Gravitationsvågor - konstnärens återgivning
Gravitationsvågor är störningar av rum-tidsmetriken som bryter sig loss från källan och fortplantar sig som vågor (de så kallade "rymtids-ripplarna").
I allmän teori relativitetsteori och i de flesta andra moderna teorier I gravitationen genereras gravitationsvågor av rörelsen hos massiva kroppar med variabel acceleration. Gravitationsvågor fortplantar sig fritt i rymden med ljusets hastighet. På grund av gravitationskrafternas relativa svaghet (jämfört med andra) har dessa vågor en mycket liten magnitud, vilket är svårt att registrera.
Polariserad gravitations våg
Gravitationsvågor förutsägs av den allmänna relativitetsteorin (GR) och många andra. De upptäcktes först direkt i september 2015 av två tvillingdetektorer, som upptäckte gravitationsvågor, troligtvis ett resultat av sammanslagning av två och bildandet av en mer massiv roterande svart hål. Indirekta bevis på deras existens har varit kända sedan 1970-talet - Allmän relativitet förutsäger konvergenshastigheten för nära system på grund av förlusten av energi på grund av emission av gravitationsvågor, vilket sammanfaller med observationer. Direkt registrering av gravitationsvågor och deras användning för att bestämma parametrarna för astrofysiska processer är en viktig uppgift för modern fysik och astronomi.
Inom ramen för den allmänna relativitetsteorien beskrivs gravitationsvågor av lösningar av Einstein-ekvationer av vågtyp, som representerar en störning av rum-tidsmetriken som rör sig med ljusets hastighet (i den linjära approximationen). Uttrycket av denna störning bör i synnerhet vara en periodisk förändring av avståndet mellan två fritt fallande (det vill säga inte påverkade av några krafter) testmassor. Amplitud h gravitationsvåg är en dimensionslös storhet - en relativ förändring i avstånd. De förutsagda maximala amplituderna för gravitationsvågor från astrofysiska objekt (till exempel kompakta binära system) och fenomen (explosioner, sammanslagningar, fångster av svarta hål, etc.) när de mäts är mycket små ( h=10 −18 -10 −23). En svag (linjär) gravitationsvåg, enligt den allmänna relativitetsteorin, överför energi och momentum, rör sig med ljusets hastighet, är tvärgående, fyrpolig och beskrivs av två oberoende komponenter placerade i en vinkel på 45° mot varandra ( har två polarisationsriktningar).
Olika teorier förutsäger utbredningshastigheten för gravitationsvågor olika. I allmän relativitetsteori är det lika med ljusets hastighet (i den linjära approximationen). I andra teorier om gravitation kan det ta vilket värde som helst, inklusive oändlighet. Enligt den första registreringen av gravitationsvågor visade sig deras spridning vara kompatibel med en masslös graviton, och hastigheten uppskattades vara lika med ljusets hastighet.
Generering av gravitationsvågor
System av två neutronstjärnor skapar krusningar i rum-tid
En gravitationsvåg emitteras av all materia som rör sig med asymmetrisk acceleration. För att en våg med signifikant amplitud ska uppstå krävs en extremt stor massa av sändaren och/eller enorma accelerationer; gravitationsvågens amplitud är direkt proportionell första derivatan av acceleration och generatorns massa, det vill säga ~ . Men om ett föremål rör sig i en accelererad hastighet betyder det att någon kraft verkar på det från ett annat föremål. I sin tur upplever detta andra objekt motsatt effekt (enligt Newtons tredje lag), och det visar sig att m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Det visar sig att två objekt bara sänder ut gravitationsvågor i par, och som ett resultat av störningar avbryts de ömsesidigt nästan helt. Därför har gravitationsstrålning i den allmänna relativitetsteorin alltid multipolkaraktären av åtminstone kvadrupolstrålning. Dessutom, för icke-relativistiska sändare i uttrycket för strålningsintensiteten finns det en liten parameter där sändarens gravitationsradie är, r- dess karakteristiska storlek, T- karakteristisk rörelseperiod, c- ljusets hastighet i vakuum.
De starkaste källorna till gravitationsvågor är:
- kolliderar (gigantiska massor, mycket små accelerationer),
- gravitationskollaps av ett binärt system av kompakta föremål (kolossala accelerationer med en ganska stor massa). Som ett speciellt och mest intressant fall - sammanslagning av neutronstjärnor. I ett sådant system är gravitationsvågens ljusstyrka nära den maximala Planck-ljusstyrkan som är möjlig i naturen.
Gravitationsvågor som emitteras av ett tvåkroppssystem
Två kroppar som rör sig i cirkulära banor runt ett gemensamt masscentrum
Två gravitationsbundna kroppar med massor m 1 och m 2, rör sig icke-relativistiskt ( v << c) i cirkulära banor runt deras gemensamma masscentrum på avstånd r från varandra sänder ut gravitationsvågor av följande energi, i genomsnitt över perioden:
Som ett resultat förlorar systemet energi, vilket leder till konvergens av kroppar, det vill säga till en minskning av avståndet mellan dem. Hastighet att närma sig kroppar:
För solsystemet, till exempel, produceras den största gravitationsstrålningen av delsystemet och. Effekten av denna strålning är cirka 5 kilowatt. Således är den energi som solsystemet förlorar till gravitationsstrålning per år helt försumbar jämfört med den karakteristiska kinetiska energin hos kroppar.
Gravitationskollaps av ett binärt system
Varje dubbelstjärna, när dess komponenter roterar runt ett gemensamt masscentrum, förlorar energi (som antagits - på grund av emission av gravitationsvågor) och smälter till slut samman. Men för vanliga, icke-kompakta dubbelstjärnor tar denna process mycket lång tid, mycket längre än dagens ålder. Om ett kompakt binärt system består av ett par neutronstjärnor, svarta hål eller en kombination av båda, kan sammanslagningen ske inom flera miljoner år. Först kommer föremålen närmare varandra, och deras rotationsperiod minskar. Sedan, i slutskedet, inträffar en kollision och asymmetrisk gravitationskollaps. Denna process varar en bråkdel av en sekund, och under denna tid går energi förlorad till gravitationsstrålning, som enligt vissa uppskattningar uppgår till mer än 50 % av systemets massa.
Grundläggande exakta lösningar av Einsteins ekvationer för gravitationsvågor
Bondi-Pirani-Robinson kroppsvågor
Dessa vågor beskrivs av ett mått på formen. Om vi introducerar en variabel och en funktion får vi ekvationen från de allmänna relativitetsekvationerna
Takeno Metrisk
har formen , -funktioner uppfyller samma ekvation.
Rosen metrisk
Var man ska tillfredsställa
Perez metrisk
Vart i
Cylindriska Einstein-Rosen vågor
I cylindriska koordinater har sådana vågor formen och exekveras
Registrering av gravitationsvågor
Registrering av gravitationsvågor är ganska svårt på grund av svagheten hos den senare (liten förvrängning av metriken). Enheterna för att registrera dem är gravitationsvågsdetektorer. Försök att upptäcka gravitationsvågor har gjorts sedan slutet av 1960-talet. Gravitationsvågor med detekterbar amplitud föds under kollapsen av en binär. Liknande händelser inträffar i det omgivande området ungefär en gång per decennium.
