Gravitacijski valovi, koje je teorijski predvidio Einstein još 1917. godine, još uvijek čekaju svog otkrivača.

Krajem 1969. profesor fizike sa Sveučilišta Maryland Joseph Weber dao je senzacionalnu objavu. Objavio je da je otkrio gravitacijske valove koji su na Zemlju došli iz dubina svemira. Do tada niti jedan znanstvenik nije iznio takve tvrdnje, a sama mogućnost otkrivanja takvih valova smatrala se daleko od očite. No, Weber je bio poznat kao autoritet u svom području, pa su kolege njegovu poruku shvatile potpuno ozbiljno.

Međutim, ubrzo je uslijedilo razočaranje. Amplitude valova koje je Weber navodno zabilježio bile su milijune puta veće od teorijske vrijednosti. Weber je tvrdio da ti valovi dolaze iz središta naše Galaksije, prekrivene oblacima prašine, o čemu se tada malo znalo. Astrofizičari su sugerirali da se tamo skriva golema crna rupa koja godišnje proždire tisuće zvijezda i izbacuje dio apsorbirane energije u obliku gravitacijskog zračenja, a astronomi su se upustili u uzaludnu potragu za jasnijim tragovima ovog kozmičkog kanibalizma (sada je dokazano da tamo stvarno postoji crna rupa, ali vodi sasvim pristojno). Fizičari iz SAD-a, SSSR-a, Francuske, Njemačke, Engleske i Italije započeli su pokuse na detektorima istog tipa - i nisu postigli ništa.

Znanstvenici još uvijek ne znaju čemu pripisati čudna očitanja Weberovih instrumenata. No, njegov trud nije bio uzaludan, iako gravitacijski valovi još nisu otkriveni. Nekoliko instalacija za njihovu pretragu već je izgrađeno ili se gradi, a za desetak godina takvi će detektori biti lansirani i u svemir. Vrlo je moguće da će u ne tako dalekoj budućnosti gravitacijsko zračenje postati ista vidljiva fizička stvarnost kao i elektromagnetske oscilacije. Nažalost, Joseph Weber to više neće znati - umro je u rujnu 2000. godine.

Što su gravitacijski valovi

Često se kaže da su gravitacijski valovi poremećaji gravitacijskog polja koje se širi u prostoru. Ova je definicija točna, ali nepotpuna. Prema općoj teoriji relativnosti, gravitacija proizlazi iz zakrivljenosti prostorno-vremenskog kontinuuma. Gravitacijski valovi su fluktuacije metrike prostor-vrijeme, koje se manifestiraju kao fluktuacije u gravitacijskom polju, pa se često slikovito nazivaju prostorno-vremenski valovi. Gravitacijske valove teorijski je predvidio 1917. Albert Einstein. Nitko ne sumnja u njihovo postojanje, ali gravitacijski valovi još uvijek čekaju svog otkrivača.

izvor gravitacijski valovi služe kao svako kretanje materijalnih tijela, što dovodi do nejednolike promjene sile gravitacije u okolnom prostoru. Tijelo koje se kreće konstantnom brzinom ne zrači ništa, budući da se priroda njegovog gravitacijskog polja ne mijenja. Za emitiranje gravitacijskih valova potrebna su ubrzanja, ali ne bilo kakva. Cilindar koji rotira oko svoje osi simetrije doživljava ubrzanje, ali njegovo gravitacijsko polje ostaje jednoliko i ne nastaju gravitacijski valovi. Ali ako zavrtite ovaj cilindar oko druge osi, polje će oscilirati, a gravitacijski valovi će teći iz cilindra u svim smjerovima.

Ovaj zaključak vrijedi za svako tijelo (ili sustav tijela) koje nije simetrično u odnosu na os rotacije (u takvim slučajevima se kaže da tijelo ima kvadrupolni moment). Maseni sustav čiji kvadrupolni moment varira s vremenom uvijek zrači gravitacijske valove.

Osnovna svojstva gravitacijskih valova

Astrofizičari sugeriraju da zračenje gravitacijskih valova, oduzimajući energiju, ograničava brzinu rotacije masivnog pulsara kada apsorbira materiju susjedne zvijezde.

Gravitacijski svjetionici svemira

Gravitacijsko zračenje zemaljskih izvora izrazito je slabo. Čelični stup težak 10 000 tona, obješen sa središta u vodoravnoj ravnini i odmotan oko okomite osi do 600 okretaja u minuti, zrači snagom od približno 10 -24 vata. Stoga je jedina nada za otkrivanje gravitacijskih valova pronaći kozmički izvor gravitacijskog zračenja.

U tom smislu, bliske dvojne zvijezde su vrlo obećavajuće. Razlog je jednostavan: snaga gravitacijskog zračenja takvog sustava raste obrnuto proporcionalno petoj potenciji njegova promjera. Još je bolje ako su putanje zvijezda jako izdužene, jer se time povećava brzina promjene kvadrupolnog momenta. Sasvim je dobro ako se binarni sustav sastoji od neutronskih zvijezda ili crnih rupa. Takvi sustavi su poput gravitacijskih svjetionika u svemiru - njihovo zračenje je periodično.

U svemiru također postoje "impulsni" izvori koji generiraju kratke, ali iznimno snažne gravitacijske udare. To se događa kada se masivna zvijezda uruši prije eksplozije supernove. Međutim, deformacija zvijezde mora biti asimetrična, inače do zračenja neće doći. Tijekom kolapsa, gravitacijski valovi mogu sa sobom odnijeti i do 10% ukupne energije zvijezde! Snaga gravitacijskog zračenja u ovom slučaju je oko 10 50 W. Još više energije oslobađa se tijekom spajanja neutronskih zvijezda, ovdje vršna snaga doseže 10 52 vata. Izvrstan izvor zračenja je sudar crnih rupa: njihove mase mogu milijardama puta premašiti mase neutronskih zvijezda.

Drugi izvor gravitacijskih valova je kozmološka inflacija. Neposredno nakon Velikog praska, Svemir se počeo iznimno brzo širiti, au manje od 10 -34 sekunde njegov se promjer povećao s 10 -33 cm na makroskopsku veličinu. Taj je proces nemjerljivo ojačao gravitacijske valove koji su postojali prije nego što je započeo, a njihovi potomci preživjeli su do danas.

Neizravna potvrda

Prvi dokaz o postojanju gravitacijskih valova dolazi iz rada američkog radioastronoma Josepha Taylora i njegovog učenika Russella Hulsea. Godine 1974. otkrili su par neutronskih zvijezda u orbiti (pulsar koji emitira radio s tihim pratiocem). Pulsar se vrtio oko svoje osi stabilnom kutnom brzinom (što nije uvijek slučaj) i stoga je služio kao izuzetno točan sat. Ova značajka omogućila je mjerenje masa obje zvijezde i određivanje prirode njihovog orbitalnog gibanja. Pokazalo se da se period revolucije ovog binarnog sustava (oko 3 h 45 min) godišnje smanjuje za 70 μs. Ova se vrijednost dobro slaže s rješenjima jednadžbi opće relativnosti koje opisuju gubitak energije zvjezdani par, zbog gravitacijskog zračenja (međutim, do sudara ovih zvijezda neće doći skoro, nakon 300 milijuna godina). Godine 1993. Taylor i Hulse su za ovo otkriće dobili Nobelovu nagradu.

Antene s gravitacijskim valovima

Kako eksperimentalno otkriti gravitacijske valove? Weber je kao detektore koristio čvrste aluminijske cilindre dužine jednog metra s piezo senzorima na krajevima. Oni su s najvećom pažnjom izolirani od vanjskih mehaničkih utjecaja u vakuumskoj komori. Weber je ugradio dva ova cilindra u bunker ispod golf terena na Sveučilištu Maryland, a jedan u Argonne National Laboratory.

