Vad är en gravitationsvåg?

Den officiella öppningsdagen (detektion) av gravitationsvågor är den 11 februari 2016. Just då, på en presskonferens i Washington, meddelade ledarna i LIGO-samarbetet att forskargruppen kunde registrera detta fenomen för första gången i mänsklighetens historia.

Profetior av den stora Einstein

Albert Einstein föreslog att gravitationella vågor existerar i början av förra seklet (1916) inom ramen för den allmänna relativiteten (GRT) formulerad av honom. Det är bara att bli förvånad över den berömda fysikerens genial förmåga, som med ett minimum av verkliga data kunde dra fram sådana långtgående slutsatser. Bland de många andra förutsagda fysiska fenomenen som har bekräftats under nästa århundrade (saktar tidsflödet, ändrar riktningen av elektromagnetisk strålning i gravitationsfält, etc.) var det inte möjligt att praktiskt detektera närvaron av denna typ av våginteraktion av kroppar tills nyligen.

Gravity är en illusion?

I allmänhet, i ljuset av Relativitetsteorin, är tyngdkraften svår att ringa en kraft. Detta är en följd av perturbationen eller krökningen i rymdtidskontinuen. Ett bra exempel, som illustrerar detta postulat, kan tjäna som en utsträckt bit av vävnad. Under vikten av ett massivt föremål placerat på en sådan yta bildas en fördjupning. Andra föremål som rör sig i närheten av denna anomali kommer att förändra banans rörelse, som om de "lockar". Och ju mer objektets vikt (ju större diameter och krumningsdjup), desto högre är "attraktionskraften". När den rör sig längs tyget kan man observera utseendet av en divergerande "krusning".

Något liknande händer i världens rymd. Varje accelererad rörlig massiv materia är en källa till fluktuationer i tätheten av rymden och tiden. Gravitationsvåg med en signifikant amplitud, bildas av kroppar med extremt stora massor eller vid rörelse med stora accelerationer.

Fysiska egenskaper

Oscillationerna i rymdtidsmetoden manifesterar sig som förändringar i gravitationen. Detta fenomen kallas också rymdtidskrypningar. Gravitationsvågen påverkar de kroppar och föremål som uppstår, komprimerar och sträcker dem. Värdena för deformationen är väldigt obetydliga - i storleksordningen ^10-21 av originalstorleken. Hela svårigheten att upptäcka detta fenomen var att forskarna behövde lära sig att mäta och registrera sådana förändringar med hjälp av lämplig utrustning. Effekten av gravitationsstrålning är också extremt liten - för hela solsystemet är det flera kilowatt.

Utbredningshastigheten för gravitationsvågor är obetydligt beroende av egenskaperna hos det ledande mediet. Amplituden hos oscillationerna med avståndet från källan minskar gradvis men når aldrig noll. Frekvensen ligger i intervallet från några tiotals till hundratals hertz. Gravitationsvågornas hastighet i det interstellära mediet närmar sig ljusets hastighet.

Indirekta bevis

För första gången erhölls den teoretiska bekräftelsen av gravitationens existens av den amerikanska astronomen Joseph Taylor och hans assistent Russell Huls 1974. Explorerar universums utbredningar med radioteleskopet från Arecibo observatoriet (Puerto Rico) upptäckte forskarna pulsar PSR B1913 + 16, som är ett dubbelsystem av neutronstjärnor som roterar runt ett gemensamt masscentrum med en konstant vinkelhastighet (ett ganska ovanligt fall). Årligen sänks cirkulationsperioden, som ursprungligen är 3,75 timmar, med 70 ms. Detta värde motsvarar helt och hållet slutsatserna från ekvationerna för generell relativitet, vilket förutsätter en ökning i rotationshastigheten hos sådana system som ett resultat av energiutgift vid generering av gravitationella vågor. Senare detekterades flera dubbelpulsar och vita dvärgar med liknande beteende. Till radio astronomer D. Taylor och R. Hals 1993 tilldelades Nobelpriset i fysik för upptäckten av nya möjligheter att studera gravitationsfält.

Den flyktande gravitationsvågen

Det första uttalandet om detektion av gravitationsvågor kom från forskaren vid Maryland University, Joseph Weber (USA) 1969. För detta ändamål använde han två gravitationsantenner av sin egen design, åtskilda två kilometer från varandra. Resonansdetektorn var en väl vibro-isolerad enmåls tvåmålscylinder av aluminium, utrustad med känsliga piezoelektriska sensorer. Ampliten som påstås fixerad av Weber-oscillationer var mer än en miljon gånger högre än det förväntade värdet. Försök från andra vetenskapsmän som använder liknande utrustning för att upprepa "amerikansk fysikers" framgång gav inte positiva resultat. Några år senare visade sig Webers arbete på detta område ohållbart, men gav upphov till utvecklingen av en "gravitationsbom" som lockade många specialister till detta forskningsområde. Förresten var Joseph Weber själv fram till slutet av hans dagar säker på att han tog gravitationsvågor.

Förbättring av mottagningsutrustning

På 70-talet utvecklade forskare Bill Fairbank (USA) konstruktionen av en gravitationsvågantenn kyld med flytande helium med hjälp av SQUIDs - ultrasensiva magnetometrar. Den befintliga tekniken vid den tiden tillät inte uppfinnaren att se sin produkt realiserad i "metallen".

Med denna princip är Auriga gravitationsdetektorn gjord vid National Laboratory Laboratory (Padua, Italien). Designen är baserad på en aluminium-magnesiumcylinder, 3 meter lång och 0,6 m i diameter. Mottagningsanordningen väger 2,3 ton suspenderas i en isolerad vakuumkammare som har kylts nästan till absolut noll. För att fixa och upptäcka jitters används en extra kilogram resonator och ett datorbaserat mätsystem. Deklarerad känslighet för utrustningen är 10 ^-20 .

interferometrar

Grunden för driften av störningsdetektorer för gravitationsvågor är samma som de principer som används av Michelson-interferometern. Den laserstråle som emitteras av källan är uppdelad i två strömmar. Efter flera reflektioner och reser längs enhetens axlar sammanfogas strömmarna igen och döma av den resulterande interferensbilden bedöms om några störningar (till exempel en gravitationskvåg) påverkar strålens väg. Liknande utrustning har skapats i många länder:

• GEO 600 (Hannover, Tyskland). Vakuumtunnelarnas längd är 600 meter.
• TAMA (Japan) med axlar på 300 m.
• VIRGO (Pisa, Italien) är ett gemensamt fransk-italienskt projekt som lanserades 2007 med tre kilometer tunnlar.
• LIGO (USA, Stillahavskusten), som ledde jakten på tyngdkraftvågor sedan 2002.

Den senare bör övervägas mer detaljerat.

LIGO Advanced

Projektet skapades på initiativ av forskare från Massachusetts och Kalifornien tekniska institut. Innehåller två observatorier, åtskilda av 3 tusen km, i staterna Louisiana och Washington (städerna Livingston och Hanford) med tre identiska interferometrar. Längden på vinkelräta vakuumtunnlarna är 4 tusen meter. Dessa är de största befintliga strukturerna för tillfället. Fram till 2011 gav många försök att upptäcka gravitationsvågor inga resultat. Den genomförda betydande moderniseringen (Advanced LIGO) ökade känsligheten hos utrustning i 300-500 Hz-intervallet med mer än fem gånger, och i lågfrekvensområdet (upp till 60 Hz) med nästan en storleksordning, uppnår ett sådant eftertraktat värde av ^10-21 . Det uppdaterade projektet startade i september 2015, och insatserna från mer än tusen medarbetare belönades med resultaten.

Gravitationsvågor detekteras

14 september 2015 förbättrade LIGO detektorer med ett intervall på 7 ms registrerade gravitationens vågor som kom till vår planet från det största fenomenet som inträffade i utkanten av det observerade universum - sammanslagningen av två stora svarta hål med massorna 29 och 36 gånger Solens massa. Under processen, som ägde rum för över 1,3 miljarder år sedan, konsumeras omkring tre solvolymer materia för strålning av tyngdkraftvågor i en bråkdel av en sekund. Den fasta initialfrekvensen för gravitationella vågor var 35 Hz och det maximala toppvärdet nådde 250 Hz.

De erhållna resultaten utsattes upprepade gånger för omfattande verifiering och behandling, och alternativa tolkningar av de erhållna data skares noga av. Slutligen, den 11 februari förra året, meddelades en direkt registrering av fenomenet som Einstein förutspådde för världsgemenskapen.

Det faktum som illustrerar forskarnas titaniska arbete: amplituden för oscillationerna hos dimensionerna av interferometerernas armar var ^10-19 m - detta värde är lika mycket mindre än atomens diameter när det är mindre än själva orange.

Ytterligare perspektiv

Denna upptäckt bekräftar återigen att den allmänna relativitetsteorin inte bara är en samling abstrakta formler, utan en grundläggande ny bild av vävnadsvågens och gravitationens väsen som helhet.

Vid ytterligare forskning stiftar forskare stora förhoppningar om ELSA-projektet: skapandet av en jätte orbitalinterferometer med axlar på ca 5 miljoner km, som kan upptäcka även mindre störningar av gravitationen. Aktivering av arbeten i denna riktning kan berätta mycket om de huvudsakliga stadierna i universums utveckling, om processer, vars observation i traditionella områden är svår eller omöjlig. Utan tvekan kommer svarta hål, vars gravitationsvågor kommer att lösas i framtiden, mycket att berätta om sin natur.

För att studera relikviktens strålning som kan berätta om världens första stunder efter Big Bang, behövs mer känsliga rymdinstrument. ), но его реализация, по заверениям специалистов, возможна не ранее, чем через 30-40 лет. Ett sådant projekt finns ( Big Bang Observer ), men dess genomförande är enligt experter möjlig inte tidigare än i 30-40 år.