لقد كان أينشتاين على حق: موجات الجاذبية موجودة. موجات الجاذبية - مكتشفة

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

ولا أحد يشك في أن هذا الاكتشاف سيحصل على جائزة نوبل. العلماء ليسوا في عجلة من أمرهم للحديث عن تطبيقه العملي. لكنهم يذكروننا أنه حتى وقت قريب جدًا، لم تكن البشرية أيضًا تعرف ماذا تفعل بالموجات الكهرومغناطيسية، مما أدى في النهاية إلى ثورة علمية وتكنولوجية حقيقية.

ما هي موجات الجاذبية بعبارات بسيطة

الجاذبية والجاذبية العالمية هما نفس الشيء. موجات الجاذبية هي أحد الحلول لـ GPV. يجب أن تنتشر بسرعة الضوء. ينبعث من أي جسم يتحرك بتسارع متغير.

على سبيل المثال، يدور في مداره بتسارع متغير موجه نحو النجم. وهذا التسارع يتغير باستمرار. يصدر النظام الشمسي طاقة تصل إلى عدة كيلووات في موجات الجاذبية. وهذا مبلغ ضئيل مقارنة بـ 3 أجهزة تلفزيون ملونة قديمة.

شيء آخر هو وجود نجمين نابضين (نجمين نيوترونيين) يدوران حول بعضهما البعض. أنها تدور في مدارات قريبة جدا. اكتشف علماء الفيزياء الفلكية مثل هذا "الزوجين" وتمت ملاحظته لفترة طويلة. وكانت الأجسام جاهزة للسقوط على بعضها البعض، مما يشير بشكل غير مباشر إلى أن النجوم النابضة تبعث موجات الزمكان، أي الطاقة في مجالها.

الجاذبية هي قوة الجاذبية. نحن منجذبون إلى الأرض. وجوهر موجة الجاذبية هو التغير في هذا المجال، الذي يكون ضعيفًا للغاية عندما يصل إلينا. على سبيل المثال، خذ مستوى الماء في الخزان. قوة مجال الجاذبية هي تسارع السقوط الحر عند نقطة معينة. تمر موجة عبر البركة، وفجأة يتغير تسارع السقوط الحر قليلاً.

بدأت مثل هذه التجارب في الستينيات من القرن الماضي. في ذلك الوقت توصلوا إلى هذا: لقد علقوا أسطوانة ألمنيوم ضخمة مبردة لتجنب التقلبات الحرارية الداخلية. وانتظروا موجة من اصطدام ثقبين أسودين ضخمين، على سبيل المثال، لتصل إلينا فجأة. كان الباحثون مليئين بالحماس وقالوا إن الكرة الأرضية بأكملها يمكن أن تتأثر بموجة جاذبية قادمة من الفضاء الخارجي. سيبدأ الكوكب بالاهتزاز، ويمكن دراسة هذه الموجات الزلزالية (موجات الضغط والقص والموجات السطحية).

مقال مهم عن الجهاز بعبارات بسيطة، وكيف سرق الأمريكان و LIGO فكرة العلماء السوفييت وقاموا ببناء أجهزة قياس التداخل التي جعلت الاكتشاف ممكنا. لا أحد يتحدث عن ذلك، الجميع صامت!

بالمناسبة، يعد إشعاع الجاذبية أكثر إثارة للاهتمام من موقع إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف، الذي يحاولون العثور عليه عن طريق تغيير طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي. ظهر الإشعاع CMB والإشعاع الكهرومغناطيسي بعد 700 ألف سنة من الانفجار الكبير، ثم أثناء توسع الكون، مملوءًا بالغاز الساخن مع موجات صدمية متنقلة، والتي تحولت فيما بعد إلى مجرات. في هذه الحالة، بطبيعة الحال، كان من المفترض أن ينبعث عدد هائل ومذهل من موجات الزمكان، مما يؤثر على الطول الموجي لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي، والذي كان لا يزال بصريًا في ذلك الوقت. يكتب عالم الفيزياء الفلكية الروسي سازين مقالات حول هذا الموضوع وينشرها بانتظام.

التفسير الخاطئ لاكتشاف موجات الجاذبية

"المرآة معلقة، وتؤثر عليها موجة الجاذبية، وتبدأ في التأرجح. وحتى التقلبات الأكثر أهمية بسعة أقل من حجم النواة الذرية يتم ملاحظتها بواسطة الأجهزة" - مثل هذا التفسير غير الصحيح، على سبيل المثال، يستخدم في مقالة ويكيبيديا. لا تكن كسولًا، ابحث عن مقال لعلماء سوفيات من عام 1962.

أولاً، يجب أن تكون المرآة ضخمة حتى تشعر بـ”التموجات”. 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 لموجات الجاذبية:

موجات الجاذبية - تقديم الفنان

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

في النسبية العامة وفي معظم النظريات الحديثة الأخرى للجاذبية، تتولد موجات الجاذبية من حركة الأجسام الضخمة ذات التسارع المتغير. تنتشر موجات الجاذبية بحرية في الفضاء بسرعة الضوء. ونظراً للضعف النسبي لقوى الجاذبية (مقارنة بغيرها)، فإن لهذه الموجات حجماً صغيراً جداً، مما يصعب تسجيله.

موجة الجاذبية المستقطبة

تم التنبؤ بموجات الجاذبية من خلال النظرية النسبية العامة (GR)، وغيرها الكثير. تم اكتشافها لأول مرة بشكل مباشر في سبتمبر 2015 بواسطة كاشفين توأمين، حيث اكتشفا موجات الجاذبية التي من المحتمل أن تكون ناتجة عن اندماج اثنين لتكوين ثقب أسود دوار واحد أكثر ضخامة. الأدلة غير المباشرة على وجودها معروفة منذ السبعينيات - تتنبأ النسبية العامة بمعدل تقارب الأنظمة القريبة بسبب فقدان الطاقة بسبب انبعاث موجات الجاذبية، والذي يتزامن مع عمليات الرصد. يعد التسجيل المباشر لموجات الجاذبية واستخدامها لتحديد معالم العمليات الفيزيائية الفلكية مهمة مهمة في الفيزياء وعلم الفلك الحديث.

في إطار النسبية العامة، يتم وصف موجات الجاذبية من خلال حلول معادلات أينشتاين من النوع الموجي، والتي تمثل اضطرابًا في مقياس الزمكان المتحرك بسرعة الضوء (في التقريب الخطي). يجب أن يكون مظهر هذا الاضطراب، على وجه الخصوص، تغييرًا دوريًا في المسافة بين كتلتين اختباريتين تسقطان بحرية (أي لا تتأثر بأي قوى). السعة حموجة الجاذبية هي كمية لا أبعاد لها - تغير نسبي في المسافة. إن السعات القصوى المتوقعة لموجات الجاذبية الصادرة عن الأجسام الفيزيائية الفلكية (على سبيل المثال، الأنظمة الثنائية المدمجة) والظواهر (الانفجارات، والاندماجات، والالتقاط بواسطة الثقوب السوداء، وما إلى ذلك) تكون صغيرة جدًا عند قياسها ( ح=10 −18 -10 −23). موجة الجاذبية (الخطية) الضعيفة، وفقًا للنظرية النسبية العامة، تنقل الطاقة والزخم، وتتحرك بسرعة الضوء، وهي مستعرضة، رباعية القطب، ويوصفها مكونان مستقلان يقعان بزاوية 45 درجة لبعضهما البعض ( له اتجاهين للاستقطاب).

تتنبأ النظريات المختلفة بسرعة انتشار موجات الجاذبية بشكل مختلف. وفي النسبية العامة، تساوي سرعة الضوء (بالتقريب الخطي). وفي نظريات أخرى للجاذبية، يمكن أن تأخذ أي قيمة، بما في ذلك اللانهاية. وفقًا للتسجيل الأول لموجات الجاذبية، تبين أن تشتتها متوافق مع جرافيتون عديم الكتلة، وقدرت سرعتها بأنها تساوي سرعة الضوء.

توليد موجات الجاذبية

يخلق نظام من نجمين نيوترونيين تموجات في الزمكان

تنبعث موجة الجاذبية من أي مادة تتحرك بتسارع غير متماثل. لكي تحدث موجة ذات سعة كبيرة، يلزم وجود كتلة كبيرة جدًا من الباعث و/أو تسارعات هائلة؛ ويكون سعة موجة الجاذبية متناسبة طرديًا المشتقة الأولى للتسارعوكتلة المولد ~ . ومع ذلك، إذا كان الجسم يتحرك بمعدل متسارع، فهذا يعني أن بعض القوة تؤثر عليه من جسم آخر. وهذا الجسم الآخر له بدوره تأثير معاكس (وفقًا لقانون نيوتن الثالث)، فيتبين أن م 1 أ 1 = − م 2 أ 2 . اتضح أن جسمين ينبعثان من موجات الجاذبية فقط في أزواج، ونتيجة للتداخل، يتم إلغاؤهما بشكل كامل تقريبًا. لذلك، فإن إشعاع الجاذبية في النظرية النسبية العامة دائمًا ما يكون له طابع متعدد الأقطاب على الأقل كإشعاع رباعي الأقطاب. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة للبواعث غير النسبية في التعبير عن شدة الإشعاع، هناك معلمة صغيرة حيث يكون نصف قطر جاذبية الباعث، ص- حجمها المميز، ت- الفترة المميزة للحركة، ج- سرعة الضوء في الفراغ .

أقوى مصادر موجات الجاذبية هي:

• التصادم (كتل عملاقة، تسارعات صغيرة جدًا)،
• انهيار الجاذبية لنظام ثنائي من الأجسام المدمجة (تسارع هائل بكتلة كبيرة إلى حد ما). كحالة خاصة ومثيرة للاهتمام - اندماج النجوم النيوترونية. في مثل هذا النظام، يكون لمعان موجة الجاذبية قريبًا من أقصى لمعان بلانك الممكن في الطبيعة.

موجات الجاذبية المنبعثة من نظام ثنائي الجسم

جسمان يتحركان في مدارات دائرية حول مركز كتلة مشترك

جسمان مرتبطان بالجاذبية ولهما كتلتان م 1 و م 2، تتحرك بشكل غير نسبي ( الخامس << ج) في مدارات دائرية حول مركز كتلتها المشترك على مسافة صتنبعث من بعضها البعض موجات جاذبية من الطاقة التالية، في المتوسط ​​خلال الفترة:

ونتيجة لذلك يفقد النظام الطاقة مما يؤدي إلى تقارب الأجسام أي إلى تناقص المسافة بينهما. سرعة اقتراب الأجسام:

بالنسبة للنظام الشمسي، على سبيل المثال، يتم إنتاج أعظم إشعاع الجاذبية بواسطة النظام الفرعي. وتبلغ قوة هذا الإشعاع حوالي 5 كيلووات. وبالتالي، فإن الطاقة التي يفقدها النظام الشمسي بسبب إشعاع الجاذبية سنويًا لا تكاد تذكر مقارنة بالطاقة الحركية المميزة للأجسام.

انهيار الجاذبية للنظام الثنائي

أي نجم مزدوج، عندما تدور مكوناته حول مركز مشترك للكتلة، يفقد الطاقة (كما هو مفترض - بسبب انبعاث موجات الجاذبية)، وفي النهاية، يدمج معًا. لكن بالنسبة للنجوم المزدوجة العادية غير المدمجة، تستغرق هذه العملية وقتا طويلا جدا، أطول بكثير من العصر الحالي. إذا كان النظام الثنائي المدمج يتكون من زوج من النجوم النيوترونية، أو الثقوب السوداء، أو مزيج من الاثنين معًا، فيمكن أن يحدث الاندماج في غضون عدة ملايين من السنين. أولاً، تقترب الأجسام من بعضها البعض، وتقل فترة دورانها. ثم، في المرحلة النهائية، يحدث الاصطدام وانهيار الجاذبية غير المتماثل. تستمر هذه العملية لجزء من الثانية، وخلال هذا الوقت يتم فقدان الطاقة في إشعاع الجاذبية، والذي يصل، وفقًا لبعض التقديرات، إلى أكثر من 50٪ من كتلة النظام.

الحلول الدقيقة الأساسية لمعادلات أينشتاين لموجات الجاذبية

موجات الجسم بوندي-بيراني-روبنسون

يتم وصف هذه الموجات بواسطة متري من النموذج . إذا أدخلنا متغيرًا ودالة، فمن معادلات النسبية العامة نحصل على المعادلة

تاكينو متري

له الشكل، -الوظائف تحقق نفس المعادلة.

متري روزن

أين يرضي

متري بيريز

حيث

موجات أينشتاين روزن الأسطوانية

في الإحداثيات الأسطوانية، تكون هذه الموجات بالشكل ويتم تنفيذها

تسجيل موجات الجاذبية

يعد تسجيل موجات الجاذبية أمرًا صعبًا للغاية بسبب ضعف الأخيرة (تشوه بسيط في المقياس). أجهزة تسجيلها هي كاشفات موجات الجاذبية. جرت محاولات لاكتشاف موجات الجاذبية منذ أواخر الستينيات. تولد موجات الجاذبية ذات السعة القابلة للاكتشاف أثناء انهيار النظام الثنائي. تحدث أحداث مماثلة في المنطقة المحيطة مرة واحدة تقريبًا كل عقد.

من ناحية أخرى، تتنبأ النظرية النسبية العامة بتسارع الدوران المتبادل للنجوم الثنائية بسبب فقدان الطاقة بسبب انبعاث موجات الجاذبية، ويتم تسجيل هذا التأثير بشكل موثوق في عدة أنظمة معروفة للأجسام الثنائية المدمجة (في على وجه الخصوص، النجوم النابضة ذات الرفاق المدمجة). في عام 1993، "لاكتشاف نوع جديد من النجوم النابضة، والذي قدم فرصًا جديدة في دراسة الجاذبية" لمكتشفي أول نجم نابض مزدوج PSR B1913+16، راسل هولس وجوزيف تايلور جونيور. حصل على جائزة نوبل في الفيزياء. ويتطابق تسارع الدوران الملحوظ في هذا النظام تمامًا مع تنبؤات النسبية العامة لانبعاث موجات الجاذبية. تم تسجيل نفس الظاهرة في عدة حالات أخرى: بالنسبة للنجوم النابضة PSR J0737-3039، PSR J0437-4715، SDSS J065133.338+284423.37 (عادة ما يتم اختصارها J0651) ونظام RX J0806 الثنائي. على سبيل المثال، تنخفض المسافة بين المكونين A وB للنجم الثنائي الأول للنجمين النابضين PSR J0737-3039 بحوالي 2.5 بوصة (6.35 سم) يوميًا بسبب فقدان الطاقة بسبب موجات الجاذبية، ويحدث هذا بالاتفاق مع النسبية العامة . يتم تفسير كل هذه البيانات على أنها تأكيد غير مباشر لوجود موجات الجاذبية.

وفقًا للتقديرات، فإن أقوى مصادر موجات الجاذبية وأكثرها شيوعًا بالنسبة لتلسكوبات وهوائيات الجاذبية هي الكوارث المرتبطة بانهيار الأنظمة الثنائية في المجرات القريبة. ومن المتوقع أنه في المستقبل القريب سيتم تسجيل العديد من الأحداث المماثلة سنويًا على أجهزة كشف الجاذبية المحسنة، مما يؤدي إلى تشويه المقياس في المنطقة المجاورة بنسبة 10 −21 -10 −23 . ربما تم الحصول على الملاحظات الأولى لإشارة رنين بارامترية بصرية، والتي تجعل من الممكن اكتشاف تأثير موجات الجاذبية من مصادر دورية مثل ثنائي قريب على إشعاعات الميزر الكونية، في المرصد الفلكي الراديوي الروسي. أكاديمية العلوم بوششينو.

هناك احتمال آخر لاكتشاف خلفية موجات الجاذبية التي تملأ الكون، وهو التوقيت عالي الدقة للنجوم النابضة البعيدة، وهو تحليل وقت وصول نبضاتها، والذي يتغير بشكل مميز تحت تأثير موجات الجاذبية التي تمر عبر الفضاء بين الأرض والنجم النابض. تشير تقديرات عام 2013 إلى أن دقة التوقيت تحتاج إلى تحسين بحوالي مرتبة واحدة من حيث الحجم لاكتشاف موجات الخلفية من مصادر متعددة في كوننا، وهي مهمة يمكن إنجازها قبل نهاية العقد.

وفقًا للمفاهيم الحديثة، فإن كوننا مليء ببقايا موجات الجاذبية التي ظهرت في اللحظات الأولى بعد ذلك. سيسمح تسجيلهم بالحصول على 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 العاملين في مشروع BICEP 2 اكتشاف اضطرابات التوتر غير الصفرية في الكون المبكر عن طريق استقطاب الكون. إشعاع الخلفية الميكروي، وهو أيضًا اكتشاف موجات الجاذبية المتبقية. ومع ذلك، فقد تم التنازع على هذه النتيجة على الفور تقريبًا، حيث اتضح فيما بعد أن المساهمة لم تؤخذ في الاعتبار بشكل صحيح. أحد المؤلفين، ج. م. كوفاتس ( كوفاتش ج.م.)، اعترف بأن "المشاركين والصحفيين العلميين كانوا متسرعين بعض الشيء في تفسير البيانات من تجربة BICEP2 والإبلاغ عنها."

التأكيد التجريبي للوجود

أول إشارة موجة الجاذبية المسجلة. على اليسار توجد بيانات من الكاشف في هانفورد (H1)، وعلى اليمين - في ليفينغستون (L1). يتم حساب الوقت اعتبارًا من 14 سبتمبر 2015، الساعة 09:50:45 بالتوقيت العالمي المنسق. لتصور الإشارة، يتم ترشيحها باستخدام مرشح تردد بنطاق تمرير 35-350 هرتز لقمع التقلبات الكبيرة خارج نطاق الحساسية العالية للكاشفات؛ كما تم استخدام مرشحات إيقاف النطاق لقمع ضوضاء المنشآت نفسها. الصف العلوي: الفولتية ح في أجهزة الكشف. وصل GW150914 لأول مرة إلى L1 و6 9 +0 5 −0 4 مللي ثانية بعد ذلك إلى H1؛ للمقارنة البصرية، يتم عرض البيانات من H1 في الرسم البياني L1 في شكل معكوس ومتغير زمنيًا (لحساب الاتجاه النسبي لأجهزة الكشف). الصف الثاني: الفولتية h من إشارة موجة الجاذبية، تمر عبر نفس مرشح تمرير النطاق 35-350 هرتز. الخط الصلب هو نتيجة النسبية الرقمية لنظام ذي معلمات متوافقة مع تلك الموجودة بناءً على دراسة إشارة GW150914، التي تم الحصول عليها بواسطة رمزين مستقلين مع تطابق ناتج 99.9. الخطوط السميكة الرمادية هي مناطق الثقة بنسبة 90% من الشكل الموجي المعاد بناؤه من بيانات الكاشف بطريقتين مختلفتين. يمثل الخط الرمادي الداكن الإشارات المتوقعة من اندماج الثقوب السوداء، أما الخط الرمادي الفاتح فلا يستخدم النماذج الفيزيائية الفلكية، ولكنه يمثل الإشارة كمجموعة خطية من المويجات الجيبية الغوسية. تتداخل عمليات إعادة البناء بنسبة 94٪. الصف الثالث: الأخطاء المتبقية بعد استخراج التنبؤ المرشح لإشارة النسبية الرقمية من الإشارة المرشحة للكاشفات. الصف السفلي: تمثيل لخريطة تردد الجهد، موضحًا الزيادة في التردد السائد للإشارة مع مرور الوقت.

11 فبراير 2016 بالتعاون بين LIGO وVIRGO. تم تسجيل إشارة الاندماج لثقبين أسودين بسعة قصوى تبلغ حوالي 10 −21 في 14 سبتمبر 2015 الساعة 9:51 بالتوقيت العالمي بواسطة كاشفين LIGO في هانفورد وليفينغستون، بفارق 7 مللي ثانية، في المنطقة ذات سعة الإشارة القصوى ( 0.2 ثانية) مجتمعة وكانت نسبة الإشارة إلى الضوضاء 24:1. تم تعيين الإشارة GW150914. ويتطابق شكل الإشارة مع تنبؤات النسبية العامة لاندماج ثقبين أسودين كتلتهما 36 و29 كتلة شمسية؛ يجب أن يكون للثقب الأسود الناتج كتلة 62 شمسية ومعلمة دوران أ= 0.67. وتبلغ المسافة إلى المصدر حوالي 1.3 مليار، والطاقة المنبعثة في أعشار الثانية في عملية الاندماج تعادل حوالي 3 كتل شمسية.

قصة

تاريخ مصطلح “موجات الجاذبية” نفسه، والبحث النظري والتجريبي عن هذه الموجات، وكذلك استخدامها لدراسة الظواهر التي لا يمكن الوصول إليها بالطرق الأخرى.

• 1900 - اقترح لورنتز أن الجاذبية "... يمكن أن تنتشر بسرعة لا تزيد عن سرعة الضوء"؛
• 1905 - بوانكاريهقدم لأول مرة مصطلح موجة الجاذبية (onde gravique). أزال بوانكاريه، على المستوى النوعي، اعتراضات لابلاس الراسخة وأظهر أن التصحيحات المرتبطة بموجات الجاذبية لقوانين الجاذبية النيوتونية المقبولة عمومًا قد تم إلغاؤها، وبالتالي فإن افتراض وجود موجات الجاذبية لا يتعارض مع الملاحظات؛
• 1916 - أظهر أينشتاين أنه في إطار النسبية العامة، يقوم النظام الميكانيكي بنقل الطاقة إلى موجات الجاذبية، وبشكل عام، يجب أن يتوقف أي دوران يتعلق بالنجوم الثابتة عاجلاً أم آجلاً، على الرغم من فقدان الطاقة، بالطبع، في الظروف العادية. من حيث الحجم لا تذكر ولا يمكن قياسها عمليًا (في هذا العمل، اعتقد أيضًا خطأً أن النظام الميكانيكي الذي يحافظ باستمرار على التماثل الكروي يمكن أن ينبعث من موجات الجاذبية)؛
• 1918 - أينشتايناشتق صيغة رباعية حيث تبين أن انبعاث موجات الجاذبية هو تأثير النظام، وبالتالي تصحيح الخطأ في عمله السابق (بقي خطأ في المعامل، والطاقة الموجية أقل مرتين)؛
• 1923 - إدينجتون - شكك في الحقيقة الفيزيائية لموجات الجاذبية "...تنتشر...بسرعة الفكر". في عام 1934، عند إعداد الترجمة الروسية لدراسته "النظرية النسبية"، أضاف إدينجتون عدة فصول، بما في ذلك فصول تحتوي على خيارين لحساب فقدان الطاقة بواسطة قضيب دوار، لكنه أشار إلى أن الطرق المستخدمة في الحسابات التقريبية للنسبية العامة، في رأيه، لا تنطبق على الأنظمة المقيدة بالجاذبية، لذلك تظل الشكوك قائمة؛
• 1937 - قام أينشتاين بالتعاون مع روزن بدراسة حلول الموجات الأسطوانية للمعادلات الدقيقة لمجال الجاذبية. خلال هذه الدراسات، بدأوا يشككون في أن موجات الجاذبية قد تكون نتيجة لحلول تقريبية لمعادلات النسبية العامة (المراسلات المتعلقة بمراجعة مقال "هل توجد موجات الجاذبية؟" بقلم أينشتاين وروزن معروفة). وفي وقت لاحق، وجد خطأً في منطقه، حيث نُشرت النسخة النهائية للمقالة مع التغييرات الأساسية في مجلة معهد فرانكلين؛
• 1957 - اقترح هيرمان بوندي وريتشارد فاينمان تجربة "العصا المزخرفة" الفكرية التي أثبتا فيها وجود عواقب فيزيائية لموجات الجاذبية في النسبية العامة؛
• 1962 - وصف فلاديسلاف بوستوفويت وميخائيل هيرزينستين مبادئ استخدام مقاييس التداخل للكشف عن موجات الجاذبية طويلة الموجة؛
• 1964 - وصف فيليب بيترز وجون ماثيو نظريًا موجات الجاذبية المنبعثة من الأنظمة الثنائية؛
• 1969 - أعلن جوزيف ويبر، مؤسس علم فلك موجات الجاذبية، عن اكتشاف موجات الجاذبية باستخدام كاشف رنين - هوائي جاذبية ميكانيكي. وتؤدي هذه التقارير إلى نمو سريع للعمل في هذا الاتجاه، ولا سيما أن رينييه فايس، أحد مؤسسي مشروع LIGO، بدأ التجارب في ذلك الوقت. حتى الآن (2015)، لم يتمكن أحد من الحصول على تأكيد موثوق لهذه الأحداث؛
• 1978 - جوزيف تايلورأبلغ عن اكتشاف إشعاع الجاذبية في نظام النجم النابض الثنائي PSR B1913+16. حصل بحث جوزيف تايلور ورسل هولس على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1993. اعتبارًا من أوائل عام 2015، تم قياس ثلاثة معلمات ما بعد كبلر، بما في ذلك انخفاض الفترة بسبب انبعاث موجات الجاذبية، لما لا يقل عن 8 من هذه الأنظمة؛
• 2002 - استخدم سيرجي كوبيكين وإدوارد فومالونت قياس تداخل الموجات الراديوية طويل جدًا لقياس انحراف الضوء في مجال جاذبية المشتري في الديناميكيات، والذي يتيح لفئة معينة من الامتدادات الافتراضية للنسبية العامة تقدير سرعة الجاذبية - يجب ألا يتجاوز الاختلاف عن سرعة الضوء 20% (هذا التفسير غير مقبول بشكل عام)؛
• 2006 - أبلغ فريق مارثا بورغي الدولي (مرصد باركس، أستراليا) عن تأكيد أكثر دقة للنسبية العامة وتوافقها مع حجم إشعاع موجة الجاذبية في نظام النجمين النابضين PSR J0737-3039A/B؛
• 2014 - أبلغ علماء الفلك في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية (BICEP) عن اكتشاف موجات الجاذبية البدائية أثناء قياس التقلبات في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. في الوقت الحالي (2016)، لا تعتبر التقلبات المكتشفة ذات أصل أثري، ولكن يتم تفسيرها من خلال انبعاث الغبار في المجرة؛
• 2016 - فريق LIGO الدوليتم الإبلاغ عن اكتشاف حدث عبور موجة الجاذبية GW150914. لأول مرة، المراقبة المباشرة للأجسام الضخمة المتفاعلة 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 العديد من مصطلحات ما بعد النيوتونية ذات الرتب العالية. لا يتعارض التشتت المُقاس لموجات الجاذبية مع القياسات التي تم إجراؤها مسبقًا للتشتت والحد الأعلى لكتلة الغرافيتون الافتراضي (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.



بعد مرور مائة عام على التنبؤ النظري الذي قدمه ألبرت أينشتاين في إطار النظرية النسبية العامة، تمكن العلماء من تأكيد وجود موجات الجاذبية. يبدأ عصر طريقة جديدة تمامًا لدراسة الفضاء السحيق - علم فلك موجات الجاذبية.

هناك اكتشافات مختلفة. هناك أشياء عشوائية، وهي شائعة في علم الفلك. لا توجد اكتشافات عرضية تمامًا، تم إجراؤها نتيجة "تمشيط المنطقة" بشكل شامل، مثل اكتشاف أورانوس بواسطة ويليام هيرشل. هناك صدفة - عندما كانوا يبحثون عن شيء واحد ووجدوا آخر: على سبيل المثال، اكتشفوا أمريكا. لكن الاكتشافات المخطط لها تحتل مكانة خاصة في العلوم. وهي تستند إلى تنبؤ نظري واضح. ما هو متوقع يتم البحث عنه في المقام الأول من أجل تأكيد النظرية. وتشمل هذه الاكتشافات اكتشاف بوزون هيغز في مصادم الهادرونات الكبير والكشف عن موجات الجاذبية باستخدام مقياس التداخل الليزري لمرصد موجات الجاذبية LIGO. ولكن من أجل تسجيل بعض الظواهر التي تنبأت بها النظرية، يجب أن يكون لديك فهم جيد لما يجب أن تبحث عنه بالضبط وأين تبحث عنه، بالإضافة إلى الأدوات اللازمة لذلك.

يُطلق على موجات الجاذبية تقليديًا اسم التنبؤ بالنظرية النسبية العامة (GTR) ، وهذا صحيح بالفعل (على الرغم من وجود مثل هذه الموجات الآن في جميع النماذج البديلة لـ GTR أو المكملة لها). يحدث ظهور الموجات بسبب محدودية سرعة انتشار تفاعل الجاذبية (في النسبية العامة، هذه السرعة تساوي تمامًا سرعة الضوء). مثل هذه الموجات هي اضطرابات في الزمكان تنتشر من مصدر ما. لكي تحدث موجات الجاذبية، يجب أن ينبض المصدر أو يتحرك بمعدل متسارع، ولكن بطريقة معينة. لنفترض أن الحركات ذات التماثل الكروي أو الأسطواني المثالي ليست مناسبة. هناك الكثير من هذه المصادر، ولكن في كثير من الأحيان لديهم كتلة صغيرة، غير كافية لتوليد إشارة قوية. ففي نهاية المطاف، الجاذبية هي الأضعف بين التفاعلات الأساسية الأربعة، لذلك من الصعب جدًا تسجيل إشارة الجاذبية. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري للتسجيل أن تتغير الإشارة بسرعة بمرور الوقت، أي أن يكون لها تردد عالٍ بما فيه الكفاية. وإلا فلن نتمكن من تسجيله، لأن التغييرات ستكون بطيئة للغاية. وهذا يعني أن الكائنات يجب أيضًا أن تكون مضغوطة.

في البداية، تولد حماس كبير بسبب انفجارات المستعرات الأعظم التي تحدث في مجرات مثل مجرتنا كل بضعة عقود. وهذا يعني أنه إذا تمكنا من تحقيق حساسية تسمح لنا برؤية إشارة من مسافة عدة ملايين من السنين الضوئية، فيمكننا الاعتماد على عدة إشارات في السنة. لكن اتضح لاحقًا أن التقديرات الأولية لقوة إطلاق الطاقة على شكل موجات جاذبية أثناء انفجار سوبر نوفا كانت متفائلة للغاية، ولا يمكن اكتشاف مثل هذه الإشارة الضعيفة إلا في حالة اندلاع سوبر نوفا في مجرتنا.

هناك خيار آخر للأجسام المدمجة الضخمة التي تتحرك بسرعة وهي النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء. يمكننا أن نرى إما عملية تكوينها، أو عملية التفاعل مع بعضها البعض. المراحل الأخيرة من انهيار النوى النجمية، مما يؤدي إلى تكوين الأجسام المدمجة، وكذلك المراحل الأخيرة من اندماج النجوم النيوترونية والثقوب السوداء، لها مدة تصل إلى عدة ميلي ثانية (وهو ما يتوافق مع تردد مئات هيرتز) - فقط ما هو مطلوب. في هذه الحالة، يتم إطلاق الكثير من الطاقة، بما في ذلك (وأحيانًا بشكل أساسي) في شكل موجات جاذبية، نظرًا لأن الأجسام المدمجة الضخمة تقوم بحركات سريعة معينة. هذه هي مصادرنا المثالية.

صحيح أن المستعرات الأعظم تندلع في المجرة مرة واحدة كل بضعة عقود، وتحدث اندماجات النجوم النيوترونية مرة واحدة كل بضعة عشرات الآلاف من السنين، وتندمج الثقوب السوداء مع بعضها البعض بشكل أقل. لكن الإشارة أقوى بكثير، ويمكن حساب خصائصها بدقة تامة. لكننا الآن بحاجة إلى أن نكون قادرين على رؤية الإشارة من مسافة عدة مئات من ملايين السنين الضوئية لتغطية عدة عشرات الآلاف من المجرات واكتشاف عدة إشارات في العام.

وبعد تحديد المصادر، سنبدأ في تصميم الكاشف. للقيام بذلك، عليك أن تفهم ما تفعله موجة الجاذبية. وبدون الخوض في التفاصيل، يمكننا القول أن مرور موجة الجاذبية يسبب قوة المد والجزر (المد والجزر القمري أو الشمسي العادي ظاهرة منفصلة، ​​وموجات الجاذبية لا علاقة لها بها). لذا يمكنك أن تأخذ، على سبيل المثال، أسطوانة معدنية، وتزودها بأجهزة استشعار وتدرس اهتزازاتها. هذا ليس بالأمر الصعب، ولهذا السبب بدأ تصنيع مثل هذه التركيبات منذ نصف قرن (وهي متوفرة أيضًا في روسيا؛ والآن يتم تركيب كاشف محسن طوره فريق فالنتين رودينكو من SAI MSU في مختبر باكسان تحت الأرض). المشكلة هي أن مثل هذا الجهاز سوف يرى الإشارة دون أي موجات جاذبية. هناك الكثير من الضوضاء التي يصعب التعامل معها. من الممكن (وقد تم ذلك!) تثبيت الكاشف تحت الأرض، ومحاولة عزله، وتبريده إلى درجات حرارة منخفضة، لكنك لا تزال بحاجة إلى إشارة موجة جاذبية قوية جدًا لتجاوز مستوى الضوضاء. لكن الإشارات القوية نادراً ما تأتي.

لذلك، تم الاختيار لصالح مخطط آخر، تم طرحه في عام 1962 من قبل فلاديسلاف بوستوفويت وميخائيل هيرزينستين. في مقال نشر في JETP (مجلة الفيزياء التجريبية والنظرية)، اقترحوا استخدام مقياس تداخل ميكلسون للكشف عن موجات الجاذبية. يمر شعاع الليزر بين المرايا في ذراعي مقياس التداخل، ثم تضاف الأشعة من الأذرع المختلفة. ومن خلال تحليل نتيجة تداخل الشعاع، يمكن قياس التغير النسبي في أطوال الذراع. هذه قياسات دقيقة جدًا، لذا إذا تغلبت على الضوضاء، يمكنك تحقيق حساسية رائعة.

وفي أوائل التسعينيات، تقرر بناء العديد من أجهزة الكشف باستخدام هذا التصميم. أول من دخل حيز التشغيل كانت منشآت صغيرة نسبيًا، GEO600 في أوروبا و TAMA300 في اليابان (الأرقام تتوافق مع طول الأذرع بالأمتار) لاختبار التكنولوجيا. لكن اللاعبين الرئيسيين كان من المقرر أن يكونوا منشآت LIGO في الولايات المتحدة الأمريكية وVIRGO في أوروبا. يتم قياس حجم هذه الأجهزة بالفعل بالكيلومترات، ومن المفترض أن تسمح الحساسية النهائية المخطط لها برؤية العشرات، إن لم يكن المئات من الأحداث سنويًا.

لماذا هناك حاجة لأجهزة متعددة؟ في المقام الأول للتحقق من الصحة، نظرًا لوجود ضوضاء محلية (مثل الزلازل). سيكون الكشف المتزامن للإشارة في شمال غرب الولايات المتحدة وإيطاليا دليلاً ممتازًا على أصلها الخارجي. ولكن هناك سببًا ثانيًا: أجهزة كشف موجات الجاذبية ضعيفة جدًا في تحديد الاتجاه إلى المصدر. ولكن إذا كان هناك العديد من أجهزة الكشف متباعدة، فسيكون من الممكن الإشارة إلى الاتجاه بدقة تامة.

عمالقة الليزر

تم بناء كاشفات LIGO في شكلها الأصلي في عام 2002، وكاشفات VIRGO في عام 2003. وفقا للخطة، كانت هذه هي المرحلة الأولى فقط. عملت جميع التركيبات لعدة سنوات، وفي الفترة 2010-2011 تم إيقافها لإجراء تعديلات، من أجل الوصول بعد ذلك إلى الحساسية العالية المخطط لها. كانت كاشفات LIGO أول من تم تشغيله في سبتمبر 2015، ومن المفترض أن ينضم VIRGO في النصف الثاني من عام 2016، ومن هذه المرحلة تتيح لنا الحساسية أن نأمل في تسجيل عدة أحداث على الأقل سنويًا.

بعد أن بدأ مرصد LIGO في العمل، كان معدل الانفجار المتوقع حوالي حدث واحد شهريًا. قدر علماء الفيزياء الفلكية مسبقًا أن الأحداث الأولى المتوقعة ستكون اندماجات الثقوب السوداء. ويرجع ذلك إلى أن الثقوب السوداء عادة ما تكون أثقل بعشر مرات من النجوم النيوترونية، والإشارة أقوى، وهي "مرئية" من مسافات كبيرة، وهو ما يعوض انخفاض معدل الأحداث لكل مجرة. ولحسن الحظ، لم يكن علينا الانتظار طويلا. في 14 سبتمبر 2015، سجلت كلا التثبيتين إشارة متطابقة تقريبًا، تسمى GW150914.

ومن 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 خلال تردد الإشارة يمكن تقدير حجم منطقة إطلاق الطاقة على الفور. وفي هذه الحالة، يشير الحجم إلى أنه من ثقبين كتلتهما 25-30 و35-40 كتلة شمسية، تشكل ثقب أسود كتلته أكثر من 60 كتلة شمسية. وبمعرفة هذه البيانات، يمكن الحصول على الطاقة الإجمالية للانفجار. تم تحويل ما يقرب من ثلاث كتل شمسية إلى إشعاع الجاذبية. وهذا يتوافق مع لمعان 1023 من اللمعان الشمسي - تقريبًا نفس الكمية التي تنبعث منها جميع النجوم في الجزء المرئي من الكون خلال هذا الوقت (جزء من مائة من الثانية). ومن الطاقة المعلومة وحجم الإشارة المقاسة يتم الحصول على المسافة. أتاحت الكتلة الكبيرة للأجسام المندمجة تسجيل حدث وقع في مجرة ​​بعيدة: استغرقت الإشارة حوالي 1.3 مليار سنة للوصول إلينا.

يتيح التحليل الأكثر تفصيلا توضيح نسبة الكتلة للثقوب السوداء وفهم كيفية دورانها حول محورها، وكذلك تحديد بعض المعلمات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، تتيح الإشارة الصادرة من منشأتين إمكانية تحديد اتجاه الانفجار تقريبًا. لسوء الحظ، فإن الدقة هنا ليست عالية جدًا بعد، ولكن مع تشغيل VIRGO المحدث، ستزداد. وفي غضون سنوات قليلة، سيبدأ كاشف KAGRA الياباني في استقبال الإشارات. بعد ذلك، سيتم تجميع أحد أجهزة كشف LIGO (كان هناك ثلاثة في الأصل، وكانت إحدى التركيبات مزدوجة) في الهند، ومن المتوقع أن يتم تسجيل عشرات الأحداث سنويًا.

عصر علم الفلك الجديد

في الوقت الحالي، أهم نتيجة لعمل LIGO هي تأكيد وجود موجات الجاذبية. بالإضافة إلى ذلك، أتاح الانفجار الأول تحسين القيود المفروضة على كتلة الجرافيتون (في النسبية العامة كتلته صفر)، وكذلك الحد بقوة أكبر من الفرق بين سرعة انتشار الجاذبية وسرعة الجاذبية. ضوء. لكن العلماء يأملون أن يتمكنوا بالفعل في عام 2016 من الحصول على الكثير من البيانات الفيزيائية الفلكية الجديدة باستخدام LIGO وVIRGO.

أولاً، توفر البيانات الواردة من مراصد موجات الجاذبية وسيلة جديدة لدراسة الثقوب السوداء. إذا كان من الممكن في السابق فقط مراقبة تدفقات المادة في محيط هذه الأجسام، فيمكنك الآن "رؤية" مباشرة عملية دمج و"تهدئة" الثقب الأسود الناتج، وكيف يتقلب أفقه، ويأخذ شكله النهائي ( تحدد بالتناوب). ربما، حتى اكتشاف هوكينج تبخر الثقوب السوداء (في الوقت الحالي تظل هذه العملية فرضية)، فإن دراسة عمليات الاندماج ستوفر معلومات مباشرة أفضل عنها.

ثانيًا، ستوفر عمليات رصد اندماج النجوم النيوترونية الكثير من المعلومات الجديدة المطلوبة بشدة حول هذه الأجسام. ولأول مرة، سنكون قادرين على دراسة النجوم النيوترونية بنفس الطريقة التي يدرس بها الفيزيائيون الجسيمات: مشاهدتها وهي تتصادم لفهم كيفية عملها في الداخل. إن سر البنية الداخلية للنجوم النيوترونية يثير قلق علماء الفيزياء الفلكية والفيزيائيين. إن فهمنا للفيزياء النووية وسلوك المادة عند الكثافات الفائقة لن يكتمل دون حل هذه المشكلة. من المحتمل أن تلعب ملاحظات موجات الجاذبية دورًا رئيسيًا هنا.

ويعتقد أن اندماج النجوم النيوترونية هو المسؤول عن انفجارات أشعة غاما الكونية القصيرة. في حالات نادرة، سيكون من الممكن مراقبة حدث ما في وقت واحد في نطاق جاما وعلى أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية (ترجع الندرة إلى حقيقة أن إشارة جاما تتركز في شعاع ضيق جدًا، وهي ليست كذلك) موجهة إلينا دائمًا، لكن ثانيًا، لن نسجل موجات الجاذبية من أحداث بعيدة جدًا). على ما يبدو، سوف يستغرق الأمر عدة سنوات من الملاحظة حتى تتمكن من رؤية ذلك (على الرغم من أنك قد تكون محظوظًا كالعادة وسيحدث ذلك اليوم). بعد ذلك، من بين أمور أخرى، سنكون قادرين على مقارنة سرعة الجاذبية بدقة مع سرعة الضوء.

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

2236

بالأمس، صدم العالم ضجة كبيرة: اكتشف العلماء أخيرًا موجات الجاذبية، التي تنبأ بوجودها أينشتاين قبل مائة عام. هذا هو اختراق. تم اكتشاف تشويه الزمكان (هذه موجات الجاذبية - الآن سنشرح ما هي) في مرصد LIGO، وأحد مؤسسيها هو - من تعتقد؟ - كيب ثورن، مؤلف الكتاب.

نخبرك عن سبب أهمية اكتشاف موجات الجاذبية، وما قاله مارك زوكربيرج، وبالطبع نشارك القصة من منظور الشخص الأول. يعرف كيب ثورن، مثل أي شخص آخر، كيف يعمل المشروع، وما الذي يجعله غير عادي، وما هي أهمية مرصد LIGO للإنسانية. 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 اكتشافها قبل ذلك بقليل: في سبتمبر 2015، ولكن بالأمس تم الاعتراف بالاكتشاف رسميًا. وتعتقد 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. هل يمكنك أن تتخيل مدى ضخامة عالمنا! نظرًا لأن الثقوب السوداء عبارة عن أجسام ضخمة جدًا، فإنها ترسل تموجات عبر الزمكان، مما يؤدي إلى تشويهه قليلاً. فتظهر أمواج تشبه تلك التي تنتشر من حجر ألقي في الماء.

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

تم تحويل الاهتزازات الناتجة إلى صوت. ومن المثير للاهتمام أن الإشارة الصادرة عن موجات الجاذبية تصل تقريبًا بنفس تردد خطابنا. لذا يمكننا أن نسمع بآذاننا كيف تصطدم الثقوب السوداء. استمع إلى صوت موجات الجاذبية.

وتخيل ماذا؟ وفي الآونة الأخيرة، لم تعد الثقوب السوداء مبنية كما كان يُعتقد سابقًا. لكن لم يكن هناك أي دليل على الإطلاق على وجودها من حيث المبدأ. والآن هناك. الثقوب السوداء "تعيش" حقًا في الكون.

هذا هو ما يعتقد العلماء أن الكارثة تبدو عليه: اندماج الثقوب السوداء.

في 11 فبراير، انعقد مؤتمر كبير ضم أكثر من ألف عالم من 15 دولة. وكان العلماء الروس حاضرين أيضًا. وبالطبع كان هناك كيب ثورن. "هذا الاكتشاف هو بداية مسعى مذهل ورائع للناس: البحث واستكشاف الجانب المنحني للكون - الأشياء والظواهر التي تم إنشاؤها من الزمكان المشوه. قال كيب ثورن: «إن اصطدامات الثقوب السوداء وموجات الجاذبية هي أولى الأمثلة الرائعة لدينا».

لقد كان البحث عن موجات الجاذبية إحدى المشاكل الرئيسية في الفيزياء. الآن تم العثور عليهم. وتأكدت عبقرية أينشتاين مرة أخرى.

في أكتوبر/تشرين الأول، أجرينا مقابلة مع سيرجي بوبوف، عالم الفيزياء الفلكية الروسي وأحد أشهر مشاهير العلوم. بدا وكأنه كان يبحث في الماء! في الخريف: "يبدو لي أننا الآن على عتبة اكتشافات جديدة، والتي ترتبط في المقام الأول بعمل كاشفات موجات الجاذبية LIGO وVIRGO (قدم كيب ثورن مساهمة كبيرة في إنشاء مشروع LIGO) ". مذهل، أليس كذلك؟

موجات الجاذبية وكاشفات الموجات و LIGO

حسنًا، الآن القليل من الفيزياء. بالنسبة لأولئك الذين يريدون حقا أن يفهموا ما هي موجات الجاذبية. إليكم تصويرًا فنيًا لخطوط اتجاه ثقبين أسودين يدوران حول بعضهما البعض، عكس اتجاه عقارب الساعة، ثم يتصادمان. تولد خطوط Tendex جاذبية المد والجزر. تفضل. الخطوط التي تنبعث من النقطتين الأبعد عن بعضهما البعض على سطحي زوج من الثقوب السوداء، تمد كل شيء في طريقها، بما في ذلك صديق الفنان في الرسم. الخطوط الصادرة من منطقة الاصطدام تضغط كل شيء.

عندما تدور الثقوب حول بعضها البعض، فإنها تحمل على طول خطوطها التي تشبه تيارات الماء من رشاش دوار على العشب. في الصورة من كتاب "Interstellar. العلم وراء الكواليس" - زوج من الثقوب السوداء التي تتصادم، وتدور حول بعضها البعض عكس اتجاه عقارب الساعة، وخطوط اتجاهها.

تندمج الثقوب السوداء في ثقب واحد كبير؛ فهو مشوه ويدور عكس اتجاه عقارب الساعة، ويسحب معه خطوط الاتجاه. سيشعر المراقب الثابت بعيدًا عن الثقب بالاهتزازات أثناء مرور خطوط الاتجاه من خلاله: التمدد، ثم الضغط، ثم التمدد - أصبحت خطوط الاتجاه موجة جاذبية. ومع انتشار الموجات، يقل تشوه الثقب الأسود تدريجيًا، وتضعف الموجات أيضًا.

وعندما تصل هذه الموجات إلى الأرض، فإنها تبدو مثل تلك الموضحة في أعلى الشكل أدناه. أنها تمتد في اتجاه واحد وتضغط في الآخر. تتأرجح الامتدادات والضغطات (من اللون الأحمر من اليمين إلى اليسار، إلى اللون الأزرق من اليمين إلى اليسار، إلى اللون الأحمر من اليمين إلى اليسار، وما إلى ذلك) أثناء مرور الموجات عبر الكاشف الموجود في أسفل الشكل.

موجات الجاذبية تمر عبر كاشف LIGO.

يتكون الكاشف من أربع مرايا كبيرة (قطرها 40 كجم، 34 سم)، متصلة في طرفي أنبوبين متعامدين، تسمى أذرع الكاشف. تمتد خطوط Tendex لموجات الجاذبية بذراع واحدة، بينما تضغط على الذراع الثانية، وبعد ذلك، على العكس من ذلك، تضغط الأولى وتمتد الثانية. وهكذا مرارا وتكرارا. ومع تغير طول الأذرع بشكل دوري، تتحرك المرايا بالنسبة لبعضها البعض، ويتم تتبع هذه الحركات باستخدام أشعة الليزر بطريقة تسمى قياس التداخل. ومن هنا جاء اسم LIGO: مرصد التداخل الليزري لموجات الجاذبية.

مركز التحكم LIGO، حيث يتم إرسال الأوامر إلى الكاشف ومراقبة الإشارات المستقبلة. تقع أجهزة كشف الجاذبية الخاصة بمرصد LIGO في هانفورد، واشنطن، وليفينغستون، لويزيانا. صورة من كتاب "بين النجوم. العلم وراء الكواليس"

أما الآن، فقد أصبح LIGO مشروعًا دوليًا يضم 900 عالم من بلدان مختلفة، ويقع مقره الرئيسي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

الجانب المنحني للكون

ترتبط الثقوب السوداء والثقوب الدودية والتفردات وشذوذ الجاذبية والأبعاد العليا بانحناءات المكان والزمان. ولهذا السبب يطلق عليهم كيب ثورن اسم "الجانب الملتوي من الكون". لا يزال لدى البشرية القليل جدًا من البيانات التجريبية والرصدية من الجانب المنحني للكون. ولهذا السبب نولي اهتمامًا كبيرًا لموجات الجاذبية: فهي مصنوعة من الفضاء المنحني وتوفر لنا الطريقة الأسهل لاستكشاف الجانب المنحني.

تخيل لو أنك رأيت المحيط فقط عندما يكون هادئًا. لن تعرف شيئًا عن التيارات والدوامات وأمواج العواصف. وهذا يذكرنا بمعرفتنا الحالية لانحناء المكان والزمان.

نحن لا نعرف شيئًا تقريبًا عن كيفية تصرف الفضاء المنحني والزمن المنحني "في العاصفة" - عندما يتقلب شكل الفضاء بعنف وعندما تتقلب سرعة الزمن. هذه حدود المعرفة مغرية بشكل لا يصدق. صاغ العالم جون ويلر مصطلح "الديناميكا الجيولوجية" لهذه التغييرات.

من الأمور ذات الأهمية الخاصة في مجال الديناميكيات الجيولوجية هو اصطدام ثقبين أسودين.

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

الصورة أعلاه توضح اللحظة التي يصطدم فيها ثقبان أسودان. مثل هذا الحدث سمح للعلماء بتسجيل موجات الجاذبية. تم تصميم هذا النموذج للثقوب السوداء غير الدوارة. في الأعلى: مدارات وظلال الثقوب، كما تُرى من كوننا. الوسط: المكان والزمان المنحنيان، كما يُرى من الجزء الأكبر (الفضاء الفائق متعدد الأبعاد)؛ تُظهر الأسهم كيفية انخراط الفضاء في الحركة، وتُظهر الألوان المتغيرة كيفية انحناء الزمن. الأسفل: شكل موجات الجاذبية المنبعثة.

موجات الجاذبية من الانفجار الكبير

إلى كيب ثورن. "في عام 1975، أدلى ليونيد غريشوك، صديقي العزيز من روسيا، ببيان مثير. وقال إنه في لحظة الانفجار الكبير نشأت العديد من موجات الجاذبية، وكانت آلية أصلها (غير معروفة سابقًا) كما يلي: التقلبات الكمية (تقلبات عشوائية – ملاحظة المحرر)تم تعزيز مجالات الجاذبية خلال الانفجار الكبير بشكل كبير من خلال التوسع الأولي للكون، وبالتالي أصبحت موجات الجاذبية الأصلية. هذه الموجات، إذا تم اكتشافها، يمكن أن تخبرنا بما حدث عند ولادة كوننا".

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

لقد حل الناس جميع أسرار الكون. هناك المزيد في المستقبل.

وفي السنوات اللاحقة، مع تحسن فهمنا للانفجار الكبير، أصبح من الواضح أن هذه الموجات البدائية لا بد أن تكون قوية عند أطوال موجية تتناسب مع حجم الكون المرئي، أي بطول مليارات السنين الضوئية. هل يمكنك أن تتخيل كم يبلغ هذا المبلغ؟.. وعند الأطوال الموجية التي تغطيها أجهزة كشف LIGO (مئات وآلاف الكيلومترات)، فمن المرجح أن تكون الموجات أضعف من أن يتم التعرف عليها.

قام فريق جيمي بوك ببناء جهاز BICEP2، الذي تم من خلاله اكتشاف أثر موجات الجاذبية الأصلية. يظهر هنا الجهاز الموجود في القطب الشمالي خلال فترة الشفق، والذي يحدث هناك مرتين فقط في السنة.

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

وهو محاط بدروع تحمي الجهاز من إشعاع الغطاء الجليدي المحيط به. يوجد في الزاوية اليمنى العليا أثر تم اكتشافه في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي - وهو نمط الاستقطاب. يتم توجيه خطوط المجال الكهربائي على طول ضربات الضوء القصيرة.

أثر بداية الكون

في أوائل التسعينيات، أدرك علماء الكونيات أن موجات الجاذبية هذه، التي يبلغ طولها مليارات السنين الضوئية، لا بد أنها تركت أثرًا فريدًا في الموجات الكهرومغناطيسية التي تملأ الكون - ما يسمى بإشعاع الخلفية الكونية الميكروي، أو إشعاع الخلفية الكوني الميكروي. بدأ هذا البحث عن الكأس المقدسة. بعد كل شيء، إذا اكتشفنا هذا الأثر واستنتجنا منه خصائص موجات الجاذبية الأصلية، فيمكننا معرفة كيف ولد الكون.

في مارس 2014، بينما كان كيب ثورن يكتب هذا الكتاب، اكتشف فريق جيمي بوك، عالم الكونيات في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والذي يقع مكتبه بجوار مكتب ثورن، أخيرًا هذا الأثر في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي.

هذا اكتشاف مذهل تمامًا، ولكن هناك نقطة واحدة مثيرة للجدل: الأثر الذي وجده فريق جيمي يمكن أن يكون ناجمًا عن شيء آخر غير موجات الجاذبية.

إذا تم بالفعل العثور على أثر لموجات الجاذبية التي نشأت أثناء الانفجار الكبير، فهذا يعني أن اكتشافًا كونيًا قد حدث على مستوى ربما يحدث مرة كل نصف قرن. فهو يمنحك فرصة لمس الأحداث التي حدثت بعد جزء من تريليون من تريليون من الثانية بعد ولادة الكون.

يؤكد هذا الاكتشاف النظريات القائلة بأن توسع الكون في تلك اللحظة كان سريعًا للغاية، في لغة علماء الكونيات - تضخم سريع. ويبشر بقدوم حقبة جديدة في علم الكونيات.

موجات الجاذبية وبين النجوم

بالأمس ، في مؤتمر حول اكتشاف موجات الجاذبية ، أشار فاليري ميتروفانوف ، رئيس تعاون العلماء في موسكو LIGO ، والذي يضم 8 علماء من جامعة موسكو الحكومية ، إلى أن حبكة فيلم "Interstellar" ، على الرغم من كونها رائعة ، ليست كذلك بعيدة عن الواقع. وكل ذلك لأن كيب ثورن كان المستشار العلمي. أعرب ثورن نفسه عن أمله في أن يؤمن بالرحلات المأهولة المستقبلية إلى الثقب الأسود. وقد لا تحدث هذه الأحداث بالسرعة التي نرغب فيها، ولكنها اليوم أصبحت أكثر واقعية مما كانت عليه من قبل.

اليوم ليس بعيدًا جدًا عندما يغادر الناس حدود مجرتنا.

وقد أثار هذا الحدث عقول الملايين من الناس. كتب مارك زوكربيرج سيء السمعة: “إن اكتشاف موجات الجاذبية هو أكبر اكتشاف في العلم الحديث. ألبرت أينشتاين هو أحد أبطالي، ولهذا السبب أخذت هذا الاكتشاف على محمل شخصي. منذ قرن مضى، وفي إطار النظرية النسبية العامة (GTR)، تنبأ بوجود موجات الجاذبية. لكنها صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها، لدرجة أنه أصبح من الممكن البحث عنها في أصول الأحداث مثل الانفجار الكبير والانفجارات النجمية واصطدامات الثقوب السوداء. عندما يقوم العلماء بتحليل البيانات التي تم الحصول عليها، سيتم فتح وجهة نظر جديدة تماما للفضاء أمامنا. وربما يلقي هذا الضوء على أصل الكون، وولادة الثقوب السوداء وتطورها. من الملهم جدًا التفكير في عدد الأرواح والجهود التي بذلت لكشف النقاب عن سر الكون هذا. لقد أصبح هذا الاختراق ممكنا بفضل موهبة العلماء والمهندسين اللامعين، والأشخاص من جنسيات مختلفة، فضلا عن أحدث تقنيات الكمبيوتر التي ظهرت مؤخرا فقط. تهانينا لجميع المشاركين. سيكون أينشتاين فخورًا بك."

هذا هو الخطاب. وهذا شخص مهتم بالعلم ببساطة. يمكن للمرء أن يتخيل مدى عاصفة العواطف التي طغت على العلماء الذين ساهموا في الاكتشاف. يبدو أننا شهدنا حقبة جديدة أيها الأصدقاء. هذا مذهل.

ملاحظة: هل أعجبك؟ اشترك في النشرة الإخبارية لدينا في آفاق. نرسل رسائل تعليمية مرة واحدة في الأسبوع ونقدم خصومات على كتب MYTH.

أعلن المشاركون في تجربة LIGO العلمية، التي يشارك فيها أيضا فيزيائيون روس، أن المراصد الأمريكية رصدت موجات الجاذبية الناتجة عن اصطدام ثقبين أسودين.

تم تسجيل موجات الجاذبية في 14 سبتمبر 2015، وتم الإبلاغ عنها في 11 فبراير 2016 في مؤتمر صحفي خاص عقده ممثلو مرصد LIGO في واشنطن. استغرق العلماء ستة أشهر لمعالجة النتائج والتحقق منها. ويمكن اعتبار هذا الاكتشاف الرسمي لموجات الجاذبية، حيث تم تسجيلها مباشرة على الأرض لأول مرة. ونشرت نتائج العمل في مجلة Physical Review Letters.

فيزيائيون من جامعة موسكو الحكومية في مؤتمر صحفي. تصوير مكسيم أبايف.

رسم تخطيطي لمقاييس التداخل وموقعها على خريطة تخطيطية للولايات المتحدة. تسمى كتل مرآة الاختبار في الشكل كتلة الاختبار.

كتل الاختبار، والمعروفة أيضًا باسم مرايا مقياس التداخل، مصنوعة من الكوارتز المنصهر. الصورة: www.ligo.caltech.edu

محاكاة عددية لموجات الجاذبية الناتجة عن اقتراب الثقوب السوداء. الشكل: رسائل المراجعة الفيزيائية http://physics.aps.org/articles/v9/17

مرصد LIGO بالقرب من ليفينغستون، لويزيانا. الصورة: www.ligo.caltech.edu

وبذلك تم حل إحدى أهم المشكلات التي واجهت علماء الفيزياء خلال المائة عام الماضية. تم التنبؤ بوجود موجات الجاذبية من خلال النظرية النسبية العامة (GTR)، التي طورها ألبرت أينشتاين في 1915-1916، وهي النظرية الفيزيائية الأساسية التي تصف بنية عالمنا وتطوره. النسبية العامة، في جوهرها، هي نظرية الجاذبية التي تثبت ارتباطها بخصائص الزمكان. تنتج الأجسام الضخمة تغيرات فيه، والتي تسمى عادة انحناء الزمكان. إذا تحركت هذه الأجسام بتسارع متغير، فستنشأ تغيرات منتشرة في الزمكان، والتي تسمى موجات الجاذبية.

ومشكلة تسجيلها هي أن موجات الجاذبية ضعيفة للغاية، ورصدها من أي مصدر أرضي يكاد يكون مستحيلا. وعلى مر السنين، لم يتم اكتشافها من معظم الأجسام الفضائية أيضًا. وبقيت الآمال فقط على موجات الجاذبية الناجمة عن الكوارث الكونية الكبرى مثل انفجارات السوبرنوفا أو اصطدام النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء. وقد تحققت هذه الآمال. في هذا العمل، تم اكتشاف موجات الجاذبية بدقة من اندماج ثقبين أسودين.

للكشف عن موجات الجاذبية، تم اقتراح مشروع ضخم يسمى LIGO (مرصد موجات الجاذبية بمقياس التداخل الليزري) في عام 1992. لقد تم تطوير التكنولوجيا الخاصة بها منذ ما يقرب من عشرين عامًا. وقد تم تنفيذه من قبل اثنين من أكبر مراكز الأبحاث في الولايات المتحدة - معهدا كاليفورنيا وماساتشوستس للتكنولوجيا. يضم الفريق العلمي الشامل، وهو تعاون LIGO، حوالي 1000 عالم من 16 دولة. ويمثل روسيا فيها جامعة موسكو الحكومية ومعهد الفيزياء التطبيقية التابع لأكاديمية العلوم الروسية (نيجني نوفغورود).

يضم مرصد LIGO مراصد في ولايتي واشنطن ولويزيانا، تقع على مسافة 3000 كيلومتر، وهو عبارة عن مقياس تداخل ميكلسون على شكل حرف L بذراعين بطول 4 كيلومتر. وينقسم شعاع الليزر، الذي يمر عبر نظام من المرايا، إلى شعاعين، ينتشر كل منهما في ذراعه الخاصة. تنعكس من المرايا وتعود. ثم تتم إضافة هاتين الموجتين الضوئيتين، اللتين تسيران عبر مسارات مختلفة، معًا في الكاشف. في البداية، يتم تكوين النظام بحيث تلغي الموجات بعضها البعض ولا يصل أي شيء إلى الكاشف. تغير موجات الجاذبية المسافات بين كتل الاختبار، والتي تعمل في نفس الوقت كمرايا لمقياس التداخل، مما يؤدي إلى حقيقة أن مجموع الموجات لم يعد يساوي الصفر وستكون شدة الإشارة عند الكاشف الضوئي متناسبة مع هذه التغييرات. تُستخدم هذه الإشارة لتسجيل موجة الجاذبية.

تمت المرحلة الأولى من القياسات في الفترة 2002-2010 ولم تسمح باكتشاف موجات الجاذبية. لم تكن حساسية الأجهزة كافية (تم تتبع التحولات التي تصل إلى 4x10 -18 م). ثم تقرر وقف العمل عام 2010 وتحديث المعدات وزيادة الحساسية بأكثر من 10 مرات. تمكنت المعدات المحسنة، التي بدأت العمل في النصف الثاني من عام 2015، من اكتشاف تحول قياسي قدره 10 -19 مترًا، وأثناء التشغيل التجريبي بالفعل، كان العلماء ينتظرون اكتشافًا ما، وسجلوا انفجارًا جاذبية من الحدث والذي تم تحديده بعد دراسة طويلة على أنه اندماج ثقبين أسودين كتلتهما 29 و 36 كتلة شمسية.

بالتزامن مع واشنطن، عُقد مؤتمر صحفي في موسكو. وفيها تحدث المشاركون في التجربة، الذين يمثلون كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية، عن مساهمتهم في تنفيذها. شاركت مجموعة VB Braginsky في العمل منذ بداية المشروع. قام فيزيائيون من جامعة موسكو الحكومية بتأمين تجميع هيكل معقد، يتكون من مرايا مقياس التداخل، والتي تعمل في نفس الوقت ككتل اختبار.

بالإضافة إلى ذلك، تضمنت مهامهم مكافحة الاهتزازات الدخيلة (الضوضاء) التي يمكن أن تتداخل مع اكتشاف موجات الجاذبية. لقد كان المتخصصون في جامعة موسكو الحكومية هم الذين أثبتوا أن الجهاز يجب أن يكون مصنوعًا من الكوارتز المنصهر، والذي في درجات حرارة التشغيل سيصدر ضوضاء أقل من الياقوت الذي اقترحه باحثون آخرون. على وجه الخصوص، لتقليل الضوضاء الحرارية، كان من الضروري التأكد من أن تذبذبات كتل الاختبار المعلقة مثل البندول لم تموت لفترة طويلة جدًا. لقد حقق الفيزيائيون من جامعة موسكو الحكومية فترة اضمحلال مدتها 5 سنوات!

سيؤدي نجاح القياسات إلى ظهور علم فلك جديد لموجات الجاذبية وسيسمح لنا بتعلم الكثير من الأشياء الجديدة حول الكون. وربما يتمكن الفيزيائيون من كشف بعض ألغاز المادة المظلمة والمراحل الأولى لتطور الكون، وكذلك النظر في المناطق التي تنتهك فيها النسبية العامة.

استنادًا إلى مواد من المؤتمر الصحفي للتعاون في LIGO.