Ideja eksperimenta je jednostavna. Prostor se pod djelovanjem gravitacijskih valova sabija i rasteže. Zbog toga cilindar vibrira u uzdužnom smjeru, djelujući kao antena gravitacijskih valova, a piezoelektrični kristali prevode vibracije u električne signale. Svaki prolaz kozmičkih gravitacijskih valova praktički istovremeno utječe na detektore udaljene tisuću kilometara, što omogućuje filtriranje gravitacijskih impulsa od raznih vrsta šuma.

Weberovi senzori su mogli detektirati pomake krajeva cilindra, jednake samo 10 -15 njegove duljine - u ovom slučaju, 10 -13 cm. Physical Review Letters. Svi pokušaji da se ti rezultati ponove bili su uzaludni. Weberovi podaci također proturječe teoriji, koja praktički ne dopušta očekivati ​​relativne pomake iznad 10 -18 (a vrijednosti manje od 10 -20 su mnogo vjerojatnije). Moguće je da je Weber pogriješio u statističkoj obradi rezultata. Prvi pokušaj eksperimentalnog otkrivanja gravitacijskog zračenja završio je neuspjehom.

U budućnosti su antene gravitacijskih valova značajno poboljšane. Godine 1967. američki fizičar Bill Fairbank predložio je njihovo hlađenje u tekućem heliju. To ne samo da je omogućilo uklanjanje većine toplinskog šuma, već je otvorilo i mogućnost korištenja SQUID-ova (superconducting quantum interferometers), najpreciznijih superosjetljivih magnetometara. Provedba ove ideje bila je puna brojnih tehničkih poteškoća, a sam Fairbank to nije doživio. Do ranih 1980-ih fizičari sa Sveučilišta Stanford napravili su aparat s osjetljivošću od 10 -18, ali nisu zabilježeni nikakvi valovi. Sada u brojnim zemljama postoje ultra-kriogeni detektori vibracijskih gravitacijskih valova koji rade na temperaturama koje su samo desetinke i stotinke stupnja iznad apsolutne nule. Takav je, primjerice, pogon AURIGA u Padovi. Antena za njega je trometarski cilindar izrađen od aluminij-magnezijeve legure, promjera 60 cm i težine 2,3 tone. Obješena je u vakuumskoj komori ohlađenoj na 0,1 K. Njegove vibracije (frekvencijom od oko 1000 Hz) prenose se na pomoćni rezonator mase 1 kg, koji oscilira istom frekvencijom, ali puno većom amplitudom. Te se vibracije bilježe mjernom opremom i analiziraju pomoću računala. Osjetljivost AURIGA kompleksa je oko 10 -20 -10 -21 .

Interferometri

Drugi način otkrivanja gravitacijskih valova temelji se na odbacivanju masivnih rezonatora u korist svjetlosnih zraka. Prvi put je predložen 1962 sovjetski fizičari Mikhail Gertsenstein i Vladislav Pustovoit, a dvije godine kasnije Weber. Početkom 1970-ih, zaposlenik istraživačkog laboratorija korporacije Zrakoplov Hughes Robert Forward (bivši Weberov diplomski student, kasnije vrlo poznati pisac znanstvene fantastike) napravio je prvi takav detektor sa sasvim pristojnom osjetljivošću. Istovremeno, profesor na Massachusetts Institute of Technology (MIT), Rainer Weiss, napravio je vrlo duboku teorijsku analizu mogućnosti registracije gravitacijskih valova pomoću optičkih metoda.

Ove metode uključuju korištenje analoga uređaja s kojim je prije 125 godina fizičar Albert Michelson dokazao da je brzina svjetlosti strogo ista u svim smjerovima. U ovoj postavci, Michelsonovom interferometru, zraka svjetlosti pogađa prozirnu ploču i dijeli se na dvije međusobno okomite zrake, koje se reflektiraju od zrcala koja se nalaze na istoj udaljenosti od ploče. Zatim se zrake ponovno spajaju i padaju na ekran, gdje se pojavljuje interferencijski uzorak (svijetli i tamne pruge i linije). Ako brzina svjetlosti ovisi o njenom smjeru, onda kada okrenete cijelu instalaciju, ova bi se slika trebala promijeniti, ako ne, trebala bi ostati ista kao prije.

Detektor interferencijskih gravitacijskih valova radi na sličan način. Odaslani val iskrivljuje prostor i mijenja duljinu svakog kraka interferometra (put kojim svjetlost putuje od razdjelnika do zrcala), istežući jedan krak i stiskajući drugi. Uzorak smetnji se mijenja i to se može registrirati. Ali to nije lako: ako je očekivana relativna promjena duljine krakova interferometra 10 -20, tada se s dimenzijama radne površine uređaja (kao kod Michelsona) pretvara u oscilacije s amplitudom reda veličine 10 -18 cm. Za usporedbu: vidljivi svjetlosni valovi su 10 trilijuna puta duži! Možete povećati duljinu ramena na nekoliko kilometara, ali problemi će i dalje ostati. Laserski izvor svjetlosti mora biti snažan i stabilan u frekvenciji, zrcala moraju biti savršeno ravna i savršeno reflektirajuća, vakuum u cijevima kroz koje se svjetlost širi mora biti što dublji, mehanička stabilizacija cijelog sustava mora biti istinski savršen. Ukratko, detektor smetnji gravitacijskih valova je skup i glomazan uređaj.

Danas je najveća instalacija ove vrste američki kompleks LIGO. (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Sastoji se od dvije zvjezdarnice, od kojih se jedna nalazi na pacifičkoj obali Sjedinjenih Država, a druga je nedaleko od Meksički zaljev. Mjerenja se vrše pomoću tri interferometra (dva u državi Washington, jedan u Louisiani) s kracima dugim 4 km. Postavka je opremljena zrcalnim svjetlosnim akumulatorima koji povećavaju njezinu osjetljivost. "Od studenog 2005. sva tri naša interferometra rade normalno", rekao je za Popular Mechanics Peter Solson, profesor fizike na Sveučilištu Syracuse iz kompleksa LIGO. - Neprestano razmjenjujemo podatke s drugim zvjezdarnicama pokušavajući detektirati gravitacijske valove frekvencije desetaka i stotina herca, koji su nastali najsnažnijim eksplozijama supernova i spajanjem neutronskih zvijezda i crnih rupa. Sada je u funkciji njemački interferometar GEO 600 (duljina ruke - 600 m), koji se nalazi 25 km od Hannovera. 300-metarski japanski instrument TAMA trenutno se nadograđuje. Detektor Virgo od tri kilometra blizu Pise pridružit će se naporima početkom 2007., a na frekvencijama ispod 50 Hz moći će nadmašiti LIGO. Instalacije s ultrakriogenim rezonatorima rade sa sve većom učinkovitošću, iako je njihova osjetljivost još uvijek nešto manja od naše.

izgledi

Što čeka metode detekcije gravitacijskih valova u bliskoj budućnosti? Profesor Rainer Weiss je za Popular Mechanics o tome rekao: “Za nekoliko godina u zvjezdarnice kompleksa LIGO bit će instalirani snažniji laseri i napredniji detektori, što će dovesti do 15-strukog povećanja osjetljivosti. Sada iznosi 10 -21 (na frekvencijama reda veličine 100 Hz), a nakon modernizacije će premašiti 10 -22. Modernizirani kompleks Advanced LIGO povećat će dubinu prodiranja u svemir za 15 puta. Profesor Moskovskog državnog sveučilišta Vladimir Braginsky, jedan od pionira u proučavanju gravitacijskih valova, aktivno sudjeluje u ovom projektu.

