גלי כבידה, שנחזה תיאורטית על ידי איינשטיין ב-1917, עדיין מחכים למגלה שלהם.

בסוף 1969, פרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת מרילנד, ג'וזף ובר, פרסם הודעה מרעישה. הוא הודיע ​​שגילה גלי כבידה שהגיעו לכדור הארץ ממעמקי החלל. עד אז, אף מדען לא העלה טענות כאלה, ועצם האפשרות לזהות גלים כאלה נחשבה רחוקה מלהיות ברורה מאליה. עם זאת, וובר היה ידוע כסמכות בתחומו, ולכן עמיתים לקחו את המסר שלו ברצינות גמורה.

עם זאת, עד מהרה החלה האכזבה. משרעות הגלים שתועד לכאורה על ידי ובר היו גבוהות פי מיליוני מהערך התיאורטי. ובר טען שהגלים הללו הגיעו ממרכז הגלקסיה שלנו, מכוסים בענני אבק, עליהם היה מעט ידוע אז. אסטרופיזיקאים הציעו כי מסתתר שם חור שחור ענק, אשר מדי שנה זולל אלפי כוכבים ומשליך החוצה חלק מהאנרגיה הנספגת בצורה של קרינת כבידה, ואסטרונומים עסקו בחיפוש חסר תוחלת אחר עקבות ברורים יותר של קניבליזם קוסמי זה. (עכשיו הוכח שבאמת יש שם חור שחור, אבל הוא מוביל בצורה די הגונה). פיזיקאים מארה"ב, ברית המועצות, צרפת, גרמניה, אנגליה ואיטליה החלו בניסויים בגלאים מאותו סוג - ולא השיגו דבר.

מדענים עדיין לא יודעים למה לייחס את הקריאות המוזרות של המכשירים של ובר. עם זאת, מאמציו לא היו לשווא, למרות שגלי כבידה טרם התגלו. כמה מתקנים לחיפוש שלהם כבר נבנו או נבנים, ובעוד עשר שנים ישוגרו גם גלאים כאלה לחלל. בהחלט יתכן שבעתיד הלא כל כך רחוק קרינת הכבידה תהפוך לאותה מציאות פיזית נצפית כמו תנודות אלקטרומגנטיות. לרוע המזל, ג'וזף ובר כבר לא יידע זאת - הוא מת בספטמבר 2000.

מהם גלי כבידה

לעתים קרובות אומרים שגלי כבידה הם הפרעות של שדה הכבידה המתפשט בחלל. הגדרה זו נכונה, אך לא מלאה. לפי תורת היחסות הכללית, כוח המשיכה נובע מהעקמומיות של רצף המרחב-זמן. גלי כבידה הם תנודות של מדד המרחב-זמן, המתבטאים כתנודות בשדה הכבידה, ולכן הם נקראים לעתים קרובות באופן פיגורטיבי אדוות מרחב-זמן. גלי כבידה נחזו תיאורטית בשנת 1917 על ידי אלברט איינשטיין. אף אחד לא מטיל ספק בקיומם, אבל גלי כבידה עדיין מחכים למגלה שלהם.

מָקוֹר גלי כבידהלשמש כל תנועה של גופים חומריים, המובילה לשינוי לא אחיד בכוח הכבידה במרחב שמסביב. גוף הנע במהירות קבועה אינו מקרין דבר, שכן אופי שדה הכבידה שלו אינו משתנה. כדי לפלוט גלי כבידה, יש צורך בתאוצות, אבל לא כל. גליל שמסתובב סביב ציר הסימטריה שלו חווה תאוצה, אבל שדה הכבידה שלו נשאר אחיד ולא עולים גלי כבידה. אבל אם תסובב את הגליל הזה סביב ציר אחר, השדה יתנדנד, וגלי כבידה ירוצו מהגליל לכל הכיוונים.

מסקנה זו חלה על כל גוף (או מערכת גופים) שאינה סימטרית על ציר הסיבוב (במקרים כאלה, אומרים שלגוף יש מומנט מרובע-פול). מערכת מסה שמומנט הארבע-פול שלה משתנה עם הזמן מקרינה תמיד גלי כבידה.

תכונות בסיסיות של גלי כבידה

אסטרופיזיקאים מציעים שקרינה של גלי כבידה, המוציאה אנרגיה, היא שמגבילה את מהירות הסיבוב של פולסר מסיבי כאשר הוא סופג את החומר של כוכב שכן.

משואות כוח הכבידה של החלל

קרינת הכבידה ממקורות יבשתיים חלשה ביותר. עמוד פלדה במשקל 10,000 טון, תלוי מהמרכז במישור אופקי ולא מתפתל סביב ציר אנכי עד 600 סל"ד, מקרין הספק של כ-10 -24 וואט. לכן, התקווה היחידה לגילוי גלי כבידה היא למצוא מקור קוסמי של קרינת כבידה.

בהקשר זה, כוכבים בינאריים קרובים מבטיחים מאוד. הסיבה פשוטה: כוחה של קרינת הכבידה של מערכת כזו גדל ביחס הפוך לחזק החמישי של קוטרה. עדיף אפילו אם מסלולי הכוכבים מוארכים מאוד, מכיוון שהדבר מגביר את קצב השינוי במומנט המרובע. זה די טוב אם המערכת הבינארית מורכבת מכוכבי נויטרונים או חורים שחורים. מערכות כאלה הן כמו משואות כבידה בחלל - הקרינה שלהן היא תקופתית.

בחלל יש גם מקורות "דחף" היוצרים התפרצויות כבידה קצרות אך עוצמתיות ביותר. זה קורה כאשר כוכב מסיבי מתמוטט לפני פיצוץ סופרנובה. עם זאת, העיוות של הכוכב חייב להיות א-סימטרי, אחרת הקרינה לא תתרחש. במהלך הקריסה, גלי כבידה יכולים לסחוב איתם עד 10% מכלל האנרגיה של הכוכב! הספק של קרינת כבידה במקרה זה הוא בערך 10 50 W. עוד יותר אנרגיה משתחררת במהלך מיזוג כוכבי נויטרונים, כאן מגיע שיא ההספק ל-10 52 וואט. מקור מצוין לקרינה הוא התנגשות של חורים שחורים: המסה שלהם יכולה לעלות על המסות של כוכבי נויטרונים במיליארדי פעמים.

מקור נוסף לגלי כבידה הוא אינפלציה קוסמולוגית. מיד לאחר המפץ הגדול, היקום החל להתרחב במהירות רבה, ותוך פחות מ-10 -34 שניות, קוטרו גדל מ-10 -33 ס"מ לגודל מקרוסקופי. תהליך זה חיזק לאין שיעור את גלי הכבידה שהיו קיימים לפני תחילתו, וצאצאיהם שרדו עד היום.

