Flutură-ți mâna și undele gravitaționale vor circula prin tot universul.
S. Popov, M. Prohorov. Valurile fantomă ale universului

În astrofizică, a avut loc un eveniment așteptat de zeci de ani. După o jumătate de secol de căutări, undele gravitaționale au fost în sfârșit descoperite, fluctuații în spațiu-timp însuși, prezise de Einstein cu o sută de ani în urmă. Pe 14 septembrie 2015, observatorul LIGO actualizat a detectat o explozie de undă gravitațională generată de fuziunea a două găuri negre cu mase de 29 și 36 de mase solare într-o galaxie îndepărtată la o distanță de aproximativ 1,3 miliarde de ani lumină. Astronomia undelor gravitaționale a devenit o ramură cu drepturi depline a fizicii; ne-a deschis o nouă cale de a observa universul și ne va permite să studiem efectele gravitației puternice care erau anterior inaccesibile.

Valuri gravitationale

Teoriile gravitației pot veni cu diferite. Toate vor descrie lumea noastră la fel de bine, atâta timp cât ne limităm la o singură manifestare a acesteia - legea gravitației universale a lui Newton. Dar există și alte efecte gravitaționale, mai subtile, care au fost testate experimental la scara sistemului solar și indică o anumită teorie - relativitatea generală (GR).

Relativitatea generală nu este doar un set de formule, este o viziune fundamentală asupra esenței gravitației. Dacă în fizica obișnuită spațiul servește doar ca fundal, un recipient pentru fenomene fizice, atunci în relativitatea generală el însuși devine un fenomen, o mărime dinamică care se modifică în conformitate cu legile relativității generale. Aceste distorsiuni ale spațiu-timpului pe un fundal plat - sau, în limbajul geometriei, distorsiuni ale metricii spațiu-timp - sunt resimțite ca gravitație. Pe scurt, relativitatea generală dezvăluie originea geometrică a gravitației.

Relativitatea generală are o predicție extrem de importantă: undele gravitaționale. Acestea sunt distorsiuni ale spațiului-timp care sunt capabile să „se desprindă de sursă” și, auto-susținute, să zboare. Este gravitația în sine, a nimănui, a ei. Albert Einstein a formulat în sfârșit relativitatea generală în 1915 și și-a dat seama aproape imediat că ecuațiile sale permit existența unor astfel de unde.

Ca și în cazul oricărei teorii sincere, o astfel de predicție clară a relativității generale trebuie verificată experimental. Orice corp în mișcare poate radia unde gravitaționale: planete, o piatră aruncată în sus și un val al mâinii. Problema, totuși, este că interacțiunea gravitațională este atât de slabă încât nicio configurație experimentală nu este capabilă să detecteze radiația undelor gravitaționale de la „emițători” obișnuiți.

Pentru a „conduce” un val puternic, trebuie să distorsionați spațiu-timp foarte puternic. Opțiunea ideală este două găuri negre care se rotesc una în jurul celeilalte într-un dans strâns, la o distanță de ordinul razei lor gravitaționale (Fig. 2). Distorsiunea metricii va fi atât de puternică încât o parte notabilă a energiei acestei perechi va fi radiată în unde gravitaționale. Pierzând energie, perechea se va apropia, învârtindu-se din ce în ce mai repede, distorsionând metrica din ce în ce mai mult și generând unde gravitaționale și mai puternice – până când, în cele din urmă, se va produce o restructurare radicală a întregului câmp gravitațional al acestei perechi și două găuri negre se contopesc într-una singură.

O astfel de fuziune a găurilor negre este o explozie de o putere extraordinară, dar numai că toată această energie radiată nu ajunge în lumină, nu în particule, ci în vibrațiile spațiului. Energia radiată va alcătui o parte notabilă din masa inițială a găurilor negre, iar această radiație se va împrăștia într-o fracțiune de secundă. Fluctuații similare vor genera fuziuni ale stelelor neutronice. O eliberare de energie a undelor gravitaționale puțin mai slabă însoțește și alte procese, cum ar fi prăbușirea unui nucleu de supernovă.

Unda gravitațională izbucnită de la fuziunea a două obiecte compacte are un profil foarte specific, bine calculat, prezentat în Fig. 3. Perioada de oscilație este dată de mișcarea orbitală a două obiecte unul în jurul celuilalt. Undele gravitaționale transportă energie; drept consecință, obiectele se apropie unele de altele și se învârt mai repede – iar acest lucru se vede atât în ​​accelerarea oscilațiilor, cât și în creșterea amplitudinii. La un moment dat, are loc o fuziune, ultimul val puternic este ejectat și apoi urmează un „ring după sonerie” de înaltă frecvență ( ringdown) este fluctuația găurii negre formate, care „aruncă” toate distorsiunile nesferice (această etapă nu este prezentată în imagine). Cunoașterea acestui profil caracteristic îi ajută pe fizicieni să caute semnalul slab dintr-o astfel de fuziune în datele detectoarelor foarte zgomotoase.

Oscilațiile metricii spațiu-timp - ecoul undelor gravitaționale ale unei explozii grandioase - se vor împrăștia în tot Universul în toate direcțiile de la sursă. Amplitudinea lor scade odată cu distanța, similar cu modul în care luminozitatea unei surse punctuale scade odată cu distanța de la aceasta. Când o explozie dintr-o galaxie îndepărtată lovește Pământul, fluctuațiile metricii vor fi de ordinul a 10 -22 sau chiar mai puțin. Cu alte cuvinte, distanța dintre obiectele care nu au legătură fizic va crește și va scădea periodic cu o astfel de valoare relativă.

Ordinul de mărime al acestui număr este ușor de obținut din considerente de scalare (a se vedea articolul de V. M. Lipunov). La momentul fuziunii stelelor neutronice sau a găurilor negre ale maselor stelare, distorsiunea metricii chiar lângă ele este foarte mare - de ordinul a 0,1, motiv pentru care aceasta este gravitația puternică. O astfel de distorsiune severă afectează o regiune de ordinul dimensiunii acestor obiecte, adică mai mulți kilometri. La îndepărtarea de sursă, amplitudinea oscilației scade invers proporțional cu distanța. Aceasta înseamnă că la o distanță de 100 Mpc = 3·10 21 km amplitudinea oscilațiilor va scădea cu 21 de ordine de mărime și va deveni aproximativ 10 −22 .

Desigur, dacă fuziunea are loc în galaxia noastră natală, tremurul spațiu-timp care a ajuns pe Pământ va fi mult mai puternic. Dar astfel de evenimente au loc o dată la câteva mii de ani. Prin urmare, ar trebui să se bazeze cu adevărat doar pe un astfel de detector care va putea simți fuziunea stelelor neutronice sau a găurilor negre la o distanță de zeci până la sute de megaparsecs, ceea ce înseamnă că va acoperi multe mii și milioane de galaxii.

Aici trebuie adăugat că o indicație indirectă a existenței undelor gravitaționale a fost deja descoperită și chiar și Premiul Nobel pentru Fizică pentru 1993 a fost acordat pentru aceasta. Observațiile pe termen lung ale pulsarului în sistemul binar PSR B1913+16 au arătat că perioada orbitală scade exact la ritmul prezis de relativitatea generală, ținând cont de pierderea de energie la radiația gravitațională. Din acest motiv, practic niciunul dintre oamenii de știință nu se îndoiește de realitatea undelor gravitaționale; singura întrebare este cum să-i prind.

Istoricul cautarilor

Căutarea undelor gravitaționale a început cu aproximativ jumătate de secol în urmă - și aproape imediat s-a transformat într-o senzație. Joseph Weber de la Universitatea din Maryland a proiectat primul detector rezonant: un cilindru solid din aluminiu de doi metri cu senzori piezo sensibili pe laterale și o bună izolare a vibrațiilor de vibrațiile străine (Fig. 4). Odată cu trecerea unei unde gravitaționale, cilindrul va rezona în timp cu distorsiunile spațiu-timpului, care ar trebui să fie înregistrate de senzori. Weber a construit mai multe astfel de detectoare, iar în 1969, după ce le-a analizat citirile în timpul uneia dintre sesiuni, a declarat în text simplu că a înregistrat „sunetul undelor gravitaționale” în mai multe detectoare deodată, la distanță de doi kilometri unul de celălalt ( J. Weber, 1969 Evidence for Discovery of Gravitational Radiation). Amplitudinea oscilației pe care a afirmat-o sa dovedit a fi incredibil de mare, de ordinul a 10 -16 , adică de un milion de ori mai mare decât valoarea tipică așteptată. Mesajul lui Weber a fost primit cu mare scepticism de către comunitatea științifică; în plus, alte grupuri experimentale, înarmate cu detectoare similare, nu au putut prinde niciun astfel de semnal în viitor.

Cu toate acestea, eforturile lui Weber au dat startul acestei întregi domenii de cercetare și au pornit vânătoarea de valuri. Din anii 1970, datorită eforturilor lui Vladimir Braginsky și a colegilor săi de la Universitatea de Stat din Moscova, URSS a intrat și ea în această cursă (vezi absența semnalelor undelor gravitaționale). O poveste interesantă despre acele vremuri este în eseul Dacă o fată cade într-o groapă.... Braginsky, de altfel, este unul dintre clasicii întregii teorii a măsurătorilor optice cuantice; el a venit mai întâi cu conceptul de limită standard de măsurare cuantică - o limitare cheie în măsurători optice - și a arătat cum acestea ar putea fi depășite în principiu. Circuitul rezonant Weber a fost îmbunătățit, iar datorită răcirii profunde a instalației, zgomotul a fost redus drastic (vezi lista și istoricul acestor proiecte). Cu toate acestea, acuratețea unor astfel de detectoare din metal a fost încă insuficientă pentru detectarea fiabilă a evenimentelor așteptate și, în plus, acestea sunt reglate pentru a rezona doar într-un interval de frecvență foarte îngust în jurul unui kilohertz.

Mult mai promițătoare păreau să fie detectoarele care nu folosesc un obiect rezonant, ci urmăresc distanța dintre două corpuri suspendate independent, neînrudite, de exemplu, două oglinzi. Datorită fluctuației spațiului cauzată de unda gravitațională, distanța dintre oglinzi va fi fie puțin mai mare, fie puțin mai mică. În acest caz, cu cât lungimea brațului este mai mare, cu atât deplasarea absolută va fi mai mare cauzată de o undă gravitațională de o amplitudine dată. Aceste vibrații pot fi resimțite de un fascicul laser care rulează între oglinzi. O astfel de schemă este capabilă să detecteze oscilații într-o gamă largă de frecvențe, de la 10 herți la 10 kiloherți, iar acesta este exact intervalul în care vor radia perechile de stele neutronice sau găurile negre cu masă stelară care fuzionează.

Implementarea modernă a acestei idei bazată pe interferometrul Michelson este următoarea (Fig. 5). Oglinzile sunt suspendate în două camere de vid lungi, lungi de câțiva kilometri, perpendiculare una pe cealaltă. La intrarea in instalatie, fasciculul laser este scindat, trece prin ambele camere, este reflectat de oglinzi, revine inapoi si se reuneste intr-o oglinda translucida. Factorul de calitate al sistemului optic este extrem de ridicat, astfel încât fasciculul laser nu trece doar o dată înainte și înapoi, ci rămâne mult timp în acest rezonator optic. În starea „calmă”, lungimile sunt alese astfel încât cele două fascicule, după recombinare, să se stingă reciproc în direcția senzorului, iar apoi fotodetectorul să fie în umbră completă. Dar de îndată ce oglinzile se deplasează la o distanță microscopică sub acțiunea undelor gravitaționale, compensarea celor două fascicule devine incompletă și fotodetectorul captează lumina. Și cu cât este mai puternică părtinirea, cu atât lumina va fi văzută mai puternică de fotosenzor.

Cuvintele „deplasare microscopică” nici măcar nu se apropie de a transmite subtilitatea deplină a efectului. Deplasarea oglinzilor după lungimea de undă a luminii, adică microni, este ușor de observat chiar și fără trucuri. Dar cu o lungime a umărului de 4 km, aceasta corespunde oscilațiilor spațiu-timp cu o amplitudine de 10 −10 . De asemenea, nu este o problemă să observați deplasarea oglinzilor cu diametrul unui atom - este suficient să lansați un fascicul laser care va rula înainte și înapoi de mii de ori și să obțineți schimbarea de fază dorită. Dar chiar și aceasta dă o putere de 10 −14 . Și trebuie să coborâm scara de deplasare de milioane de ori, adică să învățăm cum să înregistrăm deplasarea oglinzii nici măcar cu un atom, ci cu miimi dintr-un nucleu atomic!

Pe drumul către această tehnologie cu adevărat uimitoare, fizicienii au trebuit să depășească multe dificultăți. Unele dintre ele sunt pur mecanice: trebuie să atârnați oglinzile masive pe o suspensie care atârnă pe o altă suspensie, pe aceea pe o a treia suspensie și așa mai departe - și totul pentru a scăpa cât mai mult de vibrațiile străine. Alte probleme sunt și ele instrumentale, dar optice. De exemplu, cu cât fasciculul care circulă în sistemul optic este mai puternic, cu atât mai slabă deplasarea oglinzilor poate fi detectată de fotosenzor. Dar un fascicul prea puternic va încălzi în mod neuniform elementele optice, ceea ce va afecta negativ proprietățile fasciculului în sine. Acest efect trebuie compensat cumva, iar pentru aceasta a fost lansat un întreg program de cercetare pe acest subiect în anii 2000 (pentru o poveste despre acest studiu, vezi știrea Un obstacol în drumul către un detector de unde gravitaționale extrem de sensibil a fost depășit , „Elemente”, 27.06.2006). În cele din urmă, există limitări fizice pur fundamentale legate de comportamentul cuantic al fotonilor într-un rezonator și de principiul incertitudinii. Ele limitează sensibilitatea senzorului la o valoare numită limită cuantică standard. Cu toate acestea, fizicienii au învățat deja cum să o depășească cu ajutorul unei stări cuantice a luminii laser pregătite cu viclenie (J. Aasi și colab., 2013. Sensibilitate îmbunătățită a detectorului de unde gravitaționale LIGO prin utilizarea stărilor de lumină comprimate).

Există o listă de țări în cursa pentru unde gravitaționale; Rusia are propria ei instalație, la observatorul Baksan și, apropo, este descrisă într-un film documentar de știință populară de Dmitri Zavilgelsky „Așteptăm unde și particule”. Liderii acestei curse sunt acum două laboratoare - proiectul american LIGO și detectorul italian Virgo. LIGO include două detectoare identice situate în Hanford (Washington) și Livingston (Louisiana) și separate unul de celălalt la 3000 km. A avea două configurații este importantă din două motive. În primul rând, un semnal va fi considerat înregistrat numai dacă este văzut de ambii detectoare în același timp. Și în al doilea rând, prin diferența de sosire a unei explozii de unde gravitaționale la două instalații - și poate ajunge la 10 milisecunde - se poate determina aproximativ din ce parte a cerului a venit acest semnal. Adevărat, cu două detectoare eroarea va fi foarte mare, dar când Fecioara intră în funcțiune, precizia va crește semnificativ.

Strict vorbind, ideea detectării interferometrice a undelor gravitaționale a fost propusă pentru prima dată de fizicienii sovietici M. E. Gertsenshtein și V. I. Pustovoit încă din 1962. Atunci laserul tocmai fusese inventat, iar Weber a început să-și creeze detectoarele rezonante. Cu toate acestea, acest articol nu a fost observat în Occident și, să spun adevărul, nu a influențat dezvoltarea unor proiecte reale (vezi recenzia istorică Fizica detectării undelor gravitaționale: detectoare rezonante și interferometrice).

Crearea observatorului gravitațional LIGO a fost inițiativa a trei oameni de știință de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) și de la California Institute of Technology (Caltech). Este vorba de Rainer Weiss, care a implementat ideea unui detector de unde gravitaționale interferometrice, Ronald Drever, care a obținut o stabilitate a luminii laser suficientă pentru a fi înregistrată, și Kip Thorne, teoreticianul-inspirator al proiectului, acum binecunoscut publicului larg. ca un consultant științific film Interstellar. Istoria timpurie a LIGO poate fi citită într-un interviu recent cu Rainer Weiss și în memoriile lui John Preskill.

Activitatea asociată proiectului de detectare interferometrică a undelor gravitaționale a început la sfârșitul anilor 1970, iar la început realitatea acestei întreprinderi a fost, de asemenea, pusă la îndoială de mulți. Cu toate acestea, după demonstrarea unui număr de prototipuri, actualul proiect LIGO a fost scris și aprobat. A fost construită pe tot parcursul ultimului deceniu al secolului XX.

Deși Statele Unite au dat impulsul inițial proiectului, observatorul LIGO este un proiect cu adevărat internațional. 15 țări au investit în el, financiar și intelectual, iar peste o mie de oameni sunt membri ai colaborării. Un rol important în implementarea proiectului l-au jucat fizicienii sovietici și ruși. Încă de la început, grupul deja menționat al lui Vladimir Braginsky de la Universitatea de Stat din Moscova a luat parte activ la implementarea proiectului LIGO, iar mai târziu s-a alăturat colaborării și Institutul de Fizică Aplicată de la Nijni Novgorod.

Observatorul LIGO a început să funcționeze în 2002 și până în 2010 a găzduit șase sesiuni de observare științifică. Nu au fost detectate în mod fiabil explozii de unde gravitaționale, iar fizicienii au putut stabili doar limite superioare ale frecvenței unor astfel de evenimente. Acest lucru, însă, nu i-a surprins prea mult: estimările au arătat că în acea parte a Universului pe care detectorul „a ascultat” la acel moment, probabilitatea unui cataclism suficient de puternic era mică: aproximativ o dată la câteva decenii.

linie de sfârșit

Din 2010 până în 2015, colaborările LIGO și Virgo au modernizat radical echipamentul (Virgo, însă, este încă în pregătire). Și acum obiectivul mult așteptat era în linia directă a vederii. LIGO - sau mai bine zis, aLIGO ( LIGO avansat) - era acum gata să prindă exploziile generate de stelele neutronice la o distanță de 60 de megaparsecs, și găurile negre - sute de megaparsecs. Volumul Universului deschis pentru ascultarea undelor gravitaționale a crescut de zece ori în comparație cu sesiunile anterioare.

Desigur, este imposibil de prezis când și unde va avea loc următorul „buc” al undelor gravitaționale. Dar sensibilitatea detectorilor actualizați a făcut posibilă contarea pe mai multe fuziuni de stele neutroni pe an, astfel încât prima explozie ar putea fi așteptată deja în timpul primei sesiuni de observare de patru luni. Dacă vorbim despre întregul proiect aLIGO care durează câțiva ani, atunci verdictul a fost extrem de clar: fie exploziile vor cădea una după alta, fie ceva în relativitatea generală nu funcționează în principiu. Ambele vor fi mari descoperiri.

Din 18 septembrie 2015 până în 12 ianuarie 2016 a avut loc prima sesiune de observare aLIGO. În tot acest timp, pe internet au circulat zvonuri despre înregistrarea undelor gravitaționale, dar colaborarea a rămas tăcută: „colectăm și analizăm date și nu suntem încă pregătiți să raportăm rezultatele”. O intrigă suplimentară a fost creată de faptul că, în procesul de analiză, membrii colaborării înșiși nu pot fi complet siguri că văd un val gravitațional real. Cert este că în LIGO o explozie generată pe un computer este introdusă ocazional în mod artificial în fluxul de date reale. Se numește „injectare oarbă”, injectare oarbă, iar din întregul grup, doar trei persoane (!) Au acces la un sistem care o realizează la un moment arbitrar. Echipa trebuie să urmărească această creștere, să o analizeze în mod responsabil și doar în ultimele etape ale analizei „se deschid cardurile”, iar membrii colaborării vor afla dacă acesta a fost un eveniment real sau un test de vigilență. Apropo, într-un astfel de caz în 2010, s-a ajuns chiar la scrierea unui articol, dar semnalul descoperit atunci s-a dovedit a fi doar o „umplutură oarbă”.

Digresiune lirică

Pentru a simți din nou solemnitatea momentului, îmi propun să privim această poveste din cealaltă parte, din interiorul științei. Când o sarcină științifică complexă, inexpugnabilă, nu se pretează pentru câțiva ani, acesta este un moment normal de lucru. Când nu cedează mai mult de o generație, este perceput într-un mod complet diferit.

În calitate de școlar, ai citit cărți de știință populară și înveți despre această ghicitoare științifică greu de rezolvat, dar teribil de interesantă. Ca student, studiezi fizica, faci prezentări și, uneori, potrivit sau nu, oamenii din jurul tău îți amintesc de existența ei. Apoi tu însuți faci știință, lucrezi într-o altă zonă a fizicii, dar auzi în mod regulat despre încercări nereușite de a o rezolva. Desigur, înțelegi că undeva se lucrează activ pentru a o rezolva, dar rezultatul final pentru tine ca străin rămâne neschimbat. Problema este percepută ca un fundal static, ca un decor, ca un element de fizică etern și aproape neschimbat la scara vieții tale științifice. Ca o sarcină care a fost și va fi mereu.

Și apoi - se rezolvă. Și brusc, la scara câtorva zile, simți că imaginea fizică a lumii s-a schimbat și că acum trebuie formulată în alți termeni și să pui alte întrebări.

Pentru oamenii care lucrează direct la căutarea undelor gravitaționale, această sarcină, desigur, nu a rămas neschimbată. Ei văd scopul, știu ce trebuie atins. Desigur, ei speră că și natura îi va întâlni la jumătatea drumului și va arunca o explozie puternică într-o galaxie din apropiere, dar în același timp înțeleg că, chiar dacă natura nu este atât de favorabilă, nu se mai poate ascunde de oamenii de știință. Singura întrebare este când anume își vor putea atinge obiectivele tehnice. O poveste despre acest sentiment de la o persoană care caută unde gravitaționale de câteva decenii poate fi auzită în filmul deja menționat. „Așteptăm unde și particule”.

Deschidere

Pe fig. 7 arată rezultatul principal: profilul semnalului înregistrat de ambii detectoare. Se poate observa că pe fondul zgomotului, la început, oscilația formei dorite apare slab, apoi crește în amplitudine și frecvență. Comparația cu rezultatele simulărilor numerice a făcut posibil să aflăm ce obiecte am observat fuzionarea: acestea erau găuri negre cu mase de aproximativ 36 și 29 de mase solare, care s-au contopit într-o singură gaură neagră cu o masă de 62 de mase solare (eroarea din toate aceste numere, corespunzătoare unui interval de încredere de 90 la sută, este de 4 mase solare). Autorii remarcă în trecere că gaura neagră rezultată este cea mai grea gaură neagră cu masă stelar observată vreodată. Diferența dintre masa totală a celor două obiecte originale și gaura neagră finală este de 3±0,5 mase solare. Acest defect de masă gravitațională a fost complet transformat în energia undelor gravitaționale radiate în aproximativ 20 de milisecunde. Calculele au arătat că puterea maximă a undelor gravitaționale a atins 3,6·10 56 erg/s sau, în termeni de masă, aproximativ 200 de mase solare pe secundă.

Semnificația statistică a semnalului detectat este de 5,1σ. Cu alte cuvinte, dacă presupunem că aceste fluctuații statistice s-au suprapus și au produs o astfel de creștere pur întâmplător, un astfel de eveniment ar trebui să aștepte 200 de mii de ani. Acest lucru ne permite să afirmăm cu încredere că semnalul detectat nu este o fluctuație.

Întârzierea dintre cele două detectoare a fost de aproximativ 7 milisecunde. Acest lucru a făcut posibilă estimarea direcției de sosire a semnalului (Fig. 9). Deoarece există doar doi detectoare, localizarea s-a dovedit a fi foarte aproximativă: aria sferei cerești care este potrivită din punct de vedere al parametrilor este de 600 de grade pătrate.

Colaborarea LIGO nu s-a limitat doar la afirmarea faptului înregistrării undelor gravitaționale, ci a realizat și prima analiză a implicațiilor acestei observații pentru astrofizică. În articolul Astrophysical implications of the binary black hole merger GW150914 publicat în aceeași zi în jurnal Scrisorile din jurnalul astrofizic, autorii au estimat frecvența cu care apar astfel de fuziuni ale găurilor negre. A rezultat cel puțin o fuziune într-un gigaparsec cub pe an, ceea ce converge cu previziunile celor mai optimiste modele în acest sens.

Despre ce sunt undele gravitaționale?

Descoperirea unui nou fenomen după decenii de căutare nu este sfârșitul, ci doar începutul unei noi ramuri a fizicii. Desigur, înregistrarea undelor gravitaționale din fuziunea celor două negre este importantă în sine. Aceasta este o dovadă directă a existenței găurilor negre și a existenței găurilor negre binare și a realității undelor gravitaționale și, vorbind în general, o dovadă a corectitudinii abordării geometrice a gravitației, pe care se bazează relativitatea generală. . Dar pentru fizicieni, nu este mai puțin valoros faptul că astronomia undelor gravitaționale devine un nou instrument de cercetare, făcând posibilă studierea a ceea ce era anterior inaccesibil.

În primul rând, este o nouă modalitate de a vedea Universul și de a studia cataclismele cosmice. Nu există obstacole pentru undele gravitaționale; ele trec prin tot ceea ce există în Univers fără probleme. Sunt autosuficienti: profilul lor poarta informatii despre procesul care i-a generat. În cele din urmă, dacă o explozie grandioasă dă naștere atât la o explozie optică, cât și la un neutrin și o explozie gravitațională, atunci poți încerca să le prinzi pe toate, să le compari între ele și să rezolvi detaliile inaccesibile anterior despre ceea ce s-a întâmplat acolo. A putea surprinde și compara semnale atât de diferite de la un eveniment este scopul principal al astronomiei cu toate semnalele.

Atunci când detectoarele de unde gravitaționale devin și mai sensibile, ei vor putea detecta vibrația spațiu-timp nu chiar în momentul fuziunii, ci cu câteva secunde înainte de aceasta. Ei își vor trimite automat semnalul de avertizare către rețeaua generală de stații de observare, iar telescoapele satelitare astrofizice, după ce au calculat coordonatele fuziunii propuse, vor avea timp să se întoarcă în direcția corectă în aceste secunde și să înceapă să tragă cerul înainte de începere. a exploziei optice.

În al doilea rând, explozia undelor gravitaționale vă va permite să aflați lucruri noi despre stelele neutronice. Fuziunea stelelor cu neutroni este, de fapt, cel mai recent și mai extrem experiment cu stele neutroni pe care natura îl poate realiza pentru noi, iar noi, ca spectatori, nu va trebui decât să observăm rezultatele. Consecințele observaționale ale unei astfel de fuziuni pot fi variate (Fig. 10), iar prin colectarea statisticilor acestora, vom putea înțelege mai bine comportamentul stelelor neutronice în astfel de condiții exotice. O privire de ansamblu asupra stării actuale a lucrurilor în această direcție poate fi găsită în publicația recentă a lui S. Rosswog, 2015. Multi-messenger picture of compact binary mergers .

În al treilea rând, înregistrarea unei explozii care a venit de la o supernovă și compararea acesteia cu observațiile optice va face în sfârșit posibilă aranjarea detaliilor a ceea ce se întâmplă în interior, chiar la începutul colapsului. Acum, fizicienii au încă dificultăți cu simularea numerică a acestui proces.

În al patrulea rând, fizicienii implicați în teoria gravitației au un „laborator” râvnit pentru studierea efectelor gravitației puternice. Până acum, toate efectele relativității generale pe care le-am putut observa direct au fost legate de gravitația în câmpuri slabe. Despre ceea ce se întâmplă în condiții de gravitație puternică, când distorsiunile spațiu-timp încep să interacționeze puternic cu ele însele, am putea ghici doar prin manifestări indirecte, prin ecoul optic al catastrofelor cosmice.

În al cincilea rând, există o nouă oportunitate de a testa teoriile exotice ale gravitației. Există deja multe astfel de teorii în fizica modernă, vezi, de exemplu, capitolul dedicat acestora din cartea populară a lui A. N. Petrov „Gravitatea”. Unele dintre aceste teorii seamănă cu relativitatea generală convențională în limita câmpurilor slabe, dar pot diferi foarte mult de aceasta atunci când gravitația devine foarte puternică. Alții presupun existența unui nou tip de polarizare pentru undele gravitaționale și prezic o viteză ușor diferită de viteza luminii. În cele din urmă, există teorii care includ dimensiuni spațiale suplimentare. Ce se poate spune despre ele pe baza undelor gravitaționale este o întrebare deschisă, dar este clar că unele informații pot fi profitate de aici. Vă recomandăm să citiți și părerea astrofizicienilor înșiși despre ce se va schimba odată cu descoperirea undelor gravitaționale, în selecția de pe Postnauka.

Planuri de viitor

Perspectivele pentru astronomia undelor gravitaționale sunt cele mai încurajatoare. Doar prima, cea mai scurtă sesiune de observare a detectorului aLIGO s-a încheiat acum - și un semnal clar a fost deja captat în acest scurt timp. Mai corect ar fi să spunem asta: primul semnal a fost prins chiar înainte de lansarea oficială, iar colaborarea nu a raportat încă toate cele patru luni de muncă. Cine știe, poate că există deja câteva explozii suplimentare? Într-un fel sau altul, dar mai departe, pe măsură ce sensibilitatea detectorilor crește și partea din Univers accesibilă pentru observarea undelor gravitaționale se extinde, numărul evenimentelor înregistrate va crește ca o avalanșă.

Programul așteptat al sesiunilor de rețea LIGO-Virgo este prezentat în fig. 11. A doua sesiune, de șase luni, va începe la sfârșitul acestui an, a treia sesiune va dura aproape tot anul 2018, iar la fiecare etapă sensibilitatea detectorului va crește. În jurul anului 2020, aLIGO ar trebui să atingă sensibilitatea planificată, ceea ce va permite detectorului să sondeze Universul pentru fuziuni de stele de neutroni care se află la o distanță de până la 200 Mpc de noi. Pentru evenimentele de fuziune a găurilor negre și mai energice, sensibilitatea poate atinge aproape un gigaparsec. Într-un fel sau altul, volumul Universului disponibil pentru observare va crește de zece ori mai mult față de prima sesiune.

La sfârșitul acestui an, va intra în joc și laboratorul italian actualizat Virgo. Are ceva mai puțină sensibilitate decât LIGO, dar este și destul de decent. Datorită metodei de triangulare, un trio de detectoare distanțate în spațiu va face posibilă restabilirea mult mai bună a poziției surselor pe sfera cerească. Dacă acum, cu doi detectoare, zona de localizare ajunge la sute de grade pătrate, atunci trei detectoare o vor reduce la zeci. În plus, în Japonia se construiește în prezent o antenă similară cu unde gravitaționale KAGRA, care va începe să funcționeze în doi-trei ani, iar în India, în jurul anului 2022, este planificată lansarea detectorului LIGO-India. Ca rezultat, o întreagă rețea de detectoare de unde gravitaționale va funcționa și va înregistra regulat semnalele în câțiva ani (Fig. 13).

În cele din urmă, există planuri de a duce instrumente cu unde gravitaționale în spațiu, în special proiectul eLISA. În urmă cu două luni, a fost lansat pe orbită primul satelit de probă, a cărui sarcină va fi testarea tehnologiilor. Este încă departe de detectarea reală a undelor gravitaționale. Dar, pe măsură ce această constelație de sateliți începe să colecteze date, va deschide o altă fereastră în univers - prin unde gravitaționale de joasă frecvență. O astfel de abordare cu toate undele a undelor gravitaționale este scopul principal al acestui domeniu pe termen lung.

Paralele

Descoperirea undelor gravitaționale a devenit al treilea caz în ultimii ani când fizicienii au trecut în cele din urmă peste toate obstacolele și au ajuns la complexitățile necunoscute anterior ale structurii lumii noastre. În 2012, a fost descoperit bosonul Higgs - o particulă prezisă acum aproape jumătate de secol. În 2013, detectorul de neutrini IceCube a dovedit realitatea neutrinilor astrofizici și a început să „privească universul” într-un mod complet nou, anterior inaccesibil – prin neutrini de înaltă energie. Și acum natura a cedat din nou omului: s-a deschis o „fereastră” cu unde gravitaționale pentru observarea universului și, în același timp, efectele gravitației puternice au devenit disponibile pentru studiu direct.

Trebuie să spun că nicăieri nu a existat vreun „freebie” din natură. Căutarea s-a desfășurat foarte mult timp, dar nu a cedat pentru că atunci, cu zeci de ani în urmă, echipamentul nu a ajuns la rezultat în ceea ce privește energia, scara sau sensibilitatea. Dezvoltarea constantă și intenționată a tehnologiei a condus la obiectiv, o dezvoltare care nu a fost oprită nici de dificultățile tehnice, nici de rezultatele negative din anii trecuți.

Și în toate cele trei cazuri, descoperirea în sine nu a fost sfârșitul, ci, dimpotrivă, începutul unei noi direcții de cercetare, a devenit un nou instrument de sondare a lumii noastre. Proprietățile bosonului Higgs au devenit măsurabile - și în aceste date, fizicienii încearcă să discearnă efectele Noii Fizici. Datorită statisticilor sporite ale neutrinilor de înaltă energie, astrofizica neutrinilor face primii pași. Cel puțin același lucru este de așteptat acum de la astronomia undelor gravitaționale și există toate motivele pentru optimism.

Surse:
1) Col. științific LIGO. și Virgo Coll. Observarea undelor gravitaționale dintr-o fuziune binară a unei găuri negre // Fiz. Rev. Lett. Publicat 11 februarie 2016.
2) Documente de detectare - o listă de lucrări tehnice care însoțesc documentul principal de descoperire.
3) E. Berti. Punct de vedere: Primele sunete ale fuzionarii găurilor negre // Fizică. 2016. V. 9. N. 17.

Revizuirea materialelor:
1) David Blair și colab. Astronomia undelor gravitaționale: starea actuală // arXiv:1602.02872 .
2) Benjamin P. Abbott și colaborarea științifică LIGO și colaborarea Virgo. Perspective pentru observarea și localizarea tranzitoriilor gravitaționale cu LIGO avansat și Fecioară avansat // Living Rev. relativitatea. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Trecutul, prezentul și viitorul detectoarelor de unde gravitaționale cu masă rezonantă // Res. Astron. Astrophys. 2011. V. 11. N. 1.
4) Căutarea undelor gravitaționale - o selecție de materiale pe site-ul revistei Ştiinţăîn căutarea undelor gravitaţionale.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Detectarea undelor gravitaționale prin interferometrie (sol și spațiu) // arXiv:1102.3355 .
6) V. B. Braginsky. Astronomia undelor gravitaționale: noi metode de măsurare // UFN. 2000, vol. 170, p. 743–752.
7) Peter R. Saulson.

Valentin Nikolaevici Rudenko ne împărtășește povestea vizitei sale în orașul Kashina (Italia), unde a petrecut o săptămână la noua „antenă gravitațională” – interferometrul optic al lui Michelson. În drum spre destinație, taximetristul este interesat de ce a fost construită instalația. „Oamenii de aici cred că este pentru a vorbi cu Dumnezeu”, recunoaște șoferul.

– Ce sunt undele gravitaționale?

– Unda gravitațională este unul dintre „purtătorii de informații astrofizice”. Există canale vizibile de informație astrofizică, un rol special în „viziunea de departe” aparține telescoapelor. Astronomii au stăpânit și canalele de joasă frecvență - microunde și infraroșu, și de înaltă frecvență - raze X și gamma. Pe lângă radiația electromagnetică, putem înregistra fluxuri de particule din Cosmos. Pentru aceasta se folosesc telescoape cu neutrini - detectoare de dimensiuni mari de neutrini cosmici - particule care interacționează slab cu materia și, prin urmare, sunt greu de înregistrat. Aproape toate tipurile de „purtători de informații astrofizice” prezise teoretic și studiate în laborator sunt stăpânite în mod fiabil în practică. Excepția a fost gravitația - cea mai slabă interacțiune din microcosmos și cea mai puternică forță din macrocosmos.

Gravitația este geometrie. Undele gravitaționale sunt unde geometrice, adică unde care schimbă caracteristicile geometrice ale spațiului pe măsură ce călătoresc prin acel spațiu. În linii mari, acestea sunt valuri care deformează spațiul. Deformarea este modificarea relativă a distanței dintre două puncte. Radiația gravitațională diferă de toate celelalte tipuri de radiații tocmai prin aceea că sunt geometrice.

Einstein a prezis undele gravitaționale?

- Formal, se crede că undele gravitaționale au fost prezise de Einstein ca una dintre consecințele teoriei sale generale a relativității, dar de fapt existența lor devine evidentă deja în teoria relativității speciale.

Teoria relativității sugerează că, datorită atracției gravitaționale, colapsul gravitațional este posibil, adică contracția unui obiect ca urmare a colapsului, aproximativ vorbind, într-un punct. Atunci gravitația este atât de puternică încât lumina nici măcar nu poate scăpa din ea, așa că un astfel de obiect este numit la figurat o gaură neagră.

- Care este particularitatea interacțiunii gravitaționale?

O caracteristică a interacțiunii gravitaționale este principiul echivalenței. Potrivit acestuia, răspunsul dinamic al unui corp de testare într-un câmp gravitațional nu depinde de masa acestui corp. Mai simplu spus, toate corpurile cad cu aceeași accelerație.

Forța gravitațională este cea mai slabă pe care o cunoaștem astăzi.

- Cine a fost primul care a încercat să prindă o undă gravitațională?

– Experimentul undelor gravitaționale a fost efectuat pentru prima dată de Joseph Weber de la Universitatea din Maryland (SUA). El a creat detectorul gravitațional, care acum este păstrat la Muzeul Smithsonian din Washington. În 1968-1972, Joe Weber a făcut o serie de observații cu o pereche de detectoare distanțate, în încercarea de a izola cazurile de „coincidențe”. Recepția coincidențelor este împrumutată din fizica nucleară. Semnificația statistică scăzută a semnalelor gravitaționale primite de Weber a determinat o atitudine critică față de rezultatele experimentului: nu exista nicio certitudine că undele gravitaționale ar putea fi detectate. În viitor, oamenii de știință au încercat să crească sensibilitatea detectorilor de tip Weber. A fost nevoie de 45 de ani pentru a dezvolta un detector a cărui sensibilitate era adecvată predicției astrofizice.

La începutul experimentului înainte de fixare, au avut loc multe alte experimente, impulsurile au fost înregistrate în această perioadă, dar au avut o intensitate prea mică.

- De ce nu a fost anunțată imediat repararea semnalului?

– Undele gravitaționale au fost înregistrate în septembrie 2015. Dar chiar dacă a fost înregistrată o coincidență, este necesar să se dovedească înainte de a declara că nu este întâmplătoare. În semnalul preluat de la orice antenă, există întotdeauna rafale de zgomot (rafale de scurtă durată), iar una dintre ele poate apărea accidental simultan cu o explozie de zgomot pe o altă antenă. Se poate demonstra că coincidența nu s-a întâmplat întâmplător doar cu ajutorul estimărilor statistice.

– De ce sunt atât de importante descoperirile în domeniul undelor gravitaționale?

– Capacitatea de a înregistra fondul gravitațional relicvă și de a măsura caracteristicile acestuia, precum densitatea, temperatura etc., ne permite să ne apropiem de începutul universului.

Lucrul atractiv este că radiația gravitațională este greu de detectat, deoarece interacționează foarte slab cu materia. Dar, datorită aceleiași proprietăți, trece fără absorbție din obiectele cele mai îndepărtate de noi cu cele mai misterioase, din punct de vedere al materiei, proprietăți.

Putem spune că radiațiile gravitaționale trec fără distorsiuni. Cel mai ambițios obiectiv este de a investiga radiația gravitațională care a fost separată de materia primară în Teoria Big Bang, care a fost creată în momentul în care a fost creat Universul.

– Descoperirea undelor gravitaționale exclude teoria cuantică?

Teoria gravitației presupune existența colapsului gravitațional, adică contracția obiectelor masive într-un punct. În același timp, teoria cuantică dezvoltată de Școala de la Copenhaga sugerează că, datorită principiului incertitudinii, este imposibil să se precizeze exact astfel de parametri precum poziția, viteza și impulsul unui corp în același timp. Există un principiu de incertitudine aici, este imposibil să se determine exact traiectoria, deoarece traiectoria este atât o coordonată, cât și o viteză etc. Este posibil să se determine doar un anumit coridor de încredere condiționat în cadrul acestei erori, care este asociat cu principiile de incertitudine. Teoria cuantică neagă categoric posibilitatea unor obiecte punctuale, dar le descrie într-un mod statistic probabilistic: nu indică în mod specific coordonatele, ci indică probabilitatea ca acesta să aibă anumite coordonate.

Întrebarea unificării teoriei cuantice și a gravitației este una dintre întrebările fundamentale ale creării unei teorii unificate a câmpului.

Ei continuă să lucreze la asta acum, iar cuvintele „gravitație cuantică” înseamnă o zonă complet avansată a științei, granița cunoașterii și ignoranței, în care lucrează acum toți teoreticienii lumii.

– Ce poate oferi descoperirea în viitor?

Undele gravitaționale trebuie să formeze inevitabil fundația științei moderne ca una dintre componentele cunoștințelor noastre. Li se atribuie un rol semnificativ în evoluția Universului și cu ajutorul acestor unde Universul ar trebui studiat. Descoperirea contribuie la dezvoltarea generală a științei și culturii.

Dacă cineva decide să depășească scopul științei de astăzi, atunci este permis să ne imaginăm linii de comunicație gravitațională de telecomunicații, aparate cu jet pe radiația gravitațională, dispozitive de introscopie cu unde gravitaționale.

- Undele gravitaționale au vreo legătură cu percepția extrasenzorială și telepatia?

Nu Aveți. Efectele descrise sunt efectele lumii cuantice, efectele opticii.

Intervievat de Anna Utkina

„Recent, o serie de experimente pe termen lung pentru a observa direct undele gravitaționale a stârnit un puternic interes științific”, a scris fizicianul teoretician Michio Kaku în cartea sa din 2004, Einstein’s Cosmos. - Proiectul LIGO (Laser Gravitational Wave Interferometer) poate fi primul care „vad” unde gravitaționale, cel mai probabil de la ciocnirea a două găuri negre din spațiul profund. LIGO este visul unui fizician devenit realitate, prima instalație cu suficientă putere pentru a măsura undele gravitaționale.”

Predicția lui Kaku s-a adeverit: joi, un grup de oameni de știință internaționali de la observatorul LIGO a anunțat descoperirea undelor gravitaționale.

Undele gravitaționale sunt fluctuații în spațiu-timp care „fug” de obiecte masive (cum ar fi găurile negre) care se mișcă cu accelerație. Cu alte cuvinte, undele gravitaționale sunt o perturbare de propagare a spațiului-timp, o deformare curentă a vidului absolut.

O gaură neagră este o regiune din spațiu-timp a cărei atracție gravitațională este atât de puternică încât chiar și obiectele care se mișcă cu viteza luminii (inclusiv lumina însăși) nu o pot părăsi. Granița care separă o gaură neagră de restul lumii se numește orizont de evenimente: tot ceea ce se întâmplă în interiorul orizontului de evenimente este ascuns de ochii unui observator extern.

Erin Ryan Fotografie cu tortul postat online de Erin Ryan.

Oamenii de știință au început să prindă undele gravitaționale în urmă cu jumătate de secol: atunci fizicianul american Joseph Weber s-a interesat de teoria relativității generale (GR) a lui Einstein, și-a luat un an sabatic și a început să studieze undele gravitaționale. Weber a inventat primul dispozitiv pentru a detecta undele gravitaționale și în curând a pretins că a înregistrat „sunetul undelor gravitaționale”. Cu toate acestea, comunitatea științifică a negat mesajul său.

Cu toate acestea, datorită lui Joseph Weber, mulți oameni de știință s-au transformat în „vânători de valuri”. Astăzi, Weber este considerat părintele direcției științifice a astronomiei undelor gravitaționale.

„Acesta este începutul unei noi ere a astronomiei gravitaționale”

Observatorul LIGO, unde oamenii de știință au înregistrat undele gravitaționale, este format din trei instalații laser în Statele Unite: două sunt situate în statul Washington și una în Louisiana. Iată cum descrie Michio Kaku funcționarea detectorilor laser: „Raza laser este împărțită în două fascicule separate, care apoi merg perpendicular unul pe celălalt. Apoi, reflectate de oglindă, se reconectau. Dacă o undă gravitațională trece prin interferometru (dispozitiv de măsurare), lungimile traseului celor două fascicule laser vor fi perturbate și acest lucru se va reflecta în modelul lor de interferență. Pentru a vă asigura că semnalul înregistrat de instalația laser nu este aleatoriu, detectoarele ar trebui plasate în diferite puncte de pe Pământ.

Doar sub influența unei unde gravitaționale gigantice, mult mai mare decât planeta noastră, toți detectoarele vor funcționa simultan.

Acum, colaborarea LIGO 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. „Aceasta este prima măsurătoare directă (este foarte important că este directă!) a acțiunii undelor gravitaționale”, a comentat Serghei Vyatchanin, profesor la Facultatea de Fizică a Universității de Stat din Moscova, corespondentului departamentului de știință al Universității de Stat din Moscova. Gazeta.Ru. - Adică a fost primit un semnal de la catastrofa astrofizică a fuziunii a două găuri negre. Și acest semnal este identificat - și acesta este foarte important! Este clar că aceasta este de la două găuri negre. Și acesta este începutul unei noi ere a astronomiei gravitaționale, care va permite obținerea de informații despre Univers nu doar prin surse optice, cu raze X, electromagnetice și neutrino, ci și prin unde gravitaționale.

Putem spune că 90 la sută din găurile negre au încetat să mai fie obiecte ipotetice. Rămâne unele îndoieli, dar totuși, semnalul care este prins se potrivește dureros de bine cu ceea ce nenumărate simulări ale fuziunii a două găuri negre prezic în conformitate cu teoria generală a relativității.

Acesta este un argument puternic că găurile negre există. Nu există încă o altă explicație pentru un astfel de semnal. Prin urmare, se presupune că există găuri negre.”

„Einstein ar fi foarte fericit”

Undele gravitaționale au fost prezise de Albert Einstein (care, apropo, era sceptic cu privire la existența găurilor negre) în cadrul teoriei sale generale a relativității. În relativitatea generală, timpul se adaugă la trei dimensiuni spațiale, iar lumea devine patrudimensională. Conform unei teorii care a dat peste cap fizica, gravitația este o consecință a curburii spațiu-timpului sub influența masei.

Einstein a demonstrat că orice materie care se mișcă cu accelerație creează o perturbare a spațiului-timp - o undă gravitațională. Această perturbare este cu atât mai mare, cu atât accelerația și masa obiectului sunt mai mari.

Datorită slăbiciunii forțelor gravitaționale în comparație cu alte interacțiuni fundamentale, aceste unde ar trebui să aibă o magnitudine foarte mică, ceea ce este greu de înregistrat.

Când explică științele umaniste relativitatea generală, fizicienii le cer adesea să-și imagineze o foaie de cauciuc întinsă pe care sunt coborâte bile masive. Bilele împing prin cauciuc, iar foaia întinsă (care reprezintă spațiu-timp) este deformată. Conform relativității generale, întregul univers este cauciuc, pe care fiecare planetă, fiecare stea și fiecare galaxie lasă urme. Pământul nostru se învârte în jurul Soarelui ca o mică minge rostogolită în jurul conului unei pâlnii formată ca urmare a „lovirii” spațiu-timp de către o minge grea.

FIȘĂ/Reuters

Mingea grea este Soarele

Este probabil ca descoperirea undelor gravitaționale, care este principala confirmare a teoriei lui Einstein, revendică Premiul Nobel pentru fizică. „Einstein ar fi foarte fericit”, a spus Gabriella Gonzalez, purtătorul de cuvânt al colaborării LIGO.

Potrivit oamenilor de știință, este prea devreme să vorbim despre aplicabilitatea practică a descoperirii. „Deși, Heinrich Hertz (un fizician german care a dovedit existența undelor electromagnetice. - Gazeta.Ru) s-a gândit că va exista un telefon mobil? Nu! Nu ne putem imagina nimic acum”, a spus Valery Mitrofanov, profesor la Facultatea de Fizică a Universității de Stat din Moscova. M.V. Lomonosov. - Mă ghidez după filmul „Interstellar”. Este criticat, da, dar chiar și un sălbatic și-ar putea imagina un covor magic. Și covorul zburător s-a transformat într-un avion și atât. Și aici este deja necesar să ne imaginăm ceva foarte complex. În Interstellar, unul dintre momente este legat de faptul că o persoană poate călători dintr-o lume în alta. Dacă da, crezi că o persoană poate călători dintr-o lume în alta, că pot exista multe universuri - orice? Nu pot răspunde nu. Pentru că un fizician nu poate răspunde la o astfel de întrebare cu „nu”! Doar dacă contravine unor legi de conservare! Există opțiuni care nu contrazic legile fizice cunoscute. Deci, călătoria în jurul lumii poate fi!

Ieri, lumea a fost șocată de o senzație: oamenii de știință au descoperit în sfârșit undele gravitaționale, a căror existență a prezis-o Einstein în urmă cu o sută de ani. Aceasta este o descoperire. Distorsiunea spațiu-timp (aceasta este undele gravitaționale - acum vom explica ce este) a fost descoperită la observatorul LIGO, iar unul dintre fondatorii acestuia este - cine credeți? - Kip Thorne, autorul cărții.

Spunem de ce este atât de importantă descoperirea undelor gravitaționale, ceea ce a spus Mark Zuckerberg și, desigur, împărtășim povestea de la persoana întâi. Kip Thorne, ca nimeni altcineva, știe cum funcționează proiectul, ce îl face neobișnuit și ce semnificație are LIGO pentru umanitate. Da, da, totul este atât de grav.

Descoperirea undelor gravitaționale

Lumea științifică își va aminti pentru totdeauna data de 11 februarie 2016. În această zi, participanții la proiectul LIGO au anunțat: după atâtea încercări zadarnice, au fost găsite unde gravitaționale. Aceasta este realitatea. De fapt, au fost descoperite ceva mai devreme: în septembrie 2015, dar ieri descoperirea a fost recunoscută oficial. The Guardian crede că oamenii de știință vor primi cu siguranță Premiul Nobel pentru Fizică.

Cauza undelor gravitaționale este ciocnirea a două găuri negre, care s-a întâmplat deja... la un miliard de ani lumină de Pământ. Imaginează-ți cât de imens este universul nostru! Deoarece găurile negre sunt corpuri foarte masive, ele se unduiesc prin spațiu-timp, distorsionându-l puțin. Așa că apar valuri, asemănătoare cu cele care se răspândesc dintr-o piatră aruncată în apă.

Așa vă puteți imagina unde gravitaționale care vin pe Pământ, de exemplu, dintr-o gaură de vierme. Desen din cartea „Interstelar. Știința în culise"

Vibrațiile rezultate au fost transformate în sunet. Interesant este că semnalul undelor gravitaționale vine la aproximativ aceeași frecvență ca și vorbirea noastră. Așa că putem auzi cu urechile noastre cum se ciocnesc găurile negre. Ascultă cum sună undele gravitaționale.

Și știi ce? Mai recent, găurile negre sunt aranjate diferit decât se credea anterior. Dar la urma urmei, nu existau nicio dovadă că ar exista în principiu. Și acum există. Găurile negre „trăiesc” cu adevărat în Univers.

Deci, conform oamenilor de știință, o catastrofă arată ca - o fuziune a găurilor negre, -.

Pe 11 februarie a avut loc o conferință grandioasă, care a reunit peste o mie de oameni de știință din 15 țări. Au fost prezenți și oameni de știință ruși. Și, desigur, nu fără Kip Thorne. „Această descoperire este începutul unei căutări uimitoare și magnifice pentru oameni: căutarea și explorarea părții curbe a Universului - obiecte și fenomene create din spațiu-timp distorsionat. Ciocnirea găurilor negre și undele gravitaționale sunt primele noastre mostre remarcabile”, a spus Kip Thorne.

Căutarea undelor gravitaționale a fost una dintre principalele probleme ale fizicii. Acum sunt găsite. Iar geniul lui Einstein se confirmă din nou.

În octombrie, l-am intervievat pe Serghei Popov, un astrofizician rus și cunoscut popularizator al științei. S-a uitat în apă! Toamna: „Mi se pare că acum suntem în pragul unor noi descoperiri, ceea ce se datorează în primul rând muncii detectorilor de unde gravitaționale LIGO și VIRGO (Kip Thorne tocmai a adus o mare contribuție la crearea proiectului LIGO). ” Uimitor, nu?

Unde gravitaționale, detectoare de unde și LIGO

Ei bine, acum pentru ceva fizică. Pentru cei care doresc cu adevărat să înțeleagă ce sunt undele gravitaționale. Iată o redare artistică a liniilor tendex a două găuri negre care orbitează una în jurul celeilalte, în sens invers acelor de ceasornic și apoi se ciocnesc. Liniile Tendex generează gravitația mareelor. Mergi mai departe. Liniile care emană din cele două puncte cele mai îndepărtate de pe suprafețele unei perechi de găuri negre întind totul în calea lor, inclusiv pe prietenul artistului care a intrat în desen. Liniile care ies din zona de coliziune comprimă totul.

Pe măsură ce găurile se rotesc una în jurul celeilalte, ele își urmează liniile tendex, care sunt ca jeturile de apă dintr-un aspersor de gazon care se învârte. Imagine din cartea Interstellar. Știința din spatele scenei este o pereche de găuri negre care se ciocnesc, rotindu-se una în jurul celeilalte în sens invers acelor de ceasornic și liniile lor tendențioase.

Găurile negre se unesc într-o gaură mare; se deformează și se rotește în sens invers acelor de ceasornic, trăgând cu ea liniile tendex. Un observator staționar departe de gaură va simți vibrațiile pe măsură ce liniile tendex trec prin ea: întinderea, apoi strângerea, apoi întinderea - liniile tendex devin o undă gravitațională. Pe măsură ce undele se propagă, deformarea găurii negre scade treptat, iar undele de asemenea slăbesc.

Când aceste valuri ajung pe Pământ, ele au forma prezentată în partea de sus a figurii de mai jos. Se întind într-o direcție și se comprimă în cealaltă. Întinderile și strângerile fluctuează (de la roșu dreapta-stânga, la albastru dreapta-stânga, la roșu dreapta-stânga etc.) pe măsură ce undele trec prin detectorul din partea de jos a figurii.

Unde gravitaționale care trec prin detectorul LIGO.

Detectorul este format din patru oglinzi mari (40 de kilograme, 34 de centimetri în diametru) care sunt atașate la capetele a două tuburi perpendiculare numite brațe detectoare. Liniile de tendință ale undelor gravitaționale se întind pe un umăr, în timp ce îl comprimă pe al doilea și apoi, dimpotrivă, îl comprimă pe primul și îl întind pe al doilea. Și așa din nou și din nou. Schimbând periodic lungimea brațelor, oglinzile se mișcă una față de cealaltă, iar aceste schimbări sunt urmărite folosind fascicule laser într-un mod numit interferometrie. De aici și numele LIGO: Observatorul undelor gravitaționale interferometrice cu laser.

Centrul de control LIGO, de unde trimit comenzi către detector și monitorizează semnalele primite. Detectoarele gravitaționale LIGO sunt situate în Hanford, Washington și Livingston, Louisiana. Fotografie din cartea „Interstellar. Știința în culise"

Acum LIGO este un proiect internațional care implică 900 de oameni de știință din diferite țări, cu sediul la Institutul de Tehnologie din California.

Partea răsucită a universului

Găurile negre, găurile de vierme, singularitățile, anomaliile gravitaționale și dimensiunile de ordin superior sunt asociate cu curbura spațiului și a timpului. De aceea Kip Thorne le numește „partea curbată a universului”. Omenirea are încă foarte puține date experimentale și observaționale din partea curbă a universului. Acesta este motivul pentru care acordăm atât de multă atenție undelor gravitaționale: ele sunt făcute din spațiu curbat și oferă cea mai accesibilă modalitate de a explora partea curbă.

Imaginați-vă că trebuie să vedeți oceanul doar când este calm. Nu ai ști despre curenți, vârtejuri și valuri de furtună. Acest lucru amintește de cunoștințele noastre actuale despre curbura spațiului și a timpului.

Nu știm aproape nimic despre modul în care spațiul deformat și timpul deformat se comportă „într-o furtună” - când forma spațiului fluctuează violent și când fluctuează viteza fluxului timpului. Aceasta este o frontieră a cunoașterii neobișnuit de atrăgătoare. Omul de știință John Wheeler a inventat termenul de „geometrodinamică” pentru aceste schimbări.

Un interes deosebit în domeniul geometrodinamicii este ciocnirea a două găuri negre.

Ciocnirea a două găuri negre care nu se rotesc. Model din cartea „Interstellar. Știința în culise"

Figura de mai sus arată momentul în care două găuri negre se ciocnesc. Doar un astfel de eveniment a permis oamenilor de știință să înregistreze undele gravitaționale. Acest model este construit pentru găuri negre care nu se rotesc. Sus: orbite și umbre de găuri, văzute din Universul nostru. Mijloc: spațiu și timp curbat, privit din fascicul (hiperspațiu de înaltă dimensiune); săgețile arată modul în care spațiul este tras în mișcare, iar culorile care se schimbă arată cum este îndoit timpul. Jos: Forma undelor gravitaționale emise.

Undele gravitaționale de la Big Bang

Cuvânt către Kip Thorne. „În 1975, Leonid Grischuk, bunul meu prieten din Rusia, a făcut o declarație senzațională. El a spus că în momentul Big Bang-ului au apărut multe unde gravitaționale, iar mecanismul pentru apariția lor (necunoscut anterior) a fost următorul: fluctuații cuantice (fluctuații aleatorii - ed.) Câmpul gravitațional de la Big Bang a fost înmulțit cu expansiunea inițială a Universului și astfel au devenit undele gravitaționale originale. Aceste unde, dacă pot fi detectate, ne pot spune ce se întâmpla în momentul nașterii universului nostru.”

Dacă oamenii de știință vor găsi undele gravitaționale originale, vom ști cum a început universul.

Oamenii au dezvăluit până departe toate misterele universului. Încă înainte.

În anii următori, pe măsură ce înțelegerea noastră despre Big Bang s-a îmbunătățit, a devenit clar că aceste unde inițiale trebuie să fie puternice la lungimi de undă proporționale cu dimensiunea universului vizibil, adică la lungimi de miliarde de ani lumină. Vă puteți imagina cât este? .. Și la lungimile de undă pe care le acoperă detectoarele LIGO (sute și mii de kilometri), undele sunt probabil prea slabe pentru a le recunoaște.

Echipa lui Jamie Bock a construit aparatul BICEP2, care a găsit o urmă de unde gravitaționale primordiale. Ambarcațiunea de la Polul Nord este prezentată aici în timpul crepusculului, care are loc acolo doar de două ori pe an.

aparat BICEP2. Imagine din cartea „Interstellar. Știința în culise"

Este înconjurat de scuturi care protejează ambarcațiunea de radiațiile de la calota de gheață din jur. În colțul din dreapta sus există o urmă găsită în radiația relicvă - un model de polarizare. Liniile de câmp electric sunt direcționate de-a lungul curselor scurte de lumină.

Traseul începutului universului

La începutul anilor 1990, cosmologii și-au dat seama că aceste miliarde de unde gravitaționale lungi de ani lumină trebuie să fi lăsat o amprentă unică asupra undelor electromagnetice care umplu universul – așa-numitul fundal cosmic cu microunde, sau CMB. Aceasta a marcat începutul căutării Sfântului Graal. La urma urmei, dacă găsiți această urmă și obțineți din ea proprietățile undelor gravitaționale originale, puteți afla cum s-a născut Universul.

În martie 2014, în timp ce Kip Thorne scria această carte, echipa lui Jamie Bok, un cosmolog Caltech al cărui birou se află lângă cel al lui Thorne, a găsit în cele din urmă această urmă în CMB.

Aceasta este o descoperire absolut uluitoare, dar există un punct controversat: pista găsită de echipa lui Jamie nu a putut fi cauzată de undele gravitaționale, ci de altceva.

Dacă se găsește într-adevăr o urmă de unde gravitaționale de la Big Bang, atunci a existat o descoperire cosmologică a unui nivel care are loc, probabil, o dată la jumătate de secol. Oferă șansa de a atinge evenimentele care au avut loc la o trilionime dintr-o trilionime dintr-o trilionime de secundă după nașterea Universului.

Această descoperire confirmă teoriile conform cărora expansiunea universului în acel moment a fost extrem de rapidă, în argoul cosmologilor - viteza inflaționistă. Și anunță apariția unei noi ere în cosmologie.

Unde gravitaționale și interstelare

Ieri, la o conferință despre descoperirea undelor gravitaționale, Valery Mitrofanov, șeful colaborării de la Moscova a oamenilor de știință LIGO, care include 8 oameni de știință de la Universitatea de Stat din Moscova, a remarcat că intriga filmului Interstellar, deși fantastică, nu este atât de departe de realitate. Și totul pentru că consultantul științific a fost Kip Thorne. Thorne însuși și-a exprimat speranța că crede în viitoarele zboruri cu echipaj uman către o gaură neagră. Să nu se întâmple cât de curând ne-am dori, și totuși astăzi este mult mai real decât a fost înainte.

Nu este departe ziua în care oamenii vor părăsi limitele galaxiei noastre.

Evenimentul a zguduit mințile a milioane de oameni. Celebrul Mark Zuckerberg a scris: „Descoperirea undelor gravitaționale este cea mai mare descoperire din știința modernă. Albert Einstein este unul dintre eroii mei, motiv pentru care am luat descoperirea atât de aproape. Acum un secol, în cadrul Teoriei Generale a Relativității (GR), el a prezis existența undelor gravitaționale. Dar sunt atât de mici pentru a fi descoperite încât a ajuns să le caute la originile unor evenimente precum Big Bang, exploziile stelare și coliziunile cu găurile negre. Când oamenii de știință analizează datele obținute, o perspectivă complet nouă a spațiului se va deschide în fața noastră. Și, poate, acest lucru va arunca lumină asupra originii Universului, nașterii și dezvoltării găurilor negre. Este foarte inspirant să ne gândim la câte vieți și eforturi au făcut pentru a descoperi acest mister al universului. Această descoperire a fost posibilă datorită talentului unor oameni de știință și ingineri străluciți, a oamenilor de diferite naționalități, precum și a celor mai recente tehnologii informatice care au apărut abia recent. Felicitări tuturor celor implicați. Einstein ar fi mândru de tine.”

Așa este discursul. Și acesta este un om care este pur și simplu interesat de știință. Ne putem imagina ce furtună de emoții i-a cuprins pe oamenii de știință care au contribuit la descoperire. Se pare că asistăm la o nouă eră, prieteni. Este uimitor.

P.S. Ți-a plăcut? Abonați-vă la buletinul nostru informativ din jurul orizontului. O dată pe săptămână trimitem scrisori educaționale și oferim reduceri la cărțile MIF.

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 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 de atracție. 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, de exemplu, a două găuri negre masive să ajungă brusc la noi. Cercetătorii au fost entuziasmați 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, bineînțeles, ar fi trebuit să fie emis un număr gigantic, uluitor de unde spațiu-timp, care să afecteze 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: