תורת גלי הכבידה. מצאנו גלי כבידה. מה הלאה? רישום גלי כבידה
נזכיר שלאחרונה, מדעני LIGO הכריזו על פריצת דרך גדולה בתחום הפיזיקה, האסטרופיזיקה והמחקר שלנו על היקום: התגלית גלי כבידהחזה אלברט איינשטיין לפני 100 שנה. גיזמודו הצליח למצוא את ד"ר אמבר סטייבר ממצפה הכוכבים ליווינגסטון בלואיזיאנה, שיתוף פעולה של LIGO, ולשאול בפירוט מה זה אומר לפיזיקה. אנחנו מבינים שיהיה קשה להגיע להבנה גלובלית של דרך חדשה להבין את העולם שלנו בכמה מאמרים, אבל ננסה.
נעשתה עבודה רבה כדי לזהות גל כבידה בודד עד כה, וזו הייתה פריצת דרך גדולה. נראה שהרבה אפשרויות חדשות נפתחות לאסטרונומיה - אבל האם התגלית הראשונה הזו היא הוכחה "פשוטה" לכך שהתגלית אפשרית בפני עצמה, או שאפשר כבר לשאוב ממנה התקדמות מדעית נוספת? מה אתה מקווה להרוויח מזה בעתיד? האם יהיו שיטות פשוטות יותר לזיהוי גלים אלו בעתיד?
זו אכן התגלית הראשונה, פריצת דרך, אבל המטרה תמיד הייתה להשתמש בגלי כבידה כדי ליצור אסטרונומיה חדשה. במקום לחפש ביקום אחר אור נראה, אנו יכולים כעת להרגיש את השינויים העדינים בכבידה שנגרמים מהדברים הגדולים, החזקים ו(לדעתי) המעניינים ביותר ביקום - כולל דברים שלעולם לא נוכל לקבל עליהם מידע. בעזרת האור.
הצלחנו ליישם את הסוג החדש הזה של אסטרונומיה על גלי הגילוי הראשון. באמצעות מה שאנחנו כבר יודעים על GR (תורת היחסות הכללית), הצלחנו לחזות איך ייראו גלי הכבידה של עצמים כמו חורים שחורים או כוכבי נויטרונים. האות שמצאנו תואם למה שחזינו עבור זוג חורים שחורים, אחד מסיבי פי 36 והשני מסיבי פי 29 מהשמש, מתערבל כשהם מתקרבים זה לזה. לבסוף, הם מתמזגים לחור שחור אחד. אז זה לא רק הגילוי הראשון של גלי כבידה, אלא גם התצפית הישירה הראשונה של חורים שחורים, כי לא ניתן לצפות בהם בעזרת האור (רק על ידי החומר שמסתובב סביבם).
למה אתה בטוח שהשפעות חוץ (כמו רטט) לא משפיעות על התוצאות?
ב-LIGO, אנו מתעדים הרבה יותר נתונים הקשורים לסביבה ולציוד שלנו מאשר נתונים שיכולים להכיל אות של גל כבידה. הסיבה לכך היא שאנו רוצים להיות בטוחים ככל האפשר שאיננו מובלים על ידי האף על ידי השפעות חיצוניות ואינו מטעים אותנו לגבי זיהוי גל כבידה. אם נרגיש קרקע לא תקינה ברגע בו נזהה אות של גל כבידה, סביר להניח שנשליך את המועמד הזה.
וידאו: גלי כבידה במבט אחד
אמצעי נוסף שאנו נוקטים כדי להימנע מלראות משהו אקראי הוא ששני גלאי ה-LIGO יראו את אותו אות עם משך הזמן שלוקח לגל כבידה לעבור בין שני העצמים. הזמן המקסימלי למסע כזה הוא כ-10 מילישניות. כדי להיות בטוחים בזיהוי אפשרי, עלינו לראות אותות מאותה צורה, כמעט באותו זמן, והנתונים שאנו אוספים על הסביבה שלנו חייבים להיות נטולי חריגות.
ישנם מבחנים רבים נוספים שמועמד עובר, אך אלו העיקריים שבהם.
האם זה קיים דרך מעשיתליצור גלי כבידה שניתן לזהות עם מכשירים דומים? האם נוכל לבנות רדיו כבידה או לייזר?
אתה מציע מה שהיינריך הרץ עשה בסוף שנות ה-80 כדי לזהות גלים אלקטרומגנטיים בצורה של גלי רדיו. אבל כוח הכבידה הוא החלש מבין הכוחות הבסיסיים שמחזיקים את היקום ביחד. מסיבה זו, תנועת המסות במעבדה או במתקן אחר ליצירת גלי כבידה תהיה חלשה מכדי להיקלט אפילו על ידי גלאי כמו LIGO. כדי ליצור גלים חזקים מספיק, נצטרך לסובב את המשקולת במהירות כזו שהיא תקרע כל חומר ידוע. אבל יש הרבה נפחים גדולים של מסה ביקום שנעים מהר מאוד, אז אנחנו בונים גלאים שיחפשו אותם.
האם האישור הזה ישנה את עתידנו? האם נוכל להשתמש בכוחם של הגלים הללו כדי לחקור את החלל החיצון? האם ניתן יהיה לתקשר באמצעות הגלים הללו?
בשל כמות המסה שצריכה לנוע במהירויות קיצוניות כדי לייצר גלי כבידה שגלאים כמו LIGO יכולים לזהות, המנגנון היחיד הידוע לכך הוא זוגות של כוכבי נויטרונים או חורים שחורים המסתובבים לפני התמזגות (ייתכן שיש מקורות אחרים). הסיכוי שזהו סוג של ציוויליזציה מתקדמת שמתפעלת חומר קטן ביותר. באופן אישי, אני לא חושב שזה יהיה נהדר למצוא ציוויליזציה שמסוגלת להשתמש בגלי כבידה כאמצעי תקשורת, מכיוון שהם יכולים לגמור אותנו בקלות.
האם גלי כבידה קוהרנטיים? האם אפשר לעשות אותם קוהרנטיים? האם אתה יכול למקד אותם? מה יקרה לעצם מאסיבי שמושפע מקרן כבידה ממוקדת? האם ניתן להשתמש באפקט זה לשיפור מאיצי החלקיקים?
סוגים מסוימים של גלי כבידה יכולים להיות קוהרנטיים. דמיינו כוכב נויטרונים שהוא כדורי כמעט מושלם. אם הוא מסתובב מהר, עיוותים קטנים של פחות מסנטימטר ייצרו גלי כבידה בתדירות מסוימת, מה שיהפוך אותם לקוהרנטיים. אבל קשה מאוד למקד גלי כבידה, מכיוון שהיקום שקוף עבורם; גלי כבידה עוברים דרך החומר ויוצאים ללא שינוי. אתה צריך לשנות את הנתיב של לפחות חלק מגלי הכבידה כדי למקד אותם. אולי צורה אקזוטית של עדשת כבידה יכולה למקד לפחות חלקית גלי כבידה, אבל יהיה קשה, אם לא בלתי אפשרי, להשתמש בהם. אם הם יכולים להיות ממוקדים, הם עדיין יהיו חלשים עד כדי כך שאני לא רואה בהם שום תועלת מעשית. אבל הם גם דיברו על לייזרים, שהם בעצם רק אור קוהרנטי ממוקד, אז מי יודע.
מהי מהירותו של גל כבידה? יש לה מסה? אם לא, האם הוא יכול לנסוע מהר יותר ממהירות האור?
מאמינים שגלי כבידה נעים במהירות האור. זוהי המהירות המוגבלת על ידי תורת היחסות הכללית. אבל ניסויים כמו LIGO צריכים לבדוק זאת. אולי הם נעים מעט יותר לאט ממהירות האור. אם כן, אז לחלקיק התיאורטי הקשור לכבידה, הגרביטון, תהיה מסה. מכיוון שכוח המשיכה עצמו פועל בין מסות, הדבר מוסיף למורכבות התיאוריה. אבל לא לא אפשרי. אנו משתמשים בתער של Occam: ההסבר הפשוט ביותר הוא בדרך כלל הטוב ביותר.
כמה רחוק צריך להיות ממיזוגים של חורים שחורים כדי לדעת עליהם?
במקרה של החורים השחורים הבינאריים שלנו, שזיהינו מגלי כבידה, הם יצרו שינוי מרבי באורך הזרועות שלנו 4 קילומטרים ב-1x10 -18 מטרים (זה 1/1000 מקוטר של פרוטון). אנו גם מאמינים שהחורים השחורים הללו נמצאים במרחק של 1.3 מיליארד שנות אור מכדור הארץ.
עכשיו נניח שאנחנו בגובה שני מטרים ואנחנו מרחפים במרחק של כדור הארץ לשמש מהחור השחור. אני חושב שתחווה השטחה ומתיחה לסירוגין בכ-165 ננומטר (הגובה שלך משתנה ב- ערך גדול יותרבמהלך היום). אפשר לחוות את זה.
אם משתמשים דרך חדשהלשמוע את החלל, מה מעניין את המדענים יותר מכל?
הפוטנציאל אינו ידוע במלואו, במובן זה שאולי יש יותר מקומות ממה שחשבנו. ככל שנלמד יותר על היקום, כך נוכל לענות טוב יותר על שאלותיו בעזרת גלי כבידה. לדוגמה, על אלה:
- מה גורם להתפרצויות קרני גמא?
- כיצד מתנהג החומר בתנאים קיצוניים של כוכב מתמוטט?
- מה היו הרגעים הראשונים לאחר המפץ הגדול?
- כיצד מתנהג החומר בכוכבי נויטרונים?
אבל אני יותר מתעניין באילו דברים בלתי צפויים ניתן לזהות בעזרת גלי כבידה. בכל פעם שאנשים צפו ביקום בדרך חדשה, גילינו הרבה דברים בלתי צפויים שהפכו את הבנתנו את היקום על פיה. אני רוצה למצוא את גלי הכבידה האלה ולגלות משהו שלא היה לנו מושג לגביו קודם.
האם זה יעזור לנו לעשות כונן עיוות אמיתי?
מכיוון שגלי כבידה מקיימים אינטראקציה חלשה עם החומר, בקושי ניתן להשתמש בהם כדי להזיז את החומר הזה. אבל גם אם היית יכול, גל כבידה נע רק במהירות האור. הם לא יעבדו עבור כונן עיוות. למרות שזה יהיה מגניב.
מה לגבי מכשירים נגד כבידה?
כדי ליצור מכשיר נגד כבידה, עלינו להפוך את כוח המשיכה לכוח של דחייה. ולמרות שגל כבידה מפיץ שינויים בכבידה, שינוי זה לעולם לא יהיה דוחה (או שלילי).
כוח הכבידה תמיד מושך מכיוון שמסה שלילית לא נראה קיימת. אחרי הכל, יש מטען חיובי ושלילי, קוטב מגנטי צפון ודרום, אבל רק מסה חיובית. למה? אם מסה שלילית הייתה קיימת, כדור החומר היה נופל למעלה במקום למטה. הוא יידחה על ידי המסה החיובית של כדור הארץ.
מה זה אומר על האפשרות של מסע בזמן וטלפורטציה? האם נוכל למצוא יישום מעשי לתופעה זו, מלבד לימוד היקום שלנו?
