Какво представлява гравитационната вълна?

Официалният ден за откриване (откриване) на гравитационни вълни е 11 февруари 2016 г. Тогава, на пресконференция във Вашингтон, ръководителите на сътрудничеството с LIGO, беше обявено, че изследователският екип успя да запише този феномен за първи път в историята на човечеството.

Пророчествата на великия Айнщайн

Алберт Айнщайн предполага, че гравитационните вълни съществуват в началото на миналия век (1916 г.) в рамките на формулираната от него обща генетична теория на относителността (GTR). Човек може да се чудите само гениални способности на известния физик, който е в състояние да направи такива дълбоки заключения с минимум реални данни. Сред многото други физически явления прогнозира, че намери потвърждение в следващия век (забавя с течение на времето, промените в електромагнитното излъчване по посока на гравитационни полета и т.н.) Почти се открие наличието на този вид вълна взаимодействие на органите, доскоро не беше възможно.

Тежестта е илюзия?

Като цяло, в светлината на теорията на относителността, гравитацията е трудно да се нарече сила. Това е следствие смущение или кривина на пространствено-времевия континуум. Добър пример, илюстриращ този постулат, може да служи като опъната парче плат. Под тежестта на масивен обект, поставен върху такава повърхност, се образува депресия. Други обекти, движещи се близо до тази аномалия, ще променят траекторията на своето движение, сякаш "привличат". И колкото повече тежестта на обекта (колкото по-голям е диаметърът и дълбочината на кривината), толкова по-голяма е "силата на привличане". Когато се движи през тъканта, можете да наблюдавате появата на различни "вълни".

Нещо подобно се случва в световното пространство. Всяко ускорено движещо се масивно вещество е източник на колебания в плътността на пространството и времето. Гравитационната вълна със значителна амплитуда се формира от тела с изключително големи маси или когато се движи с огромни ускорения.

Физически характеристики

Колебанията на метричния космос-време се проявяват като промени в гравитационното поле. Това явление също се нарича вълна пространство-време. Гравитационната вълна засяга телата и предметите, които се срещат, изтръгва и ги разтяга. Деформационните стойности са много малки - около 10^-21 от първоначалния размер. Цялата трудност при откриването на това явление беше, че изследователите трябваше да се научат как да измерват и записват такива промени с помощта на подходящо оборудване. Силата на гравитационната радиация също е изключително малка - за цялата слънчева система тя е няколко киловата.

Скоростта на разпространение на гравитационните вълни е незначително зависима от свойствата на проводящата среда. Амплитудата на колебанията с разстоянието от източника постепенно намалява, но никога не достига нула. Честотата е в диапазона от няколко десетки до стотици херц. Скоростта на гравитационните вълни в междузвездната среда се приближава до скоростта на светлината.

Непреки доказателства

За първи път теоретична потвърждение за съществуването на гравитационни вълни успя да се американският астроном Джоузеф Тейлър и Ръсел Hulse помощникът му през 1974. Проучване на Вселената чрез телескопа Аресибо обсерватории (Пуерто Рико), изследователите открили, пулсара PSR B1913 + 16, представляващ двоична система на неутронни звезди, които се въртят около общ център на масата при постоянна ъглова скорост (рядък случай). Ежегодно периодът на циркулация, който първоначално е 3,75 часа, се намалява с 70 ms. Тази стойност е в съответствие със заключенията на GTR уравнения, които прогнозират увеличение на скоростта на въртене на тези системи в резултат на консумацията на енергия за производство на гравитационни вълни. По-късно бяха открити няколко двойни пулсари и бели джуджета със сходно поведение. Радио астрономия Г. Тейлър и Р. Hulse Нобелова награда за физика за откриването на нови възможности за изследване на гравитационни полета бе връчена през 1993 година.

Избягващата гравитационна вълна

Първото твърдение за откриването на гравитационни вълни дойде от учения на университета в Мериленд, Джоузеф Вебер (САЩ) през 1969 г. За тази цел той използва две гравитационни антени от свой собствен дизайн, разположени на разстояние два километра. Резонансният детектор беше добре-вибро-изолиран еднометров двуметров цилиндър, изработен от алуминий, оборудван с чувствителни пиезоелектрически датчици. Амплитудата, за която се твърди, че е фиксирана от колебанията на Вебер, е повече от милион пъти по-висока от очакваната. Опитите на други учени, използващи такова оборудване да повтарят "успеха" на американския физик, не дават положителни резултати. Няколко години по-късно работата на Вебер в тази област се оказва несъстоятелна, но води до развитие на "гравитационен бум", който привлича много специалисти в тази област на изследване. Между другото, самият Джоузеф Вебер до края на дните си беше сигурен, че приема гравитационни вълни.

Подобряване на приемното оборудване

През 70-те години учен Бил Феърбанк (САЩ) разработи дизайн на гравитационна вълнова антена, охладена течен хелий с помощта на свръхчувствителни магнитометри SQUID. Съществуващите технологии по онова време не позволиха на изобретателя да види своя продукт, реализиран в "метала".

По този принцип гравитационният детектор Auriga се произвежда в лабораторията National Lloyary Laboratory (Падуа, Италия). Дизайнът е базиран на алуминиев магнезиев цилиндър с дължина 3 метра и диаметър 0,6 м. Получаващото устройство с тегло 2,3 тона се суспендира в изолирана вакуумна камера, която е охладена почти до абсолютна нула. Допълнителен килограмен резонатор и компютърна измервателна система се използват за фиксиране и откриване на раздразнение. Декларирана чувствителност на оборудването 10^-20.

интерферометри

Основата за работата на детекторите за смущения на гравитационните вълни е същият принцип, с който работи и интерферометърът Michelson. Лазерният лъч, излъчван от източника, е разделен на два потока. След множество отражения и пътувания по рамената на устройството, потоците отново се събират заедно, а от общото интерферентно изображение преценете дали смущенията са повлияли на курса на лъчите (например, гравитационна вълна). Подобно оборудване е създадено в много страни:

• GEO 600 (Хановер, Германия). Дължината на вакуумните тунели е 600 метра.
• TAMA (Япония) с рамене на 300 м.
• VIRGO (Пиза, Италия) е съвместен френско-италиански проект, стартиран през 2007 г. с три километра тунела.
• LIGO (САЩ, Тихоокеанско крайбрежие), водеща лов за гравитационни вълни от 2002 г. насам.

Последните трябва да бъдат разгледани по-подробно.

LIGO Разширено

Проектът е създаден по инициатива на учените от технологичните институти в Масачузетс и Калифорния. Включва два обсерватория, разделени на 3 хиляди километра, в членки на Луизиана и Вашингтон (градовете Ливингстън и Ханфорд) с три идентични интерферометъра. Дължината на перпендикулярни вакуумни тунели е 4000 метра. Това са най-големите съществуващи такива структури в момента. До 2011 г. многобройни опити за откриване на гравитационни вълни не доведоха до резултати. Значително повишаване (Advanced LIGO) увеличава чувствителността на оборудването в диапазона 300-500 Hz повече от пет пъти и в региона на ниска честота (до 60 Hz) е почти един порядък, достигайки стойност като желан 10^-21. Обновеният проект започна през септември 2015 г., а усилията на повече от хиляда сътрудници бяха възнаградени с резултатите.

Откриват се гравитационни вълни

14 септември, 2015 напреднала LIGO детектори в 7 мс интервал записани слезе до гравитационни вълни на нашата планета от най-големите събития, които се случиха в периферията на видимата вселена - сливането на две големи черни дупки с маси от 29 и 36 пъти по-големи от слънчевата маса. В хода на процеса, който се е състоял преди повече от 1.3 милиарда години, около три слънчеви маси на материята са били консумирани за лъчение на гравитационни вълни за част от секундата. Фиксираната начална честота на гравитационните вълни е 35 Hz, а максималната пикова стойност достига 250 Hz.

Получените резултати многократно са подложени на изчерпателна проверка и обработка, алтернативни интерпретации на получените данни са внимателно отрязани. най-накрая, 11 февруари Миналата година директната регистрация на явлението, предсказано от Айнщайн, бе обявено пред световната общност.

Фактът, който илюстрира титаничната работа на изследователите: амплитудата на колебанията на размерите на рамената на интерферометрите е 10^-19m - тази стойност е толкова по-малка от диаметъра на атома, когато е по-малък от оранжевия.

Други перспективи

Това откритие още веднъж потвърждава, че общата теория на относителността не е просто колекция от абстрактни формули, а фундаментално нов поглед върху същността на гравитационните вълни и гравитацията като цяло.

В по-нататъшни проучвания учените обръщат големи надежди на проекта ELSA: създаването на гигантски орбитален интерферометър с рамене от около 5 милиона километра, способен да открие дори и незначителни смущения на гравитационните полета. Интензификацията на произведенията в тази посока е в състояние да разкаже много за основните етапи на развитието на вселената, за процесите, които са трудни или невъзможни за наблюдение в традиционните диапазони. Несъмнено, черни дупки, чиито гравитационни вълни ще бъдат фиксирани в бъдеще, ще разкажат много за тяхната природа.

За да изучите реликтната гравитационна радиация, която може да разкаже за първите моменти на нашия свят след Големия взрив, ще са необходими по-чувствителни космически инструменти. Такъв проект съществува (Големият взрив наблюдател), но нейното изпълнение според експертите е възможно не по-рано от 30-40 години.