Suure tugevusega gravitatsioonilained. Kõik, mida tahtsid gravitatsioonilainete kohta teada, kuid kartsid küsida. Kvantideooria ja gravitatsiooniteooria ühendamise küsimus on ühtse väljateooria loomise üks põhiküsimusi.
Astrofüüsikud on kinnitanud gravitatsioonilainete olemasolu, mille olemasolu ennustas Albert Einstein umbes 100 aastat tagasi. Need tuvastati USA-s asuva LIGO gravitatsioonilainete vaatluskeskuse detektorite abil.
Esimest korda ajaloos on inimkond registreerinud gravitatsioonilaineid – aegruumi vibratsioone, mis tulid Maale kahe kaugel universumis aset leidnud musta augu kokkupõrkest. Sellele avastusele aitasid kaasa ka Venemaa teadlased. Neljapäeval räägivad teadlased oma avastusest üle maailma – Washingtonis, Londonis, Pariisis, Berliinis ja teistes linnades, sealhulgas Moskvas.
Fotol on musta augu kokkupõrke simulatsioon
Pressikonverentsil Rambler&Co kontoris teatas LIGO koostöö Venemaa osa juht Valeri Mitrofanov gravitatsioonilainete avastamisest:
„Meil on au selles projektis osaleda ja tulemusi teile tutvustada. Nüüd räägin teile avastuse tähendusest vene keeles. Oleme näinud ilusaid pilte LIGO detektoritest USA-s. Nende vaheline kaugus on 3000 km. Gravitatsioonilaine mõjul nihkus üks detektoritest, misjärel me need avastasime. Algul nägime arvutis lihtsalt müra ja siis hakkas Hamfordi detektorite mass õõtsuma. Pärast saadud andmete arvutamist saime kindlaks teha, et just mustad augud põrkasid kokku 1,3 miljardi kaugusel. valgusaastate kaugusel. Signaal oli väga selge, see tuli mürast väga selgelt välja. Paljud inimesed ütlesid meile, et meil vedas, aga loodus tegi meile sellise kingituse. Gravitatsioonilained on avastatud, see on kindel.
Astrofüüsikud on kinnitanud kuulujutte, et nad suutsid LIGO gravitatsioonilainete vaatluskeskuse detektorite abil gravitatsioonilaineid tuvastada. See avastus võimaldab inimkonnal teha olulisi edusamme universumi toimimise mõistmisel.
Avastus toimus 14. septembril 2015 samaaegselt kahe detektoriga Washingtonis ja Louisianas. Signaal jõudis detektoritesse kahe musta augu kokkupõrke tagajärjel. Teadlastel kulus nii kaua aega, et veenduda, et kokkupõrke põhjuseks olid gravitatsioonilained.
Aukude kokkupõrge toimus umbes poole valguse kiirusest, mis on ligikaudu 150 792 458 m/s.
"Newtoni gravitatsiooni kirjeldati lamedas ruumis ja Einstein viis selle üle ajatasandile ja eeldas, et see painutab seda. Gravitatsiooniline interaktsioon on väga nõrk. Maal on katsed gravitatsioonilainete loomiseks võimatud. Need avastati alles pärast mustade aukude ühinemist. Detektor nihkus, kujutage ette, 10–19 meetrit. Sa ei tunne seda oma kätega. Ainult väga täpsete instrumentide abil. Kuidas seda teha? Laserkiir, millega nihet registreeriti, oli oma olemuselt ainulaadne. LIGO teise põlvkonna lasergravitatsiooniantenn hakkas tööle 2015. aastal. Tundlikkus võimaldab gravitatsioonihäireid tuvastada ligikaudu kord kuus. See on arenenud maailma ja Ameerika teadus, maailmas pole midagi täpsemat. Loodame, et see suudab ületada standardse kvanttundlikkuse piiri," selgitas avastus Sergei Vjatšanin, Moskva Riikliku Ülikooli füüsikaosakonna töötaja ja LIGO koostöö.
Kvantmehaanika standardne kvantlimiit (SQL) on piirang, mis seab täpsuse pideva või korduvalt korduva mõõtmise täpsusele mis tahes operaatori poolt kirjeldatud suuruse kohta, mis ei liigu endaga erinevatel aegadel. 1967. aastal ennustas V. B. Braginsky ja termini Standard Quantum Limit (SQL) pakkus välja hiljem Thorne. SKP on tihedalt seotud Heisenbergi määramatuse suhtega.
Kokkuvõtteks rääkis Valeri Mitrofanov edasiste uuringute plaanidest:
"See avastus on uue gravitatsioonilaine astronoomia algus. Gravitatsioonilainete kanali kaudu loodame universumi kohta rohkem teada saada. Teame vaid 5% aine koostist, ülejäänu on mõistatus. Gravitatsioonidetektorid võimaldavad teil näha taevast "gravitatsioonilainetena". Tulevikus loodame näha kõige algust ehk Suure Paugu reliktkiirgust ja mõista, mis siis täpselt juhtus.»
Gravitatsioonilained pakkus esmakordselt välja Albert Einstein 1916. aastal, peaaegu täpselt 100 aastat tagasi. Lainete võrrand on relatiivsusteooria võrrandite tagajärg ja seda ei tuletata kõige lihtsamal viisil.
Kanada teoreetiline füüsik Clifford Burgess avaldas varem kirja, milles öeldakse, et vaatluskeskus tuvastas gravitatsioonikiirguse, mis on põhjustatud 36 ja 29 päikesemassiga mustade aukude binaarse süsteemi ühinemisest objektiks, mille mass on 62 päikesemassi. Kokkupõrge ja asümmeetriline gravitatsiooniline kollaps kestavad murdosa sekundist ning selle aja jooksul läheb gravitatsioonikiirguseks kaotsi energia, mis moodustab kuni 50 protsenti süsteemi massist – lainetab aegruumi.
Gravitatsioonilaine on gravitatsioonilaine, mis tekib enamikes gravitatsiooniteooriates muutuva kiirendusega gravitatsioonikehade liikumisel. Gravitatsioonijõudude suhtelise nõrkuse tõttu (võrreldes teistega) peaksid need lained olema väga väikese magnituudiga, neid on raske registreerida. Nende olemasolu ennustas umbes sajand tagasi Albert Einstein.
, USA
© REUTERS, jaotusmaterjal Lõpuks avastatakse gravitatsioonilained
Populaarne teadusAjaruumi võnkumised avastatakse sajand pärast seda, kui Einstein neid ennustas. Algab uus ajastu astronoomias.
Teadlased on avastanud aegruumi kõikumised, mis on põhjustatud mustade aukude ühinemisest. See juhtus sada aastat pärast seda, kui Albert Einstein neid "gravitatsioonilaineid" oma üldises relatiivsusteoorias ennustas, ja sada aastat pärast seda, kui füüsikud hakkasid neid otsima.
Laserinterferomeetri gravitatsioonilaine vaatluskeskuse (LIGO) teadlased teatasid täna selle märgilise avastuse. Nad kinnitasid kuulujutte, mis olid kuude jooksul kogutud esimeste andmete analüüsi ümber. Astrofüüsikud ütlevad, et gravitatsioonilainete avastamine pakub uusi teadmisi universumist ja võime ära tunda kaugeid sündmusi, mida optiliste teleskoopidega näha ei saa, kuid mida on tunda ja isegi kuulda, kui nende nõrgad vibratsioonid läbi kosmose meieni jõuavad.
"Oleme tuvastanud gravitatsioonilaineid. Saime hakkama! "1000-liikmelise uurimisrühma tegevdirektor David Reitze teatas täna Washingtonis riikliku teadusfondi pressikonverentsil.
Gravitatsioonilained on võib-olla Einsteini ennustuste kõige tabamatum nähtus ja teadlane arutas seda teemat oma kaasaegsetega aastakümneid. Tema teooria järgi moodustavad ruum ja aeg veniva aine, mis raskete esemete mõjul paindub. Gravitatsiooni tunnetamine tähendab selle aine käänakutesse sattumist. Aga kas see aegruum võib väriseda nagu trumminahk? Einstein oli segaduses, ta ei teadnud, mida tema võrrandid tähendavad. Ja ta muutis mitu korda oma seisukohta. Kuid isegi tema teooria kõige kindlamad pooldajad uskusid, et gravitatsioonilained on igal juhul liiga nõrgad, et neid jälgida. Pärast teatud kataklüsme liiguvad nad väljapoole ja liikudes vaheldumisi venivad ja suruvad kokku aegruumi. Kuid selleks ajaks, kui need lained Maale jõuavad, on nad iga kosmosekilomeetrit venitanud ja kokku surunud väikese osa võrra aatomituuma läbimõõdust.
© REUTERS, Hangouti LIGO observatooriumi detektor Hanfordis, Washingtonis
Nende lainete tuvastamine nõudis kannatlikkust ja ettevaatust. LIGO observatoorium tulistas laserkiirte edasi-tagasi piki kahe detektori neljakilomeetriseid (4-kilomeetriseid) nurga all olevaid harusid, millest üks asub Washingtonis Hanfordis ja teine Louisiana osariigis Livingstonis. Seda tehti nende süsteemide samaaegse laienemise ja kokkutõmbumise otsimiseks gravitatsioonilainete läbimise ajal. Kasutades nüüdisaegseid stabilisaatoreid, vaakuminstrumente ja tuhandeid andureid, mõõtsid teadlased nende süsteemide pikkuse muutusi, mis olid prootoni suurusest vaid tuhandik. Selline instrumentide tundlikkus oli sada aastat tagasi mõeldamatu. Uskumatu tundus see ka 1968. aastal, kui Rainer Weiss Massachusettsi Tehnoloogiainstituudist kavandas katse nimega LIGO.
«See on suur ime, et see neil lõpuks õnnestus. Nad suutsid neid pisikesi vibratsioone tuvastada! ütles Arkansase ülikooli teoreetiline füüsik Daniel Kennefick, kes kirjutas 2007. aastal raamatu Travelling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves.
See avastus tähistas gravitatsioonilainete astronoomia uue ajastu algust. Loodetavasti mõistame paremini mustade aukude moodustumist, koostist ja galaktilist rolli – need ülitihedad massipallid, mis painutavad aegruumi nii dramaatiliselt, et isegi valgus ei pääse välja. Kui mustad augud lähenevad üksteisele ja ühinevad, tekitavad nad impulsssignaali – aegruumi võnkumisi, mille amplituud ja toon suurenevad enne järsku lõppemist. Need signaalid, mida vaatluskeskus suudab salvestada, on helivahemikus, kuid need on palja kõrvaga kuulmiseks liiga nõrgad. Saate selle heli uuesti luua, libistades sõrmedega üle klaveriklahvide. "Alustage madalaima noodiga ja liikuge kolmanda oktaavini," ütles Weiss. "Seda me kuuleme."
Füüsikuid üllatab juba praegu salvestatud signaalide hulk ja tugevus. See tähendab, et maailmas on rohkem musti auke, kui seni arvati. "Meil vedas, kuid lootsin alati sellisele õnnele," ütles astrofüüsik Kip Thorne, kes töötab California Tehnoloogiainstituudis ning lõi LIGO koos Weissi ja Ronald Dreveriga, samuti Caltechis. "See juhtub tavaliselt siis, kui universumis avaneb täiesti uus aken."
Gravitatsioonilaineid kuulates saame kosmose kohta täiesti erinevaid ideid kujundada ja võib-olla avastada kujuteldamatud kosmilisi nähtusi.
"Võin seda võrrelda esimese korraga, kui me teleskoobiga taevasse suunasime," ütles teoreetiline astrofüüsik Janna Levin Columbia ülikooli Barnardi kolledžist. "Inimesed mõistsid, et seal on midagi ja et seda on näha, kuid nad ei suutnud ennustada universumis eksisteerivate võimaluste uskumatut valikut." Samuti märkis Levine, et gravitatsioonilainete avastamine võib näidata, et universum on "täis tumeainet, mida me ei suuda teleskoobiga hõlpsasti tuvastada".
Esimese gravitatsioonilaine avastamise lugu sai alguse septembri esmaspäeva hommikul ja see algas pauguga. Signaal oli nii selge ja vali, et Weiss mõtles: "Ei, see on jama, sellest ei tule midagi välja."
Kirgede intensiivsus
See esimene gravitatsioonilaine pühkis läbi täiustatud LIGO detektorite – esmalt Livingstonis ja seitse millisekundit hiljem Hanfordis – simulatsiooni käigus 14. septembri alguses, kaks päeva enne andmete kogumise ametlikku algust.
Detektoreid testiti pärast viis aastat kestnud ja 200 miljonit dollarit maksnud uuendust. Need on varustatud uute peeglivedrustustega müra vähendamiseks ja aktiivse tagasisidesüsteemiga, mis summutab kõrvalisi vibratsioone reaalajas. Uuendus andis täiustatud observatooriumile kõrgema tundlikkuse kui vana LIGO, mis aastatel 2002–2010 tuvastas "absoluutse ja puhta nulli", nagu Weiss ütles.
Kui võimas signaal septembris saabus, hakkasid teadlased Euroopas, kus tol ajal oli hommik, tormama oma Ameerika kolleege meilisõnumitega pommitama. Kui ülejäänud seltskond ärkas, levis uudis väga kiiresti. Weissi sõnul olid peaaegu kõik skeptilised, eriti kui nad signaali nägid. See oli tõeline õpikuklassika, mistõttu mõned inimesed pidasid seda võltsinguks.
Valeväiteid gravitatsioonilainete otsimisel on esitatud korduvalt alates 1960. aastate lõpust, kui Joseph Weber Marylandi ülikoolist arvas, et on avastanud andureid sisaldavas alumiiniumsilindris vastuseks lainetele resonantsvibratsiooni. 2014. aastal teatas eksperiment nimega BICEP2 ürgsete gravitatsioonilainete avastamisest – Suurest Paugust tekkinud aegruumi lainetus, mis on nüüdseks välja veninud ja universumi geomeetrias jäädavalt tardunud. BICEP2 meeskonna teadlased teatasid oma avastusest suure käraga, kuid seejärel viidi nende tulemused läbi sõltumatule kontrollile, mille käigus avastati, et nad eksisid ja signaal tuli kosmilisest tolmust.
Kui Arizona osariigi ülikooli kosmoloog Lawrence Krauss kuulis LIGO meeskonna avastusest, arvas ta alguses, et see on "pime pettus". Vana observatooriumi töötamise ajal sisestati vastuse testimiseks varjatult andmevoogudesse simuleeritud signaale, ilma et suurem osa meeskonnast oleks sellest teadlik. Kui Krauss teadjalt allikalt teada sai, et seekord polnud tegemist “pimeda viskamisega”, suutis ta vaevalt oma rõõmsat elevust tagasi hoida.
25. septembril ütles ta oma 200 000 Twitteri jälgijale: „Kuulujutud LIGO detektori gravitatsioonilainete tuvastamisest. Hämmastav, kui tõsi. Ma annan teile üksikasjad, kui see pole võlts." Sellele järgneb sissekanne 11. jaanuarist: „Varasemad kuuldused LIGO kohta on leidnud kinnitust sõltumatutest allikatest. Olge kursis, et saada rohkem uudiseid. Võib-olla on avastatud gravitatsioonilained!
Teadlaste ametlik seisukoht oli järgmine: ärge rääkige saadud signaalist enne, kui on sada protsenti kindlust. Thorne, keda see saladuse hoidmise kohustus kätest ja jalgadest sidus, ei öelnud isegi oma naisele midagi. "Ma tähistasin üksi," ütles ta. Alustuseks otsustasid teadlased minna tagasi päris algusesse ja analüüsida kõike peensusteni, et välja selgitada, kuidas signaal levis läbi erinevate detektorite tuhandete mõõtmiskanalite, ja aru saada, kas detektori juures oli midagi imelikku. hetkel, mil signaal tuvastati. Nad ei leidnud midagi ebatavalist. Samuti jätsid nad välja häkkerid, kes oleksid katses olnud tuhandete andmevoogude kohta kõige paremini kursis. "Isegi kui meeskond teeb pimesi sisseviskeid, ei ole need piisavalt täiuslikud ja jätavad palju jälgi," sõnas Thorne. "Aga siin polnud jälgi."
Järgmistel nädalatel kuulsid nad teist, nõrgemat signaali.
Teadlased analüüsisid kahte esimest signaali ja üha uusi saabusid. Nad esitlesid oma uurimistööd jaanuaris ajakirjas Physical Review Letters. See number avaldatakse täna Internetis. Nende hinnangul ületab esimese, kõige võimsama signaali statistiline olulisus 5-sigmat, mis tähendab, et teadlased on selle autentsuses 99,9999% kindlad.
Gravitatsiooni kuulamine
Einsteini üldrelatiivsusteooria võrrandid on nii keerulised, et enamikul füüsikutel kulus 40 aastat, et nõustuda: jah, gravitatsioonilained on olemas ja neid on võimalik tuvastada – isegi teoreetiliselt.
Algul arvas Einstein, et objektid ei suuda vabastada energiat gravitatsioonikiirguse kujul, kuid siis muutis ta oma vaatenurka. Oma 1918. aastal kirjutatud olulises töös näitas ta, millised objektid seda suudavad: hantlikujulised süsteemid, mis pöörlevad samaaegselt kahel teljel, nagu binaarid ja supernoovad, mis plahvatavad nagu pauguti. Nad võivad tekitada laineid aegruumis.
© REUTERS, Jaotusmaterjal Päikesesüsteemi gravitatsioonilainete olemust illustreeriv arvutimudel
Kuid Einstein ja tema kolleegid kõhklesid jätkuvalt. Mõned füüsikud väitsid, et isegi kui lained eksisteeriksid, vibreeriks maailm nendega koos ja neid on võimatu tajuda. Alles 1957. aastal pani Richard Feynman asjale rahu, näidates mõtteeksperimendis, et kui gravitatsioonilained eksisteeriksid, saab neid teoreetiliselt tuvastada. Kuid keegi ei teadnud, kui levinud need hantlikujulised süsteemid avakosmoses on või kui tugevad või nõrgad on sellest tulenevad lained. "Lõppkokkuvõttes oli küsimus: kas me suudame neid kunagi tuvastada?" ütles Kennefick.
1968. aastal oli Rainer Weiss MIT-i noor professor ja talle tehti ülesandeks õpetada üldrelatiivsusteooria kursust. Eksperimentalistina teadis ta sellest vähe, kuid ootamatult ilmusid uudised Weberi gravitatsioonilainete avastamise kohta. Weber ehitas alumiiniumist kolm lauasuurust resonantsdetektorit ja paigutas need erinevatesse Ameerika osariikidesse. Nüüd teatas ta, et kõik kolm detektorit tuvastasid "gravitatsioonilainete heli".
Weissi õpilastel paluti selgitada gravitatsioonilainete olemust ja avaldada oma arvamust sõnumi kohta. Üksikasju uurides hämmastas teda matemaatiliste arvutuste keerukus. "Ma ei saanud aru, mida kuradit Weber tegi, kuidas andurid gravitatsioonilainega suhtlesid. Istusin pikka aega ja küsisin endalt: "Mis on kõige primitiivsem asi, mis gravitatsioonilaineid tuvastab?" Ja siis tulin välja ideele, mida nimetan LIGO kontseptuaalseks aluseks.
Kujutage ette kolme objekti aegruumis, näiteks peegleid kolmnurga nurkades. "Saada valgussignaal ühelt teisele," ütles Weber. "Vaadake, kui kaua kulub ühest massist teise liikumine, ja kontrollige, kas aeg on muutunud." Selgub, märkis teadlane, et seda saab teha kiiresti. "Andsin selle oma õpilastele uurimistööna. Sõna otseses mõttes suutis kogu rühm need arvutused teha.
Järgnevatel aastatel, kui teised teadlased üritasid Weberi resonantsdetektori katse tulemusi korrata, kuid see ebaõnnestus pidevalt (ei ole selge, mida ta täheldas, kuid tegemist ei olnud gravitatsioonilainetega), hakkas Weiss ette valmistama palju täpsemat ja ambitsioonikamat katset: gravitatsioonilist katset. laine interferomeeter. Laserikiir peegeldub kolmest L-tähe kujuliselt paigaldatud peeglist ja moodustab kaks kiirt. Valguslainete tippude ja sügavuste vaheline intervall näitab täpselt L-tähe jalgade pikkust, mis loovad aegruumi X- ja Y-telje. Kui skaala on paigal, peegelduvad kaks valguslainet nurkadest ja kustutavad üksteist. Signaal detektoris on null. Aga kui gravitatsioonilaine läbib Maad, siis see venitab L-tähe ühe õla pikkust ja surub teise kokku (ja vastupidi). Kahe valguskiire mittevastavus tekitab detektoris signaali, mis näitab aegruumi kergeid kõikumisi.
Alguses väljendasid kaasfüüsikud skeptilisust, kuid katse leidis peagi toetust Thorne'ilt, kelle Caltechi teoreetikute meeskond uuris musti auke ja muid potentsiaalseid gravitatsioonilainete allikaid ning nende tekitatavaid signaale. Thorne sai inspiratsiooni Weberi katsest ja Venemaa teadlaste sarnastest jõupingutustest. Pärast Weissiga 1975. aasta konverentsil rääkimist "hakkasin uskuma, et gravitatsioonilainete tuvastamine on edukas," ütles Thorne. "Ja ma tahtsin, et ka Caltech saaks sellest osa." Ta korraldas, et instituut palkas Šoti eksperimentalisti Ronald Dreaveri, kes samuti ütles, et ehitab gravitatsioonilainete interferomeetri. Aja jooksul hakkasid Thorne, Driver ja Weiss töötama meeskonnana, igaüks lahendas praktiliseks katseks valmistudes oma osa arvukatest probleemidest. Kolmik lõi LIGO 1984. aastal ning kui prototüübid olid ehitatud ja koostöö alanud üha laieneva meeskonnaga, said nad 1990. aastate alguses riiklikult teadusfondilt 100 miljonit dollarit. Koostati joonised paari hiiglasliku L-kujulise detektori ehitamiseks. Kümmekond aastat hiljem hakkasid detektorid tööle.
Hanfordis ja Livingstonis on mõlema neljakilomeetrise detektoriharu keskel vaakum, tänu millele on laser, selle kiir ja peeglid planeedi pidevatest vibratsioonidest maksimaalselt eraldatud. Et olla veelgi turvalisem, jälgivad LIGO teadlased oma detektoreid, kui nad töötavad tuhandete instrumentidega, mõõtes kõike, mida nad suudavad: seismilist aktiivsust, õhurõhku, välku, kosmilisi kiiri, seadmete vibratsiooni, helisid laserkiire läheduses. ja nii edasi. Seejärel filtreerivad nad oma andmed selle kõrvalise taustmüra eest. Võib-olla on peamine asi see, et neil on kaks detektorit ja see võimaldab neil saadud andmeid võrrelda, kontrollides nendes sobivate signaalide olemasolu.
Kontekst
Gravitatsioonilained: lõpetas selle, mida Einstein Bernis alustas
SwissInfo 13.02.2016Kuidas mustad augud surevad
Keskmine 19.10.2014Loodud vaakumi sees, isegi kui laserid ja peeglid on täielikult isoleeritud ja stabiliseeritud, "juhtub kogu aeg kummalisi asju," ütleb LIGO asepressiesindaja Marco Cavaglià. Teadlased peavad jälgima neid "kuldkalu", "kummitusi", "varjatud merekoletisi" ja muid kõrvalisi vibratsiooninähtusi, selgitades välja nende allika, et see kõrvaldada. Testimisetapis juhtus üks raske vahejuhtum, ütles LIGO teadur Jessica McIver, kes uurib selliseid kõrvalisi signaale ja häireid. Sageli ilmus andmete hulgas rida perioodilisi ühesageduslikke müra. Kui ta ja ta kolleegid muutsid peeglite vibratsiooni helifailideks, "oli selgelt kuulda telefoni helisemist," ütles McIver. "Selgus, et laseriruumis helistasid sidereklaamijad."
Järgmise kahe aasta jooksul jätkavad teadlased LIGO uuendatud laserinterferomeetri gravitatsioonilaine vaatluskeskuse detektorite tundlikkuse parandamist. Ja Itaalias hakkab tööle kolmas interferomeeter nimega Advanced Virgo. Üks vastustest, mida andmed aitavad pakkuda, on mustade aukude moodustumine. Kas need on kõige varasemate massiivsete tähtede kokkuvarisemise tulemus või on need tekkinud tihedate täheparvede kokkupõrgete tagajärjel? "Need on vaid kaks oletust, ma usun, et kui kõik maha rahunevad, on neid veelgi," ütleb Weiss. Kuna LIGO tulevane töö hakkab koguma uut statistikat, hakkavad teadlased kuulama lugusid, mida kosmos neile mustade aukude päritolu kohta sosistab.
Selle kuju ja suuruse järgi otsustades sai esimene, kõige valjem impulss alguse 1,3 miljardi valgusaasta kaugusel, kust kaks musta auku, millest igaüks oli umbes 30 korda suurem kui Päike, ühinesid lõpuks pärast igavikku kestnud aeglast tantsimist vastastikuse gravitatsioonilise külgetõmbe mõjul. Mustad augud tiirlesid üha kiiremini, nagu keeris, jõudes tasapisi lähemale. Siis toimus ühinemine ja nad vabastasid silmapilkselt gravitatsioonilaineid, mille energia on võrreldav kolme Päikese energiaga. See ühinemine oli võimsaim energeetiline nähtus, mis kunagi registreeritud.
"See on nagu me poleks kunagi tormi ajal ookeani näinud," ütles Thorne. Ta on seda tormi aegruumis oodanud alates 1960. aastatest. Ta ütleb, et tunne, mida Thorne tundis, kui need lained sisse veeresid, ei olnud just põnevil. See oli midagi muud: sügava rahulolu tunne.
InoSMI materjalid sisaldavad hinnanguid eranditult välismeediale ega kajasta InoSMI toimetuse seisukohta.
Peamine erinevus seisneb selles, et kuigi heli vajab läbimiseks keskkonda, siis gravitatsioonilained liigutavad keskkonda – antud juhul aegruumi ennast. "Nad sõna otseses mõttes purustavad ja venitavad aegruumi, " ütleb Caltechi gravitatsioonilainete astrofüüsik Chiara Mingarelli. Meie kõrvadele kõlavad LIGO tuvastatud lained nagu vulin.
Kuidas see revolutsioon täpselt toimub? LIGO-l on praegu kaks detektorit, mis toimivad teadlaste "kõrvadena" ja detektoreid tuleb tulevikus juurde. Ja kui LIGO oli esimene, kes avastas, ei jää see kindlasti ainsaks. Gravitatsioonilaineid on mitut tüüpi. Tegelikult on neid terve spekter, nagu ka elektromagnetilises spektris on erinevat tüüpi valgust, erineva lainepikkusega. Seetõttu alustavad teised koostööd lainete jahtimist sagedusega, mille jaoks LIGO pole mõeldud.
Mingarelli teeb koostööd NanoGRAV-iga (North American Nanohertz Gravitational Wave Observatory), mis on osa suurest rahvusvahelisest konsortsiumist, kuhu kuuluvad Euroopa Pulsari ajastusmassiivid ja Parkes Pulsari ajastusmassiivid Austraalias. Nagu nimigi ütleb, jahivad NanoGRAV teadlased madala sagedusega gravitatsioonilaineid režiimis 1–10 nanohertsi; LIGO tundlikkus on spektri kilohertsises (kuuldavas) osas, otsides väga pikki lainepikkusi. 
Koostöö tugineb Puerto Ricos asuva Arecibo observatooriumi ja Lääne-Virginia Green Banki teleskoobi kogutud pulsariandmetele. Pulsarid on kiiresti pöörlevad neutrontähed, mis tekivad siis, kui Päikesest massiivsemad tähed plahvatavad ja kokku varisevad. Need pöörlevad järjest kiiremini, kui neid kokku surutakse, nii nagu köie otsas olev raskus keerleb seda kiiremini, mida lühemaks köis muutub.
Samuti kiirgavad nad pöörlemisel võimsaid kiirguspurskeid nagu majakas, mis tuvastatakse Maal valgusimpulssidena. Ja see perioodiline pöörlemine on ülitäpne – peaaegu sama täpne kui aatomkell. See muudab need ideaalseteks kosmiliste gravitatsioonilainete detektoriteks. Esimesed kaudsed tõendid pärinesid pulsarite uurimisest 1974. aastal, kui Joseph Taylor juunior ja Russell Hulse avastasid, et ümber neutrontähe tiirlev pulsar tõmbub aja jooksul aeglaselt kokku – see mõju oleks ootuspärane, kui ta muudaks osa oma massist energiaks. gravitatsioonilainete kujul.
NanoGRAV-i puhul on suitsupüstol omamoodi virvendus. Impulssid peavad saabuma samal ajal, aga kui neid tabab gravitatsioonilaine, siis saabuvad nad veidi varem või hiljem, kuna aegruum surub või venib laine möödudes kokku.
Pulsari ajavõre massiivid on eriti tundlikud gravitatsioonilainete suhtes, mis tekivad ülimassiivsete mustade aukude ühinemisel, mis on miljard kuni kümme miljardit korda suuremad kui meie Päikese mass, näiteks need, mis varitsevad kõige massiivsemate galaktikate keskmes. Kui kaks sellist galaktikat ühinevad, ühinevad ka nende tsentrites olevad augud ja kiirgavad gravitatsioonilaineid. "LIGO näeb ühinemise lõppu, kui paarid on väga lähedal," ütleb Mingarelli. "MRV-de abil nägime neid spiraalifaasi alguses, kui nad alles sisenevad üksteise orbiidile."
Ja seal on ka LISA (Laser Interferometer Space Antenna) kosmosemissioon. Maal asuv LIGO suudab suurepäraselt tuvastada gravitatsioonilaineid, mis on samaväärsed kuuldava helispektri osadega – nagu need, mida tekitavad meie ühinevad mustad augud. Kuid paljud huvitavad nende lainete allikad tekitavad madalaid sagedusi. Seega peavad füüsikud nende avastamiseks kosmosesse minema. Praeguse LISA Pathfinder() missiooni peamine eesmärk on testida detektori jõudlust. "LIGO abil saate instrumendi peatada, avada vaakumi ja kõik parandada," ütleb Scott Hughes MIT-ist. "Aga kosmoses ei saa te midagi avada." Peame seda kohe tegema, et see korralikult töötaks."
LISA eesmärk on lihtne: laserinterferomeetrite abil proovib kosmoselaev täpselt mõõta kahe 1,8-tollise kuld-plaatina kuubiku suhtelist asukohta vabal langemisel. Eraldi elektroodikarpidesse 15 tolli kaugusel asetatud katseobjektid on kaitstud päikesetuule ja muude välisjõudude eest, et oleks võimalik tuvastada (loodetavasti) gravitatsioonilainete põhjustatud pisikest liikumist.
Lõpuks on kaks katset, mille eesmärk on otsida ürgsete gravitatsioonilainete jäljendeid kosmilises mikrolaine taustkiirguses (Suure Paugu järelhelk): BICEP2 ja Plancki missioon. BICEP2 teatas oma tuvastamisest 2014. aastal, kuid selgus, et signaal oli võlts (süüdi on kosmiline tolm).
Mõlemad koostööd jätkavad jahti lootuses heita valgust meie universumi varasele ajaloole ja loodetavasti kinnitada inflatsiooniteooria peamisi ennustusi. See teooria ennustas, et varsti pärast selle sündi koges Universum kiiret kasvu, mis ei saanud muud teha, kui jättis võimsad gravitatsioonilained, mis jäid kosmilisesse mikrolaine taustkiirgusesse spetsiaalsete valguslainetena (polarisatsioonina).
Kõik neli gravitatsioonilaine režiimi annavad astronoomidele neli uut akent universumisse.
Kuid me teame, mida te mõtlete: aeg käivitada tõukejõud, poisid! Kas LIGO avastus aitab järgmisel nädalal ehitada Surmatähte? Muidugi mitte. Kuid mida paremini mõistame gravitatsiooni, seda paremini mõistame, kuidas neid asju ehitada. See on ju teadlaste töö, nii nad oma elatist teenivad. Mõistes, kuidas universum toimib, saame rohkem loota oma võimetele.
Neljapäeval, 11. veebruaril teatas rühm teadlasi rahvusvahelisest projektist LIGO Scientific Collaboration, et see õnnestus, mille olemasolu ennustas Albert Einstein juba 1916. aastal. Teadlaste sõnul registreerisid nad 14. septembril 2015 gravitatsioonilaine, mis tekkis kahe Päikese massiga 29 ja 36 korda suurema musta augu kokkupõrkest, misjärel need ühinesid üheks suureks mustaks auguks. Nende sõnul juhtus see väidetavalt 1,3 miljardit aastat tagasi meie galaktikast 410 megaparseki kaugusel.
LIGA.net rääkis üksikasjalikult gravitatsioonilainetest ja ulatuslikust avastusest Bogdan Hnatyk, Ukraina teadlane, astrofüüsik, füüsika- ja matemaatikateaduste doktor, Kiievi Taras Ševtšenko astronoomiaobservatooriumi juhtivteadur, kes juhtis observatooriumi aastatel 2001–2004.
Teooria lihtsas sõnastuses
Füüsika uurib kehade omavahelist vastasmõju. On kindlaks tehtud, et kehade vahel on nelja tüüpi vastastikmõju: elektromagnetiline, tugev ja nõrk tuuma vastastikmõju ning gravitatsiooniline vastastikmõju, mida me kõik tunneme. Gravitatsioonilise vastasmõju tõttu pöörlevad planeedid ümber Päikese, kehadel on kaal ja nad kukuvad maapinnale. Inimene puutub pidevalt kokku gravitatsioonilise vastasmõjuga.
1916. aastal ehk 100 aastat tagasi koostas Albert Einstein gravitatsiooniteooria, mis täiustas Newtoni gravitatsiooniteooriat, muutis selle matemaatiliselt õigeks: hakkas täitma kõik füüsika nõuded ja hakkas arvestama tõsiasjaga, et gravitatsioon levib väga kiiresti. suur, kuid piiratud kiirus. See on õigustatult üks Einsteini suurimaid saavutusi, kuna ta ehitas gravitatsiooniteooria, mis vastab kõigile tänapäeval vaadeldavatele füüsikanähtustele.
See teooria viitas ka olemasolule gravitatsioonilained. Selle ennustuse aluseks oli see, et gravitatsioonilained eksisteerivad gravitatsioonilise vastasmõju tulemusena, mis tekib kahe massiivse keha ühinemise tõttu.
Mis on gravitatsioonilaine
Keerulises keeles on see aegruumi meetrika ergastus. "Ütleme, et kosmosel on teatav elastsus ja lained võivad sellest läbi joosta. See on sarnane sellele, kui me viskame kivikese vette ja lained sellest laiali," rääkis füüsika- ja matemaatikateaduste doktor LIGA.net-ile.
Teadlased suutsid eksperimentaalselt tõestada, et sarnane võnkumine toimus universumis ja gravitatsioonilaine jooksis igas suunas. "Astrofüüsiliselt registreeriti esimest korda kahendsüsteemi katastroofilise evolutsiooni nähtus, kui kaks objekti ühinevad üheks ja see ühinemine toob kaasa väga intensiivse gravitatsioonienergia vabanemise, mis seejärel levib ruumis kujul. gravitatsioonilainetest,” selgitas teadlane.
Kuidas see välja näeb (foto - EPA)
Need gravitatsioonilained on väga nõrgad ja selleks, et nad saaksid aegruumi raputada, on vajalik väga suurte ja massiivsete kehade koosmõju, et gravitatsioonivälja intensiivsus oleks tekkepunktis kõrge. Kuid vaatamata nende nõrkusele registreerib vaatleja teatud aja pärast (võrdne interaktsiooni kaugusega jagatuna signaali kiirusega) selle gravitatsioonilaine.
Toome näite: kui Maa langeks Päikesele, siis tekiks gravitatsiooniline vastastikmõju: vabaneks gravitatsioonienergia, tekiks gravitatsiooniline sfääriliselt sümmeetriline laine ja vaatleja saaks selle registreerida. "Siin toimus sarnane, kuid astrofüüsika seisukohalt ainulaadne nähtus: põrkasid kokku kaks massiivset keha - kaks musta auku," märkis Gnatyk.
Tuleme tagasi teooria juurde
Must auk on veel üks Einsteini üldise relatiivsusteooria ennustus, mis näeb ette, et keha, millel on tohutu mass, kuid see mass on kontsentreeritud väikeses mahus, suudab kuni sulgemiseni ümbritsevat ruumi oluliselt moonutada. See tähendab, et eeldati, et kui saavutatakse selle keha massi kriitiline kontsentratsioon - selline, et keha suurus on väiksem kui nn gravitatsiooniraadius, siis suletakse selle keha ümbritsev ruum ja selle topoloogia. on selline, et ükski signaal sellest ei leviks suletud ruumist kaugemale.
"See tähendab, et must auk on lihtsate sõnadega massiivne objekt, mis on nii raske, et sulgeb enda ümber aegruumi," ütleb teadlane.
Ja meie võime tema sõnul sellele objektile saata mis tahes signaale, kuid tema ei saa neid meile saata. See tähendab, et ükski signaal ei pääse mustast august kaugemale.
Must auk elab tavaliste füüsikaseaduste järgi, kuid tugeva gravitatsiooni tulemusena ei suuda ükski materiaalne keha, isegi mitte footon, sellest kriitilisest pinnast kaugemale minna. Mustad augud tekivad tavatähtede evolutsiooni käigus, kui keskne tuum variseb kokku ja osa tähe ainest muutub kokku varisedes mustaks auguks ning teine osa tähest paiskub välja Supernoova kesta kujul, muutudes nn supernoova "puhang".
Kuidas me nägime gravitatsioonilainet
Toome näite. Kui meil on veepinnal kaks ujukit ja vesi on rahulik, on nende vaheline kaugus konstantne. Kui laine saabub, tõrjub see need ujukid välja ja ujukite vaheline kaugus muutub. Laine on möödas - ja ujukid naasevad oma eelmistesse asenditesse ning nendevaheline kaugus taastub.
Gravitatsioonilaine levib aegruumis sarnaselt: surub kokku ja venitab kehasid ja objekte, mis tema teel kohtuvad. «Kui teatud objektiga laine teekonnal kokku puutuda, siis see deformeerub mööda oma telgesid ja pärast läbimist taastub gravitatsioonilaine mõjul kõik kehad, kuid need deformatsioonid on väga tähtsusetu,” ütleb Gnatyk.
Kui teadlaste registreeritud laine möödus, muutus kehade suhteline suurus ruumis suurusjärgus 1 korda 10 kuni miinus 21. astmeni. Näiteks kui võtta meeterjoonlaud, siis on see kahanenud summa võrra, mis on selle suurus korrutatuna 10-ga miinus 21. astmeni. See on väga väike summa. Ja probleem oli selles, et teadlased pidid õppima, kuidas seda vahemaad mõõta. Tavameetodid andsid täpsuse suurusjärgus 1:10 kuni 9. astmeni miljonitest, kuid siin on vaja palju suuremat täpsust. Selleks loodi nn gravitatsiooniantennid (gravitatsioonilainete detektorid).
LIGO observatoorium (foto – EPA)
Antenn, mis salvestas gravitatsioonilaineid, on ehitatud nii: seal on kaks umbes 4 kilomeetri pikkust toru, mis asuvad L-tähe kujul, kuid samade harudega ja täisnurga all. Kui gravitatsioonilaine süsteemi tabab, deformeerib see antenni tiibu, kuid olenevalt orientatsioonist üht rohkem ja teist vähem. Ja siis tekib teeerinevus, signaali interferentsi muster muutub - ilmub kokku positiivne või negatiivne amplituud.
"See tähendab, et gravitatsioonilaine läbimine on sarnane lainega vee peal, mis liigub kahe ujuki vahel: kui me mõõdaksime nendevahelist kaugust laine läbimise ajal ja pärast seda, näeksime, et kaugus muutub ja muutub jälle sama,” ütles ta Gnatyk.
Siin mõõdetakse interferomeetri kahe tiiva, millest igaüks on umbes 4 kilomeetrit pikk, kauguse suhtelist muutust. Ja ainult väga täpsed tehnoloogiad ja süsteemid suudavad mõõta sellist gravitatsioonilaine poolt põhjustatud tiibade mikroskoopilist nihet.
Universumi serval: kust laine tuli?
Teadlased salvestasid signaali kahe detektori abil, mis asuvad kahes USA osariigis: Louisianas ja Washingtonis, umbes 3 tuhande kilomeetri kaugusel. Teadlased suutsid hinnata, kust ja mis kauguselt see signaal tuli. Hinnangud näitavad, et signaal tuli 410 megaparseki kauguselt. Megaparsek on vahemaa, mille valgus läbib kolme miljoni aastaga.
Et oleks lihtsam ette kujutada: meile lähim aktiivne galaktika, mille keskel on ülimassiivne must auk, on Centaurus A, mis asub meie omast nelja megaparseki kaugusel, Andromeeda udukogu aga 0,7 megaparseki kaugusel. "See tähendab, et kaugus, millest gravitatsioonilaine signaal tuli, on nii suur, et signaal liikus Maale umbes 1,3 miljardit aastat. Need on kosmoloogilised vahemaad, mis ulatuvad umbes 10%ni meie universumi horisondist," ütles teadlane.
Sellel kaugusel, mõnes kauges galaktikas, ühinesid kaks musta auku. Need augud olid ühelt poolt suhteliselt väikese suurusega ja teisest küljest näitab signaali suur amplituud, et need olid väga rasked. Tehti kindlaks, et nende massid olid vastavalt 36 ja 29 päikesemassi. Päikese mass, nagu teada, võrdub 2 korda 10 kilogrammi 30. astmega. Pärast ühinemist need kaks keha ühinesid ja nüüd on nende asemele tekkinud üks must auk, mille mass võrdub 62 päikese massiga. Samal ajal pritsis gravitatsioonilainete energiana välja ligikaudu kolm Päikese massi.
Kes ja millal avastuse tegi
Rahvusvahelise LIGO projekti teadlastel õnnestus 14. septembril 2015 tuvastada gravitatsioonilaine. LIGO (Laser Interferomeetria Gravitatsiooni Observatoorium) on rahvusvaheline projekt, milles osalevad mitmed riigid, andes teatud rahalise ja teadusliku panuse, eelkõige USA, Itaalia, Jaapan, kes on selle uurimistöö valdkonnas edasijõudnud.
Professorid Rainer Weiss ja Kip Thorne (foto - EPA)
Salvestati järgmine pilt: gravitatsioonidetektori tiivad nihkusid gravitatsioonilaine tegeliku läbimise tõttu läbi meie planeedi ja selle paigalduse. Sellest siis ei teatatud, sest signaali tuli töödelda, “puhastada”, selle amplituud leida ja kontrollida. See on tavaprotseduur: tegelikust avastamisest kuni avastuse väljakuulutamiseni kulub põhjendatud avalduse väljastamiseks mitu kuud. "Keegi ei taha oma mainet rikkuda. Need on kõik salajased andmed, millest enne avaldamist keegi ei teadnud, olid vaid kuulujutud," märkis Hnatyk.
Lugu
Gravitatsioonilaineid on uuritud alates eelmise sajandi 70. aastatest. Selle aja jooksul loodi hulk detektoreid ja viidi läbi mitmeid fundamentaalseid uuringuid. 80ndatel ehitas Ameerika teadlane Joseph Weber esimese gravitatsiooniantenni alumiiniumsilindri kujul, mis oli umbes mitu meetrit suur ja varustatud piesoanduritega, mis pidid registreerima gravitatsioonilaine läbimist.
Selle seadme tundlikkus oli miljon korda halvem kui praegustel detektoritel. Ja loomulikult ei suutnud ta siis lainet tegelikult tuvastada, kuigi Weber teatas, et oli seda teinud: ajakirjandus kirjutas sellest ja tekkis "gravitatsioonibuum" - gravitatsiooniantennid ehitati kohe üle maailma. Weber julgustas teisi teadlasi uurima gravitatsioonilaineid ja jätkama selle nähtuse katseid, mis võimaldasid detektorite tundlikkust miljon korda suurendada.
Gravitatsioonilainete nähtus ise registreeriti aga eelmisel sajandil, kui teadlased avastasid topeltpulsari. See oli kaudne salvestus tõsiasjast, et gravitatsioonilained eksisteerivad, mida tõestasid astronoomilised vaatlused. Pulsari avastasid Russell Hulse ja Joseph Taylor 1974. aastal Arecibo observatooriumi raadioteleskoobiga tehtud vaatluste käigus. Teadlastele anti 1993. aastal Nobeli preemia "uut tüüpi pulsari avastamise eest, mis andis gravitatsiooni uurimisel uusi võimalusi".
Teadusuuringud maailmas ja Ukrainas
Itaalias on lõpule jõudmas sarnane projekt nimega Virgo. Samasuguse detektori kavatseb aasta pärast turule lasta ka Jaapan ning ka India valmistab sellist katset ette. See tähendab, et sarnased detektorid eksisteerivad mitmel pool maailmas, kuid need pole veel jõudnud tundlikkuse režiimi, et saaksime rääkida gravitatsioonilainete tuvastamisest.
„Ametlikult ei ole Ukraina LIGO osa ega osale ka Itaalia ja Jaapani projektides. Sellistest fundamentaalsetest valdkondadest osaleb Ukraina nüüd LHC (Large Hadron Collider) projektis ja CERNis (meist saab ametlikult ainult osaleja. pärast sisseastumismaksu tasumist), ütles füüsika- ja matemaatikateaduste doktor Bohdan Gnatyk LIGA.net-ile.
Tema sõnul on Ukraina alates 2015. aastast kaasaegset multiteleskoopi ehitava rahvusvahelise koostöö CTA (Cerenkov Telescope Array) täisliige. TeV pikk gammaulatus (fotonienergiaga kuni 1014 eV). "Selliste footonite peamisteks allikateks on just supermassiivsete mustade aukude läheduses, mille gravitatsioonikiirguse registreeris esmalt LIGO detektor. Seetõttu avanevad astronoomias uued akend – gravitatsioonilaine ja multi TeV"Nogo elektromagnetiline tehnoloogia lubab meile tulevikus palju rohkem avastusi," lisab teadlane.
Mis saab edasi ja kuidas uued teadmised inimesi aitavad? Teadlased ei nõustu. Mõned ütlevad, et see on alles järgmine samm universumi mehhanismide mõistmisel. Teised peavad seda esimesteks sammudeks uute tehnoloogiate suunas liikumiseks läbi aja ja ruumi. Nii või teisiti tõestas see avastus taas, kui vähe me mõistame ja kui palju on veel õppida.
Kuid mind huvitab rohkem see, milliseid ootamatuid asju saab gravitatsioonilainete abil avastada. Iga kord, kui inimesed vaatlesid Universumit uuel viisil, avastasime palju ootamatuid asju, mis pöörasid meie arusaama universumist pea peale. Ma tahan leida need gravitatsioonilained ja avastada midagi, millest meil varem aimugi polnud.
Kas see aitab meil luua tõelise lõime?
Kuna gravitatsioonilained suhtlevad ainega nõrgalt, ei saa neid selle aine liigutamiseks kasutada. Kuid isegi kui saaksite, liigub gravitatsioonilaine ainult valguse kiirusel. Need ei sobi lõimeajamiks. Küll oleks lahe.
Kuidas on lood antigravitatsiooniseadmetega?
Gravitatsioonivastase seadme loomiseks peame tõmbejõu muutma tõukejõuks. Ja kuigi gravitatsioonilaine levitab gravitatsiooni muutusi, ei ole muutus kunagi tõrjuv (või negatiivne).
Gravitatsioon tõmbab alati ligi, sest negatiivset massi ei paista eksisteerivat. On ju olemas positiivne ja negatiivne laeng, põhja- ja lõunapoolus, aga ainult positiivne mass. Miks? Kui oleks olemas negatiivne mass, kukuks ainepall alla, mitte üles. Selle tõrjuks Maa positiivne mass.
Mida see tähendab ajas rändamise ja teleporteerumise võime jaoks? Kas leiame sellele nähtusele praktilise rakenduse peale meie universumi uurimise?
Praegu on parim viis ajas (ja ainult tulevikku) reisimiseks liikuda valguselähedasel kiirusel (meenub kaksikparadoks üldrelatiivsusteoorias) või minna suurema gravitatsiooniga piirkonda (sellist ajarännakut demonstreeriti tähtedevahelises). Kuna gravitatsioonilaine levitab gravitatsioonimuutusi, tekivad aja kiiruses väga väikesed kõikumised, kuid kuna gravitatsioonilained on oma olemuselt nõrgad, on ka aja kõikumised nõrgad. Ja kuigi ma arvan, et seda ei saa ajas rändamise (või teleportatsiooni) puhul rakendada, siis ära iial ütle iial (vean kihla, et see läks hinge).
Kas tuleb päev, mil me lõpetame Einsteini valideerimise ja hakkame uuesti kummalisi asju otsima?
Kindlasti! Kuna gravitatsioon on jõududest nõrgim, on sellega ka raske katsetada. Siiani said teadlased iga kord, kui üldrelatiivsusteooriat testisid, täpselt ennustatud tulemused. Isegi gravitatsioonilainete tuvastamine kinnitas taas Einsteini teooriat. Kuid ma usun, et kui me hakkame testima teooria väikseimaid detaile (võib-olla gravitatsioonilainetega, võib-olla millegi muuga), leiame "naljakaid" asju, näiteks katsetulemusi, mis ei vasta täpselt ennustusega. See ei tähenda, et GTR on ekslik, vaid on vaja selle üksikasju selgitada.
Iga kord, kui vastame ühele loodusega seotud küsimusele, kerkivad esile uued. Lõpuks on meil küsimusi, mis on lahedamad kui vastused, mida üldrelatiivsusteooria suudab pakkuda.
Kas saate selgitada, kuidas see avastus võib olla seotud ühtse väljateooriaga või mõjutada seda? Kas oleme lähemal selle kinnitamisele või ümberlükkamisele?
Nüüd on meie avastuse tulemused peamiselt pühendatud üldrelatiivsusteooria testimisele ja kinnitamisele. Ühtne väljateooria püüab luua teooriat, mis selgitab väga väikese (kvantmehaanika) ja väga suure (üldrelatiivsusteooria) füüsikat. Nüüd saab neid kahte teooriat üldistada, et selgitada maailma ulatust, milles me elame, kuid mitte rohkem. Kuna meie avastus keskendub väga suurte füüsikale, ei aita see üksi meid ühtse teooria poole edasi viia. Aga küsimus pole selles. Äsja sündis gravitatsioonilainete füüsika valdkond. Kui me rohkem teada saame, laiendame oma tulemusi kindlasti ühtse teooria valdkonda. Kuid enne jooksmist peate kõndima.
Nüüd, kui kuulame gravitatsioonilaineid, mida peavad teadlased kuulma, et sõna otseses mõttes telliskivi puhuda? 1) Ebaloomulikud mustrid/struktuurid? 2) Gravitatsioonilainete allikad piirkondadest, mida pidasime tühjaks? 3) Rick Astley – kas ei anna sulle kunagi alla?
Kui lugesin teie küsimust, mõtlesin kohe stseenile kontaktist, kus raadioteleskoop kogub algarvude mustreid. Seda looduses tõenäoliselt ei leidu (meie teada). Nii et teie valik ebaloomuliku mustri või struktuuriga oleks kõige tõenäolisem.
Ma ei usu, et saame kunagi kindlad, et teatud ruumipiirkonnas on tühimik. Lõpuks oli meie avastatud mustade aukude süsteem isoleeritud ja valgust piirkonnast ei tulnud, kuid me tuvastasime seal siiski gravitatsioonilaineid.
Mis puudutab muusikat... Olen spetsialiseerunud gravitatsioonilainete signaalide eraldamisele staatilisest mürast, mida me pidevalt taustakeskkonnas mõõdame. Kui ma leiaksin gravitatsioonilainest muusikat, eriti muusikat, mida olin varem kuulnud, oleks see pettus. Aga muusika, mida Maal pole kuuldud... See oleks nagu lihtsate juhtumitega “Kontaktist”.
Kuna katse tuvastab laineid, muutes kahe objekti vahelist kaugust, siis kas ühe suuna amplituud on suurem kui teise suuna amplituud? Kas muidu ei tähendaks loetavad andmed, et universumi suurus muutub? Ja kui jah, siis kas see kinnitab laienemist või midagi ootamatut?
Enne sellele küsimusele vastamist peame nägema paljusid gravitatsioonilaineid, mis tulevad universumi erinevatest suundadest. Astronoomias loob see rahvastikumudeli. Mitu erinevat tüüpi asju on olemas? See on põhiküsimus. Kui meil on palju vaatlusi ja hakkame nägema ootamatuid mustreid, näiteks seda, et teatud tüüpi gravitatsioonilained tulevad teatud universumi osast ja mitte kusagilt mujalt, on see äärmiselt huvitav tulemus. Mõned mustrid võivad kinnitada laienemist (milles oleme väga kindlad) või muid nähtusi, millest me veel teadlikud pole. Kuid kõigepealt peame nägema palju rohkem gravitatsioonilaineid.
Minu jaoks on täiesti arusaamatu, kuidas teadlased tegid kindlaks, et nende mõõdetud lained kuuluvad kahte ülimassiivsesse musta auku. Kuidas saab sellise täpsusega kindlaks teha lainete allika?
Andmeanalüüsi meetodid kasutavad meie andmetega võrdlemiseks prognoositud gravitatsioonilainete signaalide kataloogi. Kui mõne sellise ennustuse või mustriga on tugev korrelatsioon, siis me mitte ainult ei tea, et tegemist on gravitatsioonilainega, vaid teame ka seda, milline süsteem selle tekitas.
Igal viisil, kuidas gravitatsioonilaine tekib, olgu see siis mustade aukude ühinemise, pöörlemise või suremise kaudu, on kõik lained erineva kujuga. Kui tuvastame gravitatsioonilaine, kasutame neid kujundeid, nagu ennustab üldrelatiivsusteooria, et määrata nende põhjus.
Kuidas me teame, et need lained tekkisid kahe musta augu kokkupõrkest, mitte mõnest muust sündmusest? Kas on võimalik mingi täpsusega ennustada, kus või millal selline sündmus aset leidis?
Kui teame, milline süsteem gravitatsioonilaine tekitas, saame ennustada, kui tugev gravitatsioonilaine oli selle tekkekoha lähedal. Mõõtes selle tugevust selle Maale jõudmisel ja võrreldes meie mõõtmisi allika prognoositud tugevusega, saame arvutada, kui kaugel allikas on. Kuna gravitatsioonilained liiguvad valguse kiirusel, saame ka arvutada, kui kaua kulus gravitatsioonilainetel Maa poole liikuma.
Meie avastatud mustade aukude süsteemi puhul mõõtsime LIGO käte pikkuse maksimaalset muutust 1/1000 prootoni läbimõõdu kohta. See süsteem asub 1,3 miljardi valgusaasta kaugusel. Septembris avastatud ja hiljuti välja kuulutatud gravitatsioonilaine on meie poole liikunud 1,3 miljardit aastat. See juhtus enne loomaelu tekkimist Maal, kuid pärast mitmerakuliste organismide tekkimist.
Väljakuulutamise ajal väideti, et teised detektorid otsivad pikema perioodiga laineid – mõned neist isegi kosmilisi. Mida saate meile nende suurte detektorite kohta öelda?
Arendamisel on tõepoolest kosmosedetektor. Seda nimetatakse LISA-ks (Laser Interferometer Space Antenna). Kuna see asub kosmoses, on see erinevalt maapealsetest detektoritest Maa loomulike vibratsioonide tõttu üsna tundlik madala sagedusega gravitatsioonilainete suhtes. See saab olema keeruline, sest satelliidid tuleb paigutada Maast kaugemale, kui inimesed on kunagi olnud. Kui midagi läheb valesti, ei saa me astronaute remonti saata. Vajalike tehnoloogiate kontrollimiseks . Seni on ta kõik oma ülesanded täitnud, kuid missioon pole veel kaugeltki lõppenud.
Kas gravitatsioonilaineid on võimalik helilaineteks muuta? Ja kui jah, siis millised need välja näevad?
Saab. Muidugi ei kuule te ainult gravitatsioonilainet. Aga kui võtate signaali ja edastate selle kõlaritest, saate seda kuulda.
Mida peaksime selle teabega peale hakkama? Kas teised olulise massiga astronoomilised objektid kiirgavad neid laineid? Kas laineid saab kasutada planeetide või lihtsate mustade aukude leidmiseks?
Gravitatsiooniväärtuste otsimisel pole oluline ainult mass. Samuti objektile omane kiirendus. Meie avastatud mustad augud tiirlesid ühinedes üksteise ümber 60% valguse kiirusega. Seetõttu suutsime need ühinemise käigus tuvastada. Kuid nüüd ei tule neist enam gravitatsioonilaineid, kuna need on ühinenud üheks passiivseks massiks.
Seega kõik, millel on palju massi ja mis liigub väga kiiresti, tekitab gravitatsioonilaineid, mida saab tuvastada.
Tõenäoliselt ei ole eksoplaneetidel piisav mass või kiirendus tuvastatavate gravitatsioonilainete tekitamiseks. (Ma ei ütle, et nad neid üldse ei loo, ainult et need pole piisavalt tugevad või erineva sagedusega). Isegi kui eksoplaneet oleks vajalike lainete tekitamiseks piisavalt massiivne, rebiks kiirendus selle laiali. Ärge unustage, et kõige massiivsemad planeedid on tavaliselt gaasihiiglased.
Kui tõene on lainete analoogia vees? Kas me saame nendel lainetel sõita? Kas gravitatsiooni "tipud" on olemas, nagu juba tuntud "kaevud"?
Kuna gravitatsioonilained võivad liikuda läbi aine, ei ole võimalik nendega sõita ega neid tõukejõuks kasutada. Seega ei mingit gravitatsioonilaine surfamist.
"Piigid" ja "kaevud" on suurepärased. Gravitatsioon tõmbab alati ligi, sest negatiivset massi pole. Me ei tea, miks, kuid seda pole kunagi laboris ega universumis täheldatud. Seetõttu kujutatakse gravitatsiooni tavaliselt kaevuna. Seda "kaevu" mööda liikuv mass langeb sügavamale; Nii toimib atraktsioon. Kui teil on negatiivne mass, saate tõrjumise ja koos sellega "tipu". "Tipupunktis" liikuv mass paindub sellest eemale. Nii et "kaevud" on olemas, kuid "tipud" mitte.
Analoogia veega on hea seni, kuni räägime sellest, et laine tugevus väheneb koos läbitud kaugusega allikast. Veelaine jääb järjest väiksemaks ja gravitatsioonilaine aina nõrgemaks.
Kuidas mõjutab see avastus meie kirjeldust Suure Paugu inflatsiooniperioodist?
Hetkel see avastus inflatsioonile praktiliselt ei mõjuta. Selliste väidete tegemiseks tuleb jälgida Suure Paugu gravitatsioonilaineid. Projekt BICEP2 arvas, et on neid gravitatsioonilaineid kaudselt jälginud, kuid selgus, et süüdi oli kosmiline tolm. Kui ta saab õiged andmed, kinnitab see ka lühikese inflatsiooniperioodi olemasolu vahetult pärast Suurt Pauku.
LIGO suudab neid gravitatsioonilaineid otse näha (see on ka kõige nõrgem gravitatsioonilainete tüüp, mida loodame tuvastada). Kui me neid näeme, saame vaadata sügavale Universumi minevikku, nagu me pole varem vaadanud, ja hinnata saadud andmete põhjal inflatsiooni.
Loe ka...
- Kõik, mida tahtsid gravitatsioonilainete kohta teada, kuid kartsid küsida
- Krimm: piirivalvurid said esimese patrulllaeva "Emerald"
- 1C laoseisud: jaemüügi konfiguratsioon Protseduuri läbiviimise protseduur programmis
- Refleksiivsed verbid saksa keeles - Saksa võrgus - Start Deutsch Refleksiivsed verbid modaalidega saksa keeles
