الفيزيائيون في مرصد LIGO (مرصد الجاذبية التداخلي بالليزر) هم أول من اكتشف موجات الجاذبية - اضطرابات الزمكان التي تنبأ بها الخالق منذ مائة عام النظرية العامةالنسبية لألبرت أينشتاين. حول الافتتاح خلال بث مباشر نظمته Lenta.ru وموسكو جامعة الدولة(MSU) سميت باسم M.V. لومونوسوف، العلماء كلية الفيزياء، أعضاء تعاون LIGO الدولي. تحدث موقع Lenta.ru مع أحدهم، وهو الفيزيائي الروسي سيرجي فياتشانين.
ما هي موجات الجاذبية؟
وفقا لقانون الجذب العام لنيوتن، فإن الجسمين ينجذبان لبعضهما البعض بقوة تتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما. تصف هذه النظرية، على سبيل المثال، دوران الأرض والقمر في الفضاء المسطح والزمن العالمي. بعد أن تطور أينشتاين نظرية خاصةالنسبية، أدرك أن الزمان والمكان هما مادة واحدة، واقترح النظرية النسبية العامة - نظرية الجاذبية القائمة على حقيقة أن الجاذبية تتجلى في شكل انحناء الزمكان الذي تخلقه المادة.
دكتور في العلوم الفيزيائية والرياضية يرأس سيرجي فياتشانين قسم فيزياء التذبذب بكلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية منذ عام 2012. الاهتمامات العلميةركز على دراسة القياسات الكمومية غير المضطربة، وهوائيات موجات الجاذبية الليزرية، وآليات التبديد، والضوضاء الأساسية والتأثيرات البصرية غير الخطية. تعاون العالم مع كاليفورنيا معهد التكنولوجيافي الولايات المتحدة الأمريكية وجمعية ماكس بلانك في ألمانيا.
يمكنك تخيل دائرة مرنة. إذا رميت كرة خفيفة عليها، فسوف تتدحرج في خط مستقيم. إذا وضعت تفاحة ثقيلة في وسط الدائرة، فسوف ينحني المسار. ومن معادلات النسبية العامة، عرف أينشتاين على الفور أن موجات الجاذبية ممكنة. لكن في ذلك الوقت (بداية القرن العشرين) كان التأثير يعتبر ضعيفا للغاية. يمكنك القول أن موجات الجاذبية هي تموجات في الزمكان. الشيء السيئ هو أنه للغاية تفاعل ضعيف.
إذا أخذنا موجات (كهرومغناطيسية) مماثلة، فهناك تجربة هيرتز، الذي وضع الباعث في أحد أركان الغرفة والمستقبل في الزاوية الأخرى. هذا لا يعمل مع موجات الجاذبية. التفاعل ضعيف جدا . لا يمكننا الاعتماد إلا على الكوارث الفيزيائية الفلكية.
كيف يعمل هوائي الجاذبية؟
يوجد مقياس تداخل فابري-بيرو، وهو عبارة عن كتلتين تفصل بينهما مسافة أربعة كيلومترات. يتم التحكم في المسافة بين الجماهير. إذا جاءت الموجة من أعلى، تتغير المسافة قليلاً.
هل اضطراب الجاذبية هو في الأساس تشويه للقياس؟
يمكنك أن تقول ذلك. تصف الرياضيات هذا بأنه انحناء طفيف في الفضاء. اقترح هيرزنشتاين وبوستوفويت استخدام الليزر للكشف عن موجات الجاذبية في عام 1962. كان مثل هذا المادة السوفيتية، خيال... عظيم، ولكن لا يزال رحلة من الخيال. فكر الأمريكيون وقرروا في التسعينيات (كيب ثورن، ورونالد دريفر، وراينر فايس) صنع هوائي جاذبية ليزري. علاوة على ذلك، هناك حاجة إلى هوائيين، لأنه إذا كانت هناك أحداث، فمن الضروري استخدام مخطط الصدفة. وبعد ذلك بدأ كل شيء. هذا تاريخ طويل. نحن نتعاون مع معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا منذ عام 1992، وتحولنا إلى أساس تعاقدي رسمي في عام 1998.
ألا تعتقد أن حقيقة موجات الجاذبية كانت بلا شك؟
على العموم، المجتمع العلميكان متأكداً من وجودها، وكان اكتشافها مسألة وقت. حصل هولس وتايلور على جائزة نوبل لاكتشافهما الفعلي لموجات الجاذبية. ماذا فعلوا؟ يأكل نجوم مزدوجة- النجوم النابضة. وبما أنها تدور، فإنها تنبعث منها موجات الجاذبية. لا يمكننا أن نلاحظهم. لكن إذا بعثت موجات جاذبية، فإنها تطلق طاقة. وهذا يعني أن دورانها يتباطأ، كما لو كان بسبب الاحتكاك. تقترب النجوم من بعضها البعض ويمكن رؤية تغير في التردد. نظروا - ورأوا (في عام 1974 - تقريبا. "الأشرطة.ru"). وهذا دليل غير مباشر على وجود موجات الجاذبية.
الآن - مباشر؟
الآن - مباشر. وصلت إشارة وتم تسجيلها على جهازي كشف.
هل الموثوقية عالية؟
يكفي أن تفتح.
ما هي مساهمة العلماء الروس في هذه التجربة؟
مفتاح. في مرصد LIGO الأولي (نسخة مبكرة من الهوائي - تقريبا. "الأشرطة.ru") تم استخدام كتل تزن عشرة كيلوغرامات، وتم تعليقها على خيوط فولاذية. لقد عبر عالمنا براغينسكي بالفعل عن فكرة استخدام خيوط الكوارتز. تم نشر بحث أثبت أن خيوط الكوارتز تصدر ضوضاء أقل بكثير. والآن الجماهير (في LIGO المتقدم، تركيب حديث - تقريبا. "الأشرطة.ru") معلقة على خيوط الكوارتز.
المساهمة الثانية تجريبية وتتعلق بالرسوم. يجب تعديل الكتل التي تفصل بينها أربعة كيلومترات بطريقة أو بأخرى باستخدام المنشطات الكهروستاتيكية. وهذا النظام أفضل من النظام المغناطيسي الذي تم استخدامه سابقاً ولكنه يستشعر الشحنة. على وجه الخصوص، في كل ثانية، يمر عدد كبير من الجسيمات - الميونات - عبر راحة يد الشخص، والتي يمكن أن تترك شحنة. الآن هم يعانون من هذه المشكلة. تشارك مجموعتنا (فاليري ميتروفانوف وليونيد بروخوروف) في هذا بشكل تجريبي وأصبحت أكثر خبرة بشكل ملحوظ.
في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كانت هناك فكرة لاستخدام خيوط الياقوت في مرصد LIGO المتقدم، نظرًا لأن الياقوت رسميًا يتمتع بعامل جودة أعلى. لماذا هو مهم؟ كلما ارتفع عامل الجودة ضوضاء أقل. هذا القاعدة العامة. قامت مجموعتنا بحساب ما يسمى بالضوضاء الحرارية المرنة وأظهرت أنه لا يزال من الأفضل استخدام الكوارتز بدلاً من الياقوت.
وشيء آخر. حساسية هوائي الجاذبية قريبة من الحد الكمي. هناك ما يسمى بالحد الكمي القياسي: إذا قمت بقياس الإحداثيات، فوفقًا لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ فإنك تشوهه على الفور. إذا قمت بقياس الإحداثيات بشكل مستمر، فإنك تشوشها طوال الوقت. ليس من الجيد قياس الإحداثيات بدقة شديدة: سيكون هناك تأثير تقلب عكسي كبير. وقد ظهر هذا في عام 1968 من قبل براغينسكي. محسوبة لـ LIGO. لقد اتضح أن حساسية مرصد LIGO الأولي أعلى بعشر مرات تقريبًا من الحد الكمي القياسي.
الأمل الآن هو أن يصل مرصد LIGO المتقدم إلى الحد الكمي القياسي. ربما سوف تنخفض. هذا في الواقع حلم. هل يمكنك تخيل هذا؟ سيكون لديك جهاز مجهري كمي: كتلتان ثقيلتان على مسافة أربعة كيلومترات.
تم اكتشاف موجات الجاذبية في 14 سبتمبر 2015 الساعة 05:51 صباحًا بالتوقيت الصيفي الشرقي (13:51 بتوقيت موسكو) في الكاشفين التوأم لمرصد موجات الجاذبية بالتداخل الليزري LIGO الواقع في ليفينغستون (لويزيانا) وهانفورد (ولاية واشنطن). ) في الولايات المتحدة الأمريكية. اكتشفت كاشفات LIGO اختلافات نسبية تتراوح بين عشرة إلى سالب 19 مترًا (تساوي تقريبًا نسبة قطر الذرة إلى قطر التفاحة) لأزواج من كتل الاختبار متباعدة بمسافة أربعة كيلومترات. تتولد الاضطرابات عن طريق زوج من الثقوب السوداء (أثقل من الشمس بـ 29 و36 مرة) في الأجزاء الأخيرة من الثانية قبل أن يندمجا في جسم جاذبي دوار أكثر ضخامة (أثقل من الشمس بـ 62 مرة). في جزء من الثانية، تحولت ثلاث كتل شمسية إلى موجات جاذبية، كانت قوة الإشعاع القصوى لها أكبر بحوالي 50 مرة من الكون المرئي بأكمله. حدث اندماج الثقوب السوداء منذ 1.3 مليار سنة (وهذا هو الوقت الذي استغرقه اضطراب الجاذبية للوصول إلى الأرض). من خلال تحليل لحظات وصول الإشارات (سجل الكاشف في ليفينغستون الحدث قبل الكاشف في هانفورد بسبعة مللي ثانية)، افترض العلماء أن مصدر الإشارة يقع في نصف الكرة الجنوبي. قدم العلماء نتائجهم للنشر في مجلة Physical Review Letters.
للوهلة الأولى، هذا غير متوافق للغاية.
وهذا هو المفارقة. وهذا هو، اتضح أنه رائع. يبدو الأمر وكأنه شعوذة، لكنه في الواقع ليس كذلك، كل شيء صادق. لكن هذه مجرد أحلام في الوقت الحالي. لم يتم الوصول إلى الحد الكمي القياسي. هناك لا تزال بحاجة إلى العمل والعمل. ولكن من الواضح بالفعل أنه قريب.
هل هناك أي أمل في أن يحدث هذا؟
نعم. يجب التغلب على الحد الكمي القياسي، وقد شاركت مجموعتنا في تطوير طرق لكيفية القيام بذلك. هذه هي ما يسمى بالقياسات الكمومية غير المزعجة، ما هو مخطط القياس المحدد المطلوب - هذا أو ذاك... بعد كل شيء، عندما تدرس نظريًا، فإن الحسابات لا تكلف شيئًا، والتجربة باهظة الثمن. حقق مرصد LIGO دقة تتراوح بين عشرة إلى 19 مترًا تحت الصفر.
دعونا نتذكر مثال الأطفال. إذا قمنا بتصغير حجم الأرض إلى حجم البرتقالة، ثم قمنا بتصغيرها بنفس المقدار، فسنحصل على حجم الذرة. لذا، إذا قللنا الذرة بنفس المقدار، فسنحصل على عشرة أمتار إلى درجة سالب 19. هذه أشياء مجنونة. وهذا إنجاز للحضارة.
إنه مهم جدًا، نعم. إذن ماذا يعني اكتشاف موجات الجاذبية للعلم؟ ويعتقد أن هذا يمكن أن يغير أساليب الرصد في علم الفلك.
ماذا لدينا؟ علم الفلك في النطاق المعتاد. التلسكوبات الراديوية، التلسكوبات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء، مراصد الأشعة السينية.
هل كل شيء في النطاقات الكهرومغناطيسية؟
نعم. وبالإضافة إلى ذلك، هناك مراصد النيوترينو. التسجيل متاح الجسيمات الكونية. هذه قناة أخرى للمعلومات. إذا أنتج هوائي الجاذبية معلومات فيزيائية فلكية، فسيكون لدى الباحثين تحت تصرفهم عدة قنوات مراقبة في وقت واحد، يمكنهم من خلالها اختبار النظرية. تم اقتراح العديد من النظريات الكونية، التي تتنافس مع بعضها البعض. سيكون من الممكن التخلص من شيء ما. على سبيل المثال، عندما تم اكتشاف بوزون هيغز في مصادم الهادرونات الكبير، سقطت العديد من النظريات على الفور.
أي أن هذا سيسهل اختيار العمال النماذج الكونية. سؤال آخر. هل من الممكن استخدام هوائي الجاذبية لقياس التوسع المتسارع للكون بدقة؟
حتى الآن الحساسية منخفضة للغاية.
ماذا عن المستقبل؟
وفي المستقبل، يمكن استخدامه أيضًا لقياس خلفية الجاذبية الأثرية. لكن أي مجرب سيقول لك: "آي-ياي!" أي أن هذا لا يزال بعيدًا. نسأل الله أن نسجل كارثة فيزيائية فلكية.
اصطدام الثقب الأسود...
نعم. بعد كل شيء، هذه كارثة. لا سمح الله أن ينتهي بك الأمر هناك. لن نكون موجودين. وهذه هي الخلفية... في الوقت الحالي... "إنهم يغذون آمال الشباب، ويفرحون الكبار".
هل يمكن أن يقدم اكتشاف موجات الجاذبية دليلا إضافيا على وجود الثقوب السوداء؟ ففي نهاية المطاف، لا يزال هناك من لا يعتقد بوجودها.
نعم. كيف يعملون في LIGO؟ ويتم تسجيل الإشارة لشرح العلماء الذين يقومون بتطوير الأنماط ومقارنتها ببيانات الرصد. اصطدام نجوم نيوترونية، سقوط نجم نيوتروني في ثقب أسود، انفجار سوبر نوفا، اندماج ثقب أسود مع ثقب أسود... سنغير المعلمات، على سبيل المثال نسبة الكتلة، لحظة البداية...ماذا يجب أن نرى؟ التسجيل قيد التقدم، وفي لحظة الإشارة يتم تقييم أداء القوالب. إذا كان النمط المصمم لاصطدام ثقبين أسودين مطابقًا للإشارة، فهذا دليل. ولكن ليس مطلقا.
لا يوجد تفسير أفضللا؟ هل يتم تفسير اكتشاف موجات الجاذبية ببساطة عن طريق اصطدام الثقوب السوداء؟
على في اللحظة- نعم. يعتقد المجتمع العلمي الآن أنه كان اندماج الثقوب السوداء. ولكن المجتمع الجماعي هو رأي الكثيرين، والإجماع. وبطبيعة الحال، إذا ظهرت بعض العوامل الجديدة، فمن الممكن التخلي عنها.
متى سيكون من الممكن اكتشاف موجات الجاذبية من الأجسام الأقل كتلة؟ ألا يعني هذا ضرورة بناء مراصد جديدة وأكثر حساسية؟
هناك برنامج للجيل القادم يسمى LIGO. هذا هو الثاني. سيكون هناك ثالث. هناك الكثير من الخيارات هناك. يمكنك زيادة المسافة وزيادة القوة والتعليق. الآن تتم مناقشة كل هذا. على المستوى العصف الذهني. إذا تم تأكيد رصد إشارة الجاذبية، فسيكون من الأسهل الحصول على المال لتحسين المرصد.
هل هناك طفرة في بناء مراصد الجاذبية؟
لا أعرف. إنه مكلف (تكلفة مرصد ليجو حوالي 370 مليون دولار - تقريبا. "الأشرطة.ru"). بعد كل شيء، عرض الأمريكيون على أستراليا البناء فيها نصف الكرة الجنوبيالهوائي ووافقت على توفير كافة المعدات اللازمة لذلك. رفضت أستراليا. لعبة باهظة الثمن. ستستهلك صيانة المرصد كامل الميزانية العلمية للبلاد.
هل تشارك روسيا ماليًا في LIGO؟
نحن نتعاون مع الأمريكان. ماذا سيحدث بعد ذلك غير واضح. حتى الآن لدينا علاقات جيدة مع العلماء، لكن السياسيين هم من يحكمون كل شيء... لذلك علينا أن نراقب. إنهم يقدروننا. نحن نقدم نتائج ترقى حقًا إلى المستوى المطلوب. لكنهم ليسوا هم الذين يقررون ما إذا كانوا سيكونون أصدقاء لروسيا أم لا.
لسوء الحظ، نعم.
هذه هي الحياة فلننتظر
يتم تمويل مرصد LIGO من قبل المؤسسة الوطنية الأساس العلميالولايات المتحدة الأمريكية. يتم إجراء الأبحاث في مرصد LIGO كجزء من تعاون يحمل نفس الاسم من قبل أكثر من ألف عالم من الولايات المتحدة و14 دولة أخرى، بما في ذلك روسيا، ممثلة بمجموعتين من جامعة موسكو الحكومية ومعهد الفيزياء التطبيقية. الأكاديمية الروسيةالعلوم ( نيجني نوفغورود).
هل هناك أي خطط لبناء مرصد الجاذبية في روسيا؟
لم يتم التخطيط له بعد. في الثمانينيات، أراد معهد ستيرنبرغ الفلكي التابع لجامعة موسكو الحكومية بناء هوائي الجاذبية نفسه في مضيق باكسان، ولكن على نطاق أصغر فقط. لكن البيريسترويكا جاءت، وكان كل شيء مغطى بحوض نحاسي لفترة طويلة. الآن تحاول شرطة المرور في جامعة موسكو الحكومية أن تفعل شيئًا ما، لكن الهوائي لم يعمل حتى الآن...
ما الذي يمكنك أيضًا محاولة التحقق منه باستخدام هوائي الجاذبية؟
صحة نظرية الجاذبية. بعد كل شيء، الأغلبية النظريات الموجودةبناء على نظرية أينشتاين.
لا يمكن لأحد أن يدحض ذلك بعد.
إنها تحتل مكانة رائدة. تم تصميم النظريات البديلة بطريقة تؤدي بشكل أساسي إلى نفس النتائج التجريبية التي تؤدي إليها. وهذا طبيعي. ولذلك، نحن بحاجة إلى حقائق جديدة من شأنها أن تزيل النظريات الخاطئة.
باختصار، كيف يمكنك صياغة معنى الاكتشاف؟
في الواقع، بدأ علم فلك الجاذبية. ولأول مرة، تم ربط موجات انحناء الفضاء. ليس بشكل غير مباشر، بل بشكل مباشر. الإنسان معجب بنفسه: يا ابن العاهرة أنا!
بالأمس، صدم العالم بضجة كبيرة: اكتشف العلماء أخيرًا موجات الجاذبية، التي تنبأ بوجودها أينشتاين قبل مائة عام. هذا هو اختراق. تم اكتشاف تشويه الزمكان (هذه موجات الجاذبية - الآن سنشرح ما هي) في مرصد LIGO، وأحد مؤسسيها هو - من تعتقد؟ - كيب ثورن، مؤلف الكتاب.
نخبرك عن سبب أهمية اكتشاف موجات الجاذبية، وما قاله مارك زوكربيرج، وبالطبع نشارك القصة من منظور الشخص الأول. يعرف كيب ثورن، مثل أي شخص آخر، كيف يعمل المشروع، وما الذي يجعله غير عادي، وما هي أهمية مرصد LIGO للإنسانية. نعم، نعم، كل شيء خطير للغاية.
اكتشاف موجات الجاذبية
سيتذكر العالم العلمي إلى الأبد تاريخ 11 فبراير 2016. في هذا اليوم، أعلن المشاركون في مشروع LIGO: بعد العديد من المحاولات غير المجدية، تم العثور على موجات الجاذبية. هذا هو الواقع. في الواقع، تم اكتشافها قبل ذلك بقليل: في سبتمبر 2015، ولكن بالأمس تم الاعتراف بالاكتشاف رسميًا. في الجارديانأعتقد أن العلماء سيحصلون بالتأكيد على جائزة نوبل في الفيزياء.
سبب موجات الجاذبية هو اصطدام ثقبين أسودين، والذي حدث بالفعل... على بعد مليار سنة ضوئية من الأرض. هل يمكنك أن تتخيل مدى ضخامة عالمنا! نظرًا لأن الثقوب السوداء عبارة عن أجسام ضخمة جدًا، فإنها ترسل تموجات عبر الزمكان، مما يؤدي إلى تشويهه قليلاً. فتظهر أمواج تشبه تلك التي تنتشر من حجر ألقي في الماء.
هذه هي الطريقة التي يمكنك بها تخيل موجات الجاذبية القادمة إلى الأرض، على سبيل المثال، من الثقب الدودي. استخلاص من كتاب "بين النجوم. العلم وراء الكواليس"
تم تحويل الاهتزازات الناتجة إلى صوت. ومن المثير للاهتمام أن الإشارة الصادرة عن موجات الجاذبية تصل تقريبًا بنفس تردد خطابنا. لذا يمكننا أن نسمع بآذاننا كيف تصطدم الثقوب السوداء. استمع إلى صوت موجات الجاذبية.
وتخمين ماذا؟ وفي الآونة الأخيرة، لم تعد الثقوب السوداء مبنية كما كان يُعتقد سابقًا. لكن لم يكن هناك أي دليل على الإطلاق على وجودها من حيث المبدأ. والآن هناك. الثقوب السوداء "تعيش" حقًا في الكون.
هذا هو ما يعتقد العلماء أن الكارثة تبدو عليه: اندماج الثقوب السوداء.
في 11 فبراير، انعقد مؤتمر كبير ضم أكثر من ألف عالم من 15 دولة. وكان العلماء الروس حاضرين أيضًا. وبالطبع كان هناك كيب ثورن. "هذا الاكتشاف هو بداية مسعى مذهل ورائع للناس: البحث واستكشاف الجانب المنحني للكون - الأشياء والظواهر التي تم إنشاؤها من الزمكان المشوه. قال كيب ثورن: «إن اصطدامات الثقوب السوداء وموجات الجاذبية هي أولى الأمثلة الرائعة لدينا».
لقد كان البحث عن موجات الجاذبية إحدى المشاكل الرئيسية في الفيزياء. الآن تم العثور عليهم. وتأكدت عبقرية أينشتاين مرة أخرى.
في أكتوبر/تشرين الأول، أجرينا مقابلة مع سيرجي بوبوف، عالم الفيزياء الفلكية الروسي وأحد أشهر مشاهير العلوم. بدا وكأنه كان يبحث في الماء! في الخريف: "يبدو لي أننا الآن على عتبة اكتشافات جديدة، والتي ترتبط في المقام الأول بعمل كاشفات موجات الجاذبية LIGO وVIRGO (قدم كيب ثورن مساهمة كبيرة في إنشاء مشروع LIGO) ". مذهل، أليس كذلك؟
موجات الجاذبية وكاشفات الموجات و LIGO
حسنًا، الآن القليل من الفيزياء. بالنسبة لأولئك الذين يريدون حقا أن يفهموا ما هي موجات الجاذبية. إليكم تصويرًا فنيًا لخطوط اتجاه ثقبين أسودين يدوران حول بعضهما البعض، عكس اتجاه عقارب الساعة، ثم يتصادمان. تولد خطوط Tendex جاذبية المد والجزر. دعونا نمضي قدما. الخطوط التي تنبعث من النقطتين الأبعد عن بعضهما البعض على سطحي زوج من الثقوب السوداء، تمد كل شيء في طريقها، بما في ذلك صديق الفنان في الرسم. الخطوط الصادرة من منطقة الاصطدام تضغط كل شيء.
عندما تدور الثقوب حول بعضها البعض، فإنها تحمل على طول خطوطها التي تشبه تيارات الماء من رشاش دوار على العشب. في الصورة من كتاب "بين النجوم. العلم وراء الكواليس" - زوج من الثقوب السوداء التي تتصادم، وتدور حول بعضها البعض عكس اتجاه عقارب الساعة، وخطوط اتجاهها.
الثقوب السوداء تندمج في ثقب واحد حفرة كبيرة; فهو مشوه ويدور عكس اتجاه عقارب الساعة، ويسحب معه خطوط الاتجاه. سيشعر المراقب الثابت بعيدًا عن الثقب بالاهتزازات أثناء مرور خطوط الاتجاه من خلاله: التمدد، ثم الضغط، ثم التمدد - أصبحت خطوط الاتجاه موجة جاذبية. ومع انتشار الموجات، يقل تشوه الثقب الأسود تدريجيًا، وتضعف الموجات أيضًا.
وعندما تصل هذه الموجات إلى الأرض، فإنها تبدو مثل تلك الموضحة في أعلى الشكل أدناه. أنها تمتد في اتجاه واحد وتضغط في الآخر. تتقلب الامتدادات والتقلصات (من اللون الأحمر من اليمين إلى اليسار، إلى اللون الأزرق من اليمين إلى اليسار، إلى اللون الأحمر من اليمين إلى اليسار، وما إلى ذلك) أثناء مرور الموجات عبر الكاشف الموجود في أسفل الشكل.
موجات الجاذبية تمر عبر كاشف LIGO.
يتكون الكاشف من أربع مرايا كبيرة (قطرها 40 كجم، 34 سم)، متصلة في طرفي أنبوبين متعامدين، تسمى أذرع الكاشف. تمتد خطوط Tendex لموجات الجاذبية بذراع واحدة، بينما تضغط على الذراع الثانية، وبعد ذلك، على العكس من ذلك، تضغط الذراع الأولى وتمتد الثانية. وهكذا مرارا وتكرارا. ومع تغير طول الأذرع بشكل دوري، تتحرك المرايا بالنسبة لبعضها البعض، ويتم تتبع هذه الحركات باستخدام أشعة الليزر بطريقة تسمى قياس التداخل. ومن هنا جاء اسم LIGO: مرصد التداخل الليزري لموجات الجاذبية.
مركز التحكم LIGO، حيث يتم إرسال الأوامر إلى الكاشف ومراقبة الإشارات المستقبلة. كاشفات الجاذبيةتقع مرصدات LIGO في هانفورد، واشنطن، وليفينغستون، لويزيانا. صورة من كتاب "بين النجوم. العلم وراء الكواليس"
الآن LIGO هو مشروع دولي يشارك فيه 900 عالم بلدان مختلفة، ويقع المقر الرئيسي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.
الجانب المنحني للكون
الثقوب السوداء، الثقوب الدودية، المتفردات، شذوذ الجاذبية والأبعاد ترتيب أعلىالمرتبطة بانحناء المكان والزمان. ولهذا السبب يطلق عليهم كيب ثورن اسم "الجانب الملتوي من الكون". لا يزال لدى البشرية القليل جدًا من البيانات التجريبية والرصدية من الجانب المنحني للكون. ولهذا السبب نولي اهتمامًا كبيرًا لموجات الجاذبية: فهي مصنوعة من مساحة منحنية وتوفر لنا الطريقة الأسهل لاستكشاف الجانب المنحني.
تخيل لو أنك رأيت المحيط فقط عندما يكون هادئًا. لن تعرف شيئًا عن التيارات والدوامات وأمواج العواصف. وهذا يذكرنا بمعرفتنا الحالية لانحناء المكان والزمان.
نحن لا نعرف شيئًا تقريبًا عن كيفية تصرف الفضاء المنحني والزمن المنحني "في العاصفة" - عندما يتقلب شكل الفضاء بعنف وعندما تتقلب سرعة الزمن. هذه حدود المعرفة مغرية بشكل لا يصدق. صاغ العالم جون ويلر مصطلح "الديناميكا الجيولوجية" لهذه التغييرات.
من الأمور ذات الأهمية الخاصة في مجال الديناميكيات الجيولوجية هو اصطدام ثقبين أسودين.
اصطدام ثقبين أسودين غير دوارين. نموذج من كتاب "بين النجوم. العلم وراء الكواليس"
الصورة أعلاه توضح اللحظة التي يصطدم فيها ثقبان أسودان. مثل هذا الحدث سمح للعلماء بتسجيل موجات الجاذبية. تم تصميم هذا النموذج للثقوب السوداء غير الدوارة. في الأعلى: مدارات وظلال الثقوب، كما تُرى من كوننا. الوسط: المكان والزمان المنحنيان، منظر من الجزء الأكبر (الفضاء الفائق متعدد الأبعاد)؛ تُظهر الأسهم كيفية انخراط الفضاء في الحركة، وتُظهر الألوان المتغيرة كيفية انحناء الزمن. الأسفل: شكل موجات الجاذبية المنبعثة.
موجات الجاذبية من الانفجار الكبير
إلى كيب ثورن. "في عام 1975، أدلى ليونيد غريشوك، صديقي العزيز من روسيا، ببيان مثير. قال ذلك في هذه اللحظة .الانفجار العظيمونشأت العديد من موجات الجاذبية، وكانت آلية حدوثها (غير معروفة سابقًا) كما يلي: التقلبات الكمومية (تقلبات عشوائية – ملاحظة المحرر) مجال الجاذبيةخلال الانفجار الكبير، تضخمت هذه الموجات عدة مرات بسبب التوسع الأولي للكون، وبالتالي أصبحت موجات الجاذبية الأصلية. هذه الموجات، إذا تم اكتشافها، يمكن أن تخبرنا بما حدث عند ولادة كوننا".
إذا وجد العلماء موجات الجاذبية البدائية، فسنعرف كيف بدأ الكون.
لقد حل الناس جميع أسرار الكون. هناك المزيد في المستقبل.
وفي السنوات اللاحقة، مع تحسن فهمنا للانفجار الكبير، أصبح من الواضح أن هذه الموجات البدائية لا بد أن تكون قوية عند أطوال موجية تتناسب مع حجم الكون المرئي، أي بطول مليارات السنين الضوئية. هل يمكنك أن تتخيل كم يبلغ هذا المبلغ؟.. وعند الأطوال الموجية التي تغطيها أجهزة كشف LIGO (مئات وآلاف الكيلومترات)، فمن المرجح أن تكون الموجات أضعف من أن يتم التعرف عليها.
قام فريق جيمي بوك ببناء جهاز BICEP2، الذي تم من خلاله اكتشاف أثر موجات الجاذبية الأصلية. يظهر هنا الجهاز الموجود في القطب الشمالي خلال فترة الشفق، والذي يحدث هناك مرتين فقط في السنة.
جهاز BICEP2. صورة من كتاب بين النجوم. العلم وراء الكواليس"
وهو محاط بدروع تحمي الجهاز من إشعاع الغطاء الجليدي المحيط به. على اليمين الزاوية العليايُظهر الأثر المكتشف في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي - نمط الاستقطاب. خطوط المجال الكهربائيموجهة على طول ضربات خفيفة قصيرة.
أثر بداية الكون
في أوائل التسعينيات، أدرك علماء الكونيات أن هذه الموجات الجاذبية، التي يبلغ طولها مليارات السنين الضوئية، لا بد أنها تركت أثرًا فريدًا في الموجات الكهرومغناطيسية التي تملأ الكون - ما يسمى بإشعاع الخلفية الكونية الميكروي، أو إشعاع الخلفية الكوني الميكروي. بدأ هذا البحث عن الكأس المقدسة. بعد كل شيء، إذا اكتشفنا هذا الأثر واستنتجنا منه خصائص موجات الجاذبية الأصلية، فيمكننا معرفة كيف ولد الكون.
في مارس 2014، بينما كان كيب ثورن يكتب هذا الكتاب، اكتشف فريق جيمي بوك، عالم الكونيات في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والذي يقع مكتبه بجوار مكتب ثورن، أخيرًا هذا الأثر في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي.
هذا اكتشاف مذهل تمامًا، ولكن هناك نقطة واحدة مثيرة للجدل: الأثر الذي وجده فريق جيمي يمكن أن يكون ناجمًا عن شيء آخر غير موجات الجاذبية.
إذا تم بالفعل العثور على أثر لموجات الجاذبية التي نشأت أثناء الانفجار الكبير، فهذا يعني أن اكتشافًا كونيًا قد حدث على مستوى ربما يحدث مرة كل نصف قرن. فهو يمنحك فرصة لمس الأحداث التي حدثت بعد جزء من تريليون من تريليون من الثانية بعد ولادة الكون.
يؤكد هذا الاكتشاف النظريات القائلة بأن توسع الكون في تلك اللحظة كان سريعًا للغاية، في لغة علماء الكونيات - تضخم سريع. ويبشر بقدوم حقبة جديدة في علم الكونيات.
موجات الجاذبية وبين النجوم
بالأمس ، في مؤتمر حول اكتشاف موجات الجاذبية ، أشار فاليري ميتروفانوف ، رئيس تعاون العلماء في موسكو LIGO ، والذي يضم 8 علماء من جامعة موسكو الحكومية ، إلى أن حبكة فيلم "Interstellar" ، على الرغم من كونها رائعة ، ليست كذلك بعيدة عن الواقع. وكل ذلك لأن كيب ثورن كان المستشار العلمي. أعرب ثورن نفسه عن أمله في أن يؤمن بالرحلات المأهولة المستقبلية إلى الثقب الأسود. وقد لا تحدث هذه الأحداث بالسرعة التي نرغب فيها، ولكنها اليوم أصبحت أكثر واقعية مما كانت عليه من قبل.
اليوم ليس بعيدًا جدًا عندما يغادر الناس حدود مجرتنا.
وقد أثار هذا الحدث عقول الملايين من الناس. كتب مارك زوكربيرج سيء السمعة: “إن اكتشاف موجات الجاذبية هو الأكثر اكتشاف كبير V العلوم الحديثة. ألبرت أينشتاين هو أحد أبطالي، ولهذا السبب أخذت هذا الاكتشاف على محمل شخصي. منذ قرن مضى، وفي إطار النظرية النسبية العامة (GTR)، تنبأ بوجود موجات الجاذبية. لكنها صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها، لدرجة أنه أصبح من الممكن البحث عنها في أصول الأحداث مثل الانفجار الكبير والانفجارات النجمية واصطدامات الثقوب السوداء. عندما يقوم العلماء بتحليل البيانات التي تم الحصول عليها، فهي مثالية نظرة جديدةإلى الفضاء. وربما يلقي هذا الضوء على أصل الكون، وولادة الثقوب السوداء وتطورها. من الملهم جدًا التفكير في عدد الأرواح والجهود التي بذلت لكشف النقاب عن سر الكون هذا. أصبح هذا الاختراق ممكنا بفضل موهبة العلماء والمهندسين الرائعين جنسيات مختلفة، فضلا عن الأحدث تقنيات الكمبيوتر، والتي ظهرت مؤخرا فقط. تهانينا لجميع المشاركين. سيكون أينشتاين فخورًا بك."
هذا هو الخطاب. وهذا هو الشخص الذي يهتم ببساطة بالعلم. يمكن للمرء أن يتخيل مدى عاصفة العواطف التي طغت على العلماء الذين ساهموا في الاكتشاف. يبدو أننا شهدنا حقبة جديدة أيها الأصدقاء. هذا مذهل.
ملاحظة: هل أعجبك؟ اشترك في النشرة الإخبارية لدينا في آفاق. نرسل رسائل تعليمية مرة واحدة في الأسبوع ونقدم خصومات على كتب MYTH.
11 فبراير 2016 سوف يدخل التاريخ إلى الأبد. في مثل هذا اليوم من أعظم الاكتشافات العلميةفي الآونة الأخيرة - تنبأت به النظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين منذ ما يقرب من مائة عام. وصلت تموجات في نسيج الزمكان، والتي تشوه المكان والزمان حوله، إلى الأرض وتم اكتشافها بشكل مباشر لأول مرة.
"نحن نفتح حقبة جديدة- عصر علم فلك موجات الجاذبية. ويمكن مقارنة ذلك بظهور التلسكوب أو علم الفلك الراديوي. يقول أحد المشاركين في مشروع LIGO، ورئيس مجموعة البصريات الدقيقة المتماسكة والضوئيات الراديوية في مركز الكم الروسي (RCC)، ميخائيل جوروديتسكي: "لدينا أداة جديدة لدراسة الكون".
تم إطلاق المشروع الدولي LIGO (مرصد موجات الجاذبية بمقياس تداخل الليزر)، وهو مرصد لموجات الجاذبية بمقياس تداخل الليزر، في عام 1992 ويضم الآن علماء من 15 دولة. منذ البداية، شملت التجارب الفيزيائيون الروس، مشتمل المجموعات العلميةبتوجيه من أستاذ كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية فاليري ميتروفانوف.
شارك اليوم فاليري ميتروفانوف وغيره من الفيزيائيين الروس البارزين في مؤتمر صحفي تحدثوا فيه بالتفصيل عن هذا الاكتشاف. وفيما يلي تسجيل فيديو للمؤتمر الصحفي. البروفيسور ميتروفانوف يتحدث أولا، أولا يعلق يعيشتبث من واشنطن. تم الإعلان رسميًا عن أخبار مثيرة هناك، وانتشرت شائعات حولها لعدة أسابيع.
ثم شرح فاليري ميتروفانوف نفسه لفترة وجيزة الجانب الفنيكيف سارت التجربة:
"تم التقاط الإشارة من ثقبين أسودين يقعان على مسافة حوالي 1.3 مليار سنة ضوئية منا. دارت الثقوب حول بعضها البعض واندمجت في النهاية في واحدة. أشارت موجات الجاذبية إلى ذلك من خلال انفجار تم تسجيله بواسطة أجهزة الكشف. ومن المهم التأكيد على أن هذا تسجيل مباشر للموجات، وليس تسجيلاً غير مباشر. أما بالنسبة للطريقة غير المباشرة فقد منحت جائزة نوبل عام 1993. التقطت أجهزة الكشف إشارة عند درجة حرارة 10 ناقص 19 درجة للمتر. إنه اليوم الدقة القصوىالقياسات التي تم تحقيقها حتى الآن على الأرض.أما بالنسبة لمساهمة العلماء الروس، فهي في المقام الأول إنشاء أنظمة تتيح لك عزل مثل هذه الإشارة الضعيفة عن خلفية الضوضاء. المهمة بصراحة صعبة للغاية».
تبلغ كتلة الثقوب السوداء حوالي 30 كتلة شمسية وتدور حول بعضها البعض بتردد 150 هرتز. كانت كتلة ما بعد الاندماج أقل بثلاث كتل شمسية من مجموع كتل ما قبل الاندماج: انبعثت الطاقة المتبقية على شكل موجات جاذبية.
بعد أن وصلت إلى الأرض، بدأت موجات الجاذبية في تشويه الزمكان لدينا. وبناء على ذلك، بدأت المسافة بين عناصر هوائي مرصد LIGO تتغير بشكل دوري، وهو ما تم تسجيله بواسطة أجهزة كشف شعاع الليزر.
تم تسجيل موجات الجاذبية في 14 سبتمبر 2015 الساعة 13:51 بتوقيت موسكو.
"هذا الإنجاز النهائي الحضارة الإنسانيةقال أستاذ جامعة ولاية ميشيغان سيرجي فياتشانين. - وصل مرصد LIGO تقريبًا إلى حد القياس الكمي. كان من الممكن تسجيل إزاحة جسمين عيانيين يزنان عدة كيلوغرامات ويفصل بينهما عدة كيلومترات بدقة تنبأ بها عدم اليقين الكمي لهايزنبرغ.
"حاليًا لدينا كاشفان فقط، ولكن حتى بهما سنكون قادرين على تحديد كتل الأجسام، وبناءً على وقت التأخير، تقديرها موقف تقريبيقال أحد مؤلفي هذا الاكتشاف، المدير العلمي لمركز الكم الروسي، والأستاذ بجامعة موسكو الحكومية ميخائيل جوروديتسكي: "بالنسبة للهوائيين، فإن تحديد الموقع ليس جيدًا جدًا - هناك بعض القوس في السماء، ولكن عندما يعمل هوائي الجاذبية الأوروبي الثالث بكامل طاقته، سنكون قادرين على تحديد موضع المصادر بدقة تامة باستخدام طريقة التثليث."
هوائي على شكل حرف L ومرصد LIGO في لويزيانا
بالمناسبة، كان الفيزيائيون الروس هم من اقترحوا تعليق المرايا على خيوط الكوارتز بدلاً من الفولاذ (انعكست أشعة الليزر من المرايا في كل ذراع يبلغ طولها أربعة كيلومترات من مقياس التداخل على شكل حرف L)، مما قلل من الضوضاء الدخيلة في النظام. وبدون ذلك، لم يكن من الممكن أن يحدث هذا الاكتشاف.
تسجيل فيديو للمؤتمر الصحفي
موجات الجاذبية - تقديم الفنان
موجات الجاذبية هي اضطرابات في مقياس الزمكان تنفصل عن المصدر وتنتشر مثل الموجات (ما يسمى "تموجات الزمكان").
في النسبية العامة ومعظم الآخرين النظريات الحديثةفي الجاذبية، تتولد موجات الجاذبية نتيجة لحركة الأجسام الضخمة ذات التسارع المتغير. تنتشر موجات الجاذبية بحرية في الفضاء بسرعة الضوء. بسبب الضعف النسبي قوى الجاذبية(مقارنة بغيرها) هذه الموجات ذات حجم صغير جداً، مما يصعب تسجيله.
موجة الجاذبية المستقطبة
تم التنبؤ بموجات الجاذبية من خلال النظرية النسبية العامة (GR)، وغيرها الكثير. تم اكتشافها لأول مرة مباشرة في سبتمبر 2015 بواسطة كاشفين توأمين، حيث اكتشفا موجات الجاذبية، والتي من المحتمل أنها نتجت عن اندماج اثنين وتشكيل واحد آخر ضخم دوار. الثقب الأسود. الأدلة غير المباشرة على وجودها معروفة منذ سبعينيات القرن الماضي - تتنبأ النسبية العامة بمعدلات التقارب التي تتزامن مع الملاحظات أنظمة ضيقةبسبب فقدان الطاقة بسبب انبعاث موجات الجاذبية. التسجيل المباشر لموجات الجاذبية واستخدامها لتحديد معالم العمليات الفيزيائية الفلكية هو مهمة هامة الفيزياء الحديثةوعلم الفلك.
في إطار النسبية العامة، يتم وصف موجات الجاذبية من خلال حلول معادلات أينشتاين من النوع الموجي، والتي تمثل اضطرابًا في مقياس الزمكان المتحرك بسرعة الضوء (في التقريب الخطي). وينبغي أن يكون مظهر هذا السخط، على وجه الخصوص، التغيير الدوريالمسافات بين كتلتين تسقطان بحرية (أي لا تتأثر بأي قوى) اختبار الكتل. السعة حموجة الجاذبية هي كمية لا أبعاد لها - تغير نسبي في المسافة. إن السعات القصوى المتوقعة لموجات الجاذبية الصادرة عن الأجسام الفيزيائية الفلكية (على سبيل المثال، الأنظمة الثنائية المدمجة) والظواهر (الانفجارات، والاندماجات، والالتقاط بواسطة الثقوب السوداء، وما إلى ذلك) تكون صغيرة جدًا عند قياسها ( ح=10 −18 -10 −23). موجة الجاذبية (الخطية) الضعيفة، وفقًا للنظرية النسبية العامة، تنقل الطاقة والزخم، وتتحرك بسرعة الضوء، وهي مستعرضة، رباعية القطب، ويوصفها مكونان مستقلان يقعان بزاوية 45 درجة لبعضهما البعض ( له اتجاهين للاستقطاب).
تتنبأ النظريات المختلفة بسرعة انتشار موجات الجاذبية بشكل مختلف. وفي النسبية العامة، تساوي سرعة الضوء (بالتقريب الخطي). وفي نظريات أخرى للجاذبية، يمكن أن تأخذ أي قيمة، بما في ذلك اللانهاية. وفقًا للتسجيل الأول لموجات الجاذبية، تبين أن تشتتها متوافق مع جرافيتون عديم الكتلة، وتم تقدير سرعتها بـ يساوي السرعةسفيتا.
توليد موجات الجاذبية
يخلق نظام من نجمين نيوترونيين تموجات في الزمكان
تنبعث موجة الجاذبية من أي مادة تتحرك بتسارع غير متماثل. لكي تحدث موجة ذات سعة كبيرة، أمر بالغ الأهمية كتلة كبيرةالباعث و/أو التسارعات الكبيرة، فإن سعة موجة الجاذبية تتناسب طرديًا المشتقة الأولى للتسارعوكتلة المولد ~ . ومع ذلك، إذا كان الجسم يتحرك بمعدل متسارع، فهذا يعني أن بعض القوة تؤثر عليه من جسم آخر. وفي المقابل، يختبر هذا الكائن الآخر العمل العكسي(وفقا لقانون نيوتن الثالث)، اتضح ذلك م 1 أ 1 = − م 2 أ 2 . اتضح أن جسمين ينبعثان من موجات الجاذبية فقط في أزواج، ونتيجة للتداخل، يتم إلغاؤهما بشكل كامل تقريبًا. لهذا السبب إشعاع الجاذبيةفي النظرية النسبية العامة، فإن تعدد الأقطاب له دائمًا طابع الإشعاع الرباعي على الأقل. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة للبواعث غير النسبية في التعبير عن شدة الإشعاع، هناك معلمة صغيرة حيث يكون نصف قطر جاذبية الباعث، ص- حجمها المميز، ت - فترة مميزةالحركات, ج- سرعة الضوء في الفراغ .
معظم مصادر قويةموجات الجاذبية هي:
- التصادم (كتل عملاقة، تسارعات صغيرة جدًا)،
- انهيار الجاذبية نظام مزدوج كائنات مدمجة(تسارعات هائلة عند حدٍ ما كتلة كبيرة). كما الخاص والأكثر حالة مثيرة للاهتمام- اندماج النجوم النيوترونية. في مثل هذا النظام، يكون لمعان موجة الجاذبية قريبًا من أقصى لمعان بلانك الممكن في الطبيعة.
موجات الجاذبية المنبعثة من نظام ثنائي الجسم
جسمان يتحركان في مدارات دائرية حولهما المركز العامالجماهير
اثنان الجاذبية جسم مقيدمع الجماهير م 1 و م 2، تتحرك بشكل غير نسبي ( ضد << ج) في مدارات دائرية حول مركز كتلتها المشترك على مسافة صتنبعث من بعضها البعض موجات جاذبية من الطاقة التالية، في المتوسط خلال الفترة:
ونتيجة لذلك يفقد النظام الطاقة مما يؤدي إلى تقارب الأجسام أي إلى تناقص المسافة بينهما. سرعة اقتراب الأجسام:
بالنسبة للنظام الشمسي، على سبيل المثال، يتم إنتاج أعظم إشعاع الجاذبية بواسطة النظام الفرعي. وتبلغ قوة هذا الإشعاع حوالي 5 كيلووات. وبالتالي، فإن الطاقة التي يفقدها النظام الشمسي بسبب إشعاع الجاذبية سنويًا لا تكاد تذكر مقارنة بالطاقة الحركية المميزة للأجسام.
انهيار الجاذبية للنظام الثنائي
أي نجم مزدوج، عندما تدور مكوناته حول مركز مشترك للكتلة، يفقد الطاقة (كما هو مفترض - بسبب انبعاث موجات الجاذبية)، وفي النهاية، يدمج معًا. لكن بالنسبة للنجوم المزدوجة العادية غير المدمجة، تستغرق هذه العملية وقتا طويلا جدا، أطول بكثير من العصر الحالي. إذا كان النظام الثنائي المدمج يتكون من زوج من النجوم النيوترونية، أو الثقوب السوداء، أو مزيج من الاثنين معًا، فيمكن أن يحدث الاندماج في غضون عدة ملايين من السنين. أولاً، تقترب الأجسام من بعضها البعض، وتقل فترة دورانها. ثم، في المرحلة النهائية، يحدث الاصطدام وانهيار الجاذبية غير المتماثل. تستمر هذه العملية لجزء من الثانية، وخلال هذا الوقت يتم فقدان الطاقة في إشعاع الجاذبية، والذي يصل، وفقًا لبعض التقديرات، إلى أكثر من 50٪ من كتلة النظام.
الحلول الدقيقة الأساسية لمعادلات أينشتاين لموجات الجاذبية
موجات الجسم بوندي-بيراني-روبنسون
يتم وصف هذه الموجات بواسطة متري من النموذج . إذا أدخلنا متغيرًا ودالة، فمن معادلات النسبية العامة نحصل على المعادلة
تاكينو متري
له الشكل، -الوظائف تحقق نفس المعادلة.
مقياس روزن
أين يرضي
متري بيريز
في نفس الوقت
موجات أينشتاين روزن الأسطوانية
في الإحداثيات الأسطوانية، تكون هذه الموجات بالشكل ويتم تنفيذها
تسجيل موجات الجاذبية
يعد تسجيل موجات الجاذبية أمرًا صعبًا للغاية بسبب ضعف الأخيرة (تشوه بسيط في المقياس). أجهزة تسجيلها هي كاشفات موجات الجاذبية. جرت محاولات لاكتشاف موجات الجاذبية منذ أواخر الستينيات. تولد موجات الجاذبية ذات السعة القابلة للاكتشاف أثناء انهيار النظام الثنائي. تحدث أحداث مماثلة في المنطقة المحيطة مرة واحدة تقريبًا كل عقد.
من ناحية أخرى، تتنبأ النظرية النسبية العامة بتسارع الدوران المتبادل للنجوم الثنائية بسبب فقدان الطاقة بسبب انبعاث موجات الجاذبية، ويتم تسجيل هذا التأثير بشكل موثوق في عدة أنظمة معروفة للأجسام الثنائية المدمجة (في على وجه الخصوص، النجوم النابضة ذات الرفاق المدمجة). في عام 1993، "لاكتشاف نوع جديد من النجوم النابضة، والذي قدم فرصًا جديدة في دراسة الجاذبية" لمكتشفي أول نجم نابض مزدوج PSR B1913+16، راسل هولس وجوزيف تايلور جونيور. حصل على جائزة نوبل في الفيزياء. ويتطابق تسارع الدوران الملحوظ في هذا النظام تمامًا مع تنبؤات النسبية العامة لانبعاث موجات الجاذبية. تم تسجيل نفس الظاهرة في عدة حالات أخرى: بالنسبة للنجوم النابضة PSR J0737-3039، PSR J0437-4715، SDSS J065133.338+284423.37 (عادة ما يتم اختصارها J0651) ونظام RX J0806 الثنائي. على سبيل المثال، تنخفض المسافة بين المكونين A وB للنجم الثنائي الأول للنجمين النابضين PSR J0737-3039 بحوالي 2.5 بوصة (6.35 سم) يوميًا بسبب فقدان الطاقة بسبب موجات الجاذبية، ويحدث هذا بالاتفاق مع النسبية العامة . يتم تفسير كل هذه البيانات على أنها تأكيد غير مباشر لوجود موجات الجاذبية.
وفقًا للتقديرات، فإن أقوى مصادر موجات الجاذبية وأكثرها شيوعًا بالنسبة لتلسكوبات وهوائيات الجاذبية هي الكوارث المرتبطة بانهيار الأنظمة الثنائية في المجرات القريبة. ومن المتوقع أنه في المستقبل القريب سيتم تسجيل العديد من الأحداث المماثلة سنويًا على أجهزة كشف الجاذبية المحسنة، مما يؤدي إلى تشويه المقياس في المنطقة المجاورة بمقدار 10 −21 -10 −23 . ربما تم الحصول على الملاحظات الأولى لإشارة رنين بارامترية بصرية، والتي تجعل من الممكن اكتشاف تأثير موجات الجاذبية من مصادر دورية مثل ثنائي قريب على إشعاعات الميزر الكونية، في المرصد الفلكي الراديوي الروسي. أكاديمية العلوم بوششينو.
هناك احتمال آخر لاكتشاف خلفية موجات الجاذبية التي تملأ الكون، وهو التوقيت عالي الدقة للنجوم النابضة البعيدة، وهو تحليل وقت وصول نبضاتها، والذي يتغير بشكل مميز تحت تأثير موجات الجاذبية التي تمر عبر الفضاء بين الأرض والنجم النابض. تشير تقديرات عام 2013 إلى أن دقة التوقيت تحتاج إلى تحسين بما يقرب من مرتبة واحدة من حيث الحجم لاكتشاف موجات الخلفية من مصادر متعددة في كوننا، وهي مهمة يمكن إنجازها قبل نهاية العقد.
وفقًا للمفاهيم الحديثة، فإن كوننا مليء ببقايا موجات الجاذبية التي ظهرت في اللحظات الأولى بعد ذلك. سيسمح تسجيلهم بالحصول على معلومات حول العمليات في بداية ولادة الكون. في 17 مارس 2014 الساعة 20:00 بتوقيت موسكو في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية، أعلنت مجموعة أمريكية من الباحثين العاملين في مشروع BICEP 2 اكتشاف اضطرابات التوتر غير الصفرية في الكون المبكر عن طريق استقطاب الكون. إشعاع الخلفية الميكروي، وهو أيضًا اكتشاف موجات الجاذبية المتبقية. ومع ذلك، فقد تم التنازع على هذه النتيجة على الفور تقريبًا، حيث اتضح فيما بعد أن المساهمة لم تؤخذ في الاعتبار بشكل صحيح. أحد المؤلفين، ج. م. كوفاتس ( كوفاتش ج.م.)، اعترف بأن "المشاركين والصحفيين العلميين كانوا متسرعين بعض الشيء في تفسير البيانات من تجربة BICEP2 والإبلاغ عنها."
التأكيد التجريبي للوجود
أول إشارة موجة الجاذبية المسجلة. على اليسار توجد بيانات من الكاشف في هانفورد (H1)، وعلى اليمين - في ليفينغستون (L1). يتم حساب الوقت اعتبارًا من 14 سبتمبر 2015، الساعة 09:50:45 بالتوقيت العالمي المنسق. لتصور الإشارة، يتم ترشيحها بواسطة مرشح تردد بنطاق تمرير 35-350 هرتز لقمع التقلبات الكبيرة خارج نطاق الحساسية العالية للكاشفات، كما تم استخدام مرشحات إيقاف النطاق لقمع ضوضاء المنشآت نفسها. الصف العلوي: الفولتية ح في أجهزة الكشف. وصل GW150914 لأول مرة إلى L1 و6 9 +0 5 −0 4 مللي ثانية لاحقًا إلى H1؛ للمقارنة البصرية، تظهر البيانات من H1 في مخطط L1 في شكل معكوس ومتغير زمنيًا (لحساب الاتجاه النسبي لأجهزة الكشف). الصف الثاني: الفولتية h من إشارة موجة الجاذبية، تمر عبر نفس مرشح تمرير النطاق 35-350 هرتز. الخط الصلب هو نتيجة النسبية الرقمية لنظام ذي معلمات متوافقة مع تلك الموجودة بناءً على دراسة إشارة GW150914، التي تم الحصول عليها بواسطة رمزين مستقلين مع تطابق ناتج قدره 99.9. الخطوط السميكة الرمادية هي مناطق الثقة بنسبة 90% من الشكل الموجي المعاد بناؤه من بيانات الكاشف بطريقتين مختلفتين. يمثل الخط الرمادي الداكن الإشارات المتوقعة من اندماج الثقوب السوداء، أما الخط الرمادي الفاتح فلا يستخدم نماذج فيزيائية فلكية، ولكنه يمثل الإشارة كمجموعة خطية من المويجات الجيبية الغوسية. تتداخل عمليات إعادة البناء بنسبة 94٪. الصف الثالث: الأخطاء المتبقية بعد استخراج التنبؤ المرشح لإشارة النسبية العددية من الإشارة المرشحة للكاشفات. الصف السفلي: تمثيل خريطة التردد للجهود، مما يوضح الزيادة في التردد السائد للإشارة مع مرور الوقت.
11 فبراير 2016 بالتعاون بين LIGO وVIRGO. تم تسجيل إشارة اندماج ثقبين أسودين بسعة قصوى تبلغ حوالي 10 −21 في 14 سبتمبر 2015 في الساعة 9:51 بالتوقيت العالمي بواسطة كاشفين LIGO في هانفورد وليفينغستون، بفارق 7 مللي ثانية، في المنطقة ذات سعة الإشارة القصوى ( 0.2 ثانية) مجتمعة وكانت نسبة الإشارة إلى الضوضاء 24:1. تم تعيين الإشارة GW150914. ويتطابق شكل الإشارة مع تنبؤات النسبية العامة لاندماج ثقبين أسودين كتلتهما 36 و29 كتلة شمسية؛ يجب أن يكون للثقب الأسود الناتج كتلة 62 شمسية ومعلمة دوران أ= 0.67. وتبلغ المسافة إلى المصدر حوالي 1.3 مليار، والطاقة المنبعثة في أعشار الثانية في الاندماج تعادل حوالي 3 كتل شمسية.
قصة
تاريخ مصطلح “موجات الجاذبية” نفسه، والبحث النظري والتجريبي عن هذه الموجات، وكذلك استخدامها لدراسة الظواهر التي لا يمكن الوصول إليها بالطرق الأخرى.
- 1900 - اقترح لورنتز أن الجاذبية "... يمكن أن تنتشر بسرعة لا تزيد عن سرعة الضوء"؛
- 1905 - بوانكاريهقدم لأول مرة مصطلح موجة الجاذبية (onde gravique). أزال بوانكاريه، على المستوى النوعي، اعتراضات لابلاس الراسخة وأظهر أن التصحيحات المرتبطة بموجات الجاذبية لقوانين نيوتن المقبولة عمومًا لجاذبية النظام تُلغى، وبالتالي فإن افتراض وجود موجات الجاذبية لا يتعارض مع الملاحظات؛
- 1916 - أظهر أينشتاين أنه في إطار النسبية العامة، يقوم النظام الميكانيكي بنقل الطاقة إلى موجات الجاذبية، وبشكل تقريبي، يجب أن يتوقف أي دوران يتعلق بالنجوم الثابتة عاجلاً أم آجلاً، على الرغم من فقدان الطاقة، بالطبع، في الظروف العادية. من حيث الحجم لا تذكر ولا يمكن قياسها عمليًا (في هذا العمل، اعتقد أيضًا خطأً أن النظام الميكانيكي الذي يحافظ باستمرار على التماثل الكروي يمكن أن ينبعث من موجات الجاذبية)؛
- 1918 - أينشتايناشتق صيغة رباعية حيث تبين أن انبعاث موجات الجاذبية هو تأثير النظام، وبالتالي تصحيح الخطأ في عمله السابق (بقي خطأ في المعامل، والطاقة الموجية أقل مرتين)؛
- 1923 - إدينجتون - شكك في الحقيقة الفيزيائية لموجات الجاذبية "...تنتشر...بسرعة الفكر". في عام 1934، عند إعداد الترجمة الروسية لدراسته "النظرية النسبية"، أضاف إدينجتون عدة فصول، بما في ذلك فصول تحتوي على خيارين لحساب فقدان الطاقة بواسطة قضيب دوار، لكنه أشار إلى أن الطرق المستخدمة في الحسابات التقريبية للنسبية العامة، في رأيه، لا تنطبق على الأنظمة المقيدة بالجاذبية، لذلك تظل الشكوك قائمة؛
- 1937 - قام أينشتاين مع روزن بدراسة حلول الموجات الأسطوانية للمعادلات الدقيقة لمجال الجاذبية. خلال هذه الدراسات، بدأوا يشككون في أن موجات الجاذبية قد تكون نتيجة لحلول تقريبية لمعادلات النسبية العامة (المراسلات المتعلقة بمراجعة مقال "هل توجد موجات الجاذبية؟" بقلم أينشتاين وروزن معروفة). وفي وقت لاحق، وجد خطأً في منطقه؛ وتم نشر النسخة النهائية للمقال مع التغييرات الأساسية في مجلة معهد فرانكلين؛
- 1957 - اقترح هيرمان بوندي وريتشارد فاينمان تجربة "القصب بالخرز" الفكرية التي أثبتا فيها وجود عواقب فيزيائية لموجات الجاذبية في النسبية العامة؛
- 1962 - وصف فلاديسلاف بوستوفويت وميخائيل هيرزينستين مبادئ استخدام مقاييس التداخل للكشف عن موجات الجاذبية طويلة الموجة؛
- 1964 - وصف فيليب بيترز وجون ماثيو نظريًا موجات الجاذبية المنبعثة من الأنظمة الثنائية؛
- 1969 - أعلن جوزيف ويبر، مؤسس علم فلك موجات الجاذبية، عن اكتشاف موجات الجاذبية باستخدام كاشف رنين - وهو هوائي ميكانيكي للجاذبية. وتؤدي هذه التقارير إلى نمو سريع للعمل في هذا الاتجاه، ولا سيما أن رينييه فايس، أحد مؤسسي مشروع LIGO، بدأ التجارب في ذلك الوقت. حتى الآن (2015)، لم يتمكن أحد من الحصول على تأكيد موثوق لهذه الأحداث؛
- 1978 - جوزيف تايلورأبلغ عن اكتشاف إشعاع الجاذبية في نظام النجم النابض الثنائي PSR B1913+16. حصل بحث جوزيف تايلور ورسل هولس على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1993. اعتبارًا من أوائل عام 2015، تم قياس ثلاثة معلمات ما بعد كبلر، بما في ذلك انخفاض الفترة بسبب انبعاث موجات الجاذبية، لما لا يقل عن 8 من هذه الأنظمة؛
- 2002 - استخدم سيرجي كوبيكين وإدوارد فومالونت قياس تداخل الموجات الراديوية طويل جدًا لقياس انحراف الضوء في مجال جاذبية المشتري في الديناميكيات، والذي يتيح لفئة معينة من الامتدادات الافتراضية للنسبية العامة تقدير سرعة الجاذبية - يجب ألا يتجاوز الاختلاف عن سرعة الضوء 20% (هذا التفسير غير مقبول بشكل عام)؛
- 2006 - أبلغ فريق مارثا بورغي الدولي (مرصد باركس، أستراليا) عن تأكيد أكثر دقة للنسبية العامة وتوافقها مع حجم إشعاع موجة الجاذبية في نظام النجمين النابضين PSR J0737-3039A/B؛
- 2014 - أبلغ علماء الفلك في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية (BICEP) عن اكتشاف موجات الجاذبية البدائية أثناء قياس التقلبات في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. في الوقت الحالي (2016)، لا تعتبر التقلبات المكتشفة ذات أصل أثري، ولكن يتم تفسيرها من خلال انبعاث الغبار في المجرة؛
- 2016 - فريق LIGO الدوليتم الإبلاغ عن اكتشاف حدث عبور موجة الجاذبية GW150914. لأول مرة، المراقبة المباشرة للأجسام الضخمة المتفاعلة في مجالات جاذبية فائقة القوة بسرعات نسبية فائقة (< 1,2 × R s , v/c >0.5)، مما جعل من الممكن التحقق من صحة النسبية العامة بدقة العديد من مصطلحات ما بعد النيوتونية ذات الرتب العالية. لا يتعارض التشتت المقاس لموجات الجاذبية مع القياسات السابقة للتشتت و الحد الأعلىكتلة الجرافيتون الافتراضي (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.
في 11 فبراير 2016، أعلنت مجموعة دولية من العلماء، بما في ذلك من روسيا، في مؤتمر صحفي في واشنطن عن اكتشاف سيغير تطور الحضارة عاجلاً أم آجلاً. كان من الممكن إثبات موجات الجاذبية أو موجات الزمكان عمليًا. لقد تنبأ ألبرت أينشتاين بوجودها قبل 100 عام في كتابه.
لا أحد يشك في أنه سيتم منح هذا الاكتشاف جائزة نوبل. العلماء ليسوا في عجلة من أمرهم للحديث عن ذلك التطبيق العملي. لكنهم يذكروننا أنه حتى وقت قريب جدًا لم تكن البشرية تعرف أيضًا ماذا تفعل به الموجات الكهرومغناطيسيةمما أدى في النهاية إلى ثورة علمية وتكنولوجية حقيقية.
ما هي موجات الجاذبية بعبارات بسيطة
الجاذبية و الجاذبية العالمية- إنه نفس الشيء. موجات الجاذبية هي أحد الحلول لـ GPV. يجب أن تنتشر بسرعة الضوء. ينبعث من أي جسم يتحرك بتسارع متغير.
على سبيل المثال، يدور في مداره بتسارع متغير موجه نحو النجم. وهذا التسارع يتغير باستمرار. النظام الشمسيتنبعث طاقة في حدود عدة كيلووات في موجات الجاذبية. وهذا مبلغ ضئيل مقارنة بـ 3 أجهزة تلفزيون ملونة قديمة.
شيء آخر هو أن نجمين نابضين يدوران حول بعضهما البعض ( النجوم النيوترونية). أنها تدور جدا مدارات قريبة. تم اكتشاف مثل هذا "الزوجين" من قبل علماء الفيزياء الفلكية ومراقبتهم لفترة طويلة. وكانت الأجسام جاهزة للسقوط على بعضها البعض، مما يشير بشكل غير مباشر إلى أن النجوم النابضة تبعث موجات الزمكان، أي الطاقة في مجالها.
الجاذبية هي قوة الجاذبية. نحن منجذبون إلى الأرض. وجوهر موجة الجاذبية هو التغير في هذا المجال، الذي يكون ضعيفًا للغاية عندما يصل إلينا. على سبيل المثال، خذ مستوى الماء في الخزان. قوة مجال الجاذبية - التسارع السقوط الحرعند نقطة محددة. تمر موجة عبر البركة، وفجأة يتغير تسارع السقوط الحر قليلاً.
بدأت مثل هذه التجارب في الستينيات من القرن الماضي. في ذلك الوقت توصلوا إلى هذا: قاموا بتعليق أسطوانة ألمنيوم ضخمة مبردة لتجنب التقلبات الحرارية الداخلية. وانتظروا موجة من اصطدام ثقبين أسودين ضخمين، على سبيل المثال، لتصل إلينا فجأة. كان الباحثون مليئين بالحماس وقالوا كل شيء الكرة الأرضيةقد تواجه تأثيرات موجة الجاذبية القادمة منها الفضاء الخارجي. سيبدأ الكوكب بالاهتزاز، ويمكن دراسة هذه الموجات الزلزالية (موجات الضغط والقص والموجات السطحية).
مقال مهم عن الجهاز بلغة بسيطةوكيف سرق الأمريكيون و LIGO فكرة العلماء السوفييت وقاموا ببناء مقاييس تداخلية جعلت الاكتشاف ممكنًا. لا أحد يتحدث عن ذلك، الجميع صامت!
بالمناسبة، يعد إشعاع الجاذبية أكثر إثارة للاهتمام من موقع إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف، الذي يحاولون العثور عليه عن طريق تغيير طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي. بقايا و الإشعاع الكهرومغناطيسيظهر بعد 700 ألف سنة من الانفجار العظيم، ثم أثناء تمدد الكون، مملوءًا بالغاز الساخن مع الجريان موجات الصدمةوالتي تحولت فيما بعد إلى مجرات. في هذه الحالة، بطبيعة الحال، كان من المفترض أن ينبعث عدد هائل ومذهل من موجات الزمكان، مما يؤثر على الطول الموجي لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي، والذي كان لا يزال بصريًا في ذلك الوقت. يكتب عالم الفيزياء الفلكية الروسي سازين مقالات حول هذا الموضوع وينشرها بانتظام.
تفسير خاطئ لاكتشاف موجات الجاذبية
"المرآة معلقة، وتؤثر عليها موجة الجاذبية، وتبدأ في التأرجح. وحتى التقلبات الأكثر أهمية في السعة حجم أصغر النواة الذريةيتم ملاحظتها بواسطة الأدوات" - مثل هذا التفسير غير الصحيح، على سبيل المثال، يستخدم في مقالة ويكيبيديا. لا تكن كسولًا، ابحث عن مقال لعلماء سوفيات من عام 1962.
أولاً، يجب أن تكون المرآة ضخمة الحجم حتى تشعر "بالتموجات". ثانيا، يحتاج إلى تبريده تقريبا الصفر المطلق(بالكلفن) لتجنب التقلبات الحرارية الخاصة به. على الأرجح، ليس فقط في القرن الحادي والعشرين، ولكن بشكل عام لن يكون من الممكن اكتشافه أبدًا الجسيمات الأولية- حاملة موجات الجاذبية: