В четвъртък, 11 февруари, група учени от международния проект LIGO Scientific Collaboration обявиха, че са успели, чието съществуване е предсказано от Алберт Айнщайн още през 1916 г. Според изследователите на 14 септември 2015 г. те са регистрирали гравитационна вълна, която е причинена от сблъсъка на две черни дупки с маси 29 и 36 пъти повече масаСлънцето, след което те се сляха в една голяма черна дупка. Според тях това се е случило преди 1,3 милиарда години на разстояние 410 мегапарсека от нашата галактика.

LIGA.net разказа подробно за гравитационните вълни и мащабното откритие Богдан Хнатик, украински учен, астрофизик, доктор на физико-математическите науки, водещ изследователКиевска астрономическа обсерватория национален университетна името на Тарас Шевченко, който ръководи обсерваторията от 2001 до 2004 г.

Теория на прост език

Физиката изучава взаимодействието между телата. Установено е, че има четири вида взаимодействие между телата: електромагнитно, силно и слабо ядрено взаимодействие и гравитационно взаимодействие, което всички усещаме. Поради гравитационното взаимодействие планетите се въртят около Слънцето, телата имат тежест и падат на земята. Хората постоянно се сблъскват с гравитационно взаимодействие.

През 1916 г., преди 100 години, Алберт Айнщайн изгражда теория на гравитацията, която подобрява теорията на гравитацията на Нютон, прави я математически правилна: започва да отговаря на всички изисквания на физиката, започва да отчита факта, че гравитацията се разпространява с много големи, но терминална скорост. Това с право е едно от най-големите постижения на Айнщайн, тъй като той изгради теория за гравитацията, която съответства на всички феномени на физиката, които наблюдаваме днес.

Тази теория също предполага съществуването гравитационни вълни. Основата на тази прогноза беше това гравитационни вълнисъществуват в резултат на гравитационно взаимодействие, което възниква поради сливането на две масивни тела.

Какво е гравитационна вълна

Труден езиктова е възбуждане на метриката пространство-време. „Да кажем, пространството има известна еластичност и вълните могат да преминават през него, подобно на това, когато хвърлим камъче във вода и вълните се разпръскват от него“, каза докторът на физико-математическите науки пред LIGA.net.

Учените успяха експериментално да докажат, че такова трептене е имало във Вселената и гравитационна вълна се разпространява във всички посоки. „За първи път феноменът на такава катастрофална еволюция беше записан с астрофизични средства. двойна система„когато два обекта се сливат в едно и това сливане води до много интензивно освобождаване на гравитационна енергия, която след това се разпространява в пространството под формата на гравитационни вълни“, обясни ученият.

Как изглежда (снимка - EPA)

Тези гравитационни вълни са много слаби и за да разтърсят пространство-времето, е необходимо взаимодействието на много големи и масивни тела, така че напрежението гравитационно полебеше голям в точката на генериране. Но, въпреки тяхната слабост, наблюдателят чрез определено време (равно на разстояниекъм взаимодействието, разделено на скоростта на сигнала) ще регистрира тази гравитационна вълна.

Да дадем пример: ако Земята падне върху Слънцето, тогава ще възникне гравитационно взаимодействие: ще се освободи гравитационна енергия, ще се образува гравитационна сферично-симетрична вълна и наблюдателят ще може да я регистрира. „Тук се случи подобно, но уникално от гледна точка на астрофизиката явление: две масивни тела се сблъскаха - две черни дупки“, отбеляза Гнатик.

Да се ​​върнем на теорията

Черната дупка е друго предсказание на общата теория на относителността на Айнщайн, което предвижда, че тяло, което има огромна маса, но тази маса е концентрирана в малък обем, е способно значително да изкриви пространството около себе си, чак до неговото затваряне. Тоест, предполагаше се, че когато се достигне критична концентрация на масата на това тяло - такава, че размерът на тялото ще бъде по-малък от така наречения гравитационен радиус, тогава пространството около това тяло ще бъде затворено и неговата топология ще бъде такова, че няма сигнал от него отвъд затворено пространствоняма да може да се разпространи.

„Тоест черна дупка, с прости думи, е масивен обект, който е толкова тежък, че затваря пространство-времето около себе си“, казва ученият.

И ние, според него, можем да изпращаме всякакви сигнали към този обект, но той не може да ни ги изпраща. Тоест никакви сигнали не могат да преминат извън черната дупка.

Черната дупка живее според обикновените физични закони, но в резултат силна гравитация, нито един материално тяло, дори фотон, не е в състояние да надхвърли тази критична повърхност. Черните дупки се образуват по време на еволюцията на обикновените звезди, когато централното ядро ​​се разпада и част от материята на звездата, колабирайки, се превръща в черна дупка, а другата част от звездата се изхвърля под формата на обвивка на свръхнова, превръщайки се в така нареченото „избухване“ на свръхнова.

Как видяхме гравитационната вълна

Нека дадем пример. Когато имаме две плувки на повърхността на водата и водата е спокойна, разстоянието между тях е постоянно. Когато пристигне вълна, тя измества тези поплавъци и разстоянието между поплавъците ще се промени. Вълната е преминала - и поплавъците се връщат в предишните си позиции и разстоянието между тях се възстановява.

Гравитационната вълна се разпространява в пространството-времето по подобен начин: тя компресира и разтяга тела и обекти, които се срещат по нейния път. „Когато даден обект се срещне по пътя на вълна, той се деформира по своите оси и след преминаването си се връща в предишната си форма Под въздействието на гравитационната вълна всички тела се деформират, но тези деформации са много незначителен“, казва Гнатик.

Когато вълната, която записаха учените премина, тогава относителен размертела в пространството, променени с количество от порядъка на 1 по 10 на минус 21-ва степен. Например, ако вземете линийка с метър, тогава тя се е свила с количество, което е нейният размер, умножен по 10 на минус 21-ва степен. Това е много малка сума. И проблемът беше, че учените трябваше да се научат как да измерват това разстояние. Конвенционалните методи дадоха точност от порядъка на 1 към 10 на 9-та степен на милиони, но тук е необходимо много повече висока точност. За тази цел са създадени така наречените гравитационни антени (детектори на гравитационни вълни).

