, САЩ
© REUTERS, Раздаване

Най-накрая открити гравитационни вълни

Популярна наука

Колебанията в пространство-времето са открити век след като са били предсказани от Айнщайн. Започва нова ера в астрономията.

Учените са успели да открият флуктуации в пространство-времето, причинени от сливането на черни дупки. Това се случи сто години след като Алберт Айнщайн предсказа тези "гравитационни вълни" в своята обща теория на относителността и сто години след като физиците започнаха да ги търсят.

Значителното откритие беше докладвано днес от изследователи от лазерно-интерферометричната обсерватория за гравитационни вълни LIGO. Те потвърдиха слуховете, които витаеха около анализа на първия набор от данни, събрани от няколко месеца. Астрофизиците казват, че откриването на гравитационните вълни предоставя нов начин за разглеждане на Вселената и прави възможно разпознаването на далечни събития, които не могат да се видят в оптични телескопи, но можете да почувствате и дори чуете слабото им трептене, достигащо до нас през космоса.

„Открихме гравитационни вълни. Успяхме!" Дейвид Райце, изпълнителен директор на изследователския екип от 1000 членове, обяви на пресконференция във Вашингтон в Националната научна фондация днес.

Гравитационните вълни са може би най-неуловимият феномен от предсказанията на Айнщайн, ученият обсъжда тази тема със своите съвременници в продължение на десетилетия. Според неговата теория пространството и времето образуват разтягаща се материя, която се огъва под въздействието на тежки предмети. Да почувстваш гравитацията означава да попаднеш в завоите на тази материя. Но може ли това пространство-време да трепери като кожата на барабан? Айнщайн беше объркан, той не знаеше какво означават неговите уравнения. И многократно променя гледната си точка. Но дори и най-твърдите поддръжници на неговата теория смятаха, че гравитационните вълни са твърде слаби, за да бъдат наблюдавани. Те се изливат навън след определени катаклизми и последователно разтягат и компресират пространство-времето, докато се движат. Но докато тези вълни достигнат Земята, те се разтягат и компресират всеки километър пространство с малка част от диаметъра на атомно ядро.

© REUTERS, Hangout Детектор за обсерватория LIGO в Ханфорд, Вашингтон

За откриването на тези вълни бяха необходими търпение и предпазливост. Обсерваторията LIGO изстреля лазерни лъчи напред-назад по дълги четири километра, правоъгълни колена на два детектора, единият в Ханфорд, Вашингтон, а другият в Ливингстън, Луизиана. Това беше направено в търсене на съответстващи разширения и свивания на тези системи по време на преминаването на гравитационните вълни. Използвайки най-съвременни стабилизатори, вакуумни инструменти и хиляди сензори, учените измерват промените в дължината на тези системи, едва една хилядна от размера на протон. Подобна чувствителност на инструментите беше немислима преди сто години. Изглеждаше невероятно през 1968 г., когато Райнер Вайс от Масачузетския технологичен институт замисли експеримент, наречен LIGO.

„Голямо чудо е, че в крайна сметка успяха. Те успяха да уловят тези малки вибрации!“ каза теоретичният физик Даниел Кенефик от университета в Арканзас, който написа книгата от 2007 г. „Пътуване със скоростта на мисълта: Айнщайн и търсенето на гравитационни вълни“.

Това откритие бележи началото на нова ера в астрономията на гравитационните вълни. Надяваме се, че ще имаме по-точни идеи за образуването, състава и галактическата роля на черните дупки - тези свръхплътни топки от маса, които изкривяват пространство-времето толкова рязко, че дори светлината не може да избяга от тях. Когато черните дупки се приближават една към друга и се сливат, те генерират импулсен сигнал - пространствено-времеви флуктуации, които се увеличават по амплитуда и тон и след това внезапно свършват. Тези сигнали, които обсерваторията може да открие, са в звуковия диапазон - те обаче са твърде слаби, за да бъдат чути с просто ухо. Можете да пресъздадете този звук, като прокарате пръсти по клавишите на пианото. „Започнете от най-ниската нота и продължете до третата октава“, каза Вайс. — Това чуваме.

Физиците вече са изненадани от броя и силата на сигналите, които се записват в момента. Това означава, че в света има повече черни дупки, отколкото се смяташе досега. „Имахме късмет, но аз винаги разчитах на този вид късмет“, каза астрофизикът от Калтех Кип Торн, който създадоха LIGO с Вайс и Роналд Древър, също от Калтек. „Обикновено се случва, когато се отвори изцяло нов прозорец във Вселената.“

Слушайки гравитационните вълни, можем да формираме напълно различни идеи за космоса и може би да открием невъобразими космически явления.

„Мога да го сравня с първия път, когато насочихме телескоп към небето“, каза теоретичният астрофизик Джана Левин от колежа Барнард на Колумбийския университет. „Хората разбраха, че има нещо там и можете да го видите, но не можаха да предвидят невероятния набор от възможности, които съществуват във Вселената.“ По същия начин, отбелязва Левин, откриването на гравитационните вълни може да покаже, че Вселената е „пълна с тъмна материя, която не можем просто да открием с телескоп“.

Историята за откриването на първата гравитационна вълна започна в понеделник сутринта през септември и започна с памук. Сигналът беше толкова ясен и силен, че Вайс си помисли: "Не, това са глупости, нищо няма да излезе."

Интензивност на емоциите

Това първо гравитационна вълнапремина през детекторите на надградения LIGO - първо в Ливингстън и седем милисекунди по-късно в Хънфорд - по време на симулация в ранните часове на 14 септември, два дни преди официалното начало на събирането на данни.

Детекторите бяха на "разработка" след модернизацията, която продължи пет години и струваше 200 милиона долара. Те бяха оборудвани с нови окачвания на огледалата за намаляване на шума и активен обратна връзказа потискане на външните вибрации в реално време. Надграждането даде на модернизираната обсерватория по-високо ниво на чувствителност от старата LIGO, която откри "абсолютна и чиста нула" между 2002 и 2010 г., както се изрази Вайс.

Когато през септември дойде мощен сигнал, учените в Европа, където в този момент беше сутрин, започнаха набързо да бомбардират американските си колеги със съобщения на електронна поща. Когато останалата част от групата се събуди, новината се разпространи много бързо. На практика всички бяха скептични, каза Вайс, особено когато видяха сигнала. Това беше истинска класика от учебници и затова някои хора го помислиха за фалшив.

Неверни твърдения в търсенето на гравитационни вълни са правени многократно от края на 60-те години на миналия век, когато Джоузеф Вебер от университета в Мериленд смята, че е открил резонансни трептения в алуминиев цилиндър със сензори в отговор на вълните. През 2014 г. се проведе експеримент, наречен BICEP2, в резултат на който беше обявено, че откриването на първични гравитационни вълни - пространствено-времеви флуктуации от Големия взрив, които досега са се простирали до постоянна основазамръзнал в геометрията на Вселената. Учените от групата BICEP2 обявиха откритието си с голям шум, но след това резултатите им бяха проверени независимо, при което се оказа, че грешат и че този сигнал идва от космически прах.

Когато космологът от държавния университет в Аризона Лорънс Краус чува за откритието на екипа на LIGO, той първоначално смята, че това е „сляпа измама“. По време на работата на старата обсерватория, симулирани сигнали бяха тайно вмъкнати в потоците от данни, за да се тества реакцията, и повечето от персонала не знаеха за това. Когато Краус научава от осведомен източник, че този път не става въпрос за „пълнеж на сляпо“, той едва сдържа радостното си вълнение.

На 25 септември той туитира до своите 200 000 последователи: „Слухове за откриване на гравитационна вълна в детектора LIGO. Удивително, ако е истина. Ще ви уведомя подробностите, ако не е фалшив. Това е последвано от запис от 11 януари: „Предишни слухове за LIGO, потвърдени от независими източници. Следете новините. Може би са открити гравитационни вълни!“

Официалната позиция на учените беше следната: не говорете за получения сигнал, докато няма сто процента сигурност. Торн, вързан за ръцете и краката от това задължение за тайна, дори не каза нищо на жена си. „Празнувах сам“, каза той. Като начало учените решиха да се върнат в самото начало и да анализират всичко преди това най-малките детайли, за да разберете как сигналът се е разпространил през хиляди измервателни канали на различни детектори и да разберете дали е имало нещо странно в момента, в който сигналът е бил открит. Не откриха нищо необичайно. Те също така изключиха хакери, които трябваше да знаят най-добре за хилядите потоци от данни по време на експеримента. „Дори когато отборът прави слепи хвърляния, те не са достатъчно перфектни и оставят много следи след себе си“, каза Торн. — Но нямаше никакви следи.

През следващите седмици те чуват друг, по-слаб сигнал.

Учените анализираха първите два сигнала и получиха все повече и повече нови. През януари те представиха своите изследвания в списанието Physical Review Letters. Този брой излиза онлайн днес. Според техните оценки статистическата значимост на първия, най-мощен сигнал надхвърля "5-сигма", което означава, че изследователите са 99,9999% сигурни в неговата автентичност.

слушайки гравитацията

Уравненията на общата теория на относителността на Айнщайн са толкова сложни, че на повечето физици им отне 40 години, за да се съгласят, че да, гравитационните вълни съществуват и могат да бъдат открити - дори теоретично.

Първоначално Айнщайн смятал, че обектите не могат да отделят енергия под формата на гравитационно излъчване, но след това променил мнението си. В своята историческа работа, написана през 1918 г., той показва какви обекти могат да направят това: системи с форма на дъмбели, които се въртят едновременно около две оси, като двойни звезди и свръхнови звезди, които експлодират като петарди. Те могат да генерират вълни в пространство-времето.

© REUTERS, брошура Компютърен модел, илюстриращ природата на гравитационните вълни в Слънчевата система

Но Айнщайн и колегите му продължават да се колебаят. Някои физици твърдят, че дори вълните да съществуват, светът ще се колебае с тях и ще бъде невъзможно да ги усетите. И едва през 1957 г. Ричард Фейнман (Richard Feynman) затвори този въпрос, демонстрирайки в курса мисловен експериментче ако съществуват гравитационни вълни, теоретично те могат да бъдат открити. Но никой не знаеше колко често срещани са тези системи с форма на дъмбели в космоса и колко силни или слаби са получените вълни. „В крайна сметка въпросът беше: ще ги намерим ли някога?“ Кенефик каза.

През 1968 г. Райнер Вайс е млад професор в Масачузетския технологичен институт и му е възложено да преподава курс по обща теория на относителността. Като експериментатор той знаеше малко за това, но внезапно се появи новина за откритието на Вебер за гравитационните вълни. Вебер построи три резонансни детектора с размер на бюро от алуминий и ги постави в различни американски щати. Сега той каза, че и трите детектора са записали "звука на гравитационните вълни".

Учениците на Вайс бяха помолени да обяснят природата на гравитационните вълни и да изразят мнението си за посланието. Изучавайки детайлите, той беше поразен от сложността на математическите изчисления. „Не можех да разбера какво, по дяволите, прави Вебер, как сензорите взаимодействат с гравитационната вълна. Седях дълго и се питах: „Кое е най-примитивното нещо, за което мога да се сетя, което открива гравитационни вълни?“ И тогава на ум ми дойде една идея, която наричам концептуалната основа на LIGO.

Представете си три обекта в пространство-времето, да речем огледала в ъглите на триъгълник. „Изпратете светлинен сигнал от единия към другия“, каза Вебер. „Вижте колко време отнема преминаването от една маса към друга и вижте дали времето се е променило.“ Оказва се, отбеляза ученият, че това може да стане бързо. „Поверих това на моите студенти като научна задача. Буквално цялата група успя да направи тези изчисления.

През следващите години, когато други изследователи се опитаха да възпроизведат резултатите от експеримента с резонансния детектор на Вебер, но непрекъснато се проваляха (не е ясно какво е наблюдавал, но не бяха гравитационни вълни), Вайс започна да подготвя много по-точен и амбициозен експеримент : интерферометърът на гравитационните вълни. Лазерният лъч се отразява от три огледала, монтирани във формата на буквата "L" и образува два лъча. Интервалът от пикове и спадове на светлинните вълни точно показва дължината на завоите на буквата "G", които създават осите x и y на пространство-времето. Когато везната е неподвижна, двете светлинни вълни отскачат от ъглите и взаимно се компенсират. Сигналът в детектора е нула. Но ако гравитационната вълна премине през Земята, тя разтяга дължината на едното рамо на буквата "G" и компресира дължината на другото (и обратно последователно). Несъответствието на двата светлинни лъча създава сигнал в детектора, показващ леки флуктуации в пространство-времето.

Първоначално колегите физици бяха скептични, но експериментът скоро намери подкрепа в Торн, чиято група от теоретици в Калифорнийския технологичен институт изследва черни дупки и други потенциални източници на гравитационни вълни, както и генерираните от тях сигнали. Торн е вдъхновен от експеримента Вебер и подобни усилия на руски учени. След като говорих на конференция с Вайс през 1975 г., "започнах да вярвам, че откриването на гравитационни вълни ще бъде успешно", каза Торн. „И аз исках Калтек също да бъде част от това.“ Той уреди с института да наеме шотландския експериментатор Роналд Драйвър, който също твърди, че е изградил интерферометър за гравитационни вълни. С течение на времето Торн, Драйвър и Вайс започват да работят като екип, като всеки решава своя дял от безброй проблеми в подготовка за практически експеримент. Триото формира LIGO през 1984 г. и когато прототипите са построени и сътрудничеството започва като част от непрекъснато нарастващ екип, те получават 100 милиона долара финансиране от Националната научна фондация в началото на 90-те години. Бяха изготвени чертежи за конструкцията на чифт гигантски L-образни детектори. Десетилетие по-късно детекторите започнаха да работят.

При Хънфорд и Ливингстън в центъра на всяко от четирикилометровите колена на детекторите има вакуум, благодарение на който лазерът, неговият лъч и огледалата са максимално изолирани от постоянните вибрации на планетата. За да бъдат още по-сигурни, учените от LIGO наблюдават своите детектори, докато работят с хиляди инструменти, измервайки всичко, което могат: сеизмична активност, Атмосферно налягане, светкавица, появата на космически лъчи, вибрациите на оборудването, звуците в зоната на лазерния лъч и др. След това те филтрират данните си за тези странични фонови шумове. Може би основното е, че те имат два детектора и това ви позволява да сравнявате получените данни, като ги проверявате за наличие на съвпадащи сигнали.

Контекст

Гравитационни вълни: завърши това, което Айнщайн започна в Берн

SwissInfo 13.02.2016

Как умират черните дупки

Среден 19.10.2014 г
Вътре в създадения вакуум, дори с лазери и огледала, напълно изолирани и стабилизирани, „странни неща се случват през цялото време“, казва Марко Кавалья, заместник-говорител на проекта LIGO. Учените трябва да проследят тези „златни рибки“, „призраци“, „странни морски чудовища“ и други външни вибрационни явления, като открият техния източник, за да го елиминират. един Труден случайвъзникнали по време на фазата на проверка, каза изследователят на LIGO Джесика Макивър, която изучава подобни външни сигнали и смущения. Сред данните често се появява поредица от периодични едночестотни шумове. Когато тя и нейните колеги преобразуваха вибрациите на огледалата в аудио файлове, "звъненето на телефона стана ясно чуваемо", каза Макивър. „Оказа се, че комуникационните рекламодатели са провеждали телефонни разговори в лазерната стая.“

През следващите две години учените ще продължат да подобряват чувствителността на детекторите на модернизираната лазерна интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория LIGO. А в Италия ще започне да работи трети интерферометър, наречен Advanced Virgo. Един отговор, който откритията ще помогнат да се даде, е как се образуват черните дупки. Дали те са продукт на колапса на най-ранните масивни звезди или са резултат от сблъсъци в гъсти звездни купове? „Това са само две предположения, вярвам, че ще има още, когато нещата се успокоят“, казва Вайс. Тъй като LIGO започва да натрупва нови статистически данни в хода на предстоящата си работа, учените ще започнат да слушат истории за произхода на черните дупки, прошепнати им от космоса.

Съдейки по формата и размера, първият, най-силен импулсен сигнал се е появил на 1,3 милиарда светлинни години от мястото, където след цяла вечност бавен танц под въздействието на взаимно гравитационно привличане, две черни дупки, всяка с около 30 пъти масата на слънце, най-накрая се сляха. Черните дупки кръжаха все по-бързо и по-бързо, като водовъртеж, постепенно се приближаваха. След това имаше сливане и за миг те освободиха гравитационни вълни с енергия, сравнима с енергията на три слънца. Това сливане беше най-мощният енергиен феномен, регистриран някога.

„Сякаш никога не сме виждали океана в буря“, каза Торн. Той чака тази буря във време-пространството от 60-те години на миналия век. Чувството, което Торн изпита в момента, в който тези вълни се търкаляха, не може да се нарече вълнение, казва той. Беше нещо друго: чувство на дълбоко удовлетворение.

Материалите на ИноСМИ съдържат само оценки на чуждестранни медии и не отразяват позицията на редакторите на ИноСМИ.

11 февруари 2016 г

Буквално преди броени часове дойде новината, която беше дългоочаквана в научните среди. Група учени от няколко страни, работещи в рамките на международния проект LIGO Scientific Collaboration, казват, че с помощта на няколко обсерватории-детектори са успели да фиксират гравитационни вълни в лабораторията.

Те анализират данни от две лазерни интерферометрични гравитационно-вълнови обсерватории (LIGO), разположени в Луизиана и Вашингтон в Съединените щати.

Както беше посочено на пресконференцията на проекта LIGO, гравитационните вълни бяха регистрирани на 14 септември 2015 г. първо в една обсерватория, а след това след 7 милисекунди в друга.

Въз основа на анализа на получените данни, извършен от учени от много страни, включително от Русия, беше установено, че гравитационната вълна е причинена от сблъсъка на две черни дупки с маса 29 и 36 пъти масата на слънцето. След това те се сляха в една голяма черна дупка.

Това се е случило преди 1,3 милиарда години. Сигналът е дошъл на Земята от съзвездието Магеланов облак.

Сергей Попов (астрофизик от Държавния астрономически институт „Щернберг“ към Московския държавен университет) обясни какво представляват гравитационните вълни и защо е толкова важно да се измерват.

Съвременните теории за гравитацията са геометрични теории за гравитацията, повече или по-малко всичко от теорията на относителността. Геометричните свойства на пространството влияят върху движението на тела или обекти като светлинен лъч. И обратно – разпределението на енергията (това е същото като масата в пространството) влияе върху геометричните свойства на пространството. Това е много готино, защото е лесно да се визуализира - цялата тази еластична равнина, облицована в клетка, има определено физическо значение, въпреки че, разбира се, не всичко е толкова буквално.

Физиците използват думата "метрика". Метриката е това, което описва геометричните свойства на пространството. И тук имаме тела, движещи се с ускорение. Най-простото е, че краставицата се върти. Важно е например да не е топка и да не е сплескан диск. Лесно е да си представим, че когато такава краставица се върти на еластична равнина, от нея ще текат вълнички. Представете си, че стоите някъде и краставицата или ще обърне единия край към вас, или другия. Влияе на пространството и времето по различни начини, тече гравитационна вълна.

И така, гравитационната вълна е вълна, протичаща по метриката на пространство-времето.

Мъниста в космоса

Това е основно свойство на нашето основно разбиране за това как работи гравитацията и хората искат да го тестват от сто години. Те искат да са сигурни, че ефектът е налице и че е видим в лабораторията. В природата това се наблюдава още преди около три десетилетия. Как трябва да се проявяват гравитационните вълни в ежедневието?

Най-лесният начин да илюстрирате това е следният: ако хвърлите мъниста в пространството, така че да лежат в кръг и когато гравитационната вълна премине перпендикулярно на тяхната равнина, те ще започнат да се превръщат в елипса, компресирана по един или друг начин. Факт е, че пространството около тях ще бъде разстроено и те ще го почувстват.

"G" на Земята

Хората правят нещо подобно, само че не в космоса, а на Земята.

На разстояние четири километра едно от друго огледала висят под формата на буквата "g" (означава американските обсерватории LIGO).

Лазерните лъчи се движат - това е интерферометър, добре разбрано нещо. Съвременната технология дава възможност да се измери фантастично малък ефект. Все още не вярвам, вярвам, но просто не се вписва в главата ми - изместването на огледала, висящи на разстояние четири километра едно от друго, е по-малко от размера на атомно ядро. Това е малко дори в сравнение с дължината на вълната на този лазер. Това беше уловката: гравитацията е най-слабата сила и следователно преместванията са много малки.

Отне много време, хората се опитваха да направят това от 70-те години на миналия век, те прекараха живота си в търсене на гравитационни вълни. И сега само техническите възможности позволяват да се получи регистрация на гравитационна вълна в лабораторни условия, тоест ето, дойде и огледалата се изместиха.

Посока

До една година, ако всичко е наред, в света ще има три детектора. Три детектора са много важни, защото тези неща са много лоши при определяне на посоката на сигнала. Приблизително по същия начин, както чуваме лошо посоката на източника. „Звук от някъде вдясно“ - тези детектори усещат нещо подобно. Но ако трима души стоят на разстояние един от друг и единият чува звука отдясно, другият отляво, а третият отзад, тогава можем много точно да определим посоката на звука. Колкото повече детектори има, колкото повече са разпръснати по земното кълбо, толкова по-точно можем да определим посоката към източника и тогава ще започне астрономията.

В крайна сметка крайната задача е не само да се потвърди общата теория на относителността, но и да се получат нови астрономически знания. Представете си, че има черна дупка с тегло десет пъти масата на Слънцето. И се сблъсква с друга черна дупка, тежаща десет слънчеви маси. Сблъсъкът става със скоростта на светлината. Пробивна енергия. Това е вярно. Има го фантастично количество. И не… Това са просто вълни от пространство и време. Бих казал, че откриването на сливането на две черни дупки ще бъде най-надеждното потвърждение за дълго време, че черните дупки са черните дупки, за които мислим.

Нека да разгледаме проблемите и явленията, които може да разкрие.

Наистина ли съществуват черни дупки?

Сигналът, очакван от съобщението на LIGO, може да е бил произведен от две сливащи се черни дупки. Такива събития са най-енергичните известни; силата на гравитационните вълни, излъчвани от тях, може за кратко да засенчи общо всички звезди на наблюдаваната вселена. Сливането на черни дупки също е доста лесно за тълкуване от гледна точка на много чисти гравитационни вълни.

Сливането на черни дупки възниква, когато две черни дупки се въртят спираловидно една около друга, излъчвайки енергия под формата на гравитационни вълни. Тези вълни имат характерен звук (цвърчене), който може да се използва за измерване на масата на тези два обекта. След това черните дупки обикновено се сливат.

„Представете си два сапунени мехура, които се приближават толкова близо, че образуват един балон. По-голям балон се деформира“, казва Тибалт Дамур, теоретик на гравитацията в Института за напреднали изследвания. научно изследванеблизо до Париж. Последната черна дупка ще бъде идеално сферична, но първо трябва да излъчва гравитационни вълни от предвидим тип.

Едно от най-важните научни последствия от откриването на сливането на черни дупки ще бъде потвърждаването на съществуването на черни дупки - най-малкото идеално кръгли обекти, състоящи се от чисто, празно, извито пространство-време, както е предвидено от общата теория на относителността. Друго следствие е, че сливането протича според прогнозите на учените. Астрономите разполагат с много косвени доказателства за това явление, но досега това са наблюдения на звезди и прегрят газ, обикалящ около черни дупки, а не самите черни дупки.

„Научната общност, включително и аз, не харесва черните дупки. Ние ги приемаме за даденост, казва Франс Преториус, специалист по симулация на обща теория на относителността в Принстънския университет в Ню Джърси. „Но когато си помислите какво невероятно предсказание е това, имаме нужда от наистина невероятно доказателство.“

Дали гравитационните вълни се движат със скоростта на светлината?

Когато учените започнат да сравняват наблюденията на LIGO с тези на други телескопи, първото нещо, което проверяват, е дали сигналът е пристигнал по едно и също време. Физиците смятат, че гравитацията се предава от частици, наречени гравитони, гравитационният аналог на фотоните. Ако, подобно на фотоните, тези частици нямат маса, тогава гравитационните вълни ще се движат със скоростта на светлината, съответстваща на прогнозата за скоростта на гравитационните вълни в класическа теорияотносителност. (Тяхната скорост може да бъде повлияна от ускоряващото се разширяване на Вселената, но това трябва да се появи на разстояния, далеч над тези, обхванати от LIGO.)

Напълно възможно е обаче гравитоните да имат малка маса, което означава, че гравитационните вълни ще се движат със скорост, по-малка от светлината. Така например, ако LIGO и Virgo открият гравитационни вълни и открият, че вълните са пристигнали на Земята по-късно от гама лъчите, свързани с космическото събитие, това може да има променящи живота последици за фундаменталната физика.

Дали пространство-времето се състои от космически струни?

Още по-странно откритие може да се случи, ако бъдат открити изблици на гравитационни вълни, идващи от „космически струни“. Тези хипотетични дефекти в кривината на пространство-времето, които могат или не могат да бъдат свързани със струнните теории, трябва да са безкрайно тънки, но разтегнати на космически разстояния. Учените прогнозират, че космическите струни, ако съществуват, могат случайно да се пречупят; ако струната се пречупи, това ще предизвика гравитационен прилив, който детектори като LIGO или Virgo могат да измерят.

Могат ли неутронните звезди да бъдат назъбени?

Неутронните звезди са останките от големи звезди, които се сринаха под собствената си тежест и станаха толкова плътни, че електроните и протоните започнаха да се сливат в неутрони. Учените имат малко разбиране за физиката на неутронните дупки, но гравитационните вълни могат да разкажат много за тях. Например интензивната гравитация на тяхната повърхност кара неутронните звезди да станат почти съвършено сферични. Но някои учени предполагат, че те може да имат и "планини" - високи няколко милиметра - които правят тези плътни обекти с диаметър 10 километра, не повече, леко асиметрични. Неутронните звезди обикновено се въртят много бързо, така че асиметричното разпределение на масата ще изкриви пространство-времето и ще произведе постоянен гравитационен вълнов сигнал под формата на синусоида, забавяйки въртенето на звездата и излъчването на енергия.

Двойки неутронни звезди, които обикалят една около друга, също произвеждат постоянен сигнал. Подобно на черни дупки, тези звезди се спират и в крайна сметка се сливат с характерен звук. Но неговата специфика се различава от спецификата на звука на черните дупки.

Защо звездите експлодират?

Черните дупки и неутронните звезди се образуват, когато масивните звезди спрат да светят и се срутят в себе си. Астрофизиците смятат, че този процес е в основата на всички често срещани типове експлозии на свръхнова тип II. Симулациите на такива свръхнови все още не са показали защо се запалват, но се смята, че слушането на изблиците на гравитационни вълни, излъчвани от истинска супернова, дава отговора. В зависимост от това как изглеждат избухващите вълни, колко са силни, колко често се появяват и как корелират със свръхновите, наблюдавани от електромагнитни телескопи, тези данни могат да помогнат да се изключат куп съществуващи модели.

Колко бързо се разширява Вселената?

Разширяването на Вселената означава, че далечните обекти, които се отдалечават от нашата галактика, изглеждат по-червени, отколкото са в действителност, тъй като светлината, която излъчват, се разтяга, докато се движат. Космолозите оценяват скоростта на разширяване на Вселената, като сравняват червеното отместване на галактиките с това колко далеч са те от нас. Но това разстояние обикновено се оценява от яркостта на свръхновите тип Ia и тази техника оставя много несигурности.

Ако няколко детектора на гравитационни вълни по целия свят открият сигнали от едно и също сливане на неутронни звезди, заедно те могат да оценят точно силата на сигнала, а с него и разстоянието, на което е станало сливането. Те също така ще могат да оценят посоката и с това да идентифицират галактиката, в която се е случило събитието. Чрез сравняване на червеното отместване на тази галактика с разстоянието до сливащите се звезди може да се получи независима скорост на космическо разширение, може би по-точна, отколкото позволяват съвременните методи.

източници

http://www.bbc.com/russian/science/2016/02/160211_gravitational_waves

http://cont.ws/post/199519

Тук някак си разбрахме, но какво е и. Вижте как изглежда Оригиналната статия е на уебсайта InfoGlaz.rfЛинк към статията, от която е направено това копие -

В четвъртък, 11 февруари, група учени от международния проект LIGO Scientific Collaboration обявиха, че са успели, чието съществуване е предсказано от Алберт Айнщайн още през 1916 г. Според изследователите на 14 септември 2015 г. те са регистрирали гравитационна вълна, която е била причинена от сблъсъка на две черни дупки с маса 29 и 36 пъти масата на Слънцето, след което те са се слели в една голяма черна дупка . Според тях това се е случило предполагаемо преди 1,3 милиарда години на разстояние 410 мегапарсека от нашата галактика.

LIGA.net разказа подробно за гравитационните вълни и мащабно откритие Богдан Хнатик, украински учен, астрофизик, доктор на физико-математическите науки, водещ изследовател на Киевската астрономическа обсерватория национален университетна името на Тарас Шевченко, който ръководи обсерваторията от 2001 до 2004 г.

Теория обикновен език

Физиката изучава взаимодействието между телата. Установено е, че има четири вида взаимодействие между телата: електромагнитно, силно и слабо ядрено взаимодействие и гравитационно взаимодействиекоето всички чувстваме. Поради гравитационното взаимодействие планетите се въртят около Слънцето, телата имат тежест и падат на земята. Човешките същества постоянно се сблъскват с гравитационно взаимодействие.

През 1916 г., преди 100 години, Алберт Айнщайн изгради теория на гравитацията, която подобри теорията на гравитацията на Нютон, направи я математически правилна: тя започна да отговаря на всички изисквания на физиката, започна да взема предвид факта, че гравитацията се разпространява при много висока , но ограничена скорост. Това с право е едно от най-амбициозните постижения на Айнщайн, тъй като той изгражда теория за гравитацията, която съответства на всички феномени на физиката, които наблюдаваме днес.

Тази теория също предполага съществуването гравитационни вълни. Основата на това предсказание беше, че гравитационните вълни съществуват в резултат на гравитационното взаимодействие, което възниква поради сливането на две масивни тела.

Какво е гравитационна вълна

Сложен езиктова е възбуждането на метриката пространство-време. „Да кажем, че пространството има определена еластичност и вълните могат да преминават през него. Това е като когато хвърлим камъче във водата и вълните се разпръскват от него“, каза докторът на физико-математическите науки за LIGA.net.

Учените успяха експериментално да докажат, че такава флуктуация се е случила във Вселената и гравитационна вълна се разпространява във всички посоки. „За първи път феноменът на такава катастрофална еволюция на бинарна система беше записан чрез астрофизичен метод, когато два обекта се сливат в едно и това сливане води до много интензивно освобождаване на гравитационна енергия, която след това се разпространява в пространството в под формата на гравитационни вълни“, обясни ученият.

Как изглежда (снимка - EPA)

Тези гравитационни вълни са много слаби и за да могат да осцилират пространство-времето, е необходимо взаимодействието на много големи и масивни тела, така че силата на гравитационното поле да е голяма на мястото на генериране. Но въпреки тяхната слабост, наблюдателят след определено време (равно на разстоянието до взаимодействието, разделено на скоростта на сигнала) ще регистрира тази гравитационна вълна.

Да дадем пример: ако Земята падне върху Слънцето, тогава ще възникне гравитационно взаимодействие: ще се освободи гравитационна енергия, ще се образува гравитационна сферично-симетрична вълна и наблюдателят ще може да я регистрира. „Тук се случи подобно, но уникално от гледна точка на астрофизиката явление: две масивни тела – две черни дупки – се сблъскаха“, отбеляза Гнатик.

Обратно към теорията

Черната дупка е друго предсказание на общата теория на относителността на Айнщайн, което предвижда, че тяло, което има огромна маса, но тази маса е концентрирана в малък обем, може значително да изкриви пространството около себе си, чак до затварянето му. Тоест, предполагаше се, че когато се достигне критична концентрация на масата на това тяло - такава, че размерът на тялото ще бъде по-малък от така наречения гравитационен радиус, тогава пространството ще се затвори около това тяло и неговата топология ще да бъде такъв, че никакъв сигнал от него няма да се разпространи извън затвореното пространство не може.

„Тоест черна дупка, с прости думи, е масивен обект, който е толкова тежък, че затваря пространство-времето около