Mengapa gelombang gravitasi memampatkan ruang. Gelombang gravitasi yang sulit dipahami

Sekarang kita hidup di alam semesta yang penuh dengan gelombang gravitasi.

Sampai pengumuman bersejarah Kamis pagi dari pertemuan National Science Foundation (NSF) di Washington, hanya ada rumor bahwa Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) telah menemukan komponen kunci dari Teori Relativitas Umum Albert Einstein, tetapi sekarang kita tahu kenyataan lebih dalam, dari yang kita duga.

Dengan kejernihan yang luar biasa, LIGO mampu "mendengar" momen sebelum penggabungan sistem biner (dua lubang hitam yang saling berputar) menjadi satu kesatuan, menciptakan sinyal gelombang gravitasi yang begitu jernih sesuai dengan model teoritis yang tidak memerlukan diskusi. LIGO menyaksikan "kelahiran kembali" lubang hitam yang kuat, yang terjadi sekitar 1,3 miliar tahun yang lalu.

Gelombang gravitasi selalu dan akan selalu melewati planet kita (sebenarnya, melewati kita), tetapi baru sekarang kita tahu bagaimana menemukannya. Sekarang kita telah membuka mata kita terhadap berbagai sinyal kosmik, getaran yang disebabkan oleh peristiwa energi yang diketahui, dan menyaksikan kelahiran bidang astronomi yang sama sekali baru.

Suara dua lubang hitam bergabung:

"Sekarang kita bisa mendengar alam semesta," kata Gabriela Gonzalez, fisikawan dan juru bicara LIGO, selama pertemuan kemenangan Kamis. "Penemuan ini telah mengantarkan era baru: Bidang astronomi gravitasi sekarang menjadi kenyataan."

Tempat kita di Semesta banyak berubah dan penemuan ini bisa menjadi fundamental, seperti penemuan gelombang radio dan pemahaman bahwa Semesta mengembang.

Teori Relativitas Menjadi Lebih Valid

Mencoba menjelaskan apa itu gelombang gravitasi dan mengapa mereka begitu penting sama rumitnya dengan persamaan yang menggambarkannya, tetapi menemukannya tidak hanya memperkuat teori Einstein tentang sifat ruangwaktu, kita sekarang memiliki alat untuk menyelidiki bagian alam semesta yang tidak terlihat oleh kami. Kita sekarang dapat mempelajari gelombang kosmik yang diciptakan oleh peristiwa paling energik di alam semesta, dan mungkin menggunakan gelombang gravitasi untuk membuat penemuan fisik baru dan mengeksplorasi fenomena astronomi baru.

"Sekarang kami harus membuktikan bahwa kami memiliki teknologi untuk melampaui penemuan gelombang gravitasi, karena ini membuka banyak peluang bagi kami," kata Lewis Lehner, dari Ontario Institute for Theoretical Physics, dalam sebuah wawancara setelah pernyataan Kamis.

Penelitian Lehner berfokus pada objek padat (seperti lubang hitam) yang menciptakan gelombang gravitasi yang kuat. Meskipun dia tidak terkait dengan kolaborasi LIGO, Lehner dengan cepat menyadari pentingnya penemuan bersejarah ini. "Tidak ada sinyal yang lebih baik," katanya.

Penemuan ini didasarkan pada tiga jalur, dia beralasan. Pertama, kita sekarang tahu bahwa gelombang gravitasi ada, dan kita tahu bagaimana mendeteksinya. Kedua, sinyal yang terdeteksi oleh stasiun LIGO pada 14 September 2015 merupakan bukti kuat adanya sistem biner lubang hitam, dan setiap lubang hitam memiliki berat beberapa puluh kali massa matahari. Sinyal tersebut persis seperti yang kami harapkan sebagai hasil penggabungan dua lubang hitam, yang satu berbobot 29 kali Matahari, dan yang lainnya 36 kali lipat. Ketiga, dan mungkin yang paling penting, "kemungkinan dikirim ke lubang hitam" jelas merupakan bukti terkuat keberadaan lubang hitam.

Intuisi kosmik

Peristiwa ini disertai dengan keberuntungan, seperti banyak penemuan ilmiah lainnya. LIGO adalah proyek terbesar yang didanai oleh National Science Foundation dan dimulai pada tahun 2002. Ternyata setelah bertahun-tahun mencari sinyal gelombang gravitasi yang sulit dipahami, LIGO tidak cukup sensitif dan pada 2010 observatorium dibekukan sementara kerja sama internasional sedang dilakukan untuk meningkatkan sensitivitasnya. Lima tahun kemudian, pada September 2015, "LIGO yang ditingkatkan" lahir.

Pada saat itu, salah satu pendiri LIGO dan kelas berat fisika teoretis Kip Thorne yakin dengan kesuksesan LIGO, mengatakan kepada BBC: "Kami di sini. Kami berada di pertandingan besar. Dan cukup jelas bahwa kita akan membuka tabir kerahasiaan.” Dan dia benar, beberapa hari setelah rekonstruksi, ledakan gelombang gravitasi menyapu planet kita, dan LIGO cukup sensitif untuk mendeteksinya.

Penggabungan lubang hitam ini tidak dianggap sebagai sesuatu yang istimewa; diperkirakan peristiwa seperti itu terjadi setiap 15 menit di suatu tempat di alam semesta. Tetapi penggabungan inilah yang terjadi di tempat yang tepat (pada jarak 1,3 miliar tahun cahaya) pada waktu yang tepat (1,3 miliar tahun lalu) bagi observatorium LIGO untuk menangkap sinyalnya. Itu adalah sinyal murni dari alam semesta, dan Einstein meramalkannya, dan gelombang gravitasinya ternyata nyata, menggambarkan peristiwa kosmik 50 kali lebih kuat daripada gabungan kekuatan semua bintang di alam semesta. Ledakan besar gelombang gravitasi ini direkam oleh LIGO sebagai sinyal kicauan frekuensi tinggi saat lubang hitam berputar menjadi satu.

Untuk mengkonfirmasi propagasi gelombang gravitasi, LIGO terdiri dari dua stasiun pengamatan, satu di Louisiana, yang lain di Washington. Untuk menghilangkan positif palsu, sinyal gelombang gravitasi harus dideteksi di kedua stasiun. Pada 14 September, hasilnya diperoleh pertama kali di Louisiana, dan setelah 7 milidetik di Washington. Sinyal cocok, dan dengan bantuan triangulasi, fisikawan dapat mengetahui bahwa mereka berasal dari langit Belahan Bumi Selatan.

Gelombang gravitasi: bagaimana mereka bisa berguna?

Jadi kami memiliki konfirmasi sinyal penggabungan lubang hitam, lalu bagaimana? Ini adalah penemuan bersejarah, yang dapat dimengerti - 100 tahun yang lalu, Einstein bahkan tidak dapat bermimpi untuk menemukan gelombang ini, tetapi itu benar-benar terjadi.

Teori relativitas umum adalah salah satu realisasi ilmiah dan filosofis yang paling mendalam dari abad ke-20 dan membentuk dasar dari penelitian paling intelektual dalam kenyataan. Dalam astronomi, penerapan relativitas umum sudah jelas: dari lensa gravitasi hingga pengukuran perluasan alam semesta. Namun penerapan praktis dari teori Einstein sama sekali tidak jelas, namun sebagian besar teknologi modern menggunakan pelajaran dari teori relativitas dalam beberapa hal yang dianggap sederhana. Misalnya, ambil satelit navigasi global, mereka tidak akan cukup akurat kecuali koreksi sederhana untuk pelebaran waktu (diprediksi oleh relativitas) diterapkan.

Jelas bahwa relativitas umum memiliki aplikasi di dunia nyata, tetapi ketika Einstein mempresentasikan teorinya pada tahun 1916, penerapannya sangat dipertanyakan, yang tampak jelas. Dia hanya menghubungkan Semesta seperti yang dia lihat, dan teori relativitas umum lahir. Dan sekarang komponen lain dari teori relativitas telah terbukti, tetapi bagaimana gelombang gravitasi dapat digunakan? Ahli astrofisika dan kosmolog pasti tertarik.

"Setelah kami mengumpulkan data dari pasangan lubang hitam yang akan bertindak sebagai suar yang tersebar di seluruh alam semesta," kata fisikawan teoretis Neil Turok, direktur Institut Fisika Teoritis pada hari Kamis selama presentasi video. "Kami akan dapat mengukur ekspansi kecepatan alam semesta, atau jumlah energi gelap dengan presisi ekstrim, jauh lebih tepat daripada yang kita bisa hari ini.”

“Einstein mengembangkan teorinya dengan beberapa petunjuk dari alam, tetapi berdasarkan urutan logis. Dalam 100 tahun, Anda melihat konfirmasi yang sangat akurat dari prediksinya.”

Apalagi, peristiwa 14 September memiliki beberapa fitur fisika yang masih perlu dieksplorasi. Misalnya, Lehner memperhatikan bahwa dari menganalisis sinyal gelombang gravitasi, seseorang dapat mengukur "putaran" atau momentum sudut dari penggabungan lubang hitam. "Jika Anda telah lama mengerjakan sebuah teori, Anda harus tahu bahwa lubang hitam memiliki putaran yang sangat, sangat istimewa," katanya.

Pembentukan gelombang gravitasi selama penggabungan dua lubang hitam:

Untuk beberapa alasan, rotasi akhir lubang hitam lebih lambat dari yang diperkirakan, menunjukkan bahwa lubang hitam bertabrakan dengan kecepatan rendah, atau mereka berada dalam tabrakan yang menyebabkan momentum sudut sambungan saling berlawanan. “Sangat menarik, mengapa alam melakukan ini?” kata Lehner.

Teka-teki baru-baru ini mungkin membawa kembali beberapa fisika dasar yang telah ditinggalkan, tetapi yang lebih menarik, ini mungkin mengungkapkan fisika "baru", tidak biasa yang tidak cocok dengan relativitas umum. Dan ini mengungkapkan aplikasi lain dari gelombang gravitasi: karena mereka diciptakan oleh fenomena gravitasi yang kuat, kita memiliki kemampuan untuk menyelidiki lingkungan ini dari jauh, dengan kemungkinan kejutan di sepanjang jalan. Selain itu, kita dapat menggabungkan pengamatan fenomena astrofisika dengan gaya elektromagnetik untuk lebih memahami struktur alam semesta.

Aplikasi?

Tentu saja, setelah pengumuman besar yang dibuat dari kompleks penemuan ilmiah, banyak orang di luar komunitas ilmiah bertanya-tanya bagaimana mereka dapat memengaruhi mereka. Kedalaman penemuan bisa hilang, yang tentu saja juga berlaku untuk gelombang gravitasi. Tetapi pertimbangkan kasus lain, ketika Wilhelm Roentgen menemukan sinar-X pada tahun 1895, ketika bereksperimen dengan tabung sinar katoda, hanya sedikit orang yang tahu bahwa hanya dalam beberapa tahun, gelombang elektromagnetik ini akan menjadi komponen kunci dalam pengobatan sehari-hari mulai dari diagnosis hingga pengobatan. Demikian pula, dengan penciptaan eksperimental pertama gelombang radio pada tahun 1887, Heinrich Hertz mengkonfirmasi persamaan elektromagnetik yang diketahui dari James Clerk Maxwell. Hanya setelah beberapa saat di tahun 90-an abad ke-20, Guglielmo Marconi, yang menciptakan pemancar radio dan penerima radio, membuktikan aplikasi praktisnya. Juga, persamaan Schrödinger yang menggambarkan dunia kompleks dinamika kuantum sekarang digunakan dalam pengembangan komputasi kuantum ultracepat.

Semua penemuan ilmiah berguna, dan banyak yang akhirnya memiliki aplikasi sehari-hari yang kita anggap remeh. Saat ini, penerapan praktis gelombang gravitasi terbatas pada astrofisika dan kosmologi - sekarang kita memiliki jendela di "alam semesta gelap" yang tidak terlihat oleh radiasi elektromagnetik. Tidak diragukan lagi, para ilmuwan dan insinyur akan menemukan kegunaan lain dari denyut kosmik ini selain merasakan alam semesta. Namun, untuk mendeteksi gelombang ini, harus ada kemajuan yang baik dalam teknologi optik di LIGO, di mana teknologi baru akan muncul dari waktu ke waktu.

Peserta dalam eksperimen ilmiah LIGO, di mana fisikawan Rusia juga berpartisipasi, mengumumkan pendaftaran gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh tabrakan dua lubang hitam oleh observatorium Amerika.

Gelombang gravitasi tercatat pada 14 September 2015, yang diumumkan pada 11 Februari 2016 pada konferensi pers khusus perwakilan LIGO di Washington. Butuh waktu enam bulan bagi para ilmuwan untuk memproses dan memverifikasi hasilnya. Ini dapat dianggap sebagai penemuan resmi gelombang gravitasi, karena untuk pertama kalinya mereka terdaftar langsung di Bumi. Hasil karyanya dipublikasikan di jurnal Physical Review Letters.

Fisikawan Universitas Negeri Moskow pada konferensi pers. Foto oleh Maxim Abaev.

Skema interferometer dan lokasinya di peta skema Amerika Serikat. Massa cermin uji pada gambar diberi nama Massa Uji.

Massa percobaan, mereka juga merupakan cermin interferometer, terbuat dari kuarsa yang menyatu. Foto: www.ligo.caltech.edu

Simulasi numerik gelombang gravitasi dari mendekati lubang hitam. Gambar: Surat Tinjauan Fisik http://physics.aps.org/articles/v9/17

Observatorium LIGO dekat Livingston, Louisiana. Foto: www.ligo.caltech.edu

Dengan demikian, salah satu masalah terpenting yang dihadapi fisikawan selama 100 tahun terakhir telah terpecahkan. Keberadaan gelombang gravitasi diprediksi oleh teori relativitas umum (GR) yang dikembangkan pada tahun 1915-1916 oleh Albert Einstein - teori fisika dasar yang menjelaskan struktur dan evolusi dunia kita. Relativitas umum, pada kenyataannya, adalah teori gravitasi, membangun hubungannya dengan sifat-sifat ruang-waktu. Benda-benda masif menghasilkan perubahan di dalamnya, yang biasa disebut kelengkungan ruang-waktu. Jika benda-benda ini bergerak dengan percepatan variabel, maka ada perubahan yang merambat dalam ruang-waktu, yang disebut gelombang gravitasi.

Masalah pendaftaran mereka adalah bahwa gelombang gravitasi sangat lemah, dan deteksi mereka dari sumber terestrial hampir tidak mungkin. Selama bertahun-tahun tidak mungkin untuk mendeteksi mereka dari sebagian besar objek luar angkasa. Harapan tetap hanya pada gelombang gravitasi dari bencana kosmik besar seperti ledakan supernova, tabrakan bintang neutron atau lubang hitam. Harapan-harapan ini beralasan. Dalam makalah ini, gelombang gravitasi dideteksi secara tepat dari penggabungan dua lubang hitam.

Untuk mendeteksi gelombang gravitasi pada tahun 1992, sebuah proyek besar diusulkan, yang disebut LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - laser-interferometric gravity-wave observatory). Teknologi untuk itu telah dikembangkan selama hampir dua puluh tahun. Dan itu dilaksanakan oleh dua pusat ilmiah terbesar di Amerika Serikat - Institut Teknologi California dan Massachusetts. Tim ilmiah bersama, kolaborasi LIGO, mencakup sekitar 1.000 ilmuwan dari 16 negara. Rusia diwakili oleh Universitas Negeri Moskow dan Institut Fisika Terapan Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia (Nizhny Novgorod)

LIGO mencakup observatorium di negara bagian Washington dan Louisiana, yang terletak pada jarak 3000 km, yang merupakan interferometer Michelson berbentuk L dengan dua lengan sepanjang 4 km. Sinar laser, melewati sistem cermin, dibagi menjadi dua sinar, yang masing-masing merambat di bahunya. Mereka memantul dari cermin dan kembali. Kemudian kedua gelombang cahaya ini, yang telah melewati jalur yang berbeda, ditambahkan ke dalam detektor. Awalnya, sistem diatur sehingga gelombang saling meniadakan, dan tidak ada yang mengenai detektor. Gelombang gravitasi mengubah jarak antara massa uji, yang secara bersamaan berfungsi sebagai cermin interferometer, yang mengarah pada fakta bahwa jumlah gelombang tidak lagi sama dengan nol dan intensitas sinyal pada fotodetektor akan sebanding dengan perubahan ini. Sinyal ini digunakan untuk mendaftarkan gelombang gravitasi.

Tahap pertama, awal, pengukuran berlangsung pada 2002-2010 dan tidak memungkinkan pendeteksian gelombang gravitasi. Sensitivitas perangkat tidak cukup (pergeseran hingga 4x10 -18 m dilacak). Kemudian diputuskan pada tahun 2010 untuk berhenti bekerja dan meningkatkan peralatan, meningkatkan sensitivitas lebih dari 10 kali lipat. Peralatan yang ditingkatkan, yang mulai bekerja pada paruh kedua tahun 2015, mampu melihat pergeseran dengan rekor 10 -19 m.Dan sudah dalam uji coba, para ilmuwan sedang menunggu penemuan, mereka mencatat gelombang gravitasi dari suatu peristiwa itu, setelah penelitian panjang, diidentifikasi sebagai penggabungan dua lubang hitam dengan massa pada 29 dan 36 massa matahari.

Bersamaan dengan Washington, konferensi pers juga diadakan di Moskow. Di atasnya, para peserta percobaan, yang mewakili Fakultas Fisika Universitas Negeri Moskow, berbicara tentang kontribusi mereka terhadap implementasinya. Grup VB Braginsky berpartisipasi dalam pekerjaan sejak awal proyek. Fisikawan Universitas Negeri Moskow memastikan perakitan struktur kompleks, yang diwakili oleh cermin interferometer yang secara bersamaan berfungsi sebagai massa uji.

Selain itu, tugas mereka termasuk memerangi fluktuasi asing (kebisingan), yang dapat mengganggu deteksi gelombang gravitasi. Spesialis Universitas Negeri Moskow yang membuktikan bahwa perangkat itu harus terbuat dari kuarsa yang menyatu, yang pada suhu operasi akan membuat lebih sedikit kebisingan daripada safir yang ditawarkan oleh peneliti lain. Secara khusus, untuk mengurangi kebisingan termal, perlu untuk memastikan bahwa osilasi massa uji yang ditangguhkan seperti bandul tidak membusuk untuk waktu yang sangat lama. Fisikawan MSU telah mencapai waktu peluruhan 5 tahun!

Keberhasilan pengukuran yang dilakukan akan memunculkan astronomi gelombang gravitasi baru dan akan memungkinkan untuk belajar banyak tentang Semesta. Mungkin fisikawan akan dapat mengungkap beberapa misteri materi gelap dan tahap awal perkembangan Semesta, serta melihat ke area di mana relativitas umum dilanggar.

Berdasarkan konferensi pers kerjasama LIGO.

, Amerika Serikat

Gelombang gravitasi akhirnya ditemukan

Ilmu pengetahuan populer

Osilasi dalam ruang-waktu ditemukan satu abad setelah diprediksi oleh Einstein. Era baru dalam astronomi dimulai.

Para ilmuwan telah mampu mendeteksi fluktuasi ruang-waktu yang disebabkan oleh penggabungan lubang hitam. Ini terjadi seratus tahun setelah Albert Einstein meramalkan "gelombang gravitasi" ini dalam teori relativitas umumnya, dan seratus tahun setelah fisikawan mulai mencarinya.

Penemuan penting itu dilaporkan hari ini oleh para peneliti di LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. Mereka mengkonfirmasi desas-desus yang mengelilingi analisis kumpulan data pertama yang mereka kumpulkan selama beberapa bulan. Ahli astrofisika mengatakan penemuan gelombang gravitasi memberikan cara baru untuk melihat alam semesta dan memungkinkan untuk mengenali peristiwa jauh yang tidak dapat dilihat di teleskop optik, tetapi Anda dapat merasakan dan bahkan mendengar getaran samar mereka mencapai kita melalui ruang angkasa.

“Kami telah mendeteksi gelombang gravitasi. Kita berhasil!" David Reitze, direktur eksekutif dari 1.000 anggota tim peneliti, mengumumkan pada konferensi pers di Washington DC di National Science Foundation hari ini.

Gelombang gravitasi mungkin merupakan fenomena prediksi Einstein yang paling sulit dipahami, ilmuwan mendiskusikan topik ini dengan orang-orang sezamannya selama beberapa dekade. Menurut teorinya, ruang dan waktu membentuk materi peregangan yang membengkok di bawah pengaruh benda berat. Merasakan gravitasi berarti jatuh ke dalam belokan materi ini. Tapi bisakah ruang-waktu ini bergetar seperti kulit drum? Einstein bingung, dia tidak tahu apa arti persamaannya. Dan berulang kali mengubah sudut pandangnya. Tetapi bahkan pendukung teorinya yang paling setia pun percaya bahwa gelombang gravitasi terlalu lemah untuk diamati. Mereka mengalir keluar setelah bencana alam tertentu, dan secara bergantian meregangkan dan memampatkan ruang-waktu saat mereka bergerak. Tetapi pada saat gelombang-gelombang ini mencapai Bumi, mereka meregangkan dan memampatkan setiap kilometer ruang angkasa dengan sebagian kecil dari diameter inti atom.

Untuk mendeteksi gelombang ini, butuh kesabaran dan kehati-hatian. Observatorium LIGO menembakkan sinar laser bolak-balik sepanjang empat kilometer, siku-siku dua detektor, satu di Hanford, Washington, dan yang lainnya di Livingston, Louisiana. Ini dilakukan untuk mencari ekspansi dan kontraksi yang cocok dari sistem ini selama perjalanan gelombang gravitasi. Menggunakan stabilisator canggih, instrumen vakum, dan ribuan sensor, para ilmuwan mengukur perubahan panjang sistem ini yang hanya seperseribu ukuran proton. Sensitivitas instrumen seperti itu tidak terpikirkan seratus tahun yang lalu. Tampaknya luar biasa pada tahun 1968, ketika Rainer Weiss dari Massachusetts Institute of Technology menyusun eksperimen yang disebut LIGO.

“Ini adalah keajaiban besar bahwa pada akhirnya mereka berhasil. Mereka mampu menangkap getaran kecil itu!” kata fisikawan teoretis Universitas Arkansas Daniel Kennefick, yang menulis buku 2007 Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves.

Penemuan ini menandai dimulainya era baru dalam astronomi gelombang gravitasi. Diharapkan bahwa kita akan memiliki gagasan yang lebih akurat tentang pembentukan, komposisi, dan peran galaksi lubang hitam - bola massa superpadat yang membengkokkan ruang-waktu begitu tajam sehingga bahkan cahaya pun tidak dapat melarikan diri darinya. Ketika lubang hitam mendekati satu sama lain dan bergabung, mereka menghasilkan sinyal impuls - fluktuasi ruang-waktu yang meningkatkan amplitudo dan nada, dan kemudian berakhir dengan tiba-tiba. Sinyal-sinyal yang dapat dideteksi oleh observatorium berada dalam jangkauan audio - namun, sinyal tersebut terlalu lemah untuk didengar oleh telinga telanjang. Anda dapat membuat ulang suara ini dengan menggerakkan jari Anda di atas tuts piano. "Mulailah dari nada terendah dan lanjutkan ke oktaf ketiga," kata Weiss. "Itulah yang kami dengar."

Fisikawan sudah terkejut dengan jumlah dan kekuatan sinyal yang direkam saat ini. Ini berarti ada lebih banyak lubang hitam di dunia daripada yang diperkirakan sebelumnya. “Kami beruntung, tetapi saya selalu mengandalkan keberuntungan seperti ini,” kata astrofisikawan Caltech Kip Thorne, yang ikut menciptakan LIGO dengan Weiss dan Ronald Drever, juga dari Caltech. "Itu biasanya terjadi ketika jendela baru terbuka di alam semesta."

Dengan mendengarkan gelombang gravitasi, kita dapat membentuk ide yang sama sekali berbeda tentang ruang, dan mungkin menemukan fenomena kosmik yang tak terbayangkan.

"Saya dapat membandingkannya dengan pertama kali kami mengarahkan teleskop ke langit," kata ahli astrofisika teoretis Janna Levin dari Barnard College di Universitas Columbia. “Orang-orang mengerti bahwa ada sesuatu di luar sana, dan Anda dapat melihatnya, tetapi mereka tidak dapat memprediksi berbagai kemungkinan luar biasa yang ada di alam semesta.” Demikian pula, Levin mencatat, penemuan gelombang gravitasi dapat menunjukkan bahwa alam semesta "penuh dengan materi gelap yang tidak bisa kita deteksi hanya dengan teleskop."

Kisah penemuan gelombang gravitasi pertama dimulai pada Senin pagi di bulan September, dan dimulai dengan kapas. Sinyalnya begitu jelas dan keras sehingga Weiss berpikir: "Tidak, ini omong kosong, tidak akan ada hasil."

Intensitas emosi

Gelombang gravitasi pertama ini menyapu detektor LIGO yang ditingkatkan—pertama di Livingston dan tujuh milidetik kemudian di Hanford—selama menjalankan simulasi pada dini hari 14 September, dua hari sebelum pengumpulan data resmi dimulai.

Detektor "berjalan" setelah modernisasi, yang berlangsung lima tahun dan menelan biaya 200 juta dolar. Mereka dilengkapi dengan suspensi cermin baru untuk pengurangan kebisingan dan sistem umpan balik aktif untuk menekan getaran asing secara real time. Upgrade memberi observatorium yang ditingkatkan tingkat sensitivitas yang lebih tinggi daripada LIGO lama, yang menemukan "nol mutlak dan murni" antara tahun 2002 dan 2010, seperti yang dikatakan Weiss.

Ketika sinyal kuat datang pada bulan September, para ilmuwan di Eropa, di mana saat itu pagi hari, mulai membombardir rekan-rekan Amerika mereka dengan pesan email. Ketika anggota kelompok lainnya bangun, berita itu menyebar dengan sangat cepat. Hampir semua orang skeptis, kata Weiss, terutama ketika mereka melihat sinyalnya. Itu adalah buku teks klasik yang nyata, jadi beberapa orang mengira itu palsu.

Klaim palsu dalam pencarian gelombang gravitasi telah dibuat berkali-kali sejak akhir 1960-an, ketika Joseph Weber dari Universitas Maryland mengira dia telah mendeteksi osilasi resonansi dalam silinder aluminium dengan sensor sebagai respons terhadap gelombang. Pada tahun 2014, sebuah eksperimen yang disebut BICEP2 berlangsung, yang menghasilkan pengumuman penemuan gelombang gravitasi primordial - fluktuasi ruang-waktu dari Big Bang, yang sekarang telah membentang dan membeku secara permanen dalam geometri alam semesta. Para ilmuwan dari kelompok BICEP2 mengumumkan penemuan mereka dengan sangat meriah, tetapi kemudian hasil mereka diverifikasi secara independen, di mana ternyata mereka salah, dan sinyal ini berasal dari debu kosmik.

Ketika kosmolog Arizona State University Lawrence Krauss mendengar tentang penemuan tim LIGO, dia awalnya mengira itu adalah "tipuan buta". Selama pengoperasian observatorium lama, sinyal simulasi diam-diam dimasukkan ke dalam aliran data untuk menguji respons, dan sebagian besar staf tidak mengetahuinya. Ketika Krauss mengetahui dari sumber yang berpengetahuan luas bahwa kali ini bukan "isian buta", dia hampir tidak bisa menahan kegembiraannya yang menyenangkan.

Pada 25 September, dia mentweet ke 200.000 pengikutnya: “Rumor tentang deteksi gelombang gravitasi di detektor LIGO. Menakjubkan jika benar. Saya akan memberi tahu Anda detailnya jika itu tidak palsu. Ini diikuti oleh entri dari 11 Januari: “Rumor sebelumnya tentang LIGO dikonfirmasi oleh sumber independen. Ikuti beritanya. Mungkin gelombang gravitasi telah ditemukan!”

Posisi resmi para ilmuwan adalah ini: jangan bicara tentang sinyal yang diterima sampai ada kepastian seratus persen. Thorne, terikat tangan dan kaki oleh kewajiban kerahasiaan ini, bahkan tidak mengatakan apa pun kepada istrinya. "Saya merayakannya sendirian," katanya. Untuk memulainya, para ilmuwan memutuskan untuk kembali ke awal dan menganalisis semuanya hingga detail terkecil untuk mengetahui bagaimana sinyal menyebar melalui ribuan saluran pengukuran dari berbagai detektor, dan untuk memahami apakah ada sesuatu yang aneh pada saat itu. sinyal terdeteksi. Mereka tidak menemukan sesuatu yang luar biasa. Mereka juga mengesampingkan peretas, yang seharusnya paling tahu tentang ribuan aliran data selama percobaan. “Bahkan ketika tim melakukan lemparan buta, mereka tidak cukup sempurna dan meninggalkan banyak jejak di belakang mereka,” kata Thorn. "Tapi tidak ada jejak."

Dalam minggu-minggu berikutnya, mereka mendengar sinyal lain yang lebih lemah.

Para ilmuwan menganalisis dua sinyal pertama, dan mereka menerima semakin banyak sinyal baru. Pada bulan Januari, mereka mempresentasikan penelitian mereka di jurnal Physical Review Letters. Masalah ini akan online hari ini. Menurut perkiraan mereka, signifikansi statistik dari sinyal pertama yang paling kuat melebihi "5-sigma", yang berarti bahwa para peneliti yakin 99,9999% akan keasliannya.

mendengarkan gravitasi

Persamaan relativitas umum Einstein begitu kompleks sehingga sebagian besar fisikawan membutuhkan waktu 40 tahun untuk menyetujui bahwa ya, gelombang gravitasi ada dan dapat dideteksi—bahkan secara teoritis.

Pada awalnya, Einstein berpikir bahwa benda tidak dapat melepaskan energi dalam bentuk radiasi gravitasi, tetapi kemudian dia berubah pikiran. Dalam karya sejarahnya, yang ditulis pada tahun 1918, ia menunjukkan objek seperti apa yang dapat melakukan ini: sistem berbentuk halter yang secara bersamaan berputar di sekitar dua sumbu, misalnya, bintang biner dan supernova yang meledak seperti petasan. Mereka dapat menghasilkan gelombang dalam ruang-waktu.

Tapi Einstein dan rekan-rekannya terus goyah. Beberapa fisikawan berpendapat bahwa bahkan jika gelombang ada, dunia akan berosilasi dengan mereka, dan tidak mungkin untuk merasakannya. Baru pada tahun 1957 Richard Feynman menutup pertanyaan dengan mendemonstrasikan dalam eksperimen pemikiran bahwa jika gelombang gravitasi ada, secara teoritis mereka dapat dideteksi. Tetapi tidak ada yang tahu seberapa umum sistem berbentuk halter ini berada di luar angkasa, dan seberapa kuat atau lemah gelombang yang dihasilkan. “Pada akhirnya, pertanyaannya adalah: apakah kita akan menemukannya?” kata Kennefick.

Pada tahun 1968, Rainer Weiss adalah seorang profesor muda di MIT dan ditugaskan untuk mengajar mata kuliah relativitas umum. Sebagai seorang eksperimen, dia tahu sedikit tentang itu, tetapi tiba-tiba ada berita tentang penemuan gelombang gravitasi Weber. Weber membangun tiga detektor resonansi seukuran meja dari aluminium dan menempatkannya di berbagai negara bagian Amerika. Sekarang dia mengatakan bahwa ketiga detektor merekam "suara gelombang gravitasi."

Siswa Weiss diminta untuk menjelaskan sifat gelombang gravitasi dan mengungkapkan pendapat mereka tentang pesan tersebut. Mempelajari detailnya, dia dikejutkan oleh kerumitan perhitungan matematis. “Saya tidak tahu apa yang dilakukan Weber, bagaimana sensor berinteraksi dengan gelombang gravitasi. Saya duduk untuk waktu yang lama dan bertanya pada diri sendiri: "Apa hal paling primitif yang dapat saya pikirkan yang mendeteksi gelombang gravitasi?" Dan kemudian sebuah ide muncul di benak saya, yang saya sebut sebagai dasar konseptual LIGO.

Bayangkan tiga objek dalam ruang-waktu, katakanlah cermin di sudut-sudut segitiga. "Kirim sinyal cahaya dari satu ke yang lain," kata Weber. “Lihat berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk berpindah dari satu massa ke massa lainnya, dan lihat apakah waktunya telah berubah.” Ternyata, kata ilmuwan, ini bisa dilakukan dengan cepat. “Ini saya titipkan kepada mahasiswa saya sebagai tugas ilmiah. Secara harfiah seluruh kelompok mampu membuat perhitungan ini.”

