فرکانس امواج گرانشی کشف امواج گرانشی برای افراد عادی چه معنایی دارد؟ آیا امواج گرانشی با سرعت نور حرکت می کنند؟

امواج گرانشی که به صورت تئوری توسط انیشتین در سال 1917 پیش بینی شده بود، هنوز منتظر کاشف خود هستند.

در اواخر سال 1969، جوزف وبر، پروفسور فیزیک دانشگاه مریلند، اعلامیه ای هیجان انگیز داد. او اعلام کرد که امواج گرانشی را کشف کرده است که از اعماق فضا به زمین آمده اند. تا آن زمان، حتی یک دانشمند چنین ادعایی را مطرح نکرده بود و امکان تشخیص چنین امواجی بسیار بدیهی تلقی می شد. با این حال، وبر به عنوان یک مرجع در حوزه خود شناخته می شد و بنابراین همکاران پیام او را با جدیت کامل دریافت کردند.

با این حال، ناامیدی به زودی آغاز شد. دامنه امواجی که ادعا می شود توسط وبر ثبت شده است میلیون ها بار بیشتر از مقدار تئوری بوده است. وبر استدلال می‌کرد که این امواج از مرکز کهکشان ما، پوشیده از ابرهای غباری می‌آیند، که در آن زمان اطلاعات کمی درباره آن وجود داشت. اخترفیزیکدانان پیشنهاد کرده اند که سیاهچاله ای غول پیکر در آنجا پنهان شده است که سالانه هزاران ستاره را می بلعد و بخشی از انرژی جذب شده را به شکل تشعشعات گرانشی بیرون می اندازد و ستاره شناسان در جستجوی بیهوده برای یافتن آثار واضح تر این آدم خواری کیهانی بوده اند. (اکنون ثابت شده است که واقعاً یک سیاهچاله در آنجا وجود دارد، اما کاملاً شایسته است). فیزیکدانانی از ایالات متحده آمریکا، اتحاد جماهیر شوروی، فرانسه، آلمان، انگلیس و ایتالیا آزمایشاتی را بر روی آشکارسازهایی از همان نوع آغاز کردند - و چیزی به دست نیاوردند.

دانشمندان هنوز نمی دانند خوانش های عجیب سازهای وبر را به چه چیزی نسبت دهند. با این حال، تلاش های او بیهوده نبود، اگرچه امواج گرانشی هنوز کشف نشده است. چندین تأسیسات برای جستجوی آنها قبلاً ساخته شده یا در حال ساخت است و ده سال دیگر چنین آشکارسازهایی به فضا پرتاب خواهند شد. کاملاً ممکن است که در آینده نه چندان دور تابش گرانشی به همان واقعیت فیزیکی قابل مشاهده تبدیل شود که نوسانات الکترومغناطیسی است. متأسفانه جوزف وبر دیگر این را نمی داند - او در سپتامبر 2000 درگذشت.

امواج گرانشی چیست؟

اغلب گفته می شود که امواج گرانشی اختلالات میدان گرانشی هستند که در فضا منتشر می شوند. این تعریف درست، اما ناقص است. بر اساس نظریه نسبیت عام، گرانش از انحنای پیوستار فضا-زمان ناشی می شود. امواج گرانشی نوسانات متریک فضا-زمان هستند که خود را به صورت نوسانات در میدان گرانشی نشان می دهند، بنابراین اغلب به صورت مجازی امواج فضا-زمان نامیده می شوند. امواج گرانشی به طور نظری در سال 1917 توسط آلبرت انیشتین پیش بینی شد. هیچ کس در وجود آنها شک ندارد، اما امواج گرانشی هنوز منتظر کاشف خود هستند.

منبع امواج گرانشیبه عنوان هر حرکت اجسام مادی عمل می کند که منجر به تغییر غیر یکنواخت در نیروی گرانش در فضای اطراف می شود. جسمی که با سرعت ثابت حرکت می کند چیزی از خود ساطع نمی کند، زیرا ماهیت میدان گرانشی آن تغییر نمی کند. برای انتشار امواج گرانشی، شتاب لازم است، اما نه. استوانه‌ای که حول محور تقارن خود می‌چرخد، شتاب را تجربه می‌کند، اما میدان گرانشی آن یکنواخت می‌ماند و هیچ امواج گرانشی ایجاد نمی‌شود. اما اگر این استوانه را حول محور دیگری بچرخانید، میدان نوسان می کند و امواج گرانشی از استوانه در همه جهات جاری می شود.

این نتیجه برای هر جسم (یا سیستم اجسام) که نسبت به محور چرخش متقارن نباشد صدق می کند (در چنین مواردی گفته می شود که جسم دارای گشتاور چهارقطبی است). یک سیستم جرمی که گشتاور چهارقطبی آن با زمان تغییر می‌کند، همیشه امواج گرانشی را ساطع می‌کند.

خواص اساسی امواج گرانشی

اخترفیزیکدانان پیشنهاد می کنند که تابش امواج گرانشی است که انرژی را از بین می برد و سرعت چرخش یک تپ اختر عظیم را هنگامی که ماده ستاره همسایه را جذب می کند، محدود می کند.

چراغ های گرانشی فضا

تابش گرانشی از منابع زمینی بسیار ضعیف است. یک ستون فولادی به وزن 10000 تن، که از مرکز در یک صفحه افقی معلق است و حول محور عمودی تا 600 دور در دقیقه پیچانده نشده است، توانی در حدود 10 تا 24 وات ساطع می کند. بنابراین، تنها امید برای تشخیص امواج گرانشی، یافتن منبع کیهانی تابش گرانشی است.

از این نظر، ستاره های دوتایی نزدیک بسیار امیدوارکننده هستند. دلیل آن ساده است: قدرت تابش گرانشی چنین سیستمی به نسبت معکوس با قدرت پنجم قطر آن رشد می کند. حتی بهتر است که مسیر ستارگان به شدت دراز باشد، زیرا این باعث افزایش سرعت تغییر در گشتاور چهار قطبی می شود. اگر سیستم دوتایی از ستاره های نوترونی یا سیاهچاله ها تشکیل شده باشد، بسیار خوب است. چنین سیستم هایی مانند چراغ های گرانشی در فضا هستند - تابش آنها دوره ای است.

در فضا، منابع "تکانشی" نیز وجود دارند که انفجارهای گرانشی کوتاه اما بسیار قدرتمندی ایجاد می کنند. این زمانی اتفاق می افتد که یک ستاره عظیم قبل از یک انفجار ابرنواختر فرو می ریزد. با این حال، تغییر شکل ستاره باید نامتقارن باشد، در غیر این صورت تابش رخ نخواهد داد. در طول فروپاشی، امواج گرانشی می توانند تا 10 درصد از کل انرژی ستاره را با خود ببرند! قدرت تابش گرانشی در این حالت حدود 1050 وات است. حتی انرژی بیشتری در طول ادغام ستاره های نوترونی آزاد می شود، در اینجا اوج قدرت به 1052 وات می رسد. یک منبع عالی تابش برخورد سیاهچاله ها است: جرم آنها می تواند میلیاردها بار از جرم ستاره های نوترونی بیشتر شود.

منبع دیگر امواج گرانشی تورم کیهانی است. بلافاصله پس از انفجار بزرگ، کیهان به سرعت شروع به انبساط کرد و در کمتر از 10-34 ثانیه قطر آن از 10-33 سانتی متر به اندازه ماکروسکوپی افزایش یافت. این فرآیند امواج گرانشی را که قبل از شروع آن وجود داشت، به طرز بی‌اندازه‌ای تقویت کرد و فرزندان آن‌ها تا به امروز زنده مانده‌اند.

تایید غیر مستقیم

اولین شواهد برای وجود امواج گرانشی از کار جوزف تیلور، ستاره شناس رادیویی آمریکایی و شاگردش راسل هالس می آید. در سال 1974، آنها یک جفت ستاره نوترونی در حال چرخش (یک تپ اختر رادیویی با همراهی خاموش) را کشف کردند. تپ اختر حول محور خود با سرعت زاویه ای پایدار می چرخید (که همیشه اینطور نیست) و بنابراین به عنوان یک ساعت بسیار دقیق عمل می کرد. این ویژگی امکان اندازه گیری جرم هر دو ستاره و تعیین ماهیت حرکت مداری آنها را فراهم کرد. مشخص شد که دوره چرخش این سیستم دوتایی (حدود 3 ساعت و 45 دقیقه) سالانه 70 میکرو ثانیه کاهش می یابد. این مقدار به خوبی با حل معادلات نسبیت عام که اتلاف انرژی را توصیف می کند مطابقت دارد زوج ستاره، به دلیل تشعشعات گرانشی (البته برخورد این ستارگان به زودی و پس از 300 میلیون سال اتفاق نمی افتد). در سال 1993، تیلور و هولس به خاطر این کشف جایزه نوبل دریافت کردند.

آنتن های امواج گرانشی

چگونه امواج گرانشی را به صورت تجربی تشخیص دهیم؟ وبر به عنوان آشکارساز از سیلندرهای آلومینیومی جامد به طول یک متر با سنسورهای پیزو در انتهای آن استفاده کرد. آنها با نهایت دقت از تأثیرات مکانیکی خارجی در یک محفظه خلاء جدا شدند. وبر دو تا از این سیلندرها را در یک پناهگاه زیر زمین گلف در دانشگاه مریلند و یکی در آزمایشگاه ملی آرگون نصب کرد.

ایده آزمایش ساده است. فضای تحت تأثیر امواج گرانشی فشرده و کشیده می شود. به همین دلیل استوانه در جهت طولی می لرزد و به عنوان آنتن موج گرانشی عمل می کند و کریستال های پیزوالکتریک ارتعاشات را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند. هر گذر از امواج گرانشی کیهانی عملاً به طور همزمان بر آشکارسازهایی که با هزار کیلومتر از هم جدا شده اند تأثیر می گذارد و این امکان فیلتر کردن تکانه های گرانشی از انواع مختلف نویز را فراهم می کند.

حسگرهای وبر قادر به تشخیص جابجایی انتهای سیلندر، برابر با 10-15 طول آن - در این مورد، 10-13 سانتی متر بودند. نامه های بررسی فیزیکی. تمام تلاش ها برای تکرار این نتایج بیهوده بوده است. داده‌های وبر نیز با این نظریه در تضاد است، که عملاً اجازه نمی‌دهد که تغییرات نسبی بالاتر از 10-18 انتظار داشته باشیم (و مقادیر کمتر از 10-20 بسیار محتمل‌تر هستند). این احتمال وجود دارد که وبر در پردازش آماری نتایج اشتباه کرده باشد. اولین تلاش برای تشخیص تجربی تابش گرانشی با شکست انجام شد.

در آینده، آنتن های امواج گرانشی به طور قابل توجهی بهبود یافته اند. در سال 1967، بیل فیربنک، فیزیکدان آمریکایی، پیشنهاد داد که آنها را در هلیوم مایع خنک کنند. این نه تنها خلاص شدن از شر بیشتر نویزهای حرارتی را امکان پذیر کرد، بلکه امکان استفاده از SQUID ها (تداخل سنج های کوانتومی ابررسانا)، دقیق ترین مغناطیس سنج های فوق حساس را نیز باز کرد. اجرای این ایده با مشکلات فنی فراوانی همراه بود و خود فیربنک برای دیدن آن زنده نماند. در اوایل دهه 1980، فیزیکدانان دانشگاه استنفورد دستگاهی با حساسیت 10-18 ساخته بودند، اما هیچ امواجی ثبت نشد. اکنون در تعدادی از کشورها آشکارسازهای امواج گرانشی ارتعاشی فوق برودتی وجود دارد که در دماهای تنها یک دهم و صدم درجه بالاتر از صفر مطلق کار می کنند. به عنوان مثال، کارخانه AURIGA در پادوآ است. آنتن برای آن یک استوانه سه متری از آلیاژ آلومینیوم منیزیم است که قطر آن 60 سانتی متر و وزن آن 2.3 تن است و در یک محفظه خلاء خنک شده تا 0.1 کلوین معلق است. ارتعاشات آن (با فرکانس حدود 1000 هرتز) به یک تشدید کننده کمکی با جرم 1 کیلوگرم منتقل می شود که با همان فرکانس اما با دامنه بسیار بزرگتر نوسان می کند. این ارتعاشات توسط تجهیزات اندازه گیری ثبت و توسط کامپیوتر تجزیه و تحلیل می شوند. حساسیت مجموعه AURIGA حدود 10 -20 -10 -21 است.

تداخل سنج

راه دیگر برای تشخیص امواج گرانشی بر اساس رد تشدید کننده های عظیم به نفع پرتوهای نور است. اولین بار در سال 1962 پیشنهاد شد فیزیکدانان شورویمیخائیل گرتسنشتاین و ولادیسلاو پوستوویت و دو سال بعد وبر. در اوایل دهه 1970، کارمند آزمایشگاه تحقیقاتی شرکت هواپیمای هیوزرابرت فوروارد (دانشجوی سابق وبر و بعدها نویسنده بسیار مشهور داستان های علمی تخیلی) اولین آشکارساز را با حساسیت کاملا مناسب ساخت. در همان زمان، راینر وایس، استاد موسسه فناوری ماساچوست (MIT) یک تحلیل نظری بسیار عمیق از امکان ثبت امواج گرانشی با استفاده از روش‌های نوری انجام داد.

این روش ها شامل استفاده از آنالوگ های دستگاهی است که 125 سال پیش، فیزیکدان آلبرت مایکلسون ثابت کرد که سرعت نور در همه جهات کاملاً یکسان است. در این تنظیمات، تداخل سنج مایکلسون، یک پرتو نور به یک صفحه نیمه شفاف برخورد می کند و به دو پرتو عمود بر هم تقسیم می شود که از آینه هایی که در همان فاصله از صفحه قرار دارند منعکس می شوند. سپس پرتوها دوباره ادغام می شوند و روی صفحه می افتند، جایی که یک الگوی تداخل ظاهر می شود (روشن و راه راه های تیرهو خطوط). اگر سرعت نور به جهت آن بستگی دارد، پس وقتی کل نصب را می چرخانید، این تصویر باید تغییر کند، اگر نه، باید مانند قبل باقی بماند.

آشکارساز امواج گرانشی تداخلی به روشی مشابه کار می کند. موج ارسالی فضا را منحرف می کند و طول هر بازوی تداخل سنج را تغییر می دهد (مسیری که نور از شکافنده به آینه می رود)، یک بازو را کشیده و دیگری را فشار می دهد. الگوی تداخل تغییر می کند و می توان آن را ثبت کرد. اما این آسان نیست: اگر تغییر نسبی مورد انتظار در طول بازوهای تداخل سنج 10 -20 باشد، با ابعاد دسکتاپ دستگاه (مانند مایکلسون) به نوساناتی با دامنه 10 -18 سانتی متر تبدیل می شود. برای مقایسه: امواج نور مرئی 10 تریلیون برابر طولانی تر هستند! می توانید طول شانه ها را تا چند کیلومتر افزایش دهید، اما مشکلات همچنان پابرجا خواهند بود. منبع نور لیزر باید از نظر فرکانس قدرتمند و پایدار باشد، آینه ها باید کاملاً مسطح و کاملاً بازتابنده باشند، خلاء در لوله هایی که نور از طریق آنها منتشر می شود باید تا حد امکان عمیق باشد، تثبیت مکانیکی کل سیستم باید واقعاً باشد. کامل. به طور خلاصه، آشکارساز تداخل امواج گرانشی دستگاهی گران قیمت و حجیم است.

امروزه بزرگترین تاسیسات از این دست مجتمع LIGO آمریکایی است. (رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج نور). این رصدخانه شامل دو رصدخانه است که یکی از آنها در سواحل اقیانوس آرام ایالات متحده واقع شده است و دیگری فاصله چندانی با آن ندارد. خلیج مکزیک. اندازه گیری ها با استفاده از سه تداخل سنج (دو دستگاه در ایالت واشنگتن، یکی در لوئیزیانا) با بازوهایی به طول 4 کیلومتر انجام می شود. این دستگاه مجهز به باتری های نور آینه ای است که حساسیت آن را افزایش می دهد. پیتر سولسون، استاد فیزیک دانشگاه سیراکیوز، از مجتمع LIGO، به Popular Mechanics گفت: «از نوامبر 2005، هر سه تداخل سنج ما به طور عادی کار می کنند. - ما دائماً در حال مبادله داده‌ها با رصدخانه‌های دیگر هستیم که سعی می‌کنند امواج گرانشی با فرکانس ده‌ها و صدها هرتز را که در قوی‌ترین انفجارهای ابرنواختر و ادغام ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها به وجود آمده‌اند، شناسایی کنیم. اکنون تداخل سنج آلمانی GEO 600 (طول بازو - 600 متر)، واقع در 25 کیلومتری هانوفر، در حال کار است. ساز 300 متری TAMA ژاپنی در حال حاضر در حال ارتقا است. آشکارساز Virgo سه کیلومتری در نزدیکی پیزا در اوایل سال 2007 به این تلاش خواهد پیوست و در فرکانس های زیر 50 هرتز می تواند از LIGO بهتر عمل کند. تاسیسات با رزوناتورهای فوق برودتی با افزایش کارایی کار می کنند، اگرچه حساسیت آنها هنوز تا حدودی کمتر از حساسیت ما است.

چشم انداز

چه چیزی در انتظار روش های تشخیص امواج گرانشی در آینده نزدیک است؟ پروفسور راینر وایس در این باره به Popular Mechanics گفت: «تا چند سال دیگر، لیزرهای قدرتمندتر و آشکارسازهای پیشرفته تری در رصدخانه های مجتمع LIGO نصب خواهند شد که منجر به افزایش 15 برابری حساسیت می شود. اکنون 10 -21 است (در فرکانس های مرتبه 100 هرتز) و پس از مدرن سازی از 10 -22 تجاوز می کند. مجموعه مدرن، Advanced LIGO، عمق نفوذ به فضا را 15 برابر افزایش می دهد. پروفسور دانشگاه دولتی مسکو ولادیمیر براگینسکی، یکی از پیشگامان مطالعه امواج گرانشی، فعالانه در این پروژه شرکت می کند.

پرتاب تداخل سنج فضایی LISA برای اواسط دهه آینده برنامه ریزی شده است. آنتن فضایی تداخل سنج لیزری) با طول شانه 5 میلیون کیلومتر، پروژه مشترک ناسا و آژانس فضایی اروپا است. حساسیت این رصدخانه صدها برابر بیشتر از قابلیت های ابزارهای زمینی خواهد بود. اساساً برای جستجوی امواج گرانشی با فرکانس پایین (10-4-10-1 هرتز) طراحی شده است که به دلیل تداخل جوی و لرزه ای روی سطح زمین نمی توانند گرفتار شوند. چنین امواجی توسط سیستم های ستاره ای دوتایی، ساکنان کاملا معمولی کیهان، ساطع می شوند. LISA همچنین قادر خواهد بود امواج گرانشی ایجاد شده در هنگام بلعیده شدن ستاره های معمولی توسط سیاهچاله ها را تشخیص دهد. اما برای تشخیص امواج گرانشی باقیمانده که اطلاعاتی درباره وضعیت ماده در اولین لحظات پس از انفجار بزرگ دارند، به احتمال زیاد به ابزارهای فضایی پیشرفته تری نیاز است. چنین تنظیمی مشاهده‌گر بیگ بنگاکنون در حال بحث است، اما بعید است که زودتر از 30-40 سال آینده ایجاد و راه اندازی شود.»

11 فوریه 2016 روز رسمی کشف (تشخیص) امواج گرانشی در نظر گرفته شده است. پس از آن بود که در یک کنفرانس مطبوعاتی که در واشنگتن برگزار شد، رهبران همکاری LIGO اعلام کردند که تیمی از محققان موفق به ثبت این پدیده برای اولین بار در تاریخ بشر شده اند.

پیشگویی های اینشتین بزرگ

وجود امواج گرانشی توسط آلبرت انیشتین در آغاز قرن گذشته (1916) در چارچوب نظریه نسبیت عام (GR) که توسط او تدوین شده بود، پیشنهاد کرد. تنها می توان از توانایی های درخشان این فیزیکدان مشهور شگفت زده شد که با حداقل داده های واقعی توانست چنین نتیجه گیری های گسترده ای را انجام دهد. در میان بسیاری دیگر از پدیده های فیزیکی پیش بینی شده که در قرن بعد تایید شد (کاهش گذر زمان، تغییر جهت تابش الکترومغناطیسی در میدان های گرانشیو غیره) تا همین اواخر امکان تشخیص عملی وجود این نوع برهمکنش موجی اجسام وجود نداشت.

جاذبه - یک توهم؟

به طور کلی، در پرتو نظریه نسبیت، گرانش را به سختی می توان یک نیرو نامید. آشفتگی یا انحنای پیوستار فضا-زمان. یک مثال خوب که این اصل را نشان می دهد، یک تکه پارچه کشیده است. زیر وزن جسم عظیمی که روی چنین سطحی قرار می گیرد، یک فرورفتگی ایجاد می شود. سایر اجسام که در نزدیکی این ناهنجاری حرکت می کنند، مسیر حرکت خود را تغییر می دهند، گویی "جذب شده اند". و هر چه وزن جسم بیشتر باشد (قطر و عمق انحنای آن بیشتر باشد)، «نیروی جذب» بیشتر است. هنگامی که از طریق پارچه حرکت می کند، می توان ظاهر یک "ریپل" واگرا را مشاهده کرد.

چیزی مشابه در فضای جهان اتفاق می افتد. هر ماده عظیمی که به سرعت در حال حرکت است، منبع نوسانات در چگالی فضا و زمان است. یک موج گرانشی با دامنه قابل توجه توسط اجسامی با جرم بسیار زیاد یا هنگام حرکت با شتاب های عظیم تشکیل می شود.

ویژگیهای فیزیکی

نوسانات متریک فضا-زمان خود را به صورت تغییرات در میدان گرانشی نشان می دهد. این پدیده در غیر این صورت امواج فضا-زمان نامیده می شود. موج گرانشی روی اجسام و اجسام برخورد شده اثر می گذارد و آنها را فشرده و کشیده می کند. مقادیر تغییر شکل بسیار کوچک است - حدود 10 -21 اندازه اصلی. تمام دشواری تشخیص این پدیده این بود که محققان باید یاد می گرفتند که چگونه چنین تغییراتی را با کمک تجهیزات مناسب اندازه گیری و ثبت کنند. قدرت تابش گرانشی نیز بسیار کم است - برای کل منظومه شمسیچند کیلووات است.

سرعت انتشار امواج گرانشی اندکی به خواص محیط رسانا بستگی دارد. دامنه نوسان با فاصله از منبع به تدریج کاهش می یابد، اما هرگز به صفر نمی رسد. فرکانس در محدوده چند ده تا صدها هرتز قرار دارد. سرعت امواج گرانشی در محیط بین ستاره ای به سرعت نور نزدیک می شود.

شواهد غیرمستقیم

برای اولین بار، تایید نظری وجود امواج گرانشی توسط جوزف تیلور، ستاره شناس آمریکایی و دستیارش راسل هالس در سال 1974 به دست آمد. محققان با مطالعه وسعت کیهان با استفاده از تلسکوپ رادیویی رصدخانه آرسیبو (پورتوریکو)، تپ اختر PSR B1913 + 16 را کشف کردند که یک سیستم دوتایی از ستارگان نوترونی است که به دور یک مرکز جرم مشترک با سرعت زاویه ای ثابت می چرخند. یک مورد نسبتاً نادر). هر سال، دوره انقلاب که در ابتدا 3.75 ساعت بود، 70 میلی ثانیه کاهش می یابد. این مقدار کاملاً با نتیجه گیری از معادلات GR که افزایش سرعت چرخش چنین سیستم هایی را به دلیل صرف انرژی برای تولید امواج گرانشی پیش بینی می کند، مطابقت دارد. پس از آن، چندین تپ اختر دوتایی و کوتوله های سفید با رفتار مشابه کشف شدند. اخترشناسان رادیویی D. Taylor و R. Hulse در سال 1993 جایزه نوبل فیزیک را به دلیل کشف امکانات جدید برای مطالعه میدان های گرانشی دریافت کردند.

یک موج گرانشی گریزان

اولین بیانیه در مورد تشخیص امواج گرانشی از دانشمند دانشگاه مریلند جوزف وبر (ایالات متحده آمریکا) در سال 1969 بیان شد. برای این منظور، او از دو آنتن گرانشی طراحی خود استفاده کرد که با فاصله دو کیلومتری از هم فاصله داشتند. آشکارساز تشدید یک استوانه آلومینیومی یک تکه دو متری با ارتعاش خوب مجهز به حسگرهای پیزوالکتریک حساس بود. دامنه نوساناتی که ادعا می شود توسط وبر ثبت شده است بیش از یک میلیون بار بیشتر از مقدار مورد انتظار است. تلاش دانشمندان دیگر با استفاده از چنین تجهیزاتی برای تکرار "موفقیت" فیزیکدان آمریکایی نتایج مثبتی به همراه نداشت. چند سال بعد، کار وبر در این زمینه غیرقابل دفاع شناخته شد، اما انگیزه ای برای توسعه "رونق گرانشی" ایجاد کرد که متخصصان بسیاری را به این حوزه تحقیقاتی جذب کرد. به هر حال، خود جوزف وبر تا پایان روزهایش مطمئن بود که امواج گرانشی را دریافت می کند.

بهبود تجهیزات دریافت

در دهه 70، دانشمند بیل فیربانک (ایالات متحده آمریکا) طراحی یک آنتن موج گرانشی را توسعه داد که با استفاده از SQUIDها - مغناطیس سنج های فوق حساس خنک می شود. فناوری هایی که در آن زمان وجود داشت به مخترع اجازه نمی داد محصول خود را که در "فلز" تحقق یافته است ببیند.

بر اساس این اصل، آشکارساز گرانشی Auriga در آزمایشگاه ملی لگنارد (پادوآ، ایتالیا) ساخته شد. طراحی بر اساس یک استوانه آلومینیوم منیزیم به طول 3 متر و قطر 0.6 متر است. دستگاه گیرنده با وزن 2.3 تن در یک محفظه خلاء ایزوله که تقریباً تا صفر مطلق خنک شده است معلق است. یک تشدیدگر کمکی کیلوگرم و یک مجتمع اندازه گیری مبتنی بر کامپیوتر برای رفع و تشخیص لرزش استفاده می شود. حساسیت اعلام شده تجهیزات 10 -20 است.

تداخل سنج

عملکرد آشکارسازهای تداخل امواج گرانشی بر اساس همان اصولی است که تداخل سنج مایکلسون با آن کار می کند. پرتو لیزر ساطع شده از منبع به دو جریان تقسیم می شود. پس از انعکاس‌های متعدد و حرکت در امتداد شانه‌های دستگاه، جریان‌ها دوباره کنار هم قرار می‌گیرند و آخرین مورد برای قضاوت در مورد اینکه آیا هر گونه آشفتگی (مثلاً یک موج گرانشی) بر مسیر پرتوها تأثیر گذاشته است یا خیر استفاده می‌شود. تجهیزات مشابه در بسیاری از کشورها ایجاد شده است:

GEO 600 (هانوفر، آلمان). طول تونل های خلاء 600 متر است.
TAMA (ژاپن) با شانه های 300 متر.
VIRGO (پیزا، ایتالیا) یک پروژه مشترک فرانسوی و ایتالیایی است که در سال 2007 با تونل های 3 کیلومتری راه اندازی شد.
LIGO (ایالات متحده آمریکا، ساحل اقیانوس آرام)، شکار امواج گرانشی از سال 2002.

مورد دوم ارزش بررسی جزئیات بیشتری را دارد.

LIGO پیشرفته

این پروژه به ابتکار دانشمندان مؤسسه فناوری ماساچوست و کالیفرنیا ایجاد شد. شامل دو رصدخانه به فاصله 3 هزار کیلومتر، در و واشنگتن (شهرهای لیوینگستون و هانفورد) با سه تداخل سنج یکسان. طول تونل های خلاء عمود بر 4 هزار متر است. اینها بزرگترین چنین سازه هایی هستند که در حال حاضر در حال کار هستند. تا سال 2011، تلاش های متعدد برای تشخیص امواج گرانشی هیچ نتیجه ای نداشت. نوسازی قابل توجه انجام شده (Advanced LIGO) حساسیت تجهیزات را در محدوده 300-500 هرتز بیش از پنج برابر افزایش داد و در منطقه فرکانس پایین (تا 60 هرتز) تقریباً یک مرتبه بزرگی را افزایش داد. چنین مقدار مطلوب 10 -21 . پروژه به روز شده در سپتامبر 2015 آغاز شد و تلاش بیش از هزار نفر از کارکنان این همکاری با نتایج حاصل شد.

امواج گرانشی شناسایی شد

در 14 سپتامبر 2015، آشکارسازهای پیشرفته LIGO با فاصله 7 میلی ثانیه امواج گرانشی را ثبت کردند که از بزرگترین پدیده ای که در حومه کیهان قابل مشاهده رخ داد - ادغام دو سیاهچاله بزرگ با جرم 29 و 36 برابر به سیاره ما رسید. جرم خورشید در طی این فرآیند که بیش از 1.3 میلیارد سال پیش انجام شد، حدود سه جرم خورشیدی در کسری از ثانیه صرف تابش امواج گرانشی شد. فرکانس اولیه ثابت امواج گرانشی 35 هرتز بود و حداکثر مقدار پیک به 250 هرتز رسید.

نتایج به‌دست‌آمده بارها تحت بررسی و پردازش جامع قرار گرفت و تفسیرهای جایگزین داده‌های به‌دست‌آمده با دقت قطع شد. سرانجام سال گذشته ثبت مستقیم پدیده پیش بینی شده توسط اینشتین به جامعه جهانی اعلام شد.

واقعیتی که کار عظیم محققان را نشان می دهد: دامنه نوسانات در ابعاد بازوهای تداخل سنج 10-19 متر بود - این مقدار به همان اندازه کمتر از قطر یک اتم است و کمتر از یک نارنجی است.

چشم انداز آینده

کشف انجام شده بار دیگر تأیید می کند که نظریه نسبیت عام فقط مجموعه ای از فرمول های انتزاعی نیست، بلکه اساساً یک نگاه جدیددر مورد ماهیت امواج گرانشی و گرانش به طور کلی.

در تحقیقات بیشتر، دانشمندان امید زیادی به پروژه ELSA دارند: ایجاد تداخل سنج مداری غول پیکر با بازوهایی به طول حدود 5 میلیون کیلومتر، که قادر به تشخیص حتی اغتشاشات جزئی میدان های گرانشی است. تشدید کار در این راستا می تواند در مورد مراحل اصلی توسعه کیهان، در مورد فرآیندهایی که مشاهده آنها در گروه های سنتی دشوار یا غیرممکن است، چیزهای زیادی بگوید. شکی نیست که سیاهچاله ها که امواج گرانشی آنها در آینده ثبت خواهد شد، چیزهای زیادی در مورد ماهیت آنها خواهند گفت.

برای مطالعه تابش گرانشی باقی مانده، که می تواند در مورد اولین لحظات جهان ما پس از انفجار بزرگ بگوید، به ابزارهای فضایی حساس تری نیاز است. چنین پروژه ای وجود دارد مشاهده‌گر بیگ بنگ، اما اجرای آن، به گفته کارشناسان، زودتر از 30-40 سال ممکن نیست.

اولین تشخیص مستقیم امواج گرانشی در 11 فوریه 2016 به جهان آشکار شد و سرفصل های سرتاسر جهان را ایجاد کرد. برای این کشف در سال 2017، فیزیکدانان جایزه نوبل را دریافت کردند و رسماً دوره جدیدی از نجوم گرانشی را آغاز کردند. اما تیمی از فیزیکدانان در موسسه نیلز بور در کپنهاگ، دانمارک، بر اساس تجزیه و تحلیل مستقل خود از داده‌های دو سال و نیم گذشته، این یافته را مورد تردید قرار دادند.

یکی از اسرارآمیزترین اجرام جهان، سیاهچاله ها، مرتباً جلب توجه می کند. ما می دانیم که آنها با هم برخورد می کنند، ادغام می شوند، روشنایی را تغییر می دهند و حتی تبخیر می شوند. و با این حال، در تئوری، سیاهچاله ها می توانند جهان ها را با استفاده از یکدیگر به یکدیگر متصل کنند. با این حال، تمام اطلاعات و فرضیات ما در مورد این اجرام عظیم ممکن است نادرست باشد. اخیرا در جامعه علمیشایعاتی وجود داشت مبنی بر اینکه دانشمندان سیگنالی را دریافت کردند که از یک سیاهچاله نشات می گرفت، اندازه و جرم آن به قدری عظیم است که وجود آن از نظر فیزیکی غیرممکن است.

اولین تشخیص مستقیم امواج گرانشی در 11 فوریه 2016 به جهان آشکار شد و سرفصل های سرتاسر جهان را ایجاد کرد. برای این کشف در سال 2017، فیزیکدانان جایزه نوبل را دریافت کردند و رسماً دوره جدیدی از نجوم گرانشی را آغاز کردند. اما گروهی از فیزیکدانان مؤسسه نیلز بور در کپنهاگ، بر اساس تجزیه و تحلیل مستقل خود از داده‌های دو سال و نیم گذشته، این یافته را مورد تردید قرار دادند.

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 چندین کشور که به عنوان بخشی از پروژه بین‌المللی همکاری علمی LIGO کار می‌کنند، می‌گویند که با کمک چندین رصدخانه آشکارساز موفق به رفع امواج گرانشی در آزمایشگاه شدند.

آنها در حال تجزیه و تحلیل داده های دو رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) واقع در لوئیزیانا و واشنگتن در 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 شد، مشخص شد که موج گرانشی ناشی از برخورد دو سیاهچاله با جرم 29 و 36 برابر جرم است. خورشید. 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 تا به صورت دایره‌ای قرار بگیرند، 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 مهم ترین پیامدهای علمی کشف ادغام سیاهچاله ها تأیید 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 سراسر جهان سیگنال‌هایی را از ادغام یک ستاره 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 -، ایالات متحده آمریکا

بالاخره امواج گرانشی کشف شد

علوم پرطرفدار

نوسانات در فضا-زمان یک قرن پس از پیش بینی آنها توسط انیشتین کشف شد. عصر جدیدی در نجوم آغاز می شود.

دانشمندان توانسته اند نوسانات فضا-زمان ناشی از ادغام سیاهچاله ها را تشخیص دهند. این اتفاق صد سال پس از آنکه آلبرت انیشتین این "امواج گرانشی" را در نظریه نسبیت عام خود پیش بینی کرد و صد سال پس از آن که فیزیکدانان شروع به جستجوی آنها کردند، اتفاق افتاد.

این کشف مهم امروز توسط محققان رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنجی لیزری LIGO گزارش شد. آنها شایعاتی را که برای چندین ماه پیرامون تجزیه و تحلیل اولین مجموعه داده هایی که جمع آوری کرده بودند، تایید کردند. اخترفیزیکدانان می گویند کشف امواج گرانشی راه جدیدی برای نگاه کردن به کیهان فراهم می کند و تشخیص رویدادهای دوردستی را ممکن می سازد که در تلسکوپ های نوری دیده نمی شوند، اما می توان لرزش ضعیف آنها را که از طریق فضا به ما می رسد احساس و حتی شنید.

ما امواج گرانشی را شناسایی کرده ایم. ما انجامش دادیم!" دیوید ریتز، مدیر اجرایی تیم تحقیقاتی 1000 نفری، امروز در یک کنفرانس مطبوعاتی در واشنگتن دی سی در بنیاد ملی علوم اعلام کرد.