אישור עקיף

העדות הראשונה לקיומם של גלי כבידה מגיעה מעבודתם של אסטרונום הרדיו האמריקאי ג'וזף טיילור ותלמידו ראסל הולס. ב-1974 הם גילו זוג כוכבי נויטרונים מסתובבים (פולסר פולט רדיו עם בן לוויה שקט). הפולסר הסתובב סביב צירו במהירות זוויתית יציבה (מה שרחוק מתמיד) ולכן שימש כשעון מדויק ביותר. תכונה זו אפשרה למדוד את המסות של שני הכוכבים ולקבוע את אופי תנועתם במסלול. התברר שתקופת המהפכה של מערכת בינארית זו (כ-3 שעות ו-45 דקות) מצטמצמת ב-70 מיקרו-שניות מדי שנה. ערך זה מתאים היטב לפתרונות של משוואות תורת היחסות הכללית המתארות את אובדן האנרגיה זוג כוכבים, עקב קרינת כבידה (עם זאת, התנגשות הכוכבים הללו לא תתרחש בקרוב, לאחר 300 מיליון שנה). בשנת 1993 זכו טיילור והולס בפרס נובל על תגלית זו.

אנטנות גלי כבידה

כיצד לזהות גלי כבידה בניסוי? ובר שימש כגלאים גלילי אלומיניום מוצקים באורך מטר עם חיישני פיזו בקצוות. הם בודדו בזהירות מרבית מהשפעות מכניות חיצוניות בתא ואקום. ובר התקין שניים מהגלילים הללו בבונקר מתחת למגרש גולף באוניברסיטת מרילנד, ואחד במעבדה הלאומית של ארגון.

הרעיון של הניסוי הוא פשוט. החלל תחת פעולת גלי כבידה נדחס ונמתח. בשל כך, הגליל רוטט בכיוון האורך, פועל כאנטנה של גלי כבידה, והגבישים הפיאזואלקטריים מתרגמים את התנודות לאותות חשמליים. כל מעבר של גלי כבידה קוסמיים משפיע למעשה בו-זמנית על גלאים המופרדים באלף קילומטרים, מה שמאפשר לסנן דחפים כבידה מסוגים שונים של רעשים.

חיישני Weber הצליחו לזהות תזוזות של קצוות הגליל, השוות רק ל-10 -15 מאורכו - במקרה זה, 10 -13 ס"מ. מכתבי סקירה פיזית. כל הניסיונות לשחזר את התוצאות הללו עלו בתוהו. הנתונים של ובר גם סותרים את התיאוריה, שלמעשה אינה מאפשרת לצפות לשינויים יחסיים מעל 10 -18 (וערכים פחות מ-10 -20 הם הרבה יותר סבירים). יתכן וובר טעה בעיבוד הסטטיסטי של התוצאות. הניסיון הראשון לזהות בניסוי קרינה גרביטציונית הסתיים בכישלון.

בעתיד, אנטנות גלי כבידה שופרו משמעותית. בשנת 1967 הציע הפיזיקאי האמריקאי ביל פיירבנק לקרר אותם בהליום נוזלי. זה לא רק איפשר להיפטר מרוב הרעש התרמי, אלא גם פתח את האפשרות להשתמש ב-SQUIDs (מוליכי-על קוונטים אינטרפרומטרים), המגנומטרים העל-רגישים המדויקים ביותר. היישום של רעיון זה היה כרוך בקשיים טכניים רבים, ופיירבנק עצמו לא חי לראות אותו. בתחילת שנות ה-80, פיזיקאים מאוניברסיטת סטנפורד בנו מכשיר עם רגישות של 10-18, אך לא נרשמו גלים. כעת במספר מדינות ישנם גלאי גלי כבידה אולטרה קריוגניים הפועלים בטמפרטורות רק עשיריות ומאיות המעלה מעל האפס המוחלט. כזה, למשל, הוא מפעל AURIGA בפאדובה. האנטנה עבורו היא צילינדר באורך שלושה מטרים העשוי מסגסוגת אלומיניום-מגנזיום, שקוטרו 60 ס"מ ומשקלו 2.3 טון. הוא תלוי בתא ואקום מקורר ל-0.1 K. תנודותיו (בתדירות של כ-1000 הרץ) משודרים לתהודה עזר במסה של 1 ק"ג, המתנדנד באותו תדר, אך עם משרעת גדולה בהרבה. רעידות אלו מתועדות על ידי ציוד מדידה ומנתחות על ידי מחשב. הרגישות של קומפלקס AURIGA היא בערך 10 -20 -10 -21.

אינטרפרומטרים

דרך נוספת לזיהוי גלי כבידה מבוססת על דחיית מהודים מסיביים לטובת קרני אור. הוא הוצע לראשונה ב-1962 פיזיקאים סובייטיםמיכאיל גרצנשטיין ולדיסלב פוסטובויט, ושנתיים לאחר מכן וובר. בתחילת שנות ה-70, עובד מעבדת המחקר של התאגיד יוז מטוסיםרוברט פורוורד (לשעבר תלמידו לתואר שני של ובר, לימים סופר מדע בדיוני מפורסם מאוד) בנה את הגלאי הראשון כזה ברגישות הגונה למדי. במקביל, פרופסור במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) ריינר וייס ביצע ניתוח תיאורטי עמוק מאוד של האפשרויות של רישום גלי כבידה בשיטות אופטיות.

שיטות אלה כוללות שימוש באנלוגים של המכשיר שבאמצעותו הוכיח לפני 125 שנה הפיזיקאי אלברט מיכלסון שמהירות האור זהה לחלוטין בכל הכיוונים. במערך זה, האינטרפרומטר של מיכלסון, קרן אור פוגעת בלוח שקוף ומפוצלת לשתי אלומות מאונכות הדדית, המוחזרות ממראות הממוקמות באותו מרחק מהלוח. ואז הקורות מתמזגות שוב ונופלות על המסך, שם מופיעה דפוס הפרעות (בהיר ו פסים כהיםוקווים). אם מהירות האור תלויה בכיוון שלו, אז כאשר אתה מסובב את כל המתקן, התמונה הזו צריכה להשתנות, אם לא, היא צריכה להישאר כמו קודם.

גלאי גלי הכבידה ההפרעות פועל באופן דומה. הגל המשודר מעוות את החלל ומשנה את אורך כל זרוע של האינטרפרומטר (הנתיב שהאור עובר מהמפצל אל המראה), מותח זרוע אחת ולוחץ את השנייה. דפוס ההפרעות משתנה, וניתן לרשום זאת. אבל זה לא קל: אם השינוי היחסי הצפוי באורך זרועות האינטרפרומטר הוא 10 -20, אז עם ממדי שולחן העבודה של המכשיר (כמו של מיכלסון) הוא הופך לתנודות עם משרעת בסדר גודל של 10 -18 ס"מ לשם השוואה: גלי האור הנראה ארוכים פי 10 טריליון! ניתן להגדיל את אורך הכתפיים למספר קילומטרים, אך הבעיות עדיין יישארו. מקור אור הלייזר חייב להיות גם חזק ויציב בתדירות, המראות חייבות להיות שטוחות לחלוטין ומשקפות בצורה מושלמת, הוואקום בצינורות שדרכם מתפשט האור חייב להיות עמוק ככל האפשר, הייצוב המכני של המערכת כולה חייב להיות באמת. מושלם. בקיצור, גלאי ההפרעות של גלי כבידה הוא מכשיר יקר ומגושם.

כיום, המתקן הגדול ביותר מסוג זה הוא מתחם LIGO האמריקאי. (מצפה גלי כבידה אינטרפרומטר אור). הוא מורכב משני מצפה כוכבים, שאחד מהם ממוקם על חוף האוקיינוס ​​השקט של ארצות הברית, והשני לא רחוק מ מפרץ מקסיקו. המדידות נעשות באמצעות שלושה אינטרפרומטרים (שניים במדינת וושינגטון, אחד בלואיזיאנה) עם זרועות באורך 4 ק"מ. המערך מצויד בצוברי אור מראה, המגבירים את רגישותו. "מאז נובמבר 2005, כל שלושת האינטרפרומטרים שלנו פעלו כרגיל", אמר פיטר סולסון, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת סירקיוז, ממתחם LIGO, לפופולרי מכניקה. - אנחנו כל הזמן מחליפים נתונים עם מצפה כוכבים אחרים שמנסים לזהות גלי כבידה בתדירות של עשרות ומאות הרץ, שהתעוררו בפיצוצי הסופרנובה החזקים ביותר ובמיזוג כוכבי נויטרונים וחורים שחורים. כעת פועל האינטרפרומטר הגרמני GEO 600 (אורך זרוע - 600 מ'), הממוקם 25 ק"מ מהנובר. מכשיר ה-TAMA היפני 300 מטר נמצא כעת בשדרוג. גלאי בתולה באורך שלושה קילומטרים ליד פיזה יצטרף למאמץ בתחילת 2007, ובתדרים מתחת ל-50 הרץ הוא יוכל לעלות על LIGO. מתקנים עם מהודים קריוגניים במיוחד פועלים ביעילות הולכת וגוברת, אם כי הרגישות שלהם עדיין מעט פחותה משלנו.

לקוחות פוטנציאליים

מה מחכה לשיטות לגילוי גלי כבידה בעתיד הקרוב? פרופסור ריינר וייס אמר על כך למכניקה פופולרית: "בעוד כמה שנים יותקנו במצפי הכוכבים של מתחם LIGO לייזרים חזקים יותר וגלאים מתקדמים יותר, מה שיוביל לעלייה של פי 15 ברגישות. כעת הוא 10 -21 (בתדרים בסדר גודל של 100 הרץ), ולאחר המודרניזציה הוא יעלה על 10 -22. המתחם המודרני, Advanced LIGO, יגדיל את עומק החדירה לחלל פי 15. פרופסור מאוניברסיטת מוסקבה הממלכתית ולדימיר ברגינסקי, אחד החלוצים בחקר גלי כבידה, משתתף באופן פעיל בפרויקט זה.

השיגור של אינטרפרומטר החלל LISA מתוכנן לאמצע העשור הבא ( אנטנת חלל אינטרפרומטר לייזר) עם אורך כתפיים של 5 מיליון קילומטרים, הוא פרויקט משותף של נאס"א וסוכנות החלל האירופית. הרגישות של מצפה כוכבים זה תהיה גבוהה פי מאות מהיכולות של מכשירים קרקעיים. הוא מיועד בעיקר לחיפוש אחר גלי כבידה בתדר נמוך (10 -4 -10 -1 הרץ) שלא ניתן לתפוס על פני כדור הארץ עקב הפרעות אטמוספריות וסיסמיות. גלים כאלה נפלטים על ידי מערכות כוכבים בינאריות, תושבים טיפוסיים למדי של הקוסמוס. LISA תוכל גם לזהות גלי כבידה הנוצרים כאשר כוכבים רגילים נבלעים על ידי חורים שחורים. אך לצורך זיהוי גלי כבידה שריד הנושאים מידע על מצב החומר ברגעים הראשונים שלאחר המפץ הגדול, ככל הנראה נדרשים מכשירי חלל מתקדמים יותר. הגדרה כזו צופה המפץ הגדול, נדון כעת, אך לא סביר שהוא יווצר ותושק מוקדם יותר מאשר בעוד 30-40 שנה".

11 בפברואר 2016 נחשב ליום הרשמי של גילוי (גילוי) של גלי כבידה. אז, במסיבת עיתונאים שהתקיימה בוושינגטון, הודיעו ראשי שיתוף הפעולה של LIGO כי צוות חוקרים הצליח לתעד את התופעה הזו לראשונה בתולדות האנושות.

נבואותיו של איינשטיין הגדול

את העובדה שקיימים גלי כבידה הציע אלברט איינשטיין בתחילת המאה הקודמת (1916) במסגרת תורת היחסות הכללית (GR) שנוסחה על ידו. אפשר רק להתפעל מהיכולות המבריקות של הפיזיקאי המפורסם, שעם מינימום נתונים אמיתיים הצליח להסיק מסקנות כה מרחיקות לכת. בין תופעות פיזיקליות חזויות רבות אחרות שאושרו במאה הבאה (האטת חלוף הזמן, שינוי כיוון הקרינה האלקטרומגנטית ב שדות כבידהוכו') עד לאחרונה לא ניתן היה לזהות באופן מעשי נוכחות של סוג זה של אינטראקציית גלים של גופים.

כוח המשיכה - אשליה?

באופן כללי, לאור תורת היחסות, בקושי ניתן לקרוא לכוח הכבידה כוח. הפרעות או עקמומיות של רצף המרחב-זמן. דוגמה טובה הממחישה את ההנחה הזו היא פיסת בד מתוחה. מתחת למשקל של חפץ מסיבי המונח על משטח כזה, נוצרת שקע. עצמים אחרים הנעים ליד אנומליה זו ישנו את מסלול תנועתם, כאילו "נמשכים". וככל שמשקל החפץ גדול יותר (ככל שקוטר ועומק העקמומיות גדולים יותר), כך "כוח המשיכה" גבוה יותר. כאשר הוא נע דרך הבד, ניתן להבחין במראה של "אדווה" מתפצלת.

משהו דומה קורה בחלל העולמי. כל חומר מאסיבי הנעים במהירות הוא מקור לתנודות בצפיפות המרחב והזמן. גל כבידה בעל משרעת משמעותית נוצר על ידי גופים בעלי מסות גדולות במיוחד או כאשר הם נעים בתאוצות עצומות.

מאפיינים פיזיים

תנודות של מדד המרחב-זמן מתבטאות כשינויים בשדה הכבידה. תופעה זו נקראת אחרת אדוות מרחב-זמן. גל הכבידה פועל על הגופים והעצמים שנתקלים בהם, דוחס וממתח אותם. ערכי הדפורמציה קטנים מאוד - בערך 10 -21 מהגודל המקורי. כל הקושי לזהות תופעה זו היה שהחוקרים נאלצו ללמוד כיצד למדוד ולתעד שינויים כאלה בעזרת ציוד מתאים. כוחה של קרינת הכבידה גם הוא קטן ביותר - עבור כולה מערכת השמשזה כמה קילוואט.

מהירות ההתפשטות של גלי כבידה תלויה מעט בתכונות המדיום המוליך. משרעת התנודה יורדת בהדרגה עם המרחק מהמקור, אך לעולם לא מגיעה לאפס. התדר נע בטווח שבין כמה עשרות למאות הרץ. מהירות גלי הכבידה בתווך הבין-כוכבי מתקרבת למהירות האור.

ראיה נסיבתית

לראשונה, האישור התיאורטי לקיומם של גלי כבידה התקבל על ידי האסטרונום האמריקאי ג'וזף טיילור ועוזרו ראסל הולס ב-1974. בחקר מרחבי היקום באמצעות טלסקופ הרדיו של מצפה הכוכבים ארסיבו (פוארטו ריקו), גילו החוקרים את הפולסר PSR B1913 + 16, שהוא מערכת בינארית של כוכבי נויטרונים המסתובבים סביב מרכז מסה משותף במהירות זוויתית קבועה ( מקרה די נדיר). בכל שנה, תקופת המהפכה, שהייתה במקור 3.75 שעות, מצטמצמת ב-70 אלפיות השנייה. ערך זה תואם למדי את המסקנות ממשוואות GR המנבאות עלייה במהירות הסיבוב של מערכות כאלה עקב הוצאת אנרגיה ליצירת גלי כבידה. לאחר מכן, התגלו מספר פולסרים כפולים וגמדים לבנים בעלי התנהגות דומה. אסטרונומי הרדיו ד' טיילור ור' הולס זכו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1993 על גילוי אפשרויות חדשות לחקר שדות כבידה.

גל כבידה חמקמק

ההצהרה הראשונה על זיהוי גלי כבידה הגיעה מהמדען מאוניברסיטת מרילנד ג'וזף ובר (ארה"ב) ב-1969. למטרות אלה, הוא השתמש בשתי אנטנות כבידה בעיצובו שלו, מופרדות במרחק של שני קילומטרים. גלאי התהודה היה צילינדר אלומיניום בעל רטט אחד באורך שני מטרים מצויד בחיישנים פיזואלקטריים רגישים. משרעת התנודות שנרשמה לכאורה על ידי ובר התבררה כיותר מפי מיליון מהערך הצפוי. ניסיונות של מדענים אחרים שהשתמשו בציוד כזה כדי לחזור על "הצלחתו" של הפיזיקאי האמריקאי לא הביאו לתוצאות חיוביות. כמה שנים מאוחר יותר, עבודתו של ובר בתחום זה הוכרה כבלתי נסבלת, אך נתנה תנופה לפיתוח "בום כבידה" שמשך מומחים רבים לתחום מחקר זה. אגב, יוסף ובר עצמו עד סוף ימיו היה בטוח שקיבל גלי כבידה.

שיפור ציוד קליטה

בשנות ה-70 המדען ביל פיירבנק (ארה"ב) פיתח עיצוב של אנטנת גלי כבידה מקורר באמצעות SQUIDs - מגנומטרים רגישים במיוחד. הטכנולוגיות שהיו קיימות באותה תקופה לא אפשרו לממציא לראות את המוצר שלו, ממומש ב"מתכת".

על פי עיקרון זה, גלאי הכבידה של Auriga יוצר במעבדה הלאומית לגנארד (פדובה, איטליה). העיצוב מבוסס על גליל אלומיניום-מגנזיום באורך 3 מטר ובקוטר 0.6 מ' מכשיר הקליטה במשקל 2.3 טון תלוי בתא ואקום מבודד מקורר כמעט עד לאפס מוחלט. מהוד קילוגרם עזר ומתחם מדידה מבוסס מחשב משמשים לתיקון וזיהוי רעידות. הרגישות המוצהרת של הציוד היא 10-20.

אינטרפרומטרים

תפקודם של גלאי הפרעות של גלי כבידה מבוסס על אותם עקרונות לפיהם פועל האינטרפרומטר של מיכלסון. קרן הלייזר הנפלטת מהמקור מחולקת לשני זרמים. לאחר השתקפויות מרובות ונסיעות לאורך כתפי המכשיר, הזרמים שוב מאחדים, והאחרון משמש כדי לשפוט אם הפרעות כלשהן (לדוגמה, גל כבידה) השפיעו על מהלך הקרניים. ציוד דומה נוצר במדינות רבות:

• GEO 600 (הנובר, גרמניה). אורכן של מנהרות ואקום הוא 600 מטר.
• TAMA (יפן) עם כתפיים של 300 מ'.
• VIRGO (פיזה, איטליה) הוא פרויקט צרפתי-איטלקי משותף שהושק בשנת 2007 עם מנהרות באורך 3 ק"מ.
• LIGO (ארה"ב, חוף האוקיינוס ​​השקט), צד גלי כבידה מאז 2002.

זה האחרון ראוי לשקול ביתר פירוט.

LIGO מתקדם

הפרויקט נוצר ביוזמתם של מדענים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס וקליפורניה. כולל שני מצפה כוכבים המופרדים על ידי 3,000 ק"מ, בוושינגטון (ערים ליווינגסטון והנפורד) עם שלושה אינטרפרומטרים זהים. אורכן של מנהרות ואקום מאונכות הוא 4,000 מטרים. אלו הם המבנים הגדולים ביותר הפועלים כיום. עד 2011, ניסיונות רבים לזהות גלי כבידה לא הביאו לתוצאות. המודרניזציה המשמעותית שבוצעה (Advanced LIGO) העלתה את רגישות הציוד בטווח של 300-500 הרץ ביותר מפי חמישה, ובאזור התדר הנמוך (עד 60 הרץ) כמעט בסדר גודל, והגיעה ערך נחשק כזה של 10 -21. הפרויקט המעודכן החל בספטמבר 2015, והמאמצים של יותר מאלף עובדים בשיתוף הפעולה זכו לתוצאות.

זוהו גלי כבידה

ב-14 בספטמבר 2015, גלאי LIGO מתקדמים במרווח של 7 אלפיות השנייה תיעדו גלי כבידה שהגיעו לכוכב הלכת שלנו מהתופעה הגדולה ביותר שהתרחשה בפאתי היקום הנצפה - מיזוג של שני חורים שחורים גדולים בעלי מסות פי 29 ו-36 מסת השמש. במהלך התהליך, שהתרחש לפני יותר מ-1.3 מיליארד שנים, הוצאו כשלוש מסות שמש של חומר על קרינת גלי כבידה בתוך שברירי שנייה. התדר ההתחלתי הקבוע של גלי כבידה היה 35 הרץ, וערך השיא המרבי הגיע ל-250 הרץ.

התוצאות שהתקבלו עברו שוב ושוב לאימות ועיבוד מקיפים, ופרשנויות חלופיות של הנתונים שהתקבלו נותקו בזהירות. לבסוף, בשנה שעברה הוכרז לקהילה העולמית על הרישום הישיר של התופעה שחזה איינשטיין.

עובדה הממחישה את עבודתם הטיטאנית של חוקרים: משרעת התנודות בממדים של זרועות האינטרפרומטר הייתה 10 -19 מ' - ערך זה קטן בהרבה מקוטר אטום כפי שהוא קטן מתפוז.

סיכויי עתיד

התגלית שוב מאשרת שתורת היחסות הכללית היא לא רק קבוצה של נוסחאות מופשטות, אלא ביסודה מראה חדשעל מהות גלי הכבידה וכוח הכבידה בכלל.

במחקר נוסף, מדענים תולים תקוות גדולות בפרויקט ELSA: יצירת אינטרפרומטר מסלולי ענק עם זרועות של כ-5 מיליון ק"מ, המסוגל לזהות אפילו הפרעות קלות של שדות כבידה. התעצמות העבודה בכיוון זה יכולה לספר הרבה על השלבים העיקריים בהתפתחות היקום, על תהליכים שקשה או בלתי אפשרי לצפות בהם בלהקות מסורתיות. אין ספק שחורים שחורים, שגלי הכבידה שלהם יתועדו בעתיד, יספרו רבות על טבעם.

כדי לחקור את שריד קרינת הכבידה, שיכולה לספר על הרגעים הראשונים של עולמנו לאחר המפץ הגדול, יידרשו מכשירי חלל רגישים יותר. קיים פרויקט כזה צופה המפץ הגדול), אך יישומו, על פי מומחים, אפשרי לא לפני 30-40 שנים.

הזיהוי הישיר הראשון של גלי כבידה נחשף לעולם ב-11 בפברואר 2016 ויצר כותרות ברחבי העולם. על תגלית זו בשנת 2017, פיסיקאים קיבלו את פרס נובל והשיקו רשמית עידן חדש של אסטרונומיה כבידה. אבל צוות של פיזיקאים במכון נילס בוהר בקופנהגן, דנמרק, הטיל ספק בממצא, בהתבסס על ניתוח עצמאי משלהם של הנתונים בשנתיים וחצי האחרונות.

אחד החפצים המסתוריים ביותר בעולם, חורים שחורים, מושכים תשומת לב באופן קבוע. אנחנו יודעים שהם מתנגשים, מתמזגים, משנים בהירות ואפילו מתאדים. ובכל זאת, בתיאוריה, חורים שחורים יכולים לחבר את היקומים זה עם זה באמצעות. עם זאת, כל הידע וההנחות שלנו לגבי העצמים המאסיביים הללו עשויים להתברר כלא מדויקים. לאחרונה ב קהילה מדעיתהיו שמועות שמדענים קיבלו אות הנובע מחור שחור, שגודלו ומסתו כה עצומים עד שקיומו בלתי אפשרי מבחינה פיזית.

הזיהוי הישיר הראשון של גלי כבידה נחשף לעולם ב-11 בפברואר 2016 ויצר כותרות ברחבי העולם. על תגלית זו בשנת 2017, פיסיקאים קיבלו את פרס נובל והשיקו רשמית עידן חדש של אסטרונומיה כבידה. אבל צוות של פיזיקאים במכון נילס בוהר בקופנהגן הטיל ספק בממצא, בהתבסס על ניתוח עצמאי משלהם של הנתונים בשנתיים וחצי האחרונות.

11 בפברואר, 2016

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 של זה. 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 -, ארה"ב
© רויטרס, מידע

סוף סוף התגלו גלי כבידה

מדע פופולרי

תנודות במרחב-זמן מתגלות מאה שנה לאחר שנחזה על ידי איינשטיין. עידן חדש באסטרונומיה מתחיל.

מדענים הצליחו לזהות תנודות במרחב-זמן שנגרמו ממיזוג חורים שחורים. זה קרה מאה שנים לאחר שאלברט איינשטיין חזה את "גלי הכבידה" הללו בתורת היחסות הכללית שלו, ומאה שנים לאחר שהפיזיקאים החלו לחפש אותם.

התגלית ציונית הדרך דווחה היום על ידי חוקרים ממצפה גלי הכבידה האינטרפרומטריים של LIGO. הם אישרו את השמועות שהיו סביב ניתוח קבוצת הנתונים הראשונה שאספו במשך מספר חודשים. אסטרופיזיקאים אומרים שגילוי גלי הכבידה מספק דרך חדשה להסתכל על היקום ומאפשר לזהות אירועים רחוקים שלא ניתן לראות בטלסקופים אופטיים, אך ניתן להרגיש ואף לשמוע את הרעד הקלוש שלהם מגיע אלינו דרך החלל.

"זיהינו גלי כבידה. עשינו זאת!" דייוויד רייצה, מנכ"ל צוות המחקר בן 1,000 חברים, הודיע ​​היום במסיבת עיתונאים בוושינגטון די.סי בקרן הלאומית למדע.

גלי כבידה הם אולי התופעה החמקמקה ביותר בתחזיותיו של איינשטיין, המדען דן בנושא זה עם בני דורו במשך עשרות שנים. לפי התיאוריה שלו, המרחב והזמן יוצרים חומר מתמתח שמתכופף בהשפעת עצמים כבדים. להרגיש את כוח המשיכה פירושו ליפול לעיקולי העניין הזה. אבל האם המרחב-זמן הזה יכול לרעוד כמו עור של תוף? איינשטיין היה מבולבל, הוא לא ידע מה משמעות המשוואות שלו. ושינה שוב ושוב את נקודת המבט שלו. אבל אפילו התומכים הנלהבים ביותר של התיאוריה שלו האמינו שגלי כבידה חלשים מכדי שניתן יהיה לצפות בהם בכל מקרה. הם משתפכים החוצה לאחר קטקליזמות מסוימות, ולסירוגין נמתחים ודוחסים את המרחב-זמן בזמן שהם נעים. אבל עד שהגלים האלה מגיעים לכדור הארץ, הם נמתחים ודוחסים כל קילומטר בחלל בשבריר זעיר מקוטר גרעין אטום.

© REUTERS, גלאי מצפה הכוכבים של Hangout LIGO בהנפורד, וושינגטון

כדי לזהות את הגלים הללו, נדרשו סבלנות וזהירות. מצפה הכוכבים של LIGO ירה קרני לייזר קדימה ואחורה לאורך ברכיים ישרות באורך ארבעה קילומטרים של שני גלאים, האחד בהנפורד, וושינגטון והשני בליווינגסטון, לואיזיאנה. זה נעשה בחיפוש אחר התרחבות והתכווצויות תואמות של מערכות אלו במהלך מעבר גלי כבידה. באמצעות מייצבים חדישים, מכשירי ואקום ואלפי חיישנים, מדדו המדענים שינויים באורך של מערכות אלו, עד לאלף מגודלו של פרוטון. רגישות כזו של מכשירים לא הייתה מתקבלת על הדעת לפני מאה שנים. זה נראה מדהים בשנת 1968, כאשר ריינר וייס מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס הגה ניסוי בשם LIGO.

"זה נס גדול שבסוף הם הצליחו. הם הצליחו לקלוט את הרטטים הזעירים האלה!" אמר הפיזיקאי התיאורטי מאוניברסיטת ארקנסו דניאל קנפיק, שכתב את הספר "נסיעה במהירות המחשבה: איינשטיין והחיפוש אחר גלי כבידה" ב-2007.

תגלית זו סימנה את תחילתו של עידן חדש באסטרונומיה של גלי כבידה. יש לקוות שיהיו לנו רעיונות מדויקים יותר לגבי היווצרותם, הרכבם ותפקידם הגלקטי של חורים שחורים - אותם כדורי מסה סופר-צפופים שמעוותים את המרחב-זמן בצורה כה חדה שאפילו אור לא יכול לברוח ממנו. כאשר חורים שחורים מתקרבים זה לזה ומתמזגים, הם יוצרים אות דחף - תנודות מרחב-זמן שמתגברות באמפליטודה ובטון, ואז מסתיימות בפתאומיות. האותות האלה שהמצפה יכול לזהות נמצאים בטווח האודיו - עם זאת, הם חלשים מכדי להישמע באוזן בלתי מזוינת. אתה יכול ליצור מחדש את הצליל הזה על ידי העברת האצבעות על מקשי הפסנתר. "התחיל בצליל הנמוך ביותר ותתקדם עד לאוקטבה השלישית," אמר וייס. "זה מה שאנחנו שומעים."

פיזיקאים כבר מופתעים ממספר וחוזק האותות שנרשמים עליהם הרגע הזה. זה אומר שיש יותר חורים שחורים בעולם ממה שחשבו בעבר. "היה לנו מזל, אבל תמיד סמכתי על סוג כזה של מזל", אמר אסטרופיזיקאי קלטק קיפ ת'ורן, שיצר את LIGO יחד עם וייס ורונלד דרבר, אף הם מ-Caltech. "זה קורה בדרך כלל כשחלון חדש לגמרי נפתח ביקום."

על ידי האזנה לגלי כבידה, אנו יכולים ליצור רעיונות שונים לחלוטין על החלל, ואולי לגלות תופעות קוסמיות בלתי נתפסות.

"אני יכול להשוות את זה לפעם הראשונה שכיוונו טלסקופ לשמים", אמרה האסטרופיזיקאית התיאורטית יאנה לוין ממכללת ברנרד באוניברסיטת קולומביה. "אנשים הבינו שיש משהו בחוץ, ואתה יכול לראות אותו, אבל הם לא יכלו לחזות את מגוון האפשרויות המדהים שקיים ביקום." באופן דומה, ציין לוין, גילוי גלי כבידה יכול להראות שהיקום "מלא בחומר אפל שאיננו יכולים לזהות רק באמצעות טלסקופ".

סיפור גילויו של גל הכבידה הראשון החל ביום שני בבוקר בספטמבר, והוא התחיל בכותנה. האות היה כל כך ברור ורם עד שוויס חשב: "לא, זה שטויות, לא ייצא מזה כלום".

עוצמת הרגשות

גל כבידה ראשון זה שטף את הגלאים של ה-LIGO המשודרג - תחילה בליווינגסטון ושבע מילישניות לאחר מכן בהנפורד - במהלך ריצת סימולציה בשעות המוקדמות של ה-14 בספטמבר, יומיים לפני ההתחלה הרשמית של איסוף הנתונים.

הגלאים "התרוצצו" לאחר המודרניזציה, שנמשכה חמש שנים ועלתה 200 מיליון דולר. הם צוידו במתלי מראה חדשים להפחתת רעש ואקטיבי מָשׁוֹבלדכא רעידות חיצוניות בזמן אמת. השדרוג העניק למצפה המשודרג רמת רגישות גבוהה יותר מה-LIGO הישן, שמצא "אפס מוחלט וטהור" בין 2002 ל-2010, כפי שניסח זאת וייס.

כשהגיע אות עוצמתי בספטמבר, מדענים באירופה, שם היה בוקר באותו רגע, החלו להפציץ בחופזה את עמיתיהם האמריקאים בהודעות על אימייל. כששאר חברי הקבוצה התעוררו, הבשורה התפשטה מהר מאוד. כמעט כולם היו סקפטיים, אמר וייס, במיוחד כשראו את האות. זו הייתה קלאסיקה אמיתית של ספרי לימוד, ולכן כמה אנשים חשבו שזה מזויף.

טענות שווא בחיפוש אחר גלי כבידה נשמעו פעמים רבות מאז סוף שנות ה-60, כאשר ג'וזף ובר מאוניברסיטת מרילנד חשב שזיהה תנודות תהודה בגליל אלומיניום עם חיישנים בתגובה לגלים. ב-2014 התקיים ניסוי בשם BICEP2, שהביא להכרזה על גילוי גלי כבידה ראשוניים - תנודות מרחב-זמן מהמפץ הגדול, שעד כה נמתחו וקפאו לצמיתות בגיאומטריה של היקום. מדענים מקבוצת BICEP2 הכריזו על גילוים בקול תרועה רמה, אך אז אומתו התוצאות שלהם באופן עצמאי, שבמהלכו התברר שהם טעו, וכי האות הזה הגיע מאבק קוסמי.

כשהקוסמולוג של אוניברסיטת אריזונה סטייט לורנס קראוס שמע על התגלית של צוות LIGO, הוא חשב בתחילה שמדובר ב"מתיחה עיוורת". במהלך פעולת המצפה הישן, אותות מדומים הוכנסו בחשאי לזרמי נתונים כדי לבדוק את התגובה, ו רובהצוות לא ידע על כך. כשקראוס למד ממקור בקיא שהפעם לא מדובר ב"מלית עיוורת", הוא בקושי הצליח להכיל את התרגשותו השמחה.

ב-25 בספטמבר הוא צייץ ל-200,000 העוקבים שלו: "שמועות על זיהוי גל כבידה בגלאי LIGO. מדהים אם נכון. אני אודיע לך את הפרטים אם זה לא מזויף. לאחר מכן מופיע ערך מ-11 בינואר: "שמועות לשעבר על LIGO מאושרות על ידי מקורות בלתי תלויים. עקבו אחר החדשות. אולי התגלו גלי כבידה!"

העמדה הרשמית של המדענים הייתה כזו: אל תדברו על האות שהתקבל עד שיש וודאות של מאה אחוז. תורן, כבול בידיים וברגליים על ידי חובת סודיות זו, אפילו לא אמר דבר לאשתו. "חגגתי לבד", אמר. מלכתחילה החליטו המדענים לחזור להתחלה ולנתח הכל לפרטים הקטנים על מנת לגלות כיצד האות התפשט באלפי ערוצי מדידה של גלאים שונים, ולהבין אם היה משהו מוזר באותה תקופה. האות זוהה. הם לא מצאו שום דבר יוצא דופן. הם גם שללו האקרים, שהיו צריכים לדעת הכי טוב על אלפי זרמי הנתונים במהלך הניסוי. "גם כשהקבוצה מבצעת זריקות עיוורות, הם לא מספיק מושלמים ומשאירים הרבה עקבות מאחוריהם", אמר תורן. "אבל לא היו עקבות."

בשבועות שלאחר מכן שמעו אות נוסף, חלש יותר.

מדענים ניתחו את שני האותות הראשונים, והם קיבלו עוד ועוד חדשים. בינואר הם הציגו את מחקרם בכתב העת Physical Review Letters. הנושא הזה עולה היום לאינטרנט. לפי ההערכות שלהם, המובהקות הסטטיסטית של האות הראשון והחזק ביותר עולה על "5 סיגמה", מה שאומר שהחוקרים בטוחים ב-99.9999% באותנטיות שלו.

להקשיב לכוח המשיכה

משוואות תורת היחסות הכללית של איינשטיין כל כך מורכבות שלקח לרוב הפיזיקאים 40 שנה להסכים שכן, גלי כבידה קיימים וניתן לזהותם - אפילו תיאורטית.

בתחילה, איינשטיין חשב שעצמים אינם יכולים לשחרר אנרגיה בצורה של קרינת כבידה, אבל אז הוא שינה את דעתו. בעבודתו ההיסטורית, שנכתבה ב-1918, הוא הראה איזה סוג של עצמים יכולים לעשות זאת: מערכות בצורת משקולת המסתובבות בו-זמנית סביב שני צירים, כמו כוכבים בינארים וסופרנובה שמתפוצצים כמו חזיזים. הם יכולים ליצור גלים במרחב-זמן.

© REUTERS, Handout מודל ממוחשב הממחיש את טבעם של גלי כבידה במערכת השמש

אבל איינשטיין ועמיתיו המשיכו להסס. כמה פיזיקאים טענו שגם אם קיימים גלים, העולם יתנדנד איתם, ואי אפשר יהיה להרגיש אותם. רק ב-1957 סגר ריצ'רד פיינמן את השאלה בכך שהדגים בניסוי מחשבתי שאם קיימים גלי כבידה, ניתן לזהות אותם באופן תיאורטי. אבל איש לא ידע עד כמה מערכות בצורת משקולת אלו נפוצות בחלל החיצון, וכמה חזקים או חלשים היו הגלים שנוצרו. "בסופו של דבר, השאלה הייתה: האם אי פעם נמצא אותם?" אמר קנפיק.

בשנת 1968, ריינר וייס היה פרופסור צעיר ב-MIT והוקצה לו ללמד קורס בתורת היחסות הכללית. בתור נסיין, הוא ידע מעט על כך, אבל פתאום היו חדשות על גילוי גלי הכבידה של ובר. ובר בנה שלושה גלאי תהודה בגודל שולחן מאלומיניום והציב אותם במדינות שונות באמריקה. כעת הוא אמר שכל שלושת הגלאים תיעדו "קול של גלי כבידה".

תלמידיו של וייס התבקשו להסביר את טיבם של גלי כבידה ולהביע את דעתם על המסר. בלימוד הפרטים, הוא הופתע מהמורכבות של החישובים המתמטיים. "לא הצלחתי להבין מה לעזאזל וובר עושה, איך החיישנים תקשרו עם גל הכבידה. ישבתי הרבה זמן ושאלתי את עצמי: "מה הדבר הכי פרימיטיבי שאני יכול לחשוב עליו שמזהה גלי כבידה?" ואז עלה במוחי רעיון, שאני מכנה הבסיס הרעיוני של LIGO.

דמיינו שלושה עצמים במרחב-זמן, למשל מראות בפינות של משולש. "שלח אות אור מאחד לשני," אמר ובר. "תראה כמה זמן לוקח לעבור ממיסה אחת לאחרת, ותראה אם ​​הזמן השתנה." מתברר, ציין המדען, ניתן לעשות זאת במהירות. "הפקדתי את זה על התלמידים שלי כמשימה מדעית. פשוטו כמשמעו, כל הקבוצה הצליחה לעשות את החישובים האלה".

בשנים שלאחר מכן, כאשר חוקרים אחרים ניסו לשחזר את תוצאות ניסוי גלאי התהודה של ובר אך נכשלו ללא הרף (לא ברור מה הוא צפה, אבל הם לא היו גלי כבידה), וייס החל להכין ניסוי מדויק ושאפתני הרבה יותר. : אינטרפרומטר גלי הכבידה. קרן הלייזר מוחזרת משלוש מראות המותקנות בצורת האות "L" ויוצרת שתי אלומות. מרווח השיאים והשפל של גלי האור מציין במדויק את אורך עיקולי האות "G", היוצרים את צירי ה-x וה-y של המרחב-זמן. כאשר הסולם נייח, שני גלי האור קופצים מהפינות ומבטלים זה את זה. האות בגלאי הוא אפס. אבל אם גל כבידה עובר דרך כדור הארץ, הוא מותח את אורך זרוע אחת של האות "G" ודוחס את אורכה של השנייה (ולהיפך לסירוגין). חוסר ההתאמה של שתי אלומות האור יוצר אות בגלאי, המראה תנודות קלות במרחב-זמן.

בהתחלה, פיסיקאים אחרים היו סקפטיים, אבל הניסוי מצא עד מהרה תמיכה אצל Thorne, שקבוצת התיאורטיקנים שלו ב-Caltech חקרה חורים שחורים ומקורות פוטנציאליים אחרים של גלי כבידה, כמו גם את האותות שהם יצרו. ת'ורן קיבל השראה מניסוי וובר וממאמצים דומים של מדענים רוסים. לאחר שדיברתי בכנס עם וייס ב-1975, "התחלתי להאמין שזיהוי גלי כבידה יצליח", אמר ת'ורן. "ורציתי שגם קלטק יהיה חלק מזה". הוא קבע עם המכון לשכור את הנסיין הסקוטי רונלד דרייבר, שגם טען לבנות אינטרפרומטר גלי כבידה. עם הזמן, תורן, דרייבר ווייס החלו לעבוד כצוות, כל אחד פתר את חלקו באינספור בעיות כהכנה לניסוי מעשי. השלישייה הקימה את LIGO ב-1984, וכאשר נבנו אבות טיפוס והחל שיתוף הפעולה כחלק מצוות הולך וגדל, הם קיבלו מימון של 100 מיליון דולר מהקרן הלאומית למדע בתחילת שנות ה-90. שרטוטים נרשמו לבניית זוג גלאים ענקיים בצורת L. עשור לאחר מכן החלו הגלאים לפעול.

בהונפורד וליווינגסטון, במרכז כל אחת מברכי הגלאים באורך ארבעת הקילומטרים, קיים ואקום שבזכותו הלייזר, האלומה והמראות שלו מבודדים בצורה מקסימלית מהתנודות הקבועות של כדור הארץ. ליתר ביטחון, מדעני LIGO עוקבים אחר הגלאים שלהם כשהם פועלים עם אלפי מכשירים, מודדים כל מה שהם יכולים: פעילות סיסמית, לחץ ברומטרי, ברקים, קרניים קוסמיות, רטט ציוד, צלילים סביב קרן הלייזר וכו'. לאחר מכן הם מסננים את הנתונים שלהם עבור רעשי הרקע הזרים הללו. אולי העיקר שיש להם שני גלאים, וזה מאפשר לך להשוות את הנתונים שהתקבלו, ולבדוק אם נוכחותם של אותות תואמים.

הֶקשֵׁר

גלי כבידה: השלימו את מה שאיינשטיין התחיל בברן

SwissInfo 13.02.2016

איך מתים חורים שחורים

בינוני 19/10/2014
בתוך הוואקום שנוצר, אפילו עם לייזרים ומראות מבודדים ומיוצבים לחלוטין, "דברים מוזרים קורים כל הזמן", אומר מרקו קבליה, סגן דובר פרויקט LIGO. מדענים חייבים לעקוב אחר "דגי זהב", "רוחות רפאים", "מפלצות ים מוזרות" ושאר תופעות רטט זרות אחרות, ולגלות את מקורן כדי לחסל אותה. אחד מקרה קשההתרחשה בשלב האימות, אמרה חוקרת LIGO ג'סיקה מקאייבר, החוקרת אותות והפרעות זר כאלה. סדרה של רעשים תקופתיים חד-תדרים הופיעה לעתים קרובות בין הנתונים. כשהיא ועמיתיה המירו את הרטט של המראות לקבצי אודיו, "צלצול הטלפון הפך להיות נשמע בבירור", אמר מקאייבר. "התברר שדווקא מפרסמי התקשורת הם שעשו שיחות טלפון בתוך חדר הלייזר".

בשנתיים הקרובות, המדענים ימשיכו לשפר את הרגישות של הגלאים של מצפה הכבידה LIGO המשודרג. ובאיטליה יתחיל לפעול אינטרפרומטר שלישי בשם Advanced Virgo. אחת התשובות שהממצאים יעזרו לתת היא כיצד נוצרים חורים שחורים. האם הם תוצר של קריסת הכוכבים המאסיביים המוקדמים ביותר, או שהם תוצאה של התנגשויות בתוך צבירי כוכבים צפופים? "אלה רק שני ניחושים, אני מאמין שיהיו עוד כשהעניינים יירגעו", אומר וייס. כאשר LIGO מתחילה לצבור נתונים סטטיסטיים חדשים במהלך עבודתה הקרובה, מדענים יתחילו להקשיב לסיפורים על מקורם של חורים שחורים שנלחשו להם על ידי החלל.

אם לשפוט לפי הצורה והגודל, אות הפולס הראשון והחזק ביותר התרחש במרחק של 1.3 מיליארד שנות אור מהמקום שבו, לאחר נצח של ריקוד איטי תחת השפעת משיכה הדדית כבידה, שני חורים שחורים, כל אחד בערך פי 30 מהמסה של השמש, התמזגה לבסוף. החורים השחורים חגו מהר יותר ויותר, כמו מערבולת, מתקרבת בהדרגה. ואז היה מיזוג, ובהרף עין הם שחררו גלי כבידה באנרגיה דומה לאנרגיה של שלוש שמשות. מיזוג זה היה תופעת האנרגיה החזקה ביותר שתועדה אי פעם.

"זה כאילו מעולם לא ראינו את האוקיינוס ​​בסערה," אמר ת'ורן. הוא חיכה לסופה הזו במרחב-זמן מאז שנות ה-60. אי אפשר לקרוא לתחושה שחווה ת'ורן ברגע שבו גלים אלו התגלגלו, הוא אומר. זה היה משהו אחר: תחושת סיפוק עמוקה.

החומרים של InoSMI מכילים רק הערכות של מדיה זרה ואינם משקפים את עמדת עורכי InoSMI.