עַכשָׁיו הדרך הכי טובהמסע בזמן (ורק לעתיד) הוא נסיעה במהירות קרובה לאור (זכור את פרדוקס התאומים בתורת היחסות הכללית) או נסיעה לאזור עם כוח משיכה מוגברת (סוג זה של מסע בזמן הודגם ב-Interstellar). מכיוון שגל כבידה מפיץ שינויים בכבידה, יהיו תנודות קטנות מאוד במהירות הזמן, אך מכיוון שגלי כבידה הם חלשים מטבעם, כך גם התנודות הזמניות. ולמרות שאני לא חושב שאתה יכול ליישם את זה על מסע בזמן (או טלפורטציה), לעולם אל תגיד לעולם לא (אני בטוח שעצרת את הנשימה).
האם יבוא היום שבו נפסיק לאשר את איינשטיין ונתחיל לחפש שוב דברים מוזרים?
כמובן! מכיוון שכוח המשיכה הוא החלש מבין הכוחות, קשה גם להתנסות בו. עד כה, בכל פעם שמדענים העמידו את GR במבחן, הם קיבלו תוצאות חזויות בדיוק. אפילו גילוי גלי הכבידה אישר שוב את התיאוריה של איינשטיין. אבל אני מניח שכשנתחיל לבדוק את הפרטים הקטנים ביותר של התיאוריה (אולי עם גלי כבידה, אולי עם אחר), נמצא דברים "מצחיקים", כמו תוצאת הניסוי שלא בדיוק תואמת את התחזית. זה לא אומר הטעיה של GR, אלא רק הצורך להבהיר את פרטיו.
וידאו: איך גלי כבידה פוצצו את האינטרנט?
בכל פעם שאנו עונים על שאלה אחת על הטבע, צצות חדשות. בסופו של דבר, יהיו לנו שאלות שיהיו מגניבות יותר מהתשובות ש-GR יכול לאפשר.
האם תוכל להסביר כיצד גילוי זה עשוי להיות קשור או להשפיע על תיאוריית השדות המאוחדים? האם אנחנו קרובים יותר לאשר את זה או להפריך את זה?
כעת תוצאות הגילוי שלנו מוקדשות בעיקר לאימות ואישור של תורת היחסות הכללית. תורת השדה המאוחד מחפשת דרך ליצור תיאוריה שתסביר את הפיזיקה של הקטן מאוד (מכניקת הקוונטים) והגדול מאוד (תורת היחסות הכללית). כעת ניתן להכליל את שתי התיאוריות הללו כדי להסביר את קנה המידה של העולם בו אנו חיים, אך לא יותר. מכיוון שהתגלית שלנו מתמקדת בפיזיקה של הגדולים מאוד, כשלעצמה היא לא תעשה מעט כדי לקדם אותנו לכיוון של תיאוריה מאוחדת. אבל זה לא העניין. כעת תחום הפיזיקה של גלי הכבידה רק נולד. ככל שנלמד יותר, בוודאי נרחיב את התוצאות שלנו לתחום של תיאוריה מאוחדת. אבל לפני ריצה, אתה צריך ללכת.
עכשיו כשאנחנו מאזינים לגלי כבידה, מה יש למדענים לשמוע כדי לבעוט בלבנה, פשוטו כמשמעו? 1) דפוסים/מבנים לא טבעיים? 2) מקורות של גלי כבידה מאזורים שחשבנו ריקים? 3) ריק אסטלי
כשקראתי את שאלתך, נזכרתי מיד בסצנה מ"קשר" בה הרדיו טלסקופ קולט תבניות מספרים ראשוניים. לא סביר שניתן למצוא את זה בטבע (ככל הידוע לנו). אז הגרסה שלך עם דפוס או מבנה לא טבעיים תהיה הסבירה ביותר.
אני לא חושב שאי פעם נהיה בטוחים בריקנות באזור מסוים בחלל. אחרי הכל, מערכת החורים השחורים שמצאנו הייתה מבודדת, ושום אור לא הגיע מהאזור הזה, אבל עדיין מצאנו שם גלי כבידה.
לגבי מוזיקה... אני מתמחה בהפרדת אותות גלי כבידה מהרעש הסטטי שאנו מודדים כל הזמן על רקע הסביבה. אם הייתי יכול למצוא מוזיקה בגל כבידה, במיוחד כזו ששמעתי בעבר, זו תהיה מתיחה. אבל מוזיקה שמעולם לא נשמעה על פני כדור הארץ... זה יהיה כמו המקרים הפשוטים מ"קשר".
מכיוון שהניסוי רושם גלים על ידי שינוי המרחק בין שני עצמים, האם המשרעת של כיוון אחד גדולה מהאחר? אחרת, האם הקריאות לא אומרות שהיקום משתנה בגודלו? ואם כן, האם ההרחבה הזו מאשרת או משהו בלתי צפוי?
עלינו לראות גלי כבידה רבים המגיעים מכיוונים רבים ושונים ביקום לפני שנוכל לענות על שאלה זו. באסטרונומיה, זה יוצר מודל אוכלוסיה. כמה סוגים שונים של דברים יש? זה שאלה עיקרית. ברגע שיש לנו הרבה תצפיות ונתחיל לראות דפוסים בלתי צפויים, למשל, שגלי כבידה מסוג מסוים מגיעים מחלק מסוים של היקום ולא ממקום אחר, זו תהיה תוצאה מאוד מעניינת. דפוסים מסוימים יכולים לאשר את ההתרחבות (בה אנו בטוחים מאוד), או תופעות אחרות שאיננו מודעים להן עדיין. אבל קודם אתה צריך לראות הרבה יותר גלי כבידה.
לגמרי לא מובן לי איך המדענים קבעו שהגלים שהם מדדו שייכים לשני חורים שחורים סופר מסיביים. איך אפשר לקבוע את מקור הגלים בדיוק כזה?
שיטות ניתוח נתונים משתמשות בקטלוג של אותות חזויים של גלי כבידה כדי להשוות מול הנתונים שלנו. אם יש מתאם חזק עם אחת מהתחזיות, או הדפוסים הללו, אז אנחנו לא רק יודעים שזהו גל כבידה, אלא אנחנו גם יודעים איזו מערכת יצרה אותו.
בכל דרך ליצור גל כבידה, בין אם זה חורים שחורים שמתמזגים, כוכבים מסתובבים או גוססים, לכל הגלים יש צורות שונות. כאשר אנו מזהים גל כבידה, אנו משתמשים בצורות אלו, כפי שחזה תורת היחסות הכללית, כדי לקבוע את הסיבה להן.
איך אנחנו יודעים שהגלים האלה הגיעו מהתנגשות של שני חורים שחורים, ולא מאירוע אחר? האם ניתן לחזות היכן ומתי התרחש אירוע כזה, בכל מידה של דיוק?
ברגע שנדע איזו מערכת יצרה את גל הכבידה, נוכל לחזות כמה חזק היה גל הכבידה ליד המקום שבו הוא נולד. על ידי מדידת עוצמתו כשהיא מגיעה לכדור הארץ והשוואת המדידות שלנו עם החוזק החזוי של המקור, נוכל לחשב כמה רחוק המקור נמצא. מכיוון שגלי כבידה נעים במהירות האור, אנו יכולים גם לחשב כמה זמן לקח לגלי כבידה לעבור לכיוון כדור הארץ.
במקרה של מערכת החורים השחורים שגילינו, מדדנו את השינוי המקסימלי באורך זרועות ה-LIGO לכל 1/1000 מקוטר הפרוטונים. מערכת זו ממוקמת במרחק של 1.3 מיליארד שנות אור. גל הכבידה, שהתגלה בספטמבר והוכרז שלשום, נע לעברנו כבר 1.3 מיליארד שנים. זה קרה לפני שנוצרו חיי בעלי חיים על כדור הארץ, אבל לאחר הופעת אורגניזמים רב-תאיים.
בזמן ההודעה צוין כי גלאים אחרים יחפשו גלים בעלי תקופה ארוכה יותר - חלקם יהיו קוסמיים. מה אתה יכול לספר לנו על הגלאים הגדולים האלה?
גלאי חלל אכן נמצא בפיתוח. זה נקרא LISA (Laser Interferometer Space Antenna). מכיוון שהוא יהיה בחלל, הוא יהיה רגיש למדי לגלי כבידה בתדר נמוך, בניגוד לגלאים ארציים, בשל הרעידות הטבעיות של כדור הארץ. זה יהיה קשה, כי הלוויינים יצטרכו להיות ממוקמים רחוק יותר מכדור הארץ מאשר אדם היה אי פעם. אם משהו משתבש, לא נוכל לשלוח אסטרונאוטים לתיקונים כמו שעשינו עם האבל בשנות ה-90. כדי לבחון את הטכנולוגיות הדרושות, משימת LISA Pathfinder הושקה בדצמבר. עד כה היא התמודדה עם כל המשימות שהוצבו, אבל המשימה רחוקה מלהסתיים.
האם ניתן להמיר גלי כבידה לגלי קול? ואם כן, איך הם ייראו?
פחית. כמובן, לא תשמעו רק גל כבידה. אבל אם אתה לוקח את האות ומעביר אותו דרך הרמקולים, אתה יכול לשמוע אותו.
מה עלינו לעשות עם המידע הזה? האם גלים אלו מקרינים עצמים אסטרונומיים אחרים בעלי מסה משמעותית? האם ניתן להשתמש בגלים כדי לחפש כוכבי לכת או חורים שחורים פשוטים?
כשמחפשים ערכי כבידה, לא רק המסה חשובה. גם התאוצה הטבועה באובייקט. החורים השחורים שמצאנו הקיפו זה את זה ב-60% ממהירות האור כשהם התמזגו. לכן, הצלחנו לאתר אותם במהלך המיזוג. אבל עכשיו הם כבר לא מקבלים גלי כבידה, מכיוון שהם התמזגו למסה יושבת אחת.
אז כל דבר שיש לו מסה רבה ונע מהר מאוד יוצר גלי כבידה שאתה יכול לקלוט.
סביר להניח שלכוכבי לכת אקזו-כוכבים יהיו מספיק מסה או תאוצה כדי ליצור גלי כבידה ניתנים לזיהוי. (אני לא אומר שהם לא מייצרים אותם בכלל, רק שהם לא יהיו מספיק חזקים או בתדירות אחרת). גם אם כוכב הלכת החיצוני יהיה מסיבי מספיק כדי לייצר את הגלים הדרושים, התאוצה תקרע אותו לגזרים. אל תשכח שכוכבי הלכת המסיביים ביותר נוטים להיות ענקי גז.
עד כמה נכונה האנלוגיה של גלים במים? האם נוכל לרכוב על הגלים האלה? האם יש "פסגות" כבידה כמו ה"בארות" המוכרות כבר?
מכיוון שגלי כבידה יכולים לנוע בחומר, אין דרך לרכוב עליהם או להשתמש בהם כדי לנוע. אז אין גלישה בגלי כבידה.
"פסגות" ו"בארות" נפלאות. כוח הכבידה תמיד מושך כי אין מסה שלילית. אנחנו לא יודעים למה, אבל זה מעולם לא נצפה במעבדה או ביקום. לכן, כוח המשיכה מיוצג בדרך כלל כ"באר". המסה שתנוע לאורך ה"באר" הזו תיפול פנימה; ככה עובדת משיכה. אם יש לך מסה שלילית, אז תקבל דחייה, ואיתה "שיא". מסה שנעה ב"שיא" תתעקל ממנה. אז "בארות" קיימות, אבל "פסגות" לא.
