Fizycy w obserwatorium LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) po raz pierwszy odkryli fale grawitacyjne – zaburzenia czasoprzestrzeni przewidziane sto lat temu przez twórcę ogólna teoria względności Alberta Einsteina. O otwarciu podczas transmisji na żywo organizowanej przez Lenta.ru i Moskwę Uniwersytet stanowy(MSU) nazwany na cześć M.V. Łomonosow, naukowcy Wydział Fizyki, członkowie międzynarodowej współpracy LIGO. Lenta.ru rozmawiał z jednym z nich, rosyjskim fizykiem Siergiejem Wiatczaninem.
Czym są fale grawitacyjne?
Zgodnie z prawem powszechnego ciążenia Newtona dwa ciała przyciągają się do siebie z siłą odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi. Teoria ta opisuje na przykład obrót Ziemi i Księżyca w płaskiej przestrzeni i czasie uniwersalnym. Einstein, rozwinąwszy się specjalna teoria względności, zdał sobie sprawę, że czas i przestrzeń są jedną substancją i zaproponował ogólną teorię względności – teorię grawitacji opartą na fakcie, że grawitacja objawia się jako krzywizna czasoprzestrzeni, którą tworzy materia.
Doktor nauk fizycznych i matematycznych Siergiej Wiatczanin od 2012 roku kieruje Katedrą Fizyki Oscylacyjnej Wydziału Fizyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. Zainteresowania naukowe skupił się na badaniu kwantowych pomiarów nieperturbacyjnych, anten laserowych fal grawitacyjnych, mechanizmów rozpraszania, szumu podstawowego i nieliniowych efektów optycznych. Naukowiec współpracował z Kalifornijczykiem Instytut Technologii w USA i Towarzystwo Maxa Plancka w Niemczech.
Możesz sobie wyobrazić elastyczny okrąg. Jeśli rzucisz w niego lekką piłkę, potoczy się po linii prostej. Jeśli umieścisz ciężkie jabłko na środku okręgu, trajektoria się wygnie. Z równań ogólnej teorii względności Einstein natychmiast dowiedział się, że fale grawitacyjne są możliwe. Ale w tamtym czasie (na początku XX wieku) efekt uznawano za wyjątkowo słaby. Można powiedzieć, że fale grawitacyjne to zmarszczki w czasoprzestrzeni. Złe jest to, że jest ekstremalne słaba interakcja.
Jeśli weźmiemy podobne fale (elektromagnetyczne), to był eksperyment Hertza, który umieścił emiter w jednym rogu pokoju, a odbiornik w drugim. To nie działa w przypadku fal grawitacyjnych. Zbyt słaba interakcja. Możemy polegać jedynie na katastrofach astrofizycznych.
Jak działa antena grawitacyjna?
Znajduje się tam interferometr Fabry’ego-Perota, dwie masy oddalone od siebie o cztery kilometry. Kontrolowana jest odległość pomiędzy masami. Jeśli fala przychodzi z góry, odległość nieznacznie się zmienia.
Czy zaburzenie grawitacyjne jest zasadniczo zniekształceniem metryki?
Możesz to powiedzieć. Matematyka opisuje to jako niewielką krzywiznę przestrzeni. Herzenstein i Pustovoit zaproponowali użycie lasera do wykrywania fal grawitacyjnych w 1962 roku. To było tak Artykuł radziecki, fantazja... Świetnie, ale wciąż lot fantazji. Amerykanie pomyśleli i postanowili w latach 90. XX wieku (Kip Thorne, Ronald Drever i Rainer Weiss) zbudować laserową antenę grawitacyjną. Ponadto wymagane są dwie anteny, ponieważ w przypadku wystąpienia zdarzeń konieczne jest zastosowanie schematu koincydencji. A potem wszystko się zaczęło. Ten Długa historia. Z firmą Caltech współpracujemy od 1992 roku, a w 1998 roku przeszliśmy na formalną umowę.
Czy nie sądzicie, że realność fal grawitacyjnych nie budzi wątpliwości?
Ogólnie, społeczność naukowa Był pewien, że istnieją, a odkrycie ich było kwestią czasu. Hulse i Taylor otrzymali Nagrodę Nobla za faktyczne odkrycie fal grawitacyjnych. Co oni zrobili? Jeść podwójne gwiazdy- pulsary. Ponieważ się obracają, emitują fale grawitacyjne. Nie możemy ich obserwować. Ale jeśli emitują fale grawitacyjne, wydzielają energię. Oznacza to, że ich obrót zwalnia, jakby na skutek tarcia. Gwiazdy zbliżają się do siebie i można zaobserwować zmianę częstotliwości. Patrzyli i zobaczyli (w 1974 r. około. „Tapes.ru”). Jest to pośredni dowód na istnienie fal grawitacyjnych.
Teraz - bezpośrednio?
Teraz – bezpośrednio. Sygnał dotarł i został zarejestrowany na dwóch detektorach.
Czy niezawodność jest wysoka?
Wystarczy otworzyć.
Jaki jest wkład rosyjskich naukowców w ten eksperyment?
Klucz. W początkowym LIGO (wczesna wersja anteny - około. „Tapes.ru”) używano dziesięciokilogramowych odważników, które zawieszano na stalowych nitkach. Nasz naukowiec Braginsky wyraził już pomysł wykorzystania nici kwarcowych. Opublikowano pracę, w której udowodniono, że włókna kwarcowe wytwarzają znacznie mniej hałasu. A teraz masy (w zaawansowanej LIGO, nowoczesnej instalacji - około. „Tapes.ru”) zawieś na niciach kwarcowych.
Drugi wkład ma charakter eksperymentalny i dotyczy opłat. Masy oddalone o cztery kilometry trzeba jakoś wyregulować za pomocą aktywatorów elektrostatycznych. System ten jest lepszy od stosowanego wcześniej magnetycznego, ale wyczuwa ładunek. W szczególności co sekundę ogromna liczba cząstek - mionów - przechodzi przez dłoń człowieka, co może pozostawić ładunek. Teraz zmagają się z tym problemem. Nasza grupa (Walery Mitrofanow i Leonid Prochorow) uczestniczy w tym eksperymentalnie i zyskała znacznie większe doświadczenie.
Na początku XXI wieku pojawił się pomysł wykorzystania w zaawansowanych LIGO włókien szafirowych, ponieważ formalnie szafir ma wyższy współczynnik jakości. Dlaczego to jest ważne? Im wyższy współczynnik jakości, tym mniej hałasu. Ten główna zasada. Nasza grupa obliczyła tzw. szum termosprężysty i wykazała, że nadal lepiej jest zastosować kwarc niż szafir.
I dalej. Czułość anteny grawitacyjnej jest bliska granicy kwantowej. Istnieje tak zwana standardowa granica kwantowa: jeśli mierzysz współrzędną, to zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga natychmiast ją zakłócasz. Jeśli stale mierzysz współrzędną, to cały czas ją zakłócasz. Bardzo dokładny pomiar współrzędnych nie jest dobry: wystąpi duży efekt odwrotnej fluktuacji. Pokazał to w 1968 roku Braginsky. Obliczone dla LIGO. Okazało się, że dla początkowego LIGO czułość jest około dziesięciokrotnie większa niż standardowa granica kwantowa.
Obecnie istnieje nadzieja, że zaawansowany LIGO osiągnie standardową granicę kwantową. Być może spadnie. To właściwie sen. Czy możesz to sobie wyobrazić? Będziesz miał kwantowe urządzenie makroskopowe: dwie ciężkie masy w odległości czterech kilometrów.
Fale grawitacyjne zarejestrowano 14 września 2015 r. o godzinie 05:51 czasu letniego wschodniego (13:51 czasu moskiewskiego) w bliźniaczych detektorach Obserwatorium Fal Grawitacyjnych LIGO Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory zlokalizowanych w Livingston (Luizjana) i Hanford (stan Waszyngton). ) w USA. Detektory LIGO wykryły względne wahania od dziesięciu do minus 19 metrów (co w przybliżeniu równa jest stosunkowi średnicy atomu do średnicy jabłka) par testowych mas oddalonych od siebie o cztery kilometry. Zakłócenia generowane są przez parę czarnych dziur (29 i 36 razy cięższych od Słońca) w ostatnich ułamkach sekundy, zanim łączą się w masywniejszy wirujący obiekt grawitacyjny (62 razy cięższy od Słońca). W ułamku sekundy trzy masy Słońca zamieniły się w fale grawitacyjne, których maksymalna moc promieniowania była około 50 razy większa niż z całego widzialnego Wszechświata. Łączenie się czarnych dziur nastąpiło 1,3 miliarda lat temu (tyle czasu zajęło dotarcie zaburzenia grawitacyjnego do Ziemi). Analizując momenty nadejścia sygnałów (detektor Livingston zarejestrował zdarzenie siedem milisekund wcześniej niż detektor Hanford) naukowcy przyjęli, że źródło sygnału znajdowało się na półkuli południowej. Naukowcy przesłali swoje wyniki do publikacji w czasopiśmie Physical Review Letters.
Na pierwszy rzut oka nie jest to zbyt kompatybilne.
To właśnie jest paradoksalne. Oznacza to, że okazuje się fantastyczny. Wydaje się, że to zalatuje szarlatanizmem, ale w rzeczywistości tak nie jest, wszystko jest uczciwe. Ale na razie to tylko marzenia. Standardowy limit ilościowy nie został osiągnięty. Tam nadal musisz pracować i pracować. Ale już widać, że jest blisko.
Czy jest nadzieja, że tak się stanie?
Tak. Należy pokonać standardową granicę kwantową, a nasza grupa była zaangażowana w opracowywanie metod, jak to zrobić. Są to tak zwane kwantowe pomiary niezaburzające, jaki konkretny schemat pomiaru jest potrzebny - to czy tamto... Przecież studiując teoretycznie, obliczenia nic nie kosztują, a eksperymenty są drogie. LIGO osiągało dokładność od dziesięciu do minus 19 metrów.
Zapamiętajmy przykład dzieci. Jeśli zmniejszymy Ziemię do wielkości pomarańczy, a następnie zmniejszymy ją o tę samą wielkość, otrzymamy rozmiar atomu. Jeśli więc zmniejszymy atom o tę samą wartość, otrzymamy dziesięć metrów do minus 19 stopni. To szalona rzecz. To osiągnięcie cywilizacji.
To jest bardzo ważne, tak. Co zatem oznacza dla nauki odkrycie fal grawitacyjnych? Uważa się, że może to zmienić obserwacyjne metody astronomii.
Co my mamy? Astronomia w zwykłym zakresie. Teleskopy radiowe, teleskopy na podczerwień, obserwatoria rentgenowskie.
Czy wszystko mieści się w zakresach elektromagnetycznych?
Tak. Ponadto istnieją obserwatoria neutrin. Możliwość rejestracji cząstki kosmiczne. To kolejny kanał informacji. Jeśli antena grawitacyjna wygeneruje informacje astrofizyczne, badacze będą mieli do dyspozycji kilka kanałów obserwacyjnych jednocześnie, za pomocą których będą mogli przetestować teorię. Zaproponowano wiele teorii kosmologicznych, które ze sobą konkurują. Będzie można coś wykorzenić. Na przykład, kiedy w Wielkim Zderzaczu Hadronów odkryto bozon Higgsa, kilka teorii natychmiast upadło.
Oznacza to, że ułatwi to wybór pracowników modele kosmologiczne. Inne pytanie. Czy możliwe jest wykorzystanie anteny grawitacyjnej do dokładnego pomiaru przyspieszonej ekspansji Wszechświata?
Póki co czułość jest bardzo niska.
A co w przyszłości?
W przyszłości będzie można go także wykorzystać do pomiaru reliktowego tła grawitacyjnego. Ale każdy eksperymentator powie ci: „Ay-yay!” Oznacza to, że do tego jeszcze bardzo daleko. Spraw Boże, abyśmy zarejestrowali katastrofę astrofizyczną.
Zderzenie czarnej dziury...
Tak. W końcu to katastrofa. Nie daj Boże, żebyś tam skończył. Nie istnielibyśmy. A oto takie tło... Na razie... „karmią nadzieje młodych, dają radość starszym”.
Czy odkrycie fal grawitacyjnych może dostarczyć dalszych dowodów na istnienie czarnych dziur? Przecież wciąż są tacy, którzy nie wierzą w ich istnienie.
Tak. Jak się pracuje w LIGO? Sygnał jest rejestrowany, aby wyjaśnić, którzy naukowcy opracowali wzorce i porównać je z danymi obserwacyjnymi. Zderzenie gwiazd neutronowych, gwiazda neutronowa wpada w czarną dziurę, wybuch supernowej, czarna dziura łączy się z czarną dziurą... Zmienimy parametry, np. stosunek mas, moment początkowy...Co powinniśmy zobaczyć? Trwa nagrywanie i w momencie sygnału oceniana jest wydajność szablonów. Jeśli wzór zaprojektowany dla zderzenia dwóch czarnych dziur odpowiada sygnałowi, to jest to dowód. Ale nie absolutne.
Nie ma lepszego wyjaśnienia NIE? Czy odkrycie fal grawitacyjnych najłatwiej wytłumaczyć zderzeniem czarnych dziur?
NA ten moment- Tak. Społeczność naukowa uważa obecnie, że było to połączenie czarnych dziur. Ale zbiorowa społeczność to opinia wielu, konsensus. Oczywiście, jeśli pojawią się jakieś nowe czynniki, można z tego zrezygnować.
Kiedy będzie można wykryć fale grawitacyjne z mniej masywnych obiektów? Czy nie oznacza to konieczności budowy nowych i bardziej czułych obserwatoriów?
Istnieje program nowej generacji o nazwie LIGO. To jest drugie. Będzie trzeci. Jest tam wiele opcji. Możesz zwiększyć dystans, zwiększyć moc i zawieszenie. Teraz to wszystko jest omawiane. Na poziomie burza mózgów. Jeśli obserwacja sygnału grawitacyjnego się potwierdzi, łatwiej będzie pozyskać pieniądze na ulepszenie obserwatorium.
Czy czeka nas boom na budowę obserwatoriów grawitacyjnych?
Nie wiem. Jest drogi (LIGO kosztuje około 370 milionów dolarów - około. „Tapes.ru”). Przecież Amerykanie zaproponowali Australii wbudowanie się Półkula południowa antenę i zgodził się dostarczyć cały sprzęt do tego. Australia odmówiła. Zbyt droga zabawka. Utrzymanie obserwatorium pochłonęłoby cały budżet naukowy kraju.
Czy Rosja jest zaangażowana finansowo w LIGO?
Współpracujemy z Amerykanami. Co będzie dalej, nie jest jasne. Na razie mamy dobre relacje z naukowcami, ale wszystkim rządzą politycy... Dlatego trzeba obserwować. Doceniają nas. Dostarczamy wyniki, które są naprawdę na poziomie. Ale to nie oni decydują, czy zaprzyjaźnić się z Rosją, czy nie.
Niestety tak.
Takie jest życie, poczekajmy.
Obserwatorium LIGO jest finansowane przez National podstawa naukowa USA. Badania w LIGO prowadzone są w ramach współpracy o tej samej nazwie przez ponad tysiąc naukowców ze Stanów Zjednoczonych i 14 innych krajów, w tym z Rosji, reprezentowanych przez dwie grupy z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego i Instytutu Fizyki Stosowanej Akademia Rosyjska nauki ( Niżny Nowogród).
Czy są plany budowy obserwatorium grawitacyjnego w Rosji?
Jeszcze nie planowane. W latach 80. Państwowy Instytut Astronomiczny im. Sternberga Uniwersytetu Moskiewskiego chciał zbudować taką samą antenę grawitacyjną w wąwozie Baksan, tylko na mniejszą skalę. Ale nadeszła pierestrojka i przez długi czas wszystko było przykryte miedzianą misą. Teraz policja drogowa Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego próbuje coś zrobić, ale jak dotąd antena nie działała...
Co jeszcze możesz spróbować sprawdzić za pomocą anteny grawitacyjnej?
Ważność teorii grawitacji. Przecież większość istniejące teorie w oparciu o teorię Einsteina.
Nikt nie jest jeszcze w stanie temu zaprzeczyć.
Zajmuje wiodącą pozycję. Teorie alternatywne są zaprojektowane w taki sposób, że zasadniczo prowadzą do tych samych konsekwencji eksperymentalnych, co one. I to jest naturalne. Dlatego potrzebujemy nowych faktów, które zmiatłyby błędne teorie.
W skrócie, jak sformułowałbyś znaczenie tego odkrycia?
W rzeczywistości rozpoczęła się astronomia grawitacyjna. I po raz pierwszy zahaczyły się fale krzywizny przestrzeni. Nie pośrednio, ale bezpośrednio. Człowiek podziwia siebie: jakim jestem sukinsynem!
Wczoraj świat był zszokowany sensacją: naukowcy w końcu odkryli fale grawitacyjne, których istnienie przepowiadał Einstein sto lat temu. To przełom. Zakłócenie czasoprzestrzeni (są to fale grawitacyjne – teraz wyjaśnimy o co chodzi) odkryto w obserwatorium LIGO, a jednym z jego założycieli jest – jak myślicie? – Kip Thorne, autor książki.
Opowiadamy, dlaczego odkrycie fal grawitacyjnych jest tak ważne, co powiedział Mark Zuckerberg i oczywiście dzielimy się tą historią w pierwszej osobie. Kip Thorne jak nikt inny wie, jak działa projekt, co czyni go niezwykłym i jakie znaczenie ma LIGO dla ludzkości. Tak, tak, wszystko jest takie poważne.
Odkrycie fal grawitacyjnych
Świat naukowy na zawsze zapamięta datę 11 lutego 2016 r. Tego dnia uczestnicy projektu LIGO ogłosili: po wielu daremnych próbach odnaleziono fale grawitacyjne. To jest rzeczywistość. Tak naprawdę odkryto je nieco wcześniej: we wrześniu 2015 roku, ale wczoraj odkrycie zostało oficjalnie uznane. W Opiekun wierzymy, że naukowcy z pewnością otrzymają Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Przyczyną fal grawitacyjnych jest zderzenie dwóch czarnych dziur, które miało miejsce już... miliard lat świetlnych od Ziemi. Czy możesz sobie wyobrazić, jak ogromny jest nasz Wszechświat! Ponieważ czarne dziury są bardzo masywnymi ciałami, wysyłają zmarszczki w czasoprzestrzeni, lekko ją zniekształcając. Pojawiają się więc fale podobne do tych, które rozchodzą się od kamienia wrzuconego do wody.
Tak można sobie wyobrazić fale grawitacyjne docierające na Ziemię na przykład z tunelu czasoprzestrzennego. Rysunek z książki „Interstellar. Nauka za kulisami”
Powstałe wibracje zostały przekształcone w dźwięk. Co ciekawe, sygnał fal grawitacyjnych dociera z w przybliżeniu tą samą częstotliwością, co nasza mowa. Dzięki temu możemy na własne uszy usłyszeć, jak zderzają się czarne dziury. Posłuchaj, jak brzmią fale grawitacyjne.
I zgadnij co? Niedawno czarne dziury nie mają struktury, jak wcześniej sądzono. Ale nie było żadnych dowodów na to, że w zasadzie istnieją. A teraz jest. Czarne dziury naprawdę „żyją” we Wszechświecie.
Naukowcy uważają, że tak wygląda katastrofa – połączenie czarnych dziur.
11 lutego odbyła się wspaniała konferencja, w której wzięło udział ponad tysiąc naukowców z 15 krajów. Obecni byli także rosyjscy naukowcy. I oczywiście był Kip Thorne. „To odkrycie jest początkiem niesamowitych, wspaniałych poszukiwań ludzi: poszukiwania i eksploracji zakrzywionej strony Wszechświata – obiektów i zjawisk powstałych ze zniekształconej czasoprzestrzeni. Zderzenia czarnych dziur i fale grawitacyjne to nasze pierwsze niezwykłe przykłady” – powiedział Kip Thorne.
Poszukiwanie fal grawitacyjnych jest jednym z głównych problemów fizyki. Teraz je odnaleziono. Geniusz Einsteina został ponownie potwierdzony.
W październiku przeprowadziliśmy wywiad z Siergiejem Popowem, rosyjskim astrofizykiem i znanym popularyzatorem nauki. Wyglądał, jakby patrzył w wodę! Jesienią: „Wydaje mi się, że jesteśmy teraz u progu nowych odkryć, co wiąże się przede wszystkim z pracą detektorów fal grawitacyjnych LIGO i VIRGO (Kip Thorne wniósł duży wkład w powstanie projektu LIGO) .” Niesamowite, prawda?
Fale grawitacyjne, detektory fal i LIGO
Cóż, teraz trochę fizyki. Dla tych, którzy naprawdę chcą zrozumieć, czym są fale grawitacyjne. Oto artystyczne przedstawienie linii ścięgien dwóch czarnych dziur krążących wokół siebie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, a następnie zderzających się. Linie Tendex generują grawitację pływową. Zacząć robić. Linie, które wychodzą z dwóch najbardziej oddalonych od siebie punktów na powierzchni pary czarnych dziur, rozciągają wszystko na swojej drodze, łącznie z przyjacielem artysty na rysunku. Linie wychodzące z obszaru kolizji ściskają wszystko.
Gdy dziury obracają się wokół siebie, przenoszą wzdłuż swoich linii ścięgien, które przypominają strumienie wody z wirującego zraszacza na trawniku. Na zdjęciu z książki „Interstellar. Nauka za kulisami” – para zderzających się czarnych dziur, obracających się wokół siebie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, oraz ich linie ścięgien.
Czarne dziury łączą się w jedną duża dziura; jest zdeformowany i obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, ciągnąc za sobą linie ścięgien. Nieruchomy obserwator z dala od dziury odczuje wibracje, gdy linie ścięgien przechodzą przez niego: rozciąganie, potem ściskanie, wreszcie rozciąganie - linie ścięgien stały się falą grawitacyjną. W miarę rozprzestrzeniania się fal deformacja czarnej dziury stopniowo maleje, a fale również słabną.
Kiedy fale te docierają do Ziemi, wyglądają jak ta pokazana na górze poniższego rysunku. Rozciągają się w jednym kierunku i ściskają w drugim. Rozciągnięcia i zagęszczenia oscylują (od czerwonego prawego lewego, niebieskiego prawego lewego, czerwonego prawego lewego itd.), gdy fale przechodzą przez detektor na dole figury.
Fale grawitacyjne przechodzące przez detektor LIGO.
Detektor składa się z czterech dużych luster (40 kilogramów i średnicy 34 centymetrów), które są przymocowane do końców dwóch prostopadłych rur, zwanych ramionami detektora. Linie Tendex fal grawitacyjnych rozciągają jedno ramię, ściskając drugie, a następnie odwrotnie, ściskają pierwsze i rozciągają drugie. I tak w kółko. Ponieważ długość ramion zmienia się okresowo, zwierciadła poruszają się względem siebie, a ruchy te są śledzone za pomocą wiązek laserowych w sposób zwany interferometrią. Stąd nazwa LIGO: Obserwatorium Fal Grawitacyjnych z Interferometrem Laserowym.
Centrum sterowania LIGO, skąd wysyłają polecenia do detektora i monitorują odbierane sygnały. Detektory grawitacyjne Siedziby LIGO znajdują się w Hanford w stanie Waszyngton i Livingston w Luizjanie. Zdjęcie z książki „Interstellar. Nauka za kulisami”
Teraz LIGO to międzynarodowy projekt, w którym bierze udział 900 naukowców różne kraje z siedzibą w California Institute of Technology.
Zakrzywiona strona wszechświata
Czarne dziury, tunele czasoprzestrzenne, osobliwości, anomalie i wymiary grawitacyjne wyższy porządek związane z zakrzywieniem przestrzeni i czasu. Dlatego Kip Thorne nazywa je „pokręconą stroną wszechświata”. Ludzkość wciąż posiada bardzo mało danych eksperymentalnych i obserwacyjnych z zakrzywionej strony Wszechświata. Dlatego tak dużą wagę przywiązujemy do fal grawitacyjnych: składają się one z zakrzywionej przestrzeni i zapewniają nam najbardziej dostępny sposób badania zakrzywionej strony.
Wyobraź sobie, że widziałeś ocean tylko wtedy, gdy był spokojny. Nie miałbyś pojęcia o prądach, wirach i falach sztormowych. Przypomina to naszą obecną wiedzę o krzywiźnie przestrzeni i czasu.
Prawie nic nie wiemy o tym, jak zakrzywiona przestrzeń i zakrzywiony czas zachowują się „podczas burzy” – kiedy kształt przestrzeni ulega gwałtownym zmianom i kiedy zmienia się prędkość czasu. To niezwykle kusząca granica wiedzy. Naukowiec John Wheeler ukuł termin „geometrodynamika” dla określenia tych zmian.
Szczególnie interesujące w dziedzinie geometrii jest zderzenie dwóch czarnych dziur.
Zderzenie dwóch nierotujących czarnych dziur. Model z książki „Interstellar. Nauka za kulisami”
Powyższe zdjęcie pokazuje moment zderzenia dwóch czarnych dziur. Właśnie takie wydarzenie pozwoliło naukowcom zarejestrować fale grawitacyjne. Model ten jest zbudowany dla nierotujących czarnych dziur. U góry: orbity i cienie dziur widziane z naszego Wszechświata. Środek: zakrzywiona przestrzeń i czas widziane z masy (wielowymiarowa hiperprzestrzeń); Strzałki pokazują, jak przestrzeń jest zaangażowana w ruch, a zmieniające się kolory pokazują, jak zakrzywiony jest czas. U dołu: Kształt emitowanych fal grawitacyjnych.
Fale grawitacyjne z Wielkiego Wybuchu
Przejdźmy do Kipa Thorne’a. „W 1975 roku Leonid Grischuk, mój dobry znajomy z Rosji, wygłosił sensacyjną wypowiedź. Powiedział to w tej chwili wielki wybuch powstało wiele fal grawitacyjnych, a mechanizm ich występowania (wcześniej nieznany) był następujący: fluktuacje kwantowe (losowe wahania – przyp. red.) pole grawitacyjne Podczas Wielkiego Wybuchu zostały one wielokrotnie wzmocnione w wyniku początkowej ekspansji Wszechświata i w ten sposób stały się pierwotnymi falami grawitacyjnymi. Fale te, jeśli zostaną wykryte, mogą nam powiedzieć, co wydarzyło się podczas narodzin naszego Wszechświata.”
Jeśli naukowcy odnajdą pierwotne fale grawitacyjne, dowiemy się, jak powstał Wszechświat.
Ludzie rozwiązali już wszystkie tajemnice Wszechświata. Jeszcze wiele przed nami.
W kolejnych latach, w miarę jak poprawiało się nasze zrozumienie Wielkiego Wybuchu, stało się oczywiste, że te pierwotne fale muszą być silne na długości fal proporcjonalnych do rozmiaru widzialnego Wszechświata, czyli na długości miliardów lat świetlnych. Czy możesz sobie wyobrazić, ile to jest?.. A przy długościach fal, które pokrywają detektory LIGO (setki i tysiące kilometrów), fale najprawdopodobniej będą zbyt słabe, aby je rozpoznać.
Zespół Jamiego Bocka zbudował aparat BICEP2, za pomocą którego odkryto ślad pierwotnych fal grawitacyjnych. Urządzenie znajdujące się na biegunie północnym pokazane jest tutaj podczas zmierzchu, który występuje tam tylko dwa razy w roku.
Urządzenie BICEP2. Zdjęcie z książki Interstellar. Nauka za kulisami”
Jest otoczony tarczami, które chronią urządzenie przed promieniowaniem z otaczającej pokrywy lodowej. Po prawej górny róg pokazuje ślad odkryty w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła - wzór polaryzacji. Linie pole elektryczne kierowane krótkimi, lekkimi pociągnięciami.
Ślad początku wszechświata
Na początku lat dziewięćdziesiątych kosmolodzy zdali sobie sprawę, że te fale grawitacyjne o długości miliardów lat świetlnych musiały pozostawić unikalny ślad w falach elektromagnetycznych wypełniających Wszechświat – tak zwane kosmiczne mikrofalowe tło, czyli kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła. To rozpoczęło poszukiwania Świętego Graala. Wszak jeśli wykryjemy ten ślad i wywnioskujemy z niego właściwości pierwotnych fal grawitacyjnych, możemy dowiedzieć się, jak narodził się Wszechświat.
W marcu 2014 roku, kiedy Kip Thorne pisał tę książkę, zespół Jamiego Boka, kosmologa z Caltech, którego biuro znajduje się obok biura Thorne'a, w końcu odkrył ten ślad w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła.
To absolutnie niesamowite odkrycie, ale jest jeden kontrowersyjny punkt: ślad znaleziony przez zespół Jamiego mógł być spowodowany czymś innym niż fale grawitacyjne.
Jeśli rzeczywiście odnaleziono ślad fal grawitacyjnych, które powstały podczas Wielkiego Wybuchu, oznacza to, że doszło do odkrycia kosmologicznego na poziomie, który zdarza się może raz na pół wieku. Daje szansę dotknięcia wydarzeń, które miały miejsce jedną bilionową bilionowej bilionowej sekundy po narodzinach Wszechświata.
Odkrycie to potwierdza teorie, że ekspansja Wszechświata w tamtym momencie była niezwykle szybka, w żargonie kosmologów – szybka inflacyjna. I zwiastuje nadejście nowej ery w kosmologii.
Fale grawitacyjne i międzygwiazdowe
Wczoraj na konferencji na temat odkrycia fal grawitacyjnych Walery Mitrofanow, szef moskiewskiej współpracy naukowców LIGO, w skład której wchodzi 8 naukowców z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, zauważył, że fabuła filmu „Interstellar”, choć fantastyczna, nie jest taka dalekie od rzeczywistości. A wszystko dlatego, że konsultantem naukowym był Kip Thorne. Sam Thorne wyraził nadzieję, że wierzy w przyszłe załogowe loty do czarnej dziury. Być może nie nastąpią one tak szybko, jak byśmy tego chcieli, ale dziś jest to o wiele bardziej realne niż wcześniej.
Niedaleki jest dzień, w którym ludzie opuszczą granice naszej galaktyki.
To wydarzenie poruszyło umysły milionów ludzi. Osławiony Mark Zuckerberg napisał: „Najwięcej jest wykrywanych fal grawitacyjnych wielkie odkrycie V nowoczesna nauka. Albert Einstein jest jednym z moich bohaterów, dlatego tak osobiście przyjąłem to odkrycie. Sto lat temu w ramach Ogólnej Teorii Względności (GTR) przewidział istnienie fal grawitacyjnych. Są jednak tak małe, że można je wykryć, że zaczęto ich szukać w źródłach takich wydarzeń, jak Wielki Wybuch, eksplozje gwiazd i zderzenia czarnych dziur. Kiedy naukowcy analizują uzyskane dane, jest to idealne rozwiązanie Nowy wygląd do kosmosu. Być może rzuci to światło na pochodzenie Wszechświata, narodziny i rozwój czarnych dziur. Bardzo inspirująca jest myśl o tym, ile istnień ludzkich i wysiłków włożono w odkrycie tej tajemnicy Wszechświata. Ten przełom stał się możliwy dzięki talentowi genialnych naukowców i inżynierów, ludzi różne narodowości, a także najnowsze technologie komputerowe, który pojawił się dopiero niedawno. Gratulacje dla wszystkich zaangażowanych. Einstein byłby z ciebie dumny.”
To jest przemówienie. A to jest osoba, która po prostu interesuje się nauką. Można sobie wyobrazić, jaka burza emocji ogarnęła naukowców, którzy przyczynili się do odkrycia. Wydaje się, że jesteśmy świadkami nowej ery, przyjaciele. To jest niesamowite.
P.S. Podobało Ci się? Zapisz się do naszego newslettera na temat horyzontów. Raz w tygodniu wysyłamy listy edukacyjne i udzielamy rabatów na książki MIT.
11 lutego 2016 roku na zawsze zapisze się w historii. W tym dniu jeden z najwspanialszych odkrycia naukowe niedawnych czasach - przewidziana prawie sto lat temu przez ogólną teorię względności Alberta Einsteina. Zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni, które zniekształcają przestrzeń i czas wokół niej, dotarły do Ziemi i zostały po raz pierwszy bezpośrednio wykryte.
„Otwieramy Nowa era- era astronomii fal grawitacyjnych. Można to porównać do pojawienia się teleskopu lub radioastronomii. Mamy nowe narzędzie do badania Wszechświata” – mówi jeden z uczestników projektu LIGO, szef grupy Coherent Microoptics and Radio Photonics w Russian Quantum Center (RCC), Michaił Gorodecki.
Międzynarodowy projekt LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), dotyczący laserowego interferometrycznego obserwatorium fal grawitacyjnych, rozpoczął się w 1992 roku i obecnie angażuje naukowców z 15 krajów. Od samego początku towarzyszyły nam eksperymenty Fizycy rosyjscy, w tym grupy naukowe pod kierunkiem profesora Wydziału Fizyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego Walerego Mitrofanowa.
Dziś Walery Mitrofanow i inni wybitni rosyjscy fizycy wzięli udział w konferencji prasowej, na której szczegółowo opowiedzieli o odkryciu. Poniżej zapis wideo konferencji prasowej. Profesor Mitrofanow mówi pierwszy, najpierw komentuje na żywo nadawane z Waszyngtonu. Tam oficjalnie ogłoszono sensacyjną wiadomość, o której krążyły już od kilku tygodni.
Następnie sam Walery Mitrofanow krótko wyjaśnił strona techniczna Jak przebiegł eksperyment:
„Sygnał został przechwycony z dwóch czarnych dziur, które znajdują się w odległości około 1,3 miliarda lat świetlnych od nas. Dziury krążyły wokół siebie i ostatecznie połączyły się w jedną. Fale grawitacyjne zasygnalizowały to rozbłyskiem, który został zarejestrowany przez detektory. Należy podkreślić, że jest to bezpośredni zapis fal, a nie pośredni. Za pośrednictwo Nagrodę Nobla przyznano w 1993 roku. Detektory odebrały sygnał przy temperaturze 10 minus 19 stopni metra. To jest dziś ekstremalna precyzja pomiarów, jakie udało się dotychczas osiągnąć na Ziemi.Jeśli chodzi o wkład rosyjskich naukowców, to przede wszystkim stworzenie systemów, które umożliwiają odizolowanie tak słabego sygnału od tła szumu. Zadanie, szczerze mówiąc, jest niezwykle trudne.”
Czarne dziury miały masę około 30 mas Słońca każda i obracały się wokół siebie z częstotliwością 150 Hz. Masa po połączeniu była o trzy masy Słońca mniejsza od sumy mas przed połączeniem: pozostała energia została wyemitowana w postaci fal grawitacyjnych.
Po dotarciu do Ziemi fale grawitacyjne zaczęły zniekształcać naszą czasoprzestrzeń. W związku z tym odległość między elementami anteny obserwatorium LIGO zaczęła okresowo się zmieniać, co rejestrowały detektory wiązki laserowej.
Fale grawitacyjne zarejestrowano 14 września 2015 roku o godzinie 13:51 czasu moskiewskiego.
"Ten ostateczne osiągnięcie ludzka cywilizacja, powiedział profesor MSU Siergiej Wiatczanin. - LIGO prawie osiągnęło granicę pomiaru kwantowego. Udało się zarejestrować przemieszczenie dwóch makroskopowych obiektów o wadze kilku kilogramów i oddalonych o kilka kilometrów z dokładnością przewidywaną przez niepewność kwantową Heisenberga.”
„Teraz mamy tylko dwa detektory, ale nawet dzięki nim będziemy w stanie określić masy obiektów i oszacować je na podstawie czasu opóźnienia przybliżona pozycja na niebie” – powiedział jeden z autorów odkrycia, dyrektor naukowy Rosyjskiego Centrum Kwantowego, profesor Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego Michaił Gorodecki. „W przypadku dwóch anten lokalizacja nie jest zbyt dobra – na niebie jest jakiś łuk, ale gdy trzecia europejska antena grawitacyjna będzie w pełni sprawna, będziemy w stanie dość dokładnie określić położenie źródeł metodą triangulacji”.
Antena w kształcie litery L i obserwatorium LIGO w Luizjanie
Nawiasem mówiąc, to rosyjscy fizycy zaproponowali zawieszenie zwierciadeł na niciach kwarcowych zamiast stali (promienie lasera odbijały się od zwierciadeł w każdym czterokilometrowym ramieniu interferometru w kształcie litery L), co zmniejszyło obce szumy w systemie. Bez tego odkrycie prawie by nie miało miejsca.
Zapis wideo konferencji prasowej
Fale grawitacyjne - grafika artystyczna
Fale grawitacyjne to zaburzenia metryki czasoprzestrzeni, które odrywają się od źródła i rozchodzą się jak fale (tzw. „zmarszczenia czasoprzestrzeni”).
Ogólna teoria względności i większość innych współczesne teorie W grawitacji fale grawitacyjne powstają w wyniku ruchu masywnych ciał ze zmiennym przyspieszeniem. Fale grawitacyjne rozchodzą się swobodnie w przestrzeni z prędkością światła. Ze względu na względną słabość siły grawitacyjne(w porównaniu do innych) fale te mają bardzo małą wielkość, która jest trudna do zarejestrowania.
Spolaryzowana fala grawitacyjna
Fale grawitacyjne przewiduje ogólna teoria względności (GR) i wiele innych. Po raz pierwszy zostały bezpośrednio wykryte we wrześniu 2015 r. przez dwa bliźniacze detektory, które wykryły fale grawitacyjne, prawdopodobnie powstałe w wyniku połączenia dwóch i utworzenia jeszcze jednego, masywnego wirującego detektora. czarna dziura. Pośrednie dowody na ich istnienie znane są od lat 70. XX wieku – ogólna teoria względności przewiduje współczynniki zbieżności zgodne z obserwacjami szczelne systemy wskutek utraty energii na skutek emisji fal grawitacyjnych. Bezpośrednia rejestracja fal grawitacyjnych i ich wykorzystanie do wyznaczania parametrów procesów astrofizycznych ważne zadanie współczesna fizyka i astronomia.
W ramach ogólnej teorii względności fale grawitacyjne opisywane są rozwiązaniami falowych równań Einsteina, które reprezentują zaburzenie metryki czasoprzestrzeni poruszającej się z prędkością światła (w przybliżeniu liniowym). Przejawem tego oburzenia powinno być w szczególności: okresowa zmiana odległości między dwiema swobodnie opadającymi (to znaczy na które nie działają żadne siły) masami testowymi. Amplituda H fala grawitacyjna jest wielkością bezwymiarową – względną zmianą odległości. Przewidywane maksymalne amplitudy fal grawitacyjnych z obiektów astrofizycznych (na przykład zwartych układów podwójnych) i zjawisk (eksplozji, fuzji, przechwytywania przez czarne dziury itp.) w momencie pomiaru są bardzo małe ( H=10-18-10-23). Słaba (liniowa) fala grawitacyjna, zgodnie z ogólną teorią względności, przenosi energię i pęd, porusza się z prędkością światła, jest poprzeczna, kwadrupolowa i opisana jest przez dwie niezależne składowe położone względem siebie pod kątem 45° ( ma dwa kierunki polaryzacji).
Różne teorie w różny sposób przewidują prędkość rozchodzenia się fal grawitacyjnych. W ogólnej teorii względności jest ona równa prędkości światła (w przybliżeniu liniowym). W innych teoriach grawitacji może przyjmować dowolną wartość, łącznie z nieskończonością. Według pierwszej rejestracji fal grawitacyjnych ich rozproszenie okazało się zgodne z bezmasowym grawitonem, a prędkość oszacowano na równa prędkości Swieta.
Generacja fal grawitacyjnych
Układ dwóch gwiazd neutronowych tworzy zmarszczki w czasoprzestrzeni
Fala grawitacyjna jest emitowana przez każdą materię poruszającą się z asymetrycznym przyspieszeniem. Aby wystąpiła fala o znacznej amplitudzie, niezwykle duża masa emitera i/lub ogromnych przyspieszeń, amplituda fali grawitacyjnej jest wprost proporcjonalna pierwsza pochodna przyspieszenia i masa generatora, czyli ~ . Jeśli jednak obiekt porusza się z przyspieszeniem, oznacza to, że działa na niego pewna siła z innego obiektu. Z kolei tego innego obiektu doświadcza działanie odwrotne(zgodnie z III zasadą Newtona) okazuje się, że M 1 A 1 = − M 2 A 2 . Okazuje się, że dwa obiekty emitują fale grawitacyjne tylko parami, a w wyniku interferencji są one niemal całkowicie zniesione. Dlatego promieniowanie grawitacyjne w ogólnej teorii względności wielobiegunowość ma zawsze charakter promieniowania co najmniej kwadrupolowego. Dodatkowo dla emiterów nierelatywistycznych w wyrażeniu na natężenie promieniowania występuje mały parametr, w którym jest promień grawitacyjny emitera, R- jego charakterystyczny rozmiar, T - okres charakterystyczny ruchy, C- prędkość światła w próżni.
Bardzo mocne źródła fale grawitacyjne to:
- zderzenie (olbrzymie masy, bardzo małe przyspieszenia),
- zapadnięcie grawitacyjne system podwójny zwarte obiekty(kolosalne przyspieszenia przy dość duża masa). Jako prywatny i najbardziej ciekawy przypadek- połączenie gwiazd neutronowych. W takim układzie jasność fali grawitacyjnej jest bliska maksymalnej jasności Plancka możliwej w przyrodzie.
Fale grawitacyjne emitowane przez układ dwóch ciał
Dwa ciała poruszające się po orbitach kołowych centrum ogólne szerokie rzesze
Dwa grawitacyjne związane ciało z masami M 1 i M 2, poruszając się nierelatywistycznie ( w << C) na orbitach kołowych wokół wspólnego środka masy w pewnej odległości R emitują od siebie fale grawitacyjne o średniej energii w okresie:
W rezultacie układ traci energię, co prowadzi do zbieżności ciał, czyli zmniejszenia odległości między nimi. Prędkość zbliżania się ciał:
Na przykład w Układzie Słonecznym największe promieniowanie grawitacyjne wytwarza podukład i . Moc tego promieniowania wynosi około 5 kilowatów. Zatem energia tracona przez Układ Słoneczny na promieniowanie grawitacyjne w ciągu roku jest całkowicie znikoma w porównaniu z charakterystyczną energią kinetyczną ciał.
Zapadnięcie się grawitacyjne układu podwójnego
Każda gwiazda podwójna, gdy jej składniki obracają się wokół wspólnego środka masy, traci energię (zgodnie z założeniami - na skutek emisji fal grawitacyjnych) i ostatecznie łączy się ze sobą. Ale w przypadku zwykłych, niezwartych gwiazd podwójnych proces ten zajmuje bardzo dużo czasu, znacznie dłużej niż obecnie. Jeśli zwarty układ podwójny składa się z pary gwiazd neutronowych, czarnych dziur lub kombinacji obu, wówczas połączenie może nastąpić w ciągu kilku milionów lat. Po pierwsze, obiekty zbliżają się do siebie, a ich okres obrotu maleje. Następnie w końcowym etapie następuje zderzenie i asymetryczne zapadnięcie grawitacyjne. Proces ten trwa ułamek sekundy i w tym czasie energia ulega zniszczeniu w postaci promieniowania grawitacyjnego, które według niektórych szacunków stanowi ponad 50% masy układu.
Podstawowe dokładne rozwiązania równań Einsteina dla fal grawitacyjnych
Fale ciała Bondi-Pirani-Robinsona
Fale te opisuje się metryką postaci . Jeśli wprowadzimy zmienną i funkcję, to z ogólnych równań teorii względności otrzymamy równanie
Metryka Takeno
ma postać , -funkcje spełniają to samo równanie.
Metryka Rosena
Gdzie zaspokoić
metryka Pereza
W której
Cylindryczne fale Einsteina-Rosena
We współrzędnych cylindrycznych fale takie mają postać i są wykonywane
Rejestracja fal grawitacyjnych
Rejestracja fal grawitacyjnych jest dość trudna ze względu na słabość tej ostatniej (niewielkie zniekształcenie metryki). Urządzeniami do ich rejestracji są detektory fal grawitacyjnych. Próby wykrywania fal grawitacyjnych podejmowane są od końca lat 60. XX wieku. Fale grawitacyjne o wykrywalnej amplitudzie powstają podczas zapadania się układu podwójnego. Podobne zdarzenia mają miejsce w okolicy mniej więcej raz na dekadę.
Z kolei ogólna teoria względności przewiduje przyspieszenie wzajemnego obrotu gwiazd podwójnych na skutek utraty energii w emisji fal grawitacyjnych, a efekt ten wiarygodnie rejestruje się w kilku znanych układach podwójnych obiektów zwartych (w szczególności , pulsary ze zwartymi towarzyszami). W 1993 roku „za odkrycie nowego typu pulsara, który zapewnił nowe możliwości w badaniu grawitacji” odkrywcom pierwszego podwójnego pulsara PSR B1913+16, Russellowi Hulse i Josephowi Taylorowi Jr. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Przyspieszenie rotacji obserwowane w tym układzie całkowicie pokrywa się z przewidywaniami ogólnej teorii względności dotyczącymi emisji fal grawitacyjnych. To samo zjawisko zarejestrowano w kilku innych przypadkach: dla pulsarów PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (zwykle w skrócie J0651) oraz układu podwójnego RX J0806. Na przykład odległość między dwoma składnikami A i B pierwszej gwiazdy podwójnej dwóch pulsarów PSR J0737-3039 zmniejsza się o około 2,5 cala (6,35 cm) dziennie z powodu utraty energii na rzecz fal grawitacyjnych, co jest zgodne z ogólna teoria względności . Wszystkie te dane interpretuje się jako pośrednie potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych.
Według szacunków najsilniejszym i najczęstszym źródłem fal grawitacyjnych dla teleskopów i anten grawitacyjnych są katastrofy związane z zapadnięciem się układów podwójnych w pobliskich galaktykach. Oczekuje się, że w najbliższej przyszłości na ulepszonych detektorach grawitacyjnych będzie rejestrowanych kilka podobnych zdarzeń rocznie, zniekształcając metrykę w okolicy o 10 −21 -10 −23 . Pierwsze obserwacje optyczno-metrycznego sygnału rezonansu parametrycznego, umożliwiającego wykrycie wpływu fal grawitacyjnych ze źródeł okresowych, takich jak bliski układ podwójny, na promieniowanie kosmicznych maserów, można było uzyskać w Obserwatorium Radioastronomicznym Rosji Akademia Nauk w Puszczynie.
Inną możliwością wykrywania tła fal grawitacyjnych wypełniających Wszechświat jest bardzo precyzyjne mierzenie czasu odległych pulsarów – analiza czasu nadejścia ich impulsów, który charakterystycznie zmienia się pod wpływem fal grawitacyjnych przechodzących przez przestrzeń pomiędzy Ziemią a pulsarem. Szacunki na rok 2013 wskazują, że dokładność synchronizacji musi zostać poprawiona o około jeden rząd wielkości, aby wykryć fale tła z wielu źródeł w naszym Wszechświecie, a zadanie to można zrealizować przed końcem dekady.
Według współczesnych koncepcji nasz Wszechświat wypełniony jest reliktowymi falami grawitacyjnymi, które pojawiły się w pierwszych chwilach później. Ich rejestracja umożliwi uzyskanie informacji o procesach zachodzących na początku narodzin Wszechświata. 17 marca 2014 roku o godzinie 20:00 czasu moskiewskiego w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics amerykańska grupa badaczy pracujących nad projektem BICEP 2 ogłosiła wykrycie niezerowych zaburzeń tensorowych we wczesnym Wszechświecie w wyniku polaryzacji promieniowania kosmicznego mikrofalowe promieniowanie tła, co jest jednocześnie odkryciem tych reliktowych fal grawitacyjnych. Jednak niemal natychmiast wynik ten został zakwestionowany, ponieważ, jak się okazało, wkład nie został należycie uwzględniony. Jeden z autorów, J. M. Kovats ( Kovac J. M.), przyznał, że „uczestnicy i dziennikarze naukowi trochę pośpieszyli się z interpretacją i raportowaniem danych z eksperymentu BICEP2”.
Eksperymentalne potwierdzenie istnienia
Pierwszy zarejestrowany sygnał fali grawitacyjnej. Po lewej stronie dane z detektora w Hanford (H1), po prawej - w Livingston (L1). Czas liczony jest od 14 września 2015, 09:50:45 UTC. Do wizualizacji sygnału filtrowano go filtrem częstotliwościowym o paśmie przepustowym 35-350 Hz w celu stłumienia dużych wahań poza zakresem wysokiej czułości detektorów; zastosowano także filtry pasmowo-zaporowe do tłumienia szumów samych instalacji. Górny rząd: napięcia h w czujkach. GW150914 po raz pierwszy dotarł do L1 i 6 9 +0 5 −0 4 ms później do H1; Dla porównania wizualnego dane z H1 przedstawiono na wykresie L1 w formie odwróconej i przesuniętej w czasie (w celu uwzględnienia względnej orientacji detektorów). Drugi rząd: napięcia h z sygnału fali grawitacyjnej, przepuszczane przez ten sam filtr środkowoprzepustowy 35-350 Hz. Linia ciągła to wynik numerycznej teorii względności dla układu o parametrach zgodnych z ustalonymi na podstawie badania sygnału GW150914, uzyskanego za pomocą dwóch niezależnych kodów z wynikiem zgodności 99,9. Szare, grube linie to obszary ufności 90% przebiegu zrekonstruowanego na podstawie danych z detektora dwiema różnymi metodami. Ciemnoszara linia modeluje oczekiwane sygnały z połączenia czarnych dziur, jasnoszara linia nie wykorzystuje modeli astrofizycznych, ale przedstawia sygnał jako liniową kombinację fal sinusoidalno-gaussowskich. Rekonstrukcje pokrywają się w 94%. Rząd trzeci: Błędy resztkowe po wyodrębnieniu przefiltrowanej predykcji sygnału numerycznej teorii względności z przefiltrowanego sygnału detektorów. Dolny rząd: Reprezentacja mapy częstotliwości napięcia, pokazująca wzrost dominującej częstotliwości sygnału w czasie.
11 lutego 2016 r., dzięki współpracy LIGO i VIRGO. Sygnał połączenia dwóch czarnych dziur o maksymalnej amplitudzie około 10-21 został zarejestrowany 14 września 2015 roku o godzinie 9:51 UTC przez dwa detektory LIGO w Hanford i Livingston, oddalone od siebie o 7 milisekund, w obszarze maksymalnej amplitudy sygnału ( 0,2 sekundy) łącznie stosunek sygnału do szumu wyniósł 24:1. Sygnał oznaczono jako GW150914. Kształt sygnału odpowiada przewidywaniom ogólnej teorii względności dotyczącym połączenia dwóch czarnych dziur o masach 36 i 29 mas Słońca; powstała czarna dziura powinna mieć masę 62 mas Słońca i parametr rotacji A= 0,67. Odległość do źródła wynosi około 1,3 miliarda, energia wyemitowana w ciągu dziesiątych części sekundy podczas fuzji jest odpowiednikiem około 3 mas Słońca.
Fabuła
Historia samego terminu „fala grawitacyjna”, teoretyczne i eksperymentalne poszukiwania tych fal oraz ich wykorzystanie do badania zjawisk niedostępnych innymi metodami.
- 1900 - Lorentz zasugerował, że grawitacja „...może rozprzestrzeniać się z prędkością nie większą niż prędkość światła”;
- 1905 – Poincaré jako pierwszy wprowadził termin fala grawitacyjna (onde gravifique). Poincaré na poziomie jakościowym usunął ustalone zastrzeżenia Laplace'a i wykazał, że poprawki związane z falami grawitacyjnymi do ogólnie przyjętych praw grawitacji Newtona zostają zniesione, zatem założenie o istnieniu fal grawitacyjnych nie przeczy obserwacjom;
- 1916 - Einstein wykazał, że w ramach ogólnej teorii względności układ mechaniczny przekaże energię falom grawitacyjnym i, z grubsza mówiąc, każdy obrót względem gwiazd stałych musi prędzej czy później się zatrzymać, chociaż oczywiście w normalnych warunkach występują straty energii rzędu wielkości są znikome i praktycznie niemierzalne (w pracy tej błędnie sądził także, że układ mechaniczny stale zachowujący symetrię kulistą może emitować fale grawitacyjne);
- 1918 - Einsteina wyprowadził wzór kwadrupolowy, w którym emisja fal grawitacyjnych okazuje się efektem porządku, korygując w ten sposób błąd w swojej poprzedniej pracy (pozostał błąd we współczynniku, energia fali jest 2 razy mniejsza);
- 1923 – Eddington – kwestionował fizyczną rzeczywistość fal grawitacyjnych „...rozchodzących się… z prędkością myśli”. W 1934 roku, przygotowując rosyjskie tłumaczenie swojej monografii „Teoria względności”, Eddington dodał kilka rozdziałów, w tym rozdziały z dwiema opcjami obliczania strat energii przez obracający się pręt, zauważył jednak, że metody stosowane do przybliżonych obliczeń ogólnej teorii względności, jego zdaniem nie mają zastosowania do układów związanych grawitacyjnie, stąd wątpliwości pozostają;
- 1937 - Einstein wraz z Rosenem badali rozwiązania fal cylindrycznych do dokładnych równań pola grawitacyjnego. W trakcie tych badań zaczęto wątpić, czy fale grawitacyjne mogą być artefaktem przybliżonych rozwiązań równań ogólnej teorii względności (znana jest korespondencja dotycząca recenzji artykułu „Czy fale grawitacyjne istnieją?” Einsteina i Rosena). Później znalazł błąd w swoim rozumowaniu i ostateczna wersja artykułu z zasadniczymi zmianami została opublikowana w Journal of the Franklin Institute;
- 1957 - Herman Bondi i Richard Feynman zaproponowali eksperyment myślowy z „laską paciorkową”, w którym udowodnili istnienie fizycznych konsekwencji fal grawitacyjnych w ogólnej teorii względności;
- 1962 - Władysław Pustowojt i Michaił Herzenstein opisali zasady stosowania interferometrów do wykrywania długofalowych fal grawitacyjnych;
- 1964 - Philip Peters i John Matthew teoretycznie opisali fale grawitacyjne emitowane przez układy podwójne;
- 1969 - Joseph Weber, twórca astronomii fal grawitacyjnych, donosi o wykryciu fal grawitacyjnych za pomocą detektora rezonansowego - mechanicznej anteny grawitacyjnej. Doniesienia te dają podstawę do szybkiego rozwoju prac w tym kierunku, w szczególności Rainier Weiss, jeden z założycieli projektu LIGO, rozpoczął wówczas eksperymenty. Do chwili obecnej (2015 rok) nikomu nie udało się uzyskać wiarygodnego potwierdzenia tych wydarzeń;
- 1978 – Józef Taylor poinformował o wykryciu promieniowania grawitacyjnego w układzie podwójnym pulsarów PSR B1913+16. Badania Josepha Taylora i Russella Hulse'a przyniosły im w 1993 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Według stanu na początek 2015 r. dla co najmniej 8 takich układów zmierzono trzy parametry postkeplerowskie, w tym redukcję okresu w wyniku emisji fal grawitacyjnych;
- 2002 - Sergey Kopeikin i Edward Fomalont wykorzystali interferometrię fal radiowych o ultradługiej linii bazowej do pomiaru odchylenia światła w polu grawitacyjnym Jowisza w dynamice, co dla pewnej klasy hipotetycznych rozszerzeń ogólnej teorii względności pozwala oszacować prędkość grawitacja - różnica w stosunku do prędkości światła nie powinna przekraczać 20% (ta interpretacja nie jest powszechnie akceptowana);
- 2006 - międzynarodowy zespół Marthy Bourgay (Obserwatorium Parkes, Australia) zgłosił znacznie dokładniejsze potwierdzenie ogólnej teorii względności i jej zgodność z wielkością promieniowania fal grawitacyjnych w układzie dwóch pulsarów PSR J0737-3039A/B;
- 2014 - Astronomowie z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (BICEP) poinformowali o wykryciu pierwotnych fal grawitacyjnych podczas pomiaru fluktuacji kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. W chwili obecnej (2016) uważa się, że wykryte fluktuacje nie mają pochodzenia reliktowego, ale można je wytłumaczyć emisją pyłu w Galaktyce;
- 2016 - międzynarodowy zespół LIGO zgłosiło wykrycie zdarzenia związanego z przejściem fali grawitacyjnej GW150914. Po raz pierwszy bezpośrednia obserwacja oddziałujących ze sobą masywnych ciał w ultrasilnych polach grawitacyjnych o ultrawysokich prędkościach względnych (< 1,2 × R s , v/c >0,5), co umożliwiło sprawdzenie poprawności ogólnej teorii względności z dokładnością do kilku postnewtonowskich wyrazów wysokich rzędów. Zmierzone rozproszenie fal grawitacyjnych nie stoi w sprzeczności z wcześniejszymi pomiarami rozproszenia i Górna granica masa hipotetycznego grawitonu (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.
11 lutego 2016 roku międzynarodowa grupa naukowców, w tym z Rosji, na konferencji prasowej w Waszyngtonie ogłosiła odkrycie, które prędzej czy później zmieni rozwój cywilizacji. W praktyce możliwe było udowodnienie istnienia fal grawitacyjnych czy fal czasoprzestrzeni. Ich istnienie przepowiedział 100 lat temu Albert Einstein w swoim.
Nikt nie wątpi, że to odkrycie zostanie nagrodzone nagroda Nobla. Naukowcy nie spieszą się z mówieniem na ten temat praktyczne zastosowanie. Przypominają jednak, że do niedawna ludzkość również nie wiedziała, co ze sobą zrobić fale elektromagnetyczne, co ostatecznie doprowadziło do prawdziwej rewolucji naukowo-technologicznej.
Czym w skrócie są fale grawitacyjne
Grawitacja i uniwersalna grawitacja- To jest to samo. Fale grawitacyjne są jednym z rozwiązań GPV. Muszą rozprzestrzeniać się z prędkością światła. Jest emitowany przez każde ciało poruszające się ze zmiennym przyspieszeniem.
Przykładowo obraca się po swojej orbicie ze zmiennym przyspieszeniem skierowanym w stronę gwiazdy. I to przyspieszenie ciągle się zmienia. Układ Słoneczny emituje energię rzędu kilku kilowatów w postaci fal grawitacyjnych. To niewielka ilość, porównywalna do 3 starych telewizorów kolorowych.
Inną rzeczą są dwa pulsary krążące wokół siebie ( gwiazdy neutronowe). Bardzo się kręcą bliskie orbity. Taką „parę” odkryli astrofizycy i zaobserwowali przez długi czas. Obiekty były gotowe spaść na siebie, co pośrednio wskazywało, że pulsary emitują fale czasoprzestrzenne, czyli energię w swoim polu.
Grawitacja to siła grawitacji. Jesteśmy przyciągani do ziemi. A istotą fali grawitacyjnej jest zmiana tego pola, które gdy do nas dociera, jest niezwykle słabe. Weźmy na przykład poziom wody w zbiorniku. Natężenie pola grawitacyjnego - przyspieszenie swobodny spadek w konkretnym punkcie. Fala przepływa przez nasz staw i nagle przyspieszenie swobodnego spadania zmienia się, tylko trochę.
Takie eksperymenty rozpoczęły się w latach 60. ubiegłego wieku. W tym czasie wymyślili coś takiego: zawiesili ogromny aluminiowy cylinder, chłodzony, aby uniknąć wewnętrznych wahań termicznych. I czekali, aż fala ze zderzenia np. dwóch masywnych czarnych dziur nagle do nas dotrze. Naukowcy byli pełni entuzjazmu i powiedzieli, że wszystko Ziemia mogą doświadczyć skutków nadchodzącej fali grawitacyjnej przestrzeń kosmiczna. Planeta zacznie wibrować i będzie można badać fale sejsmiczne (kompresję, ścinanie i fale powierzchniowe).
Ważny artykuł na temat urządzenia w prostym języku oraz jak Amerykanie i LIGO ukradli pomysł radzieckim naukowcom i zbudowali introferometry, które umożliwiły odkrycie. Nikt o tym nie mówi, wszyscy milczą!
Nawiasem mówiąc, promieniowanie grawitacyjne jest bardziej interesujące od pozycji kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, które próbują znaleźć, zmieniając widmo promieniowania elektromagnetycznego. Relikt i promieniowanie elektromagnetyczne pojawił się 700 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu, a następnie podczas ekspansji wszechświata, wypełniony gorącym gazem fale uderzeniowe, które później zamieniły się w galaktyki. W tym przypadku naturalnie powinna zostać wyemitowana gigantyczna, zadziwiająca liczba fal czasoprzestrzennych, wpływających na długość fali kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, które w tamtym czasie było jeszcze optyczne. Rosyjski astrofizyk Sazhin pisze i regularnie publikuje artykuły na ten temat.
Błędna interpretacja odkrycia fal grawitacyjnych
„Wisi lustro, działa na nie fala grawitacyjna i zaczyna oscylować. I nawet najbardziej nieznaczne wahania amplitudy mniejszy rozmiar jądro atomowe są zauważane przez instrumenty” – taką błędną interpretację zastosowano na przykład w artykule w Wikipedii. Nie bądź leniwy, znajdź artykuł radzieckich naukowców z 1962 roku.
Po pierwsze, lustro musi być masywne, aby można było wyczuć „fale”. Po drugie, należy go prawie schłodzić zero absolutne(w Kelwinach), aby uniknąć własnych wahań termicznych. Najprawdopodobniej nie tylko w XXI wieku, ale w ogóle nigdy nie będzie możliwe do wykrycia cząstka elementarna— nośnik fal grawitacyjnych: