نظریه امواج گرانشی. ما امواج گرانشی را پیدا کرده ایم. بعدش چی؟ ثبت امواج گرانشی

به یاد بیاورید که روز گذشته، دانشمندان LIGO یک پیشرفت بزرگ در زمینه فیزیک، اخترفیزیک و مطالعه ما درباره جهان را اعلام کردند: کشف امواج گرانشی 100 سال پیش توسط آلبرت انیشتین پیش بینی شد. Gizmodo توانست دکتر امبر استاور از رصدخانه لیوینگستون در لوئیزیانا را که یک همکاری LIGO است، پیدا کند و با جزئیات در مورد معنی این موضوع برای فیزیک بپرسد. ما می دانیم که رسیدن به یک درک جهانی از راه جدیدی برای درک جهان خود در چند مقاله دشوار خواهد بود، اما ما تلاش خواهیم کرد.

تا به امروز کارهای زیادی برای شناسایی یک موج گرانشی انجام شده است و این یک پیشرفت بزرگ بوده است. به نظر می رسد که بسیاری از احتمالات جدید برای نجوم در حال باز شدن است - اما آیا این اولین کشف شواهدی "ساده" است مبنی بر اینکه این کشف به خودی خود امکان پذیر است یا می توانید پیشرفت های علمی بیشتری را از آن بدست آورید؟ امیدوارید در آینده چه چیزی از این موضوع به دست آورید؟ آیا روش های ساده تری برای تشخیص این امواج در آینده وجود خواهد داشت؟

این در واقع اولین کشف، یک پیشرفت است، اما هدف همیشه استفاده از امواج گرانشی برای نجوم جدید. به جای جستجو در جهان برای نور مرئی، اکنون می توانیم تغییرات ظریف در گرانش ناشی از بزرگترین، قوی ترین و (به نظر من) جالب ترین چیزهای جهان را احساس کنیم - از جمله چیزهایی که هرگز نمی توانستیم با کمک آنها اطلاعاتی در مورد آنها بدست آوریم. سبک.

ما توانسته‌ایم این نوع جدید از نجوم را در امواج اولین کشف اعمال کنیم. با استفاده از آنچه قبلاً در مورد GR (نسبیت عام) می دانیم، توانستیم پیش بینی کنیم که امواج گرانشی اجرامی مانند سیاهچاله ها یا ستاره های نوترونی چگونه خواهند بود. سیگنالی که ما پیدا کردیم با چیزی مطابقت دارد که برای یک جفت سیاهچاله پیش بینی شده بود، یکی 36 برابر جرم و دیگری 29 برابر جرم خورشید، که هنگام نزدیک شدن به یکدیگر می چرخند. در نهایت، آنها در یک سیاهچاله ادغام می شوند. بنابراین این نه تنها اولین تشخیص امواج گرانشی است، بلکه اولین مشاهده مستقیم از سیاهچاله ها است، زیرا آنها را نمی توان با کمک نور (فقط توسط ماده ای که به دور آنها می چرخد) مشاهده کرد.

چرا مطمئن هستید که اثرات خارجی (مانند ارتعاش) روی نتایج تأثیر نمی گذارد؟

در LIGO، ما داده های مربوط به محیط و تجهیزات خود را بسیار بیشتر از داده هایی که می توانند حاوی سیگنال موج گرانشی باشند، ثبت می کنیم. دلیل این امر این است که می‌خواهیم تا حد امکان مطمئن باشیم که توسط دماغه توسط اثرات خارجی هدایت نمی‌شویم و در مورد تشخیص موج گرانشی گمراه نمی‌شویم. اگر لحظه ای که سیگنال موج گرانشی را تشخیص می دهیم زمین غیرعادی را حس کنیم، به احتمال زیاد آن نامزد را کنار خواهیم گذاشت.

ویدئو: امواج گرانشی در یک نگاه

اقدام دیگری که برای جلوگیری از دیدن چیزی تصادفی انجام می دهیم این است که هر دو آشکارساز LIGO سیگنال یکسانی را با مدت زمانی که طول می کشد تا یک موج گرانشی بین دو جسم حرکت کند، ببینند. حداکثر زمان برای چنین سفری تقریباً 10 میلی ثانیه است. برای اطمینان از تشخیص احتمالی، باید سیگنال‌هایی به شکل یکسان، تقریباً همزمان ببینیم، و داده‌هایی که در مورد محیط خود جمع‌آوری می‌کنیم باید عاری از ناهنجاری باشد.

بسیاری از آزمون های دیگر وجود دارد که یک داوطلب موفق می شود، اما این ها اصلی ترین آنها هستند.

آیا وجود دارد راه عملیامواج گرانشی تولید می کند که با دستگاه های مشابه قابل تشخیص است؟ آیا می توانیم یک رادیو گرانشی یا یک لیزر بسازیم؟

شما کاری را پیشنهاد می کنید که هاینریش هرتز در اواخر دهه 1880 برای تشخیص امواج الکترومغناطیسی به شکل امواج رادیویی انجام داد. اما گرانش ضعیف ترین نیروی اساسی است که جهان را کنار هم نگه می دارد. به همین دلیل، حرکت توده‌ها در آزمایشگاه یا تأسیسات دیگر برای ایجاد امواج گرانشی بسیار ضعیف است که حتی توسط آشکارسازهایی مانند LIGO قابل شناسایی نیست. برای ایجاد امواج به اندازه کافی قوی، باید دمبل را با چنان سرعتی بچرخانیم که هر ماده شناخته شده را از هم جدا کند. اما حجم زیادی از جرم در کیهان وجود دارد که بسیار سریع حرکت می کنند، بنابراین ما در حال ساخت آشکارسازهایی هستیم که آنها را جستجو می کنند.

آیا این تایید آینده ما را تغییر خواهد داد؟ آیا می توانیم از قدرت این امواج برای کشف فضای بیرونی استفاده کنیم؟ آیا امکان برقراری ارتباط با استفاده از این امواج وجود خواهد داشت؟

با توجه به مقدار جرمی که باید با سرعت های فوق العاده حرکت کند تا امواج گرانشی تولید کند که آشکارسازهایی مانند LIGO می توانند شناسایی کنند، تنها مکانیسم شناخته شده برای این امر، چرخش جفت ستاره های نوترونی یا سیاهچاله ها قبل از ادغام است (ممکن است منابع دیگری وجود داشته باشد). احتمال اینکه این نوعی تمدن پیشرفته باشد که ماده را دستکاری می کند بسیار اندک است. من شخصاً فکر نمی‌کنم که پیدا کردن تمدنی که قادر به استفاده از امواج گرانشی به عنوان وسیله ارتباطی باشد، عالی باشد، زیرا آنها به راحتی می‌توانند ما را به پایان برسانند.

آیا امواج گرانشی منسجم هستند؟ آیا می توان آنها را منسجم کرد؟ آیا می توانید آنها را متمرکز کنید؟ برای یک جسم عظیم که تحت تأثیر یک پرتو متمرکز گرانش قرار می گیرد چه اتفاقی می افتد؟ آیا می توان از این اثر برای بهبود شتاب دهنده های ذرات استفاده کرد؟

برخی از انواع امواج گرانشی می توانند منسجم باشند. یک ستاره نوترونی را تصور کنید که تقریباً کاملاً کروی است. اگر سریع بچرخد، تغییر شکل‌های کوچک کمتر از یک اینچ امواج گرانشی با فرکانس مشخصی تولید می‌کند که باعث منسجم شدن آن‌ها می‌شود. اما تمرکز امواج گرانشی بسیار دشوار است، زیرا جهان برای آنها شفاف است. امواج گرانشی از ماده عبور می کنند و بدون تغییر خارج می شوند. شما باید مسیر حداقل برخی از امواج گرانشی را تغییر دهید تا آنها را متمرکز کنید. شاید یک شکل عجیب و غریب از عدسی گرانشی بتواند حداقل تا حدی امواج گرانشی را متمرکز کند، اما استفاده از آنها اگر نگوییم غیرممکن، دشوار خواهد بود. اگر بتوانند تمرکز داشته باشند، باز هم آنقدر ضعیف خواهند بود که هیچ کاربردی عملی برای آنها نمی بینم. اما آنها همچنین در مورد لیزرها صحبت کردند که اساساً فقط نور منسجم متمرکز هستند، پس چه کسی می داند.

سرعت موج گرانشی چقدر است؟ آیا او جرم دارد؟ اگر نه، آیا می تواند سریعتر از سرعت نور حرکت کند؟

اعتقاد بر این است که امواج گرانشی با سرعت نور حرکت می کنند. این سرعتی است که توسط نظریه نسبیت عام محدود شده است. اما آزمایش هایی مانند LIGO باید این را آزمایش کنند. شاید آنها کمی کندتر از سرعت نور حرکت می کنند. اگر چنین است، پس ذره نظری مرتبط با گرانش، گراویتون، جرم خواهد داشت. از آنجایی که گرانش خود بین توده ها عمل می کند، این به پیچیدگی نظریه می افزاید. اما غیر ممکن نیست. ما از تیغ Occam استفاده می کنیم: ساده ترین توضیح معمولاً بهترین است.

چقدر باید از ادغام سیاهچاله ها دور باشید تا بتوانید در مورد آنها بگویید؟

در مورد سیاهچاله های دوتایی ما، که ما آنها را از امواج گرانشی تشخیص دادیم، آنها حداکثر تغییر در طول بازوهای 4 کیلومتری ما را 18-10×1 متر ایجاد کردند (که 1/1000 قطر یک پروتون است). ما همچنین معتقدیم که این سیاهچاله ها 1.3 میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارند.

حال فرض کنید دو متر قد داریم و در فاصله زمین تا خورشید از سیاهچاله شناور هستیم. من فکر می کنم شما می توانید متناوب صاف کردن و کشش را حدود 165 نانومتر تجربه کنید (قد شما تغییر می کند ارزش بیشتردر طول روز). می توان آن را تجربه کرد.

در صورت استفاده مسیر جدیدبرای شنیدن فضا، چه چیزی دانشمندان را بیشتر از همه مورد علاقه قرار می دهد؟

پتانسیل به طور کامل شناخته نشده است، به این معنا که ممکن است مکان های بیشتری از آنچه ما فکر می کردیم وجود داشته باشد. هر چه بیشتر در مورد کیهان بیاموزیم، بهتر می توانیم با کمک امواج گرانشی به سوالات آن پاسخ دهیم. به عنوان مثال در مورد این موارد:

• چه چیزی باعث انفجار پرتو گاما می شود؟
• ماده در شرایط شدید یک ستاره در حال فروپاشی چگونه رفتار می کند؟
• اولین لحظات پس از انفجار بزرگ چه بود؟
• ماده در ستارگان نوترونی چگونه رفتار می کند؟

اما من بیشتر به این علاقه دارم که چه چیزهای غیرمنتظره ای را می توان با کمک امواج گرانشی تشخیص داد. هر بار که مردم جهان را به روشی جدید رصد کرده‌اند، چیزهای غیرمنتظره زیادی را کشف کرده‌ایم که درک ما از جهان را وارونه کرده است. من می خواهم این امواج گرانشی را پیدا کنم و چیزی را کشف کنم که قبلاً هیچ تصوری از آن نداشتیم.

آیا این به ما کمک می کند تا یک درایو Warp واقعی بسازیم؟

از آنجایی که امواج گرانشی برهمکنش ضعیفی با ماده دارند، به سختی می توان از آنها برای حرکت این ماده استفاده کرد. اما حتی اگر بتوانید، یک موج گرانشی فقط با سرعت نور حرکت می کند. آنها برای درایو Warp کار نمی کنند. هر چند باحال خواهد بود.

دستگاه های ضد جاذبه چطور؟

برای ایجاد یک دستگاه ضد جاذبه، باید نیروی جاذبه را به نیروی دافعه تبدیل کنیم. و اگرچه یک موج گرانشی تغییراتی را در گرانش منتشر می کند، این تغییر هرگز دافعه (یا منفی) نخواهد بود.

جاذبه همیشه جذب می شود زیرا جرم منفی به نظر نمی رسد وجود داشته باشد. از این گذشته، بار مثبت و منفی، قطب مغناطیسی شمال و جنوب وجود دارد، اما فقط جرم مثبت. چرا؟ اگر جرم منفی وجود داشت، توپ ماده به جای پایین افتادن به سمت بالا سقوط می کرد. توسط جرم مثبت زمین دفع می شود.

این برای امکان سفر در زمان و دوربری چه معنایی دارد؟ آیا می توانیم برای این پدیده به جز مطالعه جهان خود کاربرد عملی پیدا کنیم؟

اکنون بهترین راهسفر در زمان (و فقط به آینده) سفر با سرعت نزدیک به نور است (پارادوکس دوقلو را در نسبیت عام به یاد بیاورید) یا رفتن به منطقه ای با گرانش افزایش یافته (این نوع سفر در زمان در بین ستاره ای نشان داده شد). از آنجایی که یک موج گرانشی تغییرات گرانش را منتشر می کند، نوسانات بسیار کمی در سرعت زمان وجود خواهد داشت، اما از آنجایی که امواج گرانشی ذاتا ضعیف هستند، نوسانات زمانی نیز ضعیف هستند. و در حالی که فکر نمی‌کنم بتوانید این را برای سفر در زمان (یا دوربری) اعمال کنید، هرگز نگویید هرگز (شرط می‌بندم که نفستان را بند آورده‌اید).

آیا روزی فرا می رسد که تایید انیشتین را متوقف کنیم و دوباره به دنبال چیزهای عجیب و غریب بگردیم؟

البته! از آنجایی که گرانش ضعیف ترین نیرو است، آزمایش با آن نیز دشوار است. تاکنون، هر بار که دانشمندان GR را مورد آزمایش قرار داده اند، دقیقاً نتایج پیش بینی شده ای را دریافت کرده اند. حتی کشف امواج گرانشی بار دیگر نظریه انیشتین را تایید کرد. اما حدس می‌زنم وقتی شروع به آزمایش کوچک‌ترین جزئیات این نظریه می‌کنیم (شاید با امواج گرانشی، شاید با دیگری)، چیزهای «خنده‌دار» پیدا می‌کنیم، مانند نتیجه آزمایش که دقیقاً با پیش‌بینی مطابقت ندارد. این به معنای اشتباه GR نیست، فقط نیاز به روشن شدن جزئیات آن است.

ویدئو: امواج گرانشی چگونه اینترنت را منفجر کردند؟

هر بار که به یک سوال در مورد طبیعت پاسخ می دهیم، سوالات جدیدی ظاهر می شوند. در پایان، ما سوالاتی خواهیم داشت که از پاسخ هایی که GR می تواند اجازه دهد، سردتر خواهد بود.

آیا می توانید توضیح دهید که چگونه این کشف ممکن است به نظریه میدان یکپارچه مرتبط باشد یا بر آن تأثیر بگذارد؟ آیا به تایید آن نزدیکتر هستیم یا رد آن؟

اکنون نتایج کشف ما عمدتاً به تأیید و تأیید نسبیت عام اختصاص دارد. نظریه میدان یکپارچه به دنبال راهی برای ایجاد نظریه ای است که فیزیک بسیار کوچک (مکانیک کوانتومی) و خیلی بزرگ (نسبیت عام) را توضیح دهد. اکنون این دو نظریه را می توان برای توضیح مقیاس جهانی که در آن زندگی می کنیم تعمیم داد، اما نه بیشتر. از آنجایی که اکتشاف ما بر روی فیزیک بسیار بزرگ متمرکز است، به خودی خود کمک چندانی به پیشبرد ما در جهت یک نظریه یکپارچه نخواهد کرد. اما موضوع این نیست. اکنون رشته فیزیک امواج گرانشی به تازگی متولد شده است. همانطور که بیشتر یاد می گیریم، مطمئناً نتایج خود را به حوزه یک نظریه یکپارچه تعمیم خواهیم داد. اما قبل از دویدن، باید راه بروید.

اکنون که ما به امواج گرانشی گوش می دهیم، دانشمندان برای لگد زدن به آجر چه چیزی باید بشنوند؟ 1) الگوها/ساختارهای غیر طبیعی؟ 2) منابع امواج گرانشی از مناطقی که ما آنها را خالی می دانستیم؟ 3) ریک استلی

وقتی سوال شما را خواندم، بلافاصله صحنه ای از "تماس" را به یاد آوردم که در آن تلسکوپ رادیویی الگوهایی را می گیرد. اعداد اول. بعید است که این را بتوان در طبیعت یافت (تا جایی که ما می دانیم). بنابراین نسخه شما با یک الگو یا ساختار غیر طبیعی محتمل ترین خواهد بود.

من فکر نمی‌کنم که ما هرگز از خالی بودن منطقه خاصی از فضا مطمئن نباشیم. به هر حال، سیستم سیاه چاله ای که ما پیدا کردیم، ایزوله بود و هیچ نوری از آن منطقه نمی آمد، اما هنوز امواج گرانشی را در آنجا پیدا کردیم.

در مورد موسیقی... من در جدا کردن سیگنال های امواج گرانشی از نویز ساکن که دائماً در پس زمینه محیط اندازه گیری می کنیم، تخصص دارم. اگر می توانستم موسیقی را در موج گرانشی پیدا کنم، به خصوص موجی که قبلاً شنیده بودم، این یک شوخی بود. اما موسیقی ای که هرگز روی زمین شنیده نشده است... مثل موارد ساده «تماس» است.

از آنجایی که آزمایش امواج را با تغییر فاصله بین دو جسم ثبت می کند، آیا دامنه یک جهت از جهت دیگر بیشتر است؟ در غیر این صورت، آیا خوانش ها به این معنی نیست که جهان در حال تغییر اندازه است؟ و اگر چنین است، آیا این گسترش تایید می کند یا چیز غیر منتظره ای؟

قبل از اینکه بتوانیم به این سوال پاسخ دهیم، باید امواج گرانشی زیادی را ببینیم که از جهات مختلف در جهان می آیند. در نجوم، این یک مدل جمعیت ایجاد می کند. چند نوع چیز مختلف وجود دارد؟ آی تی سوال اصلی. وقتی مشاهدات زیادی داشتیم و شروع به دیدن الگوهای غیرمنتظره کردیم، به عنوان مثال، امواج گرانشی از نوع خاصی از قسمت خاصی از کیهان و هیچ جای دیگر نمی آیند، این یک نتیجه بسیار جالب خواهد بود. برخی از الگوها می توانند گسترش (که ما بسیار مطمئن هستیم) یا سایر پدیده هایی که هنوز از آنها آگاه نیستیم را تأیید کنند. اما ابتدا باید امواج گرانشی بسیار بیشتری را ببینید.

برای من کاملاً غیرقابل درک است که چگونه دانشمندان تشخیص دادند که امواجی که اندازه‌گیری کردند متعلق به دو سیاه‌چاله بزرگ است. چگونه می توان منبع امواج را با این دقت تعیین کرد؟

روش‌های تحلیل داده‌ها از فهرستی از سیگنال‌های امواج گرانشی پیش‌بینی‌شده برای مقایسه با داده‌های ما استفاده می‌کنند. اگر همبستگی قوی با یکی از این پیش‌بینی‌ها یا الگوها وجود داشته باشد، نه تنها می‌دانیم که این یک موج گرانشی است، بلکه می‌دانیم که کدام سیستم آن را ایجاد کرده است.

هر روشی برای ایجاد یک موج گرانشی، چه ادغام سیاه‌چاله‌ها، چرخش ستاره‌ها و چه در حال مرگ، همه امواج اشکال متفاوتی دارند. وقتی موج گرانشی را تشخیص می‌دهیم، همانطور که نسبیت عام پیش‌بینی کرده است، از این اشکال برای تعیین علت آنها استفاده می‌کنیم.

از کجا بفهمیم که این امواج از برخورد دو سیاهچاله به وجود آمده اند و نه رویداد دیگری؟ آیا می توان با هر درجه ای از دقت پیش بینی کرد که چنین رویدادی کجا و چه زمانی رخ داده است؟

هنگامی که بدانیم کدام سیستم موج گرانشی را تولید کرده است، می توانیم پیش بینی کنیم که موج گرانشی در نزدیکی محل تولدش چقدر قوی بوده است. با اندازه‌گیری قدرت آن هنگام رسیدن به زمین و مقایسه اندازه‌گیری‌هایمان با قدرت پیش‌بینی‌شده منبع، می‌توانیم محاسبه کنیم که منبع چقدر دور است. از آنجایی که امواج گرانشی با سرعت نور حرکت می کنند، می توانیم محاسبه کنیم که چقدر طول کشید تا امواج گرانشی به سمت زمین حرکت کنند.

در مورد سیستم سیاهچاله ای که کشف کردیم، ما حداکثر تغییر در طول بازوهای LIGO را به ازای 1/1000 قطر پروتون اندازه گیری کردیم. این سیستم در فاصله 1.3 میلیارد سال نوری از ما قرار دارد. موج گرانشی که در ماه سپتامبر کشف شد و روز گذشته اعلام شد، 1.3 میلیارد سال است که به سمت ما حرکت می کند. این اتفاق قبل از تشکیل حیات حیوانی روی زمین، اما پس از ظهور موجودات چند سلولی رخ داد.

در زمان اعلام، گفته شد که آشکارسازهای دیگر به دنبال امواج با دوره طولانی تر خواهند بود - برخی از آنها کیهانی خواهند بود. در مورد این آشکارسازهای بزرگ چه چیزی می توانید به ما بگویید؟

یک آشکارساز فضایی واقعاً در حال توسعه است. LISA (آنتن فضایی تداخل سنج لیزری) نامیده می شود. از آنجایی که در فضا خواهد بود، بر خلاف آشکارسازهای زمینی، به دلیل ارتعاشات طبیعی زمین، نسبت به امواج گرانشی فرکانس پایین کاملاً حساس خواهد بود. دشوار خواهد بود، زیرا ماهواره‌ها باید دورتر از زمین قرار گیرند. اگر مشکلی پیش بیاید، ما نمی‌توانیم فضانوردان را مانند آنچه در دهه 1990 با هابل انجام دادیم برای تعمیر بفرستیم. برای آزمایش فناوری های لازم، ماموریت LISA Pathfinder در ماه دسامبر راه اندازی شد. او تا کنون با تمام وظایف تعیین شده کنار آمده است، اما این ماموریت هنوز به پایان نرسیده است.

آیا امواج گرانشی را می توان به امواج صوتی تبدیل کرد؟ و اگر چنین است، چه شکلی خواهند بود؟

می توان. البته، شما فقط یک موج گرانشی را نخواهید شنید. اما اگر سیگنال را بگیرید و از بلندگوها عبور دهید، می توانید آن را بشنوید.

با این اطلاعات چه کنیم؟ آیا این امواج اجسام نجومی دیگری با جرم قابل توجهی را ساطع می کنند؟ آیا می توان از امواج برای جستجوی سیارات یا سیاهچاله های ساده استفاده کرد؟

وقتی به دنبال مقادیر گرانشی هستید، فقط جرم نیست که مهم است. همچنین شتابی که ذاتی جسم است. سیاهچاله هایی که پیدا کردیم با ادغام شدن با سرعت 60 درصد به دور یکدیگر می چرخیدند. بنابراین، ما توانستیم آنها را در طول ادغام شناسایی کنیم. اما اکنون آنها دیگر امواج گرانشی را دریافت نمی کنند، زیرا آنها در یک توده بی تحرک ادغام شده اند.

بنابراین هر چیزی که جرم زیادی دارد و بسیار سریع حرکت می کند، امواج گرانشی ایجاد می کند که می توانید آنها را بگیرید.

بعید است که سیارات فراخورشیدی جرم یا شتاب کافی برای ایجاد امواج گرانشی قابل تشخیص داشته باشند. (من نمی گویم که آنها را اصلا نمی سازند، فقط به این دلیل که به اندازه کافی قوی یا در فرکانس متفاوتی نخواهند بود). حتی اگر سیاره فراخورشیدی به اندازه کافی بزرگ باشد که امواج لازم را تولید کند، شتاب آن را از هم خواهد پاشید. فراموش نکنید که پرجرم ترین سیارات تمایل به غول های گازی دارند.

قیاس امواج در آب چقدر درست است؟ آیا می توانیم سوار بر این امواج شویم؟ آیا «قله‌های» گرانشی مانند «چاه‌های» از قبل شناخته شده وجود دارد؟

از آنجایی که امواج گرانشی می توانند در ماده حرکت کنند، هیچ راهی برای سوار شدن بر آنها یا استفاده از آنها برای حرکت وجود ندارد. بنابراین موج گرانشی موج سواری ندارد.

"قله ها" و "چاه ها" فوق العاده هستند. جاذبه همیشه جذب می شود زیرا جرم منفی وجود ندارد. ما نمی دانیم چرا، اما هرگز در آزمایشگاه یا در جهان مشاهده نشده است. بنابراین، گرانش معمولاً به عنوان یک "چاه" نشان داده می شود. توده ای که در امتداد این "چاه" حرکت می کند به سمت داخل سقوط می کند. جاذبه اینطوری کار میکنه اگر جرم منفی داشته باشید، دافعه و با آن یک "اوج" دریافت خواهید کرد. جرمی که در "قله" حرکت می کند از آن منحنی می شود. بنابراین "چاه" وجود دارد، اما "قله" وجود ندارد.

قیاس آب خوب است تا زمانی که در مورد این واقعیت صحبت کنیم که قدرت موج با مسافت طی شده از منبع کاهش می یابد. موج آب کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شود و موج جاذبه ضعیف‌تر و ضعیف‌تر می‌شود.

این کشف چگونه بر توصیف ما از دوره تورمی بیگ بنگ تأثیر خواهد گذاشت؟

در این لحظهاین کشف تاکنون عملاً تأثیری بر تورم نداشته است. برای بیان چنین اظهاراتی لازم است امواج گرانشی باقیمانده بیگ بنگ را مشاهده کنیم. پروژه BICEP2 معتقد بود که به طور غیرمستقیم این امواج گرانشی را مشاهده می کند، اما معلوم شد که غبار کیهانی مقصر است. اگر داده های درستی به دست آورد، وجود تورم کوتاه مدت کوتاهی پس از بیگ بنگ در کنار آن تایید می شود.

LIGO قادر خواهد بود مستقیماً این امواج گرانشی را ببیند (همچنین ضعیف ترین نوع امواج گرانشی است که امیدواریم بتوانیم آنها را شناسایی کنیم). اگر آنها را ببینیم، می‌توانیم عمیقاً به گذشته کیهان نگاه کنیم، همانطور که قبلاً نگاه نکرده‌ایم و تورم را از روی داده‌های به‌دست‌آمده قضاوت کنیم.

در 11 فوریه 2016، یک گروه بین المللی از دانشمندان، از جمله از روسیه، در یک کنفرانس مطبوعاتی در واشنگتن، کشفی را اعلام کردند که دیر یا زود توسعه تمدن را تغییر خواهد داد. در عمل امکان اثبات امواج گرانشی یا امواج فضا-زمان وجود داشت. وجود آنها 100 سال پیش توسط آلبرت اینشتین در کتاب خود پیش بینی شده بود.

هیچ کس شک ندارد که این کشف جایزه نوبل را دریافت کند. دانشمندان عجله ای برای صحبت در مورد آن ندارند کاربرد عملی. اما آنها یادآوری می کنند که تا همین اواخر، بشریت دقیقاً نمی دانست که با امواج الکترومغناطیسی چه کند، که در نهایت منجر به یک انقلاب علمی و فناوری واقعی شد.

امواج گرانشی به زبان ساده چیست؟

گرانش و جاذبه جهانی یکی هستند. امواج گرانشی یکی از راه حل های OTS هستند. آنها باید با سرعت نور منتشر شوند. توسط هر جسمی که با شتاب متغیر حرکت می کند منتشر می شود.

به عنوان مثال، در مدار خود با شتاب متغیر به سمت ستاره می چرخد. و این شتاب مدام در حال تغییر است. منظومه شمسی انرژی در حد چند کیلووات را در امواج گرانشی ساطع می کند. این مقدار بسیار ناچیز است که با 3 تلویزیون رنگی قدیمی قابل مقایسه است.

چیز دیگر دو تپ اختر (ستاره نوترونی) است که به دور یکدیگر می چرخند. آنها در مدارهای بسیار تنگ حرکت می کنند. چنین "زوج" توسط اخترفیزیکدانان کشف شد و برای مدت طولانی مشاهده شده است. این اجرام آماده سقوط بر روی یکدیگر بودند که به طور غیرمستقیم نشان می داد که تپ اخترها امواج فضا-زمان، یعنی انرژی در میدان خود را ساطع می کنند.

گرانش نیروی جاذبه است. ما به زمین کشیده شده ایم. و جوهر یک موج گرانشی تغییر در این میدان است که وقتی به ما می رسد بسیار ضعیف است. به عنوان مثال، سطح آب یک مخزن را در نظر بگیرید. تنش میدان گرانشیشتاب سقوط آزاد در یک نقطه خاص است. موجی بر روی مخزن ما جاری است، و ناگهان شتاب سقوط آزاد، فقط اندکی تغییر می کند.

چنین آزمایشاتی در دهه 60 قرن گذشته آغاز شد. در آن زمان، آنها به این نتیجه رسیدند: آنها یک استوانه آلومینیومی بزرگ را آویزان کردند که برای جلوگیری از نوسانات حرارتی داخلی خنک می شد. و منتظر بودند تا موجی از برخورد مثلاً دو سیاهچاله عظیم ناگهان به ما برسد. محققان مشتاق بودند و گفتند که کل کره زمین می تواند تحت تأثیر یک موج گرانشی که از فضای بیرونی می آید، قرار گیرد. سیاره شروع به نوسان می کند و این امواج لرزه ای (فشاری، برشی و سطحی) قابل مطالعه است.

مقاله مهمی در مورد دستگاه به زبان ساده و اینکه چگونه آمریکایی‌ها و LIGO ایده دانشمندان شوروی را دزدیدند و درون‌سنج‌هایی را ساختند که اجازه کشف را داد. هیچ کس در مورد آن صحبت نمی کند، همه ساکت هستند!

به هر حال، تابش گرانشی از نقطه نظر تابش باقی مانده جالب تر است، که آنها سعی می کنند با تغییر طیف تابش الکترومغناطیسی پیدا کنند. یادگار و تابش الکترومغناطیسی 700 هزار سال پس از انفجار بزرگ ظاهر شد، سپس در فرآیند انبساط جهان پر از گاز داغ همراه با امواج ضربه ای در حال حرکت بود که بعداً به کهکشان تبدیل شد. در این مورد، البته، تعداد غول پیکر و خیره کننده ای از امواج فضا-زمان باید منتشر می شد که بر طول موج تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی، که در آن زمان هنوز نوری بود، تأثیر می گذاشت. ساژین اخترفیزیکدان داخلی در این زمینه مقالاتی می نویسد و مرتباً منتشر می کند.

تفسیر نادرست از کشف امواج گرانشی

یک آینه آویزان می شود، یک موج گرانشی روی آن اثر می گذارد و شروع به نوسان می کند. و حتی کوچکترین نوسانات با دامنه کمتر از اندازه یک هسته اتمی توسط ابزارها مشاهده می شود - به عنوان مثال، چنین تفسیر نادرستی در مقاله ویکی پدیا استفاده می شود. تنبل نباشید، مقاله ای از دانشمندان شوروی در سال 1962 پیدا کنید.

اول، آینه باید عظیم باشد تا "موج ها" را احساس کند. ثانیاً باید تقریباً تا صفر مطلق (کلوین) خنک شود تا از نوسانات حرارتی خود جلوگیری شود. به احتمال زیاد، نه تنها در قرن بیست و یکم، بلکه به طور کلی، هرگز نمی توان یک ذره بنیادی - حامل امواج گرانشی را تشخیص داد:

دست خود را تکان دهید و امواج گرانشی در سراسر کیهان جاری خواهد شد.
اس. پوپوف، ام. پروخوروف. امواج ارواح جهان

در اخترفیزیک، رویدادی رخ داده است که دهه ها منتظر آن بوده است. پس از نیم قرن جستجو، سرانجام امواج گرانشی کشف شدند، نوساناتی در خود فضا-زمان، که صد سال پیش توسط انیشتین پیش بینی شده بود. در 14 سپتامبر 2015، رصدخانه به روز شده LIGO یک انفجار موج گرانشی ایجاد شده از ادغام دو سیاهچاله با جرم های 29 و 36 خورشیدی را در یک کهکشان دور در فاصله حدود 1.3 میلیارد سال نوری شناسایی کرد. نجوم امواج گرانشی به شاخه ای کامل از فیزیک تبدیل شده است. این راه جدیدی را برای مشاهده جهان به روی ما باز کرده است و به ما امکان می دهد تا تأثیرات گرانش قوی را که قبلاً غیرقابل دسترسی بودند مطالعه کنیم.

امواج گرانشی

تئوری های گرانش می توانند متفاوت باشند. همه آنها به همان اندازه جهان ما را به خوبی توصیف می کنند، تا زمانی که خود را به یک جلوه از آن محدود کنیم - قانون گرانش جهانی نیوتن. اما اثرات گرانشی ظریف‌تر دیگری نیز وجود دارد که به صورت تجربی روی ترازو آزمایش شده‌اند منظومه شمسیو آنها به یک نظریه خاص، نظریه نسبیت عام (GR) اشاره می کنند.

نسبیت عام فقط مجموعه ای از فرمول ها نیست، بلکه دیدگاهی اساسی از ماهیت گرانش است. اگر در فیزیک معمولی فضا فقط به عنوان پس‌زمینه، ظرفی برای پدیده‌های فیزیکی عمل می‌کند، در نسبیت عام خود به یک پدیده تبدیل می‌شود، کمیت پویا که مطابق با قوانین نسبیت عام تغییر می‌کند. این اعوجاج فضا-زمان در برابر یک پس زمینه مسطح - یا به زبان هندسه، اعوجاج متریک فضا-زمان - است که به عنوان گرانش احساس می شود. به طور خلاصه، نسبیت عام منشا هندسی گرانش را نشان می دهد.

نسبیت عام یک پیش بینی بسیار مهم دارد: امواج گرانشی. اینها تحریفات فضا-زمان هستند که می توانند «از سرچشمه جدا شوند» و با حفظ خود، پرواز کنند. گرانش به خودی خود، مال هیچ کس، مال خودش است. آلبرت انیشتین سرانجام در سال 1915 نسبیت عام را فرموله کرد و تقریباً بلافاصله متوجه شد که معادلات او امکان وجود چنین امواجی را فراهم می کند.

مانند هر نظریه صادقانه ای، چنین پیش بینی روشنی از نسبیت عام باید به طور تجربی تأیید شود. هر جسم متحرکی می تواند امواج گرانشی را ساطع کند: سیارات، سنگی که به سمت بالا پرتاب می شود و موج دست. با این حال، مشکل این است که برهمکنش گرانشی آنقدر ضعیف است که هیچ مجموعه آزمایشی قادر به تشخیص انتشار امواج گرانشی از "گسترش کنندگان" معمولی نیست.

برای "راندن" یک موج قدرتمند، باید فضا-زمان را به شدت تحریف کنید. گزینه ایده آل دو سیاهچاله است که در یک رقص محکم به دور یکدیگر می چرخند، در فاصله ای از شعاع گرانشی آنها (شکل 2). اعوجاج متریک به قدری قوی خواهد بود که بخش قابل توجهی از انرژی این جفت به امواج گرانشی تابیده می شود. با از دست دادن انرژی، این جفت به یکدیگر نزدیک می‌شوند، سریع‌تر و سریع‌تر می‌چرخند، متریک را بیشتر و بیشتر مخدوش می‌کنند و امواج گرانشی قوی‌تری تولید می‌کنند، تا اینکه در نهایت، یک بازسازی بنیادی در کل میدان گرانشی این جفت اتفاق می‌افتد و دو سیاه‌چاله با هم ادغام می‌شوند. یکی

چنین ادغام سیاهچاله‌ها انفجاری با قدرت فوق‌العاده است، اما فقط تمام این انرژی تابشی نه به نور، نه به ذرات، بلکه به ارتعاشات فضا می‌رود. انرژی تابیده شده بخش قابل توجهی از جرم اولیه سیاهچاله ها را تشکیل می دهد و این تابش در کسری از ثانیه پاشیده می شود. نوسانات مشابه باعث ادغام ستاره های نوترونی می شود. انتشار انرژی در امواج گرانشی کمی ضعیف تر، فرآیندهای دیگری مانند فروپاشی یک هسته ابرنواختر را نیز همراهی می کند.

موج گرانشی که از ادغام دو جسم فشرده منفجر می شود دارای مشخصات بسیار خاص و محاسبه شده ای است که در شکل نشان داده شده است. 3. دوره نوسان با حرکت مداری دو جسم به دور یکدیگر به دست می آید. امواج گرانشی انرژی را می برد. در نتیجه، اجسام به یکدیگر نزدیک می شوند و سریعتر می چرخند - و این را می توان هم در شتاب نوسانات و هم در افزایش دامنه مشاهده کرد. در نقطه ای، ادغام اتفاق می افتد، آخرین موج قوی بیرون می زند، و سپس یک "پس از حلقه" با فرکانس بالا دنبال می شود ( ringdown) لرزش سیاهچاله تشکیل شده است که تمام اعوجاج های غیر کروی را "پرتاب می کند" (این مرحله در تصویر نشان داده نشده است). دانستن این مشخصات مشخصه به فیزیکدانان کمک می کند تا سیگنال ضعیف حاصل از چنین ادغامی را در داده های آشکارساز بسیار پر سر و صدا جستجو کنند.

نوسانات متریک فضا-زمان - پژواک موج گرانشی یک انفجار بزرگ - در سراسر جهان در همه جهات از منبع پراکنده خواهد شد. دامنه آنها با فاصله کاهش می یابد، مشابه این که روشنایی یک منبع نقطه ای با فاصله از آن کاهش می یابد. هنگامی که انفجاری از یک کهکشان دور به زمین برخورد می کند، نوسانات در متریک در حد 22-10 یا حتی کمتر خواهد بود. به عبارت دیگر، فاصله بین اشیاء غیرمرتبط فیزیکی به طور دوره ای با چنین مقدار نسبی کم و زیاد می شود.

ترتیب بزرگی این عدد را می توان از ملاحظات مقیاس بندی آسان به دست آورد (به مقاله V. M. Lipunov مراجعه کنید). در زمان ادغام ستاره‌های نوترونی یا سیاه‌چاله‌های توده‌های ستاره‌ای، اعوجاج معیارها در کنار آنها بسیار زیاد است - در حد 0.1، به همین دلیل است که گرانش قوی است. چنین اعوجاج شدیدی بر ناحیه ای به ترتیب اندازه این اجسام، یعنی چندین کیلومتر تأثیر می گذارد. هنگام دور شدن از منبع، دامنه نوسان به طور معکوس متناسب با فاصله کاهش می یابد. این بدان معناست که در فاصله 100 Mpc = 3·10 21 کیلومتر، دامنه نوسانات به اندازه 21 مرتبه کاهش می یابد و حدود 10-22 می شود.

البته، اگر ادغام در کهکشان اصلی ما اتفاق بیفتد، لرزش فضا-زمان که به زمین رسیده است بسیار قوی تر خواهد بود. اما چنین اتفاقاتی هر چند هزار سال یک بار رخ می دهد. بنابراین، واقعاً باید فقط روی چنین آشکارسازی حساب کرد که بتواند ادغام ستاره های نوترونی یا سیاهچاله ها را در فاصله ده ها تا صدها مگاپارسک حس کند، به این معنی که هزاران و میلیون ها کهکشان را پوشش می دهد.

در اینجا باید اضافه کرد که نشانه ای غیرمستقیم از وجود امواج گرانشی قبلاً کشف شده است و حتی جایزه نوبل فیزیک در سال 1993 برای آن اعطا شد. مشاهدات طولانی مدت تپ اختر در سیستم دوتایی PSR B1913+16 نشان داده است که دوره مداری دقیقاً با سرعت پیش‌بینی‌شده توسط نسبیت عام کاهش می‌یابد، با در نظر گرفتن تلفات انرژی برای تابش گرانشی. به همین دلیل، عملاً هیچ یک از دانشمندان در واقعیت امواج گرانشی تردید ندارند. تنها سوال این است که چگونه آنها را بگیریم.

تاریخچه جستجو

جستجو برای امواج گرانشی حدود نیم قرن پیش آغاز شد - و تقریباً بلافاصله به یک احساس تبدیل شد. جوزف وبر از دانشگاه مریلند اولین آشکارساز تشدید را طراحی کرد: یک استوانه آلومینیومی دو متری جامد با حسگرهای پیزو حساس در طرفین و جداسازی ارتعاش خوب از ارتعاشات خارجی (شکل 4). با عبور یک موج گرانشی، استوانه در زمان با اعوجاج فضا-زمان طنین انداز می شود که باید توسط حسگرها ثبت شود. وبر چندین آشکارساز از این دست ساخت و در سال 1969، پس از تجزیه و تحلیل قرائت آنها در یکی از جلسات، به صورت متنی ساده بیان کرد که "صدای امواج گرانشی" را در چندین آشکارساز به طور همزمان ثبت کرده است که در فاصله دو کیلومتری از یکدیگر قرار دارند. J. Weber، 1969 شواهدی برای کشف تابش گرانشی). دامنه نوسانی که او ادعا کرد به طرز باورنکردنی بزرگی در حدود 10-16 است، یعنی یک میلیون بار بزرگتر از مقدار معمولی مورد انتظار. پیام وبر برآورده شد جامعه علمیبا شک و تردید زیاد؛ علاوه بر این، سایر گروه های آزمایشی، مجهز به آشکارسازهای مشابه، نتوانستند چنین سیگنالی را در آینده بگیرند.

با این حال، تلاش های وبر کل این حوزه تحقیقاتی را آغاز کرد و شکار امواج را آغاز کرد. از دهه 1970، به لطف تلاش های ولادیمیر براژینسکی و همکارانش از دانشگاه دولتی مسکو، اتحاد جماهیر شوروی نیز وارد این مسابقه شد (نگاه کنید به عدم وجود سیگنال های امواج گرانشی). داستانی جالب در مورد آن دوران در انشا اگر دختری به چاله افتاد .... براگینسکی، به هر حال، یکی از کلاسیک های کل نظریه اندازه گیری های نوری کوانتومی است. او ابتدا مفهوم حد استاندارد اندازه‌گیری کوانتومی را مطرح کرد - یک محدودیت کلیدی در اندازه‌گیری‌های نوری - و نشان داد که چگونه می‌توان بر آن‌ها غلبه کرد. مدار تشدید وبر بهبود یافت و به لطف خنک کننده عمیق نصب، نویز به شدت کاهش یافت (لیست و تاریخچه این پروژه ها را ببینید). با این حال، دقت چنین آشکارسازهای تمام فلزی هنوز برای تشخیص قابل اعتماد رویدادهای مورد انتظار ناکافی بود، و علاوه بر این، آنها فقط در یک محدوده فرکانس بسیار باریک در حدود یک کیلوهرتز تنظیم شده‌اند.

به نظر می رسد بسیار امیدوارکننده تر آشکارسازهایی هستند که از یک شی طنین انداز استفاده نمی کنند، بلکه فاصله بین دو جسم غیرمرتبط و به طور مستقل معلق، به عنوان مثال، دو آینه را ردیابی می کنند. به دلیل نوسانات فضا ناشی از موج گرانشی، فاصله بین آینه ها یا کمی بیشتر یا کمی کمتر خواهد شد. در این حالت، هر چه طول بازو بیشتر باشد، جابجایی مطلق توسط یک موج گرانشی با دامنه معین ایجاد می‌شود. این ارتعاشات را می توان با پرتو لیزری که بین آینه ها حرکت می کند احساس کرد. چنین طرحی قادر به تشخیص نوسانات در یک محدوده فرکانسی وسیع، از 10 هرتز تا 10 کیلوهرتز است، و این دقیقاً همان فاصله ای است که در آن جفت ستاره های نوترونی یا سیاهچاله هایی با جرم ستاره ای تابش می کنند.

اجرای مدرن این ایده بر اساس تداخل سنج مایکلسون به شرح زیر است (شکل 5). آینه ها در دو محفظه خلاء عمود بر یکدیگر به طول چند کیلومتر معلق هستند. در ورودی تاسیسات، پرتو لیزر شکافته می شود، از هر دو اتاق عبور می کند، از آینه ها منعکس می شود، به عقب باز می گردد و دوباره در یک آینه شفاف متحد می شود. ضریب کیفیت سیستم نوری بسیار بالا است، بنابراین پرتو لیزر فقط یک بار به عقب و جلو نمی رود، بلکه برای مدت طولانی در این تشدید کننده نوری باقی می ماند. در حالت "آرام" طول ها به گونه ای انتخاب می شوند که دو پرتو پس از ترکیب مجدد، یکدیگر را در جهت سنسور خاموش کنند و سپس ردیاب نوری در سایه کامل قرار گیرد. اما به محض اینکه آینه ها در یک فاصله میکروسکوپی تحت تأثیر امواج گرانشی حرکت می کنند، جبران دو پرتو ناقص می شود و ردیاب نوری نور را می گیرد. و هر چه تعصب قوی تر باشد، نور روشن تر توسط حسگر نوری دیده می شود.

کلمات "جابجایی میکروسکوپی" حتی به بیان ظرافت کامل اثر نزدیک نمی شوند. جابجایی آینه ها با طول موج نور، یعنی میکرون، حتی بدون هیچ ترفندی به راحتی قابل مشاهده است. اما با طول شانه 4 کیلومتر، این مربوط به نوسانات فضا-زمان با دامنه 10-10 است. همچنین توجه به جابجایی آینه ها با قطر یک اتم مشکلی نیست - کافی است پرتو لیزری را پرتاب کنید که هزاران بار به جلو و عقب می چرخد ​​و به فاز مورد نظر نفوذ می کند. اما حتی این نیز قدرت 10-14 را می دهد. و ما باید میلیون ها بار دیگر از مقیاس جابجایی پایین بیاییم، یعنی یاد بگیریم که چگونه جابجایی آینه ای را نه حتی یک اتم، بلکه با هزارم یک هسته اتم ثبت کنیم!

در راه رسیدن به این فناوری واقعا شگفت انگیز، فیزیکدانان مجبور بودند بر مشکلات زیادی غلبه کنند. برخی از آنها کاملاً مکانیکی هستند: شما باید آینه های عظیم را روی سیستم تعلیق دیگری آویزان کنید، آن یکی را روی تعلیق سوم و غیره - و همه اینها به منظور خلاص شدن از شر ارتعاشات اضافی تا حد امکان. سایر مشکلات نیز ابزاری هستند، اما نوری. به عنوان مثال، هر چه پرتو در حال گردش در سیستم نوری قوی تر باشد، جابجایی آینه ها توسط حسگر نوری ضعیف تر قابل تشخیص است. اما پرتویی که بیش از حد قدرتمند باشد، عناصر نوری را به طور نابرابر گرم می کند، که بر خواص خود پرتو تأثیر منفی می گذارد. این تأثیر باید به نحوی جبران شود و برای این، در دهه 2000، یک کل برنامه تحقیقاتیبه همین مناسبت (برای مطلبی در مورد این تحقیق، به خبر غلبه بر مانع در راه یک آشکارساز امواج گرانشی بسیار حساس، "Elements"، 06/27/2006 مراجعه کنید). در نهایت، محدودیت‌های فیزیکی کاملاً بنیادی مربوط به رفتار کوانتومی فوتون‌ها در تشدیدگر و اصل عدم قطعیت وجود دارد. آنها حساسیت سنسور را به مقداری به نام حد کوانتومی استاندارد محدود می کنند. با این حال، فیزیکدانان قبلاً آموخته‌اند که چگونه با کمک یک حالت کوانتومی آماده شده از نور لیزر بر آن غلبه کنند (J. Aasi et al., 2013. حساسیت افزایش یافته آشکارساز امواج گرانشی LIGO با استفاده از حالت‌های فشرده شده نور).

فهرستی از کشورهای در حال رقابت برای امواج گرانشی وجود دارد. روسیه تاسیسات خود را در رصدخانه باکسان دارد و اتفاقاً در یک فیلم مستند علمی عامه پسند توسط دیمیتری زاویلگلسکی توضیح داده شده است. "در انتظار امواج و ذرات". رهبران این نژاد اکنون دو آزمایشگاه هستند - پروژه آمریکایی LIGO و آشکارساز ایتالیایی Virgo. LIGO شامل دو آشکارساز یکسان است که در هانفورد (واشنگتن) و لیوینگستون (لوئیزیانا) قرار دارند و 3000 کیلومتر از یکدیگر جدا شده‌اند. داشتن دو راه اندازی به دو دلیل مهم است. اول، یک سیگنال تنها در صورتی ثبت شده در نظر گرفته می شود که توسط هر دو آشکارساز به طور همزمان مشاهده شود. و ثانیاً، با تفاوت در رسیدن یک انفجار موج گرانشی در دو نصب - و می تواند به 10 میلی ثانیه برسد - می توان تقریباً تعیین کرد که این سیگنال از کدام قسمت آسمان آمده است. درست است، با دو آشکارساز، خطا بسیار بزرگ خواهد بود، اما زمانی که Virgo وارد عمل شود، دقت به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

به بیان دقیق، ایده تشخیص تداخل سنجی امواج گرانشی برای اولین بار توسط فیزیکدانان شوروی M. E. Gertsenshtein و V. I. Pustovoit در سال 1962. سپس لیزر به تازگی اختراع شده بود و وبر شروع به ساخت آشکارسازهای تشدید خود کرد. با این حال، این مقاله در غرب مورد توجه قرار نگرفت و، حقیقت را بگوییم، بر توسعه پروژه های واقعی تأثیری نداشت (به بررسی تاریخی فیزیک تشخیص امواج گرانشی: آشکارسازهای تشدید و تداخل سنجی مراجعه کنید).

ایجاد رصدخانه گرانشی LIGO ابتکار سه دانشمند از موسسه فناوری ماساچوست (MIT) و از موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) بود. اینها راینر وایس، که ایده آشکارساز امواج گرانشی تداخل سنجی را اجرا کرد، رونالد درور، که به ثبات نور لیزر کافی برای ثبت دست یافت، و کیپ تورن، نظریه پرداز-الهام بخش این پروژه، که اکنون برای عموم مردم شناخته شده است، هستند. به عنوان یک فیلم مشاور علمی بین ستاره ای. تاریخچه اولیه LIGO را می توان در مصاحبه اخیر با راینر وایس و در خاطرات جان پرسکیل خواند.

فعالیت مرتبط با پروژه تشخیص تداخل سنجی امواج گرانشی از اواخر دهه 1970 آغاز شد و در ابتدا واقعیت این تعهد نیز مورد تردید بسیاری قرار گرفت. با این حال، پس از نمایش تعدادی از نمونه های اولیه، پروژه فعلی LIGO نوشته و تصویب شد. در تمام دهه آخر قرن بیستم ساخته شد.

اگرچه ایالات متحده انگیزه اولیه را به این پروژه داد، رصدخانه LIGO یک پروژه واقعا بین المللی است. 15 کشور از نظر مالی و فکری در آن سرمایه گذاری کرده اند و بیش از هزار نفر در این همکاری مشارکت دارند. نقش مهمی در اجرای این پروژه توسط فیزیکدانان شوروی و روسی ایفا شد. از همان ابتدا، گروه ذکر شده ولادیمیر براگینسکی از دانشگاه دولتی مسکو در اجرای پروژه LIGO مشارکت فعال داشت و بعداً موسسه فیزیک کاربردی نیژنی نووگورود نیز به این همکاری پیوست.

رصدخانه LIGO در سال 2002 راه اندازی شد و تا سال 2010 میزبان شش جلسه رصد علمی بود. هیچ انفجار موج گرانشی به طور قابل اعتماد تشخیص داده نشد و فیزیکدانان فقط قادر به تعیین حد بالایی در فرکانس چنین رویدادهایی بودند. با این حال، این خیلی آنها را غافلگیر نکرد: برآوردها نشان داد که در آن قسمت از جهان که آشکارساز در آن زمان "به آن گوش می داد" احتمال وقوع یک فاجعه به اندازه کافی قدرتمند کم بود: تقریباً هر چند دهه یک بار.

خط پایان

از سال 2010 تا 2015، همکاری های LIGO و Virgo به طور اساسی تجهیزات را مدرن کردند (اما Virgo هنوز در حال آماده سازی است). و حالا گل مورد انتظار در خط دید مستقیم قرار داشت. LIGO - یا بهتر است بگوییم، aLIGO ( LIGO پیشرفته) - اکنون آماده بود تا انفجارهای ایجاد شده توسط ستارگان نوترونی در فاصله 60 مگاپارسکی و سیاهچاله ها - صدها مگاپارسکی را بگیرد. حجم جهان باز برای گوش دادن به امواج گرانشی در مقایسه با جلسات قبلی ده برابر شده است.

البته نمی توان پیش بینی کرد که «بنگ» موج گرانشی بعدی کی و کجا اتفاق می افتد. اما حساسیت آشکارسازهای به روز شده باعث شد تا بتوان روی چندین ادغام ستاره های نوترونی در سال حساب کرد، به طوری که اولین انفجار را می توان در اولین جلسه رصدی چهار ماهه انتظار داشت. اگر در مورد کل پروژه aLIGO صحبت کنیم که چندین سال به طول انجامید، آنگاه حکم بسیار واضح بود: یا انفجارها یکی پس از دیگری سقوط می کنند، یا چیزی در نسبیت عام در اصل کار نمی کند. هر دو اکتشافات بزرگ خواهند بود.

از 18 سپتامبر 2015 تا 12 ژانویه 2016، اولین جلسه رصد aLIGO برگزار شد. در تمام این مدت، شایعاتی در مورد ثبت امواج گرانشی در اینترنت پخش می شد، اما این همکاری مسکوت ماند: "ما در حال جمع آوری و تجزیه و تحلیل داده ها هستیم و هنوز آماده گزارش نتایج نیستیم." یک فتنه اضافی با این واقعیت ایجاد شد که در فرآیند تجزیه و تحلیل، خود اعضای همکاری نمی توانند کاملاً مطمئن باشند که موج گرانشی واقعی را مشاهده می کنند. واقعیت این است که در LIGO، انفجاری که در رایانه ایجاد می شود، گهگاه به طور مصنوعی وارد جریان داده های واقعی می شود. به آن «تزریق کور»، تزریق کور می گویند و از کل گروه، تنها سه نفر (!) به سیستمی دسترسی دارند که در یک لحظه دلخواه آن را انجام می دهد. تیم باید این افزایش را دنبال کند، مسئولانه آن را تجزیه و تحلیل کند، و تنها در آخرین مراحل تجزیه و تحلیل "کارت ها باز می شوند" و اعضای همکاری متوجه خواهند شد که آیا این یک رویداد واقعی بود یا یک آزمون هوشیاری. به هر حال، در یکی از این موارد در سال 2010، حتی به نوشتن مقاله رسید، اما سیگنال کشف شده فقط یک "پر کردن کور" بود.

انحراف غزلی

برای اینکه بار دیگر عظمت لحظه را احساس کنم، پیشنهاد می کنم این داستان را از سوی دیگر، از درون علم، نگاه کنیم. وقتی یک کار علمی پیچیده و تسخیرناپذیر چندین سال طول نمی کشد، این یک لحظه کاری عادی است. وقتی بیش از یک نسل تسلیم نمی شود، به روشی کاملاً متفاوت درک می شود.

به عنوان یک دانش آموز، شما کتاب های علمی رایج را می خوانید و در مورد این معمای علمی دشوار، اما به طرز وحشتناکی جالبی یاد می گیرید. به عنوان یک دانش آموز، شما فیزیک می خوانید، ارائه می دهید و گاهی اوقات، به درستی یا نه، اطرافیان وجود آن را به شما یادآوری می کنند. سپس شما خودتان علم انجام می دهید، در زمینه دیگری از فیزیک کار می کنید، اما مرتباً در مورد تلاش های ناموفق برای حل آن می شنوید. البته می‌دانید که در جایی کار فعالی برای حل آن انجام می‌شود، اما نتیجه نهایی برای شما به عنوان یک فرد خارجی بدون تغییر باقی می‌ماند. مشکل به عنوان یک پس زمینه ایستا، به عنوان یک تزئین، به عنوان عنصری از فیزیک ابدی و تقریباً بدون تغییر در مقیاس زندگی علمی شما درک می شود. به عنوان وظیفه ای که همیشه بوده و خواهد بود.

و سپس - حل می شود. و ناگهان، در مقیاس چند روزه، احساس می‌کنید که تصویر فیزیکی جهان تغییر کرده است و اکنون باید با عبارات دیگری فرموله شود و سؤالات دیگری بپرسد.

برای افرادی که مستقیماً در جستجوی امواج گرانشی هستند، این وظیفه، البته، بدون تغییر باقی نمانده است. آنها هدف را می بینند، می دانند چه چیزی باید به دست آید. البته، آنها امیدوارند که طبیعت نیز در نیمه راه آنها را ملاقات کند و انفجاری قدرتمند در کهکشان نزدیک پرتاب کند، اما در عین حال می‌دانند که حتی اگر طبیعت چندان مطلوب نباشد، دیگر نمی‌تواند از دید دانشمندان پنهان شود. تنها سوال این است که دقیقا چه زمانی می توانند به اهداف فنی خود برسند. داستانی در مورد این احساس از فردی که چندین دهه در جستجوی امواج گرانشی بوده است را می توان در فیلمی که قبلاً ذکر شد شنید. "در انتظار امواج و ذرات".

افتتاح

روی انجیر 7 نتیجه اصلی را نشان می دهد: مشخصات سیگنال ثبت شده توسط هر دو آشکارساز. مشاهده می شود که در پس زمینه نویز ابتدا نوسان شکل مورد نظر ضعیف ظاهر می شود و سپس دامنه و فرکانس آن افزایش می یابد. مقایسه با نتایج شبیه‌سازی‌های عددی این امکان را فراهم کرد که بفهمیم کدام اجرام ادغام را مشاهده کرده‌ایم: اینها سیاهچاله‌هایی با جرم تقریباً 36 و 29 خورشیدی بودند که در یک سیاه‌چاله با جرم 62 جرم خورشیدی ادغام شدند (خطا). از تمام این اعداد، مربوط به فاصله اطمینان 90 درصد، 4 جرم خورشید است). نویسندگان به طور گذرا خاطرنشان می کنند که سیاهچاله به دست آمده سنگین ترین سیاهچاله با جرم ستاره ای است که تاکنون مشاهده شده است. تفاوت بین جرم کل دو جرم اصلی و سیاهچاله نهایی 0.5±3 جرم خورشید است. این نقص جرم گرانشی به طور کامل در حدود 20 میلی ثانیه به انرژی امواج گرانشی تابشی تبدیل شد. محاسبات نشان داد که اوج قدرت موج گرانشی به 3.6·10 56 erg/s یا بر حسب جرم، تقریباً 200 جرم خورشیدی در ثانیه رسید.

اهمیت آماری سیگنال شناسایی شده 5.1σ است. به عبارت دیگر، اگر فرض کنیم که این نوسانات آماری با یکدیگر همپوشانی داشته باشند و چنین موجی را صرفاً تصادفی ایجاد کنند، چنین رویدادی باید 200 هزار سال منتظر بماند. این به ما اجازه می دهد تا با اطمینان بیان کنیم که سیگنال شناسایی شده یک نوسان نیست.

تأخیر زمانی بین دو آشکارساز تقریباً 7 میلی ثانیه بود. این امکان تخمین جهت رسیدن سیگنال را فراهم کرد (شکل 9). از آنجایی که فقط دو آشکارساز وجود دارد، محلی سازی بسیار تقریبی است: مساحت کره آسمانی که از نظر پارامترها مناسب است 600 درجه مربع است.

همکاری LIGO تنها به بیان واقعیت ثبت امواج گرانشی اکتفا نکرد، بلکه اولین تحلیلی را نیز انجام داد که این مشاهدات چه پیامدهایی برای اخترفیزیک دارد. در مقاله مفاهیم اخترفیزیکی ادغام دوتایی سیاهچاله GW150914 در همان روز در مجله منتشر شد. نامه های مجله اخترفیزیکی، نویسندگان فرکانس وقوع چنین ادغام سیاهچاله ها را تخمین زدند. حداقل یک ادغام در یک گیگاپارسک مکعب در سال مشخص شد که با پیش‌بینی‌های خوش‌بینانه‌ترین مدل‌ها در این زمینه همگرا است.

امواج گرانشی درباره چیست؟

کشف یک پدیده جدید پس از دهه ها جستجو پایان نیست، بلکه تنها آغاز شاخه جدیدی از فیزیک است. البته ثبت امواج گرانشی حاصل از ادغام دو سیاه به خودی خود مهم است. این یک دلیل مستقیم بر وجود سیاهچاله ها و وجود سیاهچاله های دوتایی و واقعیت امواج گرانشی است و به طور کلی اثبات درستی رویکرد هندسی به گرانش است که نسبیت عام بر آن استوار است. . اما برای فیزیکدانان، این که نجوم امواج گرانشی در حال تبدیل شدن به یک ابزار تحقیقاتی جدید است، کم ارزش نیست و امکان مطالعه آنچه را که قبلاً غیرقابل دسترس بوده است، می دهد.

اول، این یک راه جدید برای مشاهده جهان و مطالعه فجایع کیهانی است. هیچ مانعی برای امواج گرانشی وجود ندارد، آنها بدون هیچ مشکلی از همه چیز در کیهان عبور می کنند. آنها خودکفا هستند: نمایه آنها حاوی اطلاعاتی در مورد فرآیندی است که آنها را ایجاد کرده است. در نهایت، اگر یک انفجار بزرگ منجر به انفجار نوری، نوترینو و گرانشی شود، می توانید سعی کنید همه آنها را بگیرید، آنها را با یکدیگر مقایسه کنید و جزئیات غیرقابل دسترس قبلی را از آنچه در آنجا اتفاق افتاده است مرتب کنید. توانایی گرفتن و مقایسه چنین سیگنال های مختلف از یک رویداد، هدف اصلی نجوم تمام سیگنالی است.

وقتی آشکارسازهای امواج گرانشی حتی حساس‌تر می‌شوند، می‌توانند لرزش فضا-زمان را نه در همان لحظه ادغام، بلکه چند ثانیه قبل از آن تشخیص دهند. آنها به طور خودکار سیگنال هشدار خود را به شبکه عمومی ایستگاه های رصد ارسال می کنند و تلسکوپ های ماهواره ای اخترفیزیکی با محاسبه مختصات ادغام پیشنهادی، زمان خواهند داشت تا در این ثانیه ها در جهت درست بچرخند و قبل از شروع شروع به عکسبرداری از آسمان کنند. از انفجار نوری

ثانیا، انفجار موج گرانشی به شما امکان می دهد چیزهای جدیدی در مورد ستاره های نوترونی بیاموزید. ادغام ستاره های نوترونی در واقع آخرین و شدیدترین آزمایش ستاره نوترونی است که طبیعت می تواند برای ما انجام دهد و ما به عنوان تماشاگر فقط باید نتایج را مشاهده کنیم. پیامدهای رصدی چنین ادغامی می تواند متفاوت باشد (شکل 10)، و با جمع آوری آمار آنها، ما قادر خواهیم بود رفتار ستاره های نوترونی را در چنین شرایط عجیب و غریب بهتر درک کنیم. نمای کلی از وضعیت فعلی امور در این جهت را می توان در انتشار اخیر S. Rosswog، 2015 یافت. تصویر چند پیام رسان از ادغام های باینری فشرده .

ثالثاً، ثبت انفجاری که از یک ابرنواختر به وجود آمده است و مقایسه آن با مشاهدات نوری، سرانجام این امکان را فراهم می کند که جزئیات آنچه در داخل در حال وقوع است، در همان ابتدای فروپاشی، مشخص شود. اکنون فیزیکدانان هنوز با شبیه سازی عددی این فرآیند مشکل دارند.

چهارم، فیزیکدانان درگیر در نظریه گرانش یک "آزمایشگاه" مورد علاقه برای مطالعه اثرات گرانش قوی دارند. تاکنون تمام اثرات نسبیت عام که توانسته ایم به طور مستقیم مشاهده کنیم، مربوط به گرانش در میدان های ضعیف بوده است. در مورد آنچه در شرایط گرانش قوی رخ می دهد، زمانی که تحریف های فضا-زمان شروع به تعامل شدید با خود می کنند، ما فقط می توانیم با تظاهرات غیرمستقیم، از طریق پژواک نوری فجایع کیهانی حدس بزنیم.

پنجم، فرصت جدیدی برای آزمایش نظریه های عجیب و غریب گرانش وجود دارد. در حال حاضر بسیاری از این نظریه ها در فیزیک مدرن وجود دارد، به عنوان مثال به فصل اختصاص داده شده به آنها از کتاب محبوب A.N. Petrov "گرانش" مراجعه کنید. برخی از این نظریه‌ها در حد میدان‌های ضعیف شبیه نسبیت عام معمولی هستند، اما زمانی که گرانش بسیار قوی می‌شود ممکن است با آن تفاوت زیادی داشته باشد. برخی دیگر وجود نوع جدیدی از قطبش را برای امواج گرانشی فرض می‌کنند و سرعت کمی متفاوت از سرعت نور را پیش‌بینی می‌کنند. در نهایت، نظریه هایی وجود دارد که شامل ابعاد فضایی اضافی است. آنچه می توان در مورد آنها بر اساس امواج گرانشی گفت، یک سوال باز است، اما واضح است که از اینجا می توان از برخی اطلاعات سود برد. همچنین توصیه می کنیم نظر خود اخترفیزیکدانان را در مورد آنچه که با کشف امواج گرانشی تغییر خواهد کرد، در انتخاب پستناوکا بخوانید.

برنامه های آینده

چشم انداز نجوم امواج گرانشی دلگرم کننده ترین است. تنها اولین و کوتاه ترین جلسه مشاهده آشکارساز aLIGO اکنون به پایان رسیده است - و یک سیگنال واضح قبلاً در این مدت کوتاه دریافت شده است. درست تر است که بگوییم: اولین سیگنال حتی قبل از راه اندازی رسمی گرفته شد و همکاری هنوز در مورد تمام چهار ماه کار گزارشی ارائه نکرده است. چه کسی می داند، شاید در حال حاضر چند انفجار اضافی وجود داشته باشد؟ به هر حال، اما بیشتر، با افزایش حساسیت آشکارسازها و گسترش بخشی از کیهان که برای مشاهدات امواج گرانشی قابل دسترسی است، تعداد رویدادهای ثبت شده مانند بهمن افزایش خواهد یافت.

برنامه زمانی مورد انتظار جلسات شبکه LIGO-Virgo در شکل نشان داده شده است. 11. جلسه دوم شش ماهه در پایان سال جاری آغاز می شود، جلسه سوم تقریباً کل سال 2018 را می گیرد و در هر مرحله حساسیت آشکارساز افزایش می یابد. در حدود سال 2020، aLIGO باید به حساسیت برنامه ریزی شده خود برسد، که به آشکارساز اجازه می دهد جهان را برای ادغام ستاره های نوترونی که تا 200 مگاپیکسل از ما فاصله دارند، بررسی کند. برای رویدادهای ادغام سیاهچاله‌های پرانرژی‌تر، حساسیت می‌تواند تقریباً به یک گیگاپارسک برسد. به هر شکلی، حجم جهان در دسترس برای رصد نسبت به جلسه اول ده برابر بیشتر می شود.

در پایان سال جاری، آزمایشگاه به روز شده ایتالیایی Virgo نیز وارد بازی خواهد شد. حساسیت آن کمی کمتر از LIGO است، اما همچنین کاملا مناسب است. با توجه به روش مثلث بندی، سه آشکارساز با فاصله از هم در فضا امکان بازیابی موقعیت منابع را در کره آسمانی بسیار بهتر می کند. اگر اکنون، با دو آشکارساز، منطقه محلی سازی به صدها درجه مربع برسد، سه آشکارساز آن را به ده ها کاهش می دهد. علاوه بر این، در حال حاضر یک آنتن موج گرانشی مشابه کاگرا در ژاپن در حال ساخت است که تا دو تا سه سال دیگر شروع به کار خواهد کرد و در هند حدود سال 2022 قرار است آشکارساز LIGO-India راه اندازی شود. در نتیجه، یک شبکه کامل از آشکارسازهای امواج گرانشی کار خواهد کرد و به طور منظم سیگنال ها را در چند سال ضبط می کند (شکل 13).

در نهایت، برنامه هایی برای انتقال ابزارهای امواج گرانشی به فضا، به ویژه پروژه eLISA وجود دارد. دو ماه پیش اولین ماهواره آزمایشی به مدار پرتاب شد که وظیفه آن آزمایش فناوری ها خواهد بود. هنوز با تشخیص واقعی امواج گرانشی فاصله دارد. اما از آنجایی که این صورت فلکی از ماهواره ها شروع به جمع آوری داده ها می کند، دریچه ای دیگر به کیهان باز خواهد کرد - از طریق امواج گرانشی با فرکانس پایین. چنین رویکرد تمام موجی به امواج گرانشی هدف اصلی این میدان در دراز مدت است.

موازی ها

کشف امواج گرانشی قبلاً سومین مورد بود سال های گذشتهموردی که فیزیکدانان بالاخره راه خود را از میان همه موانع باز کردند و به پیچیدگی های ناشناخته قبلی ساختار جهان ما رسیدند. در سال 2012، بوزون هیگز کشف شد - ذره ای که تقریباً نیم قرن پیش پیش بینی شده بود. در سال 2013، آشکارساز نوترینو IceCube واقعیت نوترینوهای اخترفیزیکی را اثبات کرد و شروع به "نگاه کردن به جهان" به روشی کاملاً جدید و قبلاً غیرقابل دسترس - از طریق نوترینوهای پرانرژی کرد. و اکنون طبیعت بار دیگر تسلیم انسان شده است: یک "پنجره" موج گرانشی برای مشاهده جهان باز شده است و در همان زمان، اثرات گرانش قوی برای مطالعه مستقیم در دسترس قرار گرفته است.

باید بگویم، هیچ کجا "آزادی" از طبیعت وجود نداشت. جستجو برای مدت بسیار طولانی انجام شد، اما تسلیم نشد، زیرا در آن زمان، چندین دهه پیش، تجهیزات از نظر انرژی، مقیاس یا حساسیت به نتیجه نرسیدند. این توسعه مداوم و هدفمند فناوری بود که به هدف منجر شد، توسعه ای که نه با مشکلات فنی و نه نتایج منفی سال های گذشته متوقف نشد.

و در هر سه مورد، این کشف خود پایان نبود، بلکه برعکس، آغاز یک جهت جدید از تحقیقات، ابزار جدیدی برای کاوش در جهان ما شد. خواص بوزون هیگز قابل اندازه گیری شده است - و در این داده ها، فیزیکدانان در تلاش برای تشخیص اثرات فیزیک جدید. به لطف افزایش آمار نوترینوهای پرانرژی، اخترفیزیک نوترینو اولین قدم های خود را برمی دارد. حداقل در حال حاضر از نجوم امواج گرانشی همین انتظار می رود و دلایل زیادی برای خوش بینی وجود دارد.

منابع:
1) LIGO Scientific Col. و Virgo Coll. مشاهده امواج گرانشی از ادغام سیاهچاله دوتایی // فیزیک کشیش Lett.منتشر شده در 11 فوریه 2016.
2) اوراق تشخیص - فهرستی از مقالات فنی همراه با مقاله اصلی کشف.
3) ای برتی. دیدگاه: اولین صداهای ادغام سیاهچاله ها // فیزیک. 2016. V. 9. N. 17.

بررسی مواد:
1) دیوید بلر و همکاران. نجوم امواج گرانشی: وضعیت فعلی // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott و LIGO Scientific Collaboration و Virgo Collaboration. چشم انداز مشاهده و بومی سازی موج های گذرا گرانشی با LIGO پیشرفته و پیشرفته Virgo // کشیش زنده نسبیت. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. گذشته، حال و آینده آشکارسازهای امواج گرانشی رزونانس جرمی // Res. اختر. اخترفیزیک. 2011. V. 11. N. 1.
4) جستجوی امواج گرانشی - گزیده ای از مواد در وب سایت مجله علوم پایهدر جستجوی امواج گرانشی
5) متیو پیتکین، استوارت رید، شیلا روآن، جیم هاف. تشخیص امواج گرانشی توسط تداخل سنجی (زمین و فضا) // arXiv:1102.3355.
6) V. B. Braginsky. نجوم امواج گرانشی: روش های جدید اندازه گیری // UFN. 2000، ج 170، ص 743-752.
7) پیتر آر ساولسون.

11 فوریه 2016

به معنای واقعی کلمه چند ساعت پیش خبری منتشر شد که مدت ها در دنیای علم انتظار می رفت. گروهی از دانشمندان از چندین کشور که به عنوان بخشی از پروژه بین المللی همکاری علمی LIGO کار می کنند، می گویند که با کمک چندین رصدخانه آشکارساز، توانستند امواج گرانشی را در آزمایشگاه تشخیص دهند.

آنها در حال تجزیه و تحلیل داده های دو رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) واقع در لوئیزیانا و واشنگتن، ایالات متحده هستند.

همانطور که در کنفرانس مطبوعاتی پروژه LIGO گفته شد، امواج گرانشی در 14 سپتامبر 2015 ابتدا در یک رصدخانه و سپس پس از 7 میلی ثانیه در رصدخانه دیگر ثبت شدند.

بر اساس تجزیه و تحلیل داده های به دست آمده که توسط دانشمندان بسیاری از کشورها از جمله روسیه انجام شده است، مشخص شد که موج گرانشی ناشی از برخورد دو سیاهچاله با جرم 29 و 36 برابر جرم است. آفتاب. پس از آن، آنها در یک سیاهچاله بزرگ ادغام شدند.

این اتفاق ۱.۳ میلیارد سال پیش افتاد. این سیگنال از صورت فلکی ابر ماژلانی به زمین رسید.

سرگئی پوپوف (اخترفیزیکدان در موسسه نجوم دولتی استرنبرگ دانشگاه دولتی مسکو) توضیح داد که امواج گرانشی چیست و چرا اندازه گیری آنها بسیار مهم است.

نظریه های مدرن گرانش، نظریه های هندسی گرانش هستند، کم و بیش همه چیز از نظریه نسبیت. ویژگی های هندسی فضا بر حرکت اجسام یا اجسام مانند پرتو نور تأثیر می گذارد. و بالعکس - توزیع انرژی (این همان جرم در فضا است) تأثیر می گذارد خواص هندسیفضا. این بسیار جالب است، زیرا تجسم آن آسان است - تمام این هواپیمای الاستیک که در یک سلول قرار گرفته است معنای فیزیکی خاصی دارد، اگرچه، البته، همه چیز آنقدر تحت اللفظی نیست.

فیزیکدانان از کلمه متریک استفاده می کنند. متریک چیزی است که ویژگی های هندسی یک فضا را توصیف می کند. و در اینجا اجسامی داریم که با شتاب حرکت می کنند. ساده ترین چیز این است که خیار می چرخد. مهم است که مثلاً توپ نباشد و دیسک صاف نباشد. به راحتی می توان تصور کرد که وقتی چنین خیار در یک صفحه الاستیک می چرخد، امواج از آن جاری می شود. تصور کنید که در جایی ایستاده اید و خیار یا یک انتها به سمت شما می چرخد ​​یا طرف دیگر. به طرق مختلف بر فضا و زمان تأثیر می گذارد، یک موج گرانشی اجرا می شود.

بنابراین، یک موج گرانشی موجی است که در امتداد متریک فضا-زمان جریان دارد.

مهره ها در فضا

این ویژگی اساسی درک اولیه ما از نحوه کار گرانش است و مردم صد سال است که می خواهند آن را آزمایش کنند. آنها می خواهند مطمئن شوند که اثر وجود دارد و در آزمایشگاه قابل مشاهده است. در طبیعت، این قبلاً حدود سه دهه پیش دیده شده بود. امواج گرانشی چگونه باید در زندگی روزمره خود را نشان دهند؟

ساده‌ترین راه برای نشان دادن این موضوع این است: اگر مهره‌ها را در فضا پرتاب کنید به طوری که در یک دایره قرار گیرند، و وقتی موج گرانشی عمود بر صفحه آنها عبور کند، شروع به تبدیل شدن به یک بیضی می‌کنند که به یک صورت فشرده می‌شوند. واقعیت این است که فضای اطراف آنها آشفته خواهد شد و آنها آن را احساس خواهند کرد.

"G" روی زمین

مردم چنین کاری را انجام می دهند، نه در فضا، بلکه در زمین.

در فاصله چهار کیلومتری از یکدیگر، آینه ها به شکل حرف "g" [به معنی رصدخانه های آمریکایی LIGO] آویزان هستند.

پرتوهای لیزر اجرا می شوند - این یک تداخل سنج است، چیزی که به خوبی درک شده است. فن آوری های مدرناجازه می دهد یک اثر فوق العاده کوچک اندازه گیری شود. من هنوز آن را باور نمی کنم، من آن را باور می کنم، اما در سر من جا نمی گیرد - جابجایی آینه هایی که در فاصله چهار کیلومتری از یکدیگر آویزان هستند، کمتر از اندازه یک هسته اتمی است. این حتی در مقایسه با طول موج این لیزر کوچک است. نکته مهم این بود: گرانش ضعیف ترین نیرو است و بنابراین جابجایی ها بسیار کوچک هستند.

زمان بسیار زیادی طول کشید، مردم از دهه 1970 سعی در انجام این کار داشتند، آنها زندگی خود را صرف جستجوی امواج گرانشی کردند. و اکنون فقط قابلیت های فنی امکان ثبت یک موج گرانشی را در شرایط آزمایشگاهی فراهم می کند ، یعنی اینجا آمد و آینه ها جابجا شدند.

جهت

در عرض یک سال، اگر همه چیز خوب پیش برود، سه آشکارساز در جهان وجود خواهد داشت. سه آشکارساز بسیار مهم هستند، زیرا این موارد در تعیین جهت سیگنال بسیار بد هستند. تقریباً به همان شکلی که جهت منبع را ضعیف می شنویم. "صدا از جایی به سمت راست" - این آشکارسازها چیزی شبیه به این را احساس می کنند. اما اگر سه نفر با فاصله از یکدیگر بایستند و یکی از سمت راست صدا را بشنود، دیگری در سمت چپ و سومی پشت سر، آنگاه می‌توانیم جهت صدا را با دقت زیادی تعیین کنیم. هرچه آشکارسازهای بیشتری وجود داشته باشد، بیشتر در سراسر کره زمین پراکنده شوند، می‌توانیم جهت منبع را با دقت بیشتری تعیین کنیم و سپس نجوم آغاز خواهد شد.

از این گذشته، وظیفه نهایی نه تنها تأیید نظریه نسبیت عام، بلکه به دست آوردن دانش جدید نجومی است. تصور کنید که سیاهچاله ای وجود دارد که جرم آن ده برابر خورشید است. و با سیاهچاله دیگری به وزن ده خورشید برخورد می کند. برخورد با سرعت نور اتفاق می افتد. انرژی موفقیت آمیز درست است. مقدار فوق العاده ای از آن وجود دارد. و اینطور نیست... این فقط موجی از فضا و زمان است. من می‌توانم بگویم که تشخیص ادغام دو سیاه‌چاله برای مدت طولانی مطمئن‌ترین تاییدی است که سیاه‌چاله‌ها درباره سیاه‌چاله‌هایی هستند که ما به آنها فکر می‌کنیم.

بیایید مسائل و پدیده هایی را که می تواند کشف کند مرور کنیم.

آیا سیاهچاله ها واقعا وجود دارند؟

سیگنال مورد انتظار از اعلامیه LIGO ممکن است توسط دو سیاهچاله ادغام شده باشد. چنین رویدادهایی پرانرژی ترین رویدادهای شناخته شده هستند. قدرت امواج گرانشی ساطع شده توسط آنها می تواند برای مدت کوتاهی از تمام ستارگان جهان قابل مشاهده در کل فراتر رود. ادغام سیاهچاله ها نیز برای تفسیر امواج گرانشی بسیار خالص بسیار آسان است.

ادغام سیاهچاله زمانی اتفاق می افتد که دو سیاهچاله به دور یکدیگر مارپیچ می شوند و انرژی را به شکل امواج گرانشی تابش می کنند. این امواج دارای یک صدای مشخص (چیک) هستند که می توان از آن برای اندازه گیری جرم این دو جسم استفاده کرد. پس از آن، سیاهچاله ها معمولاً ادغام می شوند.

دو حباب صابون را تصور کنید که آنقدر نزدیک می شوند که یک حباب را تشکیل می دهند. تایبالت دامور، نظریه پرداز گرانش در موسسه مطالعات پیشرفته می گوید: حباب بزرگتر در حال تغییر شکل است. تحقیق علمینزدیک پاریس سیاهچاله نهایی عالی خواهد بود شکل کروی، اما ابتدا باید امواج گرانشی از نوع قابل پیش بینی ساطع کند.

یکی از مهمترین پیامدهای علمی کشف ادغام سیاهچاله ها تایید وجود سیاهچاله ها خواهد بود - حداقل اجرام کاملاً گرد متشکل از فضا-زمان خالص، خالی و منحنی، همانطور که توسط نسبیت عام پیش بینی شده است. پیامد دیگر این است که ادغام همانطور که دانشمندان پیش بینی کرده بودند پیش می رود. اخترشناسان شواهد غیرمستقیم زیادی برای این پدیده دارند، اما اینها تاکنون مشاهداتی از ستارگان و گازهای فوق گرم در گردش به دور سیاهچاله ها بوده است، نه خود سیاهچاله ها.

جامعه علمی، از جمله من، سیاهچاله ها را دوست ندارند. فرانس پرتوریوس، متخصص شبیه‌سازی نسبیت عام در دانشگاه پرینستون در نیوجرسی می‌گوید: ما آنها را بدیهی می‌دانیم. اما وقتی به این پیش‌بینی شگفت‌انگیز فکر می‌کنید، به شواهدی واقعاً شگفت‌انگیز نیاز داریم.»

آیا امواج گرانشی با سرعت نور حرکت می کنند؟

هنگامی که دانشمندان شروع به مقایسه رصدهای LIGO با تلسکوپ های دیگر می کنند، اولین چیزی که بررسی می کنند این است که آیا سیگنال در همان زمان رسیده است یا خیر. فیزیکدانان معتقدند که گرانش توسط ذراتی به نام گراویتون، مشابه گرانشی فوتون ها، منتقل می شود. اگر مانند فوتون‌ها، این ذرات جرم نداشته باشند، امواج گرانشی با سرعت نور حرکت می‌کنند که با پیش‌بینی سرعت امواج گرانشی در نسبیت کلاسیک مطابقت دارد. (سرعت آنها ممکن است تحت تأثیر انبساط پرشتاب جهان باشد، اما این باید در فواصل بسیار فراتر از مسافت هایی که LIGO پوشش می دهد نشان داده شود.)

با این حال، کاملاً ممکن است که گراویتون ها جرم کمی داشته باشند، به این معنی که امواج گرانشی با سرعت کمتر از نور حرکت می کنند. بنابراین، برای مثال، اگر LIGO و Virgo امواج گرانشی را تشخیص دهند و دریابند که امواج دیرتر از پرتوهای گاما مرتبط با رویداد کیهانی به زمین رسیده‌اند، این می‌تواند پیامدهای تغییردهنده‌ای برای فیزیک بنیادی داشته باشد.

آیا فضا-زمان از رشته های کیهانی تشکیل شده است؟

اگر انفجار امواج گرانشی که از "رشته های کیهانی" می آیند شناسایی شوند، کشف عجیب تری نیز ممکن است رخ دهد. این نقص‌های فرضی در انحنای فضا-زمان، که ممکن است با نظریه‌های ریسمان مرتبط باشند یا نباشند، باید بی‌نهایت نازک باشند، اما در فواصل کیهانی کشیده شوند. دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که ریسمان‌های کیهانی، در صورت وجود، می‌توانند به طور تصادفی پیچ خورده شوند. اگر ریسمان پیچ خورده باشد، یک موج گرانشی ایجاد می کند که آشکارسازهایی مانند LIGO یا Virgo می توانند اندازه گیری کنند.

آیا ستاره های نوترونی می توانند دندانه دار باشند؟

ستارگان نوترونی بقایای ستارگان بزرگی هستند که تحت وزن خود فرو ریختند و چنان متراکم شدند که الکترون ها و پروتون ها شروع به ترکیب شدن به نوترون کردند. دانشمندان درک کمی از فیزیک سوراخ‌های نوترونی دارند، اما امواج گرانشی می‌توانند چیزهای زیادی در مورد آنها بگویند. به عنوان مثال، گرانش شدید روی سطح آنها باعث می شود که ستاره های نوترونی تقریباً کاملاً کروی شوند. اما برخی از دانشمندان پیشنهاد کرده‌اند که ممکن است «کوه‌هایی» - به ارتفاع چند میلی‌متر - نیز داشته باشند که این اجرام متراکم را به قطر 10 کیلومتر، نه بیشتر، کمی نامتقارن می‌سازد. ستاره‌های نوترونی معمولاً خیلی سریع می‌چرخند، بنابراین توزیع جرم نامتقارن فضازمان را منحرف می‌کند و یک سیگنال موج گرانشی ثابت به شکل موج سینوسی تولید می‌کند و چرخش ستاره و تابش انرژی را کاهش می‌دهد.

جفت ستاره های نوترونی که به دور یکدیگر می چرخند نیز سیگنال ثابتی تولید می کنند. مانند سیاهچاله ها، این ستارگان مارپیچی می شوند و در نهایت با صدایی مشخص ادغام می شوند. اما مشخصات آن با ویژگی های صدای سیاهچاله ها متفاوت است.

چرا ستاره ها منفجر می شوند؟

سیاهچاله ها و ستاره های نوترونی زمانی تشکیل می شوند که ستارگان پرجرم دیگر درخشش خود را متوقف کرده و به درون خود فرو می ریزند. اخترفیزیکدانان فکر می کنند که این فرآیند زیربنای همه انواع رایج انفجارهای ابرنواختر نوع دوم است. شبیه سازی چنین ابرنواخترهایی هنوز دلیل شعله ور شدن آنها را نشان نداده است، اما تصور می شود گوش دادن به امواج گرانشی ساطع شده توسط یک ابرنواختر واقعی پاسخ را ارائه می دهد. بسته به اینکه امواج انفجاری چگونه به نظر می رسند، چقدر بلند هستند، چند بار رخ می دهند و چگونه با ابرنواخترهایی که توسط تلسکوپ های الکترومغناطیسی رصد می شوند ارتباط دارند، این داده ها می تواند به رد یک دسته از مدل های موجود کمک کند.

جهان با چه سرعتی در حال انبساط است؟

انبساط جهان به این معنی است که اجرام دوردستی که از کهکشان ما دور می شوند قرمزتر از آنچه هستند به نظر می رسند، زیرا نوری که از خود ساطع می کنند در حین حرکت کشیده می شود. کیهان شناسان سرعت انبساط کیهان را با مقایسه انتقال به سرخ کهکشان ها با فاصله آنها از ما تخمین می زنند. اما این فاصله معمولاً از درخشندگی ابرنواخترهای نوع Ia تخمین زده می شود و این تکنیک ابهامات زیادی را به جا می گذارد.

اگر چندین آشکارساز امواج گرانشی در سرتاسر جهان سیگنال‌هایی را از ادغام همان ستاره‌های نوترونی شناسایی کنند، با هم می‌توانند بلندی سیگنال و به همراه آن فاصله‌ای که ادغام در آن رخ داده است را به دقت تخمین بزنند. آنها همچنین قادر خواهند بود جهت را تخمین بزنند و با آن، کهکشانی را که رویداد در آن رخ داده است شناسایی کنند. با مقایسه انتقال به سرخ این کهکشان با فاصله ستاره‌های در حال ادغام، می‌توان نرخ مستقلی از انبساط کیهانی را به دست آورد، شاید دقیق‌تر از آنچه روش‌های فعلی اجازه می‌دهند.

منابع

http://www.bbc.com/russian/science/2016/02/160211_gravitational_waves

http://cont.ws/post/199519

در اینجا ما به نوعی متوجه شدیم، اما چیست و. ببینید چه شکلی است اصل مقاله در سایت موجود است InfoGlaz.rfپیوند به مقاله ای که این کپی از آن ساخته شده است -

سطح آزاد سیال در حالت تعادل در میدان گرانشی صاف است. اگر تحت تأثیر برخی از تأثیرات خارجی، سطح مایع در جایی از وضعیت تعادل خود خارج شود، در این صورت حرکت در مایع رخ می دهد. این حرکت در تمام سطح مایع به شکل امواجی منتشر می شود که به آنها امواج گرانشی می گویند، زیرا ناشی از عمل میدان گرانشی است. امواج گرانشی عمدتاً در سطح مایع رخ می‌دهد و هرچه لایه‌های داخلی آن کمتر باشد، این لایه‌ها عمیق‌تر قرار می‌گیرند.

ما در اینجا چنین امواج گرانشی را در نظر خواهیم گرفت که در آنها سرعت حرکت ذرات سیال به قدری کم است که می توان از عبارت معادله اویلر در مقایسه با آن غفلت کرد. این ذرات در یک بازه زمانی مرتبه دوره نوسانات ایجاد شده توسط ذرات مایع در موج، از فاصله مرتبه دامنه a موج عبور می کنند، بنابراین سرعت حرکت آنها در حد درجه است. سرعت v به طور قابل توجهی در فواصل زمانی مرتبه و در فواصل ترتیب در امتداد جهت انتشار موج (- امواج طولی) تغییر می کند. بنابراین، مشتق سرعت نسبت به زمان از مرتبه و نسبت به مختصات از مرتبه است، بنابراین، شرط معادل شرط است.

یعنی دامنه نوسانات در یک موج باید در مقایسه با طول موج کوچک باشد. در بند 9 دیدیم که اگر بتوان از این اصطلاح در معادله حرکت غفلت کرد، در این صورت حرکت سیال بالقوه است. با فرض تراکم ناپذیری سیال، بنابراین می توانیم از معادلات (10.6) و (10.7) استفاده کنیم. در معادله (10.7) اکنون می توانیم از عبارتی که مجذور سرعت را در بر می گیرد صرف نظر کنیم. با قرار دادن و وارد کردن این اصطلاح در میدان گرانش، دریافت می کنیم:

(12,2)

محور را طبق معمول به صورت عمودی به سمت بالا انتخاب می کنیم و به عنوان صفحه x و y سطح صاف تعادل مایع را انتخاب می کنیم.

مختصات نقاط سطح مایع را با ; تابعی از مختصات x، y و زمان t است. در حالت تعادل بنابراین یک جابجایی عمودی از سطح مایع در نوسان وجود دارد.

بگذارید فشار ثابتی روی سطح مایع اعمال شود سپس مطابق (12.2) روی سطح خواهیم داشت.

ثابت را می توان با تعریف مجدد پتانسیل حذف کرد (با افزودن کمیتی مستقل از مختصات به آن. سپس شرایط روی سطح مایع شکل می گیرد.

کوچک بودن دامنه نوسان در موج به این معنی است که جابجایی کم است. بنابراین، می توانیم با همین تقریب فرض کنیم که مولفه عمودی سرعت حرکت نقاط سطحی با مشتق زمانی جابجایی Ho منطبق است، بنابراین داریم:

با توجه به کوچک بودن نوسانات، در این شرایط می توان مقادیر مشتقات را به جای آن در نظر گرفت، بنابراین در نهایت سیستم معادلات زیر را به دست می آوریم که حرکت در موج گرانشی را تعیین می کند:

امواج روی سطح یک مایع را با فرض اینکه این سطح نامحدود است در نظر می گیریم. ما همچنین فرض می کنیم که طول موج در مقایسه با عمق مایع کوچک است. سپس می توان مایع را بی نهایت عمیق در نظر گرفت. بنابراین شرایط مرزی را روی مرزهای کناری و در پایین مایع نمی نویسیم.

موج گرانشی را در نظر بگیرید که در امتداد محور منتشر می شود و در امتداد محور یکنواخت است؛ در چنین موجی، همه کمیت ها به مختصات y بستگی ندارند. ما به دنبال راه حلی خواهیم بود که تابع تناوبی ساده ای از زمان و مختصات x باشد:

که در آن ( فرکانس چرخه ای است (در مورد آن به سادگی به عنوان یک فرکانس صحبت خواهیم کرد)، k بردار موج موج است، طول موج است. با جایگزینی این عبارت در معادله، معادله تابع را به دست می آوریم.

محلول آن در عمق مایع (یعنی در ):

ما همچنین باید شرط مرزی (12.5) را برآورده کنیم، با جایگزینی (12.5) در آن، رابطه بین بردار موج فرکانس b (یا همانطور که می گویند قانون پراکندگی امواج) را پیدا می کنیم:

توزیع سرعت در مایع با تفکیک پتانسیل با توجه به مختصات به دست می آید:

می بینیم که سرعت در جهت اعماق مایع به صورت تصاعدی کاهش می یابد. در هر نقطه داده شده در فضا (یعنی برای x، z داده شده)، بردار سرعت به طور یکنواخت در صفحه x می چرخد ​​و قدر ثابت باقی می ماند.

اجازه دهید مسیر ذرات سیال در موج را نیز تعیین کنیم. اجازه دهید به طور موقت مختصات یک ذره سیال متحرک (و نه مختصات یک نقطه ثابت در فضا) را با x، z و با استفاده از - مقدار x را برای موقعیت تعادلی ذره نشان دهیم. سپس a در سمت راست (12.8) را می توان تقریباً به جای , با استفاده از کوچکی نوسانات نوشت. ادغام در طول زمان باعث می شود:

بنابراین، ذرات سیال دایره‌هایی را در اطراف نقاطی با شعاع در حال کاهش تصاعدی در جهت اعماق سیال توصیف می‌کنند.

سرعت انتشار موج U برابر است، همانطور که در § 67 نشان داده خواهد شد. با جایگزینی در اینجا متوجه می شویم که سرعت انتشار امواج گرانشی روی سطح نامحدود یک مایع بی نهایت عمیق برابر است با

با افزایش طول موج افزایش می یابد.

امواج گرانشی بلند

با در نظر گرفتن امواج گرانشی که طول آنها در مقایسه با عمق مایع کوچک است، اکنون به حالت محدود کننده مخالف امواج می پردازیم که طول آنها در مقایسه با عمق مایع بزرگ است.

به چنین امواجی امواج بلند می گویند.

ابتدا انتشار امواج بلند در یک کانال را در نظر بگیرید. طول کانال (در جهت محور x) نامحدود در نظر گرفته می شود. مقطع کانال می تواند شکل دلخواه داشته باشد و در طول آن متغیر باشد. سطح مقطع مایع در کانال با نشان داده می شود. عمق و عرض کانال در مقایسه با طول موج کوچک فرض می شود.

ما در اینجا امواج طولانی طولی را در نظر خواهیم گرفت که در آن مایع در امتداد کانال حرکت می کند. در چنین امواجی، مولفه سرعت در طول کانال در مقایسه با مولفه ها بزرگ است

با نشان دادن ساده v و حذف عبارت های کوچک، می توانیم مولفه - معادله اویلر را به صورت زیر بنویسیم.

و - جزء - به شکل

(از آنجایی که دامنه موج هنوز کوچک در نظر گرفته می شود، اصطلاحات درجه دوم سرعت را حذف می کنیم). از معادله دوم، متوجه شده ایم که در سطح آزاد ) باید وجود داشته باشد

با جایگزینی این عبارت در معادله اول، دریافت می کنیم:

معادله دوم برای تعیین دو مجهول را می توان با روشی شبیه به استخراج معادله پیوستگی به دست آورد. این معادله اساساً یک معادله پیوستگی است که در مورد مورد بررسی اعمال می شود. اجازه دهید حجم مایع محصور شده بین دو صفحه از سطح مقطع کانال را که در فاصله ای از یکدیگر قرار دارند در نظر بگیریم. برای یک واحد زمان حجم مایع از یک صفحه وارد می شود و حجمی از صفحه دیگر خارج می شود بنابراین حجم مایع بین هر دو صفحه تغییر می کند.