Mávnite rukou a gravitačné vlny prebehnú celým vesmírom.
S. Popov, M. Prochorov. Vlny duchov vesmíru

V astrofyzike došlo k udalosti, na ktorú sa čakalo desaťročia. Po polstoročí hľadania boli konečne objavené gravitačné vlny, kolísanie samotného časopriestoru, ktoré pred sto rokmi predpovedal Einstein. 14. septembra 2015 aktualizované observatórium LIGO zaznamenalo výbuch gravitačnej vlny, ktorý vznikol spojením dvoch čiernych dier s hmotnosťou 29 a 36 hmotností Slnka vo vzdialenej galaxii vo vzdialenosti asi 1,3 miliardy svetelných rokov. Astronómia gravitačných vĺn sa stala plnohodnotným odvetvím fyziky; otvorila nám nový spôsob pozorovania vesmíru a umožní nám študovať účinky silnej gravitácie, ktoré boli predtým nedostupné.

Gravitačné vlny

Teórie gravitácie môžu prísť s rôznymi. Všetky budú opisovať náš svet rovnako dobre, pokiaľ sa obmedzíme na jeden jeho prejav – Newtonov zákon univerzálnej gravitácie. Existujú však aj iné, jemnejšie gravitačné efekty, ktoré boli experimentálne testované v mierke slnečnej sústavy a poukazujú na jednu konkrétnu teóriu – všeobecnú teóriu relativity (GR).

Všeobecná relativita nie je len súbor vzorcov, je to základný pohľad na podstatu gravitácie. Ak v bežnej fyzike priestor slúži len ako pozadie, schránka pre fyzikálne javy, potom sa vo všeobecnej teórii relativity sám stáva javom, dynamickou veličinou, ktorá sa mení v súlade so zákonmi všeobecnej relativity. Práve tieto skreslenia časopriestoru vo vzťahu k plochému pozadiu - alebo v jazyku geometrie - skreslenia časopriestorovej metriky - pociťujeme ako gravitáciu. Stručne povedané, všeobecná relativita odhaľuje geometrický pôvod gravitácie.

Všeobecná relativita má veľmi dôležitú predpoveď: gravitačné vlny. Sú to deformácie časopriestoru, ktoré sú schopné „odtrhnúť sa od zdroja“ a samostatne odletieť. Je to gravitácia sama o sebe, nikoho, jej vlastná. Albert Einstein konečne sformuloval všeobecnú teóriu relativity v roku 1915 a takmer okamžite si uvedomil, že jeho rovnice umožňujú existenciu takýchto vĺn.

Ako pri každej poctivej teórii, aj takáto jasná predpoveď všeobecnej relativity musí byť overená experimentálne. Akékoľvek pohybujúce sa teleso môže vyžarovať gravitačné vlny: planéty, kameň hodený nahor a mávnutie ruky. Problém je však v tom, že gravitačná interakcia je taká slabá, že žiadne experimentálne zostavy nie sú schopné odhaliť vyžarovanie gravitačných vĺn z bežných „žiaričov“.

Ak chcete "poháňať" silnú vlnu, musíte veľmi silne deformovať časopriestor. Ideálnou možnosťou sú dve čierne diery rotujúce okolo seba v tesnom tanci, vo vzdialenosti rádovo svojho gravitačného polomeru (obr. 2). Skreslenie metriky bude také silné, že značná časť energie tohto páru bude vyžarovaná do gravitačných vĺn. Pri strate energie sa pár bude k sebe približovať, otáčať sa rýchlejšie a rýchlejšie, čím viac skresľovať metriku a generovať ešte silnejšie gravitačné vlny, až napokon dôjde k radikálnej reštrukturalizácii celého gravitačného poľa tohto páru a dve čierne diery sa spoja do jedného. jeden.

Takéto spojenie čiernych dier je výbuchom obrovskej sily, ale iba všetka táto vyžarovaná energia nejde do svetla, nie do častíc, ale do vibrácií vesmíru. Vyžarovaná energia bude tvoriť značnú časť počiatočnej hmoty čiernych dier a toto žiarenie vytryskne v zlomku sekundy. Podobné výkyvy spôsobia zlúčenie neutrónových hviezd. O niečo slabšie uvoľnenie energie gravitačnými vlnami sprevádza aj ďalšie procesy, ako je kolaps jadra supernovy.

Výbuch gravitačnej vlny zo zlúčenia dvoch kompaktných objektov má veľmi špecifický, dobre vypočítaný profil, znázornený na obr. 3. Perióda kmitania je daná orbitálnym pohybom dvoch objektov okolo seba. Gravitačné vlny odnášajú energiu; v dôsledku toho sa objekty k sebe približujú a otáčajú sa rýchlejšie - a to je vidieť na zrýchlení kmitov a na zvýšení amplitúdy. V určitom bode dôjde k zlúčeniu, posledná silná vlna sa vymrští a potom nasleduje vysokofrekvenčné „zazvonenie“ ( zvonenie) je jitter vytvorenej čiernej diery, ktorý „odhodí“ všetky nesférické deformácie (táto fáza nie je na obrázku znázornená). Poznanie tohto charakteristického profilu pomáha fyzikom hľadať slabý signál z takéhoto zlúčenia vo vysoko zašumených údajoch detektora.

Oscilácie časopriestorovej metriky - ozvena gravitačných vĺn grandióznej explózie - sa rozptýlia po celom vesmíre všetkými smermi od zdroja. Ich amplitúda klesá so vzdialenosťou, podobne ako jas bodového zdroja klesá so vzdialenosťou od neho. Keď Zem zasiahne výbuch zo vzdialenej galaxie, kolísanie metriky bude rádovo 10 -22 alebo ešte menej. Inými slovami, vzdialenosť medzi fyzicky nesúvisiacimi objektmi sa bude pravidelne zvyšovať a znižovať o takúto relatívnu hodnotu.

Rádovú veľkosť tohto čísla možno ľahko získať z úvah o mierke (pozri článok V. M. Lipunova). V čase splynutia neutrónových hviezd alebo čiernych dier hviezdnych hmotností je skreslenie metrík hneď vedľa nich veľmi veľké – rádovo 0,1, preto ide o silnú gravitáciu. Takéto vážne skreslenie ovplyvňuje oblasť rádovo veľkosti týchto objektov, to znamená niekoľko kilometrov. Pri vzďaľovaní sa od zdroja klesá amplitúda kmitania nepriamo úmerne k vzdialenosti. To znamená, že vo vzdialenosti 100 Mpc = 3·10 21 km klesne amplitúda kmitov o 21 rádov a bude asi 10 -22 .

Samozrejme, ak k zlúčeniu dôjde v našej domovskej galaxii, časopriestorové chvenie, ktoré dosiahlo Zem, bude oveľa silnejšie. Takéto udalosti sa však vyskytujú raz za niekoľko tisíc rokov. Preto treba naozaj rátať len s takým detektorom, ktorý bude schopný zaznamenať splynutie neutrónových hviezd či čiernych dier na vzdialenosť desiatok až stoviek megaparsekov, čiže pokryje mnoho tisíc a miliónov galaxií.

Tu treba dodať, že nepriamy náznak existencie gravitačných vĺn už bol objavený a dokonca zaň bola udelená Nobelova cena za fyziku za rok 1993. Dlhodobé pozorovania pulzaru v binárnom systéme PSR B1913+16 ukázali, že orbitálna perióda klesá presne rýchlosťou predpovedanou všeobecnou teóriou relativity, berúc do úvahy stratu energie gravitačným žiarením. Z tohto dôvodu prakticky nikto z vedcov nepochybuje o realite gravitačných vĺn; jedinou otázkou je, ako ich chytiť.

História vyhľadávania

Hľadanie gravitačných vĺn začalo asi pred polstoročím - a takmer okamžite sa zmenilo na senzáciu. Joseph Weber z University of Maryland skonštruoval prvý rezonančný detektor: pevný dvojmetrový hliníkový valec s citlivými piezo snímačmi po stranách a dobrou izoláciou vibrácií od vonkajších vibrácií (obr. 4). Pri prechode gravitačnej vlny bude valec v čase rezonovať s deformáciami časopriestoru, ktoré by mali senzory zaregistrovať. Weber zostrojil niekoľko takýchto detektorov a v roku 1969, po analýze ich nameraných hodnôt počas jedného zo sedení, vo forme obyčajného textu uviedol, že zaregistroval „zvuk gravitačných vĺn“ v niekoľkých detektoroch naraz, vzdialených od seba dva kilometre ( J. Weber, 1969 Dôkazy pre objav gravitačného žiarenia). Amplitúda oscilácie, ktorú tvrdil, sa ukázala byť neuveriteľne veľká, rádovo 10 -16, teda miliónkrát väčšia ako typická očakávaná hodnota. Weberov odkaz sa stretol s veľkou skepsou vedeckej komunity; okrem toho iné experimentálne skupiny, vyzbrojené podobnými detektormi, nedokázali v budúcnosti zachytiť žiadny takýto signál.

Weberovo úsilie však naštartovalo celú túto oblasť výskumu a spustilo hon na vlny. Od 70. rokov 20. storočia vďaka úsiliu Vladimíra Braginského a jeho kolegov z Moskovskej štátnej univerzity do tohto závodu vstúpil aj ZSSR (viď absencia signálov gravitačných vĺn). Zaujímavý príbeh o tých časoch je v eseji Ak dievča spadne do diery .... Braginsky, mimochodom, je jedným z klasikov celej teórie kvantových optických meraní; prvýkrát prišiel s konceptom štandardného kvantového limitu merania - kľúčového obmedzenia v optických meraniach - a ukázal, ako by sa dali v princípe prekonať. Vylepšený bol Weberov rezonančný obvod a vďaka hlbokému chladeniu inštalácie sa drasticky znížila hlučnosť (pozri zoznam a históriu týchto projektov). Presnosť takýchto celokovových detektorov však bola stále nedostatočná na spoľahlivú detekciu očakávaných udalostí a okrem toho sú naladené tak, aby rezonovali len vo veľmi úzkom frekvenčnom rozsahu okolo kilohertzov.

Oveľa sľubnejšie sa javili detektory, ktoré nepoužívajú jeden rezonujúci objekt, ale sledujú vzdialenosť medzi dvoma nesúvisiacimi, nezávisle zavesenými telesami, napríklad dvoma zrkadlami. V dôsledku kolísania priestoru spôsobeného gravitačnou vlnou bude vzdialenosť medzi zrkadlami buď o niečo väčšia alebo o niečo menšia. V tomto prípade platí, že čím väčšia je dĺžka ramena, tým väčší absolútny posun spôsobí gravitačná vlna danej amplitúdy. Tieto vibrácie je možné cítiť pomocou laserového lúča prechádzajúceho medzi zrkadlami. Takáto schéma je schopná detekovať oscilácie v širokom frekvenčnom rozsahu, od 10 hertzov do 10 kilohertzov, a to je presne interval, v ktorom budú vyžarovať zlučujúce sa páry neutrónových hviezd alebo čiernych dier s hviezdnou hmotnosťou.

Moderná implementácia tejto myšlienky na základe Michelsonovho interferometra je nasledovná (obr. 5). Zrkadlá sú zavesené v dvoch dlhých, niekoľko kilometrov dlhých, na seba kolmých vákuových komorách. Pri vstupe do inštalácie sa laserový lúč rozdelí, prechádza oboma komorami, odráža sa od zrkadiel, vracia sa späť a opäť sa spája v priesvitnom zrkadle. Faktor kvality optického systému je extrémne vysoký, takže laserový lúč neprechádza len raz tam a späť, ale zotrváva v tomto optickom rezonátore dlhú dobu. V „pokojnom“ stave sú dĺžky zvolené tak, aby sa dva lúče po rekombinácii navzájom zhasli v smere k senzoru a potom bol fotodetektor v úplnom tieni. Akonáhle sa však zrkadlá pôsobením gravitačných vĺn posunú o mikroskopickú vzdialenosť, kompenzácia dvoch lúčov sa stane neúplnou a fotodetektor zachytí svetlo. A čím silnejšia je odchýlka, tým jasnejšie svetlo fotosenzor uvidí.

Slová "mikroskopický posun" ani zďaleka nevyjadrujú plnú jemnosť účinku. Posun zrkadiel o vlnovú dĺžku svetla, teda mikróny, si ľahko všimnete aj bez akýchkoľvek trikov. Ale s dĺžkou ramena 4 km to zodpovedá časopriestorovým osciláciám s amplitúdou 10 −10 . Nie je problém si všimnúť aj posunutie zrkadiel o priemer atómu – stačí spustiť laserový lúč, ktorý sa tisíckrát rozbehne tam a späť a dosiahne požadovaný fázový prienik. Ale aj to dáva silu 10 −14 . A musíme ísť ešte miliónkrát nadol na stupnici posunu, to znamená naučiť sa registrovať zrkadlový posun nie o jeden atóm, ale o tisíciny atómového jadra!

Na ceste k tejto skutočne úžasnej technológii museli fyzici prekonať mnohé ťažkosti. Niektoré z nich sú čisto mechanické: musíte zavesiť masívne zrkadlá na záves, ktorý visí na inom závese, ten na treťom závese atď. - a to všetko preto, aby ste sa čo najviac zbavili vonkajších vibrácií. Ďalšie problémy sú tiež inštrumentálne, ale optické. Napríklad, čím silnejší je lúč cirkulujúci v optickom systéme, tým slabší posun zrkadiel dokáže fotosenzor zaznamenať. Príliš silný lúč však nerovnomerne zahrieva optické prvky, čo nepriaznivo ovplyvní vlastnosti samotného lúča. Tento efekt treba nejako kompenzovať, a preto sa v tomto smere v roku 2000 spustil celý výskumný program (príbeh o tejto štúdii nájdete v novinke Prekonaná prekážka na ceste k vysoko citlivému detektoru gravitačných vĺn, "Prvky", 27.06.2006). Nakoniec existujú čisto základné fyzikálne obmedzenia súvisiace s kvantovým správaním fotónov v rezonátore a princípom neurčitosti. Obmedzujú citlivosť senzora na hodnotu nazývanú štandardný kvantový limit. Fyzici sa však už naučili, ako ho prekonať pomocou prefíkane pripraveného kvantového stavu laserového svetla (J. Aasi et al., 2013. Zvýšená citlivosť detektora gravitačných vĺn LIGO využitím stlačených stavov svetla).

Existuje zoznam krajín v pretekoch o gravitačné vlny; Rusko má svoju vlastnú inštaláciu na observatóriu Baksan a, mimochodom, je opísané v dokumentárnom populárnom vedeckom filme Dmitrija Zavilgelského. "Čakanie na vlny a častice". Lídrami tohto závodu sú teraz dve laboratóriá – americký projekt LIGO a taliansky detektor Virgo. LIGO obsahuje dva identické detektory umiestnené v Hanforde (Washington) a Livingstone (Louisiana) a vzdialené od seba 3000 km. Mať dve nastavenia je dôležité z dvoch dôvodov. Po prvé, signál sa bude považovať za zaregistrovaný iba vtedy, ak ho uvidia oba detektory súčasne. A po druhé, rozdielom v príchode výbuchu gravitačnej vlny na dve inštalácie - a môže dosiahnuť 10 milisekúnd - sa dá približne určiť, z ktorej časti oblohy tento signál prišiel. Je pravda, že s dvoma detektormi bude chyba veľmi veľká, ale keď sa Panna uvedie do prevádzky, presnosť sa výrazne zvýši.

Presne povedané, myšlienku interferometrickej detekcie gravitačných vĺn prvýkrát navrhli sovietski fyzici M. E. Gertsenshtein a V. I. Pustovoit už v roku 1962. Potom bol práve vynájdený laser a Weber začal vytvárať svoje rezonančné detektory. Tento článok si však na Západe nevšimli a, pravdupovediac, neovplyvnil vývoj reálnych projektov (pozri historický prehľad Fyzika detekcie gravitačných vĺn: rezonančné a interferometrické detektory).

Vytvorenie gravitačného observatória LIGO bolo iniciatívou troch vedcov z Massachusetts Institute of Technology (MIT) a z California Institute of Technology (Caltech). Sú to Rainer Weiss, ktorý implementoval myšlienku interferometrického detektora gravitačných vĺn, Ronald Drever, ktorý dosiahol stabilitu laserového svetla dostatočnú na registráciu, a Kip Thorne, teoretik-inšpirátor projektu, teraz dobre známy širokej verejnosti. ako vedecký konzultant filmu Interstellar. Ranú históriu LIGO si môžete prečítať v nedávnom rozhovore s Rainerom Weissom a v memoároch Johna Preskilla.

Činnosť spojená s projektom interferometrickej detekcie gravitačných vĺn sa začala koncom 70. rokov 20. storočia a o reálnosti tohto počinu mnohí spočiatku tiež pochybovali. Po predvedení množstva prototypov bol však napísaný a schválený súčasný projekt LIGO. Bol postavený počas celého posledného desaťročia 20. storočia.

Hoci prvotný impulz dali projektu Spojené štáty americké, observatórium LIGO je skutočne medzinárodným projektom. Finančne a intelektuálne do toho investovalo 15 krajín a členmi spolupráce je viac ako tisíc ľudí. Dôležitú úlohu pri realizácii projektu zohrali sovietski a ruskí fyzici. Na realizácii projektu LIGO sa od začiatku aktívne podieľala už spomínaná skupina Vladimíra Braginského z Moskovskej štátnej univerzity a neskôr sa k spolupráci pridal aj Ústav aplikovanej fyziky z Nižného Novgorodu.

Observatórium LIGO bolo spustené v roku 2002 a do roku 2010 sa v ňom konalo šesť vedeckých pozorovacích stretnutí. Žiadne výbuchy gravitačných vĺn neboli spoľahlivo detegované a fyzici boli schopní určiť iba horné limity frekvencie takýchto udalostí. To ich však príliš neprekvapilo: odhady ukázali, že v tej časti vesmíru, ktorú detektor v tom čase „počúval“, bola pravdepodobnosť dostatočne silnej kataklizmy malá: približne raz za niekoľko desaťročí.

cieľová čiara

V rokoch 2010 až 2015 kolaborácia LIGO a Virgo radikálne zmodernizovala vybavenie (Virgo je však stále v príprave). A teraz bol dlho očakávaný cieľ v priamej viditeľnosti. LIGO - alebo skôr aLIGO ( Pokročilé LIGO) - bol teraz pripravený zachytiť výbuchy generované neutrónovými hviezdami vo vzdialenosti 60 megaparsekov a čierne diery - stovky megaparsekov. Objem vesmíru otvoreného pre počúvanie gravitačných vĺn sa v porovnaní s predchádzajúcimi reláciami zväčšil desaťnásobne.

Samozrejme, nie je možné predpovedať, kedy a kde dôjde k ďalšiemu „buchnutiu“ gravitačných vĺn. Citlivosť aktualizovaných detektorov však umožnila počítať s niekoľkými fúziami neutrónových hviezd ročne, takže prvý výbuch sa dal očakávať už počas prvého štvormesačného pozorovania. Ak hovoríme o tom, že celý projekt aLIGO trvá niekoľko rokov, tak verdikt bol nadmieru jasný: buď budú padať výbuchy jeden za druhým, alebo niečo vo všeobecnej relativite v princípe nefunguje. Oboje bude veľkým objavom.

Od 18. septembra 2015 do 12. januára 2016 sa uskutočnilo prvé pozorovanie aLIGO. Počas celej tejto doby sa na internete šírili zvesti o registrácii gravitačných vĺn, ale spolupráca zostala tichá: "Zhromažďujeme a analyzujeme údaje a ešte nie sme pripravení oznámiť výsledky." Dodatočnú intrigu vytvorila skutočnosť, že v procese analýzy si samotní členovia spolupráce nemôžu byť úplne istí, že vidia skutočný nárast gravitačnej vlny. Faktom je, že v LIGO sa do prúdu reálnych dát občas umelo zavedie zhluk generovaný na počítači. Hovorí sa tomu „slepá injekcia“, slepá injekcia a z celej skupiny majú iba traja ľudia (!) prístup k systému, ktorý ju vykonáva v ľubovoľnom čase. Tím musí tento nárast sledovať, zodpovedne analyzovať a až v posledných fázach analýzy sa „karty otvárajú“ a členovia spolupráce zistia, či išlo o skutočnú udalosť alebo skúšku bdelosti. Mimochodom, v jednom takom prípade v roku 2010 došlo dokonca k napísaniu článku, ale objavený signál sa ukázal byť len „slepou náplňou“.

Lyrická odbočka

Aby som opäť pocítil vážnosť tohto okamihu, navrhujem pozrieť sa na tento príbeh z druhej strany, zvnútra vedy. Keď sa zložitá, nedobytná vedecká úloha nehodí na niekoľko rokov, je to normálny pracovný moment. Keď sa viac ako jednu generáciu nepoddá, vníma sa úplne inak.

Ako školák čítate populárno-náučné knihy a spoznávate túto ťažko riešiteľnú, no strašne zaujímavú vedeckú hádanku. Ako študent študuješ fyziku, robíš prezentácie a občas ti jej existenciu, vhodne alebo nie, pripomenú ľudia okolo teba. Potom sami robíte vedu, pracujete v inej oblasti fyziky, ale pravidelne počúvate o neúspešných pokusoch o vyriešenie. Samozrejme, chápete, že niekde sa aktívne pracuje na jeho vyriešení, ale konečný výsledok pre vás ako outsidera zostáva nezmenený. Problém je vnímaný ako statické pozadie, ako dekorácia, ako prvok fyziky, ktorý je večný a takmer nezmenený v mierke vášho vedeckého života. Ako úloha, ktorá vždy bola a vždy bude.

A potom - je to vyriešené. A zrazu, v rozsahu niekoľkých dní, cítite, že fyzický obraz sveta sa zmenil a že teraz ho treba formulovať inak a položiť si iné otázky.

Pre ľudí, ktorí priamo pracujú na hľadaní gravitačných vĺn, táto úloha, samozrejme, nezostala nezmenená. Vidia cieľ, vedia, čo treba dosiahnuť. Samozrejme dúfajú, že aj príroda im vyjde v ústrety na polceste a v nejakej blízkej galaxii vrhne silný výbuch, no zároveň chápu, že aj keď príroda nie je taká priaznivá, pred vedcami sa už nemôže skrývať. Jedinou otázkou je, kedy presne budú schopní dosiahnuť svoje technické ciele. Príbeh o tomto pocite od človeka, ktorý už niekoľko desaťročí hľadá gravitačné vlny, zaznie v už spomínanom filme. "Čakanie na vlny a častice".

Otvorenie

Na obr. 7 je znázornený hlavný výsledok: profil signálu zaznamenaného oboma detektormi. Je vidieť, že na pozadí hluku sa oscilácia požadovaného tvaru najprv javí slabo a potom sa zvyšuje amplitúda a frekvencia. Porovnanie s výsledkami numerických simulácií umožnilo zistiť, ktoré objekty sme pozorovali ako sa spájajú: išlo o čierne diery s hmotnosťou približne 36 a 29 hmotností Slnka, ktoré sa zlúčili do jedinej čiernej diery s hmotnosťou 62 hmotností Slnka (chyba zo všetkých týchto čísel, ktoré zodpovedajú 90-percentnému intervalu spoľahlivosti, sú 4 hmotnosti Slnka). Autori mimochodom poznamenávajú, že výsledná čierna diera je najťažšou čiernou dierou s hviezdnou hmotnosťou, aká bola kedy pozorovaná. Rozdiel medzi celkovou hmotnosťou dvoch pôvodných objektov a konečnej čiernej diery je 3±0,5 hmotnosti Slnka. Tento defekt gravitačnej hmoty sa úplne premenil na energiu vyžarovaných gravitačných vĺn za približne 20 milisekúnd. Výpočty ukázali, že maximálny výkon gravitačných vĺn dosiahol 3,6·10 56 erg/s, alebo, čo sa týka hmotnosti, približne 200 hmôt Slnka za sekundu.

Štatistická významnosť zisteného signálu je 5,1σ. Inými slovami, ak predpokladáme, že tieto štatistické výkyvy sa navzájom prekrývali a spôsobili takýto nárast čisto náhodou, takáto udalosť by musela čakať 200 tisíc rokov. To nám umožňuje s istotou konštatovať, že detekovaný signál nie je fluktuáciou.

Časové oneskorenie medzi dvoma detektormi bolo približne 7 milisekúnd. To umožnilo odhadnúť smer príchodu signálu (obr. 9). Pretože existujú iba dva detektory, lokalizácia sa ukázala ako veľmi približná: oblasť nebeskej sféry, ktorá je vhodná z hľadiska parametrov, je 600 štvorcových stupňov.

Spolupráca LIGO sa neobmedzila len na konštatovanie faktu registrácie gravitačných vĺn, ale vykonala aj prvú analýzu toho, aké dôsledky má toto pozorovanie pre astrofyziku. V článku Astrophysical implications of the binary black hole merger GW150914 publikovaného v ten istý deň v časopise The Astrophysical Journal Letters, autori odhadli frekvenciu, s akou dochádza k takýmto zlúčeniam čiernych dier. Ukázalo sa, že najmenej jedna fúzia v kubickom gigaparseku ročne, čo sa zhoduje s predpoveďami najoptimistickejších modelov v tomto smere.

O čom sú gravitačné vlny?

Objavenie nového fenoménu po desaťročiach hľadania nie je koniec, ale iba začiatok nového odvetvia fyziky. Samozrejme, registrácia gravitačných vĺn zo spojenia čiernej dvojky je sama o sebe dôležitá. Toto je priamy dôkaz existencie čiernych dier a existencie binárnych čiernych dier a reality gravitačných vĺn a vo všeobecnosti dôkaz správnosti geometrického prístupu ku gravitácii, na ktorom je založená všeobecná relativita. . Pre fyzikov je však nemenej cenné, že astronómia gravitačných vĺn sa stáva novým výskumným nástrojom, ktorý umožňuje študovať to, čo bolo predtým nedostupné.

Po prvé, je to nový spôsob, ako vidieť vesmír a študovať kozmické kataklizmy. Pre gravitačné vlny neexistujú žiadne prekážky, bez problémov prejdú všetkým vo vesmíre. Sú sebestační: ich profil obsahuje informácie o procese, ktorý ich vygeneroval. Nakoniec, ak jeden grandiózny výbuch spôsobí optický, neutrínový a gravitačný výbuch, potom sa môžete pokúsiť zachytiť všetky, porovnať ich navzájom a vyriešiť predtým nedostupné detaily toho, čo sa tam stalo. Dokázať zachytiť a porovnať takéto rôzne signály z jednej udalosti je hlavným cieľom všesignálovej astronómie.