Lansiranje svemirskog interferometra LISA planirano je za sredinu sljedećeg desetljeća ( Svemirska antena laserskog interferometra) s dužinom ramena od 5 milijuna kilometara, zajednički je projekt NASA-e i Europske svemirske agencije. Osjetljivost ove zvjezdarnice bit će stotinama puta veća od mogućnosti zemaljskih instrumenata. Prvenstveno je namijenjen traženju niskofrekventnih (10 -4 -10 -1 Hz) gravitacijskih valova koji se ne mogu uhvatiti na površini Zemlje zbog atmosferskih i seizmičkih smetnji. Takve valove emitiraju binarni zvjezdani sustavi, sasvim tipični stanovnici Kozmosa. LISA će također moći detektirati gravitacijske valove koji nastaju kada obične zvijezde progutaju crne rupe. Ali da bi se otkrili reliktni gravitacijski valovi koji nose informacije o stanju materije u prvim trenucima nakon Velikog praska, najvjerojatnije su potrebni napredniji svemirski instrumenti. Takva postavka Promatrač velikog praska, sada se raspravlja, ali malo je vjerojatno da će biti stvoren i pokrenut prije nego za 30-40 godina.”

Službenim danom otkrića (detekcije) gravitacijskih valova smatra se 11. veljače 2016. godine. Upravo su tada, na tiskovnoj konferenciji održanoj u Washingtonu, čelnici kolaboracije LIGO objavili da je tim istraživača prvi put u povijesti čovječanstva uspio zabilježiti ovaj fenomen.

Proročanstva velikog Einsteina

Činjenicu da gravitacijski valovi postoje sugerirao je Albert Einstein početkom prošlog stoljeća (1916.) u okviru Opće teorije relativnosti (GR) koju je formulirao. Možemo se samo čuditi briljantnim sposobnostima slavnog fizičara, koji je uz minimum stvarnih podataka mogao izvući tako dalekosežne zaključke. Među mnogim drugim predviđenim fizičkim fenomenima koji su potvrđeni u sljedećem stoljeću (usporavanje protoka vremena, promjena smjera elektromagnetskog zračenja u gravitacijska polja itd.) donedavno nije bilo moguće praktično detektirati prisutnost ove vrste valne interakcije tijela.

Gravitacija – iluzija?

Općenito, u svjetlu Teorije relativnosti, gravitacija se teško može nazvati silom. perturbacije ili zakrivljenost prostorno-vremenskog kontinuuma. Dobar primjer koji ilustrira ovaj postulat je rastegnuti komad tkanine. Pod težinom masivnog predmeta postavljenog na takvu površinu nastaje udubljenje. Drugi objekti koji se kreću u blizini ove anomalije će promijeniti putanju svog kretanja, kao da su "privučeni". A što je veća težina objekta (što je veći promjer i dubina zakrivljenosti), to je veća "sila privlačenja". Kada se kreće kroz tkaninu, može se uočiti pojava divergentnog "mreškanja".

Nešto slično događa se u svjetskom prostoru. Svaka masivna materija koja se brzo kreće izvor je fluktuacija u gustoći prostora i vremena. Gravitacijski val značajne amplitude stvaraju tijela ekstremno velikih masa ili pri kretanju velikim ubrzanjima.

fizičke karakteristike

Fluktuacije metrike prostor-vrijeme manifestiraju se kao promjene u gravitacijskom polju. Taj se fenomen inače naziva prostorno-vremenski valovi. Gravitacijski val djeluje na tijela i objekte na koje naiđe, sabijajući ih i rastežući. Vrijednosti deformacije su vrlo male - oko 10 -21 od izvorne veličine. Cijela poteškoća u otkrivanju ovog fenomena bila je u tome što su istraživači morali naučiti kako mjeriti i bilježiti takve promjene uz pomoć odgovarajuće opreme. Snaga gravitacijskog zračenja također je iznimno mala – za cijelu Sunčev sustav iznosi nekoliko kilovata.

Brzina širenja gravitacijskih valova malo ovisi o svojstvima vodljivog medija. Amplituda oscilacija postupno opada s udaljenošću od izvora, ali nikada ne doseže nulu. Frekvencija je u rasponu od nekoliko desetaka do stotina herca. Brzina gravitacijskih valova u međuzvjezdanom mediju približava se brzini svjetlosti.

posredni dokazi

Po prvi put teoretsku potvrdu postojanja gravitacijskih valova dobili su američki astronom Joseph Taylor i njegov pomoćnik Russell Hulse 1974. godine. Proučavajući prostranstva svemira pomoću radioteleskopa zvjezdarnice Arecibo (Portoriko), istraživači su otkrili pulsar PSR B1913 + 16, koji je binarni sustav neutronskih zvijezda koje rotiraju oko zajedničkog centra mase konstantnom kutnom brzinom ( prilično rijedak slučaj). Svake godine, revolucijski period, koji je izvorno iznosio 3,75 sati, smanjuje se za 70 ms. Ova vrijednost sasvim je u skladu sa zaključcima iz GR jednadžbi koje predviđaju povećanje brzine rotacije takvih sustava zbog utroška energije za generiranje gravitacijskih valova. Nakon toga je otkriveno nekoliko dvostrukih pulsara i bijelih patuljaka sa sličnim ponašanjem. Radioastronomi D. Taylor i R. Hulse 1993. godine dobili su Nobelovu nagradu za fiziku za otkriće novih mogućnosti proučavanja gravitacijskih polja.

Neuhvatljivi gravitacijski val

Prva izjava o detekciji gravitacijskih valova došla je od znanstvenika sa Sveučilišta Maryland Josepha Webera (SAD) 1969. godine. U te svrhe koristio je dvije gravitacijske antene vlastitog dizajna, udaljene dva kilometra. Rezonantni detektor bio je dobro vibrirani jednodijelni dvometarski aluminijski cilindar opremljen osjetljivim piezoelektričnim senzorima. Amplituda fluktuacija koje je Weber navodno zabilježio pokazala se više od milijun puta većom od očekivane vrijednosti. Pokušaji drugih znanstvenika pomoću takve opreme da ponove "uspjeh" američkog fizičara nisu donijeli pozitivne rezultate. Nekoliko godina kasnije, Weberov rad na ovom području prepoznat je kao neodrživ, ali je dao poticaj razvoju "gravitacijskog buma" koji je privukao mnoge stručnjake u ovo područje istraživanja. Usput, sam Joseph Weber do kraja svojih dana bio je siguran da je primio gravitacijske valove.

Poboljšanje prijemne opreme

U 70-ima je znanstvenik Bill Fairbank (SAD) razvio dizajn antene gravitacijskih valova hlađene pomoću SQUID-ova - superosjetljivih magnetometara. Tehnologije koje su postojale u to vrijeme nisu dopuštale izumitelju da vidi svoj proizvod, realiziran u "metalu".

Po tom je principu gravitacijski detektor Auriga izrađen u National Legnard Laboratory (Padova, Italija). Dizajn se temelji na aluminijsko-magnezijskom cilindru, dugom 3 metra i promjeru 0,6 m. Prihvatni uređaj težak 2,3 tone visi u izoliranoj vakuumskoj komori ohlađenoj gotovo do apsolutne nule. Pomoćni kilogramski rezonator i kompjutorski mjerni kompleks koriste se za fiksiranje i detekciju podrhtavanja. Deklarirana osjetljivost opreme je 10 -20 .

Interferometri

Djelovanje detektora interferencije gravitacijskih valova temelji se na istim principima po kojima radi Michelsonov interferometar. Laserska zraka koju emitira izvor dijeli se na dva toka. Nakon višestrukih refleksija i putovanja duž ramena uređaja, tokovi se ponovno spajaju, a posljednji se koristi za procjenu jesu li neke perturbacije (primjerice gravitacijski val) utjecale na tijek zraka. Slična oprema stvorena je u mnogim zemljama:

• GEO 600 (Hannover, Njemačka). Duljina vakuumskih tunela je 600 metara.
• TAMA (Japan) s ramenima od 300 m.
• VIRGO (Pisa, Italija) zajednički je francusko-talijanski projekt pokrenut 2007. s tunelima od 3 km.
• LIGO (SAD, pacifička obala), lovi gravitacijske valove od 2002.

Ovo posljednje vrijedi detaljnije razmotriti.

LIGO Napredni

Projekt je nastao na inicijativu znanstvenika s Instituta za tehnologiju Massachusetts i California. Uključuje dvije zvjezdarnice odvojene 3 tisuće km, u i Washingtonu (gradovi Livingston i Hanford) s tri identična interferometra. Duljina okomitih vakuumskih tunela je 4 tisuće metara. Ovo su najveće takve strukture koje trenutno rade. Sve do 2011. brojni pokušaji detektiranja gravitacijskih valova nisu dali nikakve rezultate. Provedena značajna modernizacija (Advanced LIGO) povećala je osjetljivost opreme u rasponu od 300-500 Hz za više od pet puta, au niskofrekventnom području (do 60 Hz) za gotovo red veličine, dostigavši tako željenu vrijednost od 10 -21 . Ažurirani projekt započeo je u rujnu 2015. godine, a trud više od tisuću djelatnika kolaboracije nagrađen je rezultatima.

Otkriveni gravitacijski valovi

Dana 14. rujna 2015. napredni LIGO detektori s intervalom od 7 ms zabilježili su gravitacijske valove koji su do našeg planeta stigli od najvećeg fenomena koji se dogodio na rubovima vidljivog Svemira - spajanja dviju velikih crnih rupa s masama 29 i 36 puta većim od masa Sunca. Tijekom procesa, koji se odvijao prije više od 1,3 milijarde godina, oko tri solarne mase materije potrošene su na zračenje gravitacijskih valova u djeliću sekunde. Fiksna početna frekvencija gravitacijskih valova bila je 35 Hz, a maksimalna vršna vrijednost dosegla je 250 Hz.

Dobiveni rezultati više puta su podvrgnuti sveobuhvatnoj provjeri i obradi, a alternativna tumačenja dobivenih podataka pažljivo su prekinuta. Konačno, prošle je godine svjetskoj javnosti najavljena izravna registracija fenomena koji je predvidio Einstein.

Činjenica koja ilustrira titanski rad istraživača: amplituda fluktuacija u dimenzijama krakova interferometra iznosila je 10 -19 m - ta je vrijednost jednako manja od promjera atoma koliko i od promjera naranče.

Buduci izgledi

Ovo otkriće još jednom potvrđuje da Opća teorija relativnosti nije samo skup apstraktnih formula, već temeljno Novi izgled o suštini gravitacijskih valova i gravitacije uopće.

U daljnjim istraživanjima znanstvenici polažu velike nade u projekt ELSA: stvaranje divovskog orbitalnog interferometra s krakovima od oko 5 milijuna km, sposobnog detektirati čak i manje poremećaje gravitacijskih polja. Intenziviranje rada u tom smjeru može puno reći o glavnim fazama razvoja Svemira, o procesima koje je teško ili nemoguće uočiti u tradicionalnim bendovima. Nema sumnje da će crne rupe, čiji će gravitacijski valovi biti snimljeni u budućnosti, reći mnogo o svojoj prirodi.

Za proučavanje reliktnog gravitacijskog zračenja, koje može govoriti o prvim trenucima našeg svijeta nakon Velikog praska, bit će potrebni osjetljiviji svemirski instrumenti. Takav projekt postoji Promatrač velikog praska), ali njegova implementacija, prema mišljenju stručnjaka, moguća je tek za 30-40 godina.

Prva izravna detekcija gravitacijskih valova otkrivena je svijetu 11. veljače 2016. i generirala je naslovnice diljem svijeta. Za ovo otkriće 2017. godine fizičari su dobili Nobelovu nagradu i službeno pokrenuli novu eru gravitacijske astronomije. Ali tim fizičara s instituta Niels Bohr u Kopenhagenu, u Danskoj, bacio je sumnju na to otkriće, na temelju vlastite neovisne analize podataka u posljednje dvije i pol godine.

Jedni od najmisterioznijih objekata na svijetu, crne rupe, redovito privlače pozornost. Znamo da se sudaraju, spajaju, mijenjaju sjaj, pa čak i isparavaju. Pa ipak, u teoriji, crne rupe mogu povezati svemire jedan s drugim pomoću. Međutim, svo naše znanje i pretpostavke o ovim masivnim objektima možda nisu točni. Nedavno u znanstvena zajednica bilo je glasina da su znanstvenici primili signal koji proizlazi iz crne rupe, čija je veličina i masa toliko velika da je njeno postojanje fizički nemoguće.

Prva izravna detekcija gravitacijskih valova otkrivena je svijetu 11. veljače 2016. i generirala je naslovnice diljem svijeta. Za ovo otkriće 2017. godine fizičari su dobili Nobelovu nagradu i službeno pokrenuli novu eru gravitacijske astronomije. No skupina fizičara s Instituta Niels Bohr u Kopenhagenu dovela je u sumnju ovo otkriće, na temelju vlastite neovisne analize podataka u posljednje dvije i pol godine.

11. veljače 2016

Doslovno prije nekoliko sati stigla je vijest koja se dugo iščekivala u znanstvenom svijetu. Skupina znanstvenika iz nekoliko zemalja, koji rade u sklopu međunarodnog projekta LIGO Scientific Collaboration, kažu da su uz pomoć nekoliko detektorskih opservatorija uspjeli detektirati gravitacijske valove u laboratoriju.

Oni analiziraju podatke iz dviju laserskih interferometarskih zvjezdarnica gravitacijskih valova (LIGO) smještenih u Louisiani i Washingtonu u Sjedinjenim Državama.

Kako je rečeno na tiskovnoj konferenciji projekta LIGO, gravitacijski valovi registrirani su 14. rujna 2015., prvo na jednoj zvjezdarnici, a zatim nakon 7 milisekundi na drugoj.

Na temelju analize dobivenih podataka, koju su proveli znanstvenici iz mnogih zemalja, uključujući i Rusiju, utvrđeno je da je gravitacijski val nastao sudarom dviju crnih rupa mase 29 i 36 puta veće od mase sunce. Nakon toga su se spojili u jednu veliku crnu rupu.

To se dogodilo prije 1,3 milijarde godina. Signal je na Zemlju stigao iz sazviježđa Magellanovog oblaka.

Sergey Popov (astrofizičar na Državnom astronomskom institutu Sternberg Moskovskog državnog sveučilišta) objasnio je što su gravitacijski valovi i zašto ih je toliko važno mjeriti.

Moderne teorije gravitacije su geometrijske teorije gravitacije, više-manje sve iz teorije relativnosti. Geometrijska svojstva prostora utječu na kretanje tijela ili objekata kao što je svjetlosni snop. I obrnuto - raspodjela energije (to je isto što i masa u prostoru) utječe geometrijska svojstva prostor. Ovo je vrlo cool, jer je lako vizualizirati - sva ta elastična ravnina poredana u ćeliju ima određeno fizičko značenje, iako, naravno, nije sve tako doslovno.