Обсерватория LIGO (снимка - EPA)

Антената, записваща гравитационните вълни, е изградена по следния начин: има две тръби с дължина около 4 километра, разположени под формата на буквата „L“, но с еднакви рамена и под прав ъгъл. Когато гравитационната вълна удари система, тя деформира крилата на антената, но в зависимост от нейната ориентация, тя деформира едното повече, а другото по-малко. И тогава възниква разлика в пътя, моделът на смущение на сигнала се променя - появява се обща положителна или отрицателна амплитуда.

„Тоест преминаването на гравитационна вълна е подобно на вълна върху вода, преминаваща между два поплавъка: ако измерим разстоянието между тях по време и след преминаването на вълната, ще видим, че разстоянието ще се промени и след това ще стане пак същото — каза той Гнатик.

Тук се измерва относителната промяна в разстоянието на двете крила на интерферометъра, всяко от които е с дължина около 4 километра. И само много прецизни технологии и системи могат да измерват такова микроскопично изместване на крилата, причинено от гравитационна вълна.

На ръба на Вселената: откъде идва вълната?

Учените записаха сигнала с помощта на два детектора, които се намират в два щата в Съединените щати: Луизиана и Вашингтон, на разстояние около 3 хиляди километра. Учените успяха да преценят откъде и от какво разстояние идва този сигнал. Оценките показват, че сигналът е дошъл от разстояние 410 мегапарсека. Мегапарсек е разстоянието, което светлината изминава за три милиона години.

За да си го представим по-лесно: най-близо до нас активна галактикасъс свръхмасивна черна дупка в центъра - Кентавър А, която се намира на разстояние четири мегапарсека от нашата, докато мъглявината Андромеда е на разстояние 0,7 мегапарсека. „Тоест разстоянието, от което идва сигналът на гравитационната вълна, е толкова голямо, че сигналът е пътувал до Земята приблизително 1,3 милиарда години. Това са космологични разстояния, които достигат около 10% от хоризонта на нашата Вселена“, каза ученият.

На това разстояние в някаква далечна галактика се сляха две черни дупки. Тези дупки, от една страна, са сравнително малки по размер, а от друга страна, голямата амплитуда на сигнала показва, че са били много тежки. Установено е, че масите им са съответно 36 и 29 слънчеви. Масата на Слънцето, както е известно, е равна на 2 по 10 на 30-та степен на килограм. След сливането тези две тела се сляха и сега на тяхно място се образува една черна дупка, която има маса, равна на 62 слънчеви маси. В същото време приблизително три маси на Слънцето се изпръскаха под формата на енергия от гравитационни вълни.

Кой и кога е направил откритието

Учените от международния проект LIGO успяха да засекат гравитационна вълна на 14 септември 2015 г. ЛИГО (Лазерна интерферометрична гравитационна обсерватория)- Това международен проект, в която участват редица държави с определен финансов и научен принос, по-специално САЩ, Италия, Япония, които са напреднали в областта на това изследване.

Професорите Райнер Вайс и Кип Торн (снимка – EPA)

Записана е следната картина: крилата на гравитационния детектор се изместват в резултат на реалното преминаване на гравитационна вълна през нашата планета и през тази инсталация. Тогава това не беше съобщено, защото сигналът трябваше да се обработи, да се „почисти“, да се намери и провери амплитудата му. Това е стандартна процедура: от самото откритие до обявяването на откритието са необходими няколко месеца, за да се издаде обосновано изявление. „Никой не иска да разваля репутацията им, всичко това са секретни данни, преди публикуването на които никой не знаеше, имаше само слухове“, отбеляза Хнатик.

История

Гравитационните вълни се изучават от 70-те години на миналия век. През това време бяха създадени редица детектори и серия от фундаментални изследвания. През 80-те години американският учен Джоузеф Вебер построи първата гравитационна антена под формата на алуминиев цилиндър с размери около няколко метра, оборудван с пиезо сензори, които трябваше да регистрират преминаването на гравитационна вълна.

Чувствителността на това устройство беше милион пъти по-лоша от сегашните детектори. И, разбира се, тогава той всъщност не можа да открие вълната, въпреки че Вебер заяви, че го е направил: пресата писа за това и настъпи „гравитационен бум“ - гравитационни антени веднага бяха построени по целия свят. Вебер насърчи други учени да се заемат с гравитационните вълни и да продължат експериментите върху това явление, което направи възможно увеличаването на чувствителността на детекторите милион пъти.

Самото явление на гравитационните вълни обаче е регистрирано през миналия век, когато учените откриха двоен пулсар. Това беше косвено регистриране на факта, че съществуват гравитационни вълни, доказано благодарение на астрономически наблюдения. Пулсарът е открит от Ръсел Хълс и Джоузеф Тейлър през 1974 г. по време на наблюдения с радиотелескопа на обсерваторията Аресибо. Учените са удостоени с Нобелова награда през 1993 г. "за откриването на нов тип пулсар, който предоставя нови възможности в изследването на гравитацията".

Изследвания в света и Украйна

В Италия подобен проект, наречен Virgo, е пред завършване. Япония също възнамерява да пусне подобен детектор след година, а Индия също подготвя такъв експеримент. Тоест подобни детектори има на много места по света, но все още не са достигнали режима на чувствителност, за да можем да говорим за откриване на гравитационни вълни.

„Официално Украйна не е включена в LIGO и също не участва в италианската и Японски проекти. Сред тези фундаментални области Украйна сега участва в проекта LHC (Голям адронен колайдер) и в CERN (ще станем официално участник само след заплащане на входната такса)“, каза докторът на физико-математическите науки Богдан Хнатик пред LIGA.net.

