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.

ولا أحد يشك في أن هذا الاكتشاف سيحصل على جائزة نوبل. العلماء ليسوا في عجلة من أمرهم للحديث عن ذلك تطبيق عملي. لكنهم يذكروننا أنه حتى وقت قريب جدًا، لم تكن البشرية أيضًا تعرف ماذا تفعل بالموجات الكهرومغناطيسية، مما أدى في النهاية إلى ثورة علمية وتكنولوجية حقيقية.

ما هي موجات الجاذبية بعبارات بسيطة

الجاذبية و الجاذبية العالمية- 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. يصدر النظام الشمسي طاقة تصل إلى عدة كيلووات في موجات الجاذبية. وهذا مبلغ ضئيل مقارنة بـ 3 أجهزة تلفزيون ملونة قديمة.

شيء آخر هو وجود نجمين نابضين (نجمين نيوترونيين) يدوران حول بعضهما البعض. 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 هي تسارع السقوط الحر عند نقطة معينة. 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: لقد علقوا 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 إن الكرة الأرضية بأكملها يمكن أن تتأثر بموجة جاذبية قادمة من الفضاء الخارجي. سيبدأ الكوكب بالاهتزاز، ويمكن دراسة هذه الموجات الزلزالية (موجات الضغط والقص والموجات السطحية).

مقال مهم عن الجهاز بعبارات بسيطة، وكيف سرق الأمريكان و LIGO فكرة العلماء السوفييت وبنوا أجهزة قياس التداخل التي جعلت الاكتشاف ممكنا. 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. ظهرت الإشعاعات CMB والإشعاع الكهرومغناطيسي بعد 700 ألف سنة من الانفجار الكبير، ثم أثناء توسع الكون، امتلأ 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.

التفسير الخاطئ لاكتشاف موجات الجاذبية

"المرآة معلقة، وتؤثر عليها موجة الجاذبية، وتبدأ في التأرجح. وحتى التقلبات الأكثر أهمية بسعة أقل من حجم النواة الذرية يتم ملاحظتها بواسطة الأجهزة" - 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 حتى تشعر بـ”التموجات”. 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:

كتب أحد المتخصصين في هذا المجال: "في الآونة الأخيرة، أثارت سلسلة من التجارب طويلة الأمد حول المراقبة المباشرة لموجات الجاذبية اهتمامًا قويًا في المجتمع العلمي". الفيزياء النظريةميتشيو كاكو في كتاب "كون أينشتاين" عام 2004. - قد يكون مشروع LIGO ("مقياس التداخل الليزري لرصد موجات الجاذبية") أول من "شاهد" موجات الجاذبية، على الأرجح من اصطدام ثقبين أسودين في مساحة عميقة. إن مرصد LIGO هو حلم الفيزيائي الذي أصبح حقيقة، وهو أول منشأة تتمتع بقدرة كافية لقياس موجات الجاذبية.

لقد تحققت توقعات كاكو: يوم الخميس، أعلنت مجموعة من العلماء الدوليين من مرصد LIGO عن اكتشاف موجات الجاذبية.

موجات الجاذبية هي تذبذبات في الزمكان "تهرب" من الأجسام الضخمة (مثل الثقوب السوداء) التي تتحرك بتسارع. بمعنى آخر، موجات الجاذبية هي اضطراب منتشر في الزمكان، وتشوه متنقل للفراغ المطلق.

الثقب الأسود هو منطقة في الزمكان تكون جاذبيتها قوية جدًا لدرجة أنه حتى الأجسام التي تتحرك بسرعة الضوء (بما في ذلك الضوء نفسه) لا يمكنها تركها. يُطلق على الحدود التي تفصل الثقب الأسود عن بقية العالم اسم أفق الحدث: كل ما يحدث داخل أفق الحدث يكون مخفيًا عن أعين المراقب الخارجي.

Erin Ryan صورة لكعكة نشرتها Erin Ryan على الإنترنت.

بدأ العلماء في التقاط موجات الجاذبية منذ نصف قرن: في ذلك الوقت أصبح الفيزيائي الأمريكي جوزيف ويبر مهتمًا بالنظرية النسبية العامة لأينشتاين (GTR)، وأخذ إجازة وبدأ في دراسة موجات الجاذبية. اخترع ويبر أول جهاز لكشف موجات الجاذبية، وسرعان ما أعلن أنه سجل “صوت موجات الجاذبية”. لكن، مجتمع العلمأنكرت رسالته

ومع ذلك، كان بفضل جوزيف فيبر أن العديد من العلماء تحولوا إلى "مطاردي الأمواج". اليوم يعتبر ويبر الأب الاتجاه العلميعلم الفلك موجات الجاذبية.

"هذه بداية حقبة جديدة في علم فلك الجاذبية"

يتكون مرصد LIGO، حيث سجل العلماء موجات الجاذبية، من ثلاث منشآت ليزر في الولايات المتحدة: اثنتان في ولاية واشنطن وواحدة في لويزيانا. هذه هي الطريقة التي يصف بها ميتشيو كاكو عمل أجهزة الكشف عن الليزر: “يتم تقسيم شعاع الليزر إلى شعاعين منفصلين، ثم يتعامدان مع بعضهما البعض. ثم، ينعكس من المرآة، ويتصلون مرة أخرى. إذا كان من خلال مقياس التداخل ( جهاز قياس) سوف تمر موجة جاذبية، وسيتعرض طول مسار شعاعي الليزر إلى اضطراب، وسينعكس ذلك على نمط تداخلهما. للتأكد من أن الإشارة المسجلة بواسطة تركيب الليزر ليست عشوائية، يجب وضع أجهزة الكشف في نقاط مختلفة على الأرض.

فقط تحت تأثير موجة جاذبية عملاقة، أكبر بكثير من حجم كوكبنا، ستعمل جميع أجهزة الكشف في وقت واحد.

الآن اكتشف تعاون LIGO إشعاع الجاذبية الناتج عن اندماج نظام ثنائي من الثقوب السوداء كتلتها 36 و29 كتلة شمسية في جسم كتلته 62 كتلة شمسية. "هذا هو أول قياس مباشر (من المهم جدًا أن يكون مباشرًا!) لعمل موجات الجاذبية" ، علق الأستاذ لمراسل قسم العلوم في غازيتا.رو كلية الفيزياءجامعة موسكو الحكومية سيرجي فياتشانين. — أي أنه تم استقبال إشارة من الكارثة الفيزيائية الفلكية المتمثلة في اندماج ثقبين أسودين. وتم التعرف على هذه الإشارة - وهذا أيضًا مهم جدًا! ومن الواضح أن هذا من ثقبين أسودين. وهذه هي بداية حقبة جديدة من علم فلك الجاذبية، والتي ستمكن من الحصول على معلومات حول الكون ليس فقط من خلال المصادر البصرية والأشعة السينية والكهرومغناطيسية والنيوترينو - ولكن أيضًا من خلال موجات الجاذبية.

يمكننا القول أن 90% من الثقوب السوداء لم تعد أجسامًا افتراضية. ولا تزال هناك بعض الشكوك، ولكن لا تزال الإشارة التي تم التقاطها تتناسب تمامًا مع ما تنبأت به عمليات محاكاة لا حصر لها لاندماج ثقبين أسودين وفقًا للنظرية النسبية العامة.

وهذه حجة قوية على وجود الثقوب السوداء. ولا يوجد تفسير آخر لهذه الإشارة حتى الآن. ولذلك، فمن المقبول وجود الثقوب السوداء.

"سيكون أينشتاين سعيدًا جدًا"

تنبأ ألبرت أينشتاين بوجود موجات الجاذبية (الذي، بالمناسبة، كان متشككًا بشأن وجود الثقوب السوداء) كجزء من نظريته النسبية العامة. في GTO بثلاثة الأبعاد المكانيةيضاف الوقت، ويصبح العالم رباعي الأبعاد. وفقا للنظرية التي قلبت الفيزياء رأسا على عقب، فإن الجاذبية هي نتيجة لانحناء الزمكان تحت تأثير الكتلة.

