Ziua oficială a descoperirii (detecției) undelor gravitaționale este 11 februarie 2016. Atunci, la o conferință de presă la Washington, liderii colaborării LIGO au anunțat că o echipă de cercetători a reușit să înregistreze acest fenomen pentru prima dată în istoria omenirii.
Profețiile marelui Einstein
Chiar la începutul secolului trecut (1916), Albert Einstein a sugerat că undele gravitaționale există în cadrul Teoriei Generale a Relativității (GR) formulată de el. Nu se poate decât să se minuneze de abilitățile strălucitoare ale celebrului fizician, care, cu un minim de date reale, a reușit să tragă concluzii atât de ample. Printre multe alte fenomene fizice prezise care au fost confirmate în secolul următor (încetinirea curgerii timpului, schimbarea direcției radiației electromagnetice în câmpurile gravitaționale etc.), nu a fost posibil să se detecteze practic prezența acestui tip de undă. interacțiunea corpurilor până de curând.
Gravația este o iluzie?
În general, la luminăTeoria relativității nu poate numi gravitația o forță. Aceasta este o consecință a perturbării sau curburii continuumului spațiu-timp. Un bun exemplu care ilustrează acest postulat este o bucată de pânză întinsă. Sub greutatea unui obiect masiv plasat pe o astfel de suprafață, se formează o adâncitură. Alte obiecte care se deplasează în apropierea acestei anomalii vor schimba traiectoria mișcării lor, parcă „atrase”. Și cu cât greutatea obiectului este mai mare (cu cât diametrul și adâncimea curburii sunt mai mari), cu atât „forța de atracție” este mai mare. Când se mișcă prin țesătură, puteți observa apariția unei „unduri” divergente.
Ceva similar se întâmplă în spațiul mondial. Orice materie masivă care se mișcă rapid este o sursă de fluctuații în densitatea spațiului și a timpului. O undă gravitațională cu o amplitudine semnificativă, formată din corpuri cu mase extrem de mari sau când se deplasează cu accelerații uriașe.
Caracteristici fizice
Fluctuațiile metricii spațiu-timp se manifestă ca modificări ale câmpului gravitațional. Acest fenomen este altfel numit ondulații spațiu-timp. Unda gravitațională acționează asupra corpurilor și obiectelor întâlnite, comprimându-le și întinzându-le. Valorile deformării sunt foarte mici - aproximativ 10-21 față de dimensiunea originală. Întreaga dificultate a detectării acestui fenomen a fost că cercetătorii au trebuit să învețe cum să măsoare și să înregistreze astfel de modificări cu ajutorul echipamentelor adecvate. Puterea radiației gravitaționale este, de asemenea, extrem de mică - pentru întregul sistem solar estecâțiva kilowați.
Viteza de propagare a undelor gravitaționale depinde puțin de proprietățile mediului conductor. Amplitudinea oscilației scade treptat cu distanța de la sursă, dar nu ajunge niciodată la zero. Frecvența se află în intervalul de la câteva zeci până la sute de herți. Viteza undelor gravitaționale în mediul interstelar se apropie de viteza luminii.
Dovezi circumstanțiale
Pentru prima dată, confirmarea teoretică a existenței undelor gravitaționale a fost obținută de astronomul american Joseph Taylor și asistentul său Russell Hulse în 1974. Studiind întinderile Universului folosind radiotelescopul Observatorului Arecibo (Puerto Rico), cercetătorii au descoperit pulsarul PSR B1913 + 16, care este un sistem binar de stele neutronice care se rotesc în jurul unui centru de masă comun cu o viteză unghiulară constantă (un caz destul de rar). În fiecare an, perioada de revoluție, care inițial era de 3,75 ore, este redusă cu 70 ms. Această valoare este destul de consistentă cu concluziile din ecuațiile GR care prezic o creștere a vitezei de rotație a unor astfel de sisteme din cauza consumului de energie pentru generarea undelor gravitaționale. Ulterior, au fost descoperite mai multe pulsari duble și pitice albe cu comportament similar. Radioastronomii D. Taylor și R. Hulse au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1993 pentru că au descoperit noi posibilități de studiere a câmpurilor gravitaționale.
Undă gravitațională scăpată
Prima declarație despreDetectarea undelor gravitaționale a venit de la savantul Joseph Weber (SUA) de la Universitatea din Maryland, în 1969. În aceste scopuri, a folosit două antene gravitaționale de design propriu, separate de o distanță de doi kilometri. Detectorul rezonant era un cilindru de aluminiu de doi metri dintr-o bucată bine vibrat, echipat cu senzori piezoelectrici sensibili. Amplitudinea fluctuațiilor pretins înregistrate de Weber s-a dovedit a fi de peste un milion de ori mai mare decât valoarea așteptată. Încercările altor oameni de știință care au folosit astfel de echipamente de a repeta „succesul” fizicianului american nu au adus rezultate pozitive. Câțiva ani mai târziu, munca lui Weber în acest domeniu a fost recunoscută ca insustenabilă, dar a dat impuls dezvoltării unui „boom gravitațional” care a atras mulți specialiști în acest domeniu de cercetare. Apropo, Joseph Weber însuși a fost sigur până la sfârșitul zilelor sale că a primit unde gravitaționale.
Îmbunătățirea echipamentului de recepție
În anii '70, omul de știință Bill Fairbank (SUA) a dezvoltat designul unei antene cu undă gravitațională răcită cu heliu lichid folosind SQUID - magnetometre suprasensibile. Tehnologiile existente la acea vreme nu i-au permis inventatorului să-și vadă produsul, realizat în „metal”.
Detectorul gravitațional Auriga a fost realizat astfel la Laboratorul Național Legnard (Padova, Italia). Designul se bazează pe un cilindru din aluminiu-magneziu, lung de 3 metri și diametru de 0,6 m. Un dispozitiv de recepție cu o greutate de 2,3 tone.suspendat într-o cameră izolată cu vid răcită aproape la zero absolut. Pentru fixarea și detectarea vibrațiilor sunt utilizate un rezonator kilogram auxiliar și un complex de măsurare bazat pe computer. Sensibilitatea declarată a echipamentului 10-20.
Interferometre
Funcționarea detectorilor de interferență a undelor gravitaționale se bazează pe aceleași principii ca și interferometrul Michelson. Raza laser emisă de sursă este împărțită în două fluxuri. După reflexii și călătorii multiple de-a lungul umerilor dispozitivului, fluxurile sunt din nou reunite, iar imaginea finală de interferență este folosită pentru a aprecia dacă vreo perturbare (de exemplu, o undă gravitațională) a afectat cursul razelor. Echipamente similare au fost create în multe țări:
- GEO 600 (Hanovra, Germania). Lungimea tunelurilor de vid este de 600 de metri.
- TAMA (Japonia) 300 m umeri
- VIRGO (Pisa, Italia) este un proiect comun franco-italian lansat în 2007 cu tuneluri de 3 km.
- LIGO (SUA, Coasta Pacificului), vânătoare de unde gravitaționale din 2002.
Ultimul merită luat în considerare mai detaliat.
LIGO Advanced
Proiectul a fost inițiat de oameni de știință de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts și de la Institutul de Tehnologie din California. Include două observatoare separate de 3 mii km, în statele Louisiana și Washington (orașele Livingston și Hanford) cu trei interferometre identice. Lungimea vidului perpendiculartunelurile este de 4 mii de metri. Acestea sunt cele mai mari astfel de structuri aflate în funcțiune în prezent. Până în 2011, numeroase încercări de detectare a undelor gravitaționale nu au adus niciun rezultat. Modernizarea semnificativă efectuată (Advanced LIGO) a crescut sensibilitatea echipamentului în intervalul 300-500 Hz de peste cinci ori, iar în regiunea de joasă frecvență (până la 60 Hz) cu aproape un ordin de mărime, ajungând o asemenea valoare râvnită de 10-21. Proiectul actualizat a început în septembrie 2015, iar eforturile a peste o mie de colaboratori au fost răsplătite cu rezultate.
Unde gravitaționale detectate
Pe 14 septembrie 2015, detectoare avansate LIGO cu un interval de 7 ms au înregistrat unde gravitaționale care au ajuns pe planeta noastră de la cel mai mare fenomen care a avut loc la periferia Universului observabil - fuziunea a două găuri negre mari cu mase. de 29 și 36 de ori masa Soarelui. În timpul procesului, care a avut loc cu peste 1,3 miliarde de ani în urmă, aproximativ trei mase solare de materie au fost cheltuite pentru radiația undelor gravitaționale în câteva fracțiuni de secundă. Frecvența inițială a undelor gravitaționale a fost înregistrată ca 35 Hz, iar valoarea maximă de vârf a atins 250 Hz.
Rezultatele obținute au fost supuse în mod repetat unei verificări și prelucrări cuprinzătoare, interpretările alternative ale datelor obținute au fost întrerupte cu grijă. În cele din urmă, pe 11 februarie anul trecut, a fost anunțată comunității mondiale înregistrarea directă a fenomenului prezis de Einstein.
Fapt care ilustrează munca titanică a cercetătorilor: amplitudinea fluctuațiilor în dimensiunile brațelor interferometrului a fost de 10-19m - această valoare este cu mult mai mică decât diametrul un atom deoarece este mai mic decât o portocală.
Alte perspective
Descoperirea confirmă încă o dată că Teoria Generală a Relativității nu este doar un set de formule abstracte, ci o privire fundamental nouă asupra esenței undelor gravitaționale și a gravitației în general.
În cercetări ulterioare, oamenii de știință au mari speranțe în proiectul ELSA: crearea unui interferometru orbital gigant cu brațe de aproximativ 5 milioane de km, capabil să detecteze chiar și perturbări minore ale câmpurilor gravitaționale. Intensificarea muncii în această direcție poate spune multe despre principalele etape ale dezvoltării Universului, despre procese greu sau imposibil de observat în benzile tradiționale. Nu există nicio îndoială că găurile negre, ale căror unde gravitaționale vor fi fixate în viitor, vor spune multe despre natura lor.
Pentru a studia radiația gravitațională relicvă, care poate spune despre primele momente ale lumii noastre după Big Bang, vor fi necesare instrumente spațiale mai sensibile. Un astfel de proiect există (Big Bang Observer), dar implementarea lui, conform experților, este posibilă nu mai devreme de 30-40 de ani.