Според него от 2015 г. Украйна е пълноправен член на международната колаборация CTA (Cerenkov Telescope Array), която изгражда модерен мултителескоп TeVдълъг гама диапазон (с енергия на фотоните до 1014 eV). „Основните източници на такива фотони са точно околностите на свръхмасивни черни дупки, гравитационно излъчванекоито за първи път са записани от детектора LIGO. Следователно отварянето на нови прозорци в астрономията - гравитационна вълна и мулти TeV„Електромагнитната технология на nogo ни обещава много повече открития в бъдеще“, добавя ученият.

Какво следва и как новите знания ще помогнат на хората? Учените не са съгласни. Някои казват, че това е само следващата стъпка в разбирането на механизмите на Вселената. Други виждат това като първи стъпки към нови технологии за придвижване във времето и пространството. По един или друг начин - това е откритие в още веднъждоказа колко малко разбираме и колко много остава да научим.

Участници научен експеримент LIGO, което включва Руски физици, съобщи за регистриране от американски обсерватории на гравитационни вълни, генерирани от сблъсъка на две черни дупки.

Гравитационните вълни са регистрирани на 14 септември 2015 г., което беше съобщено на 11 февруари 2016 г. на специална пресконференция от представители на LIGO във Вашингтон. Обработката и проверката на резултатите отне на учените шест месеца. Това може да се счита за официално откритие на гравитационните вълни, тъй като те са регистрирани директно на Земята за първи път. Резултатите от работата са публикувани в списанието Physical Review Letters.

Физици от Московския държавен университет на пресконференция. Снимка Максим Абаев.

Схема на интерферометрите и тяхното разположение на схематична карта на САЩ. Тестовите огледални маси на фигурата се наричат ​​тестова маса.

Тестовите маси, известни също като интерферометърни огледала, са направени от стопен кварц. Снимка: www.ligo.caltech.edu

Числено симулиране на гравитационни вълни от приближаващи черни дупки. Фигура: Physical Review Letters http://physics.aps.org/articles/v9/17

Обсерватория LIGO близо до Ливингстън, Луизиана. Снимка: www.ligo.caltech.edu

По този начин, един от най-важните задачикоито са изправени пред физиците през последните 100 години. Съществуването на гравитационни вълни е предсказано от общата теория на относителността (ОТО), разработена през 1915-1916 г. от Алберт Айнщайн - фундаменталната теория на физическа теория, описващ структурата и еволюцията на нашия свят. Общата теория на относителността по същество е теория на гравитацията, която установява нейната връзка със свойствата на пространство-времето. Масивните тела предизвикват промени в него, които обикновено се наричат ​​кривина на пространство-времето. Ако тези тела се движат с променливо ускорение, тогава възникват разпространяващи се промени в пространство-времето, които се наричат ​​гравитационни вълни.

Проблемът с регистрирането им е, че гравитационните вълни са много слаби и откриването им от всякаква земен източникпочти невъзможно. За в продължение на много годинине беше възможно да ги открием от повечето космически обекти. Надеждите останаха само за гравитационни вълни от големи космически катастрофиподобни на експлозии на свръхнови, сблъсъци на неутронни звезди или черни дупки. Тези надежди се сбъднаха. В тази работа гравитационните вълни са открити именно от сливането на две черни дупки.

За откриване на гравитационни вълни през 1992 г. беше предложено грандиозен проект, наречена LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - лазерно-интерферометърна гравитационно-вълнова обсерватория). Технологията за него е разработвана почти двадесет години. И е реализиран от два от най-големите изследователски центрове в САЩ – Калифорнийския и Масачузетския технологичен институт. Общият научен екип, сътрудничеството LIGO, включва около 1000 учени от 16 държави. Русия е представена в него от Москва държавен университети Институт по приложна физика RAS (Нижни Новгород)

LIGO включва обсерватории в щатите Вашингтон и Луизиана, разположени на разстояние 3000 км, което представлява L-образен интерферометър на Майкелсън с две рамена с дължина 4 км. Лазерният лъч, преминавайки през система от огледала, се разделя на два лъча, всеки от които се разпространява в своето рамо. Те се отразяват от огледалата и се връщат. След това тези две светлинни вълни преминаха по различни начинисгънат в детектора. Първоначално системата е конфигурирана така, че вълните да се компенсират взаимно и нищо да не удря детектора. Гравитационните вълни променят разстоянията между тестовите маси, които едновременно служат като огледала на интерферометъра, което води до факта, че сумата на вълните вече не е равна на нула и интензитетът на сигнала на фотодетектора ще бъде пропорционален на тези промени. Този сигнал се използва за регистриране на гравитационна вълна.

Първият, начален, етап от измерванията се проведе през 2002-2010 г. и не позволи откриването на гравитационни вълни. Чувствителността на устройствата не е достатъчна (проследени са смени до 4x10 -18 m). Тогава беше решено да се спре работата през 2010 г. и да се модернизира оборудването, като се увеличи чувствителността повече от 10 пъти. Подобреното оборудване, което започна работа през втората половина на 2015 г., успя да открие изместване от рекордните 10 -19 м. И още по време на теста учените чакаха откритие; те записаха гравитационен изблик от събитието , което след дълго проучване беше идентифицирано като сливане на две черни дупки с маси 29 и 36 слънчеви маси.

Едновременно с Вашингтон пресконференция се проведе и в Москва. На него участниците в експеримента, представляващи Физическия факултет на Московския държавен университет, разказаха за приноса си за провеждането му. Групата на В. Б. Брагински участва в работата от самото начало на проекта. Физиците от Московския държавен университет осигуриха сглобяването сложен дизайн, които са интерферометърни огледала, които едновременно служат като тестови маси.

Освен това техните задачи включват борба с външни вибрации (шум), които биха могли да попречат на откриването на гравитационни вълни. Специалистите от Московския държавен университет доказаха, че устройството трябва да бъде направено от разтопен кварц, който при работни температури ще издава по-малко шум от сапфира, предложен от други изследователи. По-специално, за да се намали топлинният шум, беше необходимо да се гарантира, че трептенията на тестовите маси, окачени като махала, не изчезват за много дълго време. Физиците от Московския държавен университет постигнаха време на разпад от 5 години!