Å andra sidan förutsäger den allmänna relativitetsteorin accelerationen av den ömsesidiga rotationen av binära stjärnor på grund av energiförlusten i emissionen av gravitationsvågor, och denna effekt registreras tillförlitligt i flera kända system av binära kompakta objekt (särskilt , pulsarer med kompakta följeslagare). 1993, "för upptäckten av en ny typ av pulsar, som gav nya möjligheter i studiet av gravitationen" till upptäckarna av den första dubbelpulsaren PSR B1913+16, Russell Hulse och Joseph Taylor Jr. belönades med Nobelpriset i fysik. Den rotationsacceleration som observeras i detta system sammanfaller helt med förutsägelserna av den allmänna relativitetsteorien för emission av gravitationsvågor. Samma fenomen registrerades i flera andra fall: för pulsarerna PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (vanligtvis förkortat J0651) och systemet med binär RX J0806. Till exempel minskar avståndet mellan de två komponenterna A och B i den första binära stjärnan av de två pulsarerna PSR J0737-3039 med cirka 2,5 tum (6,35 cm) per dag på grund av energiförlust till gravitationsvågor, och detta sker i överensstämmelse med allmän relativitetsteori. Alla dessa data tolkas som en indirekt bekräftelse på förekomsten av gravitationsvågor.
Enligt uppskattningar är de starkaste och vanligaste källorna till gravitationsvågor för gravitationsteleskop och antenner katastrofer förknippade med kollapsen av binära system i närliggande galaxer. Det förväntas att inom en snar framtid kommer flera liknande händelser per år att registreras på förbättrade gravitationsdetektorer, vilket förvränger metriken i närheten med 10 −21 -10 −23 . De första observationerna av en optisk-metrisk parametrisk resonanssignal, som gör det möjligt att detektera effekten av gravitationsvågor från periodiska källor såsom en nära binär på strålningen från kosmiska masers, kan ha erhållits vid det ryska radioastronomiska observatoriet Vetenskapsakademin, Pushchino.
En annan möjlighet att upptäcka bakgrunden för gravitationsvågor som fyller universum är högprecisionstid för avlägsna pulsarer - analys av ankomsttiden för deras pulser, som karakteristiskt förändras under påverkan av gravitationsvågor som passerar genom utrymmet mellan jorden och pulsaren. Uppskattningar för 2013 indikerar att timingnoggrannheten måste förbättras med ungefär en storleksordning för att detektera bakgrundsvågor från flera källor i vårt universum, en uppgift som skulle kunna utföras före slutet av årtiondet.
Enligt moderna koncept är vårt universum fyllt med relikgravitationsvågor som dök upp de första ögonblicken efter. Deras registrering kommer att göra det möjligt att få information om processerna i början av universums födelse. Den 17 mars 2014 klockan 20:00 Moskva-tid vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics tillkännagav en amerikansk grupp forskare som arbetar med BICEP 2-projektet upptäckten av tensorstörningar som inte är noll i det tidiga universum genom polariseringen av det kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålning, vilket också är upptäckten av dessa reliktgravitationsvågor. Detta resultat ifrågasattes emellertid nästan omedelbart, eftersom bidraget, som det visade sig, inte beaktades ordentligt. En av författarna, J. M. Kovats ( Kovac J.M.), medgav att "deltagarna och vetenskapsjournalisterna var lite förhastade med att tolka och rapportera data från BICEP2-experimentet."
Experimentell bekräftelse av existensen
Den första registrerade gravitationsvågssignalen. Till vänster finns data från detektorn i Hanford (H1), till höger - i Livingston (L1). Tiden räknas från 14 september 2015, 09:50:45 UTC. För att visualisera signalen filtreras den med ett frekvensfilter med ett passband på 35-350 Hertz för att undertrycka stora fluktuationer utanför detektorernas höga känslighetsområde, bandstoppfilter användes även för att dämpa bruset från själva installationerna. Översta raden: spänningar h i detektorerna. GW150914 anlände först till L1 och 6 9 +0 5 −0 4 ms senare till H1; För visuell jämförelse visas data från H1 i L1-grafen i omvänd och tidsförskjuten form (för att ta hänsyn till detektorernas relativa orientering). Andra raden: spänningar h från gravitationsvågssignalen, passerade genom samma 35-350 Hz bandpassfilter. Den heldragna linjen är resultatet av numerisk relativitet för ett system med parametrar som är kompatibla med de som hittades baserat på studien av GW150914-signalen, erhållen av två oberoende koder med en resulterande matchning på 99,9. De grå tjocka linjerna är 90 % konfidensområden för vågformen rekonstruerade från detektordata med två olika metoder. Den mörkgrå linjen modellerar de förväntade signalerna från sammanslagningen av svarta hål, den ljusgrå linjen använder inte astrofysiska modeller, utan representerar signalen som en linjär kombination av sinusformade-Gaussiska vågor. Rekonstruktionerna överlappar med 94 %. Tredje raden: Återstående fel efter att ha extraherat den filtrerade förutsägelsen av den numeriska relativitetssignalen från den filtrerade signalen från detektorerna. Nedre raden: En representation av spänningsfrekvenskartan, som visar ökningen av signalens dominanta frekvens över tiden.
11 februari 2016 av LIGO- och VIRGO-samarbetena. Sammanslagningssignalen för två svarta hål med en amplitud på maximalt cirka 10–21 registrerades den 14 september 2015 kl. 9:51 UTC av två LIGO-detektorer i Hanford och Livingston, 7 millisekunders mellanrum, i området för maximal signalamplitud ( 0,2 sekunder) kombinerat var signal-brusförhållandet 24:1. Signalen betecknades GW150914. Formen på signalen matchar förutsägelsen av allmän relativitet för sammanslagning av två svarta hål med massor av 36 och 29 solmassor; det resulterande svarta hålet bör ha en massa på 62 solenergi och en rotationsparameter a= 0,67. Avståndet till källan är cirka 1,3 miljarder, energin som släpps ut på tiondels sekund vid sammanslagningen motsvarar cirka 3 solmassor.
Berättelse
Historien om själva termen "gravitationsvåg", det teoretiska och experimentella sökandet efter dessa vågor, såväl som deras användning för att studera fenomen som är otillgängliga för andra metoder.