אנלוגיית המים בסדר כל עוד אנחנו מדברים על העובדה שעוצמת הגל פוחתת עם המרחק שנסע מהמקור. גל המים ילך וקטן, וגל הכבידה ילך ונחלש.
כיצד תשפיע הגילוי הזה על התיאור שלנו של התקופה האינפלציונית של המפץ הגדול?
על הרגע הזהלגילוי זה עד כה אין כמעט השפעה על האינפלציה. כדי להצהיר אמירות כאלה, יש צורך להתבונן בגלי הכבידה של השרידים של המפץ הגדול. פרויקט BICEP2 האמין שהוא צופה בעקיפין בגלי הכבידה הללו, אבל התברר שאבק קוסמי הוא האשם. אם הוא יקבל את הנתונים הנכונים, קיומה של תקופה קצרה של אינפלציה זמן קצר לאחר המפץ הגדול יאושר יחד איתו.
LIGO יוכל לראות ישירות את גלי הכבידה הללו (זה יהיה גם הסוג החלש ביותר של גלי כבידה שאנו מקווים לזהות). אם נראה אותם, נוכל להתבונן עמוק אל עבר היקום, כפי שלא הסתכלנו בעבר, ולשפוט את האינפלציה לפי הנתונים שהתקבלו.
ב-11 בפברואר 2016, קבוצה בינלאומית של מדענים, כולל מרוסיה, במסיבת עיתונאים בוושינגטון הכריזה על תגלית שתשנה במוקדם או במאוחר את התפתחות הציוויליזציה. ניתן היה להוכיח בפועל גלי כבידה או גלי מרחב-זמן. את קיומם חזה לפני 100 שנה על ידי אלברט איינשטיין בספרו.
איש אינו מטיל ספק בכך שתגלית זו תזכה בפרס נובל. מדענים לא ממהרים לדבר על זה יישום מעשי. אבל הם מזכירים שעד לא מזמן גם האנושות לא ידעה בדיוק מה לעשות עם גלים אלקטרומגנטיים, מה שהוביל בסופו של דבר למהפכה מדעית וטכנולוגית של ממש.
מהם גלי כבידה במילים פשוטות
כוח הכבידה והכבידה האוניברסלית הם אותו דבר. גלי כבידה הם אחד מפתרונות ה-OTS. הם חייבים להתפשט במהירות האור. הוא נפלט על ידי כל גוף שנע בתאוצה משתנה.
לדוגמה, הוא מסתובב במסלולו בתאוצה משתנה המכוונת לכיוון הכוכב. והתאוצה הזו משתנה כל הזמן. מערכת השמש מקרינה אנרגיה בסדר גודל של מספר קילוואט בגלי כבידה. זוהי כמות זעירה, דומה ל-3 טלוויזיות צבעוניות ישנות.
דבר נוסף הוא שני פולסרים (כוכבי ניטרונים) המסתובבים זה סביב זה. הם נעים במסלולים הדוקים מאוד. "זוג" כזה התגלה על ידי אסטרופיזיקאים ונצפה במשך זמן רב. העצמים היו מוכנים ליפול זה על זה, מה שהצביע בעקיפין על כך שפולסרים מקרינים גלי מרחב-זמן, כלומר אנרגיה בשדה שלהם.
כוח המשיכה הוא כוח המשיכה. אנחנו נמשכים לקרקע. ומהותו של גל כבידה הוא שינוי בתחום הזה, חלש ביותר כשזה מגיע אלינו. לדוגמה, קח את מפלס המים במאגר. מתח שדה כבידההיא תאוצת הנפילה החופשית בנקודה מסוימת. גל עובר על המאגר שלנו, ופתאום תאוצת הנפילה החופשית משתנה, רק במעט.
ניסויים כאלה החלו בשנות ה-60 של המאה הקודמת. באותו זמן, הם הגיעו עם זה: הם תלו גליל אלומיניום ענק, מקורר כדי למנוע תנודות תרמיות פנימיות. והם חיכו שגל מהתנגשות של, למשל, שני חורים שחורים מסיביים יגיע אלינו פתאום. החוקרים התלהבו ואמרו שהכדור כולו עלול להיות מושפע מגל כבידה המגיע מהחלל החיצון. כוכב הלכת יתחיל להתנודד וניתן לחקור את הגלים הסיסמיים הללו (דחיסה, גזירה ומשטח).
מאמר חשוב על המכשיר בשפה פשוטה, וכיצד האמריקאים ו-LIGO גנבו את הרעיון של המדענים הסובייטים ובנו את האינטרפרומטרים שאפשרו את הגילוי. אף אחד לא מדבר על זה, כולם שותקים!
אגב, קרינת כבידה מעניינת יותר מנקודת המבט של קרינת שריד, אותה מנסים למצוא על ידי שינוי ספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית. שריד ו קרינה אלקטרומגנטיתהופיע 700 אלף שנה לאחר המפץ הגדול, אז בתהליך של התפשטות היקום מלא בגז חם עם גלי הלם נעים, שהפכו מאוחר יותר לגלקסיות. במקרה הזה, כמובן, צריך היה לפלוט מספר עצום ומדהים של גלי מרחב-זמן, המשפיעים על אורך הגל של קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל, שבאותה תקופה עדיין הייתה אופטית. האסטרופיזיקאי המקומי סז'ין כותב ומפרסם באופן קבוע מאמרים בנושא זה.
פרשנות שגויה של גילוי גלי כבידה
"מראה תלויה, גל כבידה פועל עליה והיא מתחילה להתנודד. ואפילו התנודות הקטנות ביותר עם משרעת קטנה מגודלו של גרעין אטום מבחינים על ידי מכשירים "- פרשנות לא נכונה כזו, למשל, משמשת במאמר בוויקיפדיה. אל תתעצלו, מצאו מאמר של מדענים סובייטים ב-1962.
ראשית, המראה חייבת להיות מאסיבית כדי להרגיש את ה"גליות". שנית, יש לקרר אותו לאפס כמעט מוחלט (קלווין) כדי למנוע תנודות תרמיות משלו. סביר להניח, לא רק במאה ה-21, אלא באופן כללי לעולם לא ניתן יהיה לזהות חלקיק יסודי - נושא גלי הכבידה:
הניפו את ידכם וגלי כבידה ירוצו ברחבי היקום.
S. Popov, M. Prokhorov. גלי רפאים של היקום
באסטרופיזיקה התרחש אירוע שציפו לו כבר עשרות שנים. אחרי חצי מאה של חיפושים, סוף סוף התגלו גלי כבידה, תנודות במרחב-זמן עצמו, שחזה איינשטיין לפני מאה שנים. ב-14 בספטמבר 2015, מצפה הכוכבים המעודכן של LIGO זיהה פרץ גל כבידה שנוצר ממיזוג של שני חורים שחורים עם מסות של 29 ו-36 מסות שמש בגלקסיה מרוחקת במרחק של כ-1.3 מיליארד שנות אור. אסטרונומיה של גלי כבידה הפכה לענף מן המניין בפיזיקה; היא פתחה לנו דרך חדשה להתבונן ביקום ותאפשר לנו לחקור את ההשפעות של כוח הכבידה החזק שבעבר לא היו נגישות.
גלי כבידה
תיאוריות של כוח הכבידה יכולות להמציא שונות. כולם יתארו את עולמנו בצורה שווה, כל עוד נגביל את עצמנו לביטוי אחד שלו - חוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון. אבל יש השפעות כבידה אחרות, עדינות יותר, שנבדקו בניסוי על סולמות מערכת השמש, והם מצביעים על תיאוריה מסוימת אחת, תורת היחסות הכללית (GR).
תורת היחסות הכללית היא לא רק קבוצה של נוסחאות, היא השקפה יסודית של מהות כוח הכבידה. אם בפיזיקה הרגילה המרחב משמש רק רקע, כלי קיבול לתופעות פיזיקליות, הרי שבתורת היחסות הכללית הוא עצמו הופך לתופעה, גודל דינמי המשתנה בהתאם לחוקי היחסות הכללית. עיוותים אלה של מרחב-זמן על רקע שטוח - או, בשפת הגיאומטריה, עיוותים של מטרי המרחב-זמן - הם המורגשים ככבידה. בקיצור, תורת היחסות הכללית חושפת את המקור הגיאומטרי של כוח הכבידה.
ליחסות הכללית יש תחזית חשובה ביותר: גלי כבידה. אלו הם עיוותים של מרחב-זמן שמסוגלים "להתנתק מהמקור" ולעוף מעצמם. זה כוח המשיכה בפני עצמו, אף אחד, שלו. אלברט איינשטיין ניסח לבסוף את תורת היחסות הכללית ב-1915 והבין כמעט מיד שהמשוואות שלו מאפשרות את קיומם של גלים כאלה.
כמו בכל תיאוריה כנה, תחזית כה ברורה של תורת היחסות הכללית חייבת להיות מאומתת בניסוי. כל גוף נע יכול להקרין גלי כבידה: כוכבי לכת, אבן שנזרקה כלפי מעלה והינף יד. עם זאת, הבעיה היא שהאינטראקציה הכבידתית כל כך חלשה עד שאף מערכי ניסוי לא מסוגלים לזהות את הקרינה של גלי כבידה מ"פולטים" רגילים.
כדי "להניע" גל חזק, אתה צריך לעוות את המרחב-זמן חזק מאוד. האפשרות האידיאלית היא שני חורים שחורים המסתובבים זה סביב זה בריקוד צמוד, במרחק בסדר רדיוס הכבידה שלהם (איור 2). העיוות של המטרי יהיה כה חזק עד שחלק ניכר מהאנרגיה של צמד זה יוקרן לתוך גלי כבידה. אובדן אנרגיה, הזוג יתקרב זה לזה, יסתובב מהר יותר, יעוות את המטרי יותר ויותר וייצור גלי כבידה חזקים עוד יותר - עד שלבסוף יתרחש מבנה מחדש רדיקלי של כל שדה הכבידה של צמד זה ושני חורים שחורים יתמזגו לאחד.
מיזוג כזה של חורים שחורים הוא פיצוץ של עוצמה אדירה, אבל רק כל האנרגיה המוקרנת הזו לא נכנסת לאור, לא לחלקיקים, אלא לתנודות של החלל. האנרגיה המוקרנת תהווה חלק ניכר מהמסה הראשונית של חורים שחורים, וקרינה זו תתיז החוצה תוך שבריר שנייה. תנודות דומות ייצרו מיזוגים של כוכבי נויטרונים. שחרור אנרגיה חלש מעט יותר של גלי כבידה מלווה גם בתהליכים אחרים, כמו קריסת ליבת סופרנובה.
לגל הכבידה שהתפרץ ממיזוג של שני עצמים קומפקטיים יש פרופיל מאוד ספציפי ומחושב היטב, המוצג באיור. 3. תקופת התנודה ניתנת על ידי תנועת מסלול של שני עצמים זה סביב זה. גלי כבידה נושאים אנרגיה; כתוצאה מכך, עצמים מתקרבים זה לזה ומסתובבים מהר יותר - וניתן לראות זאת הן בהאצת התנודות והן בעלייה באמפליטודה. בשלב מסוים, מתרחש מיזוג, הגל החזק האחרון נפלט, ואז מופיעה "טבעת אפטר" בתדר גבוה ( צלצול) הוא הריצוד של החור השחור שנוצר, אשר "זורק" את כל העיוותים הלא כדוריים (שלב זה אינו מוצג בתמונה). הכרת הפרופיל המאפיין הזה עוזרת לפיסיקאים לחפש את האות החלש ממיזוג כזה בנתוני גלאים רועשים מאוד.
תנודות של מטרי המרחב-זמן - הד גלי הכבידה של פיצוץ גרנדיוזי - יתפזרו ברחבי היקום לכל הכיוונים מהמקור. המשרעת שלהם יורדת עם המרחק, בדומה לאופן שבו הבהירות של מקור נקודתי יורדת עם המרחק ממנו. כאשר פרץ מגלקסיה רחוקה פוגע בכדור הארץ, התנודות במדד יהיו בסדר גודל של 10-22 או אפילו פחות. במילים אחרות, המרחק בין עצמים שאינם קשורים פיזית יגדל ויקטן מעת לעת בערך יחסי כזה.
קל להשיג את סדר הגודל של מספר זה משיקולי קנה מידה (ראה מאמר של V. M. Lipunov). בזמן מיזוג כוכבי נויטרונים או חורים שחורים של מסות כוכבים, העיוות של המדדים ממש לידם הוא גדול מאוד - בסדר גודל של 0.1, וזו הסיבה שמדובר בכבידה חזקה. עיוות חמור כזה משפיע על אזור בסדר גודל של עצמים אלה, כלומר כמה קילומטרים. כאשר מתרחקים מהמקור, משרעת התנודה נופלת ביחס הפוך למרחק. המשמעות היא שבמרחק של 100 Mpc = 3·10 21 ק"מ משרעת התנודות תרד ב-21 סדרי גודל ותהפוך לכ-10 −22.
כמובן שאם המיזוג יתרחש בגלקסיה הביתית שלנו, רעד החלל-זמן שהגיע לכדור הארץ יהיה הרבה יותר חזק. אבל אירועים כאלה מתרחשים אחת לכמה אלפי שנים. לכן, באמת צריך לסמוך רק על גלאי כזה שיוכל לחוש בהתמזגות של כוכבי נויטרונים או חורים שחורים במרחק של עשרות עד מאות מגה-פרסקים, מה שאומר שהוא יכסה אלפים ומיליונים רבים של גלקסיות.
כאן יש להוסיף שכבר התגלתה אינדיקציה עקיפה לקיומם של גלי כבידה, ואף הוענק על כך פרס נובל לפיזיקה לשנת 1993. תצפיות ארוכות טווח של הפולסר במערכת הבינארית PSR B1913+16 הראו שתקופת המסלול פוחתת בדיוק בקצב שנחזה על ידי תורת היחסות הכללית, תוך התחשבות באובדן האנרגיה לקרינת כבידה. מסיבה זו, כמעט אף אחד מהמדענים לא מטיל ספק במציאותם של גלי כבידה; השאלה היחידה היא איך לתפוס אותם.
חפש היסטוריה
החיפוש אחר גלי כבידה החל לפני כחצי מאה - והפך כמעט מיד לסנסציה. ג'וזף ובר מאוניברסיטת מרילנד עיצב את גלאי התהודה הראשון: גליל אלומיניום מוצק באורך שני מטרים עם חיישני פיזו רגישים בצדדים ובידוד רעידות טוב מרעידות חיצוניות (איור 4). עם מעבר גל כבידה, הגליל יהדהד בזמן עם עיוותי המרחב-זמן, שאמורים להירשם על ידי החיישנים. ובר בנה כמה גלאים כאלה, ובשנת 1969, לאחר שניתח את קריאותיהם במהלך אחד הפגישות, הוא הצהיר בטקסט פשוט כי רשם "קול של גלי כבידה" במספר גלאים בו-זמנית, המרוחקים שני קילומטרים זה מזה ( ג'יי ובר, 1969 עדות לגילוי קרינת כבידה). משרעת התנודה שלטענתו התבררה כגדולה להפליא, בסדר גודל של 10-16, כלומר גדולה פי מיליון מהערך הצפוי הטיפוסי. הודעתו של ובר נענתה קהילה מדעיתבספקנות רבה; חוץ מזה, קבוצות ניסוי אחרות, חמושים בגלאים דומים, לא יכלו לתפוס שום אות כזה בעתיד.
עם זאת, המאמצים של ובר הזניקו את כל תחום המחקר הזה והניעו את המצוד אחר הגלים. מאז שנות ה-70, הודות למאמצים של ולדימיר ברגינסקי ועמיתיו מאוניברסיטת מוסקבה, גם ברית המועצות נכנסה למירוץ הזה (ראה היעדר אותות גלי כבידה). סיפור מעניין על הזמנים ההם נמצא בחיבור אם ילדה נופלת לבור .... ברגינסקי, אגב, הוא מהקלאסיקות של כל תורת המדידות האופטיות הקוונטיות; הוא הגה לראשונה את הרעיון של מגבלת המדידה הקוונטית הסטנדרטית - מגבלה מרכזית במדידות אופטיות - והראה כיצד ניתן באופן עקרוני להתגבר עליהן. מעגל התהודה של Weber שופר, ובזכות הקירור העמוק של המתקן, הרעש הופחת באופן דרסטי (ראה רשימה והיסטוריית פרויקטים אלו). עם זאת, הדיוק של גלאי מתכת שכאלה עדיין לא היה מספיק לזיהוי אמין של האירועים הצפויים, וחוץ מזה, הם מכוונים להדהד רק בטווח תדרים צר מאוד סביב קילו-הרץ.
נראה שמבטיח הרבה יותר היו גלאים שלא משתמשים באובייקט מהדהד אחד, אלא עוקבים אחר המרחק בין שני גופים תלויים בלתי קשורים, למשל, שתי מראות. בשל תנודת החלל הנגרמת על ידי גל הכבידה, המרחק בין המראות יהיה קצת יותר או קצת פחות. במקרה זה, ככל שאורך הזרוע ארוך יותר, כך התזוזה המוחלטת תיגרם גדולה יותר מגל כבידה של משרעת נתונה. תנודות אלו יכולות להיות מורגשות על ידי קרן לייזר העוברת בין המראות. סכימה כזו מסוגלת לזהות תנודות בטווח תדרים רחב, מ-10 הרץ ל-10 קילו-הרץ, וזהו בדיוק המרווח שבו יקרינו זוגות מתמזגים של כוכבי נויטרונים או חורים שחורים בעלי מסה כוכבית.
היישום המודרני של רעיון זה המבוסס על אינטרפרומטר מיכלסון הוא כדלקמן (איור 5). מראות תלויות בשני תאי ואקום ארוכים, באורך של מספר קילומטרים, בניצב זה לזה. בכניסה למיצב קרן הלייזר מפוצלת, עוברת בשני החדרים, מוחזרת מהמראות, חוזרת אחורה ומתאחדת במראה שקופה. מקדם האיכות של המערכת האופטית הוא גבוה במיוחד, כך שקרן הלייזר לא עוברת רק פעם אחת קדימה ואחורה, אלא מתעכבת במהוד האופטי הזה לאורך זמן. במצב "רגוע", האורכים נבחרים כך ששתי הקורות, לאחר ריקומבינציה, יכבו זו את זו לכיוון החיישן, ואז הפוטו-גלאי נמצא בצל מוחלט. אבל ברגע שהמראות נעות מרחק מיקרוסקופי תחת פעולת גלי כבידה, הפיצוי של שתי הקרנות הופך לבלתי שלם והפוטו-גלאי קולט את האור. וככל שההטיה חזקה יותר, כך האור ייראה בהיר יותר על ידי חיישן הצילום.
המילים "תזוזה מיקרוסקופית" אפילו לא מתקרבות להעביר את מלוא העדינות של האפקט. קל להבחין בתזוזה של מראות באורך הגל של האור, כלומר מיקרונים, אפילו בלי שום טריקים. אבל עם אורך כתף של 4 ק"מ, זה מתאים לתנודות מרחב-זמן עם משרעת של 10-10. כמו כן, אין בעיה להבחין בתזוזה של מראות בקוטר של אטום – מספיק לשגר קרן לייזר שתרוץ הלוך ושוב אלפי פעמים ותקבל את חדירת הפאזה הרצויה. אבל גם זה נותן חוזק של 10-14. ואנחנו צריכים לרדת בסולם העקירה עוד מיליוני פעמים, כלומר, ללמוד איך לרשום את תזוזה במראה אפילו לא לפי אטום אחד, אלא באלפיות מגרעין אטום!
בדרך לטכנולוגיה המדהימה הזו באמת, פיזיקאים נאלצו להתגבר על קשיים רבים. חלקם מכניים גרידא: צריך לתלות מראות מאסיביות על מתלה שתלוי על מתלה אחר, זה על מתלה שלישי וכן הלאה - והכל כדי להיפטר ככל האפשר מרטט חוץ. בעיות אחרות הן גם אינסטרומנטליות, אבל אופטיות. לדוגמה, ככל שהקרן המסתובבת במערכת האופטית חזקה יותר, כך ניתן לזהות את תזוזה של המראות על ידי חיישן הצילום חלש יותר. אבל קרן חזקה מדי תחמם בצורה לא אחידה את האלמנטים האופטיים, מה שישפיע לרעה על תכונות הקרן עצמה. יש לפצות איכשהו את ההשפעה הזו, ועל כך, בשנות ה-2000, שלם תוכנית מחקרבהזדמנות זו (לסיפור על מחקר זה, ראה חדשות התגברות על מכשול בדרך לגלאי גלי כבידה רגיש במיוחד, "אלמנטים", 27/06/2006). לבסוף, ישנן מגבלות פיזיקליות בסיסיות גרידא הקשורות להתנהגות הקוונטית של פוטונים במהוד ולעקרון אי הוודאות. הם מגבילים את הרגישות של החיישן לערך הנקרא הגבול הקוונטי הסטנדרטי. עם זאת, פיזיקאים כבר למדו כיצד להתגבר על כך בעזרת מצב קוונטי שהוכן בצורה ערמומית של אור לייזר (J. Aasi et al., 2013. Enhanced Sensity of the LIGO gravitational wave detector על ידי שימוש במצבי אור סחוטים).
יש רשימה של מדינות במירוץ לגלי כבידה; לרוסיה יש מיצב משלה, במצפה הכוכבים בקסן, ודרך אגב, הוא מתואר בסרט מדע פופולרי דוקומנטרי מאת דמיטרי זבילגלסקי "מחכה לגלים וחלקיקים". מובילי הגזע הזה הם כעת שתי מעבדות - הפרויקט האמריקאי LIGO וגלאי הבתולה האיטלקית. LIGO כולל שני גלאים זהים הממוקמים בהנפורד (וושינגטון) וליווינגסטון (לואיזיאנה) ומופרדים זה מזה ב-3000 ק"מ. שני הגדרות חשובות משתי סיבות. ראשית, אות ייחשב רשום רק אם הוא נראה על ידי שני הגלאים בו-זמנית. ושנית, לפי ההבדל בהגעת פרץ גל כבידה לשני מתקנים - והוא יכול להגיע ל-10 מילישניות - אפשר לקבוע בערך מאיזה חלק בשמים הגיע האות הזה. נכון, עם שני גלאים השגיאה תהיה גדולה מאוד, אבל כשבתולה נכנסת לפעולה, הדיוק יגדל בצורה ניכרת.
באופן קפדני, הרעיון של זיהוי התערבותי של גלי כבידה הוצע לראשונה על ידי פיזיקאים סובייטים M. E. Gertsenhtein and V. I. Pustovoit עוד בשנת 1962. אז הלייזר בדיוק הומצא, וובר התחיל ליצור את גלאי התהודה שלו. עם זאת, מאמר זה לא הבחין במערב, ואם לומר את האמת, לא השפיע על התפתחותם של פרויקטים אמיתיים (ראה סקירה היסטורית פיזיקה של גילוי גלי כבידה: גלאים תהודה ואינטרפרומטריים).
יצירת מצפה הכבידה LIGO הייתה יוזמה של שלושה מדענים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) ומהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech). אלו הם ריינר וייס, שיישם את הרעיון של גלאי גלי כבידה מתערבבים, רונלד דרבר, שהשיג יציבות של אור לייזר מספיק לרישום, וקיפ ת'ורן, התיאורטיקן-מעורר ההשראה של הפרויקט, המוכר כעת לציבור הרחב. כיועץ מדעי הסרט Interstellar. את ההיסטוריה המוקדמת של LIGO ניתן לקרוא בראיון שנערך לאחרונה עם ריינר וייס ובזיכרונותיו של ג'ון פרסקיל.
הפעילות הקשורה לפרויקט הזיהוי התערבותי של גלי כבידה החלה בסוף שנות ה-70, ובתחילה הוטלה ספק במציאות ההתחייבות הזו בקרב רבים. עם זאת, לאחר הדגמה של מספר אבות טיפוס, פרויקט LIGO הנוכחי נכתב ואושר. הוא נבנה במהלך כל העשור האחרון של המאה ה-20.
למרות שארצות הברית נתנה את הדחיפה הראשונית לפרויקט, מצפה הכוכבים LIGO הוא פרויקט בינלאומי באמת. 15 מדינות השקיעו בו, כלכלית ואינטלקטואלית, ולמעלה מאלף אנשים חברים בשיתוף הפעולה. תפקיד חשוב ביישום הפרויקט שיחק על ידי פיזיקאים סובייטים ורוסים. כבר מההתחלה, הקבוצה שהוזכרה כבר של ולדימיר ברגינסקי מאוניברסיטת מוסקבה נטלה חלק פעיל ביישום פרויקט LIGO, ובהמשך הצטרף לשיתוף הפעולה גם המכון לפיזיקה שימושית מניז'ני נובגורוד.
מצפה הכוכבים LIGO הושק בשנת 2002 ועד 2010 הוא אירח שישה מפגשי תצפית מדעיים. לא זוהו התפרצויות גל כבידה בצורה מהימנה, ופיזיקאים הצליחו לקבוע רק גבולות עליונים לתדירות של אירועים כאלה. עם זאת, זה לא הפתיע אותם יותר מדי: הערכות הראו שבאותו חלק של היקום שהגלאי "האזין לו" באותה תקופה, ההסתברות לאסון חזק מספיק היה קטן: בערך אחת לכמה עשורים.
קו סיום
משנת 2010 עד 2015, שיתופי הפעולה של LIGO ו- Virgo ביצעו מודרניות קיצונית של הציוד (בתולה, לעומת זאת, עדיין בהכנה). ועכשיו השער המיוחל היה בקו ראייה ישיר. LIGO - או ליתר דיוק, aLIGO ( LIGO מתקדם) - היה מוכן כעת לתפוס התפרצויות שנוצרו על ידי כוכבי נויטרונים במרחק של 60 מגה-פארסק, וחורים שחורים - מאות מגה-פארסק. נפח היקום הפתוח להאזנה בגלי כבידה גדל פי עשרה בהשוואה למפגשים קודמים.
כמובן שאי אפשר לחזות מתי והיכן יתרחש ה"מפץ" הבא של גל הכבידה. אבל הרגישות של הגלאים המעודכנים אפשרה לסמוך על כמה מיזוגים של כוכבי נויטרונים בשנה, כך שניתן היה לצפות להתפרצות הראשונה כבר במהלך התצפית הראשונה בת ארבעה חודשים. אם נדבר על כל פרויקט aLIGO שנמשך כמה שנים, אז פסק הדין היה ברור ביותר: או שהפרצים ייפלו בזה אחר זה, או שמשהו בתורת היחסות הכללית לא עובד באופן עקרוני. שניהם יהיו תגליות נהדרות.
מ-18 בספטמבר 2015 עד 12 בינואר 2016, התקיים מושב התצפית הראשון של aLIGO. במהלך כל הזמן הזה נפוצו שמועות על רישום גלי כבידה באינטרנט, אך שיתוף הפעולה נותר דומם: "אנחנו אוספים ומנתחים נתונים ועדיין לא מוכנים לדווח על התוצאות". אינטריגה נוספת נוצרה מהעובדה שבתהליך הניתוח, חברי שיתוף הפעולה עצמם אינם יכולים להיות בטוחים לחלוטין שהם רואים גל כבידה אמיתי. העובדה היא שב-LIGO פרץ שנוצר במחשב מוכנס מדי פעם באופן מלאכותי לזרם הנתונים האמיתיים. זה נקרא "הזרקה עיוורת", הזרקה עיוורת, ומתוך כל הקבוצה רק לשלושה אנשים (!) יש גישה למערכת שמבצעת אותה ברגע שרירותי בזמן. על הצוות לעקוב אחר הזינוק הזה, לנתח אותו באחריות, ורק בשלבים האחרונים של הניתוח "נפתחים הקלפים" וחברי שיתוף הפעולה יגלו האם מדובר באירוע אמיתי או במבחן ערנות. אגב, במקרה אחד כזה ב-2010, זה אפילו הגיע לכתיבת מאמר, אבל האות שהתגלה אז התברר כ"סתימה עיוורת" בלבד.
סטייה לירית
כדי להרגיש שוב את החגיגיות של הרגע, אני מציע להסתכל על הסיפור הזה מהצד השני, מתוך המדע. כאשר משימה מדעית מורכבת ובלתי ניתנת לחדירה אינה מתאימה למספר שנים, זהו רגע עבודה רגיל. כשהיא לא נכנעת ליותר מדור אחד, היא נתפסת בצורה אחרת לגמרי.
כתלמיד בית ספר, אתה קורא ספרי מדע פופולרי ולומד על החידה המדעית הקשה לפתרון, אבל נורא מעניינת. כסטודנט, אתה לומד פיזיקה, מציג מצגות, ולפעמים, מתאים או לא, אנשים סביבך מזכירים לך את קיומה. אז אתה בעצמך עוסק במדע, עובד בתחום אחר בפיזיקה, אבל אתה שומע באופן קבוע על ניסיונות לא מוצלחים לפתור את זה. כמובן, אתה מבין שבאיזשהו מקום נעשית עבודה פעילה כדי לפתור את זה, אבל התוצאה הסופית עבורך כאאוטסיידר נשארת ללא שינוי. הבעיה נתפסת כרקע סטטי, כקישוט, כאלמנט של פיזיקה שהוא נצחי וכמעט ללא שינוי בקנה המידה של חייך המדעיים. כמשימה שתמיד הייתה ותמיד תהיה.
ואז - זה נפתר. ובפתאומיות, בקנה מידה של מספר ימים, אתה מרגיש שהתמונה הפיזית של העולם השתנתה ושעכשיו צריך לנסח אותה במונחים אחרים ולשאול שאלות אחרות.
עבור אנשים שעובדים ישירות על החיפוש אחר גלי כבידה, משימה זו, כמובן, לא נשארה ללא שינוי. הם רואים את המטרה, הם יודעים מה צריך להשיג. כמובן, הם מקווים שגם הטבע יפגוש אותם באמצע הדרך ויזרוק פרץ עוצמתי באיזו גלקסיה קרובה, אבל במקביל הם מבינים שגם אם הטבע לא כל כך נוח, הוא כבר לא יכול להסתתר ממדענים. השאלה היחידה היא מתי בדיוק הם יוכלו להשיג את המטרות הטכניות שלהם. סיפור על התחושה הזו מאדם שחיפש גלי כבידה כבר כמה עשורים ניתן לשמוע בסרט שכבר הוזכר. "מחכה לגלים וחלקיקים".
פְּתִיחָה
על איור. 7 מציג את התוצאה העיקרית: פרופיל האות שנרשם על ידי שני הגלאים. ניתן לראות שעל רקע הרעש, בהתחלה, התנודה של הצורה הרצויה מופיעה בצורה חלשה, ולאחר מכן עולה באמפליטודה ובתדירות. השוואה לתוצאות של סימולציות מספריות אפשרה לגלות אילו עצמים צפינו מתמזגים: אלו היו חורים שחורים בעלי מסות של כ-36 ו-29 מסות שמש, שהתמזגו לחור שחור בודד במסה של 62 מסות שמש (השגיאה מכל המספרים הללו, המקבילים לרווח סמך של 90 אחוז, הוא 4 מסות שמש). המחברים מעירים בשגגה כי החור השחור שנוצר הוא החור השחור בעל מסה הכוכבית הכבדה ביותר שנצפה אי פעם. ההבדל בין המסה הכוללת של שני העצמים המקוריים לבין החור השחור הסופי הוא 3±0.5 מסות שמש. פגם המסה הכבידתי הזה הפך לחלוטין לאנרגיה של גלי כבידה מוקרנים תוך כ-20 מילישניות. חישובים הראו כי שיא כוח הכבידה הגיע ל-3.6·10 56 ארג/שנייה, או, במונחים של מסה, כ-200 מסות שמש בשנייה.
המובהקות הסטטיסטית של האות שזוהה היא 5.1σ. במילים אחרות, אם נניח שהתנודות הסטטיסטיות הללו חופפות זו את זו וייצרו עלייה כזו באופן מקרי בלבד, אירוע כזה יצטרך לחכות 200 אלף שנה. זה מאפשר לנו לקבוע בביטחון שהאות שזוהה אינה תנודה.
עיכוב הזמן בין שני הגלאים היה כ-7 מילישניות. זה איפשר להעריך את כיוון הגעת האות (איור 9). מכיוון שיש רק שני גלאים, הלוקליזציה התבררה כמשוערת מאוד: השטח של הכדור השמימי המתאים מבחינת פרמטרים הוא 600 מעלות מרובע.
שיתוף הפעולה של LIGO לא הגביל את עצמו רק להצהרת עובדת הרישום של גלי כבידה, אלא גם ביצע את הניתוח הראשון של ההשלכות לתצפית זו על האסטרופיזיקה. במאמר ההשלכות האסטרופיזיות של מיזוג החור השחור הבינארי GW150914 שפורסם באותו יום בכתב העת מכתבי ה-astrophysical Journal, העריכו המחברים את התדירות שבה מתרחשים מיזוגים כאלה של חורים שחורים. התברר לפחות מיזוג אחד בג'יגה-פרסק מעוקב בשנה, שמתכנס עם התחזיות של הדגמים האופטימיים ביותר בהקשר זה.
על מה עוסקים גלי כבידה?
גילוי של תופעה חדשה לאחר עשרות שנים של חיפושים אינו הסוף, אלא רק תחילתו של ענף חדש בפיזיקה. כמובן, רישום גלי הכבידה מהמיזוג של שני שחורים חשוב בפני עצמו. זוהי הוכחה ישירה לקיומם של חורים שחורים, ולקיומם של חורים שחורים כפולים, ולמציאות של גלי כבידה, ואם כבר מדברים באופן כללי, הוכחה לנכונות הגישה הגיאומטרית לכבידה, שעליה מבוססת תורת היחסות הכללית. . אבל לפיסיקאים, לא פחות חשוב מכך שאסטרונומיה של גלי כבידה הופכת לכלי מחקר חדש, המאפשר לחקור את מה שלא היה נגיש בעבר.
ראשית, זוהי דרך חדשה לראות את היקום ולחקור קטקליזמות קוסמיות. אין מכשולים לגלי כבידה; הם עוברים דרך כל דבר ביקום ללא בעיות. הם עצמאיים: הפרופיל שלהם נושא מידע על התהליך שיצר אותם. לבסוף, אם פיצוץ גרנדיוזי אחד גורם להתפרצות אופטית, נייטרינו וגם להתפרצות כבידה, אז אתה יכול לנסות לתפוס את כולם, להשוות ביניהם, ולמיין פרטים שלא היו נגישים בעבר של מה שקרה שם. להיות מסוגל לתפוס ולהשוות אותות שונים כל כך מאירוע אחד הוא המטרה העיקרית של אסטרונומיה של כל האותות.
כאשר גלאי גלי כבידה הופכים רגישים עוד יותר, הם יוכלו לזהות את ריצוד המרחב-זמן לא ממש ברגע המיזוג, אלא כמה שניות לפניו. הם ישלחו אוטומטית את אות האזהרה שלהם לרשת הכללית של תחנות תצפית, וטלסקופים לוויינים אסטרופיזיים, לאחר שחשבו את הקואורדינטות של המיזוג המוצע, יספיקו לפנות בכיוון הנכון בשניות הללו ולהתחיל לירות בשמים לפני ההתחלה של ההתפרצות האופטית.
שנית, פרץ גל הכבידה יאפשר לך ללמוד דברים חדשים על כוכבי נויטרונים. מיזוג כוכבי הנייטרונים הוא למעשה הניסוי האחרון והקיצוני ביותר בכוכבי נויטרונים שהטבע יכול לערוך עבורנו, ואנו כצופים נצטרך רק לצפות בתוצאות. ההשלכות התצפיתיות של מיזוג כזה יכולות להיות מגוונות (איור 10), ועל ידי איסוף הנתונים הסטטיסטיים שלהן, נוכל להבין טוב יותר את התנהגותם של כוכבי נויטרונים בתנאים אקזוטיים כאלה. סקירה כללית של מצב העניינים הנוכחי בכיוון זה ניתן למצוא בפרסום האחרון של S. Rosswog, 2015. Multi-Messenger picture of compact binary mergers .
שלישית, רישום פרץ שהגיע מסופרנובה והשוואתו לתצפיות אופטיות יאפשרו סוף סוף למיין את הפרטים של המתרחש בפנים, ממש בתחילת הקריסה. כעת לפיסיקאים עדיין יש קשיים בסימולציה מספרית של תהליך זה.
רביעית, לפיזיקאים המעורבים בתורת הכבידה יש "מעבדה" נחשקת לחקר ההשפעות של כוח הכבידה החזק. עד כה, כל ההשפעות של תורת היחסות הכללית שהצלחנו לראות ישירות היו קשורות לכוח המשיכה בשדות חלשים. על מה שקורה בתנאים של כוח משיכה חזק, כאשר העיוותים של המרחב-זמן מתחילים ליצור אינטראקציה חזקה עם עצמם, יכולנו לנחש רק על ידי ביטויים עקיפים, דרך ההד האופטי של קטסטרופות קוסמיות.
חמישית, יש הזדמנות חדשה לבחון תיאוריות אקזוטיות של כוח הכבידה. יש כבר הרבה תיאוריות כאלה בפיזיקה המודרנית, ראה, למשל, את הפרק המוקדש להן מהספר הפופולרי של א.נ. פטרוב "כוח המשיכה". חלק מהתיאוריות הללו דומות לתורת היחסות הכללית המקובלת בגבול השדות החלשים, אך עשויות להיות שונות ממנה במידה רבה כאשר כוח הכבידה נעשה חזק מאוד. אחרים מניחים את קיומו של סוג חדש של קיטוב עבור גלי כבידה וחוזים מהירות שונה במקצת ממהירות האור. לבסוף, ישנן תיאוריות הכוללות מימדים מרחביים נוספים. מה אפשר להגיד עליהם על בסיס גלי כבידה זו שאלה פתוחה, אבל ברור שאפשר להרוויח מכאן קצת מידע. אנו ממליצים לקרוא גם את חוות הדעת של האסטרופיזיקאים עצמם לגבי מה שישתנה עם גילוי גלי הכבידה, בבחירה בפוסטנאוקה.
תוכניות עתידיות
הסיכויים לאסטרונומיה של גלי כבידה הם המעודדים ביותר. רק מפגש התצפית הראשון והקצר ביותר של גלאי aLIGO הסתיים כעת - וסימן ברור כבר נתפס בזמן הקצר הזה. נכון יותר יהיה לומר זאת: האות הראשון נתפס עוד לפני ההשקה הרשמית, ושיתוף הפעולה טרם דיווח על כל ארבעת חודשי העבודה. מי יודע, אולי יש כבר כמה פרצים נוספים? כך או אחרת, אך בהמשך לכך, ככל שרגישות הגלאים תגדל והחלק ביקום הנגיש לתצפיות בגלי כבידה מתרחב, מספר האירועים הרשומים יגדל כמו מפולת שלגים.
לוח הזמנים הצפוי של הפעלות ברשת LIGO-Virgo מוצג באיור. 11. המפגש השני, בן חצי שנה, יחל בסוף שנה זו, המפגש השלישי ייקח כמעט את כל שנת 2018, ובכל שלב תעלה רגישות הגלאי. בסביבות 2020, aLIGO אמור להגיע לרגישות המתוכננת שלה, מה שיאפשר לגלאי לחקור את היקום לאיתור מיזוגים של כוכבי נויטרונים שנמצאים במרחק של עד 200 MPc מאיתנו. עבור אירועי מיזוג של חורים שחורים אנרגטיים אף יותר, הרגישות יכולה להגיע לכמעט ג'יגה-פרסק. כך או אחרת, נפח היקום הזמין לתצפית יגדל פי עשרה בהשוואה לפגישה הראשונה.
בסוף שנה זו תיכנס למשחק גם המעבדה האיטלקית המעודכנת בתולה. יש לו קצת פחות רגישות מאשר LIGO, אבל זה גם די הגון. בשל שיטת הטריאנגולציה, שלישיית גלאים המרוחקים זה מזה במרחב תאפשר לשחזר הרבה יותר טוב את מיקומם של מקורות על הכדור השמימי. אם כעת, עם שני גלאים, שטח הלוקליזציה מגיע למאות מעלות ריבועיות, אז שלושה גלאים יצמצמו אותו לעשרות. בנוסף, נבנית בימים אלה ביפן אנטנת גלי כבידה דומה של KAGRA, שתתחיל לפעול בעוד שנתיים-שלוש, ובהודו, בסביבות שנת 2022, מתוכנן להשיק את גלאי LIGO-India. כתוצאה מכך, רשת שלמה של גלאי גלי כבידה תפעל ותקליט אותות באופן קבוע בעוד מספר שנים (איור 13).
לבסוף, יש תוכניות לקחת מכשירי גלי כבידה לחלל, בעיקר פרויקט eLISA. לפני חודשיים שוגר למסלול לוויין הניסוי הראשון, שתפקידו יהיה לבדוק טכנולוגיות. זה עדיין רחוק מזיהוי אמיתי של גלי כבידה. אבל כשקבוצת הלוויינים הזו תתחיל לאסוף נתונים, היא תפתח צוהר נוסף ליקום - דרך גלי כבידה בתדר נמוך. גישה כל-גלית כזו לגלי כבידה היא המטרה העיקרית של תחום זה בטווח הארוך.
מקבילים
גילוי גלי הכבידה כבר היה השלישי השנים האחרונותהמקרה שבו פיזיקאים סוף סוף עשו את דרכם דרך כל המכשולים והגיעו אל המורכבויות הבלתי ידועות עד כה של מבנה העולם שלנו. ב-2012 התגלה בוזון היגס - חלקיק שנחזה לפני כמעט חצי מאה. בשנת 2013, גלאי הנייטרינו של IceCube הוכיח את המציאות של ניטרינו אסטרופיזיקלי והחל "להסתכל על היקום" בצורה חדשה לחלוטין, שלא הייתה נגישה בעבר - באמצעות נויטרינו עתירי אנרגיה. ועכשיו הטבע נכנע לאדם שוב: "חלון" של גלי כבידה נפתח להתבוננות ביקום, ובמקביל, ההשפעות של כוח הכבידה החזק הפכו זמינות למחקר ישיר.
אני חייב לומר, בשום מקום לא היה "חינם" מהטבע. החיפוש נערך במשך זמן רב מאוד, אך הוא לא נכנע כי אז, לפני עשרות שנים, הציוד לא הגיע לתוצאה מבחינת אנרגיה, קנה מידה או רגישות. ההתפתחות המתמדת והתכליתית של הטכנולוגיה היא שהובילה למטרה, התפתחות שלא נעצרה על ידי קשיים טכניים או תוצאות שליליות של השנים האחרונות.
ובשלושת המקרים, הגילוי עצמו לא היה הסוף, אלא להיפך, תחילתו של כיוון חדש של מחקר, הפך לכלי חדש לחיטוט בעולמנו. התכונות של בוזון היגס הפכו ניתנות למדידה - ובנתונים אלה, פיזיקאים מנסים להבחין בהשפעות פיזיקה חדשה. הודות לסטטיסטיקה המוגברת של ניטרינו בעלי אנרגיה גבוהה, אסטרופיזיקת הניטרינו עושה את צעדיה הראשונים. לפחות אותו הדבר צפוי כעת מאסטרונומיה של גלי כבידה, ויש כל סיבה לאופטימיות.
מקורות:
1) LIGO Scientific Col. ובתולה קול. תצפית על גלי כבידה ממיזוג חור שחור בינארי // פיזי. לְהַאִיץ. Lett.פורסם ב-11 בפברואר 2016.
2) ניירות איתור - רשימת ניירות טכניים הנלווים למאמר הגילוי הראשי.
3) א ברטי. נקודת מבט: הצלילים הראשונים של מיזוג חורים שחורים // פיזיקה. 2016. ו' 9. נ' 17.
חומרי ביקורת:
1) דיוויד בלייר וחב'. אסטרונומיה של גלי כבידה: המצב הנוכחי // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott ו-LIGO שיתוף פעולה מדעי ושיתוף פעולה בתולה. סיכויי התבוננות ולוקליזציה של מעברי גלי כבידה עם LIGO מתקדם ובתולה מתקדם // כומר חי. תוֹרַת הָיַחֲסוּת. 2016. V. 19. N. 1.
3) O.D. Aguiar. העבר, ההווה והעתיד של גלאי גלי כבידה בעלי תהודה מסה // מילון אסטרון. אסטרופיות. 2011. V. 11. N. 1.
4) החיפוש אחר גלי כבידה - מבחר חומרים באתר כתב העת מַדָעבחיפוש אחר גלי כבידה.
5) מתיו פיטקין, סטיוארט ריד, שילה רואן, ג'ים האו. זיהוי גלי כבידה על ידי אינטרפרומטריה (קרקע וחלל) // arXiv:1102.3355.
6 ) ו ב בראגינסקי . אסטרונומיה של גלי כבידה: שיטות מדידה חדשות // UFN. 2000, כרך 170, עמ' 743–752.
7) פיטר ר. סולסון.
ממש לפני כמה שעות הגיעה הידיעה שחיכו לה זמן רב בעולם המדעי. קבוצת מדענים מכמה מדינות, הפועלת במסגרת הפרויקט הבינלאומי LIGO Scientific Collaboration, מספרת שבעזרת מספר מצפי כוכבים-גלאים הצליחו לתקן גלי כבידה במעבדה.
הם מנתחים נתונים משני לייזר אינטרפרומטר מצפה כבידה (LIGO) הממוקם בלואיזיאנה ובוושינגטון בארצות הברית.
כפי שנאמר במסיבת העיתונאים של פרויקט LIGO, גלי כבידה נרשמו ב-14 בספטמבר 2015, תחילה במצפה כוכבים אחד, ולאחר מכן לאחר 7 מילישניות במצפה אחר.
בהתבסס על ניתוח הנתונים שהתקבלו, אשר בוצע על ידי מדענים ממדינות רבות, כולל מרוסיה, נמצא כי גל הכבידה נגרם מהתנגשות של שני חורים שחורים בעלי מסה של פי 29 ו-36 מהמסה של השמש. לאחר מכן, הם התמזגו לחור שחור אחד גדול.
זה קרה לפני 1.3 מיליארד שנים. האות הגיע לכדור הארץ מקבוצת הכוכבים של הענן המגלן.
סרגיי פופוב (אסטרופיזיקאי במכון האסטרונומי של מדינת שטרנברג של אוניברסיטת מוסקבה) הסביר מהם גלי כבידה ומדוע כל כך חשוב למדוד אותם.
תיאוריות כבידה מודרניות הן תיאוריות גיאומטריות של כבידה, פחות או יותר הכל מתורת היחסות. התכונות הגיאומטריות של החלל משפיעות על תנועת גופים או עצמים כמו אלומת אור. ולהיפך - חלוקת האנרגיה (זה זהה למסה במרחב) משפיעה תכונות גיאומטריותמֶרחָב. זה מאוד מגניב, כי קל לדמיין את זה - לכל המישור האלסטי הזה מרופד בתא יש משמעות פיזית מסוימת, אם כי, כמובן, לא הכל כל כך מילולי.
פיזיקאים משתמשים במילה "מטרי". מטרי הוא מה שמתאר את התכונות הגיאומטריות של מרחב. והנה יש לנו גופים שנעים בתאוצה. הדבר הפשוט ביותר הוא שהמלפפון מסתובב. חשוב שזה למשל לא כדור ולא דיסק פחוס. קל לדמיין שכאשר מלפפון כזה מסתובב על מישור אלסטי, יזרקו ממנו אדוות. תארו לעצמכם שאתם עומדים במקום כלשהו, והמלפפון יפנה קצה אחד לעברכם, או קצהו השני. זה משפיע על המרחב והזמן בדרכים שונות, גל כבידה פועל.
אז, גל כבידה הוא אדוות העוברות לאורך מדד המרחב-זמן.
חרוזים בחלל
זהו תכונה בסיסית של ההבנה הבסיסית שלנו כיצד פועל כוח הכבידה, ואנשים רצו לבדוק זאת כבר מאה שנים. הם רוצים לוודא שהאפקט קיים ושהוא נראה במעבדה. בטבע זה נראה כבר לפני כשלושה עשורים. כיצד גלי כבידה צריכים להתבטא בחיי היומיום?
הדרך הקלה ביותר להמחיש זאת היא זו: אם תזרקו חרוזים בחלל כך שהם ישכבו במעגל, וכאשר גל הכבידה יעבור בניצב למישור שלהם, הם יתחילו להפוך לאליפסה, דחוסה כך או אחרת. העובדה היא שהמרחב סביבם יהיה מופרע, והם ירגישו זאת.
"G" על כדור הארץ
אנשים עושים דבר כזה, רק לא בחלל, אלא בכדור הארץ.
במרחק של ארבעה קילומטרים אחד מהשני תלויות מראות בצורת האות "ג" [כלומר מצפה הכוכבים האמריקאי LIGO].
קרני לייזר פועלות - זהו אינטרפרומטר, דבר מובן היטב. טכנולוגיות חדישותלאפשר למדוד אפקט קטן להפליא. אני עדיין לא מאמין בזה, אני מאמין בזה, אבל זה פשוט לא נכנס לי לראש - התזוזה של מראות התלויות במרחק של ארבעה קילומטרים זו מזו קטנה מגודלו של גרעין אטום. זה קטן אפילו בהשוואה לאורך הגל של הלייזר הזה. זה היה המלכוד: כוח המשיכה הוא הכוח החלש ביותר, ולכן התזוזות קטנות מאוד.
זה לקח הרבה מאוד זמן, אנשים ניסו לעשות זאת מאז שנות ה-70, הם בילו את חייהם בחיפוש אחר גלי כבידה. ועכשיו רק היכולות הטכניות מאפשרות להשיג רישום של גל כבידה בתנאי מעבדה, כלומר, הנה הוא הגיע, והמראות זזו.
כיוון
תוך שנה, אם הכל ילך כשורה, יהיו שלושה גלאים בעולם. שלושה גלאים חשובים מאוד, כי הדברים האלה גרועים מאוד בקביעת כיוון האות. בערך באותו אופן שבו אנו שומעים את כיוון המקור בצורה גרועה. "צליל ממקום כלשהו ימינה" - הגלאים האלה מרגישים משהו כזה. אבל אם שלושה אנשים עומדים במרחק אחד מהשני, ואחד שומע את הצליל מימין, השני משמאל, והשלישי מאחור, אז נוכל לקבוע בצורה מדויקת מאוד את כיוון הצליל. ככל שיש יותר גלאים, כך הם מפוזרים על פני הגלובוס, כך נוכל לקבוע בצורה מדויקת יותר את הכיוון למקור, ואז תתחיל האסטרונומיה.
אחרי הכל, המשימה הסופית היא לא רק לאשש את תורת היחסות הכללית, אלא גם להשיג ידע אסטרונומי חדש. תארו לעצמכם שיש חור שחור השוקל פי עשרה ממסת השמש. והוא מתנגש עם חור שחור נוסף השוקל עשר מסות שמש. ההתנגשות מתרחשת במהירות האור. אנרגיה פורצת דרך. זה נכון. יש כמות פנטסטית ממנו. וזה לא... זה רק אדוות של מקום וזמן. הייתי אומר שזיהוי המיזוג של שני חורים שחורים יהיה האישור האמין ביותר במשך זמן רב לכך שחורים שחורים הם בערך החורים השחורים שאנחנו חושבים עליהם.
בואו נעבור על הבעיות והתופעות שהוא יכול לחשוף.
האם באמת קיימים חורים שחורים?
ייתכן שהאות הצפוי מהודעת LIGO הופק על ידי שני חורים שחורים שהתמזגו. אירועים כאלה הם הנמרצים ביותר הידועים; עוצמתם של גלי הכבידה הנפלטים על ידם יכולה לעלות על כל כוכבי היקום הנצפה לזמן קצר בסך הכל. מיזוג חורים שחורים גם די קל לפרש במונחים של גלי כבידה טהורים מאוד.
מיזוג חור שחור מתרחש כאשר שני חורים שחורים מסתחררים זה סביב זה, ומקרינים אנרגיה בצורה של גלי כבידה. לגלים אלה יש צליל אופייני (ציוץ) שניתן להשתמש בו כדי למדוד את המסה של שני העצמים הללו. לאחר מכן, חורים שחורים בדרך כלל מתמזגים.
"דמיין לעצמך שתי בועות סבון שמתקרבות כל כך עד שהן יוצרות בועה אחת. בועה גדולה יותר מעוותת", אומר טיבאלט דאמור, תיאורטיקן כוח הכבידה במכון למחקרים מתקדמים. מחקר מדעיליד פריז. החור השחור האולטימטיבי יהיה מושלם צורה כדורית, אבל חייבים תחילה לפלוט גלי כבידה מסוג צפוי.
אחת ההשלכות המדעיות החשובות ביותר של גילוי מיזוגים של חורים שחורים תהיה האישור לקיומם של חורים שחורים – אובייקטים עגולים לחלוטין המורכבים ממרחב-זמן טהור, ריק ומעוקל, כפי שחזה תורת היחסות הכללית. תוצאה נוספת היא שהמיזוג מתקדם כפי שחזו מדענים. לאסטרונומים יש הרבה עדויות עקיפות לתופעה הזו, אבל עד כה אלו היו תצפיות על כוכבים וגז מחומם-על המקיפים חורים שחורים, לא חורים שחורים עצמם.
"הקהילה המדעית, כולל אני, לא אוהבת חורים שחורים. אנחנו לוקחים אותם כמובן מאליו, אומר פרנס פרטוריוס, מומחה להדמיית תורת היחסות הכללית באוניברסיטת פרינסטון בניו ג'רזי. "אבל כשאתה חושב על איזו תחזית מדהימה זו, אנחנו צריכים הוכחה מדהימה באמת."
האם גלי כבידה נעים במהירות האור?
כאשר מדענים מתחילים להשוות את תצפיות LIGO לאלו של טלסקופים אחרים, הדבר הראשון שהם בודקים הוא האם האות הגיע באותו זמן. פיזיקאים מאמינים שכוח המשיכה מועבר על ידי חלקיקים הנקראים גרביטונים, האנלוג הכבידתי של פוטונים. אם, כמו לפוטונים, לחלקיקים האלה אין מסה, אז גלי כבידה ינועו במהירות האור, בהתאמה לניבוי מהירות גלי הכבידה בתורת היחסות הקלאסית. (המהירות שלהם עשויה להיות מושפעת מההתפשטות המואצת של היקום, אבל זה אמור להופיע במרחקים הרבה מעבר לאלה שמכוסה על ידי LIGO.)
עם זאת, ייתכן בהחלט שלגרביטונים יש מסה קטנה, מה שאומר שגלי כבידה ינועו במהירות פחותה מהאור. כך, למשל, אם LIGO ובתולה יגלו גלי כבידה ויגלו שהגלים הגיעו לכדור הארץ מאוחר יותר מקרני הגמא הקשורות לאירוע הקוסמי, עשויות להיות לכך השלכות משנות חיים על הפיזיקה הבסיסית.
האם מרחב-זמן מורכב ממיתרים קוסמיים?
תגלית מוזרה עוד יותר עלולה להתרחש אם יתגלו התפרצויות של גלי כבידה המגיעים מ"מיתרים קוסמיים". פגמים היפותטיים אלה בעקמומיות של מרחב-זמן, שאולי קשורים או לא קשורים לתיאוריות מיתרים, צריכים להיות דקים לאין שיעור, אך נמתחים על פני מרחקים קוסמיים. מדענים חוזים כי מיתרים קוסמיים, אם הם קיימים, עלולים להתעקם בטעות; אם המיתר מתעקם, זה יגרום לגל כבידה שגלאים כמו LIGO או בתולה יוכלו למדוד.
האם כוכבי נויטרונים יכולים להיות משוננים?