Успехът на измерванията ще даде началото на нова астрономия на гравитационните вълни и ще ни позволи да научим много нови неща за Вселената. Може би физиците ще успеят да разрешат някои от мистериите тъмна материяи ранни етапиразвитието на Вселената, както и разглеждане на области, където общата теория на относителността е нарушена.

По материали от пресконференцията на колаборацията LIGO.

, САЩ
© REUTERS, Раздаване

Гравитационните вълни най-накрая са открити

Популярна наука

Колебанията в пространство-времето са открити век след като Айнщайн ги е предсказал. Започва нова ера в астрономията.

Учените откриха флуктуации в пространство-времето, причинени от сливането на черни дупки. Това се случи сто години след като Алберт Айнщайн предсказа тези „гравитационни вълни“ в своята обща теория на относителността и сто години след като физиците започнаха да ги търсят.

Това забележително откритие беше обявено днес от изследователи от Обсерваторията за гравитационни вълни с лазерен интерферометър (LIGO). Те потвърдиха слуховете, които обграждаха анализа на първия набор от данни, които събираха от месеци. Астрофизиците казват, че откритието на гравитационните вълни предлага нови прозрения за Вселената и способността за разпознаване на далечни събития, които не могат да се видят с оптични телескопи, но могат да бъдат усетени и дори чути, докато техните слаби вибрации достигат до нас през космоса.

„Открихме гравитационни вълни. Направихме го! - съобщи изпълнителният директор научен екипот хиляда души Дейвид Райце, говорейки днес на пресконференция във Вашингтон в Националната научна фондация.

Гравитационните вълни са може би най-неуловимият феномен от предсказанията на Айнщайн и ученият е обсъждал тази тема със своите съвременници в продължение на десетилетия. Според неговата теория пространството и времето образуват разтеглива материя, която се огъва под въздействието на тежки предмети. Да почувстваш гравитацията означава да попаднеш в завоите на тази материя. Но може ли това пространство-време да трепери като кожата на барабан? Айнщайн беше объркан; той не знаеше какво означават неговите уравнения. И няколко пъти смени гледната си точка. Но дори и най-убедените поддръжници на неговата теория смятаха, че гравитационните вълни във всеки случай са твърде слаби, за да бъдат наблюдавани. Те се изливат навън след определени катаклизми и докато се движат, последователно разтягат и компресират пространство-времето. Но докато тези вълни достигнат Земята, те се разтягат и компресират всеки километър пространство незначителен дялдиаметър на атомното ядро.

© REUTERS, Hangout Детектор на обсерваторията LIGO в Ханфорд, Вашингтон

Откриването на тези вълни изискваше търпение и предпазливост. Обсерваторията LIGO изстреля лазерни лъчи напред-назад по четирикилометровите (4-километрови) ъглови рамена на два детектора, единият в Ханфорд, Вашингтон, а другият в Ливингстън, Луизиана. Това беше направено в търсене на съвпадащи разширения и свивания на тези системи по време на преминаването на гравитационните вълни. Използвайки най-съвременни стабилизатори, вакуумни инструменти и хиляди сензори, учените измерват промени в дължината на тези системи, малки като една хилядна от размера на протон. Такава чувствителност на инструментите беше немислима преди сто години. Изглеждаше невероятно и през 1968 г., когато Райнер Вайс от Масачузетския технологичен институт замисли експеримент, наречен LIGO.

„Голямо чудо е, че в крайна сметка успяха. Те успяха да открият тези малки вибрации!“ каза теоретичният физик Даниел Кенефик от университета в Арканзас, който написа книгата от 2007 г. Пътуване със скоростта на мисълта: Айнщайн и на Quest for Gravitational Waves (Пътуване със скоростта на мисълта. Айнщайн и търсенето на гравитационни вълни).

Това откритие бележи началото на нова ера в астрономията на гравитационните вълни. Надеждата е, че ще имаме по-добро разбиране за образуването, състава и галактическата роля на черните дупки - тези свръхплътни топки от маса, които огъват пространство-времето толкова драматично, че дори светлината не може да избяга. Когато черните дупки се доближат една до друга и се слеят, те произвеждат импулсен сигнал - пространствено-времеви осцилации, които се увеличават по амплитуда и тон, преди да свършат внезапно. Тези сигнали, които обсерваторията може да запише, са в звуковия диапазон - те обаче са твърде слаби, за да бъдат чути с просто ухо. Можете да пресъздадете този звук, като прокарате пръсти по клавишите на пианото. „Започнете с най-ниската нота и продължете до третата октава“, каза Вайс. — Това чуваме.

Физиците вече са изненадани от броя и силата на записаните сигнали в момента. Това означава, че в света има повече черни дупки, отколкото се смяташе досега. „Имахме късмет, но аз винаги разчитах на този вид късмет“, каза астрофизикът Кип Торн, който работи в Калифорнийския технологичен институт и създаде LIGO с Вайс и Роналд Древър, също в Калтек. „Това обикновено се случва, когато се отвори напълно нов прозорец във Вселената.“

Слушайки гравитационните вълни, можем да формираме напълно различни идеи за космоса и може би да открием невъобразими космически явления.

„Мога да сравня това с първия път, когато насочихме телескоп към небето“, каза теоретичният астрофизик Джана Левин от колежа Барнард, Колумбийския университет. „Хората разбраха, че има нещо там и че може да се види, но не можеха да предскажат невероятния набор от възможности, които съществуват във Вселената.“ По същия начин, отбеляза Левин, откриването на гравитационните вълни може да покаже, че Вселената е „пълна с тъмна материя, която не можем лесно да открием с телескоп“.

Историята за откриването на първата гравитационна вълна започна в понеделник сутрин през септември и започна с гръм и трясък. Сигналът беше толкова ясен и силен, че Вайс си помисли: „Не, това са глупости, нищо няма да излезе от това.“

Интензивността на страстите

Тази първа гравитационна вълна премина през модернизираните детектори на LIGO - първо в Ливингстън и седем милисекунди по-късно в Ханфорд - по време на симулация, проведена рано на 14 септември, два дни преди официалното начало на събирането на данни.

Детекторите бяха тествани след надграждане, което продължи пет години и струваше 200 милиона долара. Те бяха оборудвани с нови окачвания на огледалата за намаляване на шума и активен обратна връзказа потискане на външните вибрации в реално време. Модернизацията даде повече на подобрената обсерватория високо нивочувствителност в сравнение със стария LIGO, който между 2002 и 2010 г. откри „абсолютна и чиста нула“, както се изрази Вайс.

Когато мощният сигнал пристигна през септември, учените в Европа, където по това време беше сутрин, започнаха да бомбардират американските си колеги с имейли. Когато останалата част от групата се събуди, новината се разпространи много бързо. Според Вайс почти всички са били скептични, особено когато са видели сигнала. Това беше истинска класика от учебниците, поради което някои хора го помислиха за фалшификат.

Търсенето на гравитационни вълни е погрешно много пъти от края на 60-те години на миналия век, когато Джоузеф Вебер от университета в Мериленд смята, че е открил резонансни вибрациив алуминиев цилиндър със сензори в отговор на вълни. През 2014 г. се проведе експеримент, наречен BICEP2, резултатите от който обявиха откриването на първични гравитационни вълни - пространствено-времеви осцилации от голям взрив, които досега са се разтеглили и са постоянно замръзнали в геометрията на Вселената. Учените от екипа BICEP2 обявиха откритието си с голям шум, но след това резултатите им бяха подложени на независима проверка, по време на която се оказа, че грешат и че сигналът идва от космически прах.

Когато космологът от държавния университет в Аризона Лорънс Краус чува за откритието на екипа на LIGO, той първоначално смята, че това е „сляпо предположение“. По време на работата на старата обсерватория, симулирани сигнали бяха тайно вмъкнати в потоци от данни, за да се тества реакцията и повечетоЕкипът не знаеше за това. Когато Краус е от информиран източникСлед като научи, че този път не е „сляпо хвърляне“, той едва успя да сдържи радостното си вълнение.

На 25 септември той каза на своите 200 000 последователи в Twitter: „Слухове за гравитационна вълна, открита от детектора LIGO. Удивително, ако е истина. Ще ви дам подробностите, ако не е фалшификат. Това е последвано от запис от 11 януари: „Предишни слухове за LIGO бяха потвърдени от независими източници. Очаквайте още новини. Може би са открити гравитационни вълни!“

Официалната позиция на учените беше следната: не говорете за получения сигнал, докато няма сто процента сигурност. Торн, вързан за ръцете и краката от това задължение за тайна, дори не каза нищо на жена си. „Празнувах сам“, каза той. Като начало учените решиха да се върнат в самото начало и да анализират всичко до най-малкия детайл, за да разберат как сигналът се разпространява през хиляди измервателни канали на различни детектори и да разберат дали има нещо странно в момента, в който сигналът е открит. Не откриха нищо необичайно. Те също така изключиха хакери, които биха имали най-добри познания за хилядите потоци от данни в експеримента. „Дори когато един отбор прави сляпо вкарване, те не са достатъчно перфектни и оставят много следи“, каза Торн. — Но тук нямаше следи.

През следващите седмици те чуха друг, по-слаб сигнал.

Учените анализираха първите два сигнала и пристигнаха все повече и повече нови. Те представиха своите изследвания в списанието Physical Review Letters през януари. Този брой е публикуван онлайн днес. Според техните оценки статистическата значимост на първия най-мощен сигнал надхвърля 5-сигма, което означава, че изследователите са 99,9999% уверени в неговата автентичност.

Слушане на гравитацията

Уравнения обща теория на относителносттаТеориите на Айнщайн са толкова сложни, че на повечето физици им отне 40 години, за да се съгласят: да, гравитационните вълни съществуват и те могат да бъдат открити - дори теоретично.

Първоначално Айнщайн смяташе, че обектите не могат да отделят енергия под формата на гравитационно излъчване, но след това промени гледната си точка. В неговия исторически труд, написан през 1918 г., той показа какви видове обекти могат да направят това: системи с форма на дъмбели, които се въртят по две оси едновременно, като двоични системи и свръхнови, които експлодират като петарди. Те могат да генерират вълни в пространство-времето.

© REUTERS, Раздаване Компютърен модел, илюстриращ природата на гравитационните вълни в Слънчевата система

Но Айнщайн и колегите му продължават да се колебаят. Някои физици твърдяха, че дори вълните да съществуват, светът би вибрирал заедно с тях и би било невъзможно да ги усетим. Едва през 1957 г. Ричард Файнман затвори този въпрос, като демонстрира мисловен експериментче ако съществуват гравитационни вълни, те теоретично могат да бъдат открити. Но никой не знаеше колко разпространени са тези системи с форма на дъмбели в космоса или колко силни или слаби са получените вълни. „В крайна сметка въпросът беше: Ще успеем ли някога да ги открием?“ каза Кенефик.

През 1968 г. Райнер Вайс е млад професор в Масачузетския технологичен институт и му е възложено да преподава курс по обща теория на относителността. Тъй като беше експериментатор, той знаеше малко за това, но внезапно се появиха новини за откритието на Вебер за гравитационните вълни. Вебер построи три резонансни детектора от алуминий с размер на бюрои ги постави в различни американски щати. Сега той съобщи, че и трите детектора са засекли „звука на гравитационните вълни“.

Учениците на Вайс бяха помолени да обяснят същността на гравитационните вълни и да изразят мнението си за посланието. Изучавайки подробностите, той беше изумен от сложността на математическите изчисления. „Не можех да разбера какво, по дяволите, прави Вебер, как сензорите взаимодействат с гравитационната вълна. Седях дълго време и се питах: „Кое е най-примитивното нещо, което мога да измисля, което да открива гравитационни вълни?“ И тогава в главата ми дойде идея, която наричам концептуална основаЛИГО."

Представете си три обекта в пространство-времето, да речем огледала в ъглите на триъгълник. „Изпратете светлинен сигнал от единия към другия“, каза Вебер. „Вижте колко време отнема преминаването от една маса към друга и проверете дали времето се е променило.“ Оказва се, отбеляза ученият, че това може да стане бързо. „Възложих това на моите ученици като изследователска задача. Буквално цялата група успя да направи тези изчисления.

През следващите години, докато други изследователи се опитваха да повторят резултатите от експеримента на Вебер с резонансен детектор, но непрекъснато се проваляха (не е ясно какво е наблюдавал, но не бяха гравитационни вълни), Вайс започна да подготвя много по-прецизен и амбициозен експеримент: гравитационен- вълнов интерферометър. Лазерният лъч се отразява от три огледала, монтирани във формата на буквата “L” и образува два лъча. Интервалът между върховете и спадовете на светлинните вълни точно показва дължината на краката на буквата "L", които създават осите X и Y на пространство-времето. Когато скалата е неподвижна, двете светлинни вълни се отразяват от ъглите и взаимно се компенсират. Сигналът в детектора е нула. Но ако гравитационната вълна премине през Земята, тя разтяга дължината на едното рамо на буквата „L“ и компресира дължината на другото (и обратно на свой ред). Несъответствието на двата светлинни лъча създава сигнал в детектора, показващ леки колебания в пространство-времето.

Първоначално колегите физици изразиха скептицизъм, но експериментът скоро спечели подкрепата на Торн, чийто екип от теоретици в Калифорнийския технологичен институт изучаваше черни дупки и други потенциални източници на гравитационни вълни, както и сигналите, които генерират. Торн е вдъхновен от експеримента на Вебер и подобни усилия на руски учени. След като говорих с Вайс на конференция през 1975 г., „започнах да вярвам, че откриването на гравитационни вълни ще бъде успешно“, каза Торн. „И аз исках Калтек също да бъде част от това.“ Той уреди института да наеме шотландския експериментатор Роналд Дрийвър, който също каза, че ще построи интерферометър за гравитационни вълни. С течение на времето Торн, Драйвър и Вайс започват да работят в екип, като всеки решава своя дял от безбройните проблеми в подготовката за практическия експеримент. Триото създава LIGO през 1984 г. и когато прототипите са построени и сътрудничеството започва в рамките на непрекъснато разрастващ се екип, те получават от Националния научна основа 100 милиона долара финансиране. Бяха изготвени чертежи за изграждането на чифт гигантски L-образни детектори. Десетилетие по-късно детекторите започнаха да работят.

В Ханфорд и Ливингстън в центъра на всяко от четирикилометровите рамена на детектора има вакуум, благодарение на който лазерът, неговият лъч и огледалата са максимално изолирани от постоянните вибрации на планетата. За да бъдат още по-безопасни, учените от LIGO наблюдават своите детектори, докато работят с хиляди инструменти, измервайки всичко, което могат: сеизмична активност, атмосферно налягане, мълния, външен вид космически лъчи, вибрация на оборудването, звуци в зоната на лазерния лъч и др. След това те филтрират данните си от този външен фонов шум. Може би основното е, че те имат два детектора и това им позволява да сравняват получените данни, като ги проверяват за наличие на съвпадащи сигнали.

Контекст

Гравитационни вълни: завърши това, което Айнщайн започна в Берн

SwissInfo 13.02.2016 г

Как умират черните дупки

Среден 19.10.2014 г
Вътре в създадения вакуум, дори когато лазерите и огледалата са напълно изолирани и стабилизирани, „непрекъснато се случват странни неща“, казва Марко Кавалья, заместник-говорител на LIGO. Учените трябва да проследят тези „златни рибки“, „призраци“, „неизвестни“. морски чудовища"и други външни вибрационни явления, откривайки техния източник, за да го елиминирате. един твърд калъфсе случи на етапа на тестване, каза тя научен изследователЧлен на екипа на LIGO Джесика Макивър, която изучава такива външни сигнали и смущения. Серия от периодични едночестотни шумове често се появява сред данните. Когато тя и нейните колеги преобразуваха вибрациите от огледалата в аудио файлове, „телефонът ясно се чу да звъни“, каза Макивър. „Оказа се, че комуникационните рекламодатели са извършвали телефонни разговори в лазерната стая.“

През следващите две години учените ще продължат да подобряват чувствителността на модернизираните детектори на лазерен интерферометър Gravitational-Wave Observatory на LIGO. А в Италия ще започне да работи трети интерферометър, наречен Advanced Virgo. Един от отговорите, които данните ще помогнат, е как се образуват черните дупки. Дали са продукт на краха на най-ранните масивни звезди, или се появяват в резултат на сблъсъци в плътни звездни купове? „Това са само две предположения, вярвам, че ще има още, когато всички се успокоят“, казва Вайс. Когато по време на предстояща работа LIGO ще започне да трупа нови статистически данни, учените ще започнат да слушат истории за произхода на черните дупки, които Космосът ще им нашепва.

Съдейки по формата и размера му, първият, най-силен импулс е възникнал на 1,3 милиарда светлинни години от мястото, където две черни дупки, всяка около 30 пъти по-голяма от масата на слънцето, най-накрая са се слели след цяла вечност на бавен танц под въздействието на взаимно гравитационно привличане. Черните дупки кръжаха все по-бързо и по-бързо, като водовъртеж, постепенно се приближаваха. Тогава се случи сливането и за миг те освободиха гравитационни вълни с енергия, сравнима с тази на три слънца. Това сливане беше най-мощният енергиен феномен, регистриран някога.

„Сякаш никога не сме виждали океана по време на буря“, каза Торн. Той чака тази буря във времето от 60-те години на миналия век. Чувството, което Торн изпита, докато тези вълни се търкаляха, не беше точно вълнение, казва той. Беше нещо друго: чувство на дълбоко удовлетворение.

Материалите на InoSMI съдържат оценки изключително на чуждестранни медии и не отразяват позицията на редакцията на InoSMI.

