كان أينشتاين محقًا: موجات الجاذبية موجودة. موجات الجاذبية - مفتوحة

في 11 فبراير 2016 ، أعلنت مجموعة دولية من العلماء ، بما في ذلك من روسيا ، في مؤتمر صحفي في واشنطن اكتشافًا سيغير عاجلاً أم آجلاً تطور الحضارة. كان من الممكن عمليًا إثبات موجات الجاذبية أو موجات الزمكان. تم توقع وجودهم قبل 100 عام من قبل ألبرت أينشتاين في كتابه.

لا أحد يشك في أن هذا الاكتشاف سيُمنح جائزة نوبل. العلماء ليسوا في عجلة من أمرهم للحديث عن تطبيقه العملي. لكنهم يذكرون أنه حتى وقت قريب جدًا ، لم تكن البشرية أيضًا تعرف بالضبط ما يجب فعله بالموجات الكهرومغناطيسية ، مما أدى في النهاية إلى ثورة علمية وتكنولوجية حقيقية.

ما هي موجات الجاذبية بعبارات بسيطة

الجاذبية والجاذبية العامة شيء واحد. موجات الجاذبية هي أحد حلول OTS. يجب أن تنتشر بسرعة الضوء. تنبعث من أي جسم يتحرك بعجلة متغيرة.

على سبيل المثال ، يدور في مداره مع تسارع متغير موجه نحو النجم. وهذا التسارع يتغير باستمرار. يشع النظام الشمسي طاقة بترتيب عدة كيلووات في موجات الجاذبية. هذا مبلغ ضئيل ، يمكن مقارنته بثلاثة أجهزة تلفزيون ملونة قديمة.

شيء آخر هو اثنين من النجوم النابضة (النجوم النيوترونية) تدور حول بعضها البعض. يتحركون في مدارات ضيقة للغاية. تم اكتشاف مثل هذا "الزوجين" من قبل علماء الفيزياء الفلكية وقد تمت ملاحظتهما لفترة طويلة. كانت الأجسام جاهزة للسقوط على بعضها البعض ، مما يشير بشكل غير مباشر إلى أن النجوم النابضة تشع موجات الزمكان ، أي الطاقة في مجالها.

الجاذبية هي قوة الجاذبية. نحن منجذبون إلى الأرض. وجوهر موجة الجاذبية هو التغيير في هذا المجال ، يكون ضعيفًا للغاية عندما يتعلق الأمر بنا. على سبيل المثال ، خذ مستوى الماء في الخزان. شدة مجال الجاذبية هي تسارع السقوط الحر عند نقطة معينة. تمر الموجة عبر خزاننا ، وفجأة يتغير تسارع السقوط الحر قليلاً.

بدأت مثل هذه التجارب في الستينيات من القرن الماضي. في ذلك الوقت ، توصلوا إلى هذا: قاموا بتعليق أسطوانة ألمنيوم ضخمة ، وتم تبريدها لتجنب التقلبات الحرارية الداخلية. وكانوا ينتظرون موجة من تصادم ، على سبيل المثال ، ثقبين أسودين ضخمين لتصل إلينا فجأة. كان الباحثون متحمسين وقالوا إن الكرة الأرضية بأكملها يمكن أن تتأثر بموجة جاذبية قادمة من الفضاء الخارجي. سيبدأ الكوكب في التذبذب ويمكن دراسة هذه الموجات الزلزالية (الانضغاطية والقص والسطح).

مقال مهم حول الجهاز بلغة واضحة ، وكيف سرق الأمريكيون و LIGO فكرة العلماء السوفييت وقاموا ببناء أجهزة قياس الدخل التي سمحت بالاكتشاف. لا أحد يتحدث عن ذلك ، الجميع صامت!

بالمناسبة ، يعتبر إشعاع الجاذبية أكثر إثارة للاهتمام من وجهة نظر الإشعاع البقايا ، الذي يحاولون العثور عليه عن طريق تغيير طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي. ظهر الإشعاع البقايا والإشعاع الكهرومغناطيسي بعد 700 ألف سنة من الانفجار العظيم ، ثم في عملية تمدد الكون مليئًا بالغاز الساخن مع موجات الصدمة المتنقلة ، والتي تحولت فيما بعد إلى مجرات. في هذه الحالة ، بالطبع ، كان من المفترض أن ينبعث عدد هائل من موجات الزمكان ، مما يؤثر على الطول الموجي لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي ، والذي كان لا يزال بصريًا في ذلك الوقت. يكتب عالم الفيزياء الفلكية المحلي Sazhin وينشر بانتظام مقالات حول هذا الموضوع.

تفسير خاطئ لاكتشاف موجات الجاذبية

"مرآة معلقة ، موجة جاذبية تعمل عليها ، وتبدأ في التذبذب. وحتى أصغر التقلبات ذات السعة الأقل من حجم النواة الذرية يتم ملاحظتها بواسطة الأدوات "- مثل هذا التفسير غير الصحيح ، على سبيل المثال ، مستخدم في مقالة ويكيبيديا. لا تكن كسولًا ، ابحث عن مقال لعلماء سوفيات في عام 1962.

أولاً ، يجب أن تكون المرآة ضخمة حتى تشعر "بالتموجات". ثانيًا ، يجب تبريده إلى الصفر المطلق تقريبًا (كلفن) لتجنب التقلبات الحرارية الخاصة به. على الأرجح ، ليس فقط في القرن الحادي والعشرين ، ولكن بشكل عام لن يكون من الممكن أبدًا اكتشاف جسيم أولي - حامل موجات الجاذبية:

موجات الجاذبية - صورة الفنان

موجات الجاذبية هي اضطرابات في مقياس الزمكان التي تنفصل عن المصدر وتنتشر مثل الموجات (ما يسمى "تموجات الزمكان").

في النظرية العامة للنسبية وفي معظم نظريات الجاذبية الحديثة الأخرى ، تتولد موجات الجاذبية عن طريق حركة الأجسام الضخمة ذات التسارع المتغير. تنتشر موجات الجاذبية بحرية في الفضاء بسرعة الضوء. نظرًا للضعف النسبي لقوى الجاذبية (مقارنة بغيرها) ، فإن حجم هذه الموجات صغير جدًا ، مما يصعب تسجيله.

موجة الجاذبية المستقطبة

يتم التنبؤ بموجات الجاذبية من خلال النظرية العامة للنسبية (GR) والعديد من النظريات الأخرى. تم اكتشافها لأول مرة بشكل مباشر في سبتمبر 2015 بواسطة كاشفين مزدوجين ، سجلوا موجات الجاذبية ، والتي من المحتمل أن تكون ناتجة عن اندماج الاثنين وتشكيل ثقب أسود دوار أكثر ضخامة. الدليل غير المباشر على وجودها معروف منذ السبعينيات - تتنبأ النسبية العامة بمعدلات التقارب للأنظمة القريبة التي تتزامن مع الملاحظات بسبب فقدان الطاقة لانبعاث موجات الجاذبية. يعد التسجيل المباشر لموجات الجاذبية واستخدامها لتحديد معلمات العمليات الفيزيائية الفلكية مهمة مهمة للفيزياء الحديثة وعلم الفلك.

في إطار النسبية العامة ، توصف موجات الجاذبية بحلول معادلات أينشتاين لنوع الموجة ، والتي تمثل اضطرابًا في مقياس الزمكان الذي يتحرك بسرعة الضوء (في تقريب خطي). يجب أن يكون مظهر هذا الاضطراب ، على وجه الخصوص ، تغييرًا دوريًا في المسافة بين كتلتين اختباريتين (أي لا تتأثران بأي قوى). السعة حموجة الجاذبية هي كمية بلا أبعاد - تغير نسبي في المسافة. السعات القصوى المتوقعة لموجات الجاذبية من الأجسام الفيزيائية الفلكية (على سبيل المثال ، الأنظمة الثنائية المدمجة) والظواهر (الانفجارات ، والاندماجات ، والتقاط الثقوب السوداء ، وما إلى ذلك) تكون صغيرة جدًا عند قياسها في ( ح= 10 -18 -10 -23). الموجة الثقالية الضعيفة (الخطية) ، وفقًا للنظرية العامة للنسبية ، تحمل الطاقة والزخم ، وتتحرك بسرعة الضوء ، وتكون مستعرضة ، رباعية الأقطاب ، ويتم وصفها بواسطة مكونين مستقلين يقعان بزاوية 45 درجة لبعضهما البعض (له اتجاهان للاستقطاب).