כוכבי ניוטרונים הם שרידים של כוכבים גדולים שהתמוטטו תחת משקלם והפכו צפופים עד כדי כך שהאלקטרונים והפרוטונים החלו להתמזג לנייטרונים. למדענים יש מעט הבנה בפיזיקה של חורי נויטרונים, אבל גלי כבידה יכולים לספר עליהם הרבה. לדוגמה, כוח הכבידה האינטנסיבי על פני השטח שלהם גורם לכוכבי נויטרונים להפוך לכדוריים כמעט מושלם. אבל כמה מדענים הציעו שייתכן שיש להם גם "הרים" - בגובה של כמה מילימטרים - שהופכים את העצמים הצפופים האלה בקוטר של 10 קילומטרים, לא יותר, מעט אסימטריים. כוכבי ניוטרונים מסתובבים בדרך כלל מהר מאוד, ולכן התפלגות מסה א-סימטרית תעוות את המרחב בזמן ותייצר אות גל כבידה קבוע בצורת גל סינוס, מה שמאט את סיבוב הכוכב ומקרין אנרגיה.
גם זוגות של כוכבי נויטרונים המקיפים זה את זה מייצרים אות קבוע. כמו חורים שחורים, הכוכבים האלה מתגלגלים ולבסוף מתמזגים עם צליל אופייני. אבל הפרטים שלו שונים מהפרטים של צליל החורים השחורים.
למה כוכבים מתפוצצים?
חורים שחורים וכוכבי נויטרונים נוצרים כאשר כוכבים מסיביים מפסיקים לזרוח וקורסים לתוך עצמם. אסטרופיזיקאים חושבים שהתהליך הזה עומד בבסיס כל הסוגים הנפוצים של פיצוצי סופרנובה מסוג II. סימולציות של סופרנובות כאלה עדיין לא הראו מדוע הן מתלקחות, אך האזנה לפרצי גל הכבידה הנפלטים מסופרנובה אמיתית נחשבת לספק את התשובה. תלוי איך נראים גלים מתפרצים, כמה הם חזקים, באיזו תדירות הם מתרחשים, וכיצד הם מתואמים עם סופרנובות המנוטרות על ידי טלסקופים אלקטרומגנטיים, נתונים אלה יכולים לעזור לשלול חבורה של מודלים קיימים.
כמה מהר היקום מתפשט?
התפשטות היקום פירושה שעצמים רחוקים הנסוגים מהגלקסיה שלנו נראים אדומים יותר ממה שהם באמת, שכן האור שהם פולטים נמתח תוך כדי תנועה. קוסמולוגים מעריכים את קצב ההתפשטות של היקום על ידי השוואת ההסטה לאדום של גלקסיות למרחקים מהן מאיתנו. אבל המרחק הזה מוערך בדרך כלל מהבהירות של סופרנובות מסוג Ia, וטכניקה זו משאירה הרבה אי ודאות.
אם מספר גלאי גלי כבידה ברחבי העולם מזהים אותות מאותו מיזוג כוכבי נויטרונים, יחד הם יכולים להעריך במדויק את עוצמת האות, ואיתו את המרחק שבו התרחש המיזוג. הם גם יוכלו להעריך את הכיוון, ואיתו לזהות את הגלקסיה שבה התרחש האירוע. על ידי השוואת ההסטה לאדום של גלקסיה זו עם המרחק לכוכבים המתמזגים, ניתן להשיג קצב התפשטות קוסמי בלתי תלוי, אולי מדויק יותר ממה שמאפשרות השיטות הנוכחיות.
מקורות
http://www.bbc.com/russian/science/2016/02/160211_gravitational_waves
http://cont.ws/post/199519
כאן איכשהו גילינו, אבל מה זה ו. תראה איך זה נראה המאמר המקורי נמצא באתר InfoGlaz.rfקישור למאמר שממנו נוצר עותק זה -המשטח החופשי של נוזל בשיווי משקל בשדה כבידה הוא שטוח. אם בהשפעת השפעה חיצונית כלשהי, מוציאים את פני הנוזל במקום כלשהו ממצב שיווי המשקל שלו, אז מתרחשת תנועה בנוזל. תנועה זו תתפשט לאורך כל פני הנוזל בצורה של גלים, הנקראים גלי כבידה, שכן הם נובעים מפעולת שדה הכבידה. גלי כבידה מתרחשים בעיקר על פני הנוזל, הלוכדים את השכבות הפנימיות שלו ככל שפחות, ככל שהשכבות הללו ממוקמות עמוק יותר.
נתייחס כאן לגלי כבידה שכאלה שבהם מהירות תנועת חלקיקי הנוזל כל כך קטנה עד שניתן להזניח את המונח במשוואת אוילר בהשוואה לזה קל לגלות מה מצב זה אומר מבחינה פיזיקלית. במהלך מרווח זמן בסדר של תקופת התנודות שנעשו על ידי חלקיקי הנוזל בגל, חלקיקים אלו עוברים מרחק בסדר משרעת a של הגל, לכן מהירות תנועתם היא בסדר גודל של Velocity v משתנה באופן ניכר לאורך מרווחי זמן של הסדר ועל פני מרחקים של הסדר לאורך כיוון התפשטות הגל (- גלים באורך). לכן, הנגזרת של המהירות ביחס לזמן היא בסדר וביחס לקואורדינטות היא בסדר לפיכך, התנאי שווה ערך לדרישה
כלומר, משרעת התנודות בגל חייבת להיות קטנה בהשוואה לאורך הגל. בסעיף 9 ראינו שאם ניתן להזניח את המונח במשוואת התנועה, אז תנועת הנוזל היא פוטנציאל. בהנחה שהנוזל אינו ניתן לדחיסה, אנו יכולים אפוא להשתמש במשוואות (10.6) ו-(10.7). במשוואה (10.7) נוכל כעת להזניח את המונח המכיל את ריבוע המהירות; כשמכניסים ומכניסים את המונח לשדה הכבידה, אנו מקבלים:
(12,2)
אנו בוחרים את הציר, כרגיל, אנכית כלפי מעלה, וכמישור x, y אנו בוחרים את המשטח השטוח בשיווי המשקל של הנוזל.
נסמן - את הקואורדינטה של נקודות פני השטח של הנוזל ב; היא פונקציה של קואורדינטות x, y וזמן t. בשיווי משקל כך יש תזוזה אנכית של פני הנוזל תוך כדי תנודה.
תן ללחץ קבוע לפעול על פני הנוזל ואז יש לנו על פני השטח לפי (12.2)
ניתן לבטל את הקבוע על ידי הגדרה מחדש של הפוטנציאל (על ידי הוספת לו כמות בלתי תלויה בקואורדינטות. ואז המצב על פני הנוזל מקבל את הצורה
הקטנות של משרעת התנודה בגל פירושה שהתזוזה קטנה. לכן, אנו יכולים להניח, באותו קירוב, שהרכיב האנכי של מהירות התנועה של נקודות פני השטח עולה בקנה אחד עם נגזרת הזמן של העקירה Ho, כך שיש לנו:
בשל הקטנות של התנודות, במצב זה, נוכל לקחת את ערכי הנגזרות במקום זאת. כך, סוף סוף נקבל את מערכת המשוואות הבאה הקובעת את התנועה בגל כבידה:
נשקול גלים על פני נוזל, בהנחה שמשטח זה אינו מוגבל. נניח גם שאורך הגל קטן בהשוואה לעומק הנוזל; אז אפשר להתייחס לנוזל כעומק אינסופי. לכן, אנחנו לא כותבים תנאי גבול בגבולות הצדדיים ובתחתית הנוזל.
קחו בחשבון גל כבידה המתפשט לאורך הציר ואחיד לאורך הציר; בגל כזה, כל הכמויות אינן תלויות בקואורדינטת ה-y. נחפש פתרון שהוא פונקציה מחזורית פשוטה של זמן וקואורדינטת x:
כאשר ( הוא התדר המחזורי (נדבר עליו פשוט כתדר), k הוא וקטור הגל של הגל, הוא אורך הגל. החלפת ביטוי זה במשוואה, נקבל את המשוואה לפונקציה
התמיסה שלו מתפרקת לעומק הנוזל (כלומר ב-):
עלינו לעמוד גם בתנאי הגבול (12.5), בהחלפת (12.5) לתוכו, נמצא את הקשר בין וקטור הגל בתדר b (או, כמו שאומרים, חוק הפיזור של הגלים):
התפלגות המהירויות בנוזל מתקבלת על ידי הבחנה של הפוטנציאל ביחס לקואורדינטות:
אנו רואים שהמהירות יורדת באופן אקספוננציאלי בכיוון עמוק לתוך הנוזל. בכל נקודה נתונה במרחב (כלומר, עבור x נתון, z), וקטור המהירות מסתובב באופן אחיד במישור x, ונשאר קבוע בגודלו.
הבה נקבע גם את מסלולם של חלקיקי הנוזל בגל. נסמן באופן זמני ב-x, z את הקואורדינטות של חלקיק נוזלי נע (ולא את הקואורדינטות של נקודה קבועה במרחב), ובאמצעים - את הערך של x, למיקום שיווי המשקל של החלקיק. אז אפשר לכתוב a בצד ימין של (12.8) בערך במקום , תוך שימוש בקטנות התנודות. אינטגרציה לאורך זמן נותנת אם כן:
לפיכך, חלקיקי נוזל מתארים מעגלים סביב נקודות עם רדיוס פוחת אקספוננציאלית בכיוון עמוק לתוך הנוזל.
מהירות התפשטות הגל U שווה, כפי שיוצג בסעיף 67. בהחלפה כאן אנו מוצאים שמהירות ההתפשטות של גלי כבידה על משטח בלתי מוגבל של נוזל עמוק לאין שיעור שווה ל-
זה גדל עם הגדלת אורך הגל.
גלי כבידה ארוכים
לאחר ששקלנו גלי כבידה, שאורכם קטן בהשוואה לעומק הנוזל, נתעכב כעת על המקרה המגביל ההפוך של גלים, שאורכם גדול בהשוואה לעומק הנוזל.
גלים כאלה נקראים גלים ארוכים.
שקול תחילה את התפשטותם של גלים ארוכים בערוץ. אורך התעלה (המכוון לאורך ציר x) ייחשב בלתי מוגבל.חתך התעלה יכול להיות בעל צורה שרירותית ויכול להשתנות לאורכו. שטח החתך של הנוזל בתעלה יסומן על ידי עומק ורוחב התעלה מניחים שהם קטנים בהשוואה לאורך הגל.
נשקול כאן גלים ארוכים אורכיים, שבהם הנוזל נע לאורך הערוץ. בגלים כאלה, מרכיב המהירות לאורך הערוץ גדול בהשוואה לרכיבים
בציון v בפשטות והשמטת האיברים הקטנים, נוכל לכתוב את הרכיב - של משוואת אוילר כ
ו -רכיב - בצורה
(אנחנו משמיטים את המונחים ריבועיים במהירות, מכיוון שאמפליטודת הגל עדיין נחשבת קטנה). מהמשוואה השנייה, יש לנו, לשים לב שעל המשטח החופשי ) חייב להיות
החלפת ביטוי זה במשוואה הראשונה, נקבל:
את המשוואה השנייה לקביעת שני אלמונים ניתן לגזור בשיטה הדומה לגזירת משוואת ההמשכיות. משוואה זו היא בעצם משוואת המשכיות כפי שיושמה על המקרה הנדון. הבה נבחן את נפח הנוזל המוקף בין שני מישורים של חתך התעלה, הנמצאים במרחק זה מזה. ליחידת זמן ייכנס נפח נוזל דרך מישור אחד השווה ונפח ייצא דרך המישור השני ולכן נפח הנוזל בין שני המישורים ישתנה ב-