Астрофизиците потвърдиха съществуването на гравитационни вълни, чието съществуване е предсказано от Алберт Айнщайн преди около 100 години. Те са открити с помощта на детектори в обсерваторията за гравитационни вълни LIGO, която се намира в САЩ.

За първи път в историята човечеството регистрира гравитационни вълни - вибрации на пространство-времето, дошли на Земята от сблъсъка на две черни дупки, възникнал далеч във Вселената. За това откритие са допринесли и руски учени. В четвъртък изследователите говорят за откритието си по целия свят - във Вашингтон, Лондон, Париж, Берлин и други градове, включително Москва.

Снимката показва симулация на сблъсък на черна дупка

На пресконференция в офиса на Rambler&Co Валерий Митрофанов, ръководител на руската част от сътрудничеството LIGO, обяви откриването на гравитационни вълни:

„За нас беше чест да участваме в този проект и да ви представим резултатите. Сега ще ви кажа значението на откритието на руски. Видяхме красиви снимки на детектори LIGO в САЩ. Разстоянието между тях е 3000 км. Под въздействието на гравитационна вълна един от детекторите се измести, след което ги открихме. Отначало видяхме само шум на компютъра, а след това масата на детекторите на Хамфорд започна да се клати. След като изчислихме получените данни, успяхме да определим, че черните дупки са се сблъскали на разстояние 1,3 милиарда. светлинни години разстояние. Сигналът беше много ясен, излизаше много ясно от шума. Много хора ни казаха, че сме късметлии, но природата ни е дала такъв подарък. Открити са гравитационни вълни, това е сигурно.“

Астрофизиците потвърдиха слуховете, че са успели да открият гравитационни вълни с помощта на детектори в обсерваторията за гравитационни вълни LIGO. Това откритие ще позволи на човечеството да постигне значителен напредък в разбирането как работи Вселената.

Откритието стана на 14 септември 2015 г. едновременно с два детектора във Вашингтон и Луизиана. Сигналът пристигна в детекторите в резултат на сблъсъка на две черни дупки. На учените им отне толкова време, за да потвърдят, че именно гравитационните вълни са били продукт на сблъсъка.

Сблъсъкът на дупките е станал със скорост около половината от скоростта на светлината, което е приблизително 150 792 458 m/s.

„Нютоновата гравитация беше описана в плоското пространство и Айнщайн я прехвърли в равнината на времето и предположи, че тя го огъва. Гравитационното взаимодействие е много слабо. На Земята експериментите за създаване на гравитационни вълни са невъзможни. Те са открити едва след сливането на черни дупки. Детекторът се измести, само си представете, с 10 до -19 метра. Не можете да го усетите с ръцете си. Само с помощта на много прецизни инструменти. Как да стане това? Лазерният лъч, с който е записано изместването, е уникален по своята същност. Второто поколение лазерна гравитационна антена на LIGO влезе в експлоатация през 2015 г. Чувствителността дава възможност за откриване на гравитационни смущения приблизително веднъж месечно. Това е напреднала световна и американска наука; няма нищо по-точно в света. Надяваме се, че ще успее да преодолее стандартната квантова граница на чувствителност“, обясни откритието Сергей Вятчанин, служител на Физическия факултет на Московския държавен университет и сътрудничеството LIGO.

Стандартен квантов лимит (SQL) квантова механика- ограничение, наложено върху точността на непрекъснато или многократно повтарящо се измерване на всяко количество, описано от оператор, който не комутира сам със себе си различни моментивреме. Предсказано през 1967 г. от V.B Braginsky, а терминът Standard Quantum Limit (SQL) е предложен по-късно от Thorne. SKP е тясно свързана със съотношението на неопределеността на Хайзенберг.

Обобщавайки, Валери Митрофанов говори за плановете за по-нататъшни изследвания:

„Това откритие е началото на нова астрономия на гравитационните вълни. Чрез канала на гравитационните вълни очакваме да научим повече за Вселената. Знаем състава само на 5% от материята, останалото е мистерия. Гравитационни детекторище ви позволи да видите небето в „гравитационни вълни“. В бъдеще се надяваме да видим началото на всичко, тоест реликтовото излъчване на Големия взрив и да разберем какво точно се е случило тогава.“

Гравитационните вълни са предложени за първи път от Алберт Айнщайн през 1916 г., почти точно преди 100 години. Уравнението за вълните е следствие от уравненията на теорията на относителността и не се извежда по най-простия начин.

Канадският теоретичен физик Клифърд Бърджис публикува преди това писмо, в което се казва, че обсерваторията е открила гравитационно лъчение, причинено от сливането на двоична система от черни дупки с маси от 36 и 29 слънчеви маси в обект с маса от 62 слънчеви маси. Сблъсъкът и асиметричният гравитационен колапс продължават част от секундата и през това време енергия, възлизаща на до 50 процента от масата на системата, се губи в гравитационно излъчване - вълни в пространство-времето.

Гравитационната вълна е вълна от гравитация, генерирана в повечето теории за гравитацията от движението на гравитиращи тела с променливо ускорение. Поради относителната слабост на гравитационните сили (в сравнение с други), тези вълни трябва да имат много малка величина, трудно за регистриране. Съществуването им е предсказано преди около век от Алберт Айнщайн.

„Напоследък поредица от дългосрочни експерименти върху директното наблюдение на гравитационните вълни предизвика силен научен интерес“, пише теоретичният физик Мичио Каку в книгата си „Космосът на Айнщайн“ от 2004 г. — Проектът LIGO („Лазерен интерферометър за наблюдение на гравитационни вълни“) може да е първият, който „видя“ гравитационни вълни, най-вероятно от сблъсъка на две черни дупки в дълбок космос. LIGO е сбъдната мечта на физика, първото съоръжение с достатъчно мощност за измерване на гравитационни вълни."

Прогнозата на Каку се сбъдна: в четвъртък група международни учени от обсерваторията LIGO обявиха откриването на гравитационни вълни.

Гравитационните вълни са трептения в пространство-времето, които "избягат" от масивни обекти (като черни дупки), които се движат с ускорение. С други думи, гравитационните вълни са разпространяващо се смущение на пространство-времето, движеща се деформация на абсолютната празнота.

Черната дупка е област в пространство-времето, чието гравитационно привличане е толкова силно, че дори обекти, движещи се със скоростта на светлината (включително самата светлина), не могат да я напуснат. Границата, разделяща черна дупка от останалия свят, се нарича хоризонт на събитията: всичко, което се случва вътре в хоризонта на събитията, е скрито от очите на външен наблюдател.

Ерин Райън Снимка на торта, публикувана онлайн от Ерин Райън.

Учените започнаха да улавят гравитационните вълни преди половин век: тогава беше американски физикДжоузеф Вебер се заинтересува от общата теория на относителността (ОТО) на Айнщайн, взе отпуск и започна да изучава гравитационните вълни. Вебер изобретява първото устройство за откриване на гравитационни вълни и скоро обявява, че е записал „звука на гравитационните вълни“. Научната общност обаче опроверга посланието му.

Но благодарение на Джоузеф Вебер много учени се превърнаха в „преследвачи на вълни“. Днес Вебер се смята за баща научно направлениеастрономия на гравитационните вълни.

„Това е началото на нова ера на гравитационната астрономия“

Обсерваторията LIGO, където учените регистрираха гравитационни вълни, се състои от три лазерни инсталации в Съединените щати: две са разположени в щата Вашингтон и една в Луизиана. Ето как Мичио Каку описва работата на лазерните детектори: „Лазерният лъч се разделя на два отделни лъча, които след това вървят перпендикулярно един на друг. След това, отразени от огледалото, те се свързват отново. Ако гравитационната вълна премине през интерферометър (измервателно устройство), дължините на пътя на двата лазерни лъча ще бъдат нарушени и това ще се отрази в техния интерференчен модел. За да сте сигурни, че сигналът, записан от лазерната система, не е случаен, трябва да поставите детекторите различни точкиЗемята.

Само под въздействието на гигантска гравитационна вълна, много по-голяма от нашата планета, всички детектори ще работят едновременно.

Сега сътрудничеството LIGO е открило гравитационно излъчване, причинено от сливането на двоична система от черни дупки с маси от 36 и 29 слънчеви маси в обект с маса от 62 слънчеви маси. „Това е първото пряко (много е важно, че е директно!) Измерване на действието на гравитационните вълни“, коментира професорът пред кореспондента на научния отдел на Gazeta.Ru. Физически факултетМосковски държавен университет Сергей Вятчанин. — Тоест, получен е сигнал от астрофизическата катастрофа за сливането на две черни дупки. И този сигнал е идентифициран - това също е много важно! Ясно е, че това е от две черни дупки. И това е началото нова ерагравитационна астрономия, която ще направи възможно получаването на информация за Вселената не само чрез оптични, рентгенови, електромагнитни и неутрино източници, но и чрез гравитационни вълни.

Можем да кажем, че 90 процента от черните дупки са престанали да бъдат хипотетични обекти. Остават известни съмнения, но все пак сигналът, който беше уловен, се вписва много добре в това, което се предвижда от безброй симулации на сливането на две черни дупки в съответствие с общата теория на относителността.

Това е силен аргумент, че съществуват черни дупки. Все още няма друго обяснение за този сигнал. Следователно се приема, че съществуват черни дупки.

„Айнщайн би бил много щастлив“

Гравитационните вълни са предсказани от Алберт Айнщайн (който, между другото, беше скептичен относно съществуването на черни дупки) като част от неговата обща теория на относителността. В GTO с три пространствени измерениядобавя се време и светът става четириизмерен. Според теорията, която преобърна цялата физика, гравитацията е следствие от кривината на пространство-времето под въздействието на масата.

Айнщайн доказа, че всяка материя, движеща се с ускорение, създава смущение в пространство-времето - гравитационна вълна. Това смущение е толкова по-голямо, колкото по-високи са ускорението и масата на обекта.

Поради слабостта на гравитационните сили в сравнение с други фундаментални взаимодействиятези вълни трябва да имат много малка величина, трудно се регистрират.

Когато обясняват общата теория на относителността на хуманитарните учени, физиците често ги карат да си представят опънат лист гума, върху който са спуснати масивни топки. Топките притискат гумата и разтегнатият лист (който представлява пространство-време) се деформира. Според общата теория на относителността цялата Вселена е гума, върху която всяка планета, всяка звезда и всяка галактика оставя вдлъбнатини. Нашата Земя се върти около Слънцето като малка топка, пусната да се търкаля около конуса на фуния, образувана в резултат на „избутване“ на пространство-времето от тежка топка.

РАЗПРОДАЖБА/Ройтерс

Тежката топка е Слънцето

Вероятно откритието на гравитационните вълни, което е основното потвърждение на теорията на Айнщайн, претендира за Нобелова наградапо физика. „Айнщайн би бил много щастлив“, каза Габриела Гонзалес, говорител на сътрудничеството LIGO.

Според учените е твърде рано да се говори за практическата приложимост на откритието. „Въпреки че Хайнрих Херц ( немски физик, който доказа съществуването електромагнитни вълни. - "Газета.Ru") можеше да си помисли, че ще се случи мобилен телефон? не! „Сега не можем да си представим нищо“, каза Валери Митрофанов, професор във Физическия факултет на Московския държавен университет. М.В. Ломоносов. — Съсредоточавам се върху филма „Интерстелар“. Да, критикуват го, но дори магически килим може да се измисли див човек. И вълшебният килим се превърна в самолет и това е всичко. И тук трябва да си представим нещо много сложно. В Interstellar една от точките е свързана с това, че човек може да пътува от един свят в друг. Ако си представяте по този начин, вярвате ли, че човек може да пътува от един свят в друг, че може да има много вселени - всичко? Не мога да отговоря не. Защото един физик не може да отговори на такъв въпрос с „не“! Само ако противоречи на някои консервационни закони! Има опции, които не противоречат на известните физични закони. Така че може да има пътуване през световете!“