أثبت أينشتاين أن أي مادة تتحرك بتسارع تخلق اضطرابًا في الزمكان - موجة جاذبية. ويكون هذا الاضطراب أكبر كلما زاد تسارع الجسم وكتلته.

بسبب الضعف قوى الجاذبيةبالمقارنة مع التفاعلات الأساسية الأخرى، يجب أن يكون لهذه الموجات حجم صغير جدًا، وهو أمر يصعب تسجيله.

عند شرح النسبية العامة لعلماء العلوم الإنسانية، غالبًا ما يطلب منهم الفيزيائيون تخيل شريحة مطاطية مشدودة يتم إنزال عليها كرات ضخمة. تضغط الكرات عبر المطاط، فتتشوه الطبقة الممدودة (التي تمثل الزمكان). وفقًا للنظرية النسبية العامة، فإن الكون بأكمله عبارة عن مطاط، حيث يترك كل كوكب وكل نجم وكل مجرة ​​خدوشًا. تدور أرضنا حول الشمس مثل كرة صغيرة، تنطلق لتتدحرج حول مخروط قمع يتكون نتيجة "دفع" الزمكان بواسطة كرة ثقيلة.

نشرة / رويترز

الكرة الثقيلة هي الشمس

ومن المرجح أن يكون اكتشاف موجات الجاذبية، وهو التأكيد الرئيسي لنظرية أينشتاين، مؤهلا للحصول على جائزة نوبل في الفيزياء. قالت غابرييلا غونزاليس، المتحدثة باسم تعاون LIGO: "سيكون أينشتاين سعيدًا جدًا".

ووفقا للعلماء، من السابق لأوانه الحديث عن التطبيق العملي لهذا الاكتشاف. "على الرغم من أن هاينريش هيرتز ( عالم فيزياء ألماني، الذي أثبت وجوده موجات كهرومغناطيسية. - "Gazeta.Ru") هل كنت تعتقد أنه سيكون هناك هاتف محمول؟ لا! وقال فاليري ميتروفانوف، الأستاذ في كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية: "لا يمكننا أن نتخيل أي شيء الآن". م.ف. لومونوسوف. - أركز على فيلم "بين النجوم". لقد تم انتقاده، نعم، ولكن حتى البساط السحري يمكن تصوره رجل البرية. وتحولت البساط السحري إلى طائرة، وهذا كل شيء. وهنا علينا أن نتخيل شيئًا معقدًا للغاية. في Interstellar، إحدى النقاط تتعلق بحقيقة أن الشخص يمكنه السفر من عالم إلى آخر. إذا كنت تتخيل بهذه الطريقة، فهل تعتقد أن الشخص يمكن أن يسافر من عالم إلى آخر، وأنه يمكن أن يكون هناك العديد من الأكوان - أي شيء؟ لا أستطيع الإجابة لا. لأن الفيزيائي لا يستطيع الإجابة على مثل هذا السؤال بـ "لا"! فقط إذا كان يتعارض مع بعض قوانين الحفظ! هناك خيارات لا تتعارض مع الخيارات المعروفة القوانين الفيزيائية. لذلك، يمكن أن يكون هناك سفر عبر العوالم! "

، الولايات المتحدة الأمريكية
© رويترز، نشرة

تم اكتشاف موجات الجاذبية أخيرًا

العلوم الشعبية

تم اكتشاف التذبذبات في الزمكان بعد قرن من توقع أينشتاين لها. يبدأ عصر جديد في علم الفلك.

اكتشف العلماء تقلبات في الزمكان ناجمة عن اندماج الثقوب السوداء. حدث ذلك بعد مائة عام من توقع ألبرت أينشتاين هذه "موجات الجاذبية" في نظريته النسبية العامة، وبعد مائة عام من بدء علماء الفيزياء في البحث عنها.

تم الإعلان عن هذا الاكتشاف التاريخي اليوم من قبل باحثين من مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO). وأكدوا الشائعات التي أحاطت بتحليل المجموعة الأولى من البيانات التي جمعوها منذ أشهر. ويقول علماء الفيزياء الفلكية إن اكتشاف موجات الجاذبية يقدم رؤى جديدة للكون والقدرة على التعرف على الأحداث البعيدة التي لا يمكن رؤيتها بالتلسكوبات البصرية، ولكن يمكن الشعور بها وحتى سماعها عندما تصل اهتزازاتها الخافتة إلينا عبر الفضاء.

"لقد اكتشفنا موجات الجاذبية. لقد فعلناها!" - أعلن المدير التنفيذي الفريق العلميمن ألف شخص ديفيد ريتز، يتحدث اليوم في مؤتمر صحفي في واشنطن في المؤسسة الوطنية للعلوم.

ولعل موجات الجاذبية هي الظاهرة الأكثر مراوغة في تنبؤات أينشتاين، وقد ناقش العالم هذا الموضوع مع معاصريه لعقود من الزمن. ووفقا لنظريته، يشكل المكان والزمان مادة قابلة للتمدد، والتي تنحني تحت تأثير الأجسام الثقيلة. إن الشعور بالجاذبية يعني الوقوع في منحنيات هذه المادة. لكن هل يمكن لهذا الزمكان أن يرتعش مثل جلد الطبلة؟ كان أينشتاين مرتبكًا، ولم يكن يعرف ماذا تعني معادلاته. وغير وجهة نظره عدة مرات. ولكن حتى أشد المؤيدين لنظريته يعتقدون أن موجات الجاذبية كانت على أية حال أضعف من أن يمكن ملاحظتها. إنها تتدفق إلى الخارج بعد كوارث معينة، وأثناء تحركها، فإنها تقوم بالتناوب بتمديد وضغط الزمكان. ولكن بحلول الوقت الذي تصل فيه هذه الموجات إلى الأرض، فإنها تمتد وتضغط كل كيلومتر من الفضاء حصة ضئيلةقطر النواة الذرية .

© رويترز، مرصد Hangout LIGO في هانفورد، واشنطن

ويتطلب الكشف عن هذه الموجات الصبر والحذر. أطلق مرصد LIGO أشعة الليزر ذهابًا وإيابًا على طول أذرع كاشفين بزاوية يبلغ طولها أربعة كيلومترات (4 كيلومترات)، أحدهما في هانفورد، واشنطن، والآخر في ليفينغستون، لويزيانا. وقد تم ذلك بحثًا عن التوسعات والتقلصات المتزامنة لهذه الأنظمة أثناء مرور موجات الجاذبية. وباستخدام أحدث المثبتات وأدوات التفريغ وآلاف أجهزة الاستشعار، قام العلماء بقياس التغيرات في طول هذه الأنظمة حتى جزء صغير من الألف من حجم البروتون. لم يكن من الممكن تصور مثل هذه الحساسية للأدوات قبل مائة عام. بدا الأمر لا يصدق حتى في عام 1968، عندما ابتكر راينر فايس من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تجربة تسمى LIGO.

"إنها معجزة عظيمة أنهم نجحوا في النهاية. لقد كانوا قادرين على اكتشاف هذه الاهتزازات الصغيرة! وقال دانييل كينيفيك، عالم الفيزياء النظرية بجامعة أركنساس، الذي كتب كتاب "السفر بسرعة الفكر: أينشتاين" عام 2007 و الالبحث عن موجات الجاذبية (السفر بسرعة الفكر. أينشتاين والبحث عن موجات الجاذبية).

كان هذا الاكتشاف بمثابة البداية عهد جديدعلم الفلك موجات الجاذبية. الأمل هو أن يكون لدينا فهم أفضل لتكوين الثقوب السوداء وتكوينها ودورها المجري، وهي تلك الكرات فائقة الكثافة من الكتلة التي تحني الزمكان بشكل كبير لدرجة أنه لا يمكن حتى للضوء الهروب منها. عندما تقترب الثقوب السوداء من بعضها البعض وتندمج، فإنها تنتج إشارة نبضية، وهي تذبذبات في الزمكان تزيد في اتساعها ونبرة صوتها قبل أن تنتهي فجأة. تلك الإشارات التي يمكن للمرصد تسجيلها تقع في النطاق الصوتي، لكنها أضعف من أن تسمعها الأذن المجردة. يمكنك إعادة إنشاء هذا الصوت عن طريق تمرير أصابعك على مفاتيح البيانو. قال فايس: "ابدأ بأدنى نغمة ثم واصل طريقك حتى الأوكتاف الثالث". "هذا ما نسمعه."

لقد تفاجأ الفيزيائيون بالفعل بعدد وقوة الإشارات المسجلة هذه اللحظة. وهذا يعني أن عدد الثقوب السوداء في العالم أكبر مما كان يُعتقد سابقًا. قال عالم الفيزياء الفلكية كيب ثورن، الذي يعمل في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وأنشأ مرصد ليجو مع فايس ورونالد دريفر، من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أيضًا: «كنا محظوظين، لكنني كنت أعتمد دائمًا على هذا النوع من الحظ». "يحدث هذا عادةً عندما تفتح نافذة جديدة تمامًا في الكون."

ومن خلال الاستماع إلى موجات الجاذبية، يمكننا تكوين أفكار مختلفة تمامًا حول الفضاء، وربما اكتشاف ظواهر كونية لا يمكن تصورها.

وقالت عالمة الفيزياء الفلكية جانا ليفين من كلية بارنارد بجامعة كولومبيا: "يمكنني مقارنة ذلك بالمرة الأولى التي وجهنا فيها تلسكوبًا إلى السماء". "أدرك الناس أن هناك شيئًا ما وأنه يمكن رؤيته، لكنهم لم يتمكنوا من التنبؤ بالمجموعة المذهلة من الاحتمالات الموجودة في الكون." وبالمثل، أشار ليفين إلى أن اكتشاف موجات الجاذبية يمكن أن يُظهر أن الكون "ممتلئ". المادة المظلمةوالتي لا يمكننا تحديدها بسهولة باستخدام التلسكوب.

بدأت قصة اكتشاف أول موجة جاذبية في صباح يوم الاثنين من شهر سبتمبر، وبدأت بضجة كبيرة. كانت الإشارة واضحة وصاخبة للغاية لدرجة أن فايس فكر: "لا، هذا هراء، ولن يحدث شيء منه".

شدة العواطف

اجتاحت موجة الجاذبية الأولى كاشفات LIGO المحدثة - أولاً في ليفينغستون وبعد ذلك بسبعة ميلي ثانية في هانفورد - أثناء إجراء محاكاة في وقت مبكر من يوم 14 سبتمبر، قبل يومين من ذلك. البداية الرسميةجمع البيانات.

تم اختبار أجهزة الكشف بعد ترقية استمرت خمس سنوات بتكلفة 200 مليون دولار. لقد تم تجهيزها بتعليقات مرايا جديدة لتقليل الضوضاء ونظام تعليق نشط تعليقلقمع الاهتزازات الدخيلة في الوقت الحقيقي. أعطى التحديث المرصد المحسن المزيد مستوى عالمقارنة بمرصد LIGO القديم، الذي وجد بين عامي 2002 و2010 "صفرًا مطلقًا ونقيًا"، على حد تعبير فايس.

وعندما وصلت الإشارة القوية في سبتمبر/أيلول، بدأ العلماء في أوروبا، حيث كان الصباح في تلك اللحظة، يقصفون على عجل زملائهم الأمريكيين برسائل انتهت. بريد إلكتروني. وعندما استيقظت بقية المجموعة، انتشر الخبر بسرعة كبيرة. وفقًا لوايس، كان الجميع تقريبًا متشككين، خاصة عندما رأوا الإشارة. لقد كان كتابًا كلاسيكيًا حقيقيًا، ولهذا السبب اعتقد بعض الناس أنه مزيف.

تعرض البحث عن موجات الجاذبية للأخطاء مرات عديدة منذ أواخر الستينيات، عندما اعتقد جوزيف ويبر من جامعة ميريلاند أنه اكتشفها. الاهتزازات الرنانةفي اسطوانة من الألومنيوم مزودة بأجهزة استشعار للاستجابة للموجات. في عام 2014، أعلنت تجربة تسمى BICEP2 عن اكتشاف موجات الجاذبية البدائية، وهي تموجات الزمكان الناتجة عن الانفجار الكبير والتي امتدت الآن وأصبحت متجمدة بشكل دائم في هندسة الكون. وأعلن علماء فريق BICEP2 اكتشافهم وسط ضجة كبيرة، ولكن بعد ذلك خضعت نتائجهم للتحقق المستقل، حيث تم اكتشاف خطأهم وأن الإشارة جاءت من الغبار الكوني.

عندما سمع عالم الكونيات في جامعة ولاية أريزونا لورانس كراوس عن اكتشاف فريق LIGO، اعتقد في البداية أنه كان "تخمينًا أعمى". أثناء تشغيل المرصد القديم، تم إدخال إشارات محاكاة خلسة في تدفقات البيانات لاختبار الاستجابة، دون علم معظم أعضاء الفريق بذلك. عندما علم كراوس من مصدر مطلع أن هذه المرة لم تكن "رمية التماس العمياء"، لم يتمكن من احتواء حماسته المبهجة.

وفي 25 سبتمبر، قال لمتابعيه على تويتر البالغ عددهم 200 ألف: “شائعات عن اكتشاف موجات الجاذبية في كاشف LIGO. مذهلة إذا كان صحيحا. سأعطيك التفاصيل إذا لم تكن مزيفة. ويلي ذلك إدخال بتاريخ 11 يناير: "لقد تم تأكيد الشائعات السابقة حول LIGO من قبل مصادر مستقلة. متابعة الأخبار. ربما تم اكتشاف موجات الجاذبية!

كان الموقف الرسمي للعلماء هو: لا تتحدث عن الإشارة المستلمة حتى يكون هناك يقين بنسبة مائة بالمائة. ثورن ، الذي كان مقيدًا يديه وقدميه بهذا الالتزام بالسرية ، لم يقل أي شيء لزوجته. وأضاف: "لقد احتفلت وحدي". في البداية، قرر العلماء العودة إلى البداية وتحليل كل شيء حتى أدق التفاصيل لمعرفة كيفية انتشار الإشارة عبر آلاف قنوات القياس لأجهزة الكشف المختلفة، وفهم ما إذا كان هناك أي شيء غريب في لحظة اكتشاف الإشارة. ولم يجدوا أي شيء غير عادي. كما استبعدوا أيضًا المتسللين، الذين كان لديهم أفضل معرفة بآلاف تدفقات البيانات في التجربة. وقال ثورن: "حتى عندما يقوم الفريق برميات التماس العمياء، فإنهم ليسوا مثاليين بما فيه الكفاية ويتركون الكثير من العلامات". "ولكن لم تكن هناك آثار هنا."

وفي الأسابيع التالية، سمعوا إشارة أخرى أضعف.

قام العلماء بتحليل الإشارتين الأوليين، ووصل المزيد والمزيد من الإشارات الجديدة. وقد قدموا أبحاثهم في مجلة Physical Review Letters في يناير. يتم نشر هذا العدد على الانترنت اليوم. وبحسب تقديراتهم، دلالة إحصائيةالإشارة الأولى والأقوى تتجاوز "5 سيجما"، مما يعني أن الباحثين واثقون من صحتها بنسبة 99.9999%.

الاستماع إلى الجاذبية

المعادلات النسبية العامةإن نظريات أينشتاين معقدة للغاية لدرجة أن معظم الفيزيائيين استغرقوا 40 عامًا للاتفاق عليها: نعم، موجات الجاذبية موجودة، ويمكن اكتشافها - حتى من الناحية النظرية.

في البداية اعتقد أينشتاين أن الأجسام لا يمكنها إطلاق الطاقة في هذا الشكل إشعاع الجاذبية، ولكن بعد ذلك غير وجهة نظره. في عمله التاريخي الذي كتبه عام 1918، أظهر ما هي الأشياء التي يمكنها القيام بذلك: أنظمة على شكل دمبل تدور على محورين في وقت واحد، مثل الثنائيات والمستعرات الأعظمية التي تنفجر مثل الألعاب النارية. يمكنهم توليد موجات في الزمكان.

© رويترز، نشرة نموذج الكمبيوتريوضح طبيعة موجات الجاذبية في النظام الشمسي

لكن آينشتاين وزملائه استمروا في التردد. وذهب بعض الفيزيائيين إلى أنه حتى لو وجدت الموجات، فإن العالم سيهتز معها، وسيكون من المستحيل الإحساس بها. لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1957 عندما وضع ريتشارد فاينمان الأمر جانبًا من خلال إثباته في تجربة فكرية أنه في حالة وجود موجات الجاذبية، فمن الممكن نظريًا اكتشافها. لكن لم يكن أحد يعرف مدى شيوع أنظمة الدمبل هذه الفضاء الخارجيومدى قوة أو ضعف الموجات الناتجة. "في نهاية المطاف كان السؤال: هل سنكون قادرين على اكتشافها؟" قال كينيفيك.

في عام 1968، كان راينر فايس أستاذًا شابًا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وتم تكليفه بتدريس دورة حول النسبية العامة. كونه تجريبيًا، لم يكن يعرف سوى القليل عن ذلك، ولكن فجأة ظهرت أخبار عن اكتشاف ويبر لموجات الجاذبية. قام ويبر ببناء ثلاثة كاشفات رنانة من الألومنيوم بحجم مكتبووضعهم في مختلف الولايات الأمريكية. وقد ذكر الآن أن أجهزة الكشف الثلاثة جميعها اكتشفت "صوت موجات الجاذبية".

طُلب من طلاب فايس شرح طبيعة موجات الجاذبية والتعبير عن رأيهم في الرسالة. وبدراسة التفاصيل، اندهش من مدى تعقيد الحسابات الرياضية. "لم أستطع أن أفهم ما الذي كان يفعله ويبر بحق الجحيم، وكيف تفاعلت أجهزة الاستشعار مع موجة الجاذبية. جلست لفترة طويلة وسألت نفسي: "ما هو الشيء الأكثر بدائية الذي يمكن أن أتوصل إليه والذي يمكنه اكتشاف موجات الجاذبية؟" ثم خطرت في ذهني فكرة أسميها الأساس المفاهيميليغو."

تخيل ثلاثة أجسام في الزمكان، مثل المرايا الموجودة في زوايا المثلث. قال ويبر: "أرسل إشارة ضوئية من واحد إلى الآخر". "انظر كم من الوقت يستغرق الانتقال من كتلة إلى أخرى، وتحقق مما إذا كان الوقت قد تغير." واتضح، كما أشار العالم، أن هذا يمكن القيام به بسرعة. "لقد قمت بتعيين هذا لطلابي كمهمة بحثية. حرفيًا، كانت المجموعة بأكملها قادرة على إجراء هذه الحسابات.

في السنوات اللاحقة، حاول باحثون آخرون تكرار نتائج تجربة كاشف الرنين التي أجراها ويبر لكنهم فشلوا باستمرار (ليس من الواضح ما لاحظه، لكنها لم تكن موجات جاذبية)، بدأ فايس في إعداد تجربة أكثر دقة وطموحًا: تجربة الجاذبية. مقياس التداخل الموجي. ينعكس شعاع الليزر من ثلاث مرايا مثبتة على شكل حرف "L" ويشكل شعاعين. يشير الفاصل الزمني بين قمم وقيعان موجات الضوء بدقة إلى طول أرجل الحرف "L"، التي تشكل محوري X وY للزمكان. عندما يكون المقياس ثابتًا، تنعكس موجتا الضوء من الزوايا وتلغي إحداهما الأخرى. الإشارة في الكاشف صفر. لكن إذا مرت موجة جاذبية عبر الأرض، فإنها تمتد بطول إحدى ذراعي حرف "L" وتضغط على طول الذراع الأخرى (والعكس صحيح بدوره). يؤدي عدم التطابق بين شعاعي الضوء إلى إنشاء إشارة في الكاشف، تشير إلى تقلبات طفيفة في الزمكان.

في البداية، أعرب زملاؤه الفيزيائيون عن شكوكهم، لكن التجربة سرعان ما حظيت بدعم من ثورن، الذي كان فريقه من المنظرين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا يدرس الثقوب السوداء وغيرها من المصادر المحتملة لموجات الجاذبية، بالإضافة إلى الإشارات التي تولدها. استلهم ثورن تجربة ويبر والجهود المماثلة التي بذلها العلماء الروس. وقال ثورن: بعد التحدث مع فايس في مؤتمر عام 1975، "بدأت أعتقد أن اكتشاف موجات الجاذبية سيكون ناجحًا". "وأردت أن يكون معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا جزءًا منه أيضًا." لقد رتب للمعهد لتوظيف عالم تجريبي اسكتلندي رونالد دريفر، الذي قال أيضًا إنه سيبني مقياس تداخل موجات الجاذبية. بمرور الوقت، بدأ ثورن ودرايفر وفايس العمل كفريق واحد، حيث قام كل منهم بحل نصيبه من المشكلات التي لا تعد ولا تحصى استعدادًا للتجربة العملية. أنشأ الثلاثي مرصد LIGO في عام 1984، وعندما تم بناء النماذج الأولية وبدأ التعاون ضمن فريق يتوسع باستمرار، تلقوا من اللجنة الوطنية الأساس العلميتمويل بقيمة 100 مليون دولار. تم وضع المخططات لبناء زوج من أجهزة الكشف العملاقة على شكل حرف L. وبعد عقد من الزمن، بدأت أجهزة الكشف في العمل.

في هانفورد وليفينغستون، يوجد في وسط كل من أذرع الكاشف التي يبلغ طولها أربعة كيلومترات فراغ، بفضله يتم عزل الليزر وشعاعه ومراياه إلى أقصى حد عن الاهتزازات المستمرة للكوكب. ولكي يكونوا أكثر أمانًا، يراقب علماء مرصد LIGO أجهزة الكشف الخاصة بهم أثناء عملها باستخدام آلاف الأدوات، ويقيسون كل ما في وسعهم: نشاط زلزالى, الضغط الجوي، البرق، المظهر الأشعة الكونيةواهتزاز المعدات والأصوات في منطقة شعاع الليزر وما إلى ذلك. ثم يقومون بعد ذلك بتصفية بياناتهم من ضجيج الخلفية الدخيل هذا. ولعل الشيء الرئيسي هو أن لديهم كاشفين، وهذا يسمح لهم بمقارنة البيانات المستلمة، والتحقق من وجود إشارات مطابقة.

سياق

موجات الجاذبية: أكملت ما بدأه أينشتاين في برن

سويس إنفو 13/02/2016

كيف تموت الثقوب السوداء

متوسطة 19/10/2014
يقول ماركو كافاجليا، نائب المتحدث باسم مرصد ليجو: «داخل الفراغ الناتج، حتى مع عزل وثبات أشعة الليزر والمرايا تمامًا، «تحدث أشياء غريبة طوال الوقت». يجب على العلماء أن يتتبعوا هذه "السمكة الذهبية"، "الأشباح"، "الغامضة". وحوش البحر"وغيرها من ظواهر الاهتزازات الدخيلة، ومعرفة مصدرها من أجل القضاء عليها. وقالت إن إحدى الحوادث الصعبة وقعت في مرحلة الاختبار باحث علميعضوة فريق LIGO، جيسيكا ماكيفر، التي تدرس مثل هذه الإشارات والتداخلات الدخيلة. غالبًا ما ظهرت سلسلة من الضوضاء الدورية أحادية التردد بين البيانات. وقالت ماكيفر إنه عندما قامت هي وزملاؤها بتحويل الاهتزازات الصادرة عن المرايا إلى ملفات صوتية، "كان من الممكن سماع رنين الهاتف بوضوح". "اتضح أن معلني الاتصالات هم من يقومون بإجراء مكالمات هاتفية داخل غرفة الليزر."