- 1900 - Lorentz föreslog att gravitationen "...kan spridas med en hastighet som inte är högre än ljusets hastighet";
- 1905 - Poincaré introducerade först termen gravitationsvåg (onde gravifique). Poincaré, på en kvalitativ nivå, tog bort Laplaces etablerade invändningar och visade att korrigeringarna förknippade med gravitationsvågor till de allmänt accepterade Newtonska gravitationslagarna upphäver, varför antagandet om existensen av gravitationsvågor inte motsäger observationer;
- 1916 – Einstein visade att, inom ramen för den allmänna relativitetsteorien, kommer ett mekaniskt system att överföra energi till gravitationsvågor och grovt sett måste all rotation i förhållande till fixstjärnor förr eller senare upphöra, även om naturligtvis under normala förhållanden energiförluster av storleksordningen är försumbara och praktiskt taget inte mätbara (i I detta arbete trodde han också felaktigt att ett mekaniskt system som ständigt upprätthåller sfärisk symmetri kan avge gravitationsvågor);
- 1918 - Einstein härledde en kvadrupolformel där emissionen av gravitationsvågor visar sig vara en effekt av ordning , och korrigerar därmed felet i hans tidigare arbete (ett fel kvarstod i koefficienten, vågenergin är 2 gånger mindre);
- 1923 - Eddington - ifrågasatte den fysiska verkligheten av gravitationsvågor "... som fortplantar sig... med tankens hastighet." 1934, när han förberedde den ryska översättningen av sin monografi "The Theory of Relativity", lade Eddington till flera kapitel, inklusive kapitel med två alternativ för att beräkna energiförluster med en roterande stång, men noterade att de metoder som används för ungefärliga beräkningar av allmän relativitet, enligt hans åsikt är de inte tillämpliga på gravitationsbundna system, så tvivel kvarstår;
- 1937 - Einstein, tillsammans med Rosen, undersökte cylindriska våglösningar till de exakta ekvationerna för gravitationsfältet. Under loppet av dessa studier började de tvivla på att gravitationsvågor kan vara en artefakt av ungefärliga lösningar av de allmänna relativitetsekvationerna (korrespondens angående en recension av artikeln "Finns gravitationsvågor?" av Einstein och Rosen är känd). Senare fann han ett fel i sitt resonemang, den slutliga versionen av artikeln med grundläggande ändringar publicerades i Journal of the Franklin Institute;
- 1957 - Herman Bondi och Richard Feynman föreslog tankeexperimentet med "pärlstav" där de underbyggde förekomsten av fysiska konsekvenser av gravitationsvågor i allmän relativitet;
- 1962 - Vladislav Pustovoit och Mikhail Herzenstein beskrev principerna för att använda interferometrar för att upptäcka långvågiga gravitationsvågor;
- 1964 - Philip Peters och John Matthew beskrev teoretiskt gravitationsvågor emitterade av binära system;
- 1969 - Joseph Weber, grundare av gravitationsvågastronomi, rapporterar upptäckten av gravitationsvågor med hjälp av en resonansdetektor - en mekanisk gravitationsantenn. Dessa rapporter ger upphov till en snabb tillväxt av arbete i denna riktning, i synnerhet Rainier Weiss, en av grundarna av LIGO-projektet, började experiment vid den tiden. Hittills (2015) har ingen kunnat få tillförlitlig bekräftelse på dessa händelser;
- 1978 - Joseph Taylor rapporterade detekteringen av gravitationsstrålning i det binära pulsarsystemet PSR B1913+16. Forskningen av Joseph Taylor och Russell Hulse förtjänar Nobelpriset i fysik för 1993. I början av 2015 hade tre post-Keplerianska parametrar, inklusive periodminskning på grund av gravitationsvågemission, uppmätts för minst 8 sådana system;
- 2002 - Sergey Kopeikin och Edward Fomalont använde radiovågsinterferometri med ultralång baslinje för att mäta ljusets avböjning i Jupiters gravitationsfält i dynamik, vilket för en viss klass av hypotetiska förlängningar av generell relativitetsteori gör det möjligt att uppskatta hastigheten för gravitation - skillnaden från ljusets hastighet bör inte överstiga 20% (denna tolkning accepteras inte allmänt);
- 2006 - det internationella laget av Martha Bourgay (Parkes Observatory, Australien) rapporterade en betydligt mer exakt bekräftelse av allmän relativitet och dess överensstämmelse med storleken på gravitationsvågstrålningen i systemet med två pulsarer PSR J0737-3039A/B;
- 2014 - Astronomer vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (BICEP) rapporterade upptäckten av primordiala gravitationsvågor medan de mätte fluktuationer i den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen. För närvarande (2016) anses de upptäckta fluktuationerna inte vara av relikt ursprung, utan förklaras av utsläpp av damm i galaxen;
- 2016 - internationellt LIGO-team rapporterade upptäckten av gravitationsvågens transithändelse GW150914. För första gången, direkt observation av interagerande massiva kroppar i ultrastarka gravitationsfält med ultrahöga relativa hastigheter (< 1,2 × R s , v/c >0.5), vilket gjorde det möjligt att verifiera riktigheten av den allmänna relativitetsteorien med en noggrannhet av flera post-newtonska termer av hög ordning. Den uppmätta spridningen av gravitationsvågor motsäger inte tidigare gjorda mätningar av spridningen och övre gränsen på massan av en hypotetisk graviton (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.
Valentin Nikolaevich Rudenko delar historien om sitt besök i staden Cascina (Italien), där han tillbringade en vecka på den då nybyggda "gravitationsantennen" - Michelsons optiska interferometer. På väg till destinationen frågar taxichauffören varför installationen byggdes. "Folk här tror att det är för att prata med Gud", erkänner föraren.
– Vad är gravitationsvågor?
– En gravitationsvåg är en av "bärarna av astrofysisk information." Det finns synliga kanaler för astrofysisk information; teleskop spelar en speciell roll i "fjärrseende". Astronomer har också bemästrat lågfrekventa kanaler - mikrovågsugn och infraröd, och högfrekventa kanaler - röntgen och gamma. Förutom elektromagnetisk strålning kan vi upptäcka strömmar av partiklar från rymden. För detta ändamål används neutrinoteleskop - storstora detektorer av kosmiska neutriner - partiklar som svagt interagerar med materia och därför är svåra att registrera. Nästan alla teoretiskt förutspådda och laboratoriestuderade typer av "bärare av astrofysisk information" har tillförlitligt bemästrats i praktiken. Undantaget var gravitationen - den svagaste interaktionen i mikrokosmos och den mest kraftfulla kraften i makrokosmos.
Tyngdkraften är geometri. Gravitationsvågor är geometriska vågor, det vill säga vågor som ändrar rymdens geometriska egenskaper när de passerar genom det utrymmet. Grovt sett är det vågor som deformerar rymden. Töjning är den relativa förändringen i avståndet mellan två punkter. Gravitationsstrålning skiljer sig från alla andra typer av strålning just genom att den är geometrisk.
– Förutspådde Einstein gravitationsvågor?
– Formellt tror man att gravitationsvågor förutspåddes av Einstein som en av konsekvenserna av hans allmänna relativitetsteori, men i själva verket blir deras existens uppenbar redan i den speciella relativitetsteorin.
Relativitetsteorin antyder att på grund av gravitationsattraktion är gravitationskollaps möjlig, det vill säga ett föremål som dras samman som ett resultat av kollaps, grovt sett, till en punkt. Då är gravitationen så stark att ljus inte ens kan fly från den, så ett sådant föremål kallas bildligt för ett svart hål.
– Vad är det speciella med gravitationsinteraktion?
Ett kännetecken för gravitationsinteraktion är principen om ekvivalens. Enligt den beror det dynamiska svaret hos en testkropp i ett gravitationsfält inte på massan av denna kropp. Enkelt uttryckt faller alla kroppar med samma acceleration.
Gravitationsinteraktion är det svagaste vi känner till idag.
– Vem var den första som försökte fånga en gravitationsvåg?
– Gravitationsvågsexperimentet utfördes först av Joseph Weber från University of Maryland (USA). Han skapade en gravitationsdetektor, som nu förvaras på Smithsonian Museum i Washington. 1968-1972 genomförde Joe Weber en serie observationer på ett par rumsligt åtskilda detektorer, i ett försök att isolera fall av "slumpen". Slumptekniken är lånad från kärnfysiken. Den låga statistiska signifikansen av gravitationssignalerna som Weber erhöll orsakade en kritisk inställning till resultaten av experimentet: det fanns ingen tilltro till att gravitationsvågor hade upptäckts. Därefter försökte forskare öka känsligheten hos detektorer av Weber-typ. Det tog 45 år att utveckla en detektor vars känslighet var tillräcklig för den astrofysiska prognosen.
Under starten av experimentet ägde många andra experiment rum innan fixering, impulser registrerades under denna period, men deras intensitet var för låg.
– Varför tillkännagavs inte signalfixeringen omedelbart?
– Gravitationsvågor registrerades redan i september 2015. Men även om ett sammanträffande registrerades, innan man tillkännager det, är det nödvändigt att bevisa att det inte är oavsiktligt. Signalen som tas från valfri antenn innehåller alltid brusskurar (kortvariga skurar), och en av dem kan av misstag inträffa samtidigt med en brusskur på en annan antenn. Det är möjligt att bevisa att sammanträffandet inte var tillfälligt bara med hjälp av statistiska uppskattningar.
– Varför är upptäckter inom gravitationsvågor så viktiga?
– Förmågan att registrera reliktens gravitationsbakgrund och mäta dess egenskaper, såsom densitet, temperatur, etc., gör att vi kan närma oss universums början.
Det som är attraktivt är att gravitationsstrålning är svår att upptäcka eftersom den interagerar mycket svagt med materia. Men tack vare samma egenskap passerar den utan absorption från de föremål som är längst bort från oss med de mest mystiska, ur materiens synvinkel, egenskaper.
Vi kan säga att gravitationsstrålning passerar utan distorsion. Det mest ambitiösa målet är att studera gravitationsstrålningen som skiljdes från urmaterien i Big Bang Theory, som skapades vid skapandet av universum.
– Utesluter upptäckten av gravitationsvågor kvantteorin?
Teorin om gravitation antar att det finns gravitationskollaps, det vill säga sammandragningen av massiva föremål till en punkt. Samtidigt antyder kvantteorin som utvecklats av Köpenhamnsskolan att det tack vare osäkerhetsprincipen är omöjligt att samtidigt ange exakt sådana parametrar som en kropps koordinat, hastighet och momentum. Det finns en osäkerhetsprincip här, det är omöjligt att bestämma den exakta banan, eftersom banan är både en koordinat och en hastighet etc. Det är bara möjligt att bestämma en viss villkorad konfidenskorridor inom gränserna för detta fel, som är associerat med principerna om osäkerhet. Kvantteorin förnekar kategoriskt möjligheten av punktobjekt, men beskriver dem på ett statistiskt probabilistiskt sätt: den anger inte specifikt koordinater, utan anger sannolikheten att den har vissa koordinater.
Frågan om att förena kvantteorin och gravitationsteorin är en av de grundläggande frågorna för att skapa en enhetlig fältteori.
De fortsätter att arbeta på det nu, och orden " kvantgravitation” betyder ett helt avancerat område av vetenskap, gränsen mellan kunskap och okunnighet, där alla världens teoretiker nu arbetar.
– Vad kan upptäckten ge i framtiden?
Gravitationsvågor måste oundvikligen utgöra grunden för modern vetenskap som en av komponenterna i vår kunskap. De spelar en betydande roll i universums utveckling och med hjälp av dessa vågor bör universum studeras. Discovery främjar allmän utveckling vetenskap och kultur.
Om du bestämmer dig för att gå utanför ramen för dagens vetenskap, är det tillåtet att föreställa dignjer, jetenheter som använder gravitationsstrålning, gravitationsvågsintroskopi.
– Har gravitationsvågor något att göra med extrasensorisk perception och telepati?
Har inte. Effekterna som beskrivs är effekterna kvantvärld, optiska effekter.
Intervjuad av Anna Utkina
Astrofysiker har bekräftat förekomsten av gravitationsvågor, vars existens förutspåddes av Albert Einstein för cirka 100 år sedan. De upptäcktes med hjälp av detektorer vid gravitationsvågsobservatoriet LIGO, som ligger i USA.
För första gången i historien har mänskligheten registrerat gravitationsvågor - rymd-tidsvibrationer som kom till jorden från kollisionen av två svarta hål som inträffade långt i universum. Ryska forskare bidrog också till denna upptäckt. På torsdag berättar forskare om sin upptäckt runt om i världen – i Washington, London, Paris, Berlin och andra städer, inklusive Moskva.
Bilden visar en simulering av en kollision med svarta hål
Vid en presskonferens på Rambler&Co-kontoret tillkännagav Valery Mitrofanov, chef för den ryska delen av LIGO-samarbetet, upptäckten av gravitationsvågor:
"Vi fick äran att delta i det här projektet och presentera resultaten för dig. Jag ska nu berätta vad upptäckten betyder på ryska. Vi har sett vackra bilder på LIGO-detektorer i USA. Avståndet mellan dem är 3000 km. Under påverkan av en gravitationsvåg skiftade en av detektorerna, varefter vi upptäckte dem. Först såg vi bara ljud på datorn, och sedan började massan av Hamford-detektorerna att gunga. Efter att ha beräknat de erhållna uppgifterna kunde vi fastställa att det var de svarta hålen som kolliderade på ett avstånd av 1,3 miljarder. ljusår bort. Signalen var väldigt tydlig, den kom ut ur bruset väldigt tydligt. Många berättade för oss att vi hade tur, men naturen gav oss en sådan gåva. Gravitationsvågor har upptäckts, det är säkert."
Astrofysiker har bekräftat rykten om att de kunde detektera gravitationsvågor med hjälp av detektorer vid LIGO gravitationsvågobservatoriet. Denna upptäckt kommer att göra det möjligt för mänskligheten att göra betydande framsteg i att förstå hur universum fungerar.
Upptäckten inträffade den 14 september 2015 samtidigt med två detektorer i Washington och Louisiana. Signalen kom till detektorerna som ett resultat av kollisionen av två svarta hål. Det tog forskarna så lång tid att verifiera att det var gravitationsvågorna som var produkten av kollisionen.
Kollisionen av hålen inträffade med en hastighet av ungefär halva ljusets hastighet, vilket är ungefär 150 792 458 m/s.
"Newtonsk gravitation beskrevs i platt rymd, och Einstein överförde den till tidsplanet och antog att den böjer den. Gravitationsinteraktionen är mycket svag. På jorden är experiment för att skapa gravitationsvågor omöjliga. De upptäcktes först efter sammanslagningen av svarta hål. Detektorn skiftade, tänk dig bara, med 10 till -19 meter. Du kan inte känna det med händerna. Endast med hjälp av mycket precisa instrument. Hur man gör det? Laserstrålen med vilken förskjutningen registrerades var unik till sin natur. LIGO:s andra generation lasergravitationsantenn togs i bruk 2015. Känsligheten gör det möjligt att upptäcka gravitationsstörningar ungefär en gång i månaden. Detta är avancerad världsvetenskap och amerikansk vetenskap, det finns inget mer exakt i världen. Vi hoppas att det kommer att kunna övervinna standardkvantkänslighetsgränsen", förklarade upptäckten Sergei Vyatchanin, anställd på fysikavdelningen vid Moscow State University och LIGO-samarbetet.
Standardkvantgränsen (SQL) inom kvantmekanik är en begränsning som åläggs noggrannheten av en kontinuerlig eller upprepad mätning av vilken kvantitet som helst som beskrivs av en operatör som inte pendlar med sig själv vid olika tidpunkter. Förutspådde 1967 av V.B. Braginsky, och termen Standard Quantum Limit (SQL) föreslogs senare av Thorne. SKP är nära relaterat till Heisenbergs osäkerhetsrelation.
Sammanfattningsvis talade Valery Mitrofanov om planer för ytterligare forskning:
"Denna upptäckt är början på en ny gravitationsvågastronomi. Genom gravitationsvågornas kanal förväntar vi oss att lära oss mer om universum. Vi vet sammansättningen av endast 5% av materia, resten är ett mysterium. Gravitationsdetektorer låter dig se himlen i "gravitationsvågor". I framtiden hoppas vi få se början på allt, det vill säga relikstrålningen från Big Bang och förstå vad som exakt hände då."
Gravitationsvågor föreslogs först av Albert Einstein 1916, nästan exakt 100 år sedan. Ekvationen för vågor är en konsekvens av relativitetsteorins ekvationer och är inte härledd på det enklaste sättet.
Den kanadensiske teoretiska fysikern Clifford Burgess publicerade tidigare ett brev som säger att observatoriet upptäckt gravitationsstrålning orsakad av sammanslagning av ett binärt system av svarta hål med massor av 36 och 29 solmassor till ett objekt med en massa på 62 solmassor. Kollisionen och den asymmetriska gravitationskollapsen varar en bråkdel av en sekund, och under denna tid går energi som uppgår till upp till 50 procent av systemets massa förlorad i gravitationsstrålning - krusningar i rum-tid.
En gravitationsvåg är en gravitationsvåg som genereras i de flesta teorier om gravitation genom rörelse av graviterande kroppar med variabel acceleration. På grund av gravitationskrafternas relativa svaghet (jämfört med andra) bör dessa vågor ha en mycket liten magnitud, svår att registrera. Deras existens förutspåddes för ungefär ett sekel sedan av Albert Einstein.
Igår chockades världen av en sensation: forskare upptäckte äntligen gravitationsvågor, vars existens Einstein förutspådde för hundra år sedan. Detta är ett genombrott. Distorsion av rum-tid (detta är gravitationsvågor - nu ska vi förklara vad som är vad) upptäcktes vid LIGO-observatoriet, och en av dess grundare är - vem tror du? – Kip Thorne, författare till boken.
Vi berättar varför upptäckten av gravitationsvågor är så viktig, vad Mark Zuckerberg sa och, naturligtvis, delar historien från första person. Kip Thorne vet som ingen annan hur projektet fungerar, vad som gör det ovanligt och vilken betydelse LIGO har för mänskligheten. Ja, ja, allt är så allvarligt.
Upptäckten av gravitationsvågor
Den vetenskapliga världen kommer för alltid att minnas datumet 11 februari 2016. Den här dagen meddelade deltagare i LIGO-projektet: efter så många meningslösa försök hade gravitationsvågor hittats. Det här är verklighet. Faktum är att de upptäcktes lite tidigare: i september 2015, men i går erkändes upptäckten officiellt. The Guardian tror att vetenskapsmän säkerligen kommer att få Nobelpriset i fysik.
Orsaken till gravitationsvågor är kollisionen av två svarta hål, som inträffade redan... en miljard ljusår från jorden. Kan du föreställa dig hur stort vårt universum är! Eftersom svarta hål är mycket massiva kroppar, skickar de krusningar genom rumtiden, vilket förvränger den något. Så vågor dyker upp, liknande de som sprider sig från en sten som kastats i vattnet.
Så här kan du föreställa dig gravitationsvågor som kommer till jorden, till exempel från ett maskhål. Ritning från boken "Interstellar. Vetenskapen bakom kulisserna"
De resulterande vibrationerna omvandlades till ljud. Intressant nog kommer signalen från gravitationsvågor till ungefär samma frekvens som vårt tal. Så vi kan höra med våra egna öron hur svarta hål kolliderar. Lyssna på hur gravitationsvågor låter.
Och gissa vad? På senare tid är svarta hål inte strukturerade som man tidigare trott. Men det fanns inga som helst bevis för att de existerar i princip. Och nu finns det. Svarta hål "bor" verkligen i universum.
Så här tror forskare att en katastrof ser ut - en sammanslagning av svarta hål.
Den 11 februari ägde en storslagen konferens rum, som samlade mer än tusen forskare från 15 länder. Ryska forskare var också närvarande. Och, naturligtvis, det var Kip Thorne. "Denna upptäckt är början på en fantastisk, magnifik strävan efter människor: sökandet och utforskningen av den krökta sidan av universum - objekt och fenomen skapade från förvrängd rum-tid. Svarta hålskollisioner och gravitationsvågor är våra första anmärkningsvärda exempel, säger Kip Thorne.
Sökandet efter gravitationsvågor har varit ett av fysikens huvudproblem. Nu har de hittats. Och Einsteins geni bekräftas igen.
I oktober intervjuade vi Sergej Popov, en rysk astrofysiker och berömd populariserare av vetenskap. Han såg ut som om han tittade i vattnet! Under hösten: "Det verkar för mig att vi nu står på tröskeln till nya upptäckter, som främst är förknippade med arbetet med gravitationsvågsdetektorerna LIGO och VIRGO (Kip Thorne gjorde ett stort bidrag till skapandet av LIGO-projektet) .” Underbart, eller hur?
Gravitationsvågor, vågdetektorer och LIGO
Nåväl, nu till lite fysik. För den som verkligen vill förstå vad gravitationsvågor är. Här konstnärlig bild Tendex-linjer av två svarta hål som kretsar runt varandra moturs och sedan kolliderar. Tendex-linjer genererar tidvattengravitation. Varsågod. Linjerna, som utgår från de två punkterna längst ifrån varandra på ytan av ett par svarta hål, sträcker allt i deras väg, inklusive konstnärens vän i teckningen. Linjerna som utgår från kollisionsområdet komprimerar allt.
När hålen roterar runt varandra, bär de längs sina tendexlinjer, som liknar vattenströmmar från en snurrande sprinkler på en gräsmatta. På bilden från boken ”Interstellar. Science behind the scenes" - ett par svarta hål som kolliderar och roterar runt varandra moturs och deras tendexlinjer.
Svarta hål smälter samman till ett stort hål; den deformeras och roterar moturs och drar tendexlinjer med den. En stationär observatör långt från hålet kommer att känna vibrationer när tendexlinjerna passerar genom honom: sträckning, sedan kompression, sedan sträckning - tendexlinjerna har blivit en gravitationsvåg. När vågorna fortplantar sig minskar det svarta hålets deformation gradvis, och vågorna försvagas också.
När dessa vågor når jorden ser de ut som den som visas överst i figuren nedan. De sträcker sig åt ena hållet och komprimeras åt andra hållet. Förlängningarna och kompressionerna svänger (från röd höger-vänster, till blå höger-vänster, till röd höger-vänster, etc.) när vågorna passerar genom detektorn längst ner i figuren.
Gravitationsvågor passerar genom LIGO-detektorn.
Detektorn består av fyra stora speglar (40 kilo, 34 centimeter i diameter), som är fästa i ändarna av två vinkelräta rör, så kallade detektorarmar. Tendex-linjer av gravitationsvågor sträcker en arm, medan du komprimerar den andra, och sedan tvärtom, komprimerar den första och sträcker den andra. Och så igen och igen. Eftersom armarnas längd ändras periodiskt, rör sig speglarna i förhållande till varandra, och dessa rörelser spåras med hjälp av laserstrålar på ett sätt som kallas interferometri. Därav namnet LIGO: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
LIGO kontrollcentral, varifrån de skickar kommandon till detektorn och övervakar de mottagna signalerna. LIGO:s gravitationsdetektorer finns i Hanford, Washington och Livingston, Louisiana. Foto från boken "Interstellar. Vetenskapen bakom kulisserna"
Nu är LIGO ett internationellt projekt där 900 forskare från olika länder, med huvudkontor beläget vid California Institute of Technology.
Universums krökta sida
Svarta hål, maskhål, singulariteter, gravitationella anomalier och dimensioner av högre ordning är förknippade med krökningar av rum och tid. Det är därför Kip Thorne kallar dem "universums vridna sida". Mänskligheten har fortfarande väldigt lite experimentella och observationsdata från den krökta sidan av universum. Det är därför vi ägnar så mycket uppmärksamhet åt gravitationsvågor: de är gjorda av krökt utrymme och ger det mest tillgängliga sättet för oss att utforska den krökta sidan.
Tänk om du bara såg havet när det var lugnt. Du skulle inte veta om strömmar, bubbelpooler och stormvågor. Detta påminner om vår nuvarande kunskap om rummets och tidens krökning.
Vi vet nästan ingenting om hur krökt rum och krökt tid beter sig "i en storm" - när rymdens form fluktuerar våldsamt och när tidens hastighet fluktuerar. Detta är en otroligt lockande kunskapsgräns. Forskaren John Wheeler myntade termen "geometrodynamics" för dessa förändringar.
Av särskilt intresse inom området geometrodynamics är kollisionen av två svarta hål.
Kollision av två icke-roterande svarta hål. Modell från boken "Interstellar. Vetenskapen bakom kulisserna"
Bilden ovan visar ögonblicket då två svarta hål kolliderar. Just en sådan händelse gjorde det möjligt för forskare att registrera gravitationsvågor. Denna modell är byggd för icke-roterande svarta hål. Överst: banor och skuggor av hål, sett från vårt universum. Mitten: krökt rum och tid, sett från huvuddelen (flerdimensionell hyperrymd); Pilarna visar hur rymden är involverad i rörelse, och de skiftande färgerna visar hur tiden böjs. Nederst: Formen på de emitterade gravitationsvågorna.
Gravitationsvågor från Big Bang
Över till Kip Thorne. "1975 gjorde Leonid Grischuk, min gode vän från Ryssland, ett sensationellt uttalande. Han sa att vid ögonblicket av Big Bang uppstod många gravitationsvågor, och mekanismen för deras ursprung (tidigare okänd) var följande: kvantfluktuationer (slumpmässiga fluktuationer - reds. anm.) gravitationsfälten under Big Bang förstärktes avsevärt av den initiala expansionen av universum och blev därmed de ursprungliga gravitationsvågorna. Dessa vågor, om de upptäcks, kan berätta för oss vad som hände vid födelsen av vårt universum."
Om forskare hittar de ursprungliga gravitationsvågorna kommer vi att veta hur universum började.
Människor har löst alla universums mysterier. Det kommer mer.
Under de följande åren, när vår förståelse av Big Bang förbättrades, blev det uppenbart att dessa urvågor måste ha varit starka vid våglängder i proportion till storleken synligt universum, det vill säga i längder av miljarder ljusår. Kan du föreställa dig hur mycket detta är?.. Och vid de våglängder som LIGO-detektorer täcker (hundratals och tusentals kilometer), kommer vågorna med största sannolikhet att vara för svaga för att kännas igen.
Jamie Bocks team byggde BICEP2-apparaten, med vilken spåret av de ursprungliga gravitationsvågorna upptäcktes. Apparaten som finns på Nordpolen visas här under skymningen, som bara inträffar där två gånger om året.
BICEP2-enhet. Bild från boken Interstellar. Vetenskapen bakom kulisserna"
Den är omgiven av sköldar som skyddar enheten från strålning från det omgivande istäcket. I det övre högra hörnet finns ett spår upptäckt i den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen - ett polarisationsmönster. Rader elektriskt fält riktad längs korta lätta drag.
Spår av universums början
I början av nittiotalet insåg kosmologer att dessa gravitationsvågor, miljarder ljusår långa, måste ha lämnat ett unikt spår i de elektromagnetiska vågorna som fyller universum – den så kallade kosmiska mikrovågsbakgrunden, eller kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning. Detta började sökandet efter den heliga gralen. När allt kommer omkring, om vi upptäcker detta spår och härleder egenskaperna hos de ursprungliga gravitationsvågorna, kan vi ta reda på hur universum föddes.
I mars 2014, medan Kip Thorne skrev den här boken, upptäckte teamet av Jamie Bok, en kosmolog på Caltech vars kontor ligger granne med Thornes, äntligen detta spår i den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen.
Det här är en helt fantastisk upptäckt, men det finns en kontroversiell punkt: spåret som hittats av Jamies team kan ha orsakats av något annat än gravitationsvågor.
Om man verkligen hittar ett spår av gravitationsvågorna som uppstod under Big Bang betyder det att en kosmologisk upptäckt har skett på en nivå som kanske sker en gång vart halvsekel. Det ger dig en chans att röra vid händelserna som inträffade en biljondels biljondels biljondels sekund efter universums födelse.
Denna upptäckt bekräftar teorier om att universums expansion i det ögonblicket var extremt snabb, i kosmologernas slang - inflationssnabb. Och förebådar tillkomsten av en ny era inom kosmologin.
Gravitationsvågor och Interstellar
Igår, vid en konferens om upptäckten av gravitationsvågor, noterade Valery Mitrofanov, chef för Moskvas LIGO-samarbete mellan forskare, som inkluderar 8 forskare från Moscow State University, att handlingen i filmen "Interstellar", även om den är fantastisk, inte är så långt från verkligheten. Och allt för att Kip Thorne var den vetenskapliga konsulten. Thorne uttryckte själv hopp om att han tror på framtida bemannade flyg till ett svart hål. De kanske inte händer så fort vi skulle vilja, men idag är det mycket mer verkligt än det var tidigare.
Dagen är inte alltför långt borta då människor lämnar vår galaxs gränser.
Händelsen rörde upp tankarna hos miljontals människor. Den ökända Mark Zuckerberg skrev: "Upptäckten av gravitationsvågor är den största upptäckten i modern vetenskap. Albert Einstein är en av mina hjältar, därför tog jag upptäckten så personligt. För ett sekel sedan, inom ramen för den allmänna relativitetsteorin (GTR), förutspådde han förekomsten av gravitationsvågor. Men de är så små att upptäcka att det har kommit att leta efter dem i ursprunget till händelser som Big Bang, stjärnexplosioner och svarta hålskollisioner. När forskare analyserar de erhållna data, en perfekt Ett nytt utseende till rymden. Och kanske kommer detta att kasta ljus över universums ursprung, födelsen och utvecklingen av svarta hål. Det är väldigt inspirerande att tänka på hur många liv och ansträngningar som har lagts ner på att avslöja detta universums mysterium. Detta genombrott blev möjligt tack vare talangen hos briljanta vetenskapsmän och ingenjörer, människor olika nationaliteter, såväl som den senaste datortekniken som nyligen har dykt upp. Grattis till alla inblandade. Einstein skulle vara stolt över dig."
Det här är talet. Och det här är en person som helt enkelt är intresserad av vetenskap. Man kan föreställa sig vilken storm av känslor som överväldigade forskarna som bidrog till upptäckten. Det verkar som vi har sett en ny era, vänner. Det här är otroligt.
P.S.: Gillade du det? Prenumerera på vårt nyhetsbrev på horisonter. En gång i veckan skickar vi utbildningsbrev och ger rabatter på MYTH-böcker.
Hundra år efter den teoretiska förutsägelsen som Albert Einstein gjorde inom ramen för den allmänna relativitetsteorin kunde forskare bekräfta förekomsten av gravitationsvågor. Eran av en i grunden ny metod för att studera rymden – gravitationsvågastronomi – börjar.
Det finns olika upptäckter. Det finns slumpmässiga sådana, de är vanliga inom astronomi. Det finns inte helt oavsiktliga sådana, gjorda som ett resultat av en grundlig "kamning av området", såsom upptäckten av Uranus av William Herschel. Det finns serendipala - när de letade efter en sak och hittade en annan: till exempel upptäckte de Amerika. Men planerade upptäckter intar en speciell plats inom vetenskapen. De bygger på en tydlig teoretisk förutsägelse. Det som förutsägs eftersträvas i första hand för att bekräfta teorin. Sådana upptäckter inkluderar upptäckten av Higgs-bosonen vid Large Hadron Collider och upptäckten av gravitationsvågor med hjälp av laserinterferometerns gravitationsvågobservatorium LIGO. Men för att kunna registrera något fenomen som förutsägs av teorin behöver du ha en ganska god förståelse för exakt vad och var du ska leta, samt vilka verktyg som behövs för detta.
Gravitationsvågor kallas traditionellt för en förutsägelse av den allmänna relativitetsteorin (GTR), och det är verkligen så (även om nu sådana vågor finns i alla modeller som är alternativa till eller komplementära till GTR). Uppkomsten av vågor orsakas av ändligheten hos utbredningshastigheten för gravitationsinteraktion (i allmän relativitet är denna hastighet exakt lika med ljusets hastighet). Sådana vågor är störningar i rum-tid som utbreder sig från en källa. För att gravitationsvågor ska uppstå måste källan pulsera eller röra sig i en accelererad hastighet, men på ett visst sätt. Låt oss säga att rörelser med perfekt sfärisk eller cylindrisk symmetri inte är lämpliga. Det finns ganska många sådana källor, men ofta har de en liten massa, otillräcklig för att generera en kraftfull signal. Tyngdkraften är trots allt den svagaste av de fyra fundamentala interaktionerna, så det är mycket svårt att registrera en gravitationssignal. Dessutom är det för registrering nödvändigt att signalen ändras snabbt över tiden, det vill säga den har en tillräckligt hög frekvens. Annars kommer vi inte att kunna registrera det, eftersom ändringarna kommer att gå för långsamt. Det betyder att föremålen också måste vara kompakta.
Inledningsvis genererades stor entusiasm av supernovaexplosioner som inträffar i galaxer som vår med några decennier. Det betyder att om vi kan uppnå en känslighet som gör att vi kan se en signal på ett avstånd av flera miljoner ljusår, kan vi räkna med flera signaler per år. Men senare visade det sig att initiala uppskattningar av kraften hos energifrigörande i form av gravitationsvågor under en supernovaexplosion var för optimistiska, och en så svag signal kunde bara upptäckas om en supernova hade brutit ut i vår galax.
Ett annat alternativ för massiva kompakta objekt som rör sig snabbt är neutronstjärnor eller svarta hål. Vi kan se antingen processen för deras bildning eller processen för interaktion med varandra. De sista stadierna av kollapsen av stjärnkärnor, vilket leder till bildandet av kompakta objekt, såväl som de sista stadierna av sammanslagning av neutronstjärnor och svarta hål, har en varaktighet i storleksordningen flera millisekunder (vilket motsvarar en frekvens på hundratals hertz) - precis vad som behövs. I det här fallet frigörs mycket energi, inklusive (och ibland främst) i form av gravitationsvågor, eftersom massiva kompakta kroppar gör vissa snabba rörelser. Dessa är våra ideala källor.
Det är sant att supernovor bryter ut i galaxen en gång med några decennier, sammanslagningar av neutronstjärnor inträffar en gång vart par tiotusentals år och svarta hål smälter samman med varandra ännu mer sällan. Men signalen är mycket kraftfullare, och dess egenskaper kan beräknas ganska exakt. Men nu behöver vi kunna se signalen på ett avstånd av flera hundra miljoner ljusår för att kunna täcka flera tiotusentals galaxer och upptäcka flera signaler på ett år.
Efter att ha beslutat om källorna kommer vi att börja designa detektorn. För att göra detta måste du förstå vad en gravitationsvåg gör. Utan att gå in på detaljer kan vi säga att passagen av en gravitationsvåg orsakar en tidvattenkraft (vanliga mån- eller soltidvatten är ett separat fenomen, och gravitationsvågor har ingenting med det att göra). Så du kan till exempel ta en metallcylinder, utrusta den med sensorer och studera dess vibrationer. Detta är inte svårt, varför sådana installationer började göras för ett halvt sekel sedan (de finns också tillgängliga i Ryssland; nu installeras en förbättrad detektor utvecklad av Valentin Rudenkos team från SAI MSU i Baksan underjordiska laboratorium). Problemet är att en sådan enhet kommer att se signalen utan några gravitationsvågor. Det är många ljud som är svåra att hantera. Det är möjligt (och har gjorts!) att installera detektorn under jord, försöka isolera den, kyla den till låga temperaturer, men ändå, för att överskrida brusnivån, skulle en mycket kraftfull gravitationsvågssignal behövas. Men kraftfulla signaler kommer sällan.
Därför gjordes valet till förmån för ett annat system, som lades fram 1962 av Vladislav Pustovoit och Mikhail Herzenstein. I en artikel publicerad i JETP (Journal of Experimental and Theoretical Physics) föreslog de att man skulle använda en Michelson-interferometer för att upptäcka gravitationsvågor. Laserstrålen går mellan speglarna i interferometerns två armar och sedan läggs strålarna från olika armar till. Genom att analysera resultatet av strålstörningar kan den relativa förändringen i armlängder mätas. Det är väldigt exakta mätningar, så om du slår bruset kan du uppnå fantastisk känslighet.
I början av 1990-talet beslutades det att bygga flera detektorer med denna design. De första som togs i drift var relativt små installationer, GEO600 i Europa och TAMA300 i Japan (siffrorna motsvarar armarnas längd i meter) för att testa tekniken. Men huvudaktörerna skulle vara LIGO-installationerna i USA och VIRGO i Europa. Storleken på dessa instrument mäts redan i kilometer, och den slutliga planerade känsligheten bör tillåta se dussintals, om inte hundratals händelser per år.
Varför behövs flera enheter? Främst för korsvalidering, eftersom det finns lokala brus (t.ex. seismiskt). Samtidig upptäckt av signalen i nordvästra USA och Italien skulle vara utmärkta bevis på dess externa ursprung. Men det finns en andra anledning: gravitationsvågsdetektorer är mycket dåliga på att bestämma riktningen till källan. Men om det finns flera detektorer åtskilda, kommer det att vara möjligt att ange riktningen ganska exakt.
Laserjättar
I sin ursprungliga form byggdes LIGO-detektorerna 2002 och VIRGO-detektorerna 2003. Enligt planen var detta bara den första etappen. Alla installationer har varit i drift under flera år och 2010-2011 stoppades de för modifieringar för att sedan nå den planerade högkänsligheten. LIGO-detektorerna var de första som fungerade i september 2015, VIRGO bör ansluta sig under andra halvan av 2016, och från detta skede gör känsligheten att vi kan hoppas på att spela in åtminstone flera händelser per år.
Efter att LIGO började fungera var den förväntade spränghastigheten ungefär en händelse per månad. Astrofysiker uppskattade i förväg att de första förväntade händelserna skulle vara sammanslagningar av svarta hål. Detta beror på det faktum att svarta hål vanligtvis är tio gånger tyngre än neutronstjärnor, signalen är kraftfullare och den är "synlig" från stora avstånd, vilket mer än kompenserar för den lägre frekvensen av händelser per galax. Som tur var behövde vi inte vänta länge. Den 14 september 2015 registrerade båda installationerna en nästan identisk signal, benämnd GW150914.
Med ganska enkel analys kan data som svarta hålsmassor, signalstyrka och avstånd till källan erhållas. Svarta håls massa och storlek hänger ihop på ett mycket enkelt och välkänt sätt, och utifrån signalfrekvensen kan man omedelbart uppskatta storleken på energifrigöringsområdet. I det här fallet indikerade storleken att från två hål med en massa på 25-30 och 35-40 solmassor bildades ett svart hål med en massa på mer än 60 solmassor. Genom att känna till dessa data kan man få den totala energin för skuren. Nästan tre solmassor omvandlades till gravitationsstrålning. Detta motsvarar ljusstyrkan av 1023 solenergier - ungefär samma mängd som alla stjärnor i den synliga delen av universum sänder ut under denna tid (hundradelar av en sekund). Och från den kända energin och storleken på den uppmätta signalen erhålls avståndet. Den stora massan av de sammanslagna kropparna gjorde det möjligt att registrera en händelse som inträffade i en avlägsen galax: signalen tog ungefär 1,3 miljarder år att nå oss.
En mer detaljerad analys gör det möjligt att klargöra massförhållandet för svarta hål och förstå hur de roterade runt sin axel, samt bestämma några andra parametrar. Dessutom gör signalen från två installationer det möjligt att ungefär bestämma riktningen för skuren. Tyvärr är noggrannheten här inte särskilt hög än, men i och med idrifttagningen av den uppdaterade Jungfrun kommer den att öka. Och om några år kommer den japanska KAGRA-detektorn att börja ta emot signaler. Sedan kommer en av LIGO-detektorerna (det fanns ursprungligen tre, en av installationerna var dubbel) att monteras i Indien, och det förväntas att många dussintals händelser kommer att spelas in per år.
Den nya astronomiens era
För tillfället är det viktigaste resultatet av LIGO:s arbete en bekräftelse på existensen av gravitationsvågor. Dessutom gjorde den allra första skuren det möjligt att förbättra restriktionerna för gravitonens massa (i generell relativitet har den noll massa), samt att kraftigare begränsa skillnaden mellan tyngdkraftens utbredningshastighet och hastigheten för gravitationen. ljus. Men forskarna hoppas att de redan 2016 kommer att kunna erhålla en hel del ny astrofysisk data med hjälp av LIGO och JUNGUN.
För det första ger data från gravitationsvågsobservatorier en ny väg för att studera svarta hål. Om det tidigare bara var möjligt att observera materiens flöden i närheten av dessa objekt, kan du nu direkt "se" processen att slå samman och "lugna" det resulterande svarta hålet, hur dess horisont fluktuerar och tar sin slutliga form ( bestäms genom rotation). Förmodligen, tills upptäckten av Hawking-avdunstning av svarta hål (för nu är denna process fortfarande en hypotes), kommer studiet av sammanslagningar att ge bättre direkt information om dem.
För det andra kommer observationer av sammanslagningar av neutronstjärnor att ge mycket ny, brådskande nödvändig information om dessa objekt. För första gången kommer vi att kunna studera neutronstjärnor på det sätt som fysiker studerar partiklar: att se dem kollidera för att förstå hur de fungerar inuti. Mysteriet med strukturen hos neutronstjärnornas inre oroar både astrofysiker och fysiker. Vår förståelse av kärnfysik och materias beteende vid ultrahöga densiteter är ofullständig utan att lösa detta problem. Det är troligt att gravitationsvågobservationer kommer att spela en nyckelroll här.
Man tror att sammanslagningar av neutronstjärnor är ansvariga för korta kosmologiska gammastrålningskurar. I sällsynta fall kommer det att vara möjligt att samtidigt observera en händelse både i gammaområdet och på gravitationsvågsdetektorer (sällsyntheten beror på det faktum att för det första är gammasignalen koncentrerad till en mycket smal stråle, och den är inte alltid riktad mot oss, men för det andra kommer vi inte att registrera gravitationsvågor från mycket avlägsna händelser). Tydligen kommer det att ta flera år av observation för att kunna se detta (även om du som vanligt kan ha tur och det kommer att ske idag). Då kommer vi bland annat att mycket exakt kunna jämföra tyngdhastigheten med ljusets hastighet.
Således kommer laserinterferometrar tillsammans att fungera som ett enda gravitationsvågsteleskop, vilket ger ny kunskap till både astrofysiker och fysiker. Nåväl, förr eller senare kommer ett välförtjänt Nobelpris att delas ut för upptäckten av de första utbrotten och deras analys.
