Joi, 11 februarie, un grup de oameni de știință din cadrul proiectului internațional LIGO Scientific Collaboration au anunțat că au reușit, a cărui existență a fost prezisă de Albert Einstein încă din 1916. Potrivit cercetătorilor, pe 14 septembrie 2015, aceștia au înregistrat o undă gravitațională, care a fost cauzată de ciocnirea a două găuri negre cu o masă de 29 și 36 de ori mai mare decât masa Soarelui, după care au fuzionat într-o gaură neagră mare. . Potrivit acestora, acest lucru s-a întâmplat cu 1,3 miliarde de ani în urmă, la o distanță de 410 Megaparsecs de galaxia noastră.

LIGA.net a vorbit în detaliu despre undele gravitaționale și despre o descoperire la scară largă Bohdan Hnatyk, om de știință ucrainean, astrofizician, doctor în științe fizice și matematice, cercetător principal la Observatorul Astronomic al Universității Naționale Taras Shevchenko din Kiev, care a condus observatorul din 2001 până în 2004.

Teoria în limbaj simplu

Fizica studiază interacțiunea dintre corpuri. S-a stabilit că există patru tipuri de interacțiuni între corpuri: interacțiune electromagnetică, interacțiune nucleară puternică și slabă și interacțiune gravitațională, pe care le simțim cu toții. Datorită interacțiunii gravitaționale, planetele se învârt în jurul Soarelui, corpurile au greutate și cad la pământ. Ființele umane se confruntă în mod constant cu interacțiunea gravitațională.

În 1916, acum 100 de ani, Albert Einstein a construit o teorie a gravitației care a îmbunătățit teoria gravitației a lui Newton, a făcut-o corectă din punct de vedere matematic: a început să îndeplinească toate cerințele fizicii, a început să ia în considerare faptul că gravitația se propagă la un nivel foarte ridicat. , dar viteză finită. Aceasta este pe bună dreptate una dintre cele mai ambițioase realizări ale lui Einstein, deoarece el a construit o teorie a gravitației care corespunde tuturor fenomenelor fizicii pe care le observăm astăzi.

Această teorie a sugerat și existența valuri gravitationale. Baza acestei predicții a fost că undele gravitaționale există ca rezultat al interacțiunii gravitaționale care are loc datorită fuziunii a două corpuri masive.

Ce este o undă gravitațională

Într-un limbaj complex, aceasta este excitația metricii spațiu-timp. "Să presupunem că spațiul are o anumită elasticitate și undele pot trece prin el. Este ca atunci când aruncăm o pietricică în apă și valuri se împrăștie din ea", a declarat doctorul în științe fizice și matematice pentru LIGA.net.

Oamenii de știință au reușit să demonstreze experimental că o astfel de fluctuație a avut loc în Univers și o undă gravitațională a circulat în toate direcțiile. „Pentru prima dată, fenomenul unei astfel de evoluții catastrofale a unui sistem binar a fost înregistrat printr-o metodă astrofizică, atunci când două obiecte se contopesc într-unul, iar această fuziune duce la o eliberare foarte intensă a energiei gravitaționale, care apoi se propagă în spațiu în forma undelor gravitaționale”, a explicat omul de știință.

Cum arată (foto - EPA)

Aceste unde gravitaționale sunt foarte slabe și pentru ca ele să oscileze spațiu-timp este necesară interacțiunea unor corpuri foarte mari și masive, astfel încât puterea câmpului gravitațional să fie mare la locul de generare. Dar, în ciuda slăbiciunii lor, observatorul după un anumit timp (egal cu distanța până la interacțiune împărțită la viteza semnalului) va înregistra această undă gravitațională.

Să dăm un exemplu: dacă Pământul ar cădea pe Soare, atunci ar avea loc o interacțiune gravitațională: s-ar elibera energia gravitațională, s-ar forma o undă gravitațională simetrică sferică, iar observatorul ar putea-o înregistra. „Aici, a avut loc un fenomen similar, dar unic, din punctul de vedere al astrofizicii: două corpuri masive – două găuri negre – s-au ciocnit”, a observat Gnatyk.

Înapoi la teorie

O gaură neagră este o altă predicție a teoriei generale a relativității a lui Einstein, care prevede că un corp care are o masă uriașă, dar această masă este concentrată într-un volum mic, poate distorsiona semnificativ spațiul din jurul său, până la închiderea sa. Adică, s-a presupus că atunci când se atinge o concentrație critică a masei acestui corp - astfel încât dimensiunea corpului să fie mai mică decât așa-numita rază gravitațională, atunci spațiul se va închide în jurul acestui corp și topologia acestuia se va închide. să fie de așa natură încât niciun semnal de la acesta să nu se răspândească în afara spațiului închis nu poate.

„Adică, o gaură neagră, în termeni simpli, este un obiect masiv care este atât de greu încât închide spațiu-timp în jurul său”, spune omul de știință.

Iar noi, potrivit lui, putem trimite orice semnale acestui obiect, dar el nu ne poate trimite. Adică, niciun semnal nu poate trece dincolo de gaura neagră.

O gaură neagră trăiește conform legilor fizice obișnuite, dar, ca urmare a gravitației puternice, nici un singur corp material, chiar și un foton, nu este capabil să depășească această suprafață critică. Găurile negre se formează în timpul evoluției stelelor obișnuite, când nucleul central se prăbușește și o parte din materia stelei, prăbușindu-se, se transformă într-o gaură neagră, iar cealaltă parte a stelei este ejectată sub forma unei învelișuri de supernovă, transformându-se în așa-numitul „flash” al unei supernove.

Cum am văzut unda gravitațională

Să luăm un exemplu. Când avem două plutitoare la suprafața apei și apa este calmă, distanța dintre ele este constantă. Când vine un val, schimbă aceste flotoare și distanța dintre flotoare se va schimba. Valul a trecut - iar plutitoarele revin la pozițiile lor anterioare, iar distanța dintre ele este restabilită.

O undă gravitațională se propagă într-un mod similar în spațiu-timp: comprimă și întinde corpurile și obiectele care se întâlnesc pe drum. „Când un anumit obiect este întâlnit pe traseul unei unde, acesta se deformează de-a lungul axelor sale, iar după trecerea lui, revine la forma anterioară. Sub influența unei unde gravitaționale, toate corpurile sunt deformate, dar aceste deformații sunt foarte nesemnificativ”, spune Hnatyk.

Când valul a trecut, care a fost înregistrat de oamenii de știință, dimensiunea relativă a corpurilor din spațiu s-a schimbat cu o valoare de ordinul a 1 ori 10 la puterea minus 21. De exemplu, dacă luați o riglă de metru, aceasta s-a micșorat cu o astfel de valoare încât a fost dimensiunea sa, înmulțită cu 10 până la gradul 21 minus. Aceasta este o cantitate foarte mică. Și problema a fost că oamenii de știință au trebuit să învețe cum să măsoare această distanță. Metodele convenționale au dat o precizie de ordinul de la 1 la 10 până la a 9-a putere a unui milion, dar aici este nevoie de o precizie mult mai mare. Pentru a face acest lucru, a creat așa-numitele antene gravitaționale (detectori de unde gravitaționale).

Observatorul LIGO (foto - EPA)

Antena care a înregistrat undele gravitaționale este construită astfel: sunt două tuburi, lungi de aproximativ 4 kilometri, dispuse în forma literei „L”, dar cu aceleași brațe și în unghi drept. Când o undă gravitațională cade asupra sistemului, aceasta deformează aripile antenei, dar în funcție de orientarea acesteia, se deformează pe una mai mult și pe cealaltă mai puțin. Și apoi există o diferență de cale, modelul de interferență al semnalului se schimbă - există o amplitudine totală pozitivă sau negativă.

„Adică trecerea unei unde gravitaționale este asemănătoare cu o undă pe apă care trece între două flotoare: dacă am măsura distanța dintre ele în timpul și după trecerea undei, am vedea că distanța s-ar schimba, apoi devine la fel, zise el. Gnatyk.

De asemenea, măsoară modificarea relativă a distanței celor două aripi ale interferometrului, fiecare având o lungime de aproximativ 4 kilometri. Și numai tehnologii și sisteme foarte precise pot măsura o astfel de deplasare microscopică a aripilor cauzată de o undă gravitațională.

La marginea universului: de unde a venit valul

Oamenii de știință au înregistrat semnalul folosind două detectoare, care în Statele Unite sunt situate în două state: Louisiana și Washington, la o distanță de aproximativ 3 mii de kilometri. Oamenii de știință au reușit să estimeze de unde și de la ce distanță a venit acest semnal. Estimările arată că semnalul a venit de la o distanță de 410 Megaparsecs. Un megaparsec este distanța pe care o parcurge lumina în trei milioane de ani.

Pentru a fi mai ușor de imaginat: cea mai apropiată galaxie activă de noi, cu o gaură neagră supermasivă în centru este Centaurus A, care este la patru Megaparsecs de a noastră, în timp ce Nebuloasa Andromeda este la o distanță de 0,7 Megaparsecs. "Adică, distanța de la care a venit semnalul undelor gravitaționale este atât de mare încât semnalul a mers pe Pământ timp de aproximativ 1,3 miliarde de ani. Acestea sunt distanțe cosmologice care ating aproximativ 10% din orizontul Universului nostru", a spus omul de știință.

La această distanță, într-o galaxie îndepărtată, două găuri negre s-au contopit. Aceste găuri, pe de o parte, aveau dimensiuni relativ mici, iar pe de altă parte, amplitudinea mare a semnalului indică faptul că erau foarte grele. S-a stabilit că masele lor erau de 36 și respectiv 29 de mase solare. Masa Soarelui, după cum știți, este o valoare care este egală cu de 2 ori 10 la puterea a 30-a a unui kilogram. După fuziune, aceste două corpuri s-au unit și acum în locul lor s-a format o singură gaură neagră, care are o masă egală cu 62 de mase solare. În același timp, aproximativ trei mase ale Soarelui s-au împrăștiat sub formă de energie a undelor gravitaționale.

Cine a făcut descoperirea și când

Oamenii de știință din cadrul proiectului internațional LIGO au reușit să detecteze o undă gravitațională pe 14 septembrie 2015. LIGO (Observatorul de gravitație de interferometrie cu laser) este un proiect internațional la care participă o serie de state care au avut o anumită contribuție financiară și științifică, în special SUA, Italia, Japonia, care sunt avansate în domeniul acestor studii.

Profesorii Rainer Weiss și Kip Thorne (foto - EPA)

A fost înregistrată următoarea poză: a avut loc o deplasare a aripilor detectorului gravitațional, ca urmare a trecerii efective a unei unde gravitaționale prin planeta noastră și prin această instalație. Acest lucru nu a fost raportat atunci, deoarece semnalul trebuia procesat, „curățat”, amplitudinea lui a fost găsită și verificată. Aceasta este o procedură standard: de la o descoperire reală până la anunțul unei descoperiri, este nevoie de câteva luni pentru a emite o revendicare valabilă. "Nimeni nu vrea să le strice reputația. Acestea sunt toate date secrete, înainte de publicarea cărora - nimeni nu știa despre ele, existau doar zvonuri", a spus Hnatyk.

Poveste

Undele gravitaționale au fost studiate încă din anii 70 ai secolului trecut. În acest timp, au fost create o serie de detectoare și au fost efectuate o serie de studii fundamentale. În anii 80, omul de știință american Joseph Weber a construit prima antenă gravitațională sub forma unui cilindru de aluminiu, care avea o dimensiune de ordinul a câțiva metri, echipată cu senzori piezo care trebuiau să înregistreze trecerea unei unde gravitaționale.

Sensibilitatea acestui instrument a fost de un milion de ori mai slabă decât detectoarele actuale. Și, desigur, nu putea să repare valul în acel moment, deși Weber a spus că a făcut-o: presa a scris despre asta și a avut loc un „boom gravitațional” - lumea a început imediat să construiască antene gravitaționale. Weber a încurajat alți oameni de știință să studieze undele gravitaționale și să-și continue experimentele asupra acestui fenomen, ceea ce a făcut posibilă creșterea sensibilității detectorilor de un milion de ori.

Cu toate acestea, însuși fenomenul undelor gravitaționale a fost înregistrat în secolul trecut, când oamenii de știință au descoperit un pulsar dublu. A fost o înregistrare indirectă a faptului că undele gravitaționale există, dovedită prin observații astronomice. Pulsarul a fost descoperit de Russell Hulse și Joseph Taylor în 1974 în timp ce observau cu radiotelescopul Observatorului Arecibo. Oamenii de știință au primit Premiul Nobel în 1993 „pentru descoperirea unui nou tip de pulsar, care a oferit noi oportunități în studiul gravitației”.

Cercetare în lume și în Ucraina

În Italia, un proiect similar numit Virgo este aproape de finalizare. De asemenea, Japonia intenționează să lanseze un detector similar într-un an, India pregătește și ea un astfel de experiment. Adică, în multe părți ale lumii există detectoare similare, dar nu au ajuns încă la acel mod de sensibilitate, astfel încât să putem vorbi despre fixarea undelor gravitaționale.

"Oficial, Ucraina nu este membră a LIGO și nici nu participă la proiectele italiene și japoneze. Printre astfel de domenii fundamentale, Ucraina participă acum la proiectul LHC (LHC - Large Hadron Collider) și la CERN" (vom oficial deveniți membru numai după achitarea taxei de intrare) ”, a declarat Bogdan Gnatyk, doctor în științe fizice și matematice, pentru LIGA.net.

Potrivit acestuia, din 2015, Ucraina este membru cu drepturi depline al colaborarii internaționale CTA (MChT-Cherenkov Telescope Array), care construiește un telescop modern multi TeV gamă gamma largă (cu energii fotonice de până la 1014 eV). „Principalele surse ale unor astfel de fotoni sunt tocmai vecinătatea găurilor negre supermasive, a căror radiație gravitațională a fost înregistrată pentru prima dată de detectorul LIGO. Prin urmare, deschiderea de noi ferestre în astronomie - unde gravitaționale și multi TeV noul câmp electromagnetic ne promite mult mai multe descoperiri în viitor”, adaugă omul de știință.

Ce urmează și cum noile cunoștințe vor ajuta oamenii? Savanții nu sunt de acord. Unii spun că acesta este doar un alt pas în înțelegerea mecanismelor universului. Alții văd acest lucru ca fiind primii pași către noile tehnologii de deplasare în timp și spațiu. Într-un fel sau altul, această descoperire a dovedit încă o dată cât de puțin înțelegem și cât de mult mai rămâne de învățat.

Diferența cheie este că, în timp ce sunetul are nevoie de un mediu în care să călătorească, undele gravitaționale mișcă mediul - în acest caz, spațiu-timp însuși. „Ei zdrobesc și întind literalmente țesătura spațiu-timpului”, spune Chiara Mingarelli, astrofizician de unde gravitaționale la Caltech. Pentru urechile noastre, undele detectate de LIGO vor suna ca un gârâit.

Cum va avea loc mai exact această revoluție? LIGO are în prezent două detectoare care acționează ca „urechi” pentru oamenii de știință și vor exista mai multe detectoare în viitor. Și dacă LIGO a fost primul care a descoperit, cu siguranță nu va fi singurul. Există multe tipuri de unde gravitaționale. De fapt, există un întreg spectru al acestora, la fel cum există diferite tipuri de lumină, cu lungimi de undă diferite, în spectrul electromagnetic. Prin urmare, alte colaborări vor începe să vâneze valuri cu o frecvență pentru care LIGO nu este conceput.

Mingarelli lucrează cu colaborarea NanoGRAV (North American Nanohertz Gravitational Wave Observatory), parte a unui consorțiu internațional major care include European Pulsar Timing Array și Parkes Pulsar Timing Array din Australia. După cum sugerează și numele, oamenii de știință NanoGRAV vânează unde gravitaționale de joasă frecvență în modul de la 1 la 10 nanoherți; Sensibilitatea LIGO este în partea kilohertzi (audibilă) a spectrului, căutând lungimi de undă foarte mari.


Această colaborare se bazează pe datele pulsarilor colectate de Observatorul Arecibo din Puerto Rico și Telescopul Green Bank din Virginia de Vest. Pulsarii sunt stele neutronice care se rotesc rapid, care se formează atunci când stelele mai masive decât Soarele explodează și se prăbușesc în sine. Se învârt din ce în ce mai repede pe măsură ce sunt comprimate, la fel ca o greutate de la capătul unei frânghii se învârte mai repede cu cât frânghia devine mai scurtă.

Ei emit, de asemenea, rafale puternice de radiații pe măsură ce se rotesc, ca un far, care sunt înregistrate ca impulsuri de lumină pe Pământ. Și această rotație periodică este extrem de precisă - aproape la fel de precisă ca un ceas atomic. Îi face detectorii ideali de unde gravitaționale cosmice. Primele dovezi indirecte au venit din studierea pulsarilor în 1974, când Joseph Taylor Jr. și Russell Hulse au descoperit că un pulsar care orbitează în jurul unei stele neutronice se micșorează încet cu timpul – un efect la care ar fi de așteptat dacă ar transforma o parte din masa sa în energie în forma undelor gravitationale.

În cazul lui NanoGRAV, pistolul fumegen va avea un fel de pâlpâire. Impulsurile ar trebui să sosească în același timp, dar dacă o undă gravitațională le lovește, ele vor ajunge puțin mai devreme sau mai târziu, deoarece spațiu-timp se va contracta sau se va întinde pe măsură ce valul trece.

Grilele de timp Pulsar sunt deosebit de sensibile la undele gravitaționale produse de fuziunea găurilor negre supermasive de un miliard sau zece miliarde de ori masa Soarelui nostru, la fel ca cele care pândesc în centrul celor mai masive galaxii. Dacă două astfel de galaxii se unesc, găurile din centrele lor se vor îmbina și vor emite unde gravitaționale. „LIGO vede sfârșitul fuziunii atunci când perechile sunt foarte apropiate”, spune Mingarelli. „Cu ajutorul SDM, i-am putut vedea la începutul fazei spiralate, când tocmai intră unul pe orbita celuilalt.”

Și mai există și misiunea spațială LISA (Laser Interferometer Space Antenna). LIGO bazat pe Pământ este excelent la detectarea undelor gravitaționale, echivalentul unei fracțiuni din spectrul sunetului audibil, așa cum au produs găurile noastre negre care fuzionează. Dar multe surse interesante ale acestor unde produc frecvențe joase. Așa că fizicienii trebuie să meargă în spațiu pentru a le găsi. Sarcina principală a actualei misiuni LISA Pathfinder () este de a testa funcționarea detectorului. „Cu LIGO, puteți opri unealta, deschide aspiratorul și repara totul”, spune Scott Hughes de la MIT. Dar nu poți deschide nimic în spațiu. Trebuie să o faci imediat ca să funcționeze.”

Scopul LISA este simplu: folosind interferometre laser, nava spațială va încerca să măsoare cu precizie poziția relativă a două cuburi de aur-platină de 1,8 inci în cădere liberă. Găzduite în cutii de electrozi separate, la 15 inci una de cealaltă, obiectele de testat vor fi protejate de vântul solar și de alte forțe externe, astfel încât mișcarea minusculă cauzată de undele gravitaționale va fi detectabilă (sperăm).

În cele din urmă, există două experimente menite să caute amprentele lăsate de undele gravitaționale primordiale în CMB (ulterior strălucire a Big Bang): BICEP2 și misiunea satelit Planck. BICEP2 a susținut că a detectat unul în 2014, dar s-a dovedit că semnalul era fals (de vină era praful cosmic).

Ambele colaborări continuă să vâneze în speranța de a arunca lumină asupra istoriei timpurii a universului nostru - și sperăm că vor confirma previziunile cheie ale teoriei inflaționiste. Această teorie a prezis că la scurt timp după naștere, universul a cunoscut o creștere rapidă, care nu a putut să nu lase unde gravitaționale puternice, care au rămas întipărite în radiația de fond sub formă de unde luminoase speciale (polarizare).

Fiecare dintre cele patru regimuri de unde gravitaționale va deschide patru noi ferestre asupra universului pentru astronomi.

Dar știm la ce vă gândiți: este timpul să porniți unitatea warp, băieți! Va ajuta descoperirea LIGO la construirea Stelei Morții săptămâna viitoare? Desigur că nu. Dar cu cât înțelegem mai bine gravitația, cu atât mai mult vom înțelege cum să construim aceste lucruri. La urma urmei, aceasta este munca oamenilor de știință, așa își câștigă pâinea. Înțelegând cum funcționează universul, ne putem baza mai mult pe capacitățile noastre.

Pe 11 februarie 2016, un grup internațional de oameni de știință, inclusiv din Rusia, la o conferință de presă la Washington a anunțat o descoperire care va schimba mai devreme sau mai târziu dezvoltarea civilizației. S-a putut dovedi în practică undele gravitaționale sau undele spațiu-timp. Existența lor a fost prezisă acum 100 de ani de Albert Einstein în a lui.

Nimeni nu se îndoiește că această descoperire va primi Premiul Nobel. Oamenii de știință nu se grăbesc să vorbească despre aplicarea sa practică. Dar ei amintesc că până de curând, nici omenirea nu știa exact ce să facă cu undele electromagnetice, ceea ce a dus în cele din urmă la o adevărată revoluție științifică și tehnologică.

Ce sunt undele gravitaționale în termeni simpli

Gravitația și gravitația universală sunt una și aceeași. Undele gravitaționale sunt una dintre soluțiile OTS. Ele trebuie să se propagă cu viteza luminii. Este emis de orice corp care se deplasează cu accelerație variabilă.

De exemplu, se rotește pe orbita sa cu o accelerație variabilă îndreptată spre stea. Și această accelerație este în continuă schimbare. Sistemul solar radiază energie de ordinul mai multor kilowați în unde gravitaționale. Aceasta este o cantitate mică, comparabilă cu 3 televizoare color vechi.

Un alt lucru sunt doi pulsari (stele neutroni) care se rotesc unul în jurul celuilalt. Se mișcă pe orbite foarte strânse. Un astfel de „cuplu” a fost descoperit de astrofizicieni și a fost observat de mult timp. Obiectele erau gata să cadă unele peste altele, ceea ce indica indirect că pulsarii radiază unde spațiu-timp, adică energie în câmpul lor.

Gravitația este forța gravitației. Suntem atrași de pământ. Iar esența unei unde gravitaționale este o schimbare în acest câmp, extrem de slabă când vine vorba de noi. De exemplu, luați nivelul apei dintr-un rezervor. Intensitatea câmpului gravitațional este accelerația căderii libere într-un anumit punct. Un val străbate rezervorul nostru și brusc accelerația căderii libere se schimbă, doar puțin.

Astfel de experimente au început în anii 60 ai secolului trecut. La acea vreme, au venit cu asta: au atârnat un cilindru uriaș de aluminiu, răcit pentru a evita fluctuațiile termice interne. Și așteptau ca un val de la o coliziune a, de exemplu, două găuri negre masive să ajungă brusc la noi. Cercetătorii au fost entuziaști și au spus că întregul glob ar putea fi afectat de o undă gravitațională care vine din spațiul cosmic. Planeta va începe să oscileze și aceste unde seismice (de compresie, de forfecare și de suprafață) pot fi studiate.

Un articol important despre dispozitiv într-un limbaj simplu și despre modul în care americanii și LIGO au furat ideea oamenilor de știință sovietici și au construit introferometrele care au permis descoperirea. Nimeni nu vorbeste despre asta, toata lumea tace!

Apropo, radiația gravitațională este mai interesantă din punctul de vedere al radiației relicve, pe care încearcă să o găsească schimbând spectrul radiațiilor electromagnetice. Relicva și radiația electromagnetică au apărut la 700 de mii de ani după Big Bang, apoi în procesul de extindere a universului umplut cu gaz fierbinte cu unde de șoc care călătoresc, care mai târziu s-au transformat în galaxii. În acest caz, desigur, ar fi trebuit să fie emis un număr gigantic, uluitor de unde spațiu-timp, care afectează lungimea de undă a radiației cosmice de fond cu microunde, care la acea vreme era încă optică. Astrofizicianul autohton Sazhin scrie și publică în mod regulat articole pe această temă.

Interpretarea greșită a descoperirii undelor gravitaționale

„O oglindă atârnă, o undă gravitațională acționează asupra ei și începe să oscileze. Și chiar și cele mai mici fluctuații cu o amplitudine mai mică decât dimensiunea unui nucleu atomic sunt observate de instrumente ”- o astfel de interpretare incorectă, de exemplu, este folosită în articolul Wikipedia. Nu fi leneș, găsește un articol al oamenilor de știință sovietici în 1962.

În primul rând, oglinda trebuie să fie masivă pentru a simți „undulurile”. În al doilea rând, trebuie răcit la zero aproape absolut (Kelvin) pentru a evita propriile fluctuații termice. Cel mai probabil, nu numai în secolul 21, dar, în general, nu va fi niciodată posibilă detectarea unei particule elementare - purtătoarea undelor gravitaționale:

Ce sunt undele gravitaționale?

Valuri gravitationale - modificări ale câmpului gravitațional, propagăndu-se ca undele. Sunt radiați de mase în mișcare, dar după radiație se desprind de ele și există independent de aceste mase. Este legat din punct de vedere matematic de perturbarea metricii spațiu-timp și poate fi descris ca „unduri spațiu-timp”.

În teoria generală a relativității și în majoritatea celorlalte teorii moderne ale gravitației, undele gravitaționale sunt generate de mișcarea corpurilor masive cu accelerație variabilă. Undele gravitaționale se propagă liber în spațiu cu viteza luminii. Datorită slăbiciunii relative a forțelor gravitaționale (comparativ cu altele), aceste unde au o magnitudine foarte mică, care este greu de înregistrat.

Undele gravitaționale sunt prezise de teoria generală a relativității (GR). Ele au fost detectate pentru prima dată direct în septembrie 2015 de către două detectoare gemene de la observatorul LIGO, care au înregistrat unde gravitaționale, probabil ca urmare a fuziunii a două găuri negre și a formării uneia mai masive găuri negre rotative. Dovezile indirecte ale existenței lor sunt cunoscute încă din anii 1970 - relativitatea generală prezice rata de convergență a sistemelor apropiate de stele binare care coincide cu observațiile din cauza pierderii de energie pentru emisia undelor gravitaționale. Înregistrarea directă a undelor gravitaționale și utilizarea lor pentru a determina parametrii proceselor astrofizice este o sarcină importantă a fizicii și astronomiei moderne.

Dacă ne imaginăm spațiul-timp ca pe o rețea de coordonate, atunci undele gravitaționale sunt perturbări, ondulații care vor rula de-a lungul rețelei atunci când corpuri masive (de exemplu, găurile negre) distorsionează spațiul din jurul lor.

Poate fi comparat cu un cutremur. Imaginează-ți că locuiești într-un oraș. Are niște markeri care creează un spațiu urban: case, copaci și așa mai departe. Sunt nemișcați. Când are loc un cutremur mare undeva în apropierea orașului, vibrațiile ajung la noi - și chiar și casele și copacii nemișcați încep să oscileze. Aceste fluctuații sunt unde gravitaționale; iar obiectele care oscilează sunt spaţiul şi timpul.

De ce le-a luat oamenilor de știință atât de mult timp să detecteze undele gravitaționale?

Eforturile specifice de detectare a undelor gravitaționale au început în perioada postbelică cu dispozitive oarecum naive, a căror sensibilitate, evident, nu putea fi suficientă pentru a detecta astfel de oscilații. De-a lungul timpului, a devenit clar că detectoarele pentru căutare ar trebui să fie foarte mari - și ar trebui să folosească tehnologia laser modernă. Odată cu dezvoltarea tehnologiilor laser moderne, a devenit posibilă controlul geometriei, ale cărei perturbații sunt unda gravitațională. Cea mai puternică dezvoltare a tehnologiei a jucat un rol cheie în această descoperire. Indiferent cât de străluciți au fost oamenii de știință, acum 30-40 de ani era pur și simplu imposibil din punct de vedere tehnic să faci asta.

De ce este detectarea undelor atât de importantă pentru fizică?

Undele gravitaționale au fost prezise de Albert Einstein în teoria sa generală a relativității în urmă cu aproximativ o sută de ani. De-a lungul secolului XX, au existat fizicieni care au pus sub semnul întrebării această teorie, deși au apărut din ce în ce mai multe confirmări. Și prezența undelor gravitaționale este o confirmare atât de critică a teoriei.

În plus, înainte de înregistrarea undelor gravitaționale, știam cum se comportă gravitația doar pe exemplul mecanicii cerești, interacțiunea corpurilor cerești. Dar era clar că câmpul gravitațional are unde și spațiu-timp poate fi deformat într-un mod similar. Faptul că nu mai văzusem unde gravitaționale înainte a fost un punct gol în fizica modernă. Acum această pată albă a fost închisă, o altă cărămidă a fost pusă la baza teoriei fizice moderne. Aceasta este o descoperire fundamentală. Nu a existat nimic comparabil în ultimii ani.

„Waiting for Waves and Particles” – un documentar despre căutarea undelor gravitaționale(de Dmitri Zavilgelskiy)

Există un moment practic în înregistrarea undelor gravitaționale. Probabil, după dezvoltarea ulterioară a tehnologiei, se va putea vorbi despre astronomia gravitațională - despre observarea urmelor celor mai mari evenimente de energie din Univers. Dar acum este prea devreme să vorbim despre asta, vorbim doar despre însuși faptul înregistrării undelor, și nu despre clarificarea caracteristicilor obiectelor care generează aceste unde.

Astrofizicienii au confirmat existența undelor gravitaționale, a căror existență a fost prezisă de Albert Einstein în urmă cu aproximativ 100 de ani. Acestea au fost înregistrate cu ajutorul detectoarelor observatorului de unde gravitaționale LIGO, care se află în Statele Unite.

Pentru prima dată în istorie, omenirea a înregistrat unde gravitaționale - fluctuații în spațiu-timp care au venit pe Pământ în urma coliziunii a două găuri negre care au avut loc departe în Univers. La această descoperire contribuie și oamenii de știință ruși. Joi, cercetătorii vorbesc despre descoperirea lor din întreaga lume - la Washington, Londra, Paris, Berlin și alte orașe, inclusiv Moscova.

Fotografia prezintă o imitație a ciocnirii găurilor negre

La o conferință de presă în biroul Rambler & Co, Valery Mitrofanov, șeful părții ruse a colaborării LIGO, a anunțat descoperirea undelor gravitaționale:

„Suntem onorați să participăm la acest proiect și să vă prezentăm rezultatele. Vă voi spune acum semnificația descoperirii în rusă. Am văzut imagini frumoase cu detectoare LIGO în SUA. Distanța dintre ele este de 3000 km. Sub influența unei unde gravitaționale, unul dintre detectoare s-a deplasat, după care i-am descoperit. La început, am văzut doar zgomot pe computer, iar apoi a început acumularea de masă a detectorilor Hamford. După calcularea datelor obținute, am putut stabili că găurile negre s-au ciocnit la o distanță de 1,3 mlrd. la ani lumină de aici. Semnalul era foarte clar, a ieșit foarte clar din zgomot. Mulți ne-au spus că am avut noroc, dar natura ne-a făcut un astfel de cadou. Undele gravitaționale au fost descoperite – asta este sigur.”

Astrofizicienii au confirmat zvonurile că folosind detectoarele observatorului de unde gravitaționale LIGO au fost capabili să detecteze undele gravitaționale. Această descoperire va permite omenirii să facă progrese semnificative în înțelegerea modului în care funcționează universul.

Descoperirea a avut loc pe 14 septembrie 2015, simultan de două detectoare din Washington și Louisiana. Semnalul a ajuns la detectoare ca urmare a ciocnirii a două găuri negre. Oamenii de știință le-a luat atât de mult timp pentru a se asigura că undele gravitaționale au fost produsul coliziunii.

Ciocnirea găurilor a avut loc cu o viteză de aproximativ jumătate din viteza luminii, care este de aproximativ 150.792.458 m/s.

„Gravația newtoniană a fost descrisă în spațiul plat, iar Einstein a transpus-o în planul timpului și a sugerat că o îndoaie. Interacțiunea gravitațională este foarte slabă. Pe Pământ, experiența creării undelor gravitaționale este imposibilă. Ei au putut să le detecteze numai după fuziunea găurilor negre. Detectorul s-a deplasat, imaginați-vă, cu 10 până la -19 metri. Nu-l atingeți cu mâinile. Doar cu ajutorul unor instrumente foarte precise. Cum să o facă? Raza laser cu care a fost detectată schimbarea este unică în natură. Antena gravitațională laser LIGO a doua generație a intrat în funcțiune în 2015. Sensibilitatea face posibilă înregistrarea perturbațiilor gravitaționale aproximativ o dată pe lună. Aceasta este lumea avansată și știința americană, nu există nimic mai precis în lume. Sperăm că va putea depăși limita cuantică standard a sensibilității”, a explicat descoperirea. Sergey Vyatchanin, angajat al Facultății de Fizică a Universității de Stat din Moscova și colaborarea LIGO.

Limita cuantică standard (SQL) în mecanica cuantică este o limitare impusă acurateței unei măsurători continue sau repetate de mai multe ori a unei mărimi descrise de un operator care nu comută cu ea însăși în momente diferite. Prezetat în 1967 de V. B. Braginsky, iar termenul Standard Quantum Limit (SQL) a fost propus mai târziu de Thorne. SQL este strâns legat de relația de incertitudine Heisenberg.

Rezumând, Valery Mitrofanov a vorbit despre planurile de cercetare ulterioară:

„Această descoperire este începutul unei noi astronomii cu unde gravitaționale. Prin canalul undelor gravitaționale, ne așteptăm să aflăm mai multe despre Univers. Cunoaștem compoziția a doar 5% din materie, restul este un mister. Detectoarele gravitaționale vă vor permite să vedeți cerul în „unde gravitaționale”. În viitor, sperăm să vedem începutul tuturor, adică fundalul cosmic cu microunde al Big Bang-ului și să înțelegem ce s-a întâmplat exact atunci.”

Pentru prima dată, undele gravitaționale au fost propuse de Albert Einstein în 1916, adică acum aproape 100 de ani. Ecuația pentru unde este o consecință a ecuațiilor teoriei relativității și nu este derivată în cel mai simplu mod.

Fizicianul teoretician canadian Clifford Burgess a publicat anterior o scrisoare în care spunea că observatorul a detectat radiația gravitațională cauzată de fuziunea unui sistem binar de găuri negre cu mase de 36 și 29 de mase solare într-un obiect cu o masă de 62 de mase solare. Ciocnirea și colapsul gravitațional asimetric durează fracțiuni de secundă și, în acest timp, până la 50% din masa sistemului intră în radiație gravitațională - ondulațiile spațiu-timp.

O undă gravitațională este o undă gravitațională generată în majoritatea teoriilor gravitaționale prin mișcarea corpurilor gravitaționale cu accelerație variabilă. Având în vedere slăbiciunea relativă a forțelor gravitaționale (comparativ cu altele), aceste unde ar trebui să aibă o magnitudine foarte mică, care este greu de înregistrat. Existența lor a fost prezisă acum aproximativ un secol de Albert Einstein.