امواج گرانشی شاید گریزان‌ترین پدیده پیش‌بینی‌های انیشتین باشند، این دانشمند برای دهه‌ها این موضوع را با معاصران خود مورد بحث قرار داد. بر اساس نظریه او، فضا و زمان یک ماده کششی را تشکیل می دهند که تحت تأثیر اجسام سنگین خم می شود. احساس جاذبه به معنای افتادن در پیچ این ماده است. اما آیا این فضا-زمان می تواند مانند پوست طبل بلرزد؟ انیشتین گیج شده بود، نمی دانست معادلاتش به چه معناست. و بارها دیدگاه خود را تغییر داد. اما حتی سرسخت ترین حامیان نظریه او معتقد بودند که امواج گرانشی به هر حال آنقدر ضعیف هستند که قابل مشاهده نیستند. آنها پس از وقوع بلایای خاص به سمت بیرون آبشار می کنند و در حین حرکت به طور متناوب فضا-زمان را کشیده و فشرده می کنند. اما زمانی که این امواج به زمین می رسند، هر کیلومتر از فضا را با کسری ناچیز از قطر یک هسته اتم، کشیده و فشرده می کنند.

برای تشخیص این امواج، صبر و احتیاط لازم بود. رصدخانه LIGO پرتوهای لیزری را به سمت جلو و عقب در امتداد زانوهای چهار کیلومتری زاویه راست دو آشکارساز شلیک کرد، یکی در هانفورد، واشنگتن، و دیگری در لیوینگستون، لوئیزیانا. این کار در جستجوی انبساط و انقباض منطبق این سیستم ها در طول عبور امواج گرانشی انجام شد. دانشمندان با استفاده از تثبیت‌کننده‌های پیشرفته، ابزارهای خلاء و هزاران حسگر، تغییرات طول این سیستم‌ها را اندازه‌گیری کردند که به اندازه یک هزارم یک پروتون است. چنین حساسیتی از سازها صد سال پیش غیرقابل تصور بود. در سال 1968، زمانی که راینر وایس از موسسه فناوری ماساچوست، آزمایشی به نام LIGO را تصور کرد، باورنکردنی به نظر می رسید.

این یک معجزه بزرگ است که در نهایت آنها موفق شدند. آنها توانستند آن ارتعاشات کوچک را دریافت کنند!» دانیل کنفیک، فیزیکدان نظری دانشگاه آرکانزاس، که در سال 2007 کتاب سفر با سرعت فکر: انیشتین و جستجوی امواج گرانشی را نوشت، گفت.

این کشف آغاز عصر جدیدی در نجوم امواج گرانشی بود. امید است که ما ایده‌های دقیق‌تری در مورد شکل‌گیری، ترکیب و نقش کهکشانی سیاه‌چاله‌ها داشته باشیم - آن توپ‌های بسیار متراکم که فضا-زمان را چنان تاب می‌دهند که حتی نور هم نمی‌تواند از آن فرار کند. هنگامی که سیاهچاله ها به یکدیگر نزدیک می شوند و ادغام می شوند، یک سیگنال ضربه ای ایجاد می کنند - نوسانات فضا-زمان که در دامنه و تن افزایش می یابد و سپس به طور ناگهانی پایان می یابد. آن سیگنال هایی که رصدخانه می تواند تشخیص دهد در محدوده صوتی قرار دارند - با این حال، آنها بسیار ضعیف هستند که با گوش برهنه شنیده نمی شوند. می توانید این صدا را با کشیدن انگشتان خود روی کلیدهای پیانو دوباره ایجاد کنید. ویس گفت: "از پایین ترین نت شروع کنید و تا اکتاو سوم پیش بروید." "این چیزی است که ما می شنویم."

فیزیکدانان در حال حاضر از تعداد و قدرت سیگنال هایی که روی آنها ثبت می شود شگفت زده شده اند این لحظه. این بدان معناست که تعداد سیاهچاله ها در جهان بیشتر از آنچه قبلا تصور می شد وجود دارد. کیپ تورن، اخترفیزیکدان کلتک، که LIGO را با ویس و رونالد درور، همچنین از کلتک، ایجاد کرد، گفت: "ما خوش شانس بودیم، اما من همیشه روی این نوع شانس حساب می کردم." "معمولاً زمانی اتفاق می افتد که یک پنجره کاملاً جدید در جهان باز شود."

با گوش دادن به امواج گرانشی، می‌توانیم ایده‌های کاملاً متفاوتی در مورد فضا شکل دهیم و شاید پدیده‌های کیهانی غیرقابل تصور را کشف کنیم.

جانا لوین، اخترفیزیکدان نظری از کالج بارنارد دانشگاه کلمبیا، می‌گوید: «می‌توانم آن را با اولین باری که تلسکوپ را به سمت آسمان گرفتیم مقایسه کنم. مردم فهمیدند که چیزی در بیرون وجود دارد، و شما می‌توانید آن را ببینید، اما نمی‌توانستند گستره‌ی باورنکردنی از احتمالات موجود در جهان را پیش‌بینی کنند.» به طور مشابه، لوین خاطرنشان کرد، کشف امواج گرانشی می تواند نشان دهد که جهان پر از ماده تاریک است که ما نمی توانیم فقط با تلسکوپ آن را تشخیص دهیم.

داستان کشف اولین موج گرانشی از صبح روز دوشنبه در ماه سپتامبر آغاز شد و با پنبه آغاز شد. سیگنال به قدری واضح و بلند بود که ویس فکر کرد: "نه، این مزخرف است، چیزی از آن در نخواهد آمد."

شدت احساسات

این اولین موج گرانشی آشکارسازهای LIGO ارتقا یافته را در بر گرفت - ابتدا در لیوینگستون و هفت میلی ثانیه بعد در هانفورد - طی یک شبیه‌سازی در ساعات اولیه 14 سپتامبر، دو روز قبل از شروع رسمی جمع‌آوری داده‌ها.

آشکارسازها پس از نوسازی که پنج سال به طول انجامید و 200 میلیون دلار هزینه داشت، "در حال اجرا بودند". آنها مجهز به سیستم تعلیق آینه ای جدید برای کاهش نویز و فعال بودند بازخوردبرای سرکوب ارتعاشات اضافی در زمان واقعی. این به روز رسانی به رصدخانه ارتقا یافته سطح حساسیت بالاتری نسبت به LIGO قدیمی داد که به قول ویس بین سال های 2002 و 2010 "صفر مطلق و خالص" را یافت.

هنگامی که یک سیگنال قدرتمند در ماه سپتامبر آمد، دانشمندان در اروپا، جایی که در آن لحظه صبح بود، شروع به بمباران عجولانه همکاران آمریکایی خود با پیام هایی در این زمینه کردند. پست الکترونیک. وقتی بقیه اعضای گروه از خواب بیدار شدند، این خبر خیلی سریع پخش شد. ویس گفت: تقریباً همه مشکوک بودند، مخصوصاً وقتی سیگنال را دیدند. این یک کتاب درسی کلاسیک واقعی بود، و بنابراین برخی از مردم فکر می کردند که جعلی است.

از اواخر دهه 1960، زمانی که جوزف وبر از دانشگاه مریلند فکر کرد نوسانات رزونانسی را در یک استوانه آلومینیومی با حسگرهایی در پاسخ به امواج تشخیص داده است، ادعاهای نادرست در جستجوی امواج گرانشی بارها مطرح شده است. در سال 2014، آزمایشی به نام BICEP2 انجام شد که منجر به اعلام کشف امواج گرانشی اولیه - نوسانات فضا-زمان از بیگ بنگ شد، که تا به حال در هندسه کیهان کشیده شده و برای همیشه منجمد شده است. دانشمندان گروه BICEP2 کشف خود را با هیاهوی زیادی اعلام کردند، اما سپس نتایج آنها به طور مستقل تأیید شد، که طی آن مشخص شد که آنها اشتباه کرده اند و این سیگنال از غبار کیهانی آمده است.

وقتی لارنس کراوس کیهان شناس دانشگاه ایالتی آریزونا در مورد کشف تیم LIGO شنید، در ابتدا فکر کرد که این یک "فریب کور" است. در طول عملیات رصدخانه قدیمی، سیگنال های شبیه سازی شده به طور مخفیانه در جریان های داده قرار داده شدند تا پاسخ را آزمایش کنند. بیشترتیم از آن خبر نداشت. وقتی کراوس از یک منبع آگاه فهمید که این بار "پر کردن کور" نیست، به سختی توانست هیجان شادی‌آور خود را مهار کند.

در 25 سپتامبر، او در توییتی به 200000 دنبال کننده خود نوشت: «شایعاتی در مورد کشف یک موج گرانشی در آشکارساز LIGO. شگفت آور اگر درست باشد. اگر جعلی نباشد جزئیات را به شما اعلام می کنم. به دنبال این مطلب از 11 ژانویه آمده است: «شایعات قبلی در مورد LIGO توسط منابع مستقل تأیید شد. اخبار را دنبال کنید. شاید امواج گرانشی کشف شده باشد!»

موضع رسمی دانشمندان این بود: در مورد سیگنال دریافتی صحبت نکنید تا زمانی که اطمینان صد در صد وجود داشته باشد. تورن که دست و پای خود را به این تعهد محرمانه بسته بود، حتی به همسرش هم چیزی نگفت. او گفت: «من به تنهایی جشن گرفتم. برای شروع، دانشمندان تصمیم گرفتند به همان ابتدا برگردند و همه چیز را با کوچکترین جزئیات تجزیه و تحلیل کنند تا دریابند که چگونه سیگنال از طریق هزاران کانال اندازه گیری آشکارسازهای مختلف منتشر می شود و متوجه می شوند که آیا در آن زمان چیز عجیبی وجود دارد یا خیر. سیگنال شناسایی شد آنها هیچ چیز غیر عادی پیدا نکردند. آنها همچنین هکرها را که باید در طول آزمایش از هزاران جریان داده بهتر می دانستند، رد کردند. تورن گفت: «حتی وقتی تیم پرتاب‌های کور انجام می‌دهد، آن‌ها به اندازه کافی کامل نیستند و آثار زیادی را پشت سر خود بر جای می‌گذارند. "اما هیچ اثری وجود نداشت."

در هفته های بعد، آنها سیگنال ضعیف تری شنیدند.

دانشمندان دو سیگنال اول را تجزیه و تحلیل کردند و سیگنال های جدید بیشتری دریافت کردند. آنها در ماه ژانویه تحقیقات خود را در مجله Physical Review Letters ارائه کردند. این شماره امروز آنلاین می شود. بر اساس برآوردهای آنها، اهمیت آماری اولین و قدرتمندترین سیگنال از "5-sigma" فراتر رفته است، به این معنی که محققان 99.9999٪ از صحت آن مطمئن هستند.

گوش دادن به جاذبه

معادلات نسبیت عام انیشتین به قدری پیچیده است که اکثر فیزیکدانان 40 سال طول کشید تا بپذیرند که بله، امواج گرانشی وجود دارند و قابل تشخیص هستند - حتی به صورت نظری.

در ابتدا انیشتین فکر کرد که اجسام نمی توانند انرژی را به شکل تابش گرانشی آزاد کنند، اما سپس نظر خود را تغییر داد. او در اثر تاریخی خود که در سال 1918 نوشته شد، نشان داد که چه نوع اجسامی می توانند این کار را انجام دهند: سیستم های دمبلی شکل که به طور همزمان حول دو محور می چرخند، مانند ستاره های دوتایی و ابرنواختری که مانند ترقه منفجر می شوند. آنها می توانند امواجی را در فضا-زمان ایجاد کنند.

اما انیشتین و همکارانش به تزلزل خود ادامه دادند. برخی از فیزیکدانان استدلال کرده اند که حتی اگر امواج وجود داشته باشند، جهان با آنها نوسان می کند و احساس کردن آنها غیرممکن خواهد بود. در سال 1957 بود که ریچارد فاینمن با نشان دادن این موضوع که در صورت وجود امواج گرانشی، می توان آنها را از نظر تئوری تشخیص داد، این سوال را در یک آزمایش فکری به پایان رساند. اما هیچ‌کس نمی‌دانست که این سیستم‌های دمبل‌شکل چقدر در فضای بیرونی رایج هستند و امواج حاصله چقدر قوی یا ضعیف هستند. "در نهایت، سوال این بود: آیا ما هرگز آنها را پیدا خواهیم کرد؟" کنفیک گفت.

در سال 1968، راینر وایس یک استاد جوان در MIT بود و برای تدریس درسی در نسبیت عام منصوب شد. به عنوان یک آزمایشگر، او اطلاعات کمی در مورد آن داشت، اما ناگهان خبر کشف امواج گرانشی توسط وبر به گوش رسید. وبر سه آشکارساز تشدید کننده به اندازه میز را از آلومینیوم ساخت و آنها را در ایالات مختلف آمریکا قرار داد. حالا او گفت که هر سه آشکارساز "صدای امواج گرانشی" را ضبط کرده اند.

از دانش آموزان ویس خواسته شد تا ماهیت امواج گرانشی را توضیح دهند و نظر خود را در مورد پیام بیان کنند. او با مطالعه جزئیات، از پیچیدگی محاسبات ریاضی شگفت زده شد. من نمی‌توانستم بفهمم که وبر چه کار می‌کند، حسگرها چگونه با موج گرانشی تعامل دارند. مدت زیادی نشستم و از خودم پرسیدم: "ابتدای ترین چیزی که می توانم به آن فکر کنم که امواج گرانشی را تشخیص می دهد چیست؟" و سپس ایده ای به ذهنم رسید که من آن را مبنای مفهومی LIGO می نامم.

سه جسم را در فضا-زمان تصور کنید، مثلاً آینه هایی در گوشه های یک مثلث. وبر گفت: "یک سیگنال نوری را از یکی به دیگری ارسال کنید." نگاه کنید چقدر طول می کشد تا از یک توده به توده دیگر بروید و ببینید آیا زمان تغییر کرده است یا خیر. این دانشمند خاطرنشان کرد، به نظر می رسد که این می تواند به سرعت انجام شود. من این را به عنوان یک کار علمی به دانش آموزانم سپردم. به معنای واقعی کلمه تمام گروه توانستند این محاسبات را انجام دهند."

در سال‌های بعد، زمانی که محققان دیگر سعی کردند نتایج آزمایش آشکارساز تشدید وبر را تکرار کنند، اما به طور مداوم شکست خوردند (معلوم نیست که او چه چیزی را مشاهده کرد، اما آنها امواج گرانشی نبودند)، ویس شروع به تهیه آزمایش بسیار دقیق‌تر و جاه‌طلبانه‌تر کرد. : تداخل سنج امواج گرانشی. پرتو لیزر از سه آینه نصب شده به شکل حرف "L" منعکس شده و دو پرتو را تشکیل می دهد. فاصله اوج و شیب امواج نور دقیقاً طول خم های حرف "G" را نشان می دهد که محورهای x و y فضا-زمان را ایجاد می کند. هنگامی که ترازو ثابت است، دو موج نوری از گوشه ها پریده و یکدیگر را خنثی می کنند. سیگنال در آشکارساز صفر است. اما اگر یک موج گرانشی از زمین بگذرد، طول یک بازوی حرف "G" را کشیده و طول دیگری را فشرده می کند (و بالعکس به طور متناوب). عدم تطابق دو پرتو نور، سیگنالی را در آشکارساز ایجاد می کند که نوسانات جزئی در فضا-زمان را نشان می دهد.

در ابتدا، فیزیکدانان دیگر شک داشتند، اما آزمایش به زودی در تورن، که گروه نظریه‌پردازان Caltech در حال بررسی سیاه‌چاله‌ها و دیگر منابع بالقوه امواج گرانشی و همچنین سیگنال‌هایی بود که آنها تولید می‌کردند، پشتیبانی شد. تورن از آزمایش وبر و تلاش های مشابه دانشمندان روسی الهام گرفت. تورن گفت: پس از صحبت در کنفرانسی با ویس در سال 1975، "به این باور رسیدم که تشخیص امواج گرانشی موفقیت آمیز خواهد بود." و من می‌خواستم کالتک نیز بخشی از آن باشد.» او با مؤسسه هماهنگ کرد تا رونالد درایور، آزمایشگر اسکاتلندی را استخدام کند، او همچنین مدعی ساخت تداخل سنج امواج گرانشی بود. با گذشت زمان، تورن، درایور و وایس به عنوان یک تیم شروع به کار کردند و هر کدام سهم خود را از مشکلات بی‌شماری حل کردند تا برای یک آزمایش عملی آماده شوند. این سه نفر در سال 1984 LIGO را تشکیل دادند و زمانی که نمونه های اولیه ساخته شد و همکاری به عنوان بخشی از یک تیم همیشه در حال رشد آغاز شد، آنها 100 میلیون دلار بودجه از بنیاد ملی علوم در اوایل دهه 1990 دریافت کردند. نقشه هایی برای ساخت یک جفت آشکارساز L شکل غول پیکر ترسیم شد. یک دهه بعد، آشکارسازها شروع به کار کردند.

در هانفورد و لیوینگستون، در مرکز هر یک از زانوهای چهار کیلومتری آشکارسازها، خلاء وجود دارد که به لطف آن لیزر، پرتو و آینه های آن حداکثر از نوسانات ثابت سیاره جدا می شوند. برای ایمن بودن، دانشمندان LIGO آشکارسازهای خود را در حالی که با هزاران ابزار کار می‌کنند نظارت می‌کنند و همه چیز را که می‌توانند اندازه‌گیری می‌کنند: فعالیت لرزه‌ای، فشار هوا، رعد و برق، پرتوهای کیهانی، لرزش تجهیزات، صداهای اطراف پرتو لیزر و غیره. سپس داده های خود را برای این نویزهای پس زمینه اضافی فیلتر می کنند. شاید نکته اصلی این است که آنها دو آشکارساز دارند و این به شما امکان می دهد داده های دریافتی را مقایسه کنید و آنها را برای وجود سیگنال های تطبیق بررسی کنید.

متن نوشته

امواج گرانشی: آنچه انیشتین در برن آغاز کرد را تکمیل کرد

SwissInfo 13.02.2016

سیاهچاله ها چگونه می میرند

متوسط 2014/10/19
مارکو کاواگلیا، معاون سخنگوی پروژه LIGO، می‌گوید در داخل خلاء ایجاد شده، حتی با لیزرها و آینه‌ها کاملاً ایزوله و تثبیت شده، «همیشه چیزهای عجیبی اتفاق می‌افتد». دانشمندان باید این «ماهی قرمز»، «ارواح»، «هیولاهای عجیب دریایی» و دیگر پدیده‌های ارتعاشی غیرمجاز را ردیابی کرده و منبع آنها را پیدا کنند تا آن را از بین ببرند. یکی مورد پیچیدهجسیکا مک‌آیور، محقق LIGO، که چنین سیگنال‌ها و تداخل‌های خارجی را مطالعه می‌کند، گفت که در مرحله تأیید رخ داده است. یک سری نویز دوره ای تک فرکانس اغلب در میان داده ها ظاهر می شود. مک آیور گفت وقتی او و همکارانش ارتعاشات آینه ها را به فایل های صوتی تبدیل کردند، "زنگ تلفن به طور مشخص قابل شنیدن شد." "معلوم شد که این تبلیغ کنندگان ارتباطات بودند که در داخل اتاق لیزر تماس تلفنی برقرار می کردند."

در دو سال آینده، دانشمندان به بهبود حساسیت آشکارسازهای رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنجی لیزری ارتقا یافته LIGO ادامه خواهند داد. و در ایتالیا، سومین تداخل سنج به نام Advanced Virgo شروع به کار خواهد کرد. یکی از پاسخ‌هایی که یافته‌ها به آن کمک می‌کند این است که سیاه‌چاله‌ها چگونه شکل می‌گیرند. آیا آنها محصول فروپاشی اولین ستارگان پرجرم هستند یا نتیجه برخوردهای درون خوشه های ستاره ای متراکم هستند؟ ویس می‌گوید: «اینها فقط دو حدس هستند، من معتقدم وقتی اوضاع آرام شود، موارد بیشتری وجود خواهد داشت. همانطور که LIGO شروع به جمع آوری آمارهای جدید در طول کار آینده خود می کند، دانشمندان شروع به گوش دادن به داستان هایی در مورد منشا سیاهچاله ها خواهند کرد که توسط فضا برای آنها زمزمه می شود.

با قضاوت بر اساس شکل و اندازه، اولین و بلندترین سیگنال پالس در فاصله 1.3 میلیارد سال نوری از مکانی رخ داده است که پس از یک رقص ابدی آهسته تحت تأثیر جاذبه گرانشی متقابل، دو سیاهچاله، هر کدام حدود 30 برابر جرم زمین رخ داده است. خورشید، در نهایت ادغام شد. سیاهچاله‌ها مثل گردابی سریع‌تر و سریع‌تر می‌چرخند و به تدریج نزدیک می‌شوند. سپس ادغام شد و در یک چشم به هم زدن امواج گرانشی با انرژی قابل مقایسه با انرژی سه خورشید آزاد کردند. این ادغام قدرتمندترین پدیده انرژی بود که تاکنون ثبت شده است.

تورن گفت: «مثل اینکه هرگز اقیانوس را در طوفان ندیده ایم. او از دهه 1960 منتظر این طوفان در فضا-زمان بوده است. او می‌گوید احساسی را که تورن در لحظه‌ای که این امواج به درون می‌غلتند تجربه کرد، هیجان نامیده نمی‌شود. چیز دیگری بود: احساس رضایت عمیق.

مطالب InoSMI فقط شامل ارزیابی رسانه های خارجی است و موضع سردبیران InoSMI را منعکس نمی کند.