Keď sa detektory gravitačných vĺn stanú ešte citlivejšími, budú schopné zaznamenať chvenie časopriestoru nie v samom okamihu zlúčenia, ale niekoľko sekúnd pred ním. Automaticky pošlú svoj varovný signál do všeobecnej siete pozorovacích staníc a astrofyzikálne satelitné teleskopy, ktoré vypočítajú súradnice navrhovaného zlúčenia, budú mať v týchto sekundách čas otočiť sa správnym smerom a začať snímať oblohu pred začiatkom. optického vzplanutia.

Po druhé, výbuch gravitačnej vlny vám umožní dozvedieť sa nové veci o neutrónových hviezdach. Zlúčenie neutrónových hviezd je v skutočnosti najnovším a najextrémnejším experimentom s neutrónovými hviezdami, ktorý nám príroda môže pripraviť a my ako diváci budeme musieť len pozorovať výsledky. Pozorovacie dôsledky takéhoto zlúčenia môžu byť rôzne (obr. 10) a zberom ich štatistík budeme môcť lepšie pochopiť správanie neutrónových hviezd v takýchto exotických podmienkach. Prehľad súčasného stavu v tomto smere možno nájsť v nedávnej publikácii S. Rosswoga, 2015. Multi-messenger obraz kompaktných binárnych fúzií .

Po tretie, registrácia výbuchu, ktorý pochádza zo supernovy a jeho porovnanie s optickými pozorovaniami, konečne umožní vyriešiť podrobnosti o tom, čo sa deje vo vnútri, na samom začiatku kolapsu. Teraz majú fyzici stále problémy s numerickou simuláciou tohto procesu.

Po štvrté, fyzici zapojení do teórie gravitácie majú vytúžené „laboratórium“ na štúdium účinkov silnej gravitácie. Doteraz všetky účinky všeobecnej teórie relativity, ktoré sme mohli priamo pozorovať, súviseli s gravitáciou v slabých poliach. O tom, čo sa deje v podmienkach silnej gravitácie, keď deformácie časopriestoru začnú silne interagovať sami so sebou, by sme mohli hádať len nepriamymi prejavmi, cez optickú ozvenu kozmických katastrof.

Po piate, je tu nová príležitosť otestovať exotické teórie gravitácie. V modernej fyzike je už veľa takýchto teórií, pozri napríklad kapitolu venovanú im z populárnej knihy A. N. Petrova „Gravitácia“. Niektoré z týchto teórií pripomínajú konvenčnú všeobecnú teóriu relativity v limite slabých polí, ale môžu sa od nej výrazne líšiť, keď sa gravitácia stane veľmi silnou. Iní predpokladajú existenciu nového typu polarizácie pre gravitačné vlny a predpovedajú rýchlosť mierne odlišnú od rýchlosti svetla. Nakoniec existujú teórie, ktoré zahŕňajú ďalšie priestorové rozmery. Čo sa o nich dá povedať na základe gravitačných vĺn je otvorenou otázkou, no je jasné, že z niektorých informácií sa tu dá profitovať. Odporúčame prečítať si aj názor samotných astrofyzikov na to, čo sa zmení objavom gravitačných vĺn, vo výbere na Postnauke.

Budúce plány

Vyhliadky pre astronómiu gravitačných vĺn sú najviac povzbudivé. Skončilo sa len prvé, najkratšie pozorovanie detektora aLIGO - a v tomto krátkom čase už bol zachytený jasný signál. Presnejšie by bolo povedať toto: prvý signál bol zachytený ešte pred oficiálnym spustením a spolupráca zatiaľ nehlásila všetky štyri mesiace práce. Kto vie, možno už existuje niekoľko ďalších výbuchov? Tak či onak, ale ďalej, ako sa zvyšuje citlivosť detektorov a rozširuje sa časť vesmíru prístupná na pozorovanie gravitačných vĺn, počet registrovaných udalostí bude rásť ako lavína.

Predpokladaný rozvrh relácií siete LIGO-Virgo je znázornený na obr. 11. Druhé, polročné sedenie sa začne koncom tohto roka, tretie potrvá takmer celý rok 2018 a v každej fáze sa bude zvyšovať citlivosť detektora. Okolo roku 2020 by aLIGO malo dosiahnuť svoju plánovanú citlivosť, ktorá umožní detektoru sondovať vesmír na zlúčenie neutrónových hviezd, ktoré sú od nás vzdialené až 200 Mpc. Pre ešte energickejšie udalosti zlúčenia čiernych dier môže citlivosť dosiahnuť takmer gigaparsek. Tak či onak, objem vesmíru dostupný na pozorovanie sa v porovnaní s prvou reláciou zväčší desaťnásobne.

Koncom tohto roka do hry vstúpi aj aktualizované talianske laboratórium Panna. Má o niečo menšiu citlivosť ako LIGO, ale je tiež celkom slušná. Trio detektorov rozmiestnených v priestore vďaka triangulačnej metóde umožní oveľa lepšie obnoviť polohu zdrojov na nebeskej sfére. Ak teraz pri dvoch detektoroch dosiahne oblasť lokalizácie stovky štvorcových stupňov, tak tri detektory ju znížia na desiatky. Okrem toho sa v súčasnosti v Japonsku stavia podobná gravitačná vlnová anténa KAGRA, ktorá začne fungovať o dva až tri roky a v Indii sa okolo roku 2022 plánuje spustiť detektor LIGO-India. V dôsledku toho bude o niekoľko rokov fungovať celá sieť detektorov gravitačných vĺn a pravidelne zaznamenávať signály (obr. 13).

Nakoniec existujú plány na vynesenie nástrojov gravitačných vĺn do vesmíru, najmä projekt eLISA. Pred dvoma mesiacmi bol na obežnú dráhu vypustený prvý skúšobný satelit, ktorého úlohou bude testovanie technológií. K skutočnej detekcii gravitačných vĺn má ešte ďaleko. Keď však táto konštelácia satelitov začne zbierať údaje, otvorí sa ďalšie okno do vesmíru – prostredníctvom nízkofrekvenčných gravitačných vĺn. Takýto celovlnový prístup ku gravitačným vlnám je hlavným cieľom tohto odboru z dlhodobého hľadiska.

Paralely

Objav gravitačných vĺn sa stal za posledné roky už tretím prípadom, kedy fyzici konečne prelomili všetky prekážky a dostali sa k dovtedy nepoznaným zložitostiam štruktúry nášho sveta. V roku 2012 bol objavený Higgsov bozón – častica predpovedaná takmer pred polstoročím. V roku 2013 detektor neutrín IceCube dokázal realitu astrofyzikálnych neutrín a začal sa „pozerať na vesmír“ úplne novým, predtým nedostupným spôsobom – cez vysokoenergetické neutrína. A teraz príroda opäť podľahla človeku: otvorilo sa „okno“ gravitačných vĺn na pozorovanie vesmíru a zároveň sa účinky silnej gravitácie sprístupnili na priame štúdium.

Musím povedať, že nikde nebolo žiadne „zadarmo“ z prírody. Hľadanie prebiehalo veľmi dlho, ale nevzdalo sa, pretože vtedy, pred desiatkami rokov, zariadenia nedosiahli výsledok z hľadiska energie, rozsahu alebo citlivosti. K cieľu viedol neustály, cieľavedomý rozvoj techniky, vývoj, ktorý nezastavili ani technické ťažkosti, ani negatívne výsledky minulých rokov.

A vo všetkých troch prípadoch samotný objav nebol koncom, ale naopak, začiatkom nového smerovania výskumu, sa stal novým nástrojom na sondovanie nášho sveta. Vlastnosti Higgsovho bozónu sa stali merateľnými – a v týchto údajoch sa fyzici snažia rozlíšiť účinky Novej fyziky. Vďaka zvýšenej štatistike vysokoenergetických neutrín robí neutrínová astrofyzika prvé kroky. Prinajmenšom to isté sa teraz očakáva od astronómie gravitačných vĺn a existujú dôvody na optimizmus.

Zdroje:
1) Vedecký LIGO plk. a Panna Coll. Pozorovanie gravitačných vĺn zo zlúčenia binárnych čiernych dier // Phys. Rev. Lett. Zverejnené 11. februára 2016.
2) Detekčné papiere – zoznam technických dokumentov sprevádzajúcich hlavný objav.
3) E. Berti. Pohľad: Prvé zvuky spájania čiernych dier // fyzika. 2016. V. 9. N. 17.

Preskúmať materiály:
1) David Blair a kol. Astronómia gravitačných vĺn: súčasný stav // arXiv:1602.02872 .
2) Benjamin P. Abbott a LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration. Vyhliadky na pozorovanie a lokalizáciu prechodných javov gravitačných vĺn pomocou Advanced LIGO a Advanced Virgo // Living Rev. Relativita. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Minulosť, súčasnosť a budúcnosť detektorov rezonančných gravitačných vĺn // Res. Astron. Astrophys. 2011. V. 11. N. 1.
4) Hľadanie gravitačných vĺn - výber materiálov na stránke časopisu Veda pri hľadaní gravitačných vĺn.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Detekcia gravitačných vĺn pomocou interferometrie (zem a vesmír) // arXiv:1102.3355 .
6) V. B. Braginskij. Astronómia gravitačných vĺn: nové metódy merania // UFN. 2000, ročník 170, strany 743–752.
7) Peter R. Saulson.

Valentin Nikolaevič Rudenko zdieľa príbeh svojej návštevy mesta Kashina (Taliansko), kde strávil týždeň na novovybudovanej „gravitačnej anténe“ – Michelsonovom optickom interferometri. Cestou do cieľa taxikára zaujíma, na čo bola inštalácia postavená. „Ľudia si myslia, že je to na rozhovor s Bohom,“ priznáva vodič.

– Čo sú to gravitačné vlny?

– Gravitačná vlna je jedným z „nosičov astrofyzikálnych informácií“. Existujú viditeľné kanály astrofyzických informácií, zvláštnu úlohu v "ďalekom videní" majú ďalekohľady. Astronómovia tiež zvládli nízkofrekvenčné kanály - mikrovlnné a infračervené a vysokofrekvenčné - röntgenové a gama. Okrem elektromagnetického žiarenia môžeme registrovať toky častíc z Kozmu. Na to sa používajú neutrínové teleskopy - veľké detektory kozmických neutrín - častíc, ktoré slabo interagujú s hmotou, a preto sa ťažko registrujú. Takmer všetky teoreticky predpovedané a laboratórne prebádané typy „nosičov astrofyzikálnej informácie“ sú v praxi spoľahlivo zvládnuté. Výnimkou bola gravitácia – najslabšia interakcia v mikrokozme a najsilnejšia sila v makrokozme.

Gravitácia je geometria. Gravitačné vlny sú geometrické vlny, to znamená vlny, ktoré menia geometrické charakteristiky priestoru, keď sa pohybujú týmto priestorom. Zhruba povedané, ide o vlny, ktoré deformujú priestor. Deformácia je relatívna zmena vzdialenosti medzi dvoma bodmi. Gravitačné žiarenie sa od všetkých ostatných druhov žiarenia líši práve tým, že je geometrické.

Predpovedal Einstein gravitačné vlny?

- Formálne sa predpokladá, že gravitačné vlny predpovedal Einstein ako jeden z dôsledkov svojej všeobecnej teórie relativity, ale v skutočnosti je ich existencia zrejmá už v špeciálnej teórii relativity.

Teória relativity naznačuje, že v dôsledku gravitačnej príťažlivosti je možný gravitačný kolaps, teda kontrakcia objektu v dôsledku kolapsu, zhruba povedané, do bodu. Vtedy je gravitácia taká silná, že svetlo z nej nemôže ani uniknúť, preto sa takýto objekt obrazne nazýva čierna diera.

- Aká je zvláštnosť gravitačnej interakcie?

Znakom gravitačnej interakcie je princíp ekvivalencie. Dynamická odozva testovacieho telesa v gravitačnom poli podľa neho nezávisí od hmotnosti tohto telesa. Jednoducho povedané, všetky telesá padajú s rovnakým zrýchlením.

Gravitačná sila je najslabšia, akú dnes poznáme.

- Kto sa ako prvý pokúsil zachytiť gravitačnú vlnu?

– Experiment s gravitačnými vlnami prvýkrát uskutočnil Joseph Weber z University of Maryland (USA). Vytvoril gravitačný detektor, ktorý je teraz uložený v Smithsonian Museum vo Washingtone. V rokoch 1968-1972 urobil Joe Weber sériu pozorovaní s párom vzdialených detektorov v snahe izolovať prípady „náhody“. Recepcia náhod je vypožičaná z jadrovej fyziky. Nízka štatistická významnosť gravitačných signálov prijatých Weberom spôsobila kritický postoj k výsledkom experimentu: neexistovala žiadna istota, že gravitačné vlny môžu byť detekované. V budúcnosti sa vedci pokúsili zvýšiť citlivosť detektorov typu Weber. Trvalo 45 rokov, kým sa vyvinul detektor, ktorého citlivosť bola primeraná astrofyzikálnej predpovedi.

Počas začiatku experimentu pred fixáciou prebehlo mnoho ďalších experimentov, v tomto období boli zaznamenané impulzy, ktoré však mali príliš malú intenzitu.

- Prečo nebolo okamžite oznámené upevnenie signálu?

– Gravitačné vlny boli zaznamenané už v septembri 2015. Ale aj keby bola zaznamenaná náhoda, je potrebné pred vyhlásením dokázať, že nie je náhodná. V signáli odoberanom z ľubovoľnej antény sa vždy vyskytujú zhluky šumu (krátkodobé zhluky) a jeden z nich sa môže náhodne vyskytnúť súčasne so zhlukom šumu na inej anténe. To, že sa náhoda nestala náhodou, je možné dokázať len pomocou štatistických odhadov.

– Prečo sú objavy v oblasti gravitačných vĺn také dôležité?

– Schopnosť registrovať reliktné gravitačné pozadie a merať jeho charakteristiky, ako je hustota, teplota atď., nám umožňuje priblížiť sa k začiatku vesmíru.

Atraktívnou vecou je, že gravitačné žiarenie je ťažké odhaliť, pretože veľmi slabo interaguje s hmotou. Ale vďaka tej istej vlastnosti prechádza bez absorpcie od nás najvzdialenejších objektov s najzáhadnejšími, z hľadiska hmoty, vlastnosťami.

Dá sa povedať, že gravitačné žiarenie prechádza bez skreslenia. Najambicióznejším cieľom je preskúmať gravitačné žiarenie, ktoré bolo oddelené od primárnej hmoty v teórii veľkého tresku, ktorá vznikla v momente stvorenia vesmíru.

– Vylučuje objav gravitačných vĺn kvantovú teóriu?

Teória gravitácie predpokladá existenciu gravitačného kolapsu, teda kontrakcie masívnych objektov do bodu. Kvantová teória vyvinutá Kodanskou školou zároveň naznačuje, že vďaka princípu neurčitosti nie je možné presne špecifikovať také parametre, ako je poloha, rýchlosť a hybnosť telesa súčasne. Je tu princíp neurčitosti, nie je možné presne určiť trajektóriu, pretože trajektória je súradnica aj rýchlosť atď. V rámci tejto chyby je možné určiť len určitý podmienený koridor spoľahlivosti, ktorý je spojený s princípmi neistoty. Kvantová teória kategoricky popiera možnosť bodových objektov, ale popisuje ich štatisticky pravdepodobnostným spôsobom: neuvádza konkrétne súradnice, ale uvádza pravdepodobnosť, že má určité súradnice.

Otázka zjednotenia kvantovej teórie a teórie gravitácie je jednou zo základných otázok vzniku jednotnej teórie poľa.

Teraz na tom pokračujú a slová „kvantová gravitácia“ znamenajú úplne pokročilú oblasť vedy, hranicu poznania a nevedomosti, kde teraz pracujú všetci teoretici sveta.

– Čo môže priniesť objav v budúcnosti?

Gravitačné vlny musia nevyhnutne tvoriť základ modernej vedy ako jednej zo zložiek nášho poznania. Pripisuje sa im významná úloha vo vývoji vesmíru a pomocou týchto vĺn by sa mal vesmír študovať. Objav prispieva k celkovému rozvoju vedy a kultúry.

Ak sa niekto rozhodne ísť nad rámec dnešnej vedy, potom je prípustné predstaviť si telekomunikačné gravitačné komunikačné vedenia, prúdové prístroje na gravitačnom žiarení, zariadenia na introskopiu gravitačných vĺn.

- Majú gravitačné vlny nejaký vzťah k mimozmyslovému vnímaniu a telepatii?

Nemám. Popísané efekty sú efekty kvantového sveta, efekty optiky.

Rozhovor s Annou Utkinou

„Nedávno vyvolala séria dlhodobých experimentov na priame pozorovanie gravitačných vĺn silný vedecký záujem,“ napísal teoretický fyzik Michio Kaku vo svojej knihe Einstein’s Cosmos z roku 2004. - Projekt LIGO (Laser Gravitational Wave Interferometer) môže byť prvým, ktorý "uvidí" gravitačné vlny, s najväčšou pravdepodobnosťou zo zrážky dvoch čiernych dier v hlbokom vesmíre. LIGO je splnený sen fyzikov, prvé zariadenie s dostatočným výkonom na meranie gravitačných vĺn.“

Kakuova predpoveď sa naplnila: vo štvrtok skupina medzinárodných vedcov z observatória LIGO oznámila objav gravitačných vĺn.

Gravitačné vlny sú fluktuácie časopriestoru, ktoré „utekajú“ od masívnych objektov (ako sú čierne diery) pohybujúcich sa zrýchlením. Inými slovami, gravitačné vlny sú šíriacou sa poruchou časopriestoru, prebiehajúcou deformáciou absolútnej prázdnoty.

Čierna diera je oblasť v časopriestore, ktorej gravitačná príťažlivosť je taká silná, že ju nedokážu opustiť ani objekty pohybujúce sa rýchlosťou svetla (vrátane svetla samotného). Hranica oddeľujúca čiernu dieru od zvyšku sveta sa nazýva horizont udalostí: všetko, čo sa deje vo vnútri horizontu udalostí, je skryté pred očami vonkajšieho pozorovateľa.

Erin Ryan Fotografiu torty zverejnila online Erin Ryan.

Vedci začali chytať gravitačné vlny pred polstoročím: vtedy sa americký fyzik Joseph Weber začal zaujímať o Einsteinovu všeobecnú teóriu relativity (GR), vzal si voľno a začal študovať gravitačné vlny. Weber vynašiel prvé zariadenie na detekciu gravitačných vĺn a čoskoro tvrdil, že zaznamenal „zvuk gravitačných vĺn“. Vedecká komunita však jeho odkaz poprela.

Avšak práve vďaka Josephovi Weberovi sa mnohí vedci zmenili na „lovcov vĺn“. Dnes je Weber považovaný za otca vedeckého smeru astronómie gravitačných vĺn.

"Toto je začiatok novej éry gravitačnej astronómie"

Observatórium LIGO, kde vedci zaznamenávali gravitačné vlny, pozostáva z troch laserových inštalácií v Spojených štátoch: dve sa nachádzajú v štáte Washington a jedna v Louisiane. Michio Kaku popisuje fungovanie laserových detektorov takto: „Lasérový lúč je rozdelený na dva samostatné lúče, ktoré potom idú navzájom kolmo. Potom, odrazené od zrkadla, sa znova spoja. Ak gravitačná vlna prejde cez interferometer (meracie zariadenie), dĺžka dráhy dvoch laserových lúčov bude narušená a to sa prejaví v ich interferenčnom obrazci. Aby sa zabezpečilo, že signál zaznamenaný laserovou inštaláciou nie je náhodný, mali by byť detektory umiestnené na rôznych miestach na Zemi.

Iba pod vplyvom obrovskej gravitačnej vlny, oveľa väčšej ako naša planéta, budú všetky detektory fungovať súčasne.

Teraz spolupráca LIGO detekovala gravitačné žiarenie spôsobené zlúčením binárneho systému čiernych dier s hmotnosťou 36 a 29 hmotností Slnka do objektu s hmotnosťou 62 hmotností Slnka. „Toto je prvé priame (je veľmi dôležité, aby bolo priame!) meranie pôsobenia gravitačných vĺn,“ komentoval Sergej Vjatchanin, profesor na Fakulte fyziky Moskovskej štátnej univerzity, korešpondentovi vedeckého oddelenia. Gazeta.Ru. - To znamená, že bol prijatý signál z astrofyzikálnej katastrofy zlúčenia dvoch čiernych dier. A tento signál je identifikovaný - to je tiež veľmi dôležité! Je jasné, že to je z dvoch čiernych dier. A to je začiatok novej éry gravitačnej astronómie, ktorá umožní získavať informácie o Vesmíre nielen prostredníctvom optických, röntgenových, elektromagnetických a neutrínových zdrojov, ale aj prostredníctvom gravitačných vĺn.

Môžeme povedať, že 90 percent čiernych dier prestalo byť hypotetickými objektmi. Určité pochybnosti pretrvávajú, ale zachytený signál bolestne dobre zapadá do toho, čo predpovedajú nespočetné simulácie zlúčenia dvoch čiernych dier v súlade so všeobecnou teóriou relativity.

Toto je silný argument, že čierne diery existujú. Iné vysvetlenie pre takýto signál zatiaľ neexistuje. Preto sa predpokladá, že čierne diery existujú."

"Einstein by bol veľmi šťastný"

Gravitačné vlny predpovedal Albert Einstein (mimochodom, ktorý bol skeptický k existencii čiernych dier) ako súčasť svojej všeobecnej teórie relativity. Vo všeobecnej teórii relativity sa čas pridáva k trom priestorovým dimenziám a svet sa stáva štvorrozmerným. Podľa teórie, ktorá postavila fyziku na hlavu, je gravitácia dôsledkom zakrivenia časopriestoru pod vplyvom hmoty.

Einstein dokázal, že akákoľvek hmota pohybujúca sa zrýchlením vytvára poruchu časopriestoru – gravitačnú vlnu. Toto rušenie je tým väčšie, čím vyššie je zrýchlenie a hmotnosť objektu.

Vzhľadom na slabosť gravitačných síl v porovnaní s inými základnými interakciami by tieto vlny mali mať veľmi malú veľkosť, ktorú je ťažké zaregistrovať.

Pri vysvetľovaní všeobecnej relativity humanitným vedám ich fyzici často žiadajú, aby si predstavili natiahnutú vrstvu gumy, na ktorej sú spúšťané masívne gule. Guľôčky sa pretlačia cez gumu a natiahnutá plachta (ktorá predstavuje časopriestor) sa zdeformuje. Podľa všeobecnej teórie relativity je celý vesmír gumou, na ktorej každá planéta, každá hviezda a každá galaxia zanechávajú jamky. Naša Zem sa točí okolo Slnka ako malá gulička kotúľaná okolo kužeľa lievika, ktorý vznikol ako výsledok „prepichnutia“ časopriestoru ťažkou guľou.

HANDOUT/Reuters

Ťažká guľa je Slnko

Je pravdepodobné, že objav gravitačných vĺn, ktorý je hlavným potvrdením Einsteinovej teórie, si nárokuje na Nobelovu cenu za fyziku. „Einstein by bol veľmi šťastný,“ povedala Gabriella Gonzalez, hovorkyňa spolupráce LIGO.

O praktickej využiteľnosti objavu je podľa vedcov priskoro hovoriť. "Aj keď si Heinrich Hertz (nemecký fyzik, ktorý dokázal existenciu elektromagnetických vĺn. - Gazeta.Ru) myslel, že bude existovať mobilný telefón? Nie! Momentálne si nevieme nič predstaviť,“ povedal Valerij Mitrofanov, profesor na fyzikálnej fakulte Moskovskej štátnej univerzity. M.V. Lomonosov. - Riadim sa filmom "Interstellar". Je kritizovaný, to áno, ale aj divoký človek by si vedel predstaviť čarovný koberec. A lietajúci koberec sa zmenil na lietadlo a je to. A tu je už potrebné predstaviť si niečo veľmi zložité. V Interstellar jeden z momentov súvisí s tým, že človek môže cestovať z jedného sveta do druhého. Ak áno, veríte, že človek môže cestovať z jedného sveta do druhého, že môže existovať veľa vesmírov – čokoľvek? Neviem odpovedať nie. Pretože fyzik nemôže na takúto otázku odpovedať „nie“! Iba ak by to odporovalo nejakým zákonom ochrany! Existujú možnosti, ktoré nie sú v rozpore so známymi fyzikálnymi zákonmi. Takže cestovanie po svetoch môže byť!

Včera otriasla svetom senzácia: vedci konečne objavili gravitačné vlny, ktorých existenciu Einstein predpovedal už pred sto rokmi. Toto je prielom. Skreslenie časopriestoru (toto sú gravitačné vlny - teraz si vysvetlíme, čo je čo) bolo objavené na observatóriu LIGO a jedným z jeho zakladateľov je - kto si myslíte? - Kip Thorne, autor knihy.

Hovoríme, prečo je objav gravitačných vĺn taký dôležitý, čo povedal Mark Zuckerberg a, samozrejme, zdieľame príbeh v prvej osobe. Kip Thorne, ako nikto iný, nevie, ako projekt funguje, čím je nezvyčajný a aký význam má LIGO pre ľudstvo. Áno, áno, všetko je také vážne.

Objav gravitačných vĺn

Vedecký svet si navždy zapamätá dátum 11. februára 2016. V tento deň účastníci projektu LIGO oznámili: po toľkých márnych pokusoch boli nájdené gravitačné vlny. Toto je realita. V skutočnosti boli objavené o niečo skôr: v septembri 2015, ale včera bol objav oficiálne uznaný. The Guardian verí, že vedci určite dostanú Nobelovu cenu za fyziku.

Príčinou gravitačných vĺn je kolízia dvoch čiernych dier, ku ktorej došlo už ... miliardu svetelných rokov od Zeme. Predstavte si, aký obrovský je náš vesmír! Keďže čierne diery sú veľmi masívne telesá, vlnia sa časopriestorom a trochu ho deformujú. Objavujú sa teda vlny podobné tým, ktoré sa šíria z kameňa hodeného do vody.

Takto si možno predstaviť gravitačné vlny prichádzajúce na Zem napríklad z červej diery. Kresba z knihy „Interstellar. Veda v zákulisí"

Výsledné vibrácie sa premenili na zvuk. Zaujímavé je, že signál z gravitačných vĺn prichádza približne na rovnakej frekvencii ako naša reč. Takže na vlastné uši môžeme počuť, ako sa čierne diery zrážajú. Vypočujte si, ako znejú gravitačné vlny.

A viete čo? V poslednej dobe sú čierne diery usporiadané inak, ako sa doteraz predpokladalo. Ale napokon neexistovali žiadne dôkazy o tom, že v zásade existovali. A teraz tam je. Čierne diery skutočne „žijú“ vo vesmíre.

Takže podľa vedcov katastrofa vyzerá ako - zlúčenie čiernych dier, -.

11. februára sa konala grandiózna konferencia, na ktorej sa zišlo viac ako tisíc vedcov z 15 krajín. Prítomní boli aj ruskí vedci. A, samozrejme, nie bez Kipa Thorna. „Tento objav je začiatkom úžasného, ​​veľkolepého hľadania ľudí: hľadanie a skúmanie zakrivenej strany vesmíru – objektov a javov vytvorených zo zdeformovaného časopriestoru. Zrážky čiernych dier a gravitačné vlny sú našimi prvými pozoruhodnými vzorkami,“ povedal Kip Thorne.

Hľadanie gravitačných vĺn bolo jedným z hlavných problémov fyziky. Teraz sa našli. A Einsteinova genialita sa opäť potvrdzuje.

V októbri sme urobili rozhovor Sergejom Popovom, ruským astrofyzikom a známym popularizátorom vedy. Pozrel sa do vody! Jeseň: „Zdá sa mi, že teraz stojíme na pokraji nových objavov, za čo vďačí predovšetkým práci detektorov gravitačných vĺn LIGO a VIRGO (Kip Thorne práve výrazne prispel k vytvoreniu projektu LIGO). “ Úžasné, však?

Gravitačné vlny, vlnové detektory a LIGO

No a teraz trochu fyziky. Pre tých, ktorí naozaj chcú pochopiť, čo sú gravitačné vlny. Tu je umelecké stvárnenie línií tendexov dvoch čiernych dier, ktoré obiehajú okolo seba proti smeru hodinových ručičiek a potom sa zrážajú. Linky Tendex vytvárajú prílivovú gravitáciu. Pohni sa. Čiary, ktoré vychádzajú z dvoch najvzdialenejších bodov na povrchoch dvojice čiernych dier, napínajú všetko, čo im stojí v ceste, vrátane umelcovho priateľa, ktorý sa dostal do kresby. Čiary vychádzajúce z oblasti kolízie všetko komprimujú.

Keď sa otvory otáčajú jedna okolo druhej, sledujú svoje tendexové línie, ktoré sú ako prúdy vody z rotujúceho zavlažovača trávnika. Na snímke z knihy Interstellar. The Science Behind the Scenes je dvojica čiernych dier, ktoré sa zrážajú, jedna okolo druhej sa otáča proti smeru hodinových ručičiek, a ich tendexové čiary.

Čierne diery sa spájajú do jednej veľkej diery; deformuje sa a otáča sa proti smeru hodinových ručičiek a ťahá so sebou tendexové línie. Stacionárny pozorovateľ ďaleko od diery bude cítiť vibrácie, keď cez ňu prechádzajú tendexové línie: natiahnutie, potom stlačenie, potom natiahnutie – tendexové línie sa stanú gravitačnou vlnou. Ako sa vlny šíria, deformácia čiernej diery sa postupne zmenšuje a vlny tiež slabnú.

Keď tieto vlny dosiahnu Zem, majú tvar zobrazený v hornej časti obrázku nižšie. Naťahujú sa jedným smerom a stláčajú v druhom. Natiahnutia a kompresie kolíšu (od červenej do pravej-ľavej, do modrej doprava-doľava, do červenej doprava-doľava atď.), keď vlny prechádzajú cez detektor v spodnej časti obrázku.

Gravitačné vlny prechádzajúce detektorom LIGO.

Detektor pozostáva zo štyroch veľkých zrkadiel (40 kilogramov, 34 centimetrov v priemere), ktoré sú pripevnené na konce dvoch kolmých trubíc nazývaných ramená detektora. Tendexové čiary gravitačných vĺn naťahujú jedno rameno, pričom stláčajú druhé a potom, naopak, stláčajú prvé a naťahujú druhé. A tak znova a znova. Periodickou zmenou dĺžky ramien sa zrkadlá navzájom pohybujú a tieto posuny sa sledujú pomocou laserových lúčov spôsobom nazývaným interferometria. Odtiaľ pochádza názov LIGO: Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory.

Riadiace centrum LIGO, odkiaľ vysielajú príkazy na detektor a monitorujú prijaté signály. Gravitačné detektory LIGO sa nachádzajú v Hanforde, Washington a Livingston, Louisiana. Fotografia z knihy „Interstellar. Veda v zákulisí"

Teraz je LIGO medzinárodný projekt zahŕňajúci 900 vedcov z rôznych krajín so sídlom v Kalifornskom technologickom inštitúte.

Prevrátená strana vesmíru

Čierne diery, červie diery, singularity, gravitačné anomálie a dimenzie vyššieho rádu sú spojené so zakrivením priestoru a času. Preto ich Kip Thorne nazýva „zakrivená strana vesmíru“. Ľudstvo má stále veľmi málo experimentálnych a pozorovacích údajov zo zakrivenej strany vesmíru. Preto venujeme veľkú pozornosť gravitačným vlnám: sú vyrobené zo zakriveného priestoru a poskytujú nám najdostupnejší spôsob, ako preskúmať zakrivenú stranu.

Predstavte si, že by ste oceán museli vidieť len vtedy, keď je pokojný. Nevedeli by ste o prúdoch, víroch a búrkových vlnách. To pripomína naše súčasné poznatky o zakrivení priestoru a času.

Nevieme takmer nič o tom, ako sa deformovaný priestor a deformovaný čas správajú „v búrke“ – keď tvar priestoru prudko kolíše a kedy kolíše rýchlosť toku času. Toto je nezvyčajne lákavá hranica poznania. Vedec John Wheeler pre tieto zmeny vymyslel termín „geometrodynamika“.

V oblasti geometrodynamiky je obzvlášť zaujímavá zrážka dvoch čiernych dier.

Zrážka dvoch nerotujúcich čiernych dier. Model z knihy „Interstellar. Veda v zákulisí"

Obrázok vyššie ukazuje moment, keď sa zrazia dve čierne diery. Práve takáto udalosť umožnila vedcom zaznamenať gravitačné vlny. Tento model je vytvorený pre nerotujúce čierne diery. Hore: obežné dráhy a tiene dier, ako je vidieť z nášho vesmíru. Stred: zakrivený priestor a čas pri pohľade z lúča (vysokorozmerný hyperpriestor); šípky ukazujú, ako sa priestor vťahuje do pohybu, a meniace sa farby ukazujú, ako sa ohýba čas. Dole: Tvar vyžarovaných gravitačných vĺn.

Gravitačné vlny z Veľkého tresku

Slovo Kip Thorne. „V roku 1975 Leonid Grischuk, môj dobrý priateľ z Ruska, urobil senzačné vyhlásenie. Povedal, že v momente Veľkého tresku vzniklo mnoho gravitačných vĺn a mechanizmus ich výskytu (predtým neznámy) bol nasledovný: kvantové fluktuácie (náhodné výkyvy - red.) Gravitačné pole pri Veľkom tresku sa znásobilo počiatočnou expanziou vesmíru, a tak sa stalo pôvodnými gravitačnými vlnami. Tieto vlny, ak sa dajú zistiť, nám môžu povedať, čo sa dialo v momente zrodu nášho vesmíru.“

Ak vedci nájdu pôvodné gravitačné vlny, budeme vedieť, ako vznikol vesmír.

Ľudia odhalili ďaleko ku všetkým záhadám vesmíru. Stále vpredu.

V nasledujúcich rokoch, keď sa naše chápanie Veľkého tresku zlepšovalo, sa ukázalo, že tieto počiatočné vlny musia byť silné na vlnových dĺžkach zodpovedajúcich veľkosti viditeľného vesmíru, teda v dĺžkach miliárd svetelných rokov. Viete si predstaviť, koľko to je? .. A pri vlnových dĺžkach, ktoré detektory LIGO pokrývajú (stovky a tisíce kilometrov), sú vlny pravdepodobne príliš slabé na to, aby ich rozpoznali.

Tím Jamieho Bocka zostrojil prístroj BICEP2, ktorý našiel stopu prvotných gravitačných vĺn. Plavidlo na severnom póle sa tu ukazuje počas súmraku, ktorý sa tam vyskytuje iba dvakrát do roka.