Pada tahun-tahun berikutnya, ketika peneliti lain mencoba mereplikasi hasil eksperimen detektor resonansi Weber tetapi terus-menerus gagal (tidak jelas apa yang dia amati, tetapi itu bukan gelombang gravitasi), Weiss mulai menyiapkan eksperimen yang jauh lebih akurat dan ambisius. : interferometer gelombang gravitasi. Sinar laser dipantulkan dari tiga cermin yang dipasang berbentuk huruf "L" dan membentuk dua sinar. Interval puncak dan penurunan gelombang cahaya dengan tepat menunjukkan panjang tikungan huruf "G", yang menciptakan sumbu x dan y ruang-waktu. Ketika timbangan tidak bergerak, dua gelombang cahaya memantul dari sudut dan saling meniadakan. Sinyal di detektor adalah nol. Tetapi jika gelombang gravitasi melewati Bumi, itu meregangkan panjang satu lengan huruf "G" dan memampatkan panjang yang lain (dan sebaliknya secara bergantian). Ketidakcocokan dua berkas cahaya menciptakan sinyal di detektor, menunjukkan sedikit fluktuasi dalam ruang-waktu.

Pada awalnya, rekan fisikawan skeptis, tetapi eksperimen segera mendapat dukungan di Thorne, yang kelompok teorinya Caltech sedang menyelidiki lubang hitam dan sumber potensial gelombang gravitasi lainnya, serta sinyal yang mereka hasilkan. Thorne terinspirasi oleh eksperimen Weber dan upaya serupa oleh para ilmuwan Rusia. Setelah berbicara di sebuah konferensi dengan Weiss pada tahun 1975, "Saya mulai percaya bahwa deteksi gelombang gravitasi akan berhasil," kata Thorne. "Dan saya ingin Caltech menjadi bagian dari itu juga." Dia mengatur dengan institut untuk menyewa peneliti Skotlandia Ronald Driver, yang juga mengklaim membangun interferometer gelombang gravitasi. Seiring waktu, Thorne, Driver, dan Weiss mulai bekerja sebagai sebuah tim, masing-masing memecahkan bagian mereka dari masalah yang tak terhitung jumlahnya sebagai persiapan untuk eksperimen praktis. Ketiganya membentuk LIGO pada tahun 1984, dan ketika prototipe dibangun dan kolaborasi dimulai sebagai bagian dari tim yang terus berkembang, mereka menerima dana sebesar $100 juta dari National Science Foundation pada awal 1990-an. Gambar dibuat untuk konstruksi sepasang detektor raksasa berbentuk L. Satu dekade kemudian, detektor mulai bekerja.

Di Hunford dan Livingston, di tengah setiap lutut detektor sepanjang empat kilometer, ada ruang hampa, berkat laser, sinar, dan cerminnya diisolasi secara maksimal dari osilasi konstan planet ini. Agar aman, ilmuwan LIGO memantau detektor mereka saat beroperasi dengan ribuan instrumen, mengukur semua yang mereka bisa: aktivitas seismik, tekanan barometrik, kilat, sinar kosmik, getaran peralatan, suara di sekitar sinar laser, dan sebagainya. Mereka kemudian memfilter data mereka untuk kebisingan latar belakang yang asing ini. Mungkin yang utama adalah mereka memiliki dua detektor, dan ini memungkinkan Anda untuk membandingkan data yang diterima, memeriksanya untuk keberadaan sinyal yang cocok.

Konteks

Gelombang gravitasi: menyelesaikan apa yang dimulai Einstein di Bern

SwissInfo 13.02.2016

Bagaimana lubang hitam mati

Sedang 19/10/2014
Di dalam ruang hampa yang dibuat, bahkan dengan laser dan cermin yang sepenuhnya diisolasi dan distabilkan, “hal-hal aneh selalu terjadi,” kata Marco Cavagli, wakil juru bicara proyek LIGO. Para ilmuwan harus melacak "ikan mas", "hantu", "monster laut yang aneh" dan fenomena getaran asing lainnya, mencari tahu sumbernya untuk menghilangkannya. Satu kasus sulit terjadi selama fase pengujian, kata peneliti LIGO Jessica McIver, yang mempelajari sinyal dan interferensi asing tersebut. Serangkaian gangguan frekuensi tunggal periodik sering muncul di antara data. Ketika dia dan rekan-rekannya mengubah getaran cermin menjadi file audio, "dering telepon menjadi jelas terdengar," kata McIver. "Ternyata pengiklan komunikasi yang melakukan panggilan telepon di dalam ruang laser."

Dalam dua tahun ke depan, para ilmuwan akan terus meningkatkan sensitivitas detektor dari Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory LIGO yang ditingkatkan. Dan di Italia, interferometer ketiga yang disebut Advanced Virgo akan mulai beroperasi. Satu jawaban yang akan membantu temuan ini berikan adalah bagaimana lubang hitam terbentuk. Apakah itu produk dari keruntuhan bintang masif paling awal, atau apakah itu hasil tabrakan di dalam gugus bintang yang padat? “Ini hanya dua tebakan, saya yakin akan ada lebih banyak lagi ketika keadaan sudah tenang,” kata Weiss. Saat LIGO mulai mengumpulkan statistik baru dalam pekerjaan yang akan datang, para ilmuwan akan mulai mendengarkan cerita tentang asal usul lubang hitam yang dibisikkan kepada mereka oleh luar angkasa.

Dilihat dari bentuk dan ukurannya, sinyal pulsa pertama yang paling keras terjadi 1,3 miliar tahun cahaya dari tempat di mana, setelah lama menari lambat di bawah pengaruh gaya tarik gravitasi timbal balik, dua lubang hitam, masing-masing sekitar 30 kali massa matahari, akhirnya menyatu. Lubang hitam berputar lebih cepat dan lebih cepat, seperti pusaran air, secara bertahap mendekat. Kemudian terjadi penggabungan, dan dalam sekejap mata mereka melepaskan gelombang gravitasi dengan energi yang sebanding dengan energi tiga Matahari. Penggabungan ini adalah fenomena energi paling kuat yang pernah tercatat.

"Sepertinya kita belum pernah melihat lautan dalam badai," kata Thorn. Dia telah menunggu badai ini di ruang-waktu sejak tahun 1960-an. Perasaan yang dialami Thorn pada saat gelombang ini bergulung tidak bisa disebut kegembiraan, katanya. Itu adalah sesuatu yang lain: perasaan kepuasan yang mendalam.

Materi InoSMI hanya memuat penilaian dari media asing dan tidak mencerminkan posisi redaksi InoSMI.

11 Februari 2016 dianggap sebagai hari resmi penemuan (deteksi) gelombang gravitasi. Saat itulah, pada konferensi pers di Washington, para pemimpin kolaborasi LIGO mengumumkan bahwa tim peneliti telah berhasil merekam fenomena ini untuk pertama kalinya dalam sejarah umat manusia.

Nubuatan Einstein yang agung

Fakta bahwa gelombang gravitasi ada diusulkan oleh Albert Einstein pada awal abad terakhir (1916) dalam kerangka Teori Relativitas Umum (GR) yang dirumuskan olehnya. Seseorang hanya dapat mengagumi kemampuan brilian dari fisikawan terkenal, yang, dengan data nyata yang minimal, mampu menarik kesimpulan yang begitu luas. Di antara banyak fenomena fisik yang diprediksi lainnya yang dikonfirmasi pada abad berikutnya (memperlambat aliran waktu, mengubah arah radiasi elektromagnetik di medan gravitasi, dll.), tidak mungkin untuk secara praktis mendeteksi keberadaan jenis gelombang ini. interaksi tubuh sampai saat ini.

Gravitasi - ilusi?

Secara umum, menurut Teori Relativitas, gravitasi hampir tidak bisa disebut gaya. gangguan atau kelengkungan kontinum ruang-waktu. Contoh bagus yang menggambarkan postulat ini adalah selembar kain yang diregangkan. Di bawah berat benda besar yang ditempatkan di permukaan seperti itu, ceruk terbentuk. Objek lain yang bergerak di dekat anomali ini akan mengubah lintasan pergerakannya, seolah-olah "tertarik". Dan semakin besar berat benda (semakin besar diameter dan kedalaman kelengkungan), semakin tinggi “gaya tarik-menarik”. Ketika bergerak melalui kain, seseorang dapat mengamati munculnya "riak" yang berbeda.

Hal serupa terjadi di ruang dunia. Setiap materi masif yang bergerak cepat merupakan sumber fluktuasi kepadatan ruang dan waktu. Gelombang gravitasi dengan amplitudo yang signifikan dibentuk oleh benda-benda dengan massa yang sangat besar atau ketika bergerak dengan percepatan besar.

karakter fisik

Fluktuasi metrik ruang-waktu memanifestasikan dirinya sebagai perubahan dalam medan gravitasi. Fenomena ini disebut riak ruang-waktu. Gelombang gravitasi bekerja pada benda dan benda yang ditemui, mengompresi dan meregangkannya. Nilai deformasi sangat kecil - sekitar 10 -21 dari ukuran aslinya. Seluruh kesulitan mendeteksi fenomena ini adalah bahwa para peneliti harus belajar bagaimana mengukur dan merekam perubahan tersebut dengan bantuan peralatan yang sesuai. Kekuatan radiasi gravitasi juga sangat kecil - untuk seluruh tata surya hanya beberapa kilowatt.

Kecepatan rambat gelombang gravitasi sedikit tergantung pada sifat-sifat media penghantar. Amplitudo osilasi secara bertahap berkurang dengan jarak dari sumber, tetapi tidak pernah mencapai nol. Frekuensi terletak pada kisaran dari beberapa puluh hingga ratusan hertz. Kecepatan gelombang gravitasi di medium antarbintang mendekati kecepatan cahaya.

bukti tidak langsung

Untuk pertama kalinya, konfirmasi teoritis tentang keberadaan gelombang gravitasi diperoleh oleh astronom Amerika Joseph Taylor dan asistennya Russell Hulse pada tahun 1974. Mempelajari bentangan alam semesta menggunakan teleskop radio Observatorium Arecibo (Puerto Rico), para peneliti menemukan pulsar PSR B1913 + 16, yang merupakan sistem biner bintang neutron yang berputar di sekitar pusat massa bersama dengan kecepatan sudut konstan ( kasus yang agak jarang). Setiap tahun, periode revolusi, yang semula 3,75 jam, berkurang 70 ms. Nilai ini cukup konsisten dengan kesimpulan dari persamaan GR yang memprediksi peningkatan kecepatan rotasi sistem tersebut karena pengeluaran energi untuk pembangkitan gelombang gravitasi. Selanjutnya, beberapa pulsar ganda dan katai putih dengan perilaku serupa ditemukan. Astronom radio D. Taylor dan R. Hulse dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1993 karena menemukan kemungkinan baru untuk mempelajari medan gravitasi.

Gelombang gravitasi yang sulit dipahami

Pernyataan pertama tentang deteksi gelombang gravitasi datang dari ilmuwan Universitas Maryland Joseph Weber (AS) pada tahun 1969. Untuk tujuan ini, ia menggunakan dua antena gravitasi desainnya sendiri, dipisahkan oleh jarak dua kilometer. Detektor resonansi adalah silinder aluminium dua meter satu bagian bergetar baik yang dilengkapi dengan sensor piezoelektrik sensitif. Amplitudo fluktuasi yang diduga direkam oleh Weber ternyata lebih dari satu juta kali lebih tinggi dari nilai yang diharapkan. Upaya ilmuwan lain menggunakan peralatan semacam itu untuk mengulangi "keberhasilan" fisikawan Amerika itu tidak membawa hasil positif. Beberapa tahun kemudian, pekerjaan Weber di bidang ini diakui sebagai tidak dapat dipertahankan, tetapi memberikan dorongan untuk pengembangan "ledakan gravitasi" yang menarik banyak spesialis ke bidang penelitian ini. Ngomong-ngomong, Joseph Weber sendiri sampai akhir hayatnya yakin bahwa dia menerima gelombang gravitasi.

Peningkatan peralatan penerima

Pada 70-an, ilmuwan Bill Fairbank (AS) mengembangkan desain antena gelombang gravitasi yang didinginkan menggunakan SQUID - magnetometer supersensitif. Teknologi yang ada pada saat itu tidak memungkinkan penemu untuk melihat produknya, diwujudkan dalam "logam".

Menurut prinsip ini, detektor gravitasi Auriga dibuat di Laboratorium Nasional Legnard (Padua, Italia). Desainnya didasarkan pada silinder aluminium-magnesium, panjang 3 meter dan diameter 0,6 m. Perangkat penerima seberat 2,3 ton digantung dalam ruang vakum terisolasi yang didinginkan hampir ke nol mutlak. Resonator kilogram tambahan dan kompleks pengukuran berbasis komputer digunakan untuk memperbaiki dan mendeteksi getaran. Sensitivitas peralatan yang dinyatakan adalah 10 -20 .

interferometer

Fungsi detektor interferensi gelombang gravitasi didasarkan pada prinsip yang sama dengan pengoperasian interferometer Michelson. Sinar laser yang dipancarkan oleh sumber dibagi menjadi dua aliran. Setelah beberapa refleksi dan perjalanan di sepanjang bahu perangkat, aliran kembali disatukan, dan yang terakhir digunakan untuk menilai apakah ada gangguan (misalnya, gelombang gravitasi) yang memengaruhi arah sinar. Peralatan serupa telah dibuat di banyak negara:

GEO 600 (Hannover, Jerman). Panjang terowongan vakum adalah 600 meter.
TAMA (Jepang) dengan bahu 300 m.
VIRGO (Pisa, Italia) adalah proyek bersama Prancis-Italia yang diluncurkan pada 2007 dengan terowongan sepanjang 3 km.
LIGO (USA, Pacific Coast), berburu gelombang gravitasi sejak 2002.

Yang terakhir ini layak dipertimbangkan secara lebih rinci.

LIGO Lanjutan

Proyek ini dibuat atas inisiatif para ilmuwan dari Massachusetts dan California Institutes of Technology. Termasuk dua observatorium yang dipisahkan oleh 3 ribu km, di dan Washington (Livingston dan kota Hanford) dengan tiga interferometer identik. Panjang terowongan vakum tegak lurus adalah 4 ribu meter. Ini adalah struktur terbesar yang saat ini beroperasi. Hingga 2011, berbagai upaya untuk mendeteksi gelombang gravitasi tidak membuahkan hasil. Modernisasi signifikan yang dilakukan (Lanjutan LIGO) meningkatkan sensitivitas peralatan di kisaran 300-500 Hz lebih dari lima kali, dan di wilayah frekuensi rendah (hingga 60 Hz) hampir dalam urutan besarnya, mencapai nilai yang didambakan 10 -21 . Proyek yang diperbarui dimulai pada September 2015, dan upaya lebih dari seribu karyawan dari kolaborasi ini membuahkan hasil.

Gelombang Gravitasi Terdeteksi

Pada 14 September 2015, detektor LIGO canggih dengan interval 7 ms mencatat gelombang gravitasi yang mencapai planet kita dari fenomena terbesar yang terjadi di pinggiran Alam Semesta yang dapat diamati - penggabungan dua lubang hitam besar dengan massa 29 dan 36 kali lipat massa Matahari. Selama proses, yang berlangsung lebih dari 1,3 miliar tahun yang lalu, sekitar tiga massa matahari dihabiskan untuk radiasi gelombang gravitasi dalam hitungan sepersekian detik. Frekuensi awal tetap gelombang gravitasi adalah 35 Hz, dan nilai puncak maksimum mencapai 250 Hz.

Hasil yang diperoleh berulang kali mengalami verifikasi dan pemrosesan yang komprehensif, dan interpretasi alternatif dari data yang diperoleh dipotong dengan hati-hati. Akhirnya, tahun lalu pendaftaran langsung fenomena yang diprediksi Einstein diumumkan kepada masyarakat dunia.

Fakta yang menggambarkan karya besar para peneliti: amplitudo fluktuasi dimensi lengan interferometer adalah 10 -19 m - nilai ini jauh lebih kecil daripada diameter atom karena lebih kecil dari jeruk.

Prospek masa depan

Penemuan ini sekali lagi menegaskan bahwa Teori Relativitas Umum bukan hanya sekumpulan rumus abstrak, tetapi pandangan baru yang fundamental pada esensi gelombang gravitasi dan gravitasi secara umum.

Dalam studi lebih lanjut, para ilmuwan memiliki harapan besar untuk proyek ELSA: penciptaan interferometer orbital raksasa dengan lengan sekitar 5 juta km, yang mampu mendeteksi bahkan gangguan kecil medan gravitasi. Intensifikasi pekerjaan ke arah ini dapat memberi tahu banyak tentang tahapan utama dalam pengembangan Semesta, tentang proses yang sulit atau tidak mungkin diamati dalam pita tradisional. Tidak diragukan lagi bahwa lubang hitam, yang gelombang gravitasinya akan terekam di masa depan, akan banyak bercerita tentang sifatnya.

Untuk mempelajari radiasi gravitasi peninggalan, yang dapat memberi tahu tentang momen pertama dunia kita setelah Big Bang, diperlukan instrumen ruang angkasa yang lebih sensitif. Proyek seperti itu ada Pengamat Big Bang), tetapi implementasinya, menurut para ahli, dimungkinkan tidak lebih awal dari 30-40 tahun.

Lambaikan tangan Anda dan gelombang gravitasi akan mengalir ke seluruh alam semesta.
S. Popov, M. Prokhorov. Gelombang Hantu Semesta

Dalam astrofisika, telah terjadi suatu peristiwa yang telah ditunggu-tunggu selama puluhan tahun. Setelah setengah abad mencari, gelombang gravitasi akhirnya ditemukan, fluktuasi dalam ruang-waktu itu sendiri, yang diprediksi oleh Einstein seratus tahun yang lalu. Pada 14 September 2015, observatorium LIGO yang diperbarui mendeteksi ledakan gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh penggabungan dua lubang hitam dengan massa 29 dan 36 massa matahari di galaksi yang jauh pada jarak sekitar 1,3 miliar tahun cahaya. Astronomi gelombang gravitasi telah menjadi cabang fisika yang lengkap; itu telah membuka cara baru bagi kita untuk mengamati alam semesta dan akan memungkinkan kita untuk mempelajari efek gravitasi kuat yang sebelumnya tidak dapat diakses.

Gelombang gravitasi

Teori gravitasi bisa muncul dengan berbeda. Semuanya akan menggambarkan dunia kita dengan sama baiknya, selama kita membatasi diri kita pada satu manifestasi saja - hukum gravitasi universal Newton. Tetapi ada efek gravitasi lain yang lebih halus yang telah diuji secara eksperimental pada skala tata surya, dan mereka menunjuk pada satu teori tertentu - relativitas umum (GR).

Relativitas umum bukan hanya seperangkat rumus, itu adalah pandangan mendasar tentang esensi gravitasi. Jika dalam fisika biasa ruang hanya berfungsi sebagai latar belakang, wadah bagi fenomena fisik, maka dalam relativitas umum ia sendiri menjadi fenomena, besaran dinamis yang berubah sesuai dengan hukum relativitas umum. Distorsi ruang-waktu dengan latar belakang datar - atau, dalam bahasa geometri, distorsi metrik ruang-waktu - yang dirasakan sebagai gravitasi. Singkatnya, relativitas umum mengungkapkan asal geometris gravitasi.

Relativitas Umum memiliki prediksi yang sangat penting: gelombang gravitasi. Ini adalah distorsi ruang-waktu yang mampu "melepaskan diri dari sumbernya" dan, mandiri, terbang menjauh. Ini adalah gravitasi itu sendiri, bukan milik siapa pun, miliknya sendiri. Albert Einstein akhirnya merumuskan relativitas umum pada tahun 1915 dan segera menyadari bahwa persamaannya memungkinkan adanya gelombang seperti itu.

Seperti halnya teori jujur lainnya, prediksi relativitas umum yang begitu jelas harus diverifikasi secara eksperimental. Setiap benda yang bergerak dapat memancarkan gelombang gravitasi: planet, batu yang dilemparkan ke atas, dan gelombang tangan. Masalahnya, bagaimanapun, adalah bahwa interaksi gravitasi sangat lemah sehingga tidak ada pengaturan eksperimental yang dapat mendeteksi radiasi gelombang gravitasi dari "emitor" biasa.

Untuk "menggerakkan" gelombang yang kuat, Anda perlu mendistorsi ruang-waktu dengan sangat kuat. Pilihan yang ideal adalah dua lubang hitam yang berputar mengelilingi satu sama lain dalam tarian yang ketat, pada jarak urutan jari-jari gravitasinya (Gbr. 2). Distorsi metrik akan sangat kuat sehingga sebagian energi dari pasangan ini akan terpancar menjadi gelombang gravitasi. Kehilangan energi, pasangan akan mendekati satu sama lain, berputar lebih cepat dan lebih cepat, mendistorsi metrik lebih dan lebih dan menghasilkan gelombang gravitasi yang lebih kuat, sampai, akhirnya, restrukturisasi radikal dari seluruh medan gravitasi pasangan ini terjadi dan dua lubang hitam bergabung menjadi satu.

Penggabungan lubang hitam seperti itu merupakan ledakan kekuatan yang luar biasa, tetapi hanya semua energi yang terpancar ini tidak masuk ke cahaya, bukan menjadi partikel, tetapi menjadi getaran ruang. Energi yang terpancar akan menjadi bagian yang nyata dari massa awal lubang hitam, dan radiasi ini akan keluar dalam sepersekian detik. Fluktuasi serupa akan menghasilkan penggabungan bintang-bintang neutron. Pelepasan energi gelombang gravitasi yang sedikit lebih lemah juga menyertai proses lain, seperti runtuhnya inti supernova.

Gelombang gravitasi yang meledak dari penggabungan dua benda kompak memiliki profil yang sangat spesifik dan diperhitungkan dengan baik, ditunjukkan pada Gambar. 3. Periode osilasi diberikan oleh gerakan orbital dua benda yang saling mengelilingi. Gelombang gravitasi membawa energi; akibatnya, objek saling mendekat dan berputar lebih cepat - dan ini dapat dilihat baik dalam percepatan osilasi maupun dalam peningkatan amplitudo. Pada titik tertentu, penggabungan terjadi, gelombang kuat terakhir dikeluarkan, dan kemudian "dering belakang" frekuensi tinggi mengikuti ( ringdown) adalah jitter dari lubang hitam yang terbentuk, yang "melempar" semua distorsi non-bola (tahap ini tidak ditunjukkan dalam gambar). Mengetahui profil karakteristik ini membantu fisikawan mencari sinyal lemah dari penggabungan semacam itu dalam data detektor yang sangat bising.

Osilasi metrik ruang-waktu - gema gelombang gravitasi dari ledakan besar - akan menyebar ke seluruh Semesta ke segala arah dari sumbernya. Amplitudo mereka berkurang dengan jarak, mirip dengan bagaimana kecerahan sumber titik berkurang dengan jarak darinya. Ketika ledakan dari galaksi yang jauh menghantam Bumi, fluktuasi metrik akan berada di urutan 10 22 atau bahkan kurang. Dengan kata lain, jarak antara objek yang tidak berhubungan secara fisik akan meningkat dan menurun secara berkala dengan nilai relatif tersebut.

Urutan besarnya angka ini mudah diperoleh dari pertimbangan skala (lihat artikel oleh V. M. Lipunov). Pada saat penggabungan bintang neutron atau lubang hitam massa bintang, distorsi metrik tepat di sebelahnya sangat besar - di urutan 0,1, itulah sebabnya ini adalah gravitasi yang kuat. Distorsi parah seperti itu memengaruhi wilayah dengan urutan ukuran objek-objek ini, yaitu beberapa kilometer. Ketika bergerak menjauh dari sumber, amplitudo osilasi jatuh berbanding terbalik dengan jarak. Ini berarti bahwa pada jarak 100 Mpc = 3·10 21 km amplitudo osilasi akan turun 21 kali lipat dan menjadi sekitar 10 22 .

Tentu saja, jika penggabungan terjadi di galaksi asal kita, getaran ruang-waktu yang telah mencapai Bumi akan jauh lebih kuat. Tetapi peristiwa seperti itu terjadi sekali setiap beberapa ribu tahun. Oleh karena itu, orang harus benar-benar mengandalkan hanya pada detektor seperti itu yang akan dapat merasakan penggabungan bintang neutron atau lubang hitam pada jarak puluhan hingga ratusan megaparsec, yang berarti ia akan mencakup ribuan dan jutaan galaksi.

Di sini harus ditambahkan bahwa indikasi tidak langsung dari keberadaan gelombang gravitasi telah ditemukan, dan bahkan Hadiah Nobel dalam Fisika untuk tahun 1993 diberikan untuk itu. Pengamatan jangka panjang dari pulsar dalam sistem biner PSR B1913+16 telah menunjukkan bahwa periode orbit berkurang persis pada tingkat yang diprediksi oleh relativitas umum, dengan mempertimbangkan hilangnya energi radiasi gravitasi. Karena alasan ini, praktis tidak ada ilmuwan yang meragukan realitas gelombang gravitasi; satu-satunya pertanyaan adalah bagaimana menangkap mereka.

Sejarah pencarian

Pencarian gelombang gravitasi dimulai sekitar setengah abad yang lalu - dan segera berubah menjadi sensasi. Joseph Weber dari University of Maryland merancang detektor resonansi pertama: silinder aluminium dua meter padat dengan sensor piezo sensitif di sisi dan isolasi getaran yang baik dari getaran asing (Gbr. 4). Dengan berlalunya gelombang gravitasi, silinder akan beresonansi dalam waktu dengan distorsi ruang-waktu, yang harus dicatat oleh sensor. Weber membangun beberapa detektor seperti itu, dan pada tahun 1969, setelah menganalisis pembacaan mereka selama salah satu sesi, dia menyatakan dalam teks biasa bahwa dia telah mendaftarkan "suara gelombang gravitasi" di beberapa detektor sekaligus, berjarak dua kilometer dari satu sama lain ( J. Weber, 1969 Bukti Penemuan Radiasi Gravitasi). Amplitudo osilasi yang dia klaim ternyata sangat besar, pada urutan 10 16 , yaitu, satu juta kali lebih besar dari nilai yang diharapkan. Pesan Weber disambut dengan skeptisisme besar oleh komunitas ilmiah; selain itu, kelompok eksperimen lain, yang dipersenjatai dengan detektor serupa, tidak dapat menangkap sinyal seperti itu di masa mendatang.

Namun, upaya Weber memulai seluruh bidang penelitian ini dan memulai perburuan ombak. Sejak 1970-an, berkat upaya Vladimir Braginsky dan rekan-rekannya dari Universitas Negeri Moskow, Uni Soviet juga memasuki perlombaan ini (lihat tidak adanya sinyal gelombang gravitasi). Sebuah cerita menarik tentang masa itu ada dalam karangan Jika seorang gadis jatuh ke dalam lubang .... Braginsky, omong-omong, adalah salah satu klasik dari seluruh teori pengukuran optik kuantum; dia pertama kali muncul dengan konsep batas pengukuran kuantum standar - batasan utama dalam pengukuran optik - dan menunjukkan bagaimana mereka pada prinsipnya dapat diatasi. Sirkuit resonansi Weber ditingkatkan, dan berkat pendinginan instalasi yang dalam, kebisingan berkurang secara drastis (lihat daftar dan riwayat proyek ini). Akan tetapi, akurasi dari semua detektor logam tersebut masih belum cukup untuk mendeteksi peristiwa yang diharapkan secara andal, dan selain itu, detektor tersebut disetel untuk beresonansi hanya dalam rentang frekuensi yang sangat sempit sekitar satu kilohertz.

Tampaknya jauh lebih menjanjikan adalah detektor yang tidak menggunakan satu objek yang beresonansi, tetapi melacak jarak antara dua benda yang tidak terkait dan tergantung secara independen, misalnya, dua cermin. Karena fluktuasi ruang yang disebabkan oleh gelombang gravitasi, jarak antara cermin akan menjadi sedikit lebih atau lebih sedikit. Dalam hal ini, semakin panjang panjang lengan, semakin besar perpindahan absolut yang akan disebabkan oleh gelombang gravitasi dengan amplitudo tertentu. Getaran ini dapat dirasakan oleh sinar laser yang berjalan di antara cermin. Skema semacam itu mampu mendeteksi osilasi dalam rentang frekuensi yang luas, dari 10 hertz hingga 10 kilohertz, dan ini persis interval di mana pasangan bintang neutron atau lubang hitam bermassa bintang akan terpancar.

Implementasi modern dari ide ini berdasarkan interferometer Michelson adalah sebagai berikut (Gbr. 5). Cermin ditangguhkan dalam dua panjang, beberapa kilometer, tegak lurus satu sama lain ruang vakum. Di pintu masuk instalasi, sinar laser terbelah, melewati kedua ruang, dipantulkan dari cermin, kembali dan bersatu kembali di cermin tembus cahaya. Faktor kualitas sistem optik sangat tinggi, sehingga sinar laser tidak hanya bolak-balik sekali, tetapi tetap berada di resonator optik ini untuk waktu yang lama. Dalam keadaan "tenang", panjangnya dipilih sehingga kedua sinar, setelah rekombinasi, memadamkan satu sama lain ke arah sensor, dan kemudian fotodetektor berada dalam bayangan penuh. Tapi begitu cermin bergerak jarak mikroskopis di bawah aksi gelombang gravitasi, kompensasi dari dua sinar menjadi tidak lengkap dan fotodetektor mengambil cahaya. Dan semakin kuat biasnya, semakin terang cahaya yang akan terlihat oleh fotosensor.

Kata-kata "perpindahan mikroskopis" bahkan tidak mendekati kehalusan efeknya. Pergeseran cermin oleh panjang gelombang cahaya, yaitu mikron, mudah diperhatikan bahkan tanpa trik apa pun. Tetapi dengan panjang bahu 4 km, ini sesuai dengan osilasi ruang-waktu dengan amplitudo 10 10 . Ini juga bukan masalah untuk memperhatikan perpindahan cermin dengan diameter atom - itu cukup untuk meluncurkan sinar laser yang akan berjalan bolak-balik ribuan kali dan mendapatkan serangan fase yang diinginkan. Tetapi bahkan ini memberikan kekuatan 10 14 . Dan kita perlu turun ke skala perpindahan jutaan kali lagi, yaitu, belajar bagaimana mendaftarkan pergeseran cermin bahkan bukan oleh satu atom, tetapi dengan seperseribu inti atom!

Dalam perjalanan menuju teknologi yang benar-benar menakjubkan ini, fisikawan harus mengatasi banyak kesulitan. Beberapa di antaranya murni mekanis: Anda perlu menggantung cermin besar pada suspensi yang tergantung pada suspensi lain, yang satu di suspensi ketiga, dan seterusnya - dan semuanya untuk menghilangkan getaran asing sebanyak mungkin. Masalah lain juga instrumental, tapi optik. Misalnya, semakin kuat pancaran yang beredar dalam sistem optik, semakin lemah perpindahan cermin yang dapat dideteksi oleh fotosensor. Tetapi sinar yang terlalu kuat akan memanaskan elemen optik secara tidak merata, yang akan mempengaruhi sifat sinar itu sendiri. Efek ini entah bagaimana harus dikompensasi, dan untuk ini, seluruh program penelitian diluncurkan dalam hal ini pada tahun 2000-an (untuk cerita tentang penelitian ini, lihat berita Sebuah hambatan dalam perjalanan ke detektor gelombang gravitasi yang sangat sensitif telah diatasi, "Elemen", 27/06/2006 ). Akhirnya, ada batasan fisik yang murni mendasar terkait dengan perilaku kuantum foton dalam resonator dan prinsip ketidakpastian. Mereka membatasi sensitivitas sensor ke nilai yang disebut batas kuantum standar. Namun, fisikawan telah belajar bagaimana mengatasinya dengan bantuan keadaan cahaya laser kuantum yang disiapkan dengan cerdik (J. Aasi et al., 2013. Peningkatan sensitivitas detektor gelombang gravitasi LIGO dengan menggunakan keadaan cahaya yang diperas).

Ada daftar negara dalam perlombaan gelombang gravitasi; Rusia memiliki instalasi sendiri, di observatorium Baksan, dan, omong-omong, itu dijelaskan dalam film dokumenter sains populer oleh Dmitry Zavilgelsky "Menunggu Gelombang dan Partikel". Para pemimpin perlombaan ini sekarang adalah dua laboratorium - proyek Amerika LIGO dan detektor Virgo Italia. LIGO mencakup dua detektor identik yang terletak di Hanford (Washington) dan Livingston (Louisiana) dan terpisah satu sama lain sejauh 3000 km. Memiliki dua pengaturan penting karena dua alasan. Pertama, sinyal akan dianggap terdaftar hanya jika dilihat oleh kedua detektor secara bersamaan. Dan kedua, dengan perbedaan kedatangan ledakan gelombang gravitasi di dua instalasi - dan itu bisa mencapai 10 milidetik - seseorang dapat memperkirakan dari bagian langit mana sinyal ini datang. Benar, dengan dua detektor kesalahannya akan sangat besar, tetapi ketika Virgo mulai beroperasi, akurasinya akan meningkat tajam.

Sebenarnya, gagasan deteksi interferometrik gelombang gravitasi pertama kali diusulkan oleh fisikawan Soviet M. E. Gertsenshtein dan V. I. Pustovoit pada tahun 1962. Kemudian laser baru saja ditemukan, dan Weber mulai membuat detektor resonansinya. Namun, artikel ini tidak diperhatikan di Barat dan, sejujurnya, tidak mempengaruhi pengembangan proyek nyata (lihat tinjauan sejarah Fisika deteksi gelombang gravitasi: detektor resonansi dan interferometrik).

Penciptaan observatorium gravitasi LIGO adalah inisiatif dari tiga ilmuwan dari Massachusetts Institute of Technology (MIT) dan dari California Institute of Technology (Caltech). Ini adalah Rainer Weiss, yang menerapkan ide detektor gelombang gravitasi interferometrik, Ronald Drever, yang mencapai stabilitas sinar laser yang cukup untuk mendaftar, dan Kip Thorne, teoretisi-inspirator proyek, yang sekarang dikenal masyarakat umum. sebagai konsultan ilmiah film Interstellar. Sejarah awal LIGO dapat dibaca dalam wawancara baru-baru ini dengan Rainer Weiss dan dalam memoar John Preskill.

Kegiatan yang terkait dengan proyek deteksi interferometrik gelombang gravitasi dimulai pada akhir 1970-an, dan pada mulanya kenyataan dari upaya ini juga diragukan oleh banyak orang. Namun, setelah mendemonstrasikan sejumlah prototipe, proyek LIGO saat ini ditulis dan disetujui. Itu dibangun selama dekade terakhir abad ke-20.

Meskipun Amerika Serikat memberikan dorongan awal untuk proyek tersebut, observatorium LIGO adalah proyek yang benar-benar internasional. 15 negara telah berinvestasi di dalamnya, secara finansial dan intelektual, dan lebih dari seribu orang menjadi anggota kolaborasi. Peran penting dalam implementasi proyek dimainkan oleh fisikawan Soviet dan Rusia. Sejak awal, kelompok yang telah disebutkan Vladimir Braginsky dari Universitas Negeri Moskow mengambil bagian aktif dalam implementasi proyek LIGO, dan kemudian Institut Fisika Terapan dari Nizhny Novgorod juga bergabung dalam kolaborasi.

Observatorium LIGO diluncurkan pada tahun 2002 dan hingga tahun 2010 menjadi tuan rumah enam sesi observasi ilmiah. Tidak ada ledakan gelombang gravitasi yang terdeteksi secara andal, dan fisikawan hanya mampu menetapkan batas atas frekuensi peristiwa semacam itu. Namun, ini tidak terlalu mengejutkan mereka: perkiraan menunjukkan bahwa di bagian Semesta yang "didengarkan" oleh detektor pada waktu itu, kemungkinan bencana alam yang cukup kuat kecil: kira-kira sekali setiap beberapa dekade.

garis akhir

Dari 2010 hingga 2015, kolaborasi LIGO dan Virgo secara radikal memodernisasi peralatan (Virgo, bagaimanapun, masih dalam persiapan). Dan kini gol yang ditunggu-tunggu itu sudah di depan mata. LIGO - atau lebih tepatnya, ALIGO ( LIGO tingkat lanjut) - sekarang siap untuk menangkap semburan yang dihasilkan oleh bintang neutron pada jarak 60 megaparsec, dan lubang hitam - ratusan megaparsec. Volume alam semesta yang terbuka untuk mendengarkan gelombang gravitasi telah tumbuh sepuluh kali lipat dibandingkan dengan sesi sebelumnya.

Tentu saja, tidak mungkin untuk memprediksi kapan dan di mana "ledakan" gelombang gravitasi berikutnya akan terjadi. Tetapi sensitivitas detektor yang diperbarui memungkinkan untuk menghitung beberapa penggabungan bintang neutron per tahun, sehingga ledakan pertama sudah dapat diharapkan selama sesi pengamatan empat bulan pertama. Jika kita berbicara tentang keseluruhan proyek aLIGO yang berlangsung selama beberapa tahun, maka keputusannya sangat jelas: ledakan akan jatuh satu demi satu, atau sesuatu dalam relativitas umum pada prinsipnya tidak berfungsi. Keduanya akan menjadi penemuan besar.

Dari 18 September 2015 hingga 12 Januari 2016, sesi observasi aLIGO pertama berlangsung. Selama ini, desas-desus tentang pendaftaran gelombang gravitasi beredar di Internet, tetapi kolaborasi itu tetap diam: "kami sedang mengumpulkan dan menganalisis data dan belum siap untuk melaporkan hasilnya." Intrik tambahan diciptakan oleh fakta bahwa dalam proses analisis, anggota kolaborasi itu sendiri tidak dapat sepenuhnya yakin bahwa mereka melihat gelombang gelombang gravitasi yang nyata. Faktanya adalah bahwa di LIGO, ledakan yang dihasilkan di komputer kadang-kadang secara artifisial dimasukkan ke dalam aliran data nyata. Ini disebut "injeksi buta", injeksi buta, dan dari seluruh kelompok, hanya tiga orang (!) Memiliki akses ke sistem yang melakukannya pada saat yang sewenang-wenang. Tim harus melacak lonjakan ini, menganalisisnya secara bertanggung jawab, dan hanya pada tahap terakhir analisis "kartu dibuka" dan anggota kolaborasi akan mengetahui apakah ini peristiwa nyata atau ujian kewaspadaan. Omong-omong, dalam satu kasus seperti itu di 2010, bahkan sampai menulis artikel, tetapi sinyal yang ditemukan kemudian ternyata hanya "isian buta".

Penyimpangan lirik

Untuk sekali lagi merasakan kesungguhan saat ini, saya mengusulkan untuk melihat cerita ini dari sisi lain, dari dalam sains. Ketika tugas ilmiah yang kompleks dan tak tertembus tidak berlangsung selama beberapa tahun, ini adalah momen kerja yang normal. Ketika tidak menyerah selama lebih dari satu generasi, itu dirasakan dengan cara yang sama sekali berbeda.

Sebagai anak sekolah, Anda membaca buku-buku sains populer dan mempelajari teka-teki ilmiah yang sulit dipecahkan, tetapi sangat menarik ini. Sebagai mahasiswa, Anda belajar fisika, membuat presentasi, dan kadang-kadang, tepat atau tidak, orang-orang di sekitar Anda mengingatkan Anda akan keberadaannya. Kemudian Anda sendiri melakukan sains, bekerja di bidang fisika lain, tetapi Anda secara teratur mendengar tentang upaya yang gagal untuk menyelesaikannya. Tentu saja, Anda memahami bahwa di suatu tempat pekerjaan aktif sedang dilakukan untuk menyelesaikannya, tetapi hasil akhir bagi Anda sebagai orang luar tetap tidak berubah. Masalahnya dianggap sebagai latar belakang statis, sebagai hiasan, sebagai elemen fisika yang abadi dan hampir tidak berubah dalam skala kehidupan ilmiah Anda. Sebagai tugas yang selalu dan akan selalu ada.

Dan kemudian - itu terpecahkan. Dan tiba-tiba, dalam skala beberapa hari, Anda merasa bahwa gambaran fisik dunia telah berubah dan sekarang perlu dirumuskan dengan istilah lain dan mengajukan pertanyaan lain.

Bagi orang-orang yang secara langsung bekerja pada pencarian gelombang gravitasi, tugas ini, tentu saja, tidak berubah. Mereka melihat tujuannya, mereka tahu apa yang perlu dicapai. Tentu saja, mereka berharap bahwa alam juga akan menemui mereka di tengah jalan dan melemparkan ledakan kuat di beberapa galaksi terdekat, tetapi pada saat yang sama mereka memahami bahwa meskipun alam tidak begitu menguntungkan, ia tidak dapat lagi bersembunyi dari para ilmuwan. Satu-satunya pertanyaan adalah kapan tepatnya mereka akan dapat mencapai tujuan teknis mereka. Sebuah cerita tentang perasaan ini dari seseorang yang telah mencari gelombang gravitasi selama beberapa dekade dapat didengar dalam film yang telah disebutkan. "Menunggu Gelombang dan Partikel".

Pembukaan

pada gambar. 7 menunjukkan hasil utama: profil sinyal yang direkam oleh kedua detektor. Dapat dilihat bahwa dengan latar belakang kebisingan, pada awalnya, osilasi bentuk yang diinginkan tampak lemah, dan kemudian meningkat dalam amplitudo dan frekuensi. Perbandingan dengan hasil simulasi numerik memungkinkan untuk mengetahui objek mana yang kami amati bergabung: ini adalah lubang hitam dengan massa sekitar 36 dan 29 massa matahari, yang bergabung menjadi lubang hitam tunggal dengan massa 62 massa matahari (kesalahan dari semua angka ini, sesuai dengan interval kepercayaan 90 persen, adalah 4 massa matahari). Para penulis berkomentar sambil lalu bahwa lubang hitam yang dihasilkan adalah lubang hitam bermassa bintang terberat yang pernah diamati. Perbedaan antara massa total dua benda asli dan lubang hitam terakhir adalah 3±0,5 massa matahari. Cacat massa gravitasi ini sepenuhnya diubah menjadi energi gelombang gravitasi yang dipancarkan dalam waktu sekitar 20 milidetik. Perhitungan menunjukkan bahwa kekuatan gelombang gravitasi puncak mencapai 3,6·10 56 erg/s, atau, dalam hal massa, sekitar 200 massa matahari per detik.

Signifikansi statistik dari sinyal yang terdeteksi adalah 5,1σ. Dengan kata lain, jika kita berasumsi bahwa fluktuasi statistik ini saling tumpang tindih dan menghasilkan lonjakan seperti itu semata-mata karena kebetulan, peristiwa semacam itu harus menunggu 200 ribu tahun. Ini memungkinkan kita untuk menyatakan dengan yakin bahwa sinyal yang terdeteksi bukanlah fluktuasi.

Waktu tunda antara dua detektor adalah sekitar 7 milidetik. Hal ini memungkinkan untuk memperkirakan arah kedatangan sinyal (Gbr. 9). Karena hanya ada dua detektor, pelokalannya ternyata sangat mendekati: luas bola langit yang cocok dalam hal parameter adalah 600 derajat persegi.

Kolaborasi LIGO tidak membatasi diri hanya untuk menyatakan fakta pendaftaran gelombang gravitasi, tetapi juga melakukan analisis pertama tentang apa implikasi pengamatan ini bagi astrofisika. Dalam artikel Implikasi Astrofisika dari penggabungan lubang hitam biner GW150914 diterbitkan pada hari yang sama di jurnal Surat Jurnal Astrofisika, penulis memperkirakan frekuensi terjadinya penggabungan lubang hitam tersebut. Ternyata setidaknya satu merger dalam gigaparsec kubik per tahun, yang menyatu dengan prediksi model paling optimis dalam hal ini.

Tentang apa gelombang gravitasi?

Penemuan fenomena baru setelah puluhan tahun mencari bukanlah akhir, tetapi hanya awal dari cabang baru fisika. Tentu saja, pendaftaran gelombang gravitasi dari penggabungan dua hitam itu sendiri penting. Ini adalah bukti langsung tentang keberadaan lubang hitam, dan keberadaan lubang hitam biner, dan realitas gelombang gravitasi, dan, secara umum, bukti kebenaran pendekatan geometris terhadap gravitasi, yang menjadi dasar relativitas umum. . Tetapi bagi fisikawan, tidak kalah berharganya bahwa astronomi gelombang gravitasi menjadi alat penelitian baru, memungkinkan untuk mempelajari apa yang sebelumnya tidak dapat diakses.

Pertama, ini adalah cara baru untuk melihat Semesta dan mempelajari bencana alam semesta. Tidak ada hambatan untuk gelombang gravitasi; mereka melewati segala sesuatu di Semesta tanpa masalah. Mereka mandiri: profil mereka membawa informasi tentang proses yang menghasilkan mereka. Terakhir, jika satu ledakan besar menimbulkan ledakan optik, neutrino, dan gravitasi, maka Anda dapat mencoba menangkap semuanya, membandingkannya satu sama lain, dan memilah detail yang sebelumnya tidak dapat diakses tentang apa yang terjadi di sana. Untuk dapat menangkap dan membandingkan sinyal yang berbeda dari satu peristiwa adalah tujuan utama dari semua sinyal astronomi.

Ketika detektor gelombang gravitasi menjadi lebih sensitif, mereka akan dapat mencatat kegugupan ruang-waktu tidak pada saat penggabungan, tetapi beberapa detik sebelum itu. Mereka akan secara otomatis mengirim sinyal peringatan mereka ke jaringan umum stasiun pengamatan, dan teleskop satelit astrofisika, setelah menghitung koordinat penggabungan yang diusulkan, akan memiliki waktu untuk berbelok ke arah yang benar dalam detik-detik ini dan mulai memotret langit sebelum dimulai. dari ledakan optik.

Kedua, ledakan gelombang gravitasi akan memungkinkan Anda mempelajari hal-hal baru tentang bintang neutron. Penggabungan bintang neutron sebenarnya adalah eksperimen bintang neutron terbaru dan paling ekstrem yang dapat dilakukan alam untuk kita, dan kita sebagai penonton hanya perlu mengamati hasilnya. Konsekuensi pengamatan dari penggabungan tersebut dapat bervariasi (Gbr. 10), dan dengan mengumpulkan statistik mereka, kita akan dapat lebih memahami perilaku bintang neutron dalam kondisi eksotis tersebut. Ikhtisar keadaan saat ini dalam arah ini dapat ditemukan dalam publikasi terbaru oleh S. Rosswog, 2015. Gambar multi-messenger dari penggabungan biner kompak.

Ketiga, pencatatan ledakan yang berasal dari supernova dan perbandingannya dengan pengamatan optik pada akhirnya akan memungkinkan untuk memilah rincian apa yang terjadi di dalam, pada awal keruntuhan. Sekarang fisikawan masih mengalami kesulitan dengan simulasi numerik dari proses ini.

Keempat, fisikawan yang terlibat dalam teori gravitasi memiliki "laboratorium" yang didambakan untuk mempelajari efek gravitasi kuat. Sejauh ini, semua efek relativitas umum yang dapat kita amati secara langsung berkaitan dengan gravitasi di medan lemah. Tentang apa yang terjadi dalam kondisi gravitasi yang kuat, ketika distorsi-distorsi ruang-waktu mulai berinteraksi secara kuat dengan dirinya sendiri, kita hanya bisa menebak dengan manifestasi tidak langsung, melalui gema optik dari malapetaka kosmik.

Kelima, ada peluang baru untuk menguji teori gravitasi eksotis. Sudah ada banyak teori seperti itu dalam fisika modern, lihat, misalnya, bab yang dikhususkan untuk mereka dari buku populer oleh A. N. Petrov "Gravity". Beberapa dari teori ini menyerupai relativitas umum konvensional dalam batas medan lemah, tetapi mungkin sangat berbeda darinya ketika gravitasi menjadi sangat kuat. Yang lain menganggap keberadaan jenis polarisasi baru untuk gelombang gravitasi dan memprediksi kecepatan yang sedikit berbeda dari kecepatan cahaya. Akhirnya, ada teori yang memasukkan dimensi spasial tambahan. Apa yang dapat dikatakan tentang mereka berdasarkan gelombang gravitasi adalah pertanyaan terbuka, tetapi jelas bahwa beberapa informasi dapat diambil dari sini. Kami juga merekomendasikan membaca pendapat para astrofisikawan sendiri tentang apa yang akan berubah dengan ditemukannya gelombang gravitasi, dalam pemilihan di Postnauka.

Rencana masa depan

Prospek astronomi gelombang gravitasi adalah yang paling menggembirakan. Hanya sesi pengamatan terpendek pertama dari detektor aLIGO yang sekarang telah berakhir - dan sinyal yang jelas telah ditangkap dalam waktu yang singkat ini. Akan lebih akurat untuk mengatakan ini: sinyal pertama ditangkap bahkan sebelum peluncuran resmi, dan kolaborasi belum melaporkan semua empat bulan kerja. Siapa tahu, mungkin sudah ada beberapa tambahan burst? Dengan satu atau lain cara, tetapi lebih jauh, ketika sensitivitas detektor meningkat dan bagian Semesta yang dapat diakses untuk pengamatan gelombang gravitasi meluas, jumlah peristiwa yang terdaftar akan bertambah seperti longsoran salju.

Jadwal yang diharapkan dari sesi jaringan LIGO-Virgo ditunjukkan pada gambar. 11. Sesi kedua, enam bulan, akan dimulai pada akhir tahun ini, sesi ketiga akan berlangsung hampir sepanjang tahun 2018, dan pada setiap tahap sensitivitas detektor akan meningkat. Sekitar tahun 2020, aLIGO akan mencapai sensitivitas yang direncanakan, yang akan memungkinkan detektor untuk menyelidiki Semesta untuk penggabungan bintang neutron yang berjarak hingga 200 Mpc dari kita. Untuk peristiwa penggabungan lubang hitam yang lebih energetik, sensitivitasnya bisa mencapai hampir satu gigaparsec. Dengan satu atau lain cara, volume Alam Semesta yang tersedia untuk pengamatan akan meningkat sepuluh kali lipat lebih banyak dibandingkan dengan sesi pertama.

Pada akhir tahun ini, laboratorium Italia Virgo yang diperbarui juga akan memasuki permainan. Ini memiliki sensitivitas yang sedikit lebih rendah daripada LIGO, tetapi juga cukup baik. Karena metode triangulasi, trio detektor yang ditempatkan terpisah di ruang angkasa akan memungkinkan untuk memulihkan posisi sumber pada bola langit dengan lebih baik. Jika sekarang, dengan dua detektor, area lokalisasi mencapai ratusan derajat persegi, maka tiga detektor akan menguranginya menjadi puluhan. Selain itu, antena gelombang gravitasi KAGRA serupa saat ini sedang dibangun di Jepang, yang akan mulai beroperasi dalam dua hingga tiga tahun, dan di India, sekitar 2022, direncanakan untuk meluncurkan detektor LIGO-India. Akibatnya, seluruh jaringan detektor gelombang gravitasi akan beroperasi dan merekam sinyal secara teratur dalam beberapa tahun (Gbr. 13).

Terakhir, ada rencana untuk membawa instrumen gelombang gravitasi ke luar angkasa, terutama proyek eLISA. Dua bulan lalu, satelit uji coba pertama diluncurkan ke orbit, yang tugasnya adalah menguji teknologi. Itu masih jauh dari deteksi gelombang gravitasi yang sebenarnya. Tetapi ketika konstelasi satelit ini mulai mengumpulkan data, ia akan membuka jendela lain ke alam semesta - melalui gelombang gravitasi frekuensi rendah. Pendekatan semua gelombang seperti itu terhadap gelombang gravitasi adalah tujuan utama bidang ini dalam jangka panjang.

Paralel

Penemuan gelombang gravitasi telah menjadi kasus ketiga dalam beberapa tahun terakhir ketika fisikawan akhirnya berhasil menembus semua rintangan dan mencapai seluk-beluk struktur dunia kita yang sebelumnya tidak diketahui. Pada 2012, Higgs boson ditemukan - sebuah partikel yang diprediksi hampir setengah abad yang lalu. Pada tahun 2013, detektor neutrino IceCube membuktikan realitas neutrino astrofisika dan mulai "melihat alam semesta" dengan cara yang sama sekali baru, yang sebelumnya tidak dapat diakses - melalui neutrino berenergi tinggi. Dan sekarang alam telah menyerah pada manusia sekali lagi: sebuah “jendela” gelombang gravitasi telah terbuka untuk mengamati alam semesta dan, pada saat yang sama, efek gravitasi yang kuat telah tersedia untuk studi langsung.

Saya harus mengatakan, tidak ada "gratis" dari alam. Pencarian dilakukan untuk waktu yang sangat lama, tetapi tidak menyerah karena saat itu, beberapa dekade yang lalu, peralatan tidak mencapai hasil dalam hal energi, skala, atau sensitivitas. Itu adalah perkembangan teknologi yang mantap dan terarah yang mengarah pada tujuan, suatu perkembangan yang tidak dihentikan oleh kesulitan teknis atau akibat negatif dari tahun-tahun sebelumnya.

Dan dalam ketiga kasus tersebut, penemuan itu sendiri bukanlah akhir, tetapi, sebaliknya, awal dari arah penelitian yang baru, menjadi alat baru untuk menyelidiki dunia kita. Sifat-sifat Higgs boson telah menjadi terukur - dan dalam data ini, fisikawan mencoba untuk membedakan efek Fisika Baru. Berkat peningkatan statistik neutrino berenergi tinggi, astrofisika neutrino mengambil langkah pertamanya. Setidaknya hal yang sama sekarang diharapkan dari astronomi gelombang gravitasi, dan ada banyak alasan untuk optimis.

Sumber:
1) LIGO Ilmiah Kol. dan Virgo Coll. Pengamatan Gelombang Gravitasi dari Penggabungan Binary Black Hole // fisik Putaran. Lett. Diterbitkan 11 Februari 2016.
2) Makalah Deteksi - daftar makalah teknis yang menyertai makalah penemuan utama.
3) E.Berti. Sudut Pandang: Suara Pertama Penggabungan Lubang Hitam // Fisika. 2016. V. 9. N. 17.

Bahan ulasan:
1) David Blair dkk. Astronomi gelombang gravitasi: status saat ini // arXiv:1602.02872 .
2) Benjamin P. Abbott dan Kolaborasi Ilmiah LIGO dan Kolaborasi Virgo. Prospek untuk Mengamati dan Melokalisasi Transien Gelombang Gravitasi dengan LIGO Tingkat Lanjut dan Virgo Tingkat Lanjut // Hidup Pdt. relativitas. 2016. V. 19. N. 1.
3) O.D. Aguiar. Masa Lalu, Sekarang dan Masa Depan Detektor Gelombang Gravitasi Massa Resonan // Res. astronot. Astrofia. 2011. V. 11. N. 1.
4) Pencarian gelombang gravitasi - pilihan bahan di situs web jurnal Sains mencari gelombang gravitasi.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Deteksi Gelombang Gravitasi dengan Interferometri (Tanah dan Luar Angkasa) // arXiv:1102.3355 .
6) V.B. Braginsky. Astronomi gelombang gravitasi: metode pengukuran baru // UFN. 2000, jilid 170, hlm. 743–752.
7) Peter R. Saulson.

Portal untuk siswa. Latihan mandiri