelarea în acest domeniu de studiu a multor experți. Apropo, Joseph Weber însuși până la sfârșitul zilelor sale era sigur că luă valuri gravitaționale.

Îmbunătățirea echipamentului de recepție

În anii `70, omul de știință Bill Fairbank (SUA) a dezvoltat proiectarea unei antene cu undă gravitațională răcită heliu lichid cu ajutorul magnetometrelor suprasensibile SQUID. Tehnologiile existente la acel moment nu au permis inventatorului să-și vadă produsul realizat în "metal".

Prin acest principiu, detectorul gravitațional Auriga se realizează la Laboratorul Național Lloyary (Padua, Italia). Designul se bazează pe un cilindru de aluminiu de 3 metri lungime și 0,6 m în diametru. Dispozitivul de recepție cu greutatea de 2,3 tone este suspendat într-o cameră izolată de vid, care a fost răcită aproape la zero absolută. Un rezonator de kilograme auxiliar și un sistem de măsurare bazat pe calculator sunt utilizate pentru a fixa și detecta vibrațiile. Sensibilitatea declarată a echipamentului 10^-20.

interferometre

Baza pentru funcționarea detectoarelor de interferență a undelor gravitaționale este aceleași principii pe care funcționează interferometrul Michelson. Faza laser emisă de sursă este împărțită în două fluxuri. După mai multe reflecții și deplasări de-a lungul umerilor dispozitivului, fluxurile sunt reunite împreună și de total imaginea de interferență judecați dacă perturbațiile au influențat cursul razele (de exemplu, un val gravitațional). Echipamente similare au fost create în multe țări:

• GEO 600 (Hanovra, Germania). Lungimea tunelurilor sub vid este de 600 de metri.
• TAMA (Japonia) cu umeri la 300 m.
• VIRGO (Pisa, Italia) este un proiect franco-italian comun, lansat în 2007, cu tuneluri de 3 kilometri.
• LIGO (SUA, Coasta Pacificului), care conduce vânătoarea de valuri gravitaționale începând din 2002.

Acestea din urmă ar trebui luate în considerare în detaliu.

LIGO Advanced

Proiectul a fost creat la inițiativa oamenilor de știință din instituțiile tehnologice din Massachusetts și California. Include două observatoare, separate de 3 000 km, în state din Louisiana și Washington (orașele Livingston și Hanford) cu trei interferometre identice. Lungimea tunelurilor vidate perpendiculare este de 4 mii de metri. Acestea sunt cele mai mari astfel de structuri existente în prezent. Până în 2011, numeroasele încercări de detectare a undelor gravitationale nu au produs rezultate. O modernizare substanțială (Advanced LIGO) a crescut sensibilitatea echipamentului în intervalul 300-500 Hz mai mult de cinci ori, iar în regiunea de joasă frecvență (până la 60 Hz) este de aproape un ordin de mărime, atingând o valoare astfel râvnit 10^-21. Proiectul reînnoit a fost lansat în septembrie 2015, iar eforturile a mai mult de o mie de colaboratori au fost recompensate cu rezultatele.

Undele gravitaționale sunt detectate

14 septembrie 2015 avansate detectoare LIGO în 7 ms interval înregistrate ajuns până la undele gravitaționale ale planetei noastre din cele mai mari evenimente care au avut loc la marginea universului observabil - o fuziune a două găuri negre mari, cu mase de 29 și de 36 de ori mai mare decât masa solară. In timpul procesului, care a avut loc peste 1,3 Ga în urmă, într-o chestiune de secunde până la radiații val gravitaționale cheltuit aproximativ trei mase solare de materie. frecvență fixă ​​valuri inițiale gravitaționale la 35 Hz, iar valoarea maximă de vârf a nivelului atins în 250 Hz.

Rezultatele obținute au fost supuse în mod repetat verificării și procesării cuprinzătoare, interpretările alternative ale datelor obținute au fost îndepărtate cu grijă. în cele din urmă, 11 februarie Anul trecut, înregistrarea directă a fenomenului prezis de Einstein a fost anunțată comunității mondiale.

Faptul care ilustrează lucrarea titanică a cercetătorilor: amplitudinea oscilațiilor dimensiunilor brațelor interferometrelor a fost de 10^-19m - această valoare este la fel de mult mai mică decât diametrul atomului, atunci când este mai mică decât o portocalie.

Perspective suplimentare

Această descoperire confirmă încă o dată faptul că teoria generală a relativității - nu este doar un set de formule abstracte, și un aspect complet nou la esența undelor gravitaționale și gravitatea în ansamblu.

In alte studii, oamenii de știință au speranțe mari cu privire la proiectul ELSA: crearea unui interferometru gigant care orbitează cu umerii aproximativ 5 milioane de km, capabile să detecteze chiar perturbatii minore ale câmpurilor gravitaționale. Revitalizarea lucrărilor în această direcție este capabil de a spune multe despre etapele de bază de dezvoltare a universului, procesele, observația că, în benzile tradiționale este dificilă sau imposibilă. Fără îndoială, găurile negre, ale căror valuri gravitaționale vor fi fixate în viitor, vor spune multe despre natura lor.

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