Fizičari koriste riječ "metrički". Metrika je ono što opisuje geometrijska svojstva prostora. I ovdje imamo tijela koja se kreću ubrzano. Najjednostavnije je da se krastavac okreće. Važno je da to, na primjer, nije lopta i ne spljošteni disk. Lako je zamisliti da kada se takav krastavac vrti na elastičnoj ravnini, iz njega će teći valovi. Zamislite da stojite negdje, a krastavac će ili okrenuti jedan kraj prema vama ili drugi. Utječe na prostor i vrijeme na različite načine, teče gravitacijski val.

Dakle, gravitacijski val je val koji teče duž metrike prostor-vrijeme.

Perle u svemiru

Ovo je temeljno svojstvo našeg osnovnog razumijevanja rada gravitacije, a ljudi ga žele testirati već sto godina. Žele se uvjeriti da učinak postoji i da je vidljiv u laboratoriju. U prirodi se to vidjelo već prije otprilike tri desetljeća. Kako bi se gravitacijski valovi trebali manifestirati u svakodnevnom životu?

Najlakši način da to ilustriramo je sljedeći: ako bacite kuglice u svemir tako da leže u krugu, a kada gravitacijski val prijeđe okomito na njihovu ravninu, počet će se pretvarati u elipsu, stisnutu na jednu ili drugu stranu. Činjenica je da će prostor oko njih biti uznemiren, a oni će to osjetiti.

"G" na Zemlji

Ljudi rade ovako nešto, samo ne u svemiru, već na Zemlji.

Na udaljenosti od četiri kilometra jedno od drugog vise zrcala u obliku slova “g” (misli se na američke zvjezdarnice LIGO).

Laserske zrake teku - ovo je interferometar, dobro shvaćena stvar. Moderne tehnologije omogućuju mjerenje fantastično malog učinka. Još uvijek ne vjerujem, vjerujem, ali jednostavno mi ne ide u glavu - pomak zrcala koja vise na udaljenosti od četiri kilometra jedno od drugog manji je od veličine atomske jezgre. To je malo čak iu usporedbi s valnom duljinom ovog lasera. U tome je bila kvaka: gravitacija je najslabija sila, pa su stoga pomaci vrlo mali.

Trebalo je jako dugo, ljudi su to pokušavali učiniti od 1970-ih, proveli su živote tražeći gravitacijske valove. I sada samo tehničke mogućnosti omogućuju registraciju gravitacijskog vala u laboratorijskim uvjetima, to jest, evo došao je ovdje, a ogledala su se pomaknula.

Smjer

Za godinu dana, ako sve bude u redu, u svijetu će postojati tri detektora. Tri detektora su vrlo važna, jer te stvari jako loše određuju smjer signala. Otprilike isto kao što slabo čujemo smjer izvora. "Zvuk negdje s desne strane" - ovi detektori osjećaju nešto ovako. Ali ako tri osobe stoje na udaljenosti jedna od druge, a jedna čuje zvuk s desne strane, druga s lijeve, a treća odostraga, tada možemo vrlo točno odrediti smjer zvuka. Što je više detektora, što ih je više razbacanih po kugli zemaljskoj, točnije možemo odrediti smjer prema izvoru, a onda će početi astronomija.

Uostalom, krajnji zadatak nije samo potvrditi opću teoriju relativnosti, već i doći do novih astronomskih spoznaja. Zamislite da postoji crna rupa koja teži deset puta više od mase Sunca. I sudari se s drugom crnom rupom teškom deset solarnih masa. Do sudara dolazi brzinom svjetlosti. Probojna energija. To je istina. Ima ga fantastično mnogo. I ne… To su samo mreškanja prostora i vremena. Rekao bih da će detekcija spajanja dviju crnih rupa dugo vremena biti najpouzdanija potvrda da se radi o crnim rupama o kojima mi razmišljamo.

Prođimo kroz pitanja i fenomene koje bi ona mogla otkriti.

Postoje li crne rupe doista?

Signal koji se očekuje od objave LIGO-a možda je proizveo dvije crne rupe koje su se spajale. Takvi događaji su najenergičniji poznati; snaga gravitacijskih valova koje oni emitiraju može nakratko zasjeniti sve zvijezde vidljivog svemira ukupno. Spajanje crnih rupa također je prilično lako protumačiti u smislu vrlo čistih gravitacijskih valova.

Do spajanja crnih rupa dolazi kada se dvije crne rupe spiralno okreću jedna oko druge, zračeći energiju u obliku gravitacijskih valova. Ovi valovi imaju karakterističan zvuk (cvrkut) koji se može koristiti za mjerenje mase ova dva objekta. Nakon toga se crne rupe obično spajaju.

“Zamislite dva mjehurića od sapunice koji se toliko približe da formiraju jedan mjehur. Veći mjehurić se deformira,” kaže Tybalt Damour, teoretičar gravitacije na Institutu za napredne studije. znanstveno istraživanje blizu Pariza. Konačna crna rupa bit će savršena sferni oblik, ali prvo mora emitirati gravitacijske valove predvidljivog tipa.

Jedna od najvažnijih znanstvenih implikacija otkrića spajanja crnih rupa bit će potvrda postojanja crnih rupa – barem savršeno okruglih objekata koji se sastoje od čistog, praznog, zakrivljenog prostor-vremena, kako predviđa opća teorija relativnosti. Druga posljedica je da se spajanje odvija kako su znanstvenici predvidjeli. Astronomi imaju mnogo neizravnih dokaza za ovaj fenomen, ali do sada su to bila promatranja zvijezda i pregrijanog plina koji kruže oko crnih rupa, a ne same crne rupe.

“Znanstvena zajednica, uključujući i mene, ne voli crne rupe. Uzimamo ih zdravo za gotovo, kaže Frans Pretorius, specijalist za simulacije opće relativnosti na Sveučilištu Princeton u New Jerseyju. "Ali kada razmislite o tome kakvo je ovo nevjerojatno predviđanje, trebamo zaista nevjerojatan dokaz."

Putuju li gravitacijski valovi brzinom svjetlosti?

Kada znanstvenici počnu uspoređivati ​​promatranja LIGO-a s promatranjima drugih teleskopa, prvo što provjeravaju je je li signal stigao u isto vrijeme. Fizičari vjeruju da gravitaciju prenose čestice koje se nazivaju gravitoni, gravitacijski analog fotona. Ako, poput fotona, te čestice nemaju masu, tada će gravitacijski valovi putovati brzinom svjetlosti, što odgovara predviđanju brzine gravitacijskih valova u klasičnoj teoriji relativnosti. (Na njihovu brzinu može utjecati ubrzano širenje svemira, ali to bi se trebalo pokazati na udaljenostima znatno većim od onih koje pokriva LIGO.)

Sasvim je moguće, međutim, da gravitoni imaju malu masu, što znači da će se gravitacijski valovi kretati brzinom manjom od brzine svjetlosti. Tako, na primjer, ako LIGO i Virgo detektiraju gravitacijske valove i otkriju da su valovi stigli na Zemlju kasnije od gama zraka povezanih s kozmičkim događajem, to bi moglo imati posljedice koje će promijeniti život fundamentalnoj fizici.

Je li prostor-vrijeme sastavljeno od kozmičkih struna?

Još čudnije otkriće moglo bi se dogoditi ako se otkriju izboji gravitacijskih valova koji izlaze iz "kozmičkih struna". Ovi hipotetski nedostaci u zakrivljenosti prostor-vremena, koji mogu, ali i ne moraju biti povezani s teorijama struna, moraju biti beskonačno tanki, ali rastegnuti preko kozmičkih udaljenosti. Znanstvenici predviđaju da bi se kozmičke žice, ako postoje, mogle slučajno prelomiti; ako se žica savije, to će uzrokovati gravitacijski val koji detektori poput LIGO ili Virgo mogu izmjeriti.

Mogu li neutronske zvijezde biti nazubljene?

Neutronske zvijezde su ostaci velikih zvijezda koje su se urušile pod vlastitom težinom i postale toliko guste da su se elektroni i protoni počeli spajati u neutrone. Znanstvenici slabo razumiju fiziku neutronskih rupa, ali gravitacijski valovi mogli bi puno reći o njima. Na primjer, intenzivna gravitacija na njihovoj površini uzrokuje da neutronske zvijezde postanu gotovo savršeno sferične. Ali neki su znanstvenici sugerirali da bi mogli imati i "planine" - visoke nekoliko milimetara - koje ove guste objekte promjera 10 kilometara, ne više, čine pomalo asimetričnima. Neutronske zvijezde obično se vrte vrlo brzo, tako da će asimetrična raspodjela mase iskriviti prostorvrijeme i proizvesti signal konstantnog gravitacijskog vala u obliku sinusnog vala, usporavajući rotaciju zvijezde i zračeći energiju.

Parovi neutronskih zvijezda koje kruže jedna oko druge također proizvode konstantan signal. Poput crnih rupa, ove zvijezde spiralno se spajaju i na kraju se stapaju uz karakterističan zvuk. Ali njegove specifičnosti razlikuju se od specifičnosti zvuka crnih rupa.

Zašto zvijezde eksplodiraju?

Crne rupe i neutronske zvijezde nastaju kada masivne zvijezde prestanu sjajiti i kolabiraju same u sebe. Astrofizičari misle da je ovaj proces u osnovi svih uobičajenih tipova eksplozija supernove tipa II. Simulacije takvih supernova još nisu pokazale zašto se pale, ali se smatra da odgovor daje slušanje eksplozija gravitacijskih valova koje emitira prava supernova. Ovisno o tome kako valovi praska izgledaju, koliko su glasni, koliko se često pojavljuju i u kakvoj su korelaciji sa supernovama koje prate elektromagnetski teleskopi, ovi bi podaci mogli pomoći u isključivanju gomile postojećih modela.

Kolikom brzinom se svemir širi?

Širenje svemira znači da udaljeni objekti koji se udaljavaju od naše galaksije izgledaju crvenije nego što stvarno jesu, jer se svjetlost koju emitiraju rasteže dok se kreću. Kozmolozi procjenjuju brzinu širenja svemira uspoređujući crveni pomak galaksija s njihovom udaljenošću od nas. Ali ta se udaljenost obično procjenjuje na temelju sjaja supernove tipa Ia, a ova tehnika ostavlja mnogo nesigurnosti.

Ako nekoliko detektora gravitacijskih valova diljem svijeta detektira signale od spajanja istih neutronskih zvijezda, zajedno mogu točno procijeniti glasnoću signala, a time i udaljenost na kojoj je došlo do spajanja. Također će moći procijeniti smjer, a time i identificirati galaksiju u kojoj se događaj dogodio. Usporedbom crvenog pomaka ove galaksije s udaljenosti do zvijezda koje se stapaju, može se dobiti neovisna stopa kozmičkog širenja, možda točnija nego što trenutne metode dopuštaju.

izvori

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

http://cont.ws/post/199519

Ovdje smo nekako saznali, ali što je i. Pogledajte kako to izgleda Izvorni članak nalazi se na web stranici InfoGlaz.rf Link na članak iz kojeg je napravljena ova kopija -, SAD
© REUTERS, brošura

Napokon otkriveni gravitacijski valovi

Popularna znanost

Oscilacije u prostor-vremenu otkrivene su stoljeće nakon što ih je predvidio Einstein. Počinje nova era u astronomiji.

Znanstvenici su uspjeli otkriti fluktuacije u prostor-vremenu uzrokovane spajanjem crnih rupa. To se dogodilo stotinu godina nakon što je Albert Einstein predvidio te "gravitacijske valove" u svojoj teoriji opće relativnosti i sto godina nakon što su ih fizičari počeli tražiti.

O značajnom otkriću danas su izvijestili istraživači LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. Potvrdili su glasine koje su okruživale analizu prvog skupa podataka koje su prikupljali nekoliko mjeseci. Astrofizičari kažu da otkriće gravitacijskih valova pruža novi način gledanja na svemir i omogućuje prepoznavanje udaljenih događaja koji se ne mogu vidjeti u optičkim teleskopima, ali možete osjetiti, pa čak i čuti njihovo lagano podrhtavanje kako dopiru do nas kroz svemir.

“Detektirali smo gravitacijske valove. Uspjeli smo!" David Reitze, izvršni direktor istraživačkog tima od 1000 članova, objavio je danas na tiskovnoj konferenciji u Washingtonu DC u Nacionalnoj zakladi za znanost.

Gravitacijski valovi možda su najneuhvatljivije od Einsteinovih predviđanja, a znanstvenik je o ovoj temi desetljećima raspravljao sa svojim suvremenicima. Prema njegovoj teoriji, prostor i vrijeme čine rastezljivu materiju koja se savija pod utjecajem teških predmeta. Osjetiti gravitaciju znači pasti u zavoje ove materije. Ali može li ovo prostor-vrijeme drhtati poput kože bubnja? Einstein je bio zbunjen, nije znao što njegove jednadžbe znače. I više puta promijenio svoje gledište. Ali čak su i najvjerniji zagovornici njegove teorije vjerovali da su gravitacijski valovi ionako preslabi da bi se mogli promatrati. Oni padaju prema van nakon određenih kataklizmi, i naizmjence rastežu i sažimaju prostor-vrijeme dok se kreću. Ali dok ti valovi stignu do Zemlje, rastežu se i sabijaju svaki kilometar svemira za mali djelić promjera atomske jezgre.

© REUTERS, Hangout LIGO opservatorij detektor u Hanfordu, Washington

Da bi se otkrili ti valovi, bilo je potrebno strpljenje i oprez. Opservatorij LIGO ispaljivao je laserske zrake naprijed-natrag duž četiri kilometra dugačkih koljena dva detektora pod pravim kutom, jednog u Hanfordu, Washington, a drugog u Livingstonu, Louisiana. To je učinjeno u potrazi za odgovarajućim širenjima i skupljanjima ovih sustava tijekom prolaska gravitacijskih valova. Koristeći najsuvremenije stabilizatore, vakuumske instrumente i tisuće senzora, znanstvenici su izmjerili promjene u duljini ovih sustava koje su malene kao jedna tisućinka veličine protona. Takva osjetljivost instrumenata prije stotinu godina bila je nezamisliva. Činilo se nevjerojatnim 1968. godine, kada je Rainer Weiss s Massachusetts Institute of Technology osmislio eksperiment nazvan LIGO.

“Veliko je čudo da su na kraju uspjeli. Uspjeli su pokupiti te sićušne vibracije!” rekao je Daniel Kennefick, teorijski fizičar Sveučilišta Arkansas, koji je 2007. napisao knjigu Putovanje brzinom misli: Einstein i potraga za gravitacijskim valovima.

Ovo otkriće označilo je početak nove ere u astronomiji gravitacijskih valova. Nadamo se da ćemo imati točnije ideje o formiranju, sastavu i galaktičkoj ulozi crnih rupa - tih supergustih lopti mase koje iskrivljuju prostor-vrijeme tako oštro da čak ni svjetlost ne može pobjeći iz njih. Kada se crne rupe približe jedna drugoj i spoje, generiraju impulsni signal - prostorno-vremenske fluktuacije koje povećavaju amplitudu i ton, a zatim naglo prestaju. Oni signali koje zvjezdarnica može detektirati su u audio rasponu - međutim, preslabi su da bi ih čulo golo uho. Ovaj zvuk možete ponovno stvoriti prelaskom prstiju preko tipki klavira. "Počnite od najniže note i krenite do treće oktave", rekao je Weiss. – To je ono što čujemo.

Fizičari su već iznenađeni brojem i snagom signala koji se snimaju ovaj trenutak. To znači da na svijetu postoji više crnih rupa nego što se mislilo. "Imali smo sreće, ali uvijek sam računao na ovakvu sreću", rekao je astrofizičar s Caltecha Kip Thorne, koji je kreirao LIGO s Weissom i Ronaldom Dreverom, također iz Caltecha. “To se obično događa kada se otvori potpuno novi prozor u svemiru.”

Osluškujući gravitacijske valove možemo stvoriti potpuno drugačije predodžbe o svemiru, a možda i otkriti nezamislive kozmičke pojave.

"Mogu to usporediti s prvim kad smo usmjerili teleskop u nebo", rekla je teorijska astrofizičarka Janna Levin sa Sveučilišta Columbia Barnard College. “Ljudi su razumjeli da tamo postoji nešto i da se to može vidjeti, ali nisu mogli predvidjeti nevjerojatan raspon mogućnosti koje postoje u svemiru.” Slično tome, primijetio je Levin, otkriće gravitacijskih valova moglo bi pokazati da je svemir "pun tamne tvari koju ne možemo tek tako otkriti teleskopom".

Priča o otkriću prvog gravitacijskog vala počela je u rujanski ponedjeljak ujutro, a počela je s pamukom. Signal je bio toliko jasan i glasan da je Weiss pomislio: "Ne, ovo su gluposti, od toga neće biti ništa."

Intenzitet emocija

Ovaj prvi gravitacijski val prošao je kroz detektore nadograđenog LIGO-a - prvo u Livingstonu i sedam milisekundi kasnije u Hanfordu - tijekom simulacije u ranim jutarnjim satima 14. rujna, dva dana prije službenog početka prikupljanja podataka.

Detektori su bili "uhodani" nakon modernizacije koja je trajala pet godina i koštala 200 milijuna dolara. Opremljeni su novim ovjesima zrcala za smanjenje buke i aktivnim Povratne informacije za suzbijanje vanjskih vibracija u stvarnom vremenu. Nadogradnja je poboljšanoj zvjezdarnici dala višu razinu osjetljivosti od starog LIGO-a, koji je pronašao "apsolutnu i čistu nulu" između 2002. i 2010., kako je rekao Weiss.

Kada je u rujnu stigao snažan signal, znanstvenici u Europi, gdje je u tom trenutku bilo jutro, počeli su žurno bombardirati svoje američke kolege porukama na e-mail. Kada se ostatak grupe probudio, vijest se vrlo brzo proširila. Praktično su svi bili skeptični, rekao je Weiss, pogotovo kad su vidjeli signal. Bio je to pravi udžbenički klasik, pa su neki ljudi mislili da je lažan.

Lažne tvrdnje u potrazi za gravitacijskim valovima iznesene su mnogo puta od kasnih 1960-ih, kada je Joseph Weber sa Sveučilišta Maryland mislio da je otkrio rezonantne oscilacije u aluminijskom cilindru sa senzorima kao odgovor na valove. Godine 2014. dogodio se eksperiment nazvan BICEP2 koji je rezultirao najavom otkrića primordijalnih gravitacijskih valova - prostorno-vremenskih fluktuacija iz Velikog praska, koji su se do sada razvukli i trajno zamrznuli u geometriji svemira. Znanstvenici iz grupe BICEP2 su uz veliku pompu objavili svoje otkriće, no potom su njihovi rezultati neovisno provjereni, pri čemu se pokazalo da su bili u krivu, te da taj signal dolazi iz svemirske prašine.

Kada je kozmolog sa Sveučilišta Arizona State University Lawrence Krauss čuo za otkriće tima LIGO, isprva je mislio da se radi o "slijepoj prijevari". Tijekom rada stare zvjezdarnice, simulirani signali su potajno ubačeni u tokove podataka kako bi se testirao odgovor, i većina Tim nije znao za to. Kad je Krauss iz upućenog izvora doznao da se ovoga puta ne radi o "nabijanju na slijepo", jedva je suzdržao radosno uzbuđenje.

Dana 25. rujna, tvitao je svojih 200.000 sljedbenika: “Glasine o detekciji gravitacijskog vala na LIGO detektoru. Zapanjujuće ako je istinito. Javit ću vam detalje ako nije lažno. Nakon toga slijedi zapis od 11. siječnja: “Nekadašnje glasine o LIGO-u potvrđene iz neovisnih izvora. Pratite novosti. Možda su gravitacijski valovi otkriveni!”

Službeni stav znanstvenika bio je sljedeći: ne govoriti o primljenom signalu dok ne postoji stopostotna sigurnost. Thorne, rukama i nogama vezan tom obvezom tajnosti, nije ništa rekao ni svojoj ženi. "Sama sam slavio", rekao je. Za početak, znanstvenici su se odlučili vratiti na sam početak i analizirati sve do najsitnijih detalja kako bi otkrili kako se signal širio kroz tisuće mjernih kanala raznih detektora, te shvatili je li u tom trenutku bilo nešto čudno signal je otkriven. Nisu pronašli ništa neobično. Također su isključili hakere, koji su trebali najbolje znati o tisućama tokova podataka tijekom eksperimenta. “Čak i kada ekipa izvodi naslijepo bacanja, ona nisu dovoljno savršena i ostavljaju puno tragova za sobom,” rekao je Thorn. “Ali nije bilo tragova.”

U tjednima koji su uslijedili čuli su još jedan, slabiji signal.

Znanstvenici su analizirali prva dva signala, a dobivali su sve više i više novih. U siječnju su svoje istraživanje predstavili u časopisu Physical Review Letters. Ovo izdanje danas izlazi na internet. Prema njihovim procjenama, statistička značajnost prvog, najsnažnijeg signala premašuje "5-sigma", što znači da su istraživači 99,9999% sigurni u njegovu autentičnost.

osluškujući gravitaciju

Einsteinove jednadžbe opće relativnosti toliko su složene da je većini fizičara trebalo 40 godina da se slože da gravitacijski valovi postoje i da ih je moguće detektirati – čak i teoretski.

Isprva je Einstein mislio da objekti ne mogu otpuštati energiju u obliku gravitacijskog zračenja, no onda se predomislio. U svom povijesnom djelu, napisanom 1918., pokazao je kakvi objekti to mogu učiniti: sustavi u obliku bučica koji se istovremeno okreću oko dvije osi, na primjer, dvojne zvijezde i supernove koje eksplodiraju poput petardi. Oni mogu generirati valove u prostor-vremenu.

© REUTERS, Handout Računalni model koji ilustrira prirodu gravitacijskih valova u Sunčevom sustavu

Ali Einstein i njegovi kolege nastavili su se kolebati. Neki su fizičari tvrdili da će, čak i ako postoje valovi, svijet oscilirati s njima i bit će ih nemoguće osjetiti. Tek je 1957. Richard Feynman zatvorio to pitanje demonstrirajući u misaonom eksperimentu da se, ako gravitacijski valovi postoje, teoretski mogu detektirati. Ali nitko nije znao koliko su ti sustavi u obliku bučica uobičajeni u svemiru i koliko su jaki ili slabi valovi koji nastaju. “U konačnici, pitanje je bilo: hoćemo li ih ikada pronaći?” rekao je Kennefick.

Godine 1968. Rainer Weiss bio je mladi profesor na MIT-u i dobio je zadatak predavati tečaj iz opće teorije relativnosti. Kao eksperimentator, znao je malo o tome, ali iznenada se pojavila vijest o Weberovu otkriću gravitacijskih valova. Weber je napravio tri rezonantna detektora veličine stola od aluminija i postavio ih u razne američke države. Sada je rekao da su sva tri detektora zabilježila "zvuk gravitacijskih valova".

Weissovi studenti zamoljeni su da objasne prirodu gravitacijskih valova i izraze svoje mišljenje o poruci. Proučavajući detalje, bio je zapanjen složenošću matematičkih izračuna. “Nisam mogao shvatiti što je dovraga Weber radio, kako su senzori djelovali u interakciji s gravitacijskim valom. Dugo sam sjedio i pitao se: “Koja je najprimitivnija stvar koju mogu smisliti da detektira gravitacijske valove?” A onda mi je na pamet pala ideja koju nazivam konceptualnom osnovom LIGO-a.

Zamislite tri objekta u prostor-vremenu, recimo ogledala na uglovima trokuta. "Pošaljite svjetlosni signal od jednog do drugog", rekao je Weber. “Pogledajte koliko je vremena potrebno da se prijeđe s jedne mise na drugu i vidite je li se vrijeme promijenilo.” Ispostavilo se, primijetio je znanstvenik, da se to može učiniti brzo. “To sam povjerio svojim studentima kao znanstveni zadatak. Doslovno je cijela grupa uspjela napraviti te izračune.”

Sljedećih godina, kada su drugi istraživači pokušali ponoviti rezultate Weberovog eksperimenta s rezonantnim detektorom, ali su neprestano padali (nije jasno što je promatrao, ali to nisu bili gravitacijski valovi), Weiss je počeo pripremati puno precizniji i ambiciozniji eksperiment : interferometar gravitacijskih valova. Laserska zraka se reflektira od tri ogledala postavljena u obliku slova "L" i formira dvije zrake. Interval vrhova i padova svjetlosnih valova točno označava duljinu zavoja slova "G", koji stvaraju x i y osi prostor-vremena. Kada vaga miruje, dva se svjetlosna vala odbijaju od uglova i međusobno poništavaju. Signal u detektoru je nula. Ali ako gravitacijski val prolazi kroz Zemlju, on rasteže dužinu jednog kraka slova "G" i sabija dužinu drugog (i obrnuto naizmjenično). Neusklađenost dviju svjetlosnih zraka stvara signal u detektoru, pokazujući male fluktuacije u prostor-vremenu.

Isprva su kolege fizičari bili skeptični, no eksperiment je ubrzo naišao na podršku Thornea, čija je grupa teoretičara s Caltecha istraživala crne rupe i druge potencijalne izvore gravitacijskih valova, kao i signale koje su oni generirali. Thorne je bio inspiriran Weberovim eksperimentom i sličnim naporima ruskih znanstvenika. Nakon govora na konferenciji s Weissom 1975., "Počeo sam vjerovati da će detekcija gravitacijskih valova biti uspješna", rekao je Thorn. "I želio sam da Caltech također bude dio toga." S institutom je dogovorio angažiranje škotskog eksperimentatora Ronalda Drivera, koji je također tvrdio da je napravio interferometar gravitacijskih valova. S vremenom su Thorne, Driver i Weiss počeli raditi kao tim, rješavajući svaki svoj dio bezbrojnih problema u pripremi za praktični eksperiment. Trio je osnovao LIGO 1984. godine, a kada su prototipovi izgrađeni i suradnja počela kao dio stalno rastućeg tima, dobili su 100 milijuna dolara financiranja od Nacionalne zaklade za znanost početkom 1990-ih. Nacrti su nacrtani za konstrukciju para divovskih detektora u obliku slova L. Desetljeće kasnije detektori su počeli raditi.

U Hunfordu i Livingstonu, u središtu svakog od četiri kilometra koljena detektora, postoji vakuum, zahvaljujući kojem su laser, njegova zraka i zrcala maksimalno izolirani od stalnih vibracija planeta. Kako bi bili sigurni, znanstvenici LIGO-a nadziru svoje detektore dok rade s tisućama instrumenata, mjereći sve što mogu: seizmičku aktivnost, barometarski tlak, munje, kozmičke zrake, vibracije opreme, zvukove oko laserske zrake i tako dalje. Zatim filtriraju svoje podatke za te vanjske pozadinske zvukove. Možda je glavna stvar da imaju dva detektora, a to vam omogućuje usporedbu primljenih podataka, provjeravajući ih na prisutnost odgovarajućih signala.

Kontekst

Gravitacijski valovi: dovršili ono što je Einstein započeo u Bernu

SwissInfo 13.02.2016

Kako umiru crne rupe

Srednji 19.10.2014
Unutar stvorenog vakuuma, čak i s laserima i zrcalima koji su potpuno izolirani i stabilizirani, "stalno se događaju čudne stvari", kaže Marco Cavaglià, zamjenik glasnogovornika projekta LIGO. Znanstvenici moraju pratiti te "zlatne ribice", "duhove", "čudna morska čudovišta" i druge vanjske vibracijske fenomene, pronalazeći njihov izvor kako bi ga eliminirali. Jedan težak slučaj dogodila tijekom faze verifikacije, rekla je Jessica McIver, istraživačica LIGO-a, koja proučava takve vanjske signale i smetnje. Među podacima se često pojavljivao niz periodičnih jednofrekventnih šuma. Kada su ona i njezini kolege pretvorili vibracije zrcala u audio datoteke, "zvonjava telefona postala je jasno čujna", rekla je McIver. "Ispostavilo se da su komunikacijski oglašivači telefonirali unutar laserske sobe."

U sljedeće dvije godine znanstvenici će nastaviti poboljšavati osjetljivost detektora moderniziranog laserskog interferometrijskog gravitacijsko-valnog opservatorija LIGO. A u Italiji će početi s radom treći interferometar pod nazivom Advanced Virgo. Jedan od odgovora koji će otkrića pomoći dati je kako nastaju crne rupe. Jesu li oni proizvod kolapsa najranijih masivnih zvijezda ili su rezultat sudara unutar gustih zvjezdanih skupova? “Ovo su samo dvije pretpostavke, vjerujem da će ih biti još kad se stvari smire”, kaže Weiss. Dok LIGO počinje skupljati nove statistike tijekom svog nadolazećeg rada, znanstvenici će početi slušati priče o podrijetlu crnih rupa koje im šapuće svemir.

Sudeći po obliku i veličini, prvi, najglasniji pulsni signal dogodio se 1,3 milijarde svjetlosnih godina od mjesta gdje su, nakon vječnosti sporog plesa pod utjecajem međusobnog gravitacijskog privlačenja, dvije crne rupe, svaka oko 30 puta veće mase od sunce, konačno spojeno. Crne rupe kružile su sve brže i brže, poput vrtloga, postupno se približavajući. Zatim je došlo do spajanja i u tren oka oslobodili su gravitacijske valove s energijom usporedivom s energijom tri Sunca. Ovo spajanje bilo je najsnažniji energetski fenomen ikada zabilježen.

"Kao da nikada nismo vidjeli ocean u oluji", rekao je Thorn. On je čekao ovu oluju u prostor-vremenu od 1960-ih. Osjećaj koji je Thorn doživio u trenutku kada su se ti valovi zakotrljali ne može se nazvati uzbuđenjem, kaže. Bilo je to nešto drugo: osjećaj dubokog zadovoljstva.

Materijali InoSMI sadrže samo ocjene stranih medija i ne odražavaju stajalište urednika InoSMI.