Gravitationsvågor, teoretiskt förutspått av Einstein redan 1917, väntar fortfarande på sin upptäckare.
I slutet av 1969 gjorde University of Maryland fysikprofessor Joseph Weber ett sensationellt uttalande. Han meddelade att han hade upptäckt gravitationsvågor som kom till jorden från rymdens djup. Fram till den tiden hade ingen forskare gjort sådana påståenden, och själva möjligheten att upptäcka sådana vågor ansågs långt ifrån självklar. Weber var dock känd som en auktoritet inom sitt område, och därför tog hans kollegor hans budskap på största allvar.
Men snart kom besvikelsen. Amplituden för de vågor som påstås ha registrerats av Weber var miljontals gånger högre än det teoretiska värdet. Weber hävdade att dessa vågor kom från mitten av vår galax, skymda av dammmoln, om vilka lite då var känt. Astrofysiker har föreslagit att ett gigantiskt svart hål gömmer sig där, som årligen slukar tusentals stjärnor och kastar ut en del av den absorberade energin i form av gravitationsstrålning, och astronomer började ett meningslöst sökande efter mer uppenbara spår av denna kosmiska kannibalism (det har nu bevisats att det verkligen finns ett svart hål där, men det uppför sig ganska anständigt). Fysiker från USA, Sovjetunionen, Frankrike, Tyskland, England och Italien började experimentera med detektorer av samma typ – och uppnådde ingenting.
Forskare vet fortfarande inte vad de ska tillskriva de konstiga avläsningarna från Webers instrument. Men hans ansträngningar var inte förgäves, även om gravitationsvågor fortfarande inte har upptäckts. Flera installationer för att söka efter dem har redan byggts eller håller på att byggas, och om tio år kommer sådana detektorer att skjutas upp i rymden. Det är fullt möjligt att gravitationsstrålning inom en inte alltför avlägsen framtid kommer att bli lika observerbar fysisk verklighet, såväl som elektromagnetiska vibrationer. Tyvärr kommer Joseph Weber inte längre veta detta - han dog i september 2000.
Vad är gravitationsvågor
Det sägs ofta att gravitationsvågor är störningar av gravitationsfältet som utbreder sig i rymden. Denna definition är korrekt, men ofullständig. Enligt den allmänna relativitetsteorin uppstår gravitationen på grund av krökningen av rum-tidskontinuumet. Tyngdkraftsvågor är fluktuationer av rum-tidsmåttet, som visar sig som fluktuationer i gravitationsfältet, så de kallas ofta bildligt för rum-tids-rippel. Gravitationsvågor förutspåddes teoretiskt 1917 av Albert Einstein. Ingen tvivlar på deras existens, men gravitationsvågor väntar fortfarande på deras upptäckare.
Källan till gravitationsvågor är varje rörelse av materiella kroppar som leder till en ojämn förändring av tyngdkraften i det omgivande rummet. En kropp som rör sig med konstant hastighet utstrålar ingenting, eftersom dess gravitationsfälts natur inte förändras. För att sända ut gravitationsvågor krävs accelerationer, men inte vilken acceleration som helst. En cylinder som roterar runt sin symmetriaxel upplever acceleration, men dess gravitationsfält förblir enhetligt och gravitationsvågor uppstår inte. Men om du snurrar den här cylindern runt en annan axel kommer fältet att börja svänga, och gravitationsvågor kommer att löpa från cylindern i alla riktningar.
Denna slutsats gäller för varje kropp (eller system av kroppar) som är asymmetrisk kring rotationsaxeln (i sådana fall sägs kroppen ha ett fyrpolsmoment). Ett masssystem vars kvadrupolmoment förändras med tiden avger alltid gravitationsvågor.
Grundläggande egenskaper hos gravitationsvågor
Astrofysiker föreslår att det är strålningen från gravitationsvågor, som tar bort energi, som begränsar rotationshastigheten för en massiv pulsar när den absorberar materia från en angränsande stjärna.
Tyngdkraftsfyrar av rymden
Gravitationsstrålningen från terrestra källor är extremt svag. En stålpelare som väger 10 000 ton, upphängd från mitten i ett horisontellt plan och snurrad runt en vertikal axel upp till 600 rpm, avger en effekt på cirka 10 -24 W. Därför är det enda hoppet att upptäcka gravitationsvågor att hitta en kosmisk källa för gravitationsstrålning.
I detta avseende är nära dubbelstjärnor mycket lovande. Anledningen är enkel: kraften hos gravitationsstrålningen hos ett sådant system växer i omvänd proportion till den femte potensen av dess diameter. Det är ännu bättre om stjärnornas banor är mycket långsträckta, eftersom detta ökar förändringshastigheten för fyrpolmomentet. Det är ganska bra om det dubbla systemet består av neutronstjärnor eller svarta hål. Sådana system liknar varandra gravitationsfyrar i rymden - deras strålning är periodisk.
Det finns också "puls"-källor i rymden som genererar korta men extremt kraftfulla gravitationsskurar. Detta händer när en massiv stjärna kollapsar innan en supernovaexplosion. Stjärnans deformation måste dock vara asymmetrisk, annars uppstår inte strålningen. Under kollaps kan gravitationsvågor bära bort upp till 10 % av stjärnans totala energi! Kraften hos gravitationsstrålning är i detta fall cirka 10 50 W. Ännu mer energi frigörs vid sammanslagning av neutronstjärnor, här når toppeffekten 10 52 W. En utmärkt strålningskälla är kollisionen av svarta hål: deras massor kan överstiga massorna av neutronstjärnor med miljarder gånger.
En annan källa till gravitationsvågor är kosmologisk inflation. Omedelbart efter Big Bang började universum expandera extremt snabbt, och på mindre än 10 -34 sekunder ökade dess diameter från 10 -33 cm till dess makroskopiska storlek. Denna process stärkte omätligt de gravitationsvågor som fanns innan den började, och deras ättlingar består än i dag.
Indirekta bekräftelser
Det första beviset på förekomsten av gravitationsvågor kommer från arbetet av den amerikanske radioastronomen Joseph Taylor och hans elev Russell Hulse. 1974 upptäckte de ett par neutronstjärnor som kretsade runt varandra (en radiosändande pulsar med en tyst följeslagare). Pulsaren roterade runt sin axel med ett stall vinkelhastighet(vilket inte alltid är fallet) och fungerade därför som en extremt exakt klocka. Denna funktion gjorde det möjligt att mäta massorna av båda stjärnorna och bestämma arten av deras omloppsrörelse. Det visade sig att omloppstiden för detta binära system (cirka 3 timmar 45 minuter) minskas med 70 μs årligen. Detta värde stämmer väl överens med lösningarna av ekvationerna i den allmänna relativitetsteorin, som beskriver förlusten av energi för ett stjärnpar på grund av gravitationsstrålning (kollisionen av dessa stjärnor kommer dock inte att ske snart, efter 300 miljoner år). 1993 tilldelades Taylor och Hulse Nobelpriset för denna upptäckt.
Gravitationsvågantenner
Hur upptäcker man gravitationsvågor experimentellt? Weber använde meterlånga massiva aluminiumcylindrar med piezoelektriska sensorer i ändarna som detektorer. De isolerades med största försiktighet från yttre mekanisk påverkan i en vakuumkammare. Weber installerade två av dessa cylindrar i en bunker under University of Marylands golfbana och en vid Argonne National Laboratory.
Tanken med experimentet är enkel. Rymden komprimeras och sträcks ut under påverkan av gravitationsvågor. Tack vare detta vibrerar cylindern i längdriktningen och fungerar som en gravitationsvågsantenn, och piezoelektriska kristaller omvandlar vibrationerna till elektriska signaler. Varje passage av kosmiska gravitationsvågor påverkar nästan samtidigt detektorer som är åtskilda med tusen kilometer, vilket gör det möjligt att filtrera gravitationsimpulser från olika typer av brus.
Webers sensorer kunde upptäcka förskjutningar av cylinderns ändar lika med endast 10 -15 av dess längd - i detta fall 10 -13 cm. Det var just sådana fluktuationer som Weber kunde upptäcka, vilket han först rapporterade 1959 om sidorna Fysiska granskningsbrev. Alla försök att upprepa dessa resultat har varit meningslösa. Webers data motsäger också teorin, som praktiskt taget inte tillåter oss att förvänta oss relativa förskjutningar över 10 -18 (och värden som är mindre än 10 -20 är mycket mer sannolika). Det är möjligt att Weber gjorde ett misstag när statistisk bearbetning resultat. Det första försöket att experimentellt upptäcka gravitationsstrålning slutade i misslyckande.
Därefter förbättrades gravitationsvågsantenner avsevärt. 1967 föreslog den amerikanske fysikern Bill Fairbank att kyla dem i flytande helium. Detta gjorde det inte bara möjligt att bli av med det mesta av det termiska bruset, utan öppnade också för möjligheten att använda SQUIDs (superledande kvantinterferometrar), de mest exakta ultrakänsliga magnetometrarna. Genomförandet av denna idé visade sig vara fyllt med många tekniska svårigheter, och Fairbank själv levde inte för att se den. I början av 1980-talet hade fysiker från Stanford University byggt en installation med en känslighet på 10 -18, men inga vågor upptäcktes. Nu i ett antal länder finns det ultrakryogena vibrationsdetektorer för gravitationsvågor som arbetar vid temperaturer som bara är tiondels och hundradelar av en grad över absolut noll. Detta är till exempel AURIGA-installationen i Padua. Antennen för den är en tre meter lång cylinder gjord av aluminium-magnesiumlegering, vars diameter är 60 cm och vikten är 2,3 ton. Den är upphängd i en vakuumkammare kyld till 0,1 K. Dess stötar (med en frekvens på ca 1000 Hz) överförs till en hjälpresonator som väger 1 kg, som vibrerar med samma frekvens, men med mycket större amplitud. Dessa vibrationer registreras av mätutrustning och analyseras med hjälp av en dator. Känsligheten för AURIGA-komplexet är cirka 10 -20 -10 -21.
Interferometrar
En annan metod för att detektera gravitationsvågor är baserad på att massiva resonatorer överges till förmån för ljusstrålar. Det föreslogs först av de sovjetiska fysikerna Mikhail Herzenstein och Vladislav Pustovoit 1962, och två år senare av Weber. I början av 1970-talet anställd på företagets forskningslaboratorium Hughes flygplan Robert Forward (fd Weber-student, senare en mycket berömd science fiction-författare) byggde den första sådana detektorn med ganska anständig känslighet. Samtidigt utförde Massachusetts Institute of Technology (MIT) professor Rainer Weiss en mycket djup teoretisk analys av möjligheterna att registrera gravitationsvågor med optiska metoder.
Dessa metoder involverar användningen av analoger till den enhet med vilken fysikern Albert Michelson för 125 år sedan bevisade att ljusets hastighet är strikt densamma i alla riktningar. I denna installation, en Michelson-interferometer, träffar en ljusstråle en genomskinlig platta och är uppdelad i två ömsesidigt vinkelräta strålar, som reflekteras från speglar placerade på samma avstånd från plattan. Sedan smälter strålarna samman igen och faller på skärmen, där ett interferensmönster uppträder (ljusa och mörka ränder och linjer). Om ljusets hastighet beror på dess riktning, bör bilden ändras när hela installationen roteras, annars bör den förbli densamma som tidigare.
Gravitationsvågsinterferensdetektorn fungerar på liknande sätt. En passerande våg deformerar rymden och ändrar längden på varje arm på interferometern (vägen längs vilken ljus färdas från splittern till spegeln), sträcker ut en arm och komprimerar den andra. Interferensmönstret ändras och detta kan registreras. Men det här är inte lätt: om den förväntade relativa förändringen i längden på interferometerns armar är 10 -20 , så resulterar det med bordsskivans dimensioner (som Michelsons) i svängningar med en amplitud i storleksordningen 10 - 18 cm. Som jämförelse: vågor synligt ljus 10 biljoner gånger längre! Du kan öka längden på axlarna till flera kilometer, men problem kommer fortfarande att kvarstå. Laserljuskällan måste vara både kraftfull och stabil i frekvens, speglarna måste vara perfekt plana och perfekt reflekterande, vakuumet i rören genom vilka ljuset färdas måste vara så djupt som möjligt, och den mekaniska stabiliseringen av hela systemet måste vara verkligen perfekt. Kort sagt, en gravitationsvågsinterferensdetektor är en dyr och skrymmande enhet.
Idag är den största installationen av detta slag det amerikanska LIGO-komplexet (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Den består av två observatorier, varav det ena ligger på USA:s Stillahavskusten och det andra nära Mexikanska golfen. Mätningar görs med hjälp av tre interferometrar (två i delstaten Washington, en i Louisiana) med fyra kilometer långa armar. Installationen är utrustad med spegelljusackumulatorer, som ökar dess känslighet. "Sedan november 2005 har alla våra tre interferometrar fungerat normalt," berättade LIGO-komplexrepresentanten Peter Solson, professor i fysik vid Syracuse University, till Popular Mechanics. – Vi utbyter ständigt data med andra observatorier som försöker upptäcka gravitationsvågor med en frekvens på tiotals och hundratals hertz, som uppstod under de kraftigaste supernovaexplosioner och sammanslagningar av neutronstjärnor och svarta hål. För närvarande i drift är den tyska GEO 600-interferometern (armlängd - 600 m), som ligger 25 km från Hannover. Det japanska TAMA-instrumentet på 300 meter uppgraderas för närvarande. Den tre kilometer långa Jungfrudetektorn nära Pisa kommer att ansluta sig till arbetet i början av 2007, och vid frekvenser under 50 Hz kommer den att kunna överträffa LIGO. Installationer med ultrakryogena resonatorer arbetar med ökande effektivitet, även om deras känslighet fortfarande är något mindre än vår."
Utsikter
Hur ser den närmaste framtiden ut för gravitationsvågsdetekteringsmetoder? Professor Rainer Weiss berättade för Popular Mechanics om detta: "Om några år kommer kraftfullare lasrar och mer avancerade detektorer att installeras i LIGO-komplexets observatorier, vilket kommer att leda till en 15-faldig ökning av känsligheten. Nu är det 10 -21 (vid frekvenser på cirka 100 Hz), och efter modernisering kommer det att överstiga 10 -22. Det uppgraderade komplexet, Advanced LIGO, kommer att öka penetrationsdjupet i rymden med 15 gånger. Professor Vladimir Braginsky vid Moskvas statliga universitet, en av pionjärerna inom studiet av gravitationsvågor, är aktivt involverad i detta projekt.
Lanseringen av LISA-rymdinterferometern är planerad till mitten av nästa decennium ( Laser Interferometer rymdantenn) med en armlängd på 5 miljoner kilometer är det ett gemensamt projekt av NASA och European Space Agency. Det här observatoriets känslighet kommer att vara hundratals gånger högre än kapaciteten hos markbaserade instrument. Den är i första hand utformad för att söka efter lågfrekventa (10 -4 -10 -1 Hz) gravitationsvågor, som inte kan detekteras på jordens yta på grund av atmosfärisk och seismisk interferens. Sådana vågor avger dubbelt stjärnsystem, ganska typiska invånare i rymden. LISA kommer också att kunna detektera gravitationsvågor som genereras när vanliga stjärnor absorberas av svarta hål. Men för att upptäcka relikta gravitationsvågor som bär information om materiens tillstånd under de första ögonblicken efter Big Bang kommer det med största sannolikhet att krävas mer avancerade rymdinstrument. En sådan installation Big Bang Observer, diskuteras just nu, men det är osannolikt att det kommer att skapas och lanseras tidigare än om 30-40 år.”
Torsdagen den 11 februari meddelade en grupp forskare från det internationella projektet LIGO Scientific Collaboration att de hade lyckats, vars existens förutspåddes av Albert Einstein redan 1916. Enligt forskarna registrerade de den 14 september 2015 en gravitationsvåg som orsakades av kollisionen av två svarta hål som vägde 29 och 36 gånger solens massa, varefter de smälte samman till ett stort svart hål. Enligt dem ska detta ske för 1,3 miljarder år sedan på ett avstånd av 410 Megaparsecs från vår galax.
LIGA.net talade i detalj om gravitationsvågor och den storskaliga upptäckten Bogdan Hnatyk, ukrainsk forskare, astrofysiker, doktor i fysikaliska och matematiska vetenskaper, presentatör Forskare Astronomiska observatoriet i Kiev nationellt universitet uppkallad efter Taras Shevchenko, som ledde observatoriet från 2001 till 2004.
Teori på ett enkelt språk
Fysiken studerar samspelet mellan kroppar. Det har konstaterats att det finns fyra typer av interaktion mellan kroppar: elektromagnetisk, stark och svag kärnsamverkan och gravitationsinteraktion, som vi alla känner. På grund av gravitationssamverkan kretsar planeterna runt solen, kropparna har vikt och faller till marken. Människor står ständigt inför gravitationsinteraktion.
1916, för 100 år sedan, byggde Albert Einstein en gravitationsteori som förbättrade Newtons gravitationsteori, gjorde den matematiskt korrekt: den började uppfylla fysikens alla krav och började ta hänsyn till det faktum att gravitationen fortplantar sig vid en mycket hög men ändlig hastighet. Detta är med rätta en av Einsteins största prestationer, eftersom han byggde en gravitationsteori som motsvarar alla fysikfenomen som vi observerar idag.
Denna teori antydde också existensen gravitationsvågor. Grunden för denna förutsägelse var att gravitationsvågor existerar som ett resultat av den gravitationsinteraktion som uppstår på grund av sammanslagning av två massiva kroppar.
Vad är en gravitationsvåg
Svårt språk detta är en excitation av rum-tid-metriken. "Säg, rymden har en viss elasticitet och vågor kan rinna genom den. Det liknar när vi kastar en sten i vatten och vågor sprider sig från den," sa doktorn i fysikaliska och matematiska vetenskaper till LIGA.net.
Forskare kunde experimentellt bevisa att en liknande svängning ägde rum i universum och en gravitationsvåg sprang i alla riktningar. "Astrofysiskt sett registrerades för första gången fenomenet med en sådan katastrofal utveckling av ett binärt system, när två objekt smälter samman till ett, och denna sammanslagning leder till en mycket intensiv frisättning av gravitationsenergi, som sedan sprider sig i rymden i form av av gravitationsvågor”, förklarade forskaren.
Hur det ser ut (foto - EPA)
Dessa gravitationsvågor är mycket svaga och för att de ska skaka rum-tid är växelverkan mellan mycket stora och massiva kroppar nödvändig så att gravitationsfältets intensitet är hög vid genereringspunkten. Men trots sin svaghet kommer observatören efter en viss tid (lika med avståndet till interaktionen dividerat med signalens hastighet) att registrera denna gravitationsvåg.
Låt oss ge ett exempel: om jorden föll på solen, skulle gravitationsinteraktion inträffa: gravitationsenergi skulle frigöras, en gravitationssfäriskt symmetrisk våg skulle bildas och observatören skulle kunna registrera den. "Ett liknande, men unikt, ur astrofysikens synvinkel inträffade fenomen här: två massiva kroppar kolliderade - två svarta hål," noterade Gnatyk.
Låt oss gå tillbaka till teorin
Ett svart hål är en annan förutsägelse av Einsteins allmänna relativitetsteori, som föreskriver att en kropp som har enorm massa, men denna massa är koncentrerad till en liten volym, kan avsevärt förvränga utrymmet runt den, fram till dess stängning. Det vill säga, det antogs att när en kritisk koncentration av denna kropps massa uppnås - så att kroppens storlek kommer att vara mindre än den så kallade gravitationsradien, kommer utrymmet runt denna kropp att stängas och dess topologi kommer att vara sådan att ingen signal från det kommer att spridas utanför det stängda utrymmet kan inte.
"Det vill säga ett svart hål, med enkla ord, är ett massivt föremål som är så tungt att det stänger rumtiden runt sig själv, säger forskaren.
Och vi kan, enligt honom, skicka vilka signaler som helst till detta objekt, men han kan inte skicka dem till oss. Det vill säga att inga signaler kan gå bortom det svarta hålet.
Ett svart hål lever enligt vanliga fysiska lagar, men som ett resultat stark gravitation, ingen materiell kropp, även en foton, kan inte gå bortom denna kritiska yta. Svarta hål bildas under evolutionen av vanliga stjärnor, när den centrala kärnan kollapsar och en del av stjärnans materia, kollapsar, förvandlas till ett svart hål, och den andra delen av stjärnan stöts ut i form av ett supernovaskal och förvandlas till det så kallade "utbrottet" av en supernova.
Hur vi såg gravitationsvågen
Låt oss ge ett exempel. När vi har två flöten på vattenytan och vattnet är lugnt är avståndet mellan dem konstant. När en våg anländer förskjuter den dessa flottörer och avståndet mellan flottörerna kommer att ändras. Vågen har passerat - och flottörerna återgår till sina tidigare positioner, och avståndet mellan dem återställs.
En gravitationsvåg fortplantar sig i rum-tiden på ett liknande sätt: den komprimerar och sträcker ut kroppar och föremål som möts på dess väg. "När ett visst föremål påträffas längs vägen för en våg, deformeras det längs dess axlar, och efter dess passage återgår det till sin tidigare form. Under påverkan av en gravitationsvåg deformeras alla kroppar, men dessa deformationer är mycket obetydlig”, säger Gnatyk.
När vågen som forskare registrerade passerade ändrades den relativa storleken på kropparna i rymden med en mängd i storleksordningen 1 gånger 10 till minus 21:a potensen. Om du till exempel tar en meterlinjal, så har den krympt med ett belopp som är dess storlek multiplicerat med 10 till minus 21:a potens. Detta är en mycket liten mängd. Och problemet var att forskare behövde lära sig hur man mäter detta avstånd. Konventionella metoder gav en noggrannhet i storleksordningen 1 på 10 till 9:e potensen av miljoner, men här behövs mycket högre noggrannhet. För detta ändamål skapades så kallade gravitationsantenner (gravitationsvågsdetektorer).
LIGO Observatory (foto - EPA)
Antennen som registrerade gravitationsvågor är byggd på detta sätt: det finns två rör, cirka 4 kilometer långa, placerade i form av bokstaven "L", men med samma armar och i rät vinkel. När en gravitationsvåg träffar ett system deformerar den antennens vingar, men beroende på dess orientering deformerar den den ena mer och den andra mindre. Och sedan uppstår en vägskillnad, interferensmönstret för signalen ändras - en total positiv eller negativ amplitud visas.
"Det vill säga att en gravitationsvågs passage liknar en våg på vatten som passerar mellan två flottörer: om vi mätte avståndet mellan dem under och efter vågens passage skulle vi se att avståndet skulle förändras och sedan bli samma igen, sa han Gnatyk.
Här mäts den relativa förändringen i avståndet mellan de två vingarna på interferometern, som var och en är cirka 4 kilometer lång. Och endast mycket exakta teknologier och system kan mäta sådan mikroskopisk förskjutning av vingarna som orsakas av en gravitationsvåg.
Vid kanten av universum: var kom vågen ifrån?
Forskare registrerade signalen med två detektorer, som finns i två stater i USA: Louisiana och Washington, på ett avstånd av cirka 3 tusen kilometer. Forskare kunde uppskatta var och från vilket avstånd denna signal kom. Uppskattningar visar att signalen kom från ett avstånd på 410 megaparsek. En megaparsek är den sträcka ljuset färdas på tre miljoner år.
För att göra det lättare att föreställa sig: den aktiva galaxen som ligger närmast oss med ett supermassivt svart hål i mitten är Centaurus A, som ligger på ett avstånd av fyra Megaparsecs från vår, medan Andromeda-nebulosan ligger på ett avstånd av 0,7 Megaparsecs. "Det vill säga, avståndet från vilket gravitationsvågssignalen kom är så stort att signalen reste till jorden i cirka 1,3 miljarder år. Dessa är kosmologiska avstånd som når cirka 10% av vårt universums horisont", sa forskaren.
På detta avstånd, i någon avlägsen galax, smälte två svarta hål samman. Dessa hål var å ena sidan relativt små till storleken, och å andra sidan indikerar den stora signalamplituden att de var mycket tunga. Det konstaterades att deras massor var 36 respektive 29 solmassor. Solens massa är som bekant lika med 2 gånger 10 till 30:e potensen av ett kilogram. Efter sammanslagningen slogs dessa två kroppar samman och nu har i deras ställe ett enda svart hål bildats, som har en massa lika med 62 solmassor. Samtidigt stänkte ungefär tre massor av solen ut i form av gravitationsvågsenergi.
Vem gjorde upptäckten och när
Forskare från det internationella LIGO-projektet lyckades upptäcka en gravitationsvåg den 14 september 2015. LIGO (Laser Interferometry Gravitation Observatory)är ett internationellt projekt i vilket ett antal stater deltar, som ger ett visst ekonomiskt och vetenskapligt bidrag, i synnerhet USA, Italien, Japan, som är långt framme inom denna forskning.
Professorerna Rainer Weiss och Kip Thorne (foto - EPA)
Följande bild spelades in: gravitationsdetektorns vingar skiftade som ett resultat av den faktiska passagen av en gravitationsvåg genom vår planet och genom denna installation. Detta rapporterades inte då, eftersom signalen måste bearbetas, "rensas", dess amplitud hittas och kontrolleras. Detta är ett standardförfarande: från verklig upptäckt, innan tillkännagivandet av öppningen går det flera månader för att avge ett motiverat uttalande. "Ingen vill förstöra sitt rykte. Det här är alla hemliga uppgifter, innan publiceringen som ingen visste om det fanns det bara rykten," noterade Hnatyk.
Berättelse
Gravitationsvågor har studerats sedan 70-talet av förra seklet. Under denna tid skapades ett antal detektorer och en serie av grundforskning. På 80-talet byggde den amerikanske vetenskapsmannen Joseph Weber den första gravitationsantennen i form av en aluminiumcylinder, som var ungefär flera meter stor, utrustad med piezosensorer som skulle registrera passagen av en gravitationsvåg.
Den här enhetens känslighet var en miljon gånger värre än strömdetektorer. Och naturligtvis kunde han inte riktigt upptäcka vågen då, även om Weber förklarade att han hade gjort det: pressen skrev om det och en "gravitationsboom" inträffade - världen började omedelbart bygga gravitationsantenner. Weber uppmuntrade andra forskare att ta upp gravitationsvågor och fortsätta experiment på detta fenomen, vilket gjorde det möjligt att öka detektorernas känslighet en miljon gånger.
Men fenomenet gravitationsvågor i sig registrerades under förra seklet, när forskare upptäckte en dubbel pulsar. Detta var en indirekt registrering av det faktum att gravitationsvågor existerar, bevisat genom astronomiska observationer. Pulsaren upptäcktes av Russell Hulse och Joseph Taylor 1974 under observationer med Arecibo Observatorys radioteleskop. Forskare tilldelades Nobelpriset 1993 "för upptäckten av en ny typ av pulsar, som gav nya möjligheter i studiet av gravitationen."
Forskning i världen och Ukraina
I Italien närmar sig ett liknande projekt kallat Jungfrun sitt slut. Japan har också för avsikt att lansera en liknande detektor om ett år, och Indien förbereder också ett sådant experiment. Det vill säga liknande detektorer finns i många delar av världen, men de har ännu inte nått känslighetsläget så att vi kan prata om att detektera gravitationsvågor.
"Officiellt är Ukraina inte en del av LIGO och deltar inte heller i de italienska och japanska projekten. Bland sådana grundläggande områden deltar Ukraina nu i LHC-projektet (Large Hadron Collider) och i CERN (vi kommer endast officiellt att bli deltagare efter att ha betalat inträdesavgiften), säger doktor i fysikaliska och matematiska vetenskaper Bohdan Gnatyk till LIGA.net.
Enligt honom har Ukraina sedan 2015 varit fullvärdig medlem i det internationella samarbetet CTA (Cerenkov Telescope Array), som bygger ett modernt multiteleskop TeV långt gammaområde (med fotonenergier upp till 1014 eV). "De huvudsakliga källorna till sådana fotoner är precis i närheten av supermassiva svarta hål, vars gravitationsstrålning först registrerades av LIGO-detektorn. Därför öppnas nya fönster inom astronomi - gravitationsvåg och multi TeV"nogo elektromagnetisk teknologi lovar oss många fler upptäckter i framtiden", tillägger forskaren.
Vad händer härnäst och hur kommer ny kunskap att hjälpa människor? Forskarna håller inte med. Vissa säger att detta bara är nästa steg för att förstå universums mekanismer. Andra ser detta som de första stegen mot ny teknik för att förflytta sig genom tid och rum. På ett eller annat sätt bevisade denna upptäckt än en gång hur lite vi förstår och hur mycket som återstår att lära.
Den fria ytan på en vätska i jämvikt i ett gravitationsfält är platt. Om, under påverkan av någon yttre påverkan, ytan av en vätska på något ställe avlägsnas från dess jämviktsläge, så sker rörelse i vätskan. Denna rörelse kommer att fortplanta sig längs hela vätskans yta i form av vågor, kallade gravitationsvågor, eftersom de orsakas av gravitationsfältets inverkan. Gravitationsvågor förekommer huvudsakligen på vätskans yta, och fångar dess inre lager ju mindre desto djupare dessa lager är placerade.
Vi kommer här att betrakta gravitationsvågor där hastigheten för rörliga vätskepartiklar är så liten att termen i Eulers ekvation kan försummas jämfört med Det är lätt att ta reda på vad detta tillstånd betyder fysiskt. Under en tidsperiod i storleksordningen av den period av svängningar som utförs av vätskepartiklar i en våg, färdas dessa partiklar en sträcka i storleksordningen av amplituden a för vågen, därför är deras rörelsehastighet i storleksordningen Speed v förändras märkbart över tidsintervall i storleksordningen och över avstånd i storleksordningen längs vågens utbredningsriktning (- längdvågor). Därför är derivatan av hastighet med avseende på tid av storleksordningen och med avseende på koordinater är av storleksordningen. Således är villkoret ekvivalent med kravet
det vill säga att amplituden av svängningar i vågen ska vara liten jämfört med våglängden. I § 9 såg vi att om termen i rörelseekvationen kan försummas, så är vätskans rörelse potentiell. Om vi antar att vätskan är inkompressibel kan vi därför använda ekvationerna (10.6) och (10.7). I ekvation (10.7) kan vi nu försumma termen som innehåller kvadraten på hastigheten; När vi sätter in och introducerar en term i gravitationsfältet får vi:
(12,2)
Vi väljer axeln, som vanligt, vertikalt uppåt, och som x-, y-plan väljer vi vätskans jämviktsyta.
Vi kommer att beteckna - koordinaten för punkter på vätskans yta med ; är en funktion av koordinaterna x, y och tiden t. I jämvikt sker en vertikal förskjutning av vätskeytan när den svänger.
Låt vätskans yta påverkas konstant tryck Sedan har vi på ytan enligt (12.2)
Konstanten kan elimineras genom att omdefiniera potentialen (genom att lägga till en storhet oberoende av koordinaterna. Då tar tillståndet på vätskans yta formen
Den lilla amplituden av svängningar i vågen gör att förskjutningen är liten. Därför kan vi anta, med samma approximation, att den vertikala komponenten av rörelsehastigheten för ytpunkter sammanfaller med tidsderivatan av förskjutningen. Men så har vi:
På grund av oscillationernas småhet är det möjligt att i detta tillstånd ta derivatornas värden till istället. Därmed får vi slutligen följande ekvationssystem som bestämmer rörelsen i en gravitationsvåg:
Vi kommer att betrakta vågor på ytan av en vätska, med tanke på att denna yta är obegränsad. Vi kommer också att anta att våglängden är liten jämfört med vätskans djup; vätskan kan då betraktas som oändligt djup. Därför skriver vi inte randvillkor vid laterala gränser och i botten av vätskan.
Låt oss betrakta en gravitationsvåg som utbreder sig längs axeln och likformig längs axeln; i en sådan våg beror inte alla kvantiteter på y-koordinaten. Vi kommer att leta efter en lösning som är en enkel periodisk funktion av tid och koordinerar x:
där ( är den cykliska frekvensen (vi kommer att tala om det helt enkelt som en frekvens), k är vågvektorn för vågen, är våglängden. Genom att ersätta detta uttryck i ekvationen får vi ekvationen för funktionen
Dess lösning, som sönderfaller i vätskans djup (dvs vid ):
Vi måste också uppfylla gränsvillkoret (12.5). Genom att ersätta (12.5) i det hittar vi sambandet mellan frekvensen b och vågvektorn (eller, som de säger, vågspridningslagen):
Fördelningen av hastigheter i en vätska erhålls genom att differentiera potentialen längs koordinaterna:
Vi ser att hastigheten minskar exponentiellt mot vätskans djup. Vid varje given punkt i rymden (d.v.s. för givet x, z) roterar hastighetsvektorn likformigt i x-planet och förblir konstant i storlek.
Låt oss också bestämma vätskepartiklarnas bana i vågen. Låt oss tillfälligt beteckna med x, z koordinaterna för en rörlig partikel av vätska (och inte koordinaterna för en fix punkt i rymden), och med - värdena på x för partikelns jämviktsposition. Då och på höger sida av (12.8) kan ungefär skrivas istället för , med fördel av svängningarnas småhet. Integration över tid ger då:
Vätskepartiklar beskriver alltså cirklar runt punkter med en radie som minskar exponentiellt mot vätskans djup.
Vågutbredningshastigheten U är lika, vilket kommer att visas i § 67. Genom att ersätta här finner vi att gravitationsvågornas utbredningshastighet på en obegränsad yta av en oändligt djup vätska är lika med
Den ökar med ökande våglängd.
Långa gravitationsvågor
Efter att ha övervägt gravitationsvågor, vars längd är liten jämfört med vätskans djup, uppehåller vi oss nu vid det motsatta gränsfallet för vågor, vars längd är stor jämfört med vätskans djup.
Sådana vågor kallas långa.
Låt oss först överväga utbredningen av långa vågor i kanalen. Vi kommer att betrakta längden på kanalen (riktad längs x-axeln) som obegränsad. Kanalens tvärsnitt kan ha en godtycklig form och kan variera längs dess längd. Fyrkant tvärsnitt Vi betecknar vätskan i kanalen med Kanalens djup och bredd antas vara liten jämfört med våglängden.
Vi kommer här att betrakta longitudinella långa vågor där vätskan rör sig längs kanalen. I sådana vågor är hastighetskomponenten längs kanallängden stor jämfört med komponenterna
Genom att helt enkelt beteckna v och utelämna små termer kan vi skriva -komponenten i Eulers ekvation som
a-komponent - i formen
(vi utelämnar termer kvadratiska i hastighet, eftersom amplituden på vågen fortfarande anses vara liten). Från den andra ekvationen vi har, att notera att på den fria ytan ) bör vara
Genom att ersätta detta uttryck i den första ekvationen får vi:
Den andra ekvationen för att bestämma två okända kan härledas med användning av en metod som liknar att härleda kontinuitetsekvationen. Denna ekvation är i huvudsak en kontinuitetsekvation som tillämpas på det aktuella fallet. Låt oss betrakta volymen av vätska som är innesluten mellan två tvärsnittsplan av kanalen belägna på avstånd från varandra. I en tidsenhet kommer en volym vätska lika med att komma in genom det ena planet och en volym kommer ut genom det andra planet. Därför kommer volymen vätska mellan båda planen att ändras med
11 februari 2016För bara några timmar sedan kom nyheter som varit efterlängtade i den vetenskapliga världen. En grupp forskare från flera länder som arbetar som en del av det internationella LIGO Scientific Collaboration-projektet säger att de med hjälp av flera detektorobservatorier kunde upptäcka gravitationsvågor under laboratorieförhållanden.
De analyserar data som kommer från tvåågobservatorier (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO), belägna i delstaterna Louisiana och Washington i USA.
Som det sades på LIGO-projektets presskonferens upptäcktes gravitationsvågor den 14 september 2015, först vid ett observatorium och sedan 7 millisekunder senare vid ett annat.
Baserat på analysen av de erhållna uppgifterna, som utfördes av forskare från många länder, inklusive Ryssland, fann man att gravitationsvågen orsakades av kollisionen av två svarta hål med en massa på 29 och 36 gånger massan av Sol. Efter det smälte de samman till ett stort svart hål.
Detta hände för 1,3 miljarder år sedan. Signalen kom till jorden från riktningen av konstellationen Magellanska molnet.
Sergei Popov (astrofysiker vid Sternberg State Astronomical Institute of Moscow State University) förklarade vad gravitationsvågor är och varför det är så viktigt att mäta dem.
Moderna gravitationsteorier är geometriska gravitationsteorier, mer eller mindre allt från relativitetsteorin. De geometriska egenskaperna hos rymden påverkar rörelsen av kroppar eller föremål som en ljusstråle. Och vice versa - fördelningen av energi (detta är samma som massa i rymden) påverkar geometriska egenskaper Plats. Det här är väldigt coolt, eftersom det är lätt att visualisera - hela det här elastiska planet fodrat i en låda har en viss fysisk betydelse, även om det naturligtvis inte är så bokstavligt.
Fysiker använder ordet "metrisk". En metrik är något som beskriver rymdens geometriska egenskaper. Och här har vi kroppar som rör sig med acceleration. Det enklaste är att rotera gurkan. Det är viktigt att det inte är till exempel en boll eller en tillplattad skiva. Det är lätt att föreställa sig att när en sådan gurka snurrar på ett elastiskt plan, kommer krusningar att rinna från den. Föreställ dig att du står någonstans, och en gurka vänder ena änden mot dig, sedan den andra. Det påverkar rum och tid på olika sätt, en gravitationsvåg går.
Så, en gravitationsvåg är en krusning som löper längs rum-tidsmåttet.
Pärlor i rymden
Detta är en grundläggande egenskap hos vår grundläggande förståelse av hur gravitationen fungerar, och människor har velat testa den i hundra år. De vill försäkra sig om att det finns en effekt och att det syns i laboratoriet. Detta sågs i naturen för cirka tre decennier sedan. Hur ska gravitationsvågor yttra sig i vardagen?
Det enklaste sättet att illustrera detta är detta: om du kastar pärlor i rymden så att de ligger i en cirkel, och när en gravitationsvåg passerar vinkelrätt mot deras plan, kommer de att börja förvandlas till en ellips, först komprimerad i en riktning, sedan i den andra. Poängen är att utrymmet runt dem kommer att störas, och de kommer att känna det.
"G" på jorden
Människor gör något sådant, bara inte i rymden, utan på jorden.
Speglar i form av bokstaven "g" [som hänvisar till de amerikanska LIGO-observatorierna] hänger på ett avstånd av fyra kilometer från varandra.
Laserstrålar körs - det här är en interferometer, en välförstådd sak. Modern teknik låter dig mäta en fantastiskt liten effekt. Det är fortfarande inte så att jag inte tror det, jag tror det, men jag kan bara inte linda mitt huvud runt det - förskjutningen av speglar som hänger på ett avstånd av fyra kilometer från varandra är mindre än storleken atomkärnan. Detta är litet även jämfört med våglängden för denna laser. Detta var haken: gravitationen är den svagaste interaktionen, och därför är förskjutningarna mycket små.
Det tog väldigt lång tid, folk har försökt göra detta sedan 1970-talet, de har ägnat sina liv åt att leta efter gravitationsvågor. Och nu är det bara tekniska möjligheter som gör det möjligt att registrera en gravitationsvåg under laboratorieförhållanden, det vill säga den kom hit och speglarna skiftade.
Riktning
Inom ett år, om allt går som det ska, kommer det redan att finnas tre detektorer i drift i världen. Tre detektorer är mycket viktiga, eftersom dessa saker är väldigt dåliga på att bestämma signalens riktning. Ungefär på samma sätt som vi är dåliga på att bestämma en källas riktning genom gehör. "Ett ljud från någonstans till höger" - dessa detektorer känner av något liknande. Men om tre personer står på avstånd från varandra, och en hör ett ljud från höger, en annan från vänster och den tredje bakifrån, då kan vi mycket exakt bestämma ljudets riktning. Ju fler detektorer det finns, desto mer är de utspridda runt jordklotet, desto mer exakt kommer vi att kunna bestämma källans riktning, och sedan börjar astronomi.
Det slutliga målet är trots allt inte bara att bekräfta den allmänna relativitetsteorin, utan också att skaffa ny astronomisk kunskap. Föreställ dig bara att det finns ett svart hål som väger tio solmassor. Och det kolliderar med ett annat svart hål som väger tio solmassor. Kollisionen sker med ljusets hastighet. Energigenombrott. Detta är sant. Det finns fantastiskt mycket av det. Och det finns inget sätt... Det är bara krusningar av rum och tid. Jag skulle säga att det är att upptäcka sammanslagning av två svarta hål under en lång tid kommer att vara det starkaste beviset hittills på att svarta hål är ungefär de svarta hål vi tror att de är.
Låt oss gå igenom de problem och fenomen som det kan avslöja.
Finns det verkligen svarta hål?
Signalen som förväntas från LIGO-meddelandet kan ha producerats av två sammanslagna svarta hål. Sådana händelser är de mest energiska som är kända; styrkan hos gravitationsvågorna som sänds ut av dem kan kort överglänsa alla stjärnor i det observerbara universum tillsammans. Sammanslagna svarta hål är också ganska lätta att tolka utifrån deras mycket rena gravitationsvågor.
En sammanslagning av svarta hål uppstår när två svarta hål spiral runt varandra och avger energi i form av gravitationsvågor. Dessa vågor har ett karakteristiskt ljud (chirp) som kan användas för att mäta massan av dessa två föremål. Efter detta smälter vanligtvis svarta hål samman.
”Föreställ dig två såpbubblor som kommer så nära att de bildar en bubbla. Den större bubblan är deformerad", säger Tybalt Damour, en gravitationsteoretiker vid Institute for Advanced vetenskaplig forskning nära Paris. Det sista svarta hålet kommer att vara perfekt sfäriskt, men måste först avge förutsägbara typer av gravitationsvågor.
En av de viktigaste vetenskapliga konsekvenserna av att upptäcka en sammanslagning av svarta hål kommer att vara bekräftelsen av att det finns svarta hål - åtminstone perfekt runda objekt bestående av ren, tom, krökt rumtid, som förutspått av allmän teori relativitet. En annan konsekvens är att sammanslagningen fortskrider som forskarna förutspått. Astronomer har många indirekta bevis på detta fenomen, men hittills har det varit observationer av stjärnor och överhettad gas i svarta håls omloppsbana, och inte de svarta hålen i sig.
"Det vetenskapliga samfundet, inklusive jag själv, gillar inte svarta hål. Vi tar dem för givna, säger France Pretorius, en allmän rvid Princeton University i New Jersey. "Men när vi tänker på hur fantastisk denna förutsägelse är, behöver vi några verkligt fantastiska bevis."
Reser gravitationsvågor med ljusets hastighet?
När forskare börjar jämföra LIGO-observationer med de från andra teleskop är det första de kontrollerar om signalen anlände samtidigt. Fysiker tror att gravitationen överförs av gravitonpartiklar, fotonernas gravitationsanalog. Om, som fotoner, dessa partiklar inte har någon massa, kommer gravitationsvågor att färdas med ljusets hastighet, vilket matchar förutsägelsen av gravitationsvågornas hastighet i klassisk relativitet. (Deras hastighet kan påverkas av universums accelererande expansion, men detta bör vara uppenbart på avstånd som är betydligt större än de som täcks av LIGO).
Det är dock fullt möjligt att gravitoner har en liten massa, vilket innebär att gravitationsvågor kommer att röra sig med en hastighet som är mindre än ljuset. Så, till exempel, om LIGO och Jungfrun upptäcker gravitationsvågor och finner att vågorna anlände till jorden efter kosmiska händelserelaterade gammastrålar, kan detta få livsförändrande konsekvenser för fundamental fysik.
Är rum-tid gjord av kosmiska strängar?
En ännu märkligare upptäckt kan inträffa om skurar av gravitationsvågor hittas som kommer från "kosmiska strängar". Dessa hypotetiska defekter i rumtidens krökning, som kan eller kanske inte är relaterade till strängteorier, borde vara oändligt tunna, men sträckta till kosmiska avstånd. Forskare förutspår att kosmiska strängar, om de finns, kan böjas av misstag; om strängen skulle böjas, skulle det orsaka en gravitationsvåg som detektorer som LIGO eller Jungfrun kunde mäta.
Kan neutronstjärnor vara klumpiga?
Neutronstjärnor är resterna av stora stjärnor som kollapsade under sin egen vikt och blev så täta att elektroner och protoner började smälta samman till neutroner. Forskare har liten förståelse för neutronhålens fysik, men gravitationsvågor kan berätta mycket om dem. Till exempel gör den intensiva gravitationen på deras yta att neutronstjärnor blir nästan perfekt sfäriska. Men vissa forskare har föreslagit att det också kan finnas "berg" - några millimeter höga - som gör dessa täta föremål, inte mer än 10 kilometer i diameter, något asymmetriska. Neutronstjärnor snurrar vanligtvis mycket snabbt, så den asymmetriska fördelningen av massa kommer att förvränga rymdtiden och producera en ihållande gravitationsvågssignal i form av en sinusvåg, vilket saktar ner stjärnans rotation och avger energi.
Par av neutronstjärnor som kretsar kring varandra producerar också en konstant signal. Liksom svarta hål rör sig dessa stjärnor i en spiral och smälter så småningom samman med ett karakteristiskt ljud. Men dess specificitet skiljer sig från specificiteten hos ljudet av svarta hål.
Varför exploderar stjärnor?
Svarta hål och neutronstjärnor bildas när massiva stjärnor sluta lysa och kollapsa in i sig själva. Astrofysiker tror att denna process ligger till grund för alla vanliga typer av typ II supernovaexplosioner. Simuleringar av sådana supernovor har ännu inte visat vad som får dem att antändas, men att lyssna på gravitationsvågor som sänds ut av en riktig supernova tros ge ett svar. Beroende på hur sprängvågorna ser ut, hur höga de är, hur ofta de förekommer och hur de korrelerar med supernovor som elektromagnetiska teleskop spårar, kan dessa data hjälpa till att utesluta ett gäng befintliga modeller.
Hur snabbt expanderar universum?
Universums expansion innebär att avlägsna objekt som rör sig bort från vår galax ser rödare ut än de egentligen är eftersom ljuset de sänder ut sträcks ut när de rör sig. Kosmologer uppskattar universums expansionshastighet genom att jämföra galaxernas rödförskjutning med hur långt borta de är från oss. Men detta avstånd uppskattas vanligtvis från ljusstyrkan hos supernovor av typ Ia, och denna teknik lämnar en hel del osäkerheter.
Om flera gravitationsvågsdetektorer runt om i världen upptäcker signaler från sammanslagning av samma neutronstjärnor, kan de tillsammans absolut noggrant uppskatta volymen av signalen, och därför avståndet från vilket sammanslagningen inträffade. De kommer också att kunna uppskatta riktningen och med den identifiera galaxen där händelsen inträffade. Genom att jämföra denna galaxs rödförskjutning med avståndet till de sammanslagna stjärnorna är det möjligt att få en oberoende hastighet av kosmisk expansion, kanske mer exakt än vad nuvarande metoder tillåter.
källor
http://www.bbc.com/russian/science/2016/02/160211_gravitational_waves
http://cont.ws/post/199519
Här fick vi på något sätt reda på, men vad är och. Titta hur det ser ut Originalartikeln finns på hemsidan InfoGlaz.rf Länk till artikeln som denna kopia gjordes från -Den första direkta upptäckten av gravitationsvågor avslöjades för världen den 11 februari 2016 och genererade rubriker runt om i världen. För denna upptäckt 2017 fick fysiker Nobelpriset och lanserade officiellt en ny era av gravitationsastronomi. Men ett team av fysiker vid Niels Bohr Institutet i Köpenhamn, Danmark, ifrågasätter fyndet, baserat på sin egen oberoende analys av data under de senaste två och ett halvt åren.
Ett av de mest mystiska föremålen i historien, svarta hål, väcker regelbundet uppmärksamhet. Vi vet att de kolliderar, smälter samman, ändrar ljusstyrka och till och med avdunstar. Och även, i teorin, kan svarta hål förbinda universum med varandra med hjälp av . Men all vår kunskap och alla antaganden om dessa massiva föremål kan visa sig vara felaktiga. Nyligen har det dykt upp rykten i forskarsamhället om att forskare har fått en signal som kommer från ett svart hål, vars storlek och massa är så enorm att dess existens är fysiskt omöjlig.
Den första direkta upptäckten av gravitationsvågor avslöjades för världen den 11 februari 2016 och genererade rubriker runt om i världen. För denna upptäckt fick fysiker Nobelpriset 2017 och lanserade officiellt en ny era av gravitationsastronomi. Men ett team av fysiker vid Niels Bohr Institutet i Köpenhamn ifrågasätter fyndet, baserat på sin egen oberoende analys av data under de senaste två och ett halvt åren.
