Gravitační vlny, které teoreticky předpověděl Einstein již v roce 1917, stále čekají na svého objevitele.
Profesor fyziky Joseph Weber z Marylandské univerzity na konci roku 1969 učinil senzační prohlášení. Oznámil, že objevil gravitační vlny přicházející na Zemi z hlubin vesmíru. Do té doby žádný vědec taková tvrzení neučinil a samotná možnost detekce takových vln nebyla považována za samozřejmou. Weber byl však známý jako autorita ve svém oboru, a proto jeho kolegové brali jeho zprávu velmi vážně.
Brzy však přišlo zklamání. Amplitudy vln, které údajně zaznamenal Weber, byly milionkrát vyšší než teoretická hodnota. Weber tvrdil, že tyto vlny pocházejí ze středu naší Galaxie, zakrytého prachovými mračny, o kterých se tehdy vědělo jen málo. Astrofyzikové navrhli, že se tam skrývá obří černá díra, která ročně pohltí tisíce hvězd a vyvrhne část absorbované energie ve formě gravitačního záření, a astronomové začali marně pátrat po viditelnějších stopách tohoto kosmického kanibalismu. se nyní prokázalo, že tam skutečně černá díra je, ale vedení se chová celkem slušně). Fyzici z USA, SSSR, Francie, Německa, Anglie a Itálie začali experimentovat na detektorech stejného typu – a ničeho nedosáhli.
Vědci stále nevědí, čemu připsat podivné údaje z Weberových přístrojů. Jeho úsilí však nebylo marné, i když gravitační vlny stále nebyly detekovány. Několik zařízení pro jejich vyhledávání již bylo postaveno nebo se staví a za deset let budou takové detektory vypuštěny do vesmíru. Je docela možné, že v nepříliš vzdálené budoucnosti bude gravitační záření stejně pozorovatelné fyzická realita, jakož i elektromagnetické vibrace. To už se bohužel Joseph Weber nedozví – v září 2000 zemřel.
Co jsou gravitační vlny
Často se říká, že gravitační vlny jsou narušením gravitačního pole šířícího se vesmírem. Tato definice je správná, ale neúplná. Podle obecné teorie relativity gravitace vzniká v důsledku zakřivení časoprostorového kontinua. Gravitační vlny jsou fluktuace časoprostorové metriky, které se projevují jako kolísání gravitačního pole, proto se jim často obrazně říká časoprostorové vlnění. Gravitační vlny teoreticky předpověděl v roce 1917 Albert Einstein. O jejich existenci nikdo nepochybuje, ale gravitační vlny na svého objevitele stále čekají.
Zdrojem gravitačních vln je jakýkoli pohyb hmotných těles, který vede k nerovnoměrné změně gravitační síly v okolním prostoru. Těleso pohybující se konstantní rychlostí nic nevyzařuje, protože povaha jeho gravitačního pole se nemění. K vyzařování gravitačních vln jsou nutná zrychlení, ale ne ledajaká. Válec, který se otáčí kolem své osy symetrie, zažívá zrychlení, ale jeho gravitační pole zůstává rovnoměrné a gravitační vlny nevznikají. Pokud ale roztočíte tento válec kolem jiné osy, pole začne kmitat a gravitační vlny budou z válce probíhat všemi směry.
Tento závěr platí pro každé těleso (nebo soustavu těles), které je asymetrické kolem osy rotace (v takových případech se říká, že těleso má kvadrupólový moment). Hmotný systém, jehož kvadrupólový moment se s časem mění, vždy vysílá gravitační vlny.
Základní vlastnosti gravitačních vln
Astrofyzici předpokládají, že je to záření gravitačních vln, které odebírají energii, co omezuje rychlost rotace masivního pulsaru při pohlcování hmoty ze sousední hvězdy.
Gravitační majáky vesmíru
Gravitační záření z pozemských zdrojů je extrémně slabé. Ocelový sloup o hmotnosti 10 000 tun, zavěšený od středu v horizontální rovině a roztáčený kolem svislé osy až do 600 otáček za minutu, vydává výkon přibližně 10 -24 W. Jedinou nadějí na detekci gravitačních vln je proto nalezení kosmického zdroje gravitačního záření.
V tomto ohledu jsou blízké dvojhvězdy velmi slibné. Důvod je jednoduchý: síla gravitačního záření takového systému roste nepřímo úměrně k páté mocnině jeho průměru. Ještě lepší je, když jsou trajektorie hvězd velmi protáhlé, protože to zvyšuje rychlost změny kvadrupólového momentu. Je docela dobré, když se dvojitý systém skládá z neutronové hvězdy nebo černé díry. Takové systémy jsou podobné gravitační majáky ve vesmíru – jejich záření je periodické.
Ve vesmíru jsou také „pulzní“ zdroje, které generují krátké, ale extrémně silné gravitační výboje. K tomu dochází, když se masivní hvězda zhroutí před výbuchem supernovy. Deformace hvězdy však musí být asymetrická, jinak k záření nedojde. Při kolapsu mohou gravitační vlny odnést až 10 % celkové energie hvězdy! Výkon gravitačního záření je v tomto případě asi 10 50 W. Ještě více energie se uvolňuje při splynutí neutronových hvězd, zde dosahuje špičkový výkon 10 52 W. Vynikajícím zdrojem záření je srážka černých děr: jejich hmotnosti mohou miliardkrát převyšovat hmotnosti neutronových hvězd.
Dalším zdrojem gravitačních vln je kosmologická inflace. Bezprostředně po velkém třesku se vesmír začal extrémně rychle rozpínat a za méně než 10 -34 sekund se jeho průměr zvětšil z 10 -33 cm na svou makroskopickou velikost. Tento proces nezměrně posílil gravitační vlny, které existovaly před jeho začátkem a jejich potomci přetrvávají dodnes.
Nepřímá potvrzení
První důkazy o existenci gravitačních vln pocházejí z práce amerického radioastronoma Josepha Taylora a jeho studenta Russella Hulse. V roce 1974 objevili dvojici neutronových hvězd obíhajících kolem sebe (rádiově emitující pulsar s tichým společníkem). Pulsar se otáčel kolem své osy se stájí úhlová rychlost(což ne vždy platí) a sloužily tedy jako extrémně přesné hodinky. Tato vlastnost umožnila změřit hmotnosti obou hvězd a určit povahu jejich orbitálního pohybu. Ukázalo se, že oběžná doba tohoto binárního systému (asi 3 hodiny 45 minut) se ročně zkracuje o 70 μs. Tato hodnota dobře souhlasí s řešeními rovnic obecné teorie relativity, které popisují ztrátu energie hvězdného páru vlivem gravitačního záření (ke srážce těchto hvězd však nedojde brzy, po 300 milionech let). V roce 1993 byli Taylor a Hulse za tento objev oceněni Nobelovou cenou.
Gravitační vlnové antény
Jak experimentálně detekovat gravitační vlny? Weber jako detektory použil metrové pevné hliníkové válce s piezoelektrickými senzory na koncích. S maximální opatrností byly izolovány od vnějších mechanických vlivů ve vakuové komoře. Weber nainstaloval dva z těchto válců v bunkru pod golfovým hřištěm University of Maryland a jeden v Argonne National Laboratory.
Myšlenka experimentu je jednoduchá. Prostor je stlačován a roztahován vlivem gravitačních vln. Díky tomu válec kmitá v podélném směru, funguje jako gravitační vlnová anténa a piezoelektrické krystaly přeměňují vibrace na elektrické signály. Jakýkoli průchod kosmických gravitačních vln téměř současně ovlivňuje detektory vzdálené tisíce kilometrů, což umožňuje filtrovat gravitační impulsy z různých druhů hluku.
Weberovy senzory dokázaly detekovat posunutí konců válce rovnající se pouze 10 -15 jeho délky - v tomto případě 10 -13 cm. Právě takové výkyvy dokázal Weber detekovat, o čemž poprvé informoval v roce 1959 na stránky Fyzické kontrolní dopisy. Všechny pokusy zopakovat tyto výsledky byly marné. Weberova data také odporují teorii, která prakticky neumožňuje očekávat relativní posuny nad 10 -18 (a hodnoty menší než 10 -20 jsou mnohem pravděpodobnější). Je možné, že Weber udělal chybu, když statistické zpracování Výsledek. První pokus o experimentální detekci gravitačního záření skončil neúspěchem.
Následně byly antény gravitačních vln výrazně vylepšeny. V roce 1967 navrhl americký fyzik Bill Fairbank jejich chlazení v kapalném heliu. To nejen umožnilo zbavit se většiny tepelného šumu, ale také otevřelo možnost použití SQUID (supravodivé kvantové interferometry), nejpřesnějších ultracitlivých magnetometrů. Ukázalo se, že realizace tohoto nápadu byla zatížena mnoha technickými potížemi a sám Fairbank se toho nedožil. Na začátku 80. let postavili fyzici ze Stanfordské univerzity instalaci s citlivostí 10 -18, ale nebyly detekovány žádné vlny. Nyní v řadě zemí existují ultrakryogenní vibrační detektory gravitačních vln pracující při teplotách pouze desetin a setin stupně nad absolutní nulou. Jedná se například o instalaci AURIGA v Padově. Anténou pro něj je třímetrový válec ze slitiny hliníku a hořčíku, jehož průměr je 60 cm a hmotnost 2,3 t. Je zavěšen ve vakuové komoře chlazené na 0,1 K. Jeho otřesy (s frekvencí asi 1000 Hz) jsou přenášeny na pomocný rezonátor o hmotnosti 1 kg, který kmitá se stejnou frekvencí, ale s mnohem větší amplitudou. Tyto vibrace jsou zaznamenávány měřicím zařízením a analyzovány pomocí počítače. Citlivost komplexu AURIGA je asi 10 -20 -10 -21.
Interferometry
Další metoda pro detekci gravitačních vln je založena na opuštění masivních rezonátorů ve prospěch světelných paprsků. Poprvé jej navrhli sovětští fyzici Michail Herzenstein a Vladislav Pustovoit v roce 1962 a o dva roky později Weber. Počátkem 70. let zaměstnanec výzkumné laboratoře korporace Letadla Hughes Robert Forward (bývalý postgraduální student Weber, později velmi slavný spisovatel sci-fi) sestrojil první takový detektor s celkem slušnou citlivostí. Profesor Massachusetts Institute of Technology (MIT) Rainer Weiss zároveň provedl velmi hluboký teoretický rozbor možností záznamu gravitačních vln pomocí optických metod.
Tyto metody zahrnují použití analogů zařízení, se kterým před 125 lety fyzik Albert Michelson dokázal, že rychlost světla je ve všech směrech přísně stejná. V této instalaci Michelsonova interferometru dopadá paprsek světla na průsvitnou desku a je rozdělen na dva vzájemně kolmé paprsky, které se odrážejí od zrcadel umístěných ve stejné vzdálenosti od desky. Poté se paprsky opět spojí a dopadají na obrazovku, kde se objeví interferenční obrazec (světlé a tmavé pruhy a čáry). Pokud rychlost světla závisí na jeho směru, pak by se při otočení celé instalace měl tento obrázek změnit, pokud ne, měl by zůstat stejný jako předtím.
Obdobně funguje i detektor rušení gravitačních vln. Procházející vlna deformuje prostor a mění délku každého ramene interferometru (dráha, po které se světlo šíří od rozdělovače k zrcadlu), přičemž jedno rameno natahuje a druhé stlačuje. Interferenční vzor se mění a lze to registrovat. Ale to není jednoduché: pokud je očekávaná relativní změna délky ramen interferometru 10 -20, pak při stolních rozměrech zařízení (jako je Michelsonovo) to má za následek oscilace s amplitudou řádově 10 - 18 cm.Pro srovnání: vlny viditelné světlo 10 bilionkrát déle! Délku ramen můžete prodloužit na několik kilometrů, ale problémy zůstanou. Laserový světelný zdroj musí být výkonný a frekvenčně stabilní, zrcadla musí být dokonale plochá a dokonale odrazivá, podtlak v trubkách, kterými se světlo šíří, musí být co nejhlubší a musí být zajištěna mechanická stabilizace celého systému. opravdu dokonalé. Stručně řečeno, detektor rušení gravitačních vln je drahé a objemné zařízení.
Dnes je největší instalací tohoto druhu americký komplex LIGO (Light Interferometer Gravitation Waves Observatory). Skládá se ze dvou observatoří, z nichž jedna se nachází na tichomořském pobřeží Spojených států a druhá poblíž Mexický záliv. Měření se provádí pomocí tří interferometrů (dva ve státě Washington, jeden v Louisianě) s rameny dlouhými čtyři kilometry. Instalace je vybavena zrcadlovými světelnými akumulátory, které zvyšují její citlivost. "Od listopadu 2005 všechny tři naše interferometry fungují normálně," řekl pro Popular Mechanics zástupce komplexu LIGO Peter Solson, profesor fyziky na Syracuse University. - Neustále si vyměňujeme data s jinými observatořemi, které se snaží detekovat gravitační vlny s frekvencí desítek a stovek hertzů, které vznikly při nejsilnějších explozích supernov a slučování neutronových hvězd a černých děr. V současné době je v provozu německý interferometr GEO 600 (délka ramene - 600 m), který se nachází 25 km od Hannoveru. V současné době probíhá modernizace 300metrového japonského nástroje TAMA. Tříkilometrový detektor Panny poblíž Pisy se k tomuto úsilí připojí začátkem roku 2007 a na frekvencích pod 50 Hz bude schopen překonat LIGO. Instalace s ultrakryogenními rezonátory pracují se zvyšující se účinností, i když jejich citlivost je stále o něco nižší než naše.“
Vyhlídky
Co čeká blízká budoucnost pro metody detekce gravitačních vln? Profesor Rainer Weiss k tomu pro Popular Mechanics řekl: „Za pár let budou v observatořích komplexu LIGO instalovány výkonnější lasery a pokročilejší detektory, což povede k 15násobnému zvýšení citlivosti. Nyní je to 10 -21 (při frekvencích asi 100 Hz) a po modernizaci překročí 10 -22. Modernizovaný komplex Advanced LIGO zvýší hloubku průniku do vesmíru 15krát. Profesor Moskevské státní univerzity Vladimir Braginskij, jeden z průkopníků ve studiu gravitačních vln, se aktivně podílí na tomto projektu.
Start vesmírného interferometru LISA je plánován na polovinu příští dekády ( Laserová interferometrová vesmírná anténa) s ramenem o délce 5 milionů kilometrů jde o společný projekt NASA a Evropské vesmírné agentury. Citlivost této observatoře bude stokrát vyšší než schopnosti pozemních přístrojů. Primárně je určen k vyhledávání nízkofrekvenčních (10 -4 -10 -1 Hz) gravitačních vln, které nelze na zemském povrchu detekovat z důvodu atmosférické a seismické interference. Takové vlny vyzařují dvojnásobek hvězdné systémy, zcela typických obyvatel Vesmíru. LISA bude také schopna detekovat gravitační vlny generované, když jsou obyčejné hvězdy absorbovány černými dírami. Ale k detekci reliktních gravitačních vln, které nesou informace o stavu hmoty v prvních okamžicích po Velkém třesku, budou s největší pravděpodobností zapotřebí pokročilejší vesmírné přístroje. Taková instalace Pozorovatel velkého třesku, se v současné době diskutuje, ale je nepravděpodobné, že bude vytvořen a spuštěn dříve než za 30–40 let.“
Ve čtvrtek 11. února oznámila, že se jim to podařilo, skupina vědců z mezinárodního projektu LIGO Scientific Collaboration, jehož existenci předpověděl Albert Einstein už v roce 1916. Podle vědců zaznamenali 14. září 2015 gravitační vlnu, která byla způsobena srážkou dvou černých děr o hmotnosti 29 a 36násobku hmotnosti Slunce, načež se spojily v jednu velkou černou díru. Podle nich se to údajně stalo před 1,3 miliardami let ve vzdálenosti 410 megaparseků od naší galaxie.
LIGA.net podrobně hovořila o gravitačních vlnách a rozsáhlém objevu Bogdan Hnatyk, ukrajinský vědec, astrofyzik, doktor fyzikálních a matematických věd, moderátor Výzkumník Astronomická observatoř v Kyjevě národní univerzitě pojmenovaná po Tarasovi Ševčenkovi, který stál v čele observatoře v letech 2001 až 2004.
Teorie jednoduchým jazykem
Fyzika studuje interakci mezi tělesy. Bylo zjištěno, že existují čtyři typy interakce mezi tělesy: elektromagnetická, silná a slabá jaderná interakce a gravitační interakce, kterou všichni pociťujeme. Vlivem gravitační interakce se planety točí kolem Slunce, tělesa mají váhu a padají k zemi. Lidé jsou neustále konfrontováni s gravitační interakcí.
V roce 1916, před 100 lety, Albert Einstein sestavil teorii gravitace, která zdokonalila Newtonovu teorii gravitace, učinila ji matematicky správnou: začala splňovat všechny požadavky fyziky a začala brát v úvahu skutečnost, že gravitace se šíří velmi rychle. vysoká, ale konečná rychlost. To je právem jeden z největších Einsteinových úspěchů, protože vybudoval teorii gravitace, která odpovídá všem jevům fyziky, které dnes pozorujeme.
Tato teorie také naznačovala existenci gravitační vlny. Základem této předpovědi bylo, že gravitační vlny existují jako výsledek gravitační interakce, ke které dochází v důsledku sloučení dvou masivních těles.
Co je to gravitační vlna
Obtížný jazyk toto je excitace časoprostorové metriky. "Řekněme, že prostor má určitou pružnost a mohou jím protékat vlny. Je to podobné, jako když hodíme oblázek do vody a vlny se z něj rozletí," řekl doktor fyzikálních a matematických věd LIGA.net.
Vědcům se podařilo experimentálně dokázat, že ve Vesmíru probíhala podobná oscilace a gravitační vlna probíhala všemi směry. „Astrofyzicky byl poprvé zaznamenán fenomén tak katastrofálního vývoje binárního systému, kdy se dva objekty spojí v jeden a toto spojení vede k velmi intenzivnímu uvolnění gravitační energie, která se pak šíří prostorem ve tvaru gravitačních vln,“ vysvětlil vědec.
Jak to vypadá (foto - EPA)
Tyto gravitační vlny jsou velmi slabé a aby mohly otřásat časoprostorem, je nutná interakce velmi velkých a hmotných těles, aby intenzita gravitačního pole byla v místě generování vysoká. Ale i přes jejich slabost pozorovatel po určité době (rovné vzdálenosti k interakci dělené rychlostí signálu) tuto gravitační vlnu zaregistruje.
Uveďme příklad: kdyby Země dopadla na Slunce, pak by došlo ke gravitační interakci: gravitační energie by se uvolnila, vznikla by gravitační sféricky symetrická vlna a pozorovatel by ji mohl zaregistrovat. "Podobný, ale z hlediska astrofyziky unikátní jev se zde odehrál: srazila se dvě masivní tělesa - dvě černé díry," poznamenal Gnatyk.
Vraťme se k teorii
Černá díra je další předpovědí Einsteinovy obecné teorie relativity, která předpokládá, že těleso, které má obrovskou hmotnost, ale tato hmotnost je soustředěna v malém objemu, je schopno výrazně deformovat prostor kolem sebe až do svého uzavření. To znamená, že se předpokládalo, že když se dosáhne kritické koncentrace hmoty tohoto tělesa - taková, že velikost tělesa bude menší než tzv. gravitační poloměr, pak se prostor kolem tohoto tělesa uzavře a jeho topologie bude takový, že žádný signál se z něj nebude šířit mimo uzavřený prostor nemůže.
"To je černá díra, jednoduchými slovy, je masivní objekt, který je tak těžký, že kolem sebe uzavírá časoprostor,“ říká vědec.
A my podle něj můžeme tomuto objektu vysílat jakékoli signály, ale on je nemůže vysílat k nám. To znamená, že žádné signály nemohou jít za černou díru.
Černá díra žije podle běžných fyzikálních zákonů, ale ve výsledku silná gravitace, žádný hmotné tělo dokonce ani foton není schopen překročit tento kritický povrch. Černé díry vznikají během evoluce obyčejných hvězd, kdy se centrální jádro zhroutí a část hmoty hvězdy se zhroucením promění v černou díru a druhá část hvězdy je vyvržena v podobě obalu supernovy a promění se v takzvaný „výbuch“ supernovy.
Jak jsme viděli gravitační vlnu
Uveďme příklad. Když máme na hladině dva plováky a voda je klidná, vzdálenost mezi nimi je konstantní. Když vlna dorazí, přemístí tyto plováky a vzdálenost mezi plováky se změní. Vlna prošla - a plováky se vrátí do svých předchozích pozic a vzdálenost mezi nimi je obnovena.
Gravitační vlna se šíří v časoprostoru podobným způsobem: stlačuje a natahuje tělesa a předměty, které se na její dráze setkávají. "Při setkání s určitým objektem po dráze vlny se deformuje podél svých os a po průchodu se vrátí do předchozího tvaru. Vlivem gravitační vlny se všechna tělesa deformují, ale tyto deformace jsou velmi bezvýznamné,“ říká Gnatyk.
Když vlna, kterou vědci zaznamenali, prošla, relativní velikost těles ve vesmíru se změnila o hodnotu řádově 1 krát 10 na mínus 21. Například, když vezmete metrové pravítko, pak se zmenšilo o hodnotu, která je jeho velikostí vynásobenou 10 na mínus 21. To je velmi malé množství. A problém byl v tom, že se vědci potřebovali naučit tuto vzdálenost měřit. Konvenční metody dávaly přesnost řádově 1 ku 10 až 9. mocnině milionů, ale zde je potřeba mnohem vyšší přesnost. Za tímto účelem byly vytvořeny tzv. gravitační antény (detektory gravitačních vln).
Observatoř LIGO (foto - EPA)
Anténa, která zaznamenávala gravitační vlny, je postavena tímto způsobem: jsou zde dvě trubky o délce přibližně 4 kilometry umístěné ve tvaru písmene „L“, ale se stejnými rameny a v pravém úhlu. Když gravitační vlna narazí na systém, deformuje křídla antény, ale v závislosti na její orientaci deformuje jedno více a druhé méně. A pak vznikne dráhový rozdíl, změní se interferenční obrazec signálu - objeví se celková kladná nebo záporná amplituda.
„To znamená, že průchod gravitační vlny je podobný vlně na vodě procházející mezi dvěma plováky: kdybychom změřili vzdálenost mezi nimi během a po průchodu vlny, viděli bychom, že se vzdálenost změní, a pak se stane znovu to samé.“ řekl Gnatyk.
Zde se měří relativní změna vzdálenosti dvou křídel interferometru, z nichž každé je dlouhé asi 4 kilometry. A jen velmi přesné technologie a systémy dokážou změřit takový mikroskopický posun křídel způsobený gravitační vlnou.
Na okraji vesmíru: odkud se vzala vlna?
Signál vědci zaznamenali pomocí dvou detektorů, které se nacházejí ve dvou státech USA: Louisiana a Washington, ve vzdálenosti asi 3 tisíce kilometrů. Vědci byli schopni odhadnout, odkud a z jaké vzdálenosti tento signál přišel. Odhady ukazují, že signál přišel ze vzdálenosti 410 megapixelů. Megaparsek je vzdálenost, kterou světlo urazí za tři miliony let.
Pro snazší představu: nejbližší aktivní galaxií k nám se supermasivní černou dírou ve středu je Centaurus A, který se nachází ve vzdálenosti čtyř megaparseků od naší, zatímco mlhovina Andromeda je ve vzdálenosti 0,7 megaparseku. "To znamená, že vzdálenost, ze které přišel signál gravitační vlny, je tak velká, že signál cestoval na Zemi přibližně 1,3 miliardy let. To jsou kosmologické vzdálenosti, které dosahují asi 10 % horizontu našeho vesmíru," řekl vědec.
V této vzdálenosti se v nějaké vzdálené galaxii spojily dvě černé díry. Tyto otvory byly na jedné straně relativně malé velikosti a na druhé straně velká amplituda signálu naznačuje, že byly velmi těžké. Bylo zjištěno, že jejich hmotnosti byly 36 a 29 hmotností Slunce. Hmotnost Slunce, jak známo, se rovná 2 krát 10 až 30 mocnině kilogramu. Po sloučení se tato dvě tělesa spojila a nyní na jejich místě vznikla jediná černá díra, která má hmotnost rovnou 62 hmotnostem Slunce. Ve stejnou dobu vystříkly přibližně tři hmoty Slunce ve formě energie gravitačních vln.
Kdo a kdy to objevil
Vědcům z mezinárodního projektu LIGO se 14. září 2015 podařilo odhalit gravitační vlnu. LIGO (Laser Interferometry Gravitation Observatory) je mezinárodní projekt, na kterém se podílí řada států s určitým finančním a vědeckým příspěvkem, zejména USA, Itálie, Japonsko, které jsou v oblasti tohoto výzkumu pokročilé.
Profesoři Rainer Weiss a Kip Thorne (foto - EPA)
Byl zaznamenán následující obrázek: křídla gravitačního detektoru se posunula v důsledku skutečného průchodu gravitační vlny naší planetou a touto instalací. To se tehdy nehlásilo, protože signál bylo nutné zpracovat, „vyčistit“, najít a zkontrolovat jeho amplitudu. Toto je standardní postup: od skutečný objev, před oznámením otevření uplyne několik měsíců k vydání odůvodněného prohlášení. "Nikdo si nechce kazit pověst. Všechno jsou to tajná data, před jejichž zveřejněním o nich nikdo nevěděl, byly jen fámy," poznamenal Hnatyk.
Příběh
Gravitační vlny jsou studovány od 70. let minulého století. Během této doby vznikla řada detektorů a řada základní výzkum. Americký vědec Joseph Weber sestrojil v 80. letech první gravitační anténu v podobě hliníkového válce o velikosti asi několika metrů, vybavenou piezo senzory, které měly zaznamenávat průchod gravitační vlny.
Citlivost tohoto zařízení byla milionkrát horší než u současných detektorů. A samozřejmě tehdy nemohl vlnu skutečně detekovat, ačkoli Weber prohlásil, že to udělal: tisk o tom napsal a nastal „gravitační boom“ - svět okamžitě začal stavět gravitační antény. Weber povzbudil další vědce, aby se chopili gravitačních vln a pokračovali v experimentech na tomto jevu, což umožnilo milionkrát zvýšit citlivost detektorů.
Samotný fenomén gravitačních vln byl ale zaznamenán v minulém století, kdy vědci objevili dvojitý pulsar. Jednalo se o nepřímý záznam skutečnosti, že existují gravitační vlny, prokázané astronomickými pozorováními. Pulsar objevili Russell Hulse a Joseph Taylor v roce 1974 během pozorování radioteleskopem Arecibo Observatory. Vědci byli v roce 1993 oceněni Nobelovou cenou „za objev nového typu pulsaru, který poskytl nové možnosti ve studiu gravitace“.
Výzkum ve světě a na Ukrajině
V Itálii se podobný projekt s názvem Virgo blíží ke konci. Podobný detektor hodlá za rok spustit i Japonsko a takový experiment chystá i Indie. To znamená, že podobné detektory existují v mnoha částech světa, ale ještě nedosáhly režimu citlivosti, abychom mohli mluvit o detekci gravitačních vln.
"Ukrajina oficiálně není součástí LIGO a také se nepodílí na italských a japonských projektech. Mezi takové zásadní oblasti patří nyní Ukrajina v projektu LHC (Large Hadron Collider) a v CERNu (oficiálně se staneme pouze účastníkem po zaplacení vstupného) “, řekl LIGA.net doktor fyzikálních a matematických věd Bohdan Gnatyk.
Ukrajina je podle něj od roku 2015 řádným členem mezinárodní spolupráce CTA (Cerenkov Telescope Array), která buduje moderní multi teleskop TeV dlouhý dosah gama (s energiemi fotonů až 1014 eV). "Hlavními zdroji těchto fotonů je právě okolí supermasivních černých děr, jejichž gravitační záření bylo poprvé zaznamenáno detektorem LIGO. Proto se otevírá nová okna v astronomii - gravitační vlna a multi TeV„Elektromagnetická technologie nogo nám v budoucnu slibuje mnoho dalších objevů,“ dodává vědec.
Co bude dál a jak nové poznatky pomohou lidem? Vědci nesouhlasí. Někteří říkají, že je to jen další krok k pochopení mechanismů vesmíru. Jiní to považují za první kroky k novým technologiím pro pohyb v čase a prostoru. Tak či onak, tento objev znovu prokázal, jak málo rozumíme a kolik se toho ještě musíme naučit.
Volný povrch kapaliny v rovnováze v gravitačním poli je plochý. Pokud se vlivem nějakého vnějšího vlivu povrch kapaliny v některém místě vyjme z rovnovážné polohy, dochází v kapalině k pohybu. Tento pohyb se bude šířit po celém povrchu kapaliny ve formě vln, nazývaných gravitační vlny, protože jsou způsobeny působením gravitačního pole. Gravitační vlny se vyskytují především na povrchu kapaliny, její vnitřní vrstvy zachycují tím méně, čím hlouběji jsou tyto vrstvy umístěny.
Budeme zde uvažovat gravitační vlny, ve kterých je rychlost pohybujících se částic tekutiny tak malá, že člen v Eulerově rovnici lze zanedbat ve srovnání s Je snadné zjistit, co tato podmínka fyzikálně znamená. Během časového úseku řádově periody kmitů prováděných částicemi kapaliny ve vlně urazí tyto částice vzdálenost řádově amplitudy a vlny, proto je rychlost jejich pohybu řádově Rychlost v se znatelně mění v časových intervalech řádově a na vzdálenostech řádově ve směru šíření vlny ( - délkové vlny). Derivace rychlosti vzhledem k času je tedy řádově a vzhledem k souřadnicím řádově Tedy podmínka je ekvivalentní požadavku
to znamená, že amplituda oscilací ve vlně by měla být malá ve srovnání s vlnovou délkou. V § 9 jsme viděli, že pokud lze člen v pohybové rovnici zanedbat, pak je pohyb tekutiny potenciální. Za předpokladu, že tekutina je nestlačitelná, můžeme tedy použít rovnice (10.6) a (10.7). V rovnici (10.7) nyní můžeme zanedbat člen obsahující druhou mocninu rychlosti; vložením a zavedením termínu do gravitačního pole dostaneme:
(12,2)
Osu volíme jako obvykle svisle vzhůru a jako rovinu x, y volíme rovnovážný plochý povrch kapaliny.
Budeme označovat - souřadnici bodů na povrchu kapaliny ; je funkcí souřadnic x, y a času t. V rovnováze dochází k vertikálnímu posunu povrchu kapaliny, když osciluje.
Nechte působit na povrch kapaliny konstantní tlak Pak máme na povrchu podle (12.2)
Konstantu lze eliminovat předefinováním potenciálu (přičtením k němu množství nezávislého na souřadnicích. Pak podmínka na povrchu kapaliny nabývá tvaru
Malá amplituda kmitů ve vlně znamená, že výchylka je malá. Můžeme tedy se stejnou aproximací předpokládat, že vertikální složka rychlosti pohybu povrchových bodů se shoduje s časovou derivací posunutí.
Vzhledem k malému kmitání je možné v tomto stavu vzít místo toho hodnoty derivací, takže nakonec získáme následující soustavu rovnic, které určují pohyb v gravitační vlně:
Budeme uvažovat vlny na povrchu kapaliny, přičemž tento povrch budeme považovat za neohraničený. Budeme také předpokládat, že vlnová délka je malá ve srovnání s hloubkou kapaliny; kapalina pak může být považována za nekonečně hlubokou. Okrajové podmínky tedy nepíšeme na bočních hranicích a na dně kapaliny.
Uvažujme gravitační vlnu šířící se podél osy a rovnoměrnou podél osy, v takové vlně nejsou všechny veličiny závislé na souřadnici y. Budeme hledat řešení, které je jednoduchou periodickou funkcí času a souřadnice x:
kde ( je cyklická frekvence (budeme o ní mluvit zjednodušeně jako o frekvenci), k je vlnový vektor vlny, je vlnová délka. Dosazením tohoto výrazu do rovnice získáme rovnici pro funkci
Jeho roztok, rozpadající se do hloubky kapaliny (tj.
Musíme také splnit okrajovou podmínku (12.5), dosadíme-li do ní (12.5), zjistíme souvislost mezi frekvencí b a vlnovým vektorem (neboli, jak se říká, zákon rozptylu vln):
Rozložení rychlostí v kapalině se získá diferencováním potenciálu podél souřadnic:
Vidíme, že rychlost klesá exponenciálně směrem k hloubce kapaliny. V každém daném bodě prostoru (tj. pro dané x, z) se vektor rychlosti otáčí rovnoměrně v rovině x, přičemž velikost zůstává konstantní.
Určeme také dráhu částic kapaliny ve vlně. Označme dočasně x, z souřadnice pohybující se částice kapaliny (a nikoli souřadnice pevného bodu v prostoru) a - hodnoty x pro rovnovážnou polohu částice. Pak a na pravou stranu (12.8) může být přibližně zapsáno místo , s využitím malé velikosti oscilací. Integrace v průběhu času pak dává:
Částice kapaliny tedy popisují kruhy kolem bodů s poloměrem, který se směrem k hloubce kapaliny exponenciálně zmenšuje.
Rychlost šíření vln U je stejná, jak bude ukázáno v § 67. Dosazením zde zjistíme, že rychlost šíření gravitačních vln na neomezeném povrchu nekonečně hluboké kapaliny je rovna
Zvyšuje se s rostoucí vlnovou délkou.
Dlouhé gravitační vlny
Po zvážení gravitačních vln, jejichž délka je ve srovnání s hloubkou kapaliny malá, se nyní budeme zabývat opačným limitním případem vln, jejichž délka je ve srovnání s hloubkou kapaliny velká.
Takové vlny se nazývají dlouhé.
Podívejme se nejprve na šíření dlouhých vln v kanálu. Délku kanálu (směrovaného podle osy x) budeme považovat za neomezenou, průřez kanálu může mít libovolný tvar a může se po jeho délce měnit. Náměstí průřez Kapalinu v kanálku označujeme Hloubka a šířka kanálu se předpokládá jako malá ve srovnání s vlnovou délkou.
Budeme zde uvažovat podélné dlouhé vlny, ve kterých se kapalina pohybuje podél kanálu. V takových vlnách je složka rychlosti podél délky kanálu velká ve srovnání se složkami
Jednoduše označíme v a vynecháme malé členy, můžeme -složku Eulerovy rovnice napsat jako
a-komponenta - ve tvaru
(vynecháme termíny kvadratické v rychlosti, protože amplituda vlny je stále považována za malou). Z druhé rovnice máme s tím, že na volné ploše ) by mělo být
Dosazením tohoto výrazu do první rovnice dostaneme:
Druhou rovnici pro určení dvou neznámých lze odvodit pomocí metody podobné odvození rovnice kontinuity. Tato rovnice je v podstatě rovnicí kontinuity aplikovanou na uvažovaný případ. Uvažujme objem kapaliny uzavřené mezi dvěma rovinami průřezu kanálu umístěnými ve vzájemné vzdálenosti. Za jednotku času jednou rovinou vstoupí objem kapaliny rovný a druhou rovinou vystoupí objem. Proto se objem kapaliny mezi oběma rovinami změní o
11. února 2016Jen před pár hodinami dorazila zpráva, na kterou se ve vědeckém světě dlouho čekalo. Skupina vědců z několika zemí pracujících v rámci mezinárodního projektu LIGO Scientific Collaboration tvrdí, že pomocí několika detektorových observatoří byli schopni detekovat gravitační vlny v laboratorních podmínkách.
Analyzují data pocházející ze dvou laserových interferometrových observatoří gravitačních vln (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO), které se nacházejí ve státech Louisiana a Washington ve Spojených státech.
Jak bylo uvedeno na tiskové konferenci projektu LIGO, gravitační vlny byly detekovány 14. září 2015 nejprve na jedné observatoři a poté o 7 milisekund později na další.
Na základě analýzy získaných dat, kterou provedli vědci z mnoha zemí včetně Ruska, bylo zjištěno, že gravitační vlna byla způsobena srážkou dvou černých děr o hmotnosti 29 a 36násobku hmotnosti. Slunce. Poté se spojili do jedné velké černé díry.
Stalo se to před 1,3 miliardami let. Signál přišel na Zemi ze směru souhvězdí Magellanova mračna.
Sergej Popov (astrofyzik ze Sternberg State Astronomical Institute Moskevské státní univerzity) vysvětlil, co jsou gravitační vlny a proč je tak důležité je měřit.
Moderní teorie gravitace jsou geometrické teorie gravitace, víceméně vše z teorie relativity. Geometrické vlastnosti prostoru ovlivňují pohyb těles nebo předmětů jako je světelný paprsek. A naopak - rozložení energie (to je stejné jako hmota v prostoru) ovlivňuje geometrické vlastnosti prostor. To je velmi cool, protože je snadné si to představit - celá tato elastická rovina lemovaná v krabici má nějaký fyzický význam, i když samozřejmě není vše tak doslovné.
Fyzici používají slovo „metrický“. Metrika je něco, co popisuje geometrické vlastnosti prostoru. A tady máme těla pohybující se zrychlením. Nejjednodušší je okurku otočit. Důležité je, aby to nebyla např. koule nebo zploštělý kotouč. Je snadné si představit, že když se taková okurka točí na pružné rovině, budou z ní běhat vlnky. Představte si, že někde stojíte a okurka se otočí jedním koncem k vám, pak druhým. Různým způsobem ovlivňuje prostor a čas, probíhá gravitační vlna.
Gravitační vlna je tedy vlnění probíhající podél metriky časoprostoru.
Korálky ve vesmíru
To je základní vlastnost našeho základního chápání toho, jak funguje gravitace, a lidé ji chtějí otestovat už sto let. Chtějí se ujistit, že existuje účinek a že je v laboratoři viditelný. To bylo vidět v přírodě asi před třemi desetiletími. Jak by se měly gravitační vlny projevovat v běžném životě?
Nejjednodušší způsob, jak to ilustrovat, je tento: pokud kuličky hodíte do prostoru tak, že leží v kruhu, a když gravitační vlna projde kolmo k jejich rovině, začnou se měnit v elipsu, stlačenou nejprve v jednom směru, pak v tom druhém. Jde o to, že prostor kolem nich bude narušen a oni to pocítí.
"G" na Zemi
Lidé něco takového dělají, jen ne ve vesmíru, ale na Zemi.
Zrcadla ve tvaru písmene „g“ [odkazující na americké observatoře LIGO] visí ve vzdálenosti čtyř kilometrů od sebe.
Laserové paprsky běží – to je interferometr, dobře srozumitelná věc. Moderní technologie vám umožní měřit fantasticky malý efekt. Pořád to není tak, že bych tomu nevěřil, věřím tomu, ale prostě si to nemůžu omotat hlavou - posunutí zrcadel visících ve vzdálenosti čtyř kilometrů od sebe je menší než velikost atomové jádro. To je malé i ve srovnání s vlnovou délkou tohoto laseru. To byl háček: gravitace je nejslabší interakce, a proto jsou posuny velmi malé.
Trvalo to velmi dlouho, lidé se o to pokoušeli už od 70. let minulého století, celý život hledali gravitační vlny. A nyní jen technické možnosti umožňují v laboratorních podmínkách registrovat gravitační vlnu, to znamená, že sem přišla a zrcadla se posunula.
Směr
Do roka, pokud vše půjde dobře, budou na světě fungovat již tři detektory. Tři detektory jsou velmi důležité, protože tyto věci jsou velmi špatné při určování směru signálu. V podstatě stejným způsobem, jako jsme špatní v určování směru zdroje sluchem. „Zvuk odněkud zprava“ – tyto detektory zaznamenají něco takového. Pokud ale tři lidé stojí v určité vzdálenosti od sebe a jeden slyší zvuk zprava, další zleva a třetí zezadu, pak můžeme velmi přesně určit směr zvuku. Čím více detektorů bude, tím více budou rozptýleny po celé zeměkouli, tím přesněji budeme schopni určit směr zdroje a poté začne astronomie.
Konečným cílem totiž není jen potvrzení obecné teorie relativity, ale také získání nových astronomických poznatků. Jen si představte, že existuje černá díra o hmotnosti deseti slunečních hmotností. A srazí se s další černou dírou o hmotnosti deseti slunečních hmotností. Ke srážce dochází rychlostí světla. Energetický průlom. To je pravda. Je toho fantastické množství. A neexistuje žádný způsob... Jsou to jen vlnky prostoru a času. Řekl bych, že detekce sloučení dvou černých děr je na dlouhou dobu bude zatím nejsilnějším důkazem toho, že černé díry jsou přesně takové, jaké si myslíme, že jsou.
Pojďme si projít problémy a jevy, které by mohla odhalit.
Opravdu černé díry existují?
Signál očekávaný od oznámení LIGO mohl být produkován dvěma sloučením černých děr. Takové události jsou ty nejenergičtější známé; síla jimi vyzařovaných gravitačních vln může nakrátko zastínit všechny hvězdy v pozorovatelném vesmíru dohromady. Sloučení černých děr je také docela snadné interpretovat z jejich velmi čistých gravitačních vln.
Ke splynutí černých děr dochází, když se dvě černé díry spirálovitě obejdou kolem sebe a vyzařují energii ve formě gravitačních vln. Tyto vlny mají charakteristický zvuk (cvrlikání), který lze použít k měření hmotnosti těchto dvou objektů. Poté se černé díry obvykle spojí.
„Představte si dvě mýdlové bubliny, které se přiblíží tak blízko, že vytvoří jednu bublinu. Větší bublina je deformovaná,“ říká Tybalt Damour, teoretik gravitace z Institutu pro pokročilé vědecký výzkum poblíž Paříže. Finální černá díra bude dokonale kulovitá, ale nejprve musí vysílat předvídatelné typy gravitačních vln.
Jedním z nejdůležitějších vědeckých důsledků detekce sloučení černých děr bude potvrzení existence černých děr – alespoň dokonale kulatých objektů sestávajících z čistého, prázdného, zakřiveného časoprostoru, jak předpověděl obecná teorie relativita. Dalším důsledkem je, že fúze probíhá tak, jak vědci předpovídali. Astronomové mají o tomto jevu mnoho nepřímých důkazů, ale zatím se jednalo o pozorování hvězd a přehřátého plynu na oběžné dráze černých děr, nikoli o samotné černé díry.
„Vědecká komunita, včetně mě, nemá ráda černé díry. Považujeme je za samozřejmost, říká France Pretorius, specialista na simulaci obecné teorie relativity z Princetonské univerzity v New Jersey. "Ale když se zamyslíme nad tím, jak úžasná je tato předpověď, potřebujeme nějaký skutečně úžasný důkaz."
Pohybují se gravitační vlny rychlostí světla?
Když vědci začnou srovnávat pozorování LIGO s těmi z jiných dalekohledů, první věc, kterou zkontrolují, je, zda signál dorazil ve stejnou dobu. Fyzici se domnívají, že gravitaci přenášejí částice gravitonu, gravitační obdoba fotonů. Pokud, stejně jako fotony, tyto částice nemají žádnou hmotnost, pak se gravitační vlny budou pohybovat rychlostí světla, což odpovídá předpovědi rychlosti gravitačních vln v klasické relativitě. (Jejich rychlost může být ovlivněna zrychlujícím se rozpínáním Vesmíru, ale to by mělo být patrné ve vzdálenostech výrazně větších, než jaké pokrývá LIGO).
Je však docela možné, že gravitony mají malou hmotnost, což znamená, že gravitační vlny se budou pohybovat rychlostí menší než světlo. Pokud tedy například LIGO a Panna detekují gravitační vlny a zjistí, že vlny dorazily na Zemi po gama paprskech spojených s kosmickou událostí, mohlo by to mít zásadní důsledky pro základní fyziku.
Je časoprostor tvořen kosmickými strunami?
Ještě podivnější objev by mohl nastat, pokud by byly nalezeny výbuchy gravitačních vln vycházející z „kosmických strun“. Tyto hypotetické defekty v zakřivení časoprostoru, které mohou, ale nemusí souviset s teoriemi strun, by měly být nekonečně tenké, ale natažené do kosmických vzdáleností. Vědci předpovídají, že vesmírné struny, pokud existují, se mohou náhodně ohnout; pokud by se struna ohnula, způsobilo by to gravitační ráz, který by detektory jako LIGO nebo Virgo mohly měřit.
Mohou být neutronové hvězdy hrudkovité?
Neutronové hvězdy jsou pozůstatky velkých hvězd, které se zhroutily vlastní vahou a staly se tak hustými, že se elektrony a protony začaly slučovat do neutronů. Vědci málo rozumějí fyzice neutronových děr, ale gravitační vlny by nám o nich mohly hodně prozradit. Například intenzivní gravitace na jejich povrchu způsobuje, že neutronové hvězdy se stávají téměř dokonale sférickými. Někteří vědci se však domnívají, že mohou existovat také „hory“ – několik milimetrů vysoké – díky nimž jsou tyto husté objekty, jejichž průměr nepřesahuje 10 kilometrů, mírně asymetrické. Neutronové hvězdy se typicky točí velmi rychle, takže asymetrické rozložení hmoty bude deformovat časoprostor a produkovat trvalý signál gravitační vlny ve tvaru sinusové vlny, zpomaluje rotaci hvězdy a vyzařuje energii.
Dvojice neutronových hvězd, které obíhají kolem sebe, také produkují konstantní signál. Stejně jako černé díry se tyto hvězdy pohybují po spirále a nakonec se spojí s charakteristickým zvukem. Jeho specifičnost se ale liší od specifičnosti zvuku černých děr.
Proč hvězdy explodují?
Černé díry a neutronové hvězdy vznikají, když masivní hvězdy přestat svítit a zhroutit se do sebe. Astrofyzici si myslí, že tento proces je základem všech běžných typů výbuchů supernov typu II. Simulace takových supernov zatím neukázaly, co způsobuje jejich vznícení, ale odpověď pravděpodobně poskytne poslech výbojů gravitačních vln emitovaných skutečnou supernovou. V závislosti na tom, jak výbuchové vlny vypadají, jak jsou hlasité, jak často se vyskytují a jak korelují se supernovami, které elektromagnetické teleskopy sledují, by tato data mohla pomoci vyloučit spoustu existujících modelů.
Jak rychle se vesmír rozpíná?
Expanze vesmíru znamená, že vzdálené objekty, které se vzdalují od naší galaxie, se zdají červenější, než ve skutečnosti jsou, protože světlo, které vyzařují, se při pohybu natahuje. Kosmologové odhadují rychlost rozpínání vesmíru porovnáním rudého posuvu galaxií s tím, jak daleko jsou od nás. Tato vzdálenost se však obvykle odhaduje z jasnosti supernov typu Ia a tato technika zanechává mnoho nejistot.
Pokud několik detektorů gravitačních vln po celém světě detekuje signály ze sloučení stejných neutronových hvězd, dokážou dohromady naprosto přesně odhadnout objem signálu, a tedy i vzdálenost, ve které ke sloučení došlo. Budou také schopni odhadnout směr a s ním identifikovat galaxii, ve které k události došlo. Porovnáním rudého posuvu této galaxie se vzdáleností ke splývajícím hvězdám je možné získat nezávislou rychlost rozpínání vesmíru, možná přesnější, než umožňují současné metody.
Zdroje
http://www.bbc.com/russian/science/2016/02/160211_gravitational_waves
http://cont.ws/post/199519
Tady jsme to nějak zjistili, ale co je a. Podívejte se, jak to vypadá Původní článek je na webu InfoGlaz.rf Odkaz na článek, ze kterého byla vytvořena tato kopie -První přímá detekce gravitačních vln byla světu odhalena 11. února 2016 a vygenerovala titulky po celém světě. Za tento objev v roce 2017 fyzici obdrželi Nobelova cena a oficiálně zahájil novou éru gravitační astronomie. Tým fyziků z Institutu Nielse Bohra v Kodani v Dánsku však zjištění zpochybňuje na základě vlastní nezávislé analýzy dat za poslední dva a půl roku.
Jeden z nejzáhadnějších objektů historie, černé díry, pravidelně přitahují pozornost. Víme, že se srážejí, spojují, mění jas a dokonce se vypařují. A také teoreticky mohou černé díry spojovat vesmíry navzájem pomocí . Všechny naše znalosti a předpoklady o těchto masivních objektech se však mohou ukázat jako nepřesné. Nedávno se ve vědecké komunitě objevily fámy, že vědci obdrželi signál vycházející z černé díry, jejíž velikost a hmotnost je tak obrovská, že její existence je fyzicky nemožná.
První přímá detekce gravitačních vln byla světu odhalena 11. února 2016 a vygenerovala titulky po celém světě. Za tento objev dostali fyzici v roce 2017 Nobelovu cenu a oficiálně zahájili novou éru gravitační astronomie. Ale tým fyziků z Institutu Nielse Bohra v Kodani zjištění zpochybňuje na základě vlastní nezávislé analýzy dat za poslední dva a půl roku.