Prístroj BICEP2. Obrázok z knihy „Interstellar. Veda v zákulisí"

Je obklopený štítmi, ktoré chránia plavidlo pred žiarením z okolitého ľadového štítu. V pravom hornom rohu je v reliktnom žiarení nájdená stopa - polarizačný vzor. Elektrické siločiary sú nasmerované pozdĺž krátkych svetelných ťahov.

Cesta počiatku vesmíru

Začiatkom 90. rokov si kozmológovia uvedomili, že tieto miliardy svetelných rokov dlhé gravitačné vlny museli zanechať jedinečný odtlačok na elektromagnetických vlnách, ktoré vypĺňajú vesmír – takzvané kozmické mikrovlnné pozadie alebo CMB. Toto znamenalo začiatok hľadania Svätého grálu. Ak totiž nájdete túto stopu a odvodíte z nej vlastnosti pôvodných gravitačných vĺn, môžete zistiť, ako sa zrodil Vesmír.

V marci 2014, keď Kip Thorne písal túto knihu, tím Jamieho Boka, kozmológa z Caltechu, ktorého kancelária je vedľa Thornovej, konečne našiel túto stopu v CMB.

Ide o absolútne ohromujúci objav, no je tu jeden kontroverzný bod: dráhu, ktorú našiel Jamieho tím, nemohli spôsobiť gravitačné vlny, ale niečo iné.

Ak sa skutočne nájde stopa gravitačných vĺn z Veľkého tresku, potom došlo ku kozmologickému objavu na úrovni, ku ktorej dochádza možno raz za polstoročie. Dáva šancu dotknúť sa udalostí, ktoré sa odohrali bilióninu z bilióntiny z bilióntiny sekundy po zrode vesmíru.

Tento objav potvrdzuje teórie, že rozpínanie vesmíru bolo v tom momente mimoriadne rýchle, v slangu kozmológov – inflačná rýchlosť. A ohlasuje príchod novej éry v kozmológii.

Gravitačné vlny a medzihviezdne vlny

Včera na konferencii o objavovaní gravitačných vĺn Valerij Mitrofanov, vedúci moskovskej spolupráce vedcov LIGO, do ktorej patrí 8 vedcov z Moskovskej štátnej univerzity, poznamenal, že dej filmu Interstellar, aj keď je fantastický, nie je až tak ďaleko. reality. A to všetko preto, že vedeckým konzultantom bol Kip Thorne. Sám Thorne vyjadril nádej, že verí v budúce pilotované lety k čiernej diere. Nech sa nestanú tak skoro, ako by sme chceli, a predsa je to dnes oveľa reálnejšie ako predtým.

Nie je ďaleko deň, keď ľudia opustia hranice našej galaxie.

Udalosť otriasla myslením miliónov ľudí. Notoricky známy Mark Zuckerberg napísal: „Objav gravitačných vĺn je najväčším objavom modernej vedy. Albert Einstein je jedným z mojich hrdinov, a preto som tento objav vzal tak blízko. Pred storočím v rámci Všeobecnej teórie relativity (GR) predpovedal existenciu gravitačných vĺn. Sú však také malé, že ich bolo možné objaviť, že ich začalo hľadať pri vzniku udalostí, ako je Veľký tresk, hviezdne explózie a zrážky čiernych dier. Keď vedci analyzujú získané údaje, otvorí sa pred nami úplne nový pohľad na vesmír. A možno to objasní pôvod vesmíru, zrod a vývoj čiernych dier. Je veľmi inšpirujúce zamyslieť sa nad tým, koľko životov a úsilia vynaložilo na odhalenie tejto záhady vesmíru. Tento prielom bol možný vďaka talentu skvelých vedcov a inžinierov, ľudí rôznych národností, ako aj najnovším počítačovým technológiám, ktoré sa objavili len nedávno. Gratulujem všetkým zúčastneným. Einstein by bol na teba hrdý."

Taká je reč. A to je človek, ktorý sa jednoducho zaujíma o vedu. Možno si predstaviť, aká búrka emócií sa prehnala vedcami, ktorí prispeli k objavu. Zdá sa, že sme svedkami novej éry, priatelia. Je to úžasné.

P.S. Páčilo sa vám to? Prihláste sa na odber nášho newslettera za horizontom. Raz týždenne posielame vzdelávacie listy a poskytujeme zľavy na knihy MIF.

11. februára 2016 medzinárodná skupina vedcov vrátane vedcov z Ruska na tlačovej konferencii vo Washingtone oznámila objav, ktorý skôr či neskôr zmení vývoj civilizácie. Podarilo sa v praxi dokázať gravitačné vlny alebo vlny časopriestoru. Ich existenciu pred 100 rokmi predpovedal Albert Einstein vo svojom.

Nikto nepochybuje, že tento objav bude ocenený Nobelovou cenou. Vedci sa neponáhľajú hovoriť o jeho praktickom použití. Ale pripomínajú, že donedávna ľudstvo tiež presne nevedelo, čo robiť s elektromagnetickými vlnami, čo nakoniec viedlo k skutočnej vedecko-technologickej revolúcii.

Čo sú to gravitačné vlny jednoducho

Gravitácia a univerzálna gravitácia sú jedno a to isté. Gravitačné vlny sú jedným z riešení OTS. Musia sa šíriť rýchlosťou svetla. Vyžaruje ho každé teleso pohybujúce sa s premenlivým zrýchlením.

Napríklad rotuje na svojej obežnej dráhe s premenlivým zrýchlením smerujúcim k hviezde. A toto zrýchlenie sa neustále mení. Slnečná sústava vyžaruje energiu rádovo niekoľkých kilowattov v gravitačných vlnách. To je nepatrné množstvo, porovnateľné s 3 starými farebnými televízormi.

Ďalšou vecou sú dva pulzary (neutrónové hviezdy) rotujúce okolo seba. Pohybujú sa po veľmi tesných obežných dráhach. Takúto „párku“ objavili astrofyzici a je pozorovaná už dlho. Objekty boli pripravené padať na seba, čo nepriamo naznačovalo, že pulzary vyžarujú časopriestorové vlny, teda energiu vo svojom poli.

Gravitácia je sila príťažlivosti. Sme ťahaní k zemi. A podstatou gravitačnej vlny je zmena v tomto poli, mimoriadne slabá, pokiaľ ide o nás. Vezmime si napríklad hladinu vody v nádrži. Intenzita gravitačného poľa je zrýchlenie voľného pádu v určitom bode. Cez našu nádrž preteká vlna a zrazu sa len trochu zmení zrýchlenie voľného pádu.

Takéto experimenty sa začali v 60. rokoch minulého storočia. Vtedy prišli s týmto: zavesili obrovský hliníkový valec, chladený, aby nedochádzalo k vnútorným tepelným výkyvom. A čakali, že k nám zrazu dorazí vlna zo zrážky napríklad dvoch masívnych čiernych dier. Výskumníci boli nadšení a povedali, že gravitačná vlna prichádzajúca z vesmíru môže ovplyvniť celú zemeguľu. Planéta začne oscilovať a tieto seizmické vlny (kompresné, šmykové a povrchové) možno študovať.

Dôležitý článok o zariadení v jednoduchom jazyku a o tom, ako Američania a LIGO ukradli myšlienku sovietskych vedcov a postavili introferometre, ktoré umožnili objav. Nikto o tom nehovorí, všetci mlčia!

Mimochodom, gravitačné žiarenie je zaujímavejšie z hľadiska reliktného žiarenia, ktoré sa snažia nájsť zmenou spektra elektromagnetického žiarenia. Reliktné a elektromagnetické žiarenie sa objavilo 700 tisíc rokov po Veľkom tresku, potom v procese rozširovania vesmíru naplneného horúcim plynom s putujúcimi rázovými vlnami, ktoré sa neskôr zmenili na galaxie. V tomto prípade, samozrejme, malo byť vyžarované obrovské množstvo časopriestorových vĺn, ktoré ovplyvňujú vlnovú dĺžku kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia, ktoré bolo v tom čase ešte optické. Domáci astrofyzik Sazhin píše a pravidelne publikuje články na túto tému.

Nesprávna interpretácia objavu gravitačných vĺn

„Zrkadlo visí, pôsobí naň gravitačná vlna a začína oscilovať. A dokonca aj tie najmenšie výkyvy s amplitúdou menšou ako veľkosť atómového jadra zaznamenajú prístroje “- takáto nesprávna interpretácia sa napríklad používa v článku Wikipedia. Nebuďte leniví, nájdite článok sovietskych vedcov z roku 1962.

Po prvé, zrkadlo musí byť masívne, aby bolo cítiť "vlnky". Po druhé, musí sa ochladiť takmer na absolútnu nulu (Kelvin), aby sa predišlo vlastným teplotným výkyvom. S najväčšou pravdepodobnosťou nielen v 21. storočí, ale vo všeobecnosti nikdy nebude možné odhaliť elementárnu časticu - nositeľa gravitačných vĺn: