Den offisielle dagen for oppdagelse (deteksjon) av gravitasjonsbølger er 11. februar 2016. Det var da, på en pressekonferanse i Washington, at lederne for LIGO-samarbeidet kunngjorde at et team av forskere hadde lyktes i å registrere dette fenomenet for første gang i menneskehetens historie.
Profetier om den store Einstein
Selv på begynnelsen av forrige århundre (1916) antydet Albert Einstein at gravitasjonsbølger eksisterer innenfor rammen av den generelle relativitetsteorien (GR) formulert av ham. Man kan bare undre seg over de strålende evnene til den berømte fysikeren, som med et minimum av reelle data var i stand til å trekke slike vidtrekkende konklusjoner. Blant de mange andre forutsagte fysiske fenomenene som ble bekreftet i det neste århundret (bremse strømmen av tid, endre retningen til elektromagnetisk stråling i gravitasjonsfelt, etc.), var det ikke mulig praktisk å oppdage tilstedeværelsen av denne typen bølger samhandling mellom kropper inntil nylig.
Tyngekraft er en illusjon?
Generelt i lysetRelativitetsteorien kan neppe kalle tyngdekraften en kraft. Dette er en konsekvens av forstyrrelse eller krumning av rom-tidskontinuumet. Et godt eksempel som illustrerer dette postulatet er et strukket tøystykke. Under vekten av en massiv gjenstand plassert på en slik overflate, dannes en fordypning. Andre objekter som beveger seg nær denne anomalien vil endre banen for bevegelsen deres, som om de "tiltrukket". Og jo større vekten av objektet er (jo større diameter og dybde på krumningen), jo høyere er "attraksjonskraften". Når den beveger seg gjennom stoffet, kan du se utseendet til en divergerende "krusning".
Noe lignende skjer i verdensrommet. All raskt bevegelig massiv materie er en kilde til svingninger i tettheten av rom og tid. En gravitasjonsbølge med betydelig amplitude, dannet av kropper med ekstremt store masser eller når de beveger seg med store akselerasjoner.
Fysiske egenskaper
Svingningene i rom-tid-metrikken manifesterer seg som endringer i gravitasjonsfeltet. Dette fenomenet kalles ellers rom-tid krusninger. Gravitasjonsbølgen virker på kropper og gjenstander som påtreffes, og komprimerer og strekker dem. Deformasjonsverdiene er svært små - omtrent 10-21 fra den opprinnelige størrelsen. Hele vanskeligheten med å oppdage dette fenomenet var at forskerne måtte lære å måle og registrere slike endringer ved hjelp av passende utstyr. Kraften til gravitasjonsstråling er også ekstremt liten - for hele solsystemet er den detnoen få kilowatt.
Forplantningshastigheten til gravitasjonsbølger avhenger litt av egenskapene til det ledende mediet. Oscillasjonsamplituden avtar gradvis med avstanden fra kilden, men når aldri null. Frekvensen ligger i området fra flere titalls til hundrevis av hertz. Hastigheten til gravitasjonsbølger i det interstellare mediet nærmer seg lysets hastighet.
omstendighetsbevis
For første gang ble den teoretiske bekreftelsen på eksistensen av gravitasjonsbølger oppnådd av den amerikanske astronomen Joseph Taylor og hans assistent Russell Hulse i 1974. Ved å studere universets vidder ved hjelp av radioteleskopet til Arecibo Observatory (Puerto Rico), oppdaget forskerne pulsaren PSR B1913 + 16, som er et binært system av nøytronstjerner som roterer rundt et felles massesenter med konstant vinkelhastighet (et ganske sjeldent tilfelle). Hvert år reduseres revolusjonsperioden, som opprinnelig var 3,75 timer, med 70 ms. Denne verdien er ganske konsistent med konklusjonene fra GR-ligningene som forutsier en økning i rotasjonshastigheten til slike systemer på grunn av energiforbruket for generering av gravitasjonsbølger. Deretter ble flere doble pulsarer og hvite dverger med lignende oppførsel oppdaget. Radioastronomene D. Taylor og R. Hulse ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 1993 for å ha oppdaget nye muligheter for å studere gravitasjonsfelt.
Røpt tyngdekraftsbølge
Første uttalelse omdeteksjon av gravitasjonsbølger kom fra University of Maryland-forsker Joseph Weber (USA) i 1969. Til disse formålene brukte han to gravitasjonsantenner av sin egen design, atskilt med en avstand på to kilometer. Resonansdetektoren var en godt vibrert ett stykke to meter aluminiumssylinder utstyrt med følsomme piezoelektriske sensorer. Amplituden til svingningene som angivelig ble registrert av Weber viste seg å være mer enn en million ganger høyere enn forventet verdi. Forsøk fra andre forskere som brukte slikt utstyr for å gjenta "suksessen" til den amerikanske fysikeren ga ikke positive resultater. Noen år senere ble Webers arbeid på dette området anerkjent som uholdbart, men ga drivkraft til utviklingen av en "gravitasjonsboom" som tiltrakk seg mange spesialister til dette forskningsområdet. Forresten, Joseph Weber selv var helt til slutten av sine dager sikker på at han mottok gravitasjonsbølger.
Forbedring av mottaksutstyr
På 70-tallet utviklet forskeren Bill Fairbank (USA) designet av en gravitasjonsbølgeantenne avkjølt av flytende helium ved bruk av SQUIDs - supersensitive magnetometre. Teknologiene som eksisterte på den tiden tillot ikke oppfinneren å se produktet sitt, realisert i "metall".
Gravitasjonsdetektoren Auriga ble laget på denne måten ved National Legnard Laboratory (Padua, Italia). Designet er basert på en aluminium-magnesiumsylinder, 3 meter lang og 0,6 m i diameter. En mottaker som veier 2,3 tonnsuspendert i et isolert vakuumkammer avkjølt nesten til absolutt null. En ekstra kilogramresonator og et datamaskinbasert målekompleks brukes til å fikse og detektere vibrasjoner. Angitt utstyrsfølsomhet 10-20.
Interferometre
Operasjonen til interferensdetektorer for gravitasjonsbølger er basert på de samme prinsippene som Michelson-interferometeret. Laserstrålen som sendes ut av kilden er delt inn i to strømmer. Etter flere refleksjoner og bevegelser langs skuldrene til enheten, bringes strømmene sammen igjen, og det endelige interferensbildet brukes til å bedømme om noen forstyrrelser (for eksempel en gravitasjonsbølge) påvirket stråleforløpet. Lignende utstyr er laget i mange land:
- GEO 600 (Hannover, Tyskland). Lengden på vakuumtunnelene er 600 meter.
- TAMA (Japan) 300 m skuldre
- VIRGO (Pisa, Italia) er et felles fransk-italiensk prosjekt som ble lansert i 2007 med 3 km lange tunneler.
- LIGO (USA, Stillehavskysten), på jakt etter gravitasjonsbølger siden 2002.
Den siste er verdt å vurdere nærmere.
LIGO Advanced
Prosjektet ble initiert av forskere fra Massachusetts Institute of Technology og California Institute of Technology. Inkluderer to observatorier atskilt med 3 tusen km, i delstatene Louisiana og Washington (byene Livingston og Hanford) med tre identiske interferometre. Lengde på vinkelrett vakuumtunneler er 4 tusen meter. Dette er de største slike strukturer som er i drift. Frem til 2011 ga ikke mange forsøk på å oppdage gravitasjonsbølger noen resultater. Den betydelige moderniseringen som ble utført (Advanced LIGO) økte følsomheten til utstyret i området 300-500 Hz med mer enn fem ganger, og i lavfrekvensområdet (opptil 60 Hz) med nesten en størrelsesorden, og nådde en slik ettertraktet verdi på 10-21. Det oppdaterte prosjektet startet i september 2015, og innsatsen til mer enn tusen samarbeidspartnere ble belønnet med resultater.
Tyngekraftsbølger oppdaget
Den 14. september 2015 registrerte avanserte LIGO-detektorer med et intervall på 7 ms gravitasjonsbølger som nådde planeten vår fra det største fenomenet som skjedde i utkanten av det observerbare universet – sammenslåingen av to store sorte hull med masser 29 og 36 ganger solens masse. I løpet av prosessen, som fant sted for mer enn 1,3 milliarder år siden, ble omtrent tre solmasser med materie brukt på stråling av gravitasjonsbølger i løpet av brøkdeler av et sekund. Den opprinnelige frekvensen til gravitasjonsbølger ble registrert som 35 Hz, og den maksimale toppverdien nådde 250 Hz.
Resultatene som ble oppnådd ble gjentatte ganger utsatt for omfattende verifisering og prosessering, alternative tolkninger av dataene som ble oppnådd ble forsiktig avskåret. Til slutt, 11. februar i fjor, ble den direkte registreringen av fenomenet spådd av Einstein kunngjort til verdenssamfunnet.
Fakta som illustrerer forskernes titaniske arbeid: amplituden av fluktuasjoner i dimensjonene til interferometerarmene var 10-19m - denne verdien er like mye mindre enn diameteren på et atom da det er mindre enn en appelsin.
Ytterligere prospekter
Oppdagelsen bekrefter nok en gang at den generelle relativitetsteorien ikke bare er et sett med abstrakte formler, men et fundament alt nytt blikk på essensen av gravitasjonsbølger og gravitasjon generelt.
I videre forskning har forskerne store forhåpninger til ELSA-prosjektet: opprettelsen av et gigantisk orbit alt interferometer med armer på rundt 5 millioner km, som er i stand til å oppdage selv mindre forstyrrelser av gravitasjonsfelt. Intensiveringen av arbeidet i denne retningen kan fortelle mye om hovedstadiene i utviklingen av universet, om prosesser som er vanskelige eller umulige å observere i tradisjonelle band. Det er ingen tvil om at sorte hull, hvis gravitasjonsbølger vil bli fikset i fremtiden, vil fortelle mye om deres natur.
For å studere relikvien gravitasjonsstråling, som kan fortelle om de første øyeblikkene av vår verden etter Big Bang, vil det være nødvendig med mer følsomme rominstrumenter. Et slikt prosjekt eksisterer (Big Bang Observer), men implementeringen av det, ifølge eksperter, er ikke mulig tidligere enn om 30-40 år.