تتنبأ نظريات مختلفة بسرعة انتشار موجات الجاذبية بطرق مختلفة. في النسبية العامة ، تساوي سرعة الضوء (بالتقريب الخطي). في نظريات الجاذبية الأخرى ، يمكن أن تأخذ أي قيمة ، بما في ذلك إلى ما لا نهاية. وفقًا لبيانات التسجيل الأول لموجات الجاذبية ، تبين أن تشتتها متوافق مع الجرافيتون عديم الكتلة ، وقدرت السرعة بأنها مساوية لسرعة الضوء.

توليد موجات الجاذبية

يخلق نظام من نجمين نيوترونيين تموجات في الزمكان

تنبعث موجة الجاذبية من أي مادة تتحرك بعجلة غير متماثلة. لظهور موجة ذات سعة كبيرة ، يلزم وجود كتلة كبيرة للغاية من الباعث و / وتسارع كبير ، واتساع موجة الجاذبية يتناسب طرديًا مع المشتق الأول من التسارعوكتلة المولد ، أي ~. ومع ذلك ، إذا كان جسم ما يتحرك بمعدل متسارع ، فهذا يعني أن هناك قوة ما تؤثر عليه من جانب جسم آخر. في المقابل ، يختبر هذا الكائن الآخر الفعل العكسي (وفقًا لقانون نيوتن الثالث) ، بينما يتضح ذلك م 1 أ 1 = − م 2 أ 2 . اتضح أن جسمين يشعان موجات جاذبية في أزواج فقط ، ونتيجة للتداخل ينطفئ كل منهما بشكل شبه كامل. لذلك ، فإن إشعاع الجاذبية في النظرية العامة للنسبية له دائمًا طابع الإشعاع الرباعي على الأقل من حيث تعدد الأقطاب. بالإضافة إلى ذلك ، بالنسبة للبواعث غير النسبية ، يحتوي التعبير عن شدة الإشعاع على معلمة صغيرة حيث يكون نصف قطر الجاذبية للباعث ، ص- حجمها المميز ، تي- فترة الحركة المميزة ، جهي سرعة الضوء في الفراغ.

أقوى مصادر موجات الجاذبية هي:

• تصادم (كتل عملاقة ، تسارعات صغيرة جدًا) ،
• انهيار الجاذبية لنظام ثنائي من الأجسام المدمجة (تسارعات هائلة ذات كتلة كبيرة نسبيًا). كحالة خاصة ومثيرة للاهتمام - اندماج النجوم النيوترونية. في مثل هذا النظام ، يكون لمعان الموجة الثقالية قريبًا من أعلى لمعان بلانك ممكن في الطبيعة.

موجات الجاذبية المنبعثة من نظام ثنائي الجسم

جسمان يتحركان في مدارات دائرية حول مركز مشترك للكتلة

جسمان مرتبطان بالجاذبية وكتلتان م 1 و م 2 ، تتحرك بشكل غير نسبي ( الخامس << ج) في مدارات دائرية حول مركز كتلتها المشتركة على مسافة صمن بعضها البعض ، تشع موجات الجاذبية من الطاقة التالية ، في المتوسط ​​على مدى الفترة:

نتيجة لذلك ، يفقد النظام الطاقة ، مما يؤدي إلى تقارب الأجسام ، أي إلى تقليل المسافة بينهما. سرعة الاقتراب من الأجسام:

بالنسبة للنظام الشمسي ، على سبيل المثال ، فإن النظام الفرعي ينتج أعظم إشعاع ثقالي. تبلغ قوة هذا الإشعاع حوالي 5 كيلووات. وبالتالي ، فإن الطاقة التي يفقدها النظام الشمسي بسبب إشعاع الجاذبية سنويًا لا تذكر تمامًا مقارنة بالطاقة الحركية المميزة للأجسام.

انهيار الجاذبية للنظام الثنائي

أي نجم ثنائي ، عندما تدور مكوناته حول مركز كتلة مشترك ، يفقد الطاقة (كما هو مفترض - بسبب انبعاث موجات الجاذبية) ، وفي النهاية ، يندمج معًا. لكن بالنسبة للنجوم الثنائية العادية غير المضغوطة ، تستغرق هذه العملية وقتًا طويلاً جدًا ، أكثر بكثير من العصر الحالي. إذا كان النظام الثنائي المضغوط يتكون من زوج من النجوم النيوترونية ، أو الثقوب السوداء ، أو مزيج من الاثنين معًا ، فيمكن أن يحدث الاندماج في عدة ملايين من السنين. أولاً ، تقترب الأشياء من بعضها البعض ، وتقل فترة ثورتهم. ثم في المرحلة النهائية هناك تصادم وانهيار جاذبي غير متماثل. تستغرق هذه العملية جزءًا من الثانية ، وخلال هذا الوقت ، تُفقد الطاقة في إشعاع الجاذبية ، والذي يمثل ، وفقًا لبعض التقديرات ، أكثر من 50٪ من كتلة النظام.

الحلول الدقيقة الأساسية لمعادلات أينشتاين لموجات الجاذبية

موجات جسد بوندي - بيراني - روبنسون

يتم وصف هذه الموجات بمقياس النموذج. إذا أدخلنا متغيرًا ووظيفة ، فإننا نحصل على المعادلة من معادلات GR

متري تاكينو

لها الشكل ، -وظائف ، تحقق نفس المعادلة.

متري روزين

حيث ترضي

متري بيريز

حيث

موجات آينشتاين روزن الأسطوانية

في الإحداثيات الأسطوانية ، يكون لهذه الموجات الشكل ويتم تحقيقها

تسجيل موجات الجاذبية

إن تسجيل موجات الجاذبية معقد إلى حد ما بسبب ضعف الأخير (تشويه صغير للمقياس). أدوات تسجيلها هي كاشفات موجات الجاذبية. تم إجراء محاولات للكشف عن موجات الجاذبية منذ أواخر الستينيات. يتم إنتاج موجات الجاذبية ذات السعة القابلة للاكتشاف أثناء انهيار ثنائي. تحدث أحداث مماثلة في المنطقة المجاورة مرة كل عقد تقريبًا.

من ناحية أخرى ، تتنبأ النسبية العامة بتسارع الدوران المتبادل للنجوم الثنائية بسبب فقدان الطاقة لانبعاث موجات الجاذبية ، وقد تم تسجيل هذا التأثير بشكل موثوق في العديد من الأنظمة المعروفة للأجسام الثنائية المدمجة (على وجه الخصوص ، النجوم النابضة) مع الصحابة المدمجة). في عام 1993 ، "لاكتشاف نوع جديد من النجوم النابضة التي أعطت إمكانيات جديدة في دراسة الجاذبية" لمكتشفي أول نجم نابض مزدوج PSR B1913 + 16 ، راسل هولس وجوزيف تايلور جونيور. حصل على جائزة نوبل في الفيزياء. يتطابق تسارع الدوران الملاحظ في هذا النظام تمامًا مع تنبؤات النسبية العامة لانبعاث موجات الجاذبية. تم تسجيل نفس الظاهرة في عدة حالات أخرى: للنجوم النابضة PSR J0737-3039 و PSR J0437-4715 و SDSS J065133.338 + 284423.37 (عادةً ما يتم اختصارها J0651) والنظام الثنائي RX J0806. على سبيل المثال ، المسافة بين المكونين A و B للنجم الثنائي الأول للنجمين النابضين PSR J0737-3039 تقل بنحو 2.5 بوصة (6.35 سم) يوميًا بسبب فقدان الطاقة لموجات الجاذبية ، وهذا يحدث وفقًا لـ النسبية العامة. يتم تفسير كل هذه البيانات على أنها تأكيد غير مباشر لوجود موجات الجاذبية.

وفقًا للتقديرات ، فإن أقوى مصادر موجات الجاذبية وأكثرها شيوعًا لمقاريب الجاذبية والهوائيات هي كوارث مرتبطة بانهيار الأنظمة الثنائية في المجرات القريبة. من المتوقع أنه في المستقبل القريب ، ستسجل أجهزة الكشف عن الجاذبية المتقدمة العديد من الأحداث المماثلة في السنة ، مما يؤدي إلى تشويه المقياس في المنطقة المجاورة بمقدار 10 -21 -10 -23. ربما تم الحصول على الملاحظات الأولى لإشارة الرنين البارامترية الضوئية ، والتي تجعل من الممكن اكتشاف تأثير موجات الجاذبية من المصادر الدورية من النوع الثنائي القريب على إشعاع الموجات الكونية ، في مرصد علم الفلك الراديوي في روسيا. أكاديمية العلوم ، بوشينو.

هناك إمكانية أخرى لاكتشاف خلفية موجات الجاذبية التي تملأ الكون وهي التوقيت عالي الدقة للنجوم النابضة البعيدة - تحليل وقت وصول نبضاتها ، والتي تتغير بشكل مميز تحت تأثير موجات الجاذبية التي تمر عبر الفضاء بين الأرض والنجم النابض. وفقًا لتقديرات عام 2013 ، يجب زيادة دقة التوقيت بحوالي ترتيب واحد من حيث الحجم حتى نتمكن من اكتشاف موجات الخلفية من مصادر متعددة في كوننا ، ويمكن حل هذه المهمة قبل نهاية العقد.

وفقًا للمفاهيم الحديثة ، فإن كوننا مليء بموجات الجاذبية التي ظهرت في اللحظات الأولى بعد ذلك. سيوفر تسجيلهم معلومات حول العمليات في بداية ولادة الكون. في 17 مارس 2014 الساعة 20:00 بتوقيت موسكو في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية ، أعلنت مجموعة أمريكية من الباحثين الذين يعملون في مشروع BICEP 2 اكتشاف اضطرابات التوتر غير الصفرية في الكون المبكر عن طريق استقطاب CMB ، وهو أيضًا اكتشاف موجات الجاذبية هذه. ومع ذلك ، على الفور تقريبا هذه النتيجة كانت محل خلاف ، كما اتضح فيما بعد ، مساهمة. أحد المؤلفين ، J.M Kovats ( كوفاك ج.) ، أقر بأنه "مع تفسير وتغطية بيانات تجربة BICEP2 ، كان المشاركون في التجربة والصحفيون العلميون متسرعين بعض الشيء."

تأكيد تجريبي للوجود

أول إشارة موجات ثقالية مسجلة. على اليسار ، بيانات من الكاشف في هانفورد (H1) ، على اليمين ، في ليفينجستون (L1). الوقت محسوب من 14 سبتمبر 2015 ، 09:50:45 بالتوقيت العالمي المنسق. لتصور الإشارة ، تم ترشيحها باستخدام مرشح تردد بعرض نطاق يتراوح بين 35 و 350 هرتز لقمع التقلبات الكبيرة خارج نطاق الحساسية العالية للكاشفات ؛ كما تم استخدام مرشحات تمرير النطاق لقمع ضوضاء التركيبات نفسها. الصف العلوي: الفولتية h في أجهزة الكشف. وصل GW150914 لأول مرة إلى L1 و 6 9 +0 5 −0 4 مللي ثانية وصل لاحقًا إلى H1 ؛ للمقارنة المرئية ، يتم عرض البيانات من H1 في مخطط L1 مقلوبًا ومغير الوقت (لمراعاة الاتجاه النسبي للكاشفات). الصف الثاني: الفولتية h من إشارة موجة الجاذبية ، مرت عبر نفس مرشح النطاق الترددي 35-350 هرتز. الخط الصلب هو نتيجة النسبية العددية لنظام ذي معلمات متوافقة مع تلك الموجودة على أساس دراسة إشارة GW150914 ، التي تم الحصول عليها من خلال رمزين مستقلين مع تطابق ناتج قدره 99.9. الخطوط السميكة الرمادية هي فترات الثقة 90٪ لشكل الموجة المستعاد من بيانات الكاشف بطريقتين مختلفتين. يمثل الخط الرمادي الداكن الإشارات المتوقعة من عمليات اندماج الثقوب السوداء ، ولا يستخدم الخط الرمادي الفاتح النماذج الفيزيائية الفلكية ، ولكنه يمثل الإشارة كمجموعة خطية من الموجات الجيبية الغوسية. إعادة البناء تتداخل بنسبة 94٪. الصف الثالث: الأخطاء المتبقية بعد استخلاص التنبؤ المفلتر لإشارة النسبية العددية من الإشارة المفلترة للكاشفات. الصف السفلي: تمثيل خريطة تردد الجهد الذي يوضح الزيادة في التردد السائد للإشارة بمرور الوقت.

11 فبراير 2016 بواسطة تعاون LIGO و VIRGO. تم اكتشاف إشارة اندماج ثقبين أسودين بسعة بحد أقصى حوالي 10 21 في 14 سبتمبر 2015 في الساعة 09:51 بالتوقيت العالمي بواسطة كاشفين من LIGO في هانفورد وليفينجستون على بعد 7 مللي ثانية ، في منطقة أقصى إشارة السعة (0.2 ثانية) مجتمعة كانت نسبة الإشارة إلى الضوضاء 24: 1. تم تعيين الإشارة GW150914. يتطابق شكل الإشارة مع توقعات النسبية العامة لدمج ثقبين أسودين بكتل 36 و 29 كتلة شمسية ؛ يجب أن يكون للثقب الأسود الناتج كتلة تبلغ 62 كتلة شمسية ومعامل دوران أ= 0.67. المسافة إلى المصدر حوالي 1.3 مليار ، والطاقة المشعة في أعشار من الثانية في الاندماج تعادل حوالي 3 كتل شمسية.

قصة

تاريخ مصطلح "موجة الجاذبية" في حد ذاته ، والبحث النظري والتجريبي عن هذه الموجات ، وكذلك استخدامها لدراسة الظواهر التي يتعذر الوصول إليها بطرق أخرى.

• 1900 - اقترح لورنتز أن الجاذبية "... يمكن أن تنتشر بسرعة لا تزيد عن سرعة الضوء" ؛
• 1905 - بوانكيرقدم لأول مرة مصطلح موجة الجاذبية (onde gravifique). أزال بوانكاريه ، على المستوى النوعي ، اعتراضات لابلاس الراسخة وأظهر أن التصحيحات المرتبطة بموجات الجاذبية لقوانين الجاذبية المقبولة عمومًا لنيوتن تلغي ، وبالتالي فإن افتراض وجود موجات الجاذبية لا يتعارض مع الملاحظات ؛
• 1916 - أظهر أينشتاين أنه في إطار النسبية العامة ، سينقل النظام الميكانيكي الطاقة إلى موجات الجاذبية ، وبشكل تقريبي ، يجب أن يتوقف أي دوران متعلق بالنجوم الثابتة عاجلاً أم آجلاً ، على الرغم من أنه ، بالطبع ، في ظل الظروف العادية ، فقدان الطاقة من الترتيب لا يكاد يذكر ولا يمكن قياسه عمليًا (في هذا العمل ، ما زال يعتقد خطأً أن النظام الميكانيكي الذي يحافظ باستمرار على التناظر الكروي يمكن أن يشع موجات الجاذبية) ؛
• 1918 - أينشتايناشتق صيغة رباعية حيث تبين أن إشعاع موجات الجاذبية هو تأثير ترتيب ، وبالتالي تصحيح الخطأ في عمله السابق (كان هناك خطأ في المعامل ، وطاقة الموجة 2 مرات أقل) ؛
• 1923 - إدينجتون - تساءل عن الواقع المادي لموجات الجاذبية "... تنتشر ... بسرعة الفكر." في عام 1934 ، عند إعداد ترجمة روسية لدراسته النظرية النسبية ، أضاف إدينجتون عدة فصول ، بما في ذلك فصول مع متغيرين لحساب خسائر الطاقة بواسطة قضيب دوار ، لكنه أشار إلى أن الأساليب المستخدمة في الحسابات التقريبية للنسبية العامة ، في كتابه الرأي ، لا ينطبق على الأنظمة المقترنة الجاذبية. لذلك تظل الشكوك قائمة ؛
• 1937 - بحث أينشتاين مع روزين في حلول الموجات الأسطوانية للمعادلات الدقيقة لمجال الجاذبية. في سياق هذه الدراسات ، كانت لديهم شكوك في أن موجات الجاذبية قد تكون نتاجًا لحلول تقريبية لمعادلات GR (هناك تطابق معروف فيما يتعلق بمراجعة مقال أينشتاين وروزن "هل توجد موجات الجاذبية؟"). في وقت لاحق ، وجد خطأً في المنطق ، فالنسخة النهائية من المقالة مع التعديلات الأساسية قد نُشرت بالفعل في مجلة معهد فرانكلين.
• 1957 - اقترح هيرمان بوندي وريتشارد فاينمان تجربة فكرية "قصب مع خرز" أثبتوا فيها وجود العواقب الفيزيائية لموجات الجاذبية في النسبية العامة.
• 1962 - وصف فلاديسلاف بوستوفيت وميخائيل جيرتسنشتاين مبادئ استخدام مقاييس التداخل لاكتشاف موجات الجاذبية طويلة الموجة ؛
• 1964 - وصف فيليب بيترز وجون ماثيو نظريًا موجات الجاذبية المنبعثة من الأنظمة الثنائية ؛
• 1969 - أعلن جوزيف ويبر ، مؤسس علم فلك الموجات الثقالية ، عن اكتشاف موجات الجاذبية باستخدام كاشف الرنين - هوائي جاذبية ميكانيكي. أدت هذه التقارير إلى نمو سريع للعمل في هذا الاتجاه ، ولا سيما أن Rene Weiss ، أحد مؤسسي مشروع LIGO ، بدأ التجارب في ذلك الوقت. حتى تاريخه (2015) ، لم يتمكن أحد من الحصول على تأكيد موثوق به لهذه الأحداث ؛
• 1978 - جوزيف تايلورأبلغ عن اكتشاف إشعاع الجاذبية في النظام الثنائي للنجم النابض PSR B1913 + 16. حصل عمل جوزيف تايلور ورسل هولس على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1993. في بداية عام 2015 ، تم قياس ثلاثة معايير لما بعد كبلر ، بما في ذلك الانخفاض في الفترة بسبب انبعاث موجات الجاذبية ، لما لا يقل عن 8 أنظمة من هذا القبيل ؛
• 2002 - أجرى سيرجي كوبيكين وإدوارد فولالونت قياسات ديناميكية لانحراف الضوء في مجال جاذبية المشتري باستخدام قياس التداخل الموجي الراديوي مع خط أساس طويل جدًا ، والذي يسمح لفئة معينة من الامتدادات الافتراضية للنسبية العامة بتقدير سرعة الجاذبية - الاختلاف عن يجب ألا تتجاوز سرعة الضوء 20٪ (هذا التفسير غير مقبول بشكل عام) ؛
• 2006 - أبلغ الفريق الدولي لـ Martha Burgay (مرصد الحدائق ، أستراليا) عن تأكيد أكثر دقة للنسبية العامة والمطابقة معها لحجم إشعاع موجة الجاذبية في نظام اثنين من النجوم النابضة PSR J0737-3039A / B ؛
• 2014 - أبلغ علماء الفلك في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية (BICEP) عن اكتشاف موجات الجاذبية البدائية في قياسات تقلبات CMB. في الوقت الحالي (2016) ، لا تعتبر التقلبات المكتشفة ذات منشأ ، ولكن يتم تفسيرها من خلال إشعاع الغبار في المجرة ؛
• 2016 - فريق LIGO الدوليأعلن الكشف عن حدث مرور موجات الجاذبية GW150914. لأول مرة ، رصد مباشر لتفاعل أجسام ضخمة في مجالات جاذبية فائقة القوة بسرعات نسبية فائقة (< 1,2 × R s , v/c >0.5) ، مما جعل من الممكن التحقق من صحة النسبية العامة بدقة من عدة مصطلحات عالية المستوى لما بعد نيوتن. لا يتعارض التشتت المقاس لموجات الجاذبية مع القياسات السابقة للتشتت والحد الأعلى لكتلة الجرافيتون الافتراضي (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.



بعد مائة عام من التنبؤ النظري الذي وضعه ألبرت أينشتاين في إطار النظرية العامة للنسبية ، تمكن العلماء من تأكيد وجود موجات الجاذبية. بدأ عصر طريقة جديدة في الأساس لدراسة الفضاء السحيق - علم فلك الموجات الثقالية.

الاكتشافات مختلفة. هناك عشوائية ، فهي شائعة في علم الفلك. ليست هناك عشوائية تمامًا ، نتيجة "تمشيط المنطقة" الدقيق ، مثل اكتشاف أورانوس بواسطة William Herschel. هناك مصادفة - عندما كانوا يبحثون عن شيء ، لكنهم وجدوا شيئًا آخر: على سبيل المثال ، اكتشفوا أمريكا. لكن مكانة خاصة في العلم تحتلها الاكتشافات المخطط لها. إنها تستند إلى تنبؤ نظري واضح. يتم البحث عن المتوقع أولاً وقبل كل شيء لتأكيد النظرية. تشمل هذه الاكتشافات اكتشاف بوزون هيغز في مصادم الهادرونات الكبير واكتشاف موجات الجاذبية باستخدام مرصد موجات الجاذبية بالليزر LIGO. ولكن لتسجيل بعض الظواهر التي تنبأت بها النظرية ، عليك أن تفهم جيدًا ما الذي تبحث عنه بالضبط وأين تبحث عنه ، وكذلك الأدوات اللازمة لذلك.

تسمى موجات الجاذبية تقليديًا بالتنبؤ بالنظرية النسبية العامة (GR) ، وهذا هو الحال بالفعل (على الرغم من وجود هذه الموجات الآن في جميع النماذج البديلة أو المكملة لـ GR). تؤدي محدودية سرعة انتشار تفاعل الجاذبية إلى ظهور موجات (في النسبية العامة ، هذه السرعة تساوي تمامًا سرعة الضوء). هذه الموجات هي اضطرابات انتشار الزمكان من المصدر. لظهور موجات الجاذبية ، من الضروري أن ينبض المصدر أو يتحرك بسرعة ، ولكن بطريقة معينة. لنفترض أن الحركات ذات التناظر الكروي أو الأسطواني المثالي غير مناسبة. هناك الكثير من هذه المصادر ، لكن غالبًا ما يكون لديهم كتلة صغيرة ، غير كافية لتوليد إشارة قوية. بعد كل شيء ، الجاذبية هي أضعف التفاعلات الأساسية الأربعة ، لذا فإن تسجيل إشارة الجاذبية أمر صعب للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، للتسجيل ، من الضروري أن تتغير الإشارة بسرعة في الوقت المناسب ، أي أن لها ترددًا عاليًا بدرجة كافية. وإلا فلن نتمكن من تسجيله ، لأن التغييرات ستكون بطيئة للغاية. هذا يعني أن الكائنات يجب أن تكون مضغوطة أيضًا.

في البداية ، كان الحماس الكبير سببه انفجارات السوبرنوفا التي تحدث في مجرات مثل مجرتنا كل بضعة عقود. لذا ، إذا تمكنت من تحقيق حساسية تسمح لك برؤية إشارة من مسافة عدة ملايين من السنين الضوئية ، فيمكنك الاعتماد على عدة إشارات كل عام. لكن تبين لاحقًا أن التقديرات الأولية لقوة إطلاق الطاقة على شكل موجات ثقالية أثناء انفجار سوبرنوفا كانت متفائلة للغاية ، وسيكون من الممكن تسجيل مثل هذه الإشارة الضعيفة فقط في حالة اندلاع سوبر نوفا في مجرتنا.

البديل الآخر للأجسام الضخمة والمضغوطة التي تتحرك بسرعة هو النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء. يمكننا أن نرى إما عملية تكوينها ، أو عملية التفاعل مع بعضها البعض. المراحل الأخيرة من انهيار النوى النجمية ، التي تؤدي إلى تكوين أجسام مضغوطة ، وكذلك المراحل الأخيرة من اندماج النجوم النيوترونية والثقوب السوداء ، لها مدة تصل إلى عدة أجزاء من الألف من الثانية (وهو ما يتوافق مع تردد قدره مئات الهرتز) - فقط ما نحتاجه. في هذه الحالة ، يتم إطلاق الكثير من الطاقة ، بما في ذلك (وأحيانًا في الغالب) في شكل موجات الجاذبية ، حيث تقوم الأجسام المدمجة الضخمة ببعض الحركات السريعة. هذه هي مصادرنا المثالية.

صحيح أن المستعرات الأعظمية تندلع في المجرة مرة كل عدة عقود ، وتحدث اندماجات النجوم النيوترونية مرة كل بضع عشرات الآلاف من السنين ، وتندمج الثقوب السوداء مع بعضها بشكل أقل تكرارًا. لكن الإشارة أقوى بكثير ، ويمكن حساب خصائصها بدقة تامة. لكننا الآن بحاجة إلى تعلم كيفية رؤية الإشارة من مسافة تصل إلى عدة مئات من ملايين السنين الضوئية من أجل تغطية عشرات الآلاف من المجرات واكتشاف عدة إشارات في السنة.

بعد تحديد المصادر ، لنبدأ في تصميم الكاشف. للقيام بذلك ، تحتاج إلى فهم ما تفعله موجة الجاذبية. بدون الخوض في التفاصيل ، يمكننا القول أن مرور موجة الجاذبية يسبب قوة المد (المد والجزر العادي أو المد والجزر الشمسي ظاهرة منفصلة ، ولا علاقة لموجات الجاذبية بها). لذلك يمكنك أن تأخذ ، على سبيل المثال ، أسطوانة معدنية ، وتجهيزها بأجهزة استشعار ودراسة اهتزازاتها. هذا ليس بالأمر الصعب ، لذلك بدأ إنشاء مثل هذه التركيبات منذ نصف قرن (وهي أيضًا في روسيا ، والآن يتم تثبيت كاشف محسّن تم تطويره بواسطة فريق Valentin Rudenko من SAI MSU) في مختبر Baksan تحت الأرض. المشكلة هي أن مثل هذا الجهاز سيرى الإشارة بدون أي موجات ثقالية. هناك الكثير من الأصوات التي يصعب التعامل معها. من الممكن (وقد تم ذلك!) تثبيت الكاشف تحت الأرض ، ومحاولة عزله ، وتبريده إلى درجات حرارة منخفضة ، ولكن مع ذلك ، من أجل تجاوز مستوى الضوضاء ، هناك حاجة إلى إشارة موجة جاذبية قوية للغاية. والإشارات القوية نادرة.

لذلك ، تم الاختيار لصالح مخطط آخر ، تم طرحه في عام 1962 من قبل فلاديسلاف بوستوفويت وميخائيل جيرتشنشتاين. في مقال نُشر في مجلة ZhETF (مجلة الفيزياء التجريبية والنظرية) ، اقترحوا استخدام مقياس تداخل ميكلسون للكشف عن موجات الجاذبية. يعمل شعاع الليزر بين المرايا في ذراعي مقياس التداخل ، ثم تتم إضافة حزم من أذرع مختلفة. من خلال تحليل نتيجة تداخل الحزم ، من الممكن قياس التغير النسبي في أطوال الذراعين. هذه قياسات دقيقة للغاية ، لذا إذا تغلبت على الضوضاء ، يمكنك تحقيق حساسية رائعة.

في أوائل التسعينيات ، تقرر بناء العديد من أجهزة الكشف وفقًا لهذا المخطط. كان من المقرر تشغيل المنشآت الصغيرة نسبيًا ، GEO600 في أوروبا و TAMA300 في اليابان (الأرقام تتوافق مع طول الأسلحة بالأمتار) أولاً لاختبار التكنولوجيا. لكن اللاعبين الرئيسيين هم LIGO في الولايات المتحدة و VIRGO في أوروبا. يتم قياس حجم هذه الأجهزة بالفعل بالكيلومترات ، وينبغي أن تسمح الحساسية المخططة النهائية برؤية العشرات ، إن لم يكن المئات من الأحداث سنويًا.

لماذا هناك حاجة إلى أجهزة متعددة؟ في المقام الأول للتحقق المتبادل ، نظرًا لوجود ضوضاء محلية (مثل الزلازل). سيكون التسجيل المتزامن لإشارة في شمال غرب الولايات المتحدة وإيطاليا دليلاً ممتازًا على مصدرها الخارجي. ولكن هناك سبب ثانٍ: تحدد أجهزة كشف الموجات الثقالية الاتجاه إلى المصدر بشكل سيئ للغاية. ولكن إذا كان هناك العديد من أجهزة الكشف المتباعدة ، فسيكون من الممكن تحديد الاتجاه بدقة تامة.

عمالقة الليزر

في شكلها الأصلي ، تم تصنيع كاشفات LIGO في عام 2002 ، و VIRGO في عام 2003. وفقا للخطة ، كانت هذه فقط المرحلة الأولى. عملت جميع التركيبات لعدة سنوات ، وفي 2010-2011 تم إيقافها للمراجعة ، من أجل الوصول إلى الحساسية العالية المخطط لها. كانت أجهزة كشف LIGO أول من بدأ العمل في سبتمبر 2015 ، ومن المفترض أن تنضم VIRGO في النصف الثاني من عام 2016 ، وبدءًا من هذه المرحلة ، تتيح لنا الحساسية أن نأمل في تسجيل عدة أحداث على الأقل سنويًا.

بعد بدء LIGO ، كان المعدل المتوقع للانفجارات حوالي حدث واحد في الشهر. قدر علماء الفيزياء الفلكية مقدمًا أن أول الأحداث المتوقعة يجب أن تكون اندماجات للثقب الأسود. هذا يرجع إلى حقيقة أن الثقوب السوداء عادة ما تكون أثقل بعشر مرات من النجوم النيوترونية ، والإشارة أقوى ، و "تُرى" من مسافات كبيرة ، والتي تعوض أكثر من معدل الأحداث الأبطأ لكل مجرة. لحسن الحظ ، لم يكن علينا الانتظار طويلاً. في 14 سبتمبر 2015 ، سجلت كلتا التركيبات إشارة متطابقة تقريبًا ، والتي سميت GW150914.

من خلال تحليل بسيط إلى حد ما ، يمكن الحصول على بيانات مثل كتل الثقب الأسود وقوة الإشارة والمسافة إلى المصدر. ترتبط كتلة وحجم الثقوب السوداء بطريقة بسيطة جدًا ومعروفة ، ومن تردد الإشارة يمكن للمرء أن يقدر على الفور حجم منطقة إطلاق الطاقة. في هذه الحالة ، يشير الحجم إلى أن ثقبين كتلتهما 25-30 وكتلة 35-40 كتلة شمسية يشكلان ثقبًا أسود كتلته تزيد عن 60 كتلة شمسية. بمعرفة هذه البيانات ، يمكن للمرء أيضًا الحصول على إجمالي طاقة الانفجار. لقد تحولت ثلاث كتل شمسية تقريبًا إلى إشعاع الجاذبية. يتوافق هذا مع سطوع 1023 من لمعان الشمس - تقريبًا نفس سطوع خلال هذا الوقت (أجزاء من الثانية) كل النجوم في الجزء المرئي من الكون تشع. ومن الطاقة المعروفة ومقدار الإشارة المقاسة ، يتم الحصول على المسافة. أتاحت الكتلة الكبيرة من الأجسام المدمجة تسجيل حدث وقع في مجرة ​​بعيدة: ذهبت الإشارة إلينا لنحو 1.3 مليار سنة.

يسمح لنا التحليل الأكثر تفصيلاً بتحسين نسبة كتلة الثقوب السوداء وفهم كيفية دورانها حول محورها ، فضلاً عن تحديد بعض المعلمات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الإشارة الصادرة من مركبتين تجعل من الممكن تحديد اتجاه الرشقة بشكل تقريبي. لسوء الحظ ، الدقة هنا ليست عالية جدًا حتى الآن ، ولكن مع تشغيل VIRGO المحدث ، ستزداد. وفي غضون سنوات قليلة ، سيبدأ كاشف KAGRA الياباني في استقبال الإشارات. ثم سيتم تجميع أحد كواشف LIGO (في البداية كان هناك ثلاثة ، وكان أحد المنشآت مزدوجًا) في الهند ، ومن المتوقع بعد ذلك تسجيل عشرات الأحداث سنويًا.

عصر علم الفلك الجديد

في الوقت الحالي ، أهم نتيجة لعمل ليجو هي تأكيد وجود موجات الجاذبية. بالإضافة إلى ذلك ، جعلت الدفعة الأولى من الممكن بالفعل تحسين القيود المفروضة على كتلة الجرافيتون (في النسبية العامة لها كتلة صفرية) ، بالإضافة إلى تقييد الفرق بين سرعة انتشار الجاذبية وسرعة ضوء. لكن العلماء يأملون أن يتمكنوا بالفعل في عام 2016 من تلقي الكثير من البيانات الفيزيائية الفلكية الجديدة بمساعدة LIGO و VIRGO.

أولاً ، البيانات من مراصد الموجات الثقالية هي قناة جديدة لدراسة الثقوب السوداء. إذا كان من الممكن في وقت سابق فقط مراقبة تدفقات المادة في محيط هذه الأجسام ، يمكنك الآن "رؤية" مباشرة عملية دمج و "تهدئة" الثقب الأسود المتكون ، وكيف يتقلب أفقه ، ويأخذ شكله النهائي (تم تحديده) بالتناوب). ربما ، حتى اكتشاف تبخر هوكينج للثقوب السوداء (تظل هذه العملية حتى الآن فرضية) ، ستوفر دراسة الاندماجات أفضل المعلومات المباشرة عنها.

ثانيًا ، ستوفر ملاحظات اندماج النجوم النيوترونية الكثير من المعلومات الجديدة التي تشتد الحاجة إليها حول هذه الأجسام. لأول مرة ، سنتمكن من دراسة النجوم النيوترونية بالطريقة التي يدرس بها الفيزيائيون الجسيمات: نلاحظ اصطدامها لفهم كيفية عملها في الداخل. يثير لغز البنية الداخلية للنجوم النيوترونية كلاً من علماء الفيزياء الفلكية والفيزيائيين. إن فهمنا للفيزياء النووية وسلوك المادة عند الكثافة العالية غير مكتمل دون حل هذه المشكلة. من المحتمل أن تلعب أرصاد الموجات الثقالية دورًا رئيسيًا هنا.

يُعتقد أن اندماجات النجوم النيوترونية مسؤولة عن انفجارات قصيرة من أشعة غاما الكونية. في حالات نادرة ، سيكون من الممكن ملاحظة حدث في وقت واحد في كل من نطاق جاما وكاشفات موجات الجاذبية (يرجع الندرة إلى حقيقة أن إشارة جاما تتركز أولاً في حزمة ضيقة جدًا ، وهي ليست كذلك. دائمًا ما يتم توجيهه إلينا ، ولكن ثانيًا ، لن نسجل موجات الجاذبية من أحداث بعيدة جدًا). على ما يبدو ، سيستغرق الأمر عدة سنوات من الملاحظات لتتمكن من رؤية ذلك (على الرغم من أنه ، كالعادة ، يمكنك أن تكون محظوظًا وسيحدث ذلك الآن). ثم ، من بين أشياء أخرى ، يمكننا مقارنة سرعة الجاذبية بسرعة الضوء بدقة.

وبالتالي ، ستعمل مقاييس التداخل الليزرية معًا كتلسكوب واحد لموجة الجاذبية ، مما يوفر معرفة جديدة لكل من علماء الفيزياء الفلكية والفيزيائيين. حسنًا ، سيتم منح جائزة نوبل المستحقة عاجلاً أم آجلاً عن اكتشاف الدفقات الأولى وتحليلها.

2236

بالأمس ، صُدم العالم بإحساس: اكتشف العلماء أخيرًا موجات الجاذبية ، والتي تنبأ بوجودها أينشتاين قبل مائة عام. هذا اختراق. تم اكتشاف تشويه الزمكان (هذه موجات الجاذبية - الآن سنشرح ما الذي) تم اكتشافه في مرصد ليجو ، وأحد مؤسسيه - من تعتقدون؟ - كيب ثورن مؤلف الكتاب.

نقول سبب أهمية اكتشاف موجات الجاذبية ، ما قاله مارك زوكربيرج ، وبالطبع نشارك القصة بصيغة المتكلم. يعرف Kip Thorne ، مثله مثل أي شخص آخر ، كيف يعمل المشروع ، وما الذي يجعله غير عادي وما هي أهمية LIGO للبشرية. نعم ، نعم ، كل شيء خطير للغاية.

اكتشاف موجات الجاذبية

سيتذكر العالم العلمي إلى الأبد تاريخ 11 فبراير 2016. في هذا اليوم ، أعلن المشاركون في مشروع LIGO: بعد العديد من المحاولات غير المجدية ، تم العثور على موجات الجاذبية. هذا واقع. في الواقع ، تم اكتشافهم قبل ذلك بقليل: في سبتمبر 2015 ، ولكن بالأمس تم الاعتراف رسميًا بالاكتشاف. تعتقد صحيفة الغارديان أن العلماء سيحصلون بالتأكيد على جائزة نوبل في الفيزياء.

سبب موجات الجاذبية هو اصطدام ثقبين أسودين ، والذي حدث بالفعل ... على بعد مليار سنة ضوئية من الأرض. تخيل مدى ضخامة كوننا! نظرًا لأن الثقوب السوداء هي أجسام ضخمة جدًا ، فإنها تموج عبر الزمكان وتشوهه قليلاً. لذلك تظهر موجات شبيهة بتلك التي تنتشر من حجر رمى في الماء.

هذه هي الطريقة التي يمكنك بها تخيل موجات الجاذبية القادمة إلى الأرض ، على سبيل المثال ، من ثقب دودي. رسم من كتاب "بين النجوم. العلم وراء الكواليس "

تم تحويل الاهتزازات الناتجة إلى صوت. ومن المثير للاهتمام أن الإشارة الصادرة عن موجات الجاذبية تأتي بنفس تردد حديثنا. لذلك يمكننا أن نسمع بأذاننا كيف تصطدم الثقوب السوداء. اسمع صوت موجات الجاذبية.

وتعلم ماذا؟ في الآونة الأخيرة ، تم ترتيب الثقوب السوداء بشكل مختلف عما كان يعتقد سابقًا. لكن بعد كل شيء ، لم يكن هناك دليل على الإطلاق على وجودهم من حيث المبدأ. والآن هناك. الثقوب السوداء "تعيش" حقًا في الكون.

لذلك ، وفقًا للعلماء ، تبدو الكارثة مثل - اندماج الثقوب السوداء ، -.

في 11 فبراير ، عُقد مؤتمر فخم جمع أكثر من ألف عالم من 15 دولة. كان العلماء الروس حاضرين أيضًا. وبالطبع ليس بدون كيب ثورن. "هذا الاكتشاف هو بداية بحث مذهل ورائع عن الناس: البحث عن الجانب المنحني للكون واستكشافه - الأشياء والظواهر التي تم إنشاؤها من تشويه الزمكان. قال كيب ثورن إن تصادم الثقوب السوداء وموجات الجاذبية هي أولى عيناتنا الرائعة.

كان البحث عن موجات الجاذبية أحد المشاكل الرئيسية للفيزياء. الآن تم العثور عليهم. وتأكدت عبقرية أينشتاين مرة أخرى.

في أكتوبر / تشرين الأول ، أجرينا مقابلة مع سيرجي بوبوف ، عالم الفيزياء الفلكية الروسي والمشهور بالعلوم. نظر إلى الماء! في الخريف: "يبدو لي أننا الآن على وشك اكتشافات جديدة ، ويرجع ذلك أساسًا إلى عمل كاشفات موجات الجاذبية LIGO و VIRGO (لقد قدم Kip Thorne للتو مساهمة كبيرة في إنشاء مشروع LIGO). " مدهش ، أليس كذلك؟

موجات الجاذبية وكاشفات الموجات و LIGO

حسنًا ، الآن لبعض الفيزياء. لأولئك الذين يريدون حقًا فهم ماهية موجات الجاذبية. إليك عرض فني لخطوط الوتر لثقبين أسودين يدوران حول بعضهما البعض ، عكس اتجاه عقارب الساعة ، ثم يتصادمان. تولد خطوط Tendex جاذبية المد والجزر. تفضل. الخطوط التي تنبثق من أبعد نقطتين على أسطح زوج من الثقوب السوداء تمد كل شيء في طريقها ، بما في ذلك صديق الفنان الذي دخل الرسم. تضغط الخطوط الخارجة من منطقة الاصطدام على كل شيء.

عندما تدور الثقوب حول الأخرى ، فإنها تتبع خطوط الوتر الخاصة بها ، والتي تشبه نفاثات الماء من رشاش العشب الدوار. في الصورة من كتاب بين النجوم. العلم وراء الكواليس هو زوج من الثقوب السوداء التي تصطدم ، يدور أحدهما حول الآخر عكس اتجاه عقارب الساعة ، وخطوط الوتر الخاصة بهما.

تتحد الثقوب السوداء في ثقب واحد كبير ؛ إنه مشوه ويدور عكس اتجاه عقارب الساعة ، يسحب خطوط الوتر معه. سوف يشعر المراقب الثابت بعيدًا عن الحفرة بالاهتزازات أثناء مرور خطوط الوتر خلالها: التمدد ، ثم الضغط ، ثم التمدد - تصبح خطوط الوتر موجة جاذبية. مع انتشار الموجات ، يتناقص تشوه الثقب الأسود تدريجيًا ، كما تضعف الموجات أيضًا.

عندما تصل هذه الموجات إلى الأرض ، يكون لها الشكل الموضح في الجزء العلوي من الشكل أدناه. يتمددون في اتجاه واحد وينضغطون في الاتجاه الآخر. تتقلب عمليات التمدد والضغط (من الأحمر إلى اليسار واليمين والأزرق واليمين واليسار والأحمر واليمين واليسار وما إلى ذلك) حيث تمر الموجات عبر الكاشف في أسفل الشكل.

موجات الجاذبية تمر عبر كاشف ليجو.

يتكون الكاشف من أربع مرايا كبيرة (40 كجم ، وقطرها 34 سم) متصلة بنهايات أنبوبين متعامدين يسمى أذرع الكاشف. تمتد خطوط Tendex لموجات الجاذبية على كتف واحد ، بينما تضغط على الثانية ، ثم على العكس ، تضغط على الأول وتمدد الثانية. وهكذا مرارا وتكرارا. من خلال تغيير طول الذراعين بشكل دوري ، تتحرك المرايا بالنسبة لبعضها البعض ، ويتم تتبع هذه التحولات باستخدام أشعة الليزر بطريقة تسمى قياس التداخل. ومن هنا جاء اسم LIGO: مرصد الليزر لموجات الجاذبية التداخلية.

مركز التحكم LIGO ، حيث يرسلون الأوامر إلى الكاشف ويراقبون الإشارات المستقبلة. تقع كاشفات الجاذبية الخاصة بـ LIGO في هانفورد بواشنطن وليفينجستون ، لويزيانا. صورة من كتاب “Interstellar. العلم وراء الكواليس "

الآن LIGO هو مشروع دولي يضم 900 عالم من مختلف البلدان ، ومقره في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

الجانب الملتوي من الكون

الثقوب السوداء ، الثقوب الدودية ، التفردات ، شذوذ الجاذبية وأبعاد الترتيب الأعلى مرتبطة بانحناء المكان والزمان. لهذا يسميهم كيب ثورن "الجانب المنحني من الكون". لا يزال لدى البشرية القليل جدًا من البيانات التجريبية والرصدية من الجانب المنحني للكون. هذا هو السبب في أننا نولي الكثير من الاهتمام لموجات الجاذبية: فهي مصنوعة من فضاء منحني وتوفر لنا الطريقة الأكثر سهولة لاستكشاف الجانب المنحني.

تخيل أنه كان عليك أن ترى المحيط فقط عندما يكون هادئًا. لن تعرف عن التيارات والدوامات وموجات العواصف. هذا يذكرنا بمعرفتنا الحالية بانحناء المكان والزمان.

نحن لا نعرف شيئًا تقريبًا عن كيفية تصرف الفضاء المشوه والوقت المشوه "في عاصفة" - عندما يتقلب شكل الفضاء بعنف وعندما تتقلب سرعة تدفق الوقت. هذه حدود معرفة مغرية بشكل غير عادي. صاغ العالم جون ويلر مصطلح "الديناميكا الهندسية" لهذه التغييرات.

من الأمور ذات الأهمية الخاصة في مجال الديناميكا الهندسية اصطدام ثقبين أسودين.

تصادم ثقبين أسودين غير دوارين. نموذج من كتاب "بين النجوم. العلم وراء الكواليس "

يوضح الشكل أعلاه اللحظة التي يصطدم فيها ثقبان أسودان. سمح مثل هذا الحدث للعلماء بتسجيل موجات الجاذبية. تم تصميم هذا النموذج للثقوب السوداء غير الدوارة. في الأعلى: مدارات وظلال الثقوب ، كما يُرى من كوننا. الوسط: المكان والزمان المنحنيان ، يُنظر إليهما من الشعاع (مسافة زائدة عالية الأبعاد) ؛ تُظهر الأسهم كيف يتم رسم الفضاء في الحركة ، وتوضح الألوان المتغيرة كيف ينحني الوقت. القاع: شكل موجات الجاذبية المنبعثة.

موجات الجاذبية من الانفجار العظيم

كلمة لكيب ثورن. في عام 1975 ، أدلى ليونيد جريشوك ، صديقي العزيز من روسيا ، بتصريح مثير. قال إنه في لحظة الانفجار العظيم ، نشأت العديد من موجات الجاذبية ، وكانت آلية حدوثها (غير معروفة سابقًا) كما يلي: التقلبات الكمومية (تقلبات عشوائية - محرر)تم تضخيم مجال الجاذبية في الانفجار الكبير بشكل كبير من خلال التوسع الأولي للكون ، وبالتالي أصبح موجات الجاذبية الأصلية. هذه الموجات ، إذا أمكن اكتشافها ، يمكن أن تخبرنا بما كان يحدث في لحظة ولادة كوننا ".

إذا وجد العلماء موجات الجاذبية الأصلية ، فسنعرف كيف بدأ الكون.

لقد حل الناس بعيدًا عن كل أسرار الكون. لا يزال أمامنا.

في السنوات اللاحقة ، مع تحسن فهمنا للانفجار العظيم ، أصبح من الواضح أن هذه الموجات الأولية يجب أن تكون قوية بأطوال موجية تتناسب مع حجم الكون المرئي ، أي على أطوال بلايين السنين الضوئية. هل يمكنك أن تتخيل كم هو؟ .. وفي الأطوال الموجية التي تغطيها كاشفات ليجو (مئات وآلاف الكيلومترات) ، من المرجح أن تكون الموجات أضعف من أن تتعرف عليها.

قام فريق جيمي بوك ببناء جهاز BICEP2 ، والذي وجد أثرًا لموجات الجاذبية البدائية. تظهر مركبة القطب الشمالي هنا خلال فترة الشفق ، والتي تحدث هناك مرتين فقط في السنة.

جهاز BICEP2. صورة من كتاب "بين النجوم. العلم وراء الكواليس "

إنه محاط بدروع تحمي المركبة من الإشعاع من الغطاء الجليدي المحيط. في الزاوية اليمنى العليا يوجد أثر موجود في إشعاع بقايا - نمط استقطاب. يتم توجيه خطوط المجال الكهربائي على طول ضربات ضوئية قصيرة.

درب بداية الكون

في أوائل التسعينيات ، أدرك علماء الكونيات أن موجات الجاذبية التي تبلغ بلايين السنين الضوئية قد تركت بصمة فريدة على الموجات الكهرومغناطيسية التي تملأ الكون - ما يسمى الخلفية الميكروية الكونية أو CMB. كان هذا بمثابة بداية البحث عن الكأس المقدسة. بعد كل شيء ، إذا وجدت هذا الأثر واستخلصت منه خصائص موجات الجاذبية الأصلية ، يمكنك معرفة كيف ولد الكون.

في مارس 2014 ، بينما كان كيب ثورن يؤلف هذا الكتاب ، وجد فريق جيمي بوك ، عالم الكونيات في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والذي يقع مكتبه بجوار مكتب ثورن ، هذا الأثر أخيرًا في CMB.

هذا اكتشاف مذهل للغاية ، ولكن هناك نقطة واحدة مثيرة للجدل: المسار الذي وجده فريق جيمي لا يمكن أن يكون بسبب موجات الجاذبية ، ولكن شيء آخر.

إذا تم العثور بالفعل على أثر لموجات الجاذبية من الانفجار العظيم ، فقد كان هناك اكتشاف كوني لمستوى يحدث ، ربما ، مرة كل نصف قرن. إنه يعطي فرصة للتطرق إلى الأحداث التي وقعت بين تريليون من تريليون من تريليون من الثانية بعد ولادة الكون.

يؤكد هذا الاكتشاف النظريات القائلة بأن تمدد الكون في تلك اللحظة كان سريعًا للغاية ، في اللغة العامية لعلماء الكونيات - السرعة التضخمية. ويبشر بقدوم حقبة جديدة في علم الكونيات.

موجات الجاذبية والنجوم

بالأمس في مؤتمر حول اكتشاف موجات الجاذبية ، أشار فاليري ميتروفانوف ، رئيس تعاون موسكو لعلماء ليجو ، الذي يضم 8 علماء من جامعة موسكو الحكومية ، إلى أن حبكة فيلم Interstellar ، على الرغم من كونها رائعة ، ليست بعيدة عن الواقع. . وكل ذلك لأن المستشار العلمي كان كيب ثورن. أعرب ثورن نفسه عن أمله في أن يؤمن بالرحلات المأهولة في المستقبل إلى ثقب أسود. دعونا لا تحدث في أقرب وقت نشاء ، ومع ذلك فهي اليوم أكثر واقعية مما كانت عليه من قبل.

اليوم ليس بعيدًا عندما يغادر الناس حدود مجرتنا.

هز الحدث أذهان الملايين من الناس. كتب مارك زوكربيرج سيئ السمعة: "إن اكتشاف موجات الجاذبية هو أكبر اكتشاف في العلم الحديث. ألبرت أينشتاين هو أحد أبطالي ، وهذا هو سبب اقترابي من الاكتشاف. قبل قرن من الزمان ، في إطار النظرية العامة للنسبية (GR) ، تنبأ بوجود موجات الجاذبية. لكنها صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها لدرجة أنها أصبحت تبحث عنها في أصول أحداث مثل الانفجار العظيم وانفجارات النجوم وتصادم الثقوب السوداء. عندما يحلل العلماء البيانات التي تم الحصول عليها ، ستفتح أمامنا رؤية جديدة تمامًا للفضاء. وربما يلقي هذا الضوء على أصل الكون ، وولادة وتطور الثقوب السوداء. من الملهم للغاية التفكير في عدد الأرواح والجهود التي بذلت للكشف عن لغز الكون هذا. تم تحقيق هذا الاختراق بفضل موهبة العلماء والمهندسين اللامعين ، والأشخاص من جنسيات مختلفة ، بالإضافة إلى أحدث تقنيات الكمبيوتر التي ظهرت مؤخرًا فقط. مبروك لجميع المعنيين. آينشتاين سيفخر بك ".

هذا هو الكلام. وهذا رجل مهتم ببساطة بالعلوم. يمكن للمرء أن يتخيل كيف اجتاحت عاصفة من المشاعر العلماء الذين ساهموا في الاكتشاف. يبدو أننا نشهد حقبة جديدة ، أيها الأصدقاء. شيء مذهل.

ملاحظة هل أعجبك ذلك؟ اشترك في النشرة الإخبارية لدينا حول الأفق. مرة واحدة في الأسبوع نرسل رسائل تعليمية ونقدم خصومات على كتب MIF.

أعلن المشاركون في تجربة LIGO العلمية ، التي يشارك فيها أيضًا فيزيائيون روس ، عن تسجيل المراصد الأمريكية لموجات الجاذبية الناتجة عن اصطدام ثقبين أسودين.

تم تسجيل موجات الجاذبية في 14 سبتمبر 2015 ، والتي تم الإعلان عنها في 11 فبراير 2016 في مؤتمر صحفي خاص لممثلي ليجو في واشنطن. استغرق العلماء ستة أشهر لمعالجة النتائج والتحقق منها. يمكن اعتبار هذا الاكتشاف الرسمي لموجات الجاذبية ، حيث تم تسجيلها لأول مرة مباشرة على الأرض. نُشرت نتائج العمل في مجلة Physical Review Letters.

علماء الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية في مؤتمر صحفي. تصوير مكسيم ابايف.

مخطط مقاييس التداخل وموقعها على خريطة تخطيطية للولايات المتحدة. تسمى كتل مرآة الاختبار في الشكل Test Mass.

كتل تجريبية ، هي أيضًا مرايا تداخل ، مصنوعة من الكوارتز المنصهر. الصورة: www.ligo.caltech.edu

محاكاة عددية لموجات الجاذبية من اقتراب الثقوب السوداء. الشكل: خطابات المراجعة المادية http://physics.aps.org/articles/v9/17

مرصد ليجو بالقرب من ليفينجستون ، لويزيانا. الصورة: www.ligo.caltech.edu

وهكذا ، تم حل إحدى أهم المشكلات التي واجهت علماء الفيزياء على مدار المائة عام الماضية. تم التنبؤ بوجود موجات الجاذبية من خلال النظرية العامة للنسبية (GR) التي طورها ألبرت أينشتاين في 1915-1916 - النظرية الفيزيائية الأساسية التي تصف بنية وتطور عالمنا. النسبية العامة ، في الواقع ، هي نظرية الجاذبية التي تؤسس ارتباطها بخصائص الزمكان. تحدث الأجسام الضخمة تغيرات فيها ، والتي تسمى عادةً انحناء الزمكان. إذا كانت هذه الأجسام تتحرك بعجلة متغيرة ، فإن هناك تغيرات منتشرة في الزمكان ، والتي تسمى موجات الجاذبية.

مشكلة تسجيلها هي أن موجات الجاذبية ضعيفة للغاية ، ويكاد يكون من المستحيل اكتشافها من أي مصدر أرضي. لسنوات عديدة ، لم يكن من الممكن اكتشافها من معظم الأجسام الفضائية. بقيت الآمال فقط على موجات الجاذبية من الكوارث الكونية الكبيرة مثل انفجارات المستعرات الأعظمية أو اصطدام النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء. كانت هذه الآمال مبررة. في هذا البحث ، تم الكشف عن موجات الجاذبية بدقة من اندماج ثقبين أسودين.

لاكتشاف موجات الجاذبية في عام 1992 ، تم اقتراح مشروع ضخم يسمى LIGO (مرصد مقياس التداخل بالليزر لموجات الجاذبية - مرصد موجات الجاذبية بالليزر للتداخل). تم تطوير التكنولوجيا الخاصة بها منذ ما يقرب من عشرين عامًا. وقد تم تنفيذه من قبل اثنين من أكبر المراكز العلمية في الولايات المتحدة - معاهد التكنولوجيا في كاليفورنيا وماساتشوستس. يضم الفريق العلمي المشترك ، وهو تعاون LIGO ، حوالي 1000 عالم من 16 دولة. تمثل روسيا جامعة موسكو الحكومية ومعهد الفيزياء التطبيقية التابع لأكاديمية العلوم الروسية (نيجني نوفغورود)

يتضمن LIGO مراصد في ولايتي واشنطن ولويزيانا ، تقع على مسافة 3000 كيلومتر ، وهي مقياس تداخل ميكلسون على شكل حرف L وذراعان يبلغ طولهما 4 كيلومترات. شعاع الليزر ، الذي يمر عبر نظام المرايا ، ينقسم إلى حزمتين ، ينتشر كل منهما في كتفه. يرتدون من المرايا ويعودون. ثم تتم إضافة هاتين الموجتين الضوئيتين اللتين مرتا عبر مسارات مختلفة في الكاشف. في البداية ، يتم إعداد النظام بحيث تلغي الموجات بعضها البعض ولا يصطدم أي شيء بالكاشف. تغير موجات الجاذبية المسافات بين كتل الاختبار ، والتي تعمل في نفس الوقت كمرايا لمقياس التداخل ، مما يؤدي إلى حقيقة أن مجموع الموجات لم يعد مساويًا للصفر وأن شدة الإشارة على جهاز الكشف الضوئي ستكون متناسبة مع هذه التغييرات. تُستخدم هذه الإشارة لتسجيل موجة الجاذبية.

تمت المرحلة الأولى من القياسات في 2002-2010 ولم تسمح باكتشاف موجات الجاذبية. لم تكن حساسية الأجهزة كافية (تم تتبع التحولات حتى 4x10-18 م). ثم تقرر في عام 2010 إيقاف العمل وترقية المعدات ، وزيادة الحساسية بأكثر من 10 مرات. كانت المعدات المحسّنة ، التي بدأت العمل في النصف الثاني من عام 2015 ، قادرة على ملاحظة حدوث تحول بمقدار قياسي من 10 إلى 19 مترًا. وفي اختبار التشغيل بالفعل ، كان العلماء ينتظرون اكتشافًا ، فقد سجلوا ارتفاعًا في الجاذبية من حدث ما تم تحديد ذلك ، بعد دراسة طويلة ، على أنه اندماج بين ثقبين أسودين بكتل عند 29 و 36 كتلة شمسية.

بالتزامن مع واشنطن ، عقد مؤتمر صحفي في موسكو. على ذلك ، تحدث المشاركون في التجربة ، الذين يمثلون كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية ، عن مساهمتهم في تنفيذها. شاركت مجموعة VB Braginsky في العمل منذ بداية المشروع. كفل علماء الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية تجميع هيكل معقد ، يتم تمثيله بمرايا مقياس التداخل التي تعمل في نفس الوقت ككتل اختبار.

بالإضافة إلى ذلك ، تضمنت مهامهم مكافحة التقلبات الخارجية (الضوضاء) ، والتي يمكن أن تتداخل مع اكتشاف موجات الجاذبية. كان المتخصصون في جامعة موسكو الحكومية هم الذين أثبتوا أن الجهاز يجب أن يكون مصنوعًا من الكوارتز المصهور ، والذي سيصدر ضوضاء أقل في درجات حرارة التشغيل من الياقوت الذي قدمه باحثون آخرون. على وجه الخصوص ، من أجل تقليل الضوضاء الحرارية ، كان من الضروري التأكد من أن اهتزازات كتل الاختبار المعلقة مثل البندولات لم تتحلل لفترة طويلة جدًا. لقد حقق علماء الفيزياء في جامعة ولاية ميشيغان وقت اضمحلال يبلغ 5 سنوات!

سيؤدي نجاح القياسات التي تم إجراؤها إلى ظهور علم فلك جديد لموجة الجاذبية وسيتيح معرفة الكثير عن الكون. ربما يكون الفيزيائيون قادرين على كشف بعض ألغاز المادة المظلمة والمراحل الأولى من تطور الكون ، وكذلك النظر في المناطق التي تنتهك فيها النسبية العامة.

بناءً على المؤتمر الصحفي الخاص بتعاون LIGO.