على مدى العامين المقبلين، سيستمر العلماء في تحسين حساسية كاشفات مرصد موجات الجاذبية بمقياس التداخل الليزري المحدث من LIGO. وفي إيطاليا، سيبدأ تشغيل مقياس تداخل ثالث يسمى Advanced Virgo. إحدى الإجابات التي ستساعد البيانات في تقديمها هي كيفية تشكل الثقوب السوداء. هل هم نتاج انهيار الأبكر نجوم ضخمةأم أنها تظهر نتيجة الاصطدامات داخل مجموعات النجوم الكثيفة؟ يقول فايس: "هذان مجرد تخمينين، وأعتقد أنه سيكون هناك المزيد عندما يهدأ الجميع". عندما خلال العمل القادمسيبدأ مرصد LIGO في تجميع بيانات إحصائية جديدة، وسيبدأ العلماء في الاستماع إلى القصص حول أصل الثقوب السوداء التي سيهمسها لهم الكون.

انطلاقًا من شكلها وحجمها، نشأت أول نبضة أعلى صوتًا على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية، حيث اندمج ثقبان أسودان، تبلغ كتلة كل منهما حوالي 30 مرة كتلة الشمس، أخيرًا تحت تأثير الجاذبية المتبادلة، بعد أبدية من الرقص البطيء. جاذبية. كانت الثقوب السوداء تدور بشكل أسرع وأسرع، مثل الدوامة، وتقترب تدريجياً. ثم حدث الاندماج، وفي غمضة عين أطلقوا موجات جاذبية ذات طاقة مماثلة لطاقة ثلاث شموس. كان هذا الاندماج أقوى ظاهرة حيوية تم تسجيلها على الإطلاق.

قال ثورن: "يبدو الأمر كما لو أننا لم نر المحيط من قبل أثناء العاصفة". لقد كان ينتظر هذه العاصفة في الزمكان منذ الستينيات. ويقول إن الشعور الذي شعر به ثورن عندما ضربت تلك الأمواج لم يكن مجرد إثارة. لقد كان شيئًا آخر: شعور بالرضا العميق.

تحتوي مواد InoSMI على تقييمات حصرية من وسائل الإعلام الأجنبية ولا تعكس موقف هيئة التحرير في InoSMI.

بعد مرور مائة عام على التنبؤ النظري الذي قدمه ألبرت أينشتاين في إطار النظرية النسبية العامة، تمكن العلماء من تأكيد وجود موجات الجاذبية. يبدأ عصر طريقة جديدة تمامًا لدراسة الفضاء السحيق - علم فلك موجات الجاذبية.

هناك اكتشافات مختلفة. هناك أشياء عشوائية، وهي شائعة في علم الفلك. لا توجد أحداث عرضية تمامًا، تم إجراؤها نتيجة "تمشيط المنطقة" بعناية، مثل اكتشاف أورانوس بواسطة ويليام هيرشل. هناك صدفة - عندما كانوا يبحثون عن شيء واحد ووجدوا آخر: على سبيل المثال، اكتشفوا أمريكا. لكن مكان خاصفي العلوم، تحتل الاكتشافات المخططة الصدارة. وهي تستند إلى تنبؤ نظري واضح. ما هو متوقع يتم البحث عنه في المقام الأول من أجل تأكيد النظرية. وتشمل هذه الاكتشافات اكتشاف بوزون هيغز في مصادم الهادرونات الكبير والكشف عن موجات الجاذبية باستخدام مقياس التداخل الليزري لمرصد موجات الجاذبية LIGO. ولكن من أجل تسجيل بعض الظواهر التي تنبأت بها النظرية، يجب أن يكون لديك فهم جيد جدًا لما يجب أن تبحث عنه بالضبط وأين تبحث عنه، بالإضافة إلى الأدوات اللازمة لذلك.

يُطلق على موجات الجاذبية تقليديًا اسم التنبؤ بالنظرية النسبية العامة (GTR) ، وهذا صحيح بالفعل (على الرغم من وجود مثل هذه الموجات الآن في جميع النماذج البديلة لـ GTR أو المكملة لها). يحدث ظهور الموجات بسبب السرعة المحدودة للانتشار تفاعل الجاذبية(في النسبية العامة هذه السرعة تساوي بالضبط سرعة الضوء). مثل هذه الموجات هي اضطرابات في الزمكان تنتشر من مصدر ما. لكي تحدث موجات الجاذبية، يجب أن ينبض المصدر أو يتحرك بمعدل متسارع، ولكن بطريقة معينة. لنفترض أن الحركات ذات التماثل الكروي أو الأسطواني المثالي ليست مناسبة. هناك الكثير من هذه المصادر، ولكن في كثير من الأحيان لديهم كتلة صغيرة، غير كافية لتوليد إشارة قوية. ففي نهاية المطاف، الجاذبية هي الأضعف بين الأربعة التفاعلات الأساسيةلذلك من الصعب جدًا تسجيل إشارة الجاذبية. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري للتسجيل أن تتغير الإشارة بسرعة بمرور الوقت، أي أن يكون لها تردد عالٍ بما فيه الكفاية. وإلا فلن نتمكن من تسجيله، لأن التغييرات ستكون بطيئة للغاية. وهذا يعني أن الأشياء يجب أن تكون مضغوطة أيضًا.

في البداية، تولد حماس كبير بسبب انفجارات المستعرات الأعظم التي تحدث في مجرات مثل مجرتنا كل بضعة عقود. وهذا يعني أنه إذا تمكنا من تحقيق حساسية تسمح لنا برؤية إشارة من مسافة عدة ملايين من السنين الضوئية، فيمكننا الاعتماد على عدة إشارات في السنة. لكن اتضح لاحقًا أن التقديرات الأولية لقوة إطلاق الطاقة على شكل موجات جاذبية أثناء انفجار سوبر نوفا كانت متفائلة للغاية، ولا يمكن اكتشاف مثل هذه الإشارة الضعيفة إلا في حالة اندلاع سوبر نوفا في مجرتنا.

خيار ضخم آخر كائنات مدمجةتتحرك بسرعة هي النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء. يمكننا أن نرى إما عملية تكوينها، أو عملية التفاعل مع بعضها البعض. المراحل الأخيرة من انهيار النوى النجمية، مما يؤدي إلى تكوين الأجسام المدمجة، وكذلك المراحل الأخيرة من اندماج النجوم النيوترونية والثقوب السوداء، لها مدة تصل إلى عدة ميلي ثانية (وهو ما يتوافق مع تردد مئات هيرتز) - فقط ما هو مطلوب. في هذه الحالة، يتم إطلاق الكثير من الطاقة، بما في ذلك (وأحيانًا بشكل أساسي) في شكل موجات جاذبية، نظرًا لأن الأجسام المدمجة الضخمة تقوم بحركات سريعة معينة. هذه هي مصادرنا المثالية.

صحيح أن المستعرات الأعظم تندلع في المجرة مرة كل بضعة عقود، وتحدث اندماجات النجوم النيوترونية مرة كل بضعة عشرات الآلاف من السنين، وتندمج الثقوب السوداء مع بعضها البعض بشكل أقل. لكن الإشارة أقوى بكثير، ويمكن حساب خصائصها بدقة تامة. لكننا الآن بحاجة إلى أن نكون قادرين على رؤية الإشارة من مسافة عدة مئات من ملايين السنين الضوئية لتغطية عدة عشرات الآلاف من المجرات واكتشاف عدة إشارات في العام.

وبعد تحديد المصادر، سنبدأ في تصميم الكاشف. للقيام بذلك، عليك أن تفهم ما تفعله موجة الجاذبية. وبدون الخوض في التفاصيل، يمكننا القول أن مرور موجة الجاذبية يسبب قوة المد والجزر (المد والجزر القمري أو الشمسي العادي ظاهرة منفصلة، ​​وموجات الجاذبية لا علاقة لها بها). لذا يمكنك أن تأخذ، على سبيل المثال، أسطوانة معدنية، وتزودها بأجهزة استشعار وتدرس اهتزازاتها. هذا ليس بالأمر الصعب، ولهذا السبب بدأ تصنيع مثل هذه التركيبات منذ نصف قرن (وهي متوفرة أيضًا في روسيا؛ والآن يتم تركيب كاشف محسّن طوره فريق فالنتين رودنكو من SAI MSU في مختبر باكسان تحت الأرض). المشكلة هي أن مثل هذا الجهاز سوف يرى الإشارة دون أي موجات جاذبية. هناك الكثير من الضوضاء التي يصعب التعامل معها. من الممكن (وقد تم ذلك!) تركيب الكاشف تحت الأرض، ومحاولة عزله، وتبريده درجات الحرارة المنخفضةولكن من أجل تجاوز مستوى الضوضاء، ستكون هناك حاجة إلى إشارة موجة جاذبية قوية جدًا. لكن الإشارات القوية نادراً ما تأتي.

لذلك، تم الاختيار لصالح مخطط آخر، تم طرحه في عام 1962 من قبل فلاديسلاف بوستوفويت وميخائيل هيرزينستين. في مقال نشر في JETP (مجلة الفيزياء التجريبية والنظرية)، اقترحوا استخدام مقياس تداخل ميكلسون للكشف عن موجات الجاذبية. يمر شعاع الليزر بين المرايا في ذراعي مقياس التداخل، ثم تضاف الأشعة من الأذرع المختلفة. ومن خلال تحليل نتيجة تداخل الشعاع، يمكن قياس التغير النسبي في أطوال الذراع. هذه قياسات دقيقة جدًا، لذا إذا تغلبت على الضوضاء، يمكنك تحقيق حساسية رائعة.

وفي أوائل التسعينيات، تقرر بناء العديد من أجهزة الكشف باستخدام هذا التصميم. كانت أولى المنشآت التي دخلت حيز التشغيل هي منشآت صغيرة نسبيًا، GEO600 في أوروبا وTAMA300 في اليابان (الأرقام تتوافق مع طول الأذرع بالأمتار) لاختبار التكنولوجيا. لكن اللاعبين الرئيسيين كان من المقرر أن يكونوا منشآت LIGO في الولايات المتحدة الأمريكية وVIRGO في أوروبا. يتم قياس حجم هذه الأجهزة بالفعل بالكيلومترات، ومن المفترض أن تسمح الحساسية النهائية المخطط لها برؤية العشرات، إن لم يكن المئات من الأحداث سنويًا.

لماذا هناك حاجة لأجهزة متعددة؟ في المقام الأول للتحقق من الصحة، نظرًا لوجود ضوضاء محلية (مثل الزلازل). سيكون التسجيل المتزامن للإشارة في شمال غرب الولايات المتحدة وإيطاليا دليلاً ممتازًا على ذلك أصل خارجي. لكن هناك سببًا ثانيًا: أجهزة كشف موجات الجاذبية ضعيفة جدًا في تحديد الاتجاه إلى المصدر. ولكن إذا كان هناك العديد من أجهزة الكشف متباعدة، فسيكون من الممكن الإشارة إلى الاتجاه بدقة تامة.

عمالقة الليزر

تم بناء كاشفات LIGO في شكلها الأصلي في عام 2002، وكاشفات VIRGO في عام 2003. وفقا للخطة، كانت هذه هي المرحلة الأولى فقط. عملت جميع التركيبات لعدة سنوات، وفي الفترة 2010-2011 تم إيقافها لإجراء تعديلات، من أجل الوصول بعد ذلك إلى الحساسية العالية المخطط لها. كانت كاشفات LIGO أول من تم تشغيله في سبتمبر 2015، ومن المفترض أن ينضم VIRGO في النصف الثاني من عام 2016، ومن هذه المرحلة تتيح لنا الحساسية أن نأمل في تسجيل عدة أحداث على الأقل سنويًا.

بعد أن بدأ مرصد LIGO في العمل، كان المعدل المتوقع للانفجارات يبلغ حوالي حدث واحد شهريًا. قدر علماء الفيزياء الفلكية مسبقًا أن الأحداث الأولى المتوقعة ستكون اندماجات الثقوب السوداء. ويرجع ذلك إلى أن الثقوب السوداء عادة ما تكون أثقل بعشر مرات من النجوم النيوترونية، والإشارة أقوى، وهي "مرئية" من مسافات كبيرة، وهو ما يعوض المعدل الأقل للأحداث لكل مجرة. ولحسن الحظ، لم يكن علينا الانتظار طويلا. في 14 سبتمبر 2015، سجلت كلا التثبيتين إشارة متطابقة تقريبًا، تسمى GW150914.

بمساعدة جميلة تحليل بسيطيمكن الحصول على بيانات مثل كتل الثقب الأسود، وقوة الإشارة، والمسافة إلى المصدر. ترتبط كتلة وحجم الثقوب السوداء بكل بساطة وبشكل جيد بطريقة معروفةومن تردد الإشارة يمكن تقدير حجم منطقة إطلاق الطاقة على الفور. في في هذه الحالةويشير الحجم إلى أن ثقبًا أسود كتلته أكثر من 60 كتلة شمسية قد تشكل من ثقبين كتلتهما 25-30 و35-40 كتلة شمسية. معرفة هذه البيانات، يمكنك الحصول عليها الطاقة الكاملةدفقة. تم تحويل ما يقرب من ثلاث كتل شمسية إلى إشعاع الجاذبية. وهذا يتوافق مع لمعان 1023 سطوعًا شمسيًا - تقريبًا نفس الكمية التي تنبعث منها جميع النجوم في الجزء المرئي من الكون خلال هذا الوقت (جزء من مائة من الثانية). ومن الطاقة المعلومة وحجم الإشارة المقاسة يتم الحصول على المسافة. أتاحت الكتلة الكبيرة للأجسام المندمجة تسجيل حدث وقع في مجرة ​​بعيدة: استغرقت الإشارة حوالي 1.3 مليار سنة للوصول إلينا.

أكثر تحليل تفصيلييسمح لنا بتوضيح نسبة كتلة الثقوب السوداء وفهم كيفية دورانها حول محورها، وكذلك تحديد بعض المعلمات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، تتيح الإشارة الصادرة من منشأتين إمكانية تحديد اتجاه الانفجار تقريبًا. لسوء الحظ، فإن الدقة هنا ليست عالية جدًا بعد، ولكن مع تشغيل VIRGO المحدث، ستزداد. وفي غضون سنوات قليلة، سيبدأ كاشف KAGRA الياباني في استقبال الإشارات. بعد ذلك، سيتم تجميع أحد أجهزة كشف LIGO (كان هناك ثلاثة في الأصل، وكانت إحدى التركيبات مزدوجة) في الهند، ومن المتوقع أن يتم تسجيل عشرات الأحداث سنويًا.

عصر علم الفلك الجديد

في الوقت الحالي أكثر نتيجة مهمةيعد عمل مرصد LIGO تأكيدًا لوجود موجات الجاذبية. بالإضافة إلى ذلك، أتاح الانفجار الأول تحسين القيود المفروضة على كتلة الجرافيتون (في النسبية العامة كتلته صفر)، وكذلك الحد بقوة أكبر من الفرق بين سرعة انتشار الجاذبية وسرعة الجاذبية. ضوء. لكن العلماء يأملون أن يتمكنوا بالفعل في عام 2016 من الحصول على الكثير من البيانات الفيزيائية الفلكية الجديدة باستخدام LIGO وVIRGO.

أولاً، توفر البيانات الواردة من مراصد موجات الجاذبية وسيلة جديدة لدراسة الثقوب السوداء. إذا كان من الممكن في السابق فقط مراقبة تدفقات المادة في محيط هذه الأجسام، فيمكنك الآن "رؤية" مباشرة عملية دمج و"تهدئة" الثقب الأسود الناتج، وكيف يتقلب أفقه، ويأخذ شكله النهائي ( تحدد بالتناوب). ربما، حتى اكتشاف هوكينج تبخر الثقوب السوداء (في الوقت الحالي تظل هذه العملية فرضية)، فإن دراسة عمليات الاندماج ستوفر معلومات مباشرة أفضل عنها.

ثانيًا، ستسفر عمليات رصد اندماج النجوم النيوترونية عن الكثير من الأشياء الجديدة للغاية معلومات ضروريةحول هذه الكائنات. ولأول مرة، سنكون قادرين على دراسة النجوم النيوترونية بنفس الطريقة التي يدرس بها الفيزيائيون الجسيمات: مشاهدتها وهي تتصادم لفهم كيفية عملها في الداخل. إن سر البنية الداخلية للنجوم النيوترونية يثير قلق علماء الفيزياء الفلكية والفيزيائيين. فهمنا فيزياء نوويةوسلوك المادة عند الكثافة العالية للغاية لن يكتمل دون حل هذه المشكلة. من المحتمل أن تلعب عمليات رصد موجات الجاذبية دورًا رئيسيًا هنا.

ويعتقد أن اندماج النجوم النيوترونية هو المسؤول عن انفجارات أشعة غاما الكونية القصيرة. في حالات نادرة، سيكون من الممكن ملاحظة حدث ما في وقت واحد في نطاق جاما وعلى أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية (ترجع الندرة إلى حقيقة أن إشارة جاما تتركز في شعاع ضيق للغاية، وهي ليست كذلك) موجهة إلينا دائمًا، لكن ثانيًا، لن نسجل موجات الجاذبية من أحداث بعيدة جدًا). على ما يبدو، سوف يستغرق الأمر عدة سنوات من الملاحظة لتتمكن من رؤية ذلك (على الرغم من أنك، كالعادة، قد تكون محظوظًا وسيحدث ذلك اليوم). بعد ذلك، من بين أمور أخرى، سنكون قادرين على مقارنة سرعة الجاذبية بدقة مع سرعة الضوء.

وبالتالي، ستعمل مقاييس التداخل الليزرية معًا كتلسكوب واحد لموجة الجاذبية، مما يوفر معرفة جديدة لكل من علماء الفيزياء الفلكية والفيزيائيين. حسنًا، لاكتشاف الانفجارات الأولى وتحليلها، سيتم منح جائزة مستحقة عاجلاً أم آجلاً جائزة نوبل.

2197

اليوم الرسمي لاكتشاف (اكتشاف) موجات الجاذبية هو 11 فبراير 2016. وفي ذلك الوقت، وفي مؤتمر صحفي عقد في واشنطن، أعلن قادة تعاون LIGO أن فريقًا من الباحثين تمكن من تسجيل هذه الظاهرة لأول مرة في تاريخ البشرية.

نبوءات أينشتاين العظيم

وقد اقترح ألبرت أينشتاين وجود موجات الجاذبية في بداية القرن الماضي (1916) في إطار نظريته النسبية العامة (GTR). لا يسع المرء إلا أن يتعجب من القدرات الرائعة للفيزيائي الشهير، الذي تمكن، باستخدام الحد الأدنى من البيانات الحقيقية، من استخلاص مثل هذه الاستنتاجات بعيدة المدى. ومن بين العديد من الظواهر الفيزيائية الأخرى المتوقعة والتي تم تأكيدها في القرن التالي (تباطؤ تدفق الزمن، تغيير اتجاه الإشعاع الكهرومغناطيسي في مجالات الجاذبيةإلخ) حتى وقت قريب لم يكن من الممكن عمليا الكشف عن وجود هذا النوع من التفاعل الموجي بين الأجسام.

هل الجاذبية وهم؟

بشكل عام، في ضوء النظرية النسبية، يصعب تسمية الجاذبية بالقوة. اضطرابات أو انحناءات في استمرارية الزمان والمكان. مثال جيديمكن أن تكون قطعة القماش المشدودة بمثابة توضيح لهذه الفرضية. تحت وطأة جسم ضخم يوضع على مثل هذا السطح، يتشكل الاكتئاب. الأجسام الأخرى، عندما تتحرك بالقرب من هذا الشذوذ، ستغير مسار حركتها، كما لو كانت "منجذبة". وكلما زاد وزن الجسم (كلما زاد قطر وعمق الانحناء)، زادت "قوة الجذب". أثناء تحركه عبر القماش، يمكن ملاحظة ظهور "تموجات" متباينة.

ويحدث شيء مماثل في الفضاء الخارجي. أي مادة ضخمة تتحرك بسرعة هي مصدر للتقلبات في كثافة المكان والزمان. تتشكل موجة الجاذبية ذات السعة الكبيرة بواسطة أجسام ذات كتل كبيرة للغاية أو عندما تتحرك بتسارعات هائلة.

الخصائص البدنية

تظهر التقلبات في مقياس الزمكان على أنها تغيرات في مجال الجاذبية. وتسمى هذه الظاهرة تموجات الزمكان. تؤثر موجة الجاذبية على الأجسام والأشياء التي تصادفها، فتضغطها وتمددها. حجم التشوه ضئيل للغاية - حوالي 10 -21 من الحجم الأصلي. تكمن الصعوبة الكاملة في اكتشاف هذه الظاهرة في حاجة الباحثين إلى تعلم كيفية قياس وتسجيل مثل هذه التغييرات باستخدام المعدات المناسبة. كما أن قوة إشعاع الجاذبية صغيرة جدًا - فهي تصل إلى عدة كيلووات بالنسبة للنظام الشمسي بأكمله.

تعتمد سرعة انتشار موجات الجاذبية قليلاً على خصائص الوسط الموصل. يتناقص سعة الاهتزازات تدريجيًا مع المسافة من المصدر، ولكنها لا تصل أبدًا إلى الصفر. يتراوح التردد من عدة عشرات إلى مئات الهرتز. وسرعة موجات الجاذبية في الوسط البينجمي تقترب من سرعة الضوء.

أدلة ظرفية

تم الحصول على أول تأكيد نظري لوجود موجات الجاذبية من قبل عالم الفلك الأمريكي جوزيف تايلور ومساعده راسل هولس في عام 1974. من خلال دراسة اتساع الكون باستخدام التلسكوب الراديوي لمرصد أريسيبو (بورتوريكو)، اكتشف الباحثون النجم النابض PSR B1913+16، وهو نظام مزدوجالنجوم النيوترونية التي تدور المركز العامكتلة مع ثابت السرعة الزاوية(كافٍ حالة نادرة). في كل عام، يتم تقليل فترة التوزيع، التي كانت في الأصل 3.75 ساعة، بمقدار 70 مللي ثانية. تتوافق هذه القيمة تمامًا مع استنتاجات معادلات النسبية العامة، التي تتنبأ بزيادة في سرعة دوران هذه الأنظمة بسبب إنفاق الطاقة على توليد موجات الجاذبية. وفي وقت لاحق، تم اكتشاف العديد من النجوم النابضة المزدوجة والأقزام البيضاء ذات السلوك المماثل. حصل عالما الفلك الراديوي د. تايلور و ر. هولس على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1993 لاكتشافهما إمكانيات جديدة لدراسة مجالات الجاذبية.

الهروب من موجة الجاذبية

أول إعلان عن اكتشاف موجات الجاذبية جاء من العالم جوزيف ويبر (الولايات المتحدة الأمريكية) من جامعة ميريلاند عام 1969. ولهذه الأغراض، استخدم هوائيين للجاذبية من تصميمه الخاص، تفصل بينهما مسافة كيلومترين. كان كاشف الرنين عبارة عن أسطوانة ألومنيوم صلبة معزولة جيدًا بالاهتزاز يبلغ طولها مترين ومجهزة بأجهزة استشعار كهرضغطية حساسة. تبين أن سعة التذبذبات التي يُزعم أن ويبر سجلها كانت أعلى بمليون مرة من القيمة المتوقعة. محاولات علماء آخرين لتكرار "النجاح" باستخدام معدات مماثلة عالم فيزياء أمريكي نتائج إيجابيةلم أحضره. وبعد بضع سنوات، تم الاعتراف بعمل ويبر في هذا المجال على أنه لا يمكن الدفاع عنه، لكنه أعطى زخما لتطوير "طفرة الجاذبية"، التي جذبت العديد من المتخصصين إلى هذا المجال من البحث. بالمناسبة، كان جوزيف ويبر نفسه متأكدًا حتى نهاية أيامه من أنه تلقى موجات الجاذبية.

تحسين معدات الاستقبال

في السبعينيات، طور العالم بيل فيربانك (الولايات المتحدة الأمريكية) تصميم هوائي موجة الجاذبية، يتم تبريده باستخدام SQUIDS - مقاييس مغناطيسية فائقة الحساسية. لم تسمح التقنيات الموجودة في ذلك الوقت للمخترع برؤية منتجه يتحقق في "المعدن".

صنع وفقا لهذا المبدأ كاشف الجاذبيةالأعنة في مختبر ليجنارا الوطني (بادوفا، إيطاليا). يعتمد التصميم على أسطوانة من الألومنيوم والمغنيسيوم يبلغ طولها 3 أمتار وقطرها 0.6 متر، ويتم تعليق جهاز الاستقبال الذي يزن 2.3 طن في غرفة مفرغة معزولة يتم تبريدها إلى الصفر المطلق تقريبًا. لتسجيل واكتشاف الصدمات، يتم استخدام مرنان كيلوغرام مساعد ومجمع قياس قائم على الكمبيوتر. حساسية الجهاز المعلنة هي 10 -20.

مقاييس التداخل

يعتمد تشغيل أجهزة كشف تداخل موجات الجاذبية على نفس المبادئ التي يعمل عليها مقياس تداخل ميشيلسون. ينقسم شعاع الليزر المنبعث من المصدر إلى تيارين. بعد انعكاسات وانتقالات متعددة على طول أذرع الجهاز، يتم تجميع التدفقات معًا مرة أخرى، وبناءً على الانعكاس النهائي، يتم الحكم على ما إذا كانت أي اضطرابات (على سبيل المثال، موجة الجاذبية) قد أثرت على مسار الأشعة. تم إنشاء معدات مماثلة في العديد من البلدان:

• جيو 600 (هانوفر، ألمانيا). ويبلغ طول الأنفاق المفرغة 600 متر.
• تاما (اليابان) بأكتاف 300 م.
• VIRGO (بيزا، إيطاليا) هو مشروع فرنسي إيطالي مشترك تم إطلاقه في عام 2007 بثلاثة كيلومترات من الأنفاق.
• مرصد LIGO (الولايات المتحدة الأمريكية، ساحل المحيط الهادئ)، الذي يبحث عن موجات الجاذبية منذ عام 2002.

هذا الأخير يستحق النظر بمزيد من التفصيل.

ليجو المتقدم

تم إنشاء المشروع بمبادرة من علماء من ولاية ماساتشوستس وكاليفورنيا المعاهد التكنولوجية. ويضم مرصدين تفصل بينهما مسافة 3 آلاف كيلومتر في وواشنطن (مدينتي ليفينغستون وهانفورد) مع ثلاثة مقاييس تداخل متطابقة. ويبلغ طول الأنفاق الفراغية المتعامدة 4 آلاف متر. هذه هي أكبر هذه الهياكل العاملة حاليًا. حتى عام 2011، لم تسفر المحاولات العديدة للكشف عن موجات الجاذبية عن أي نتائج. أدى التحديث الكبير الذي تم إجراؤه (Advanced LIGO) إلى زيادة حساسية المعدات في نطاق 300-500 هرتز بأكثر من خمس مرات، وفي منطقة التردد المنخفض (حتى 60 هرتز) تقريبًا من حيث الحجم، حيث وصل القيمة المرغوبة من 10 -21. بدأ المشروع المحدث في سبتمبر 2015، وتمت مكافأة جهود أكثر من ألف موظف متعاون بالنتائج التي تم الحصول عليها.

تم الكشف عن موجات الجاذبية

في 14 سبتمبر 2015، سجلت كاشفات LIGO المتقدمة، بفاصل زمني قدره 7 مللي ثانية، موجات جاذبية تصل إلى كوكبنا من أكبر حدث وقع على مشارف الكون المرئي، وهو اندماج ثقبين أسودين كبيرين كتلتهما 29 و36 مرة. أكبر من كتلة الشمس. خلال هذه العملية، التي حدثت منذ أكثر من 1.3 مليار سنة، تم استهلاك حوالي ثلاث كتل شمسية من المادة في أجزاء من الثانية عن طريق انبعاث موجات الجاذبية. كان التردد الأولي المسجل لموجات الجاذبية 35 هرتز، والحد الأقصى قيمة الذروةوصلت إلى 250 هرتز.

وقد خضعت النتائج التي تم الحصول عليها مرارا وتكرارا للتحقق الشامل والمعالجة، وتم حذف التفسيرات البديلة للبيانات التي تم الحصول عليها بعناية. وأخيراً، أُعلن في العام الماضي أمام المجتمع الدولي عن التسجيل المباشر للظاهرة التي تنبأ بها أينشتاين.

حقيقة توضح العمل العملاق للباحثين: كان سعة التقلبات في حجم أذرع مقياس التداخل 10 -19 م - وهذه القيمة أصغر بنفس عدد المرات من قطر الذرة، حيث أن الذرة نفسها أصغر من قطر الذرة. البرتقالي.

افاق المستقبل

وهذا الاكتشاف يؤكد ذلك مرة أخرى النظرية العامةالنسبية ليست مجرد مجموعة من الصيغ المجردة، ولكنها في الأساس نظرة جديدةعلى جوهر موجات الجاذبية والجاذبية بشكل عام.

في مزيد من البحوثيعلق العلماء آمالًا كبيرة على مشروع ELSA: إنشاء مقياس تداخل مداري عملاق بأذرع يبلغ طولها حوالي 5 ملايين كيلومتر، قادر على اكتشاف حتى الاضطرابات البسيطة في مجالات الجاذبية. يمكن لتنشيط العمل في هذا الاتجاه أن يخبرنا بالكثير من الأشياء الجديدة عن المراحل الرئيسية لتطور الكون، وعن العمليات التي يصعب أو يستحيل ملاحظتها في النطاقات التقليدية. لا شك أن الثقوب السوداء، التي سيتم اكتشاف موجات جاذبيتها في المستقبل، ستخبرنا الكثير عن طبيعتها.

لدراسة بقايا إشعاع الجاذبية، والتي يمكن أن تحكي عن اللحظات الأولى لعالمنا بعد ذلك الانفجار العظيموستكون هناك حاجة إلى أدوات فضائية أكثر حساسية. يوجد مثل هذا المشروع ( مراقب الانفجار الكبير) ، ولكن تنفيذه، وفقا للخبراء، ممكن في موعد لا يتجاوز 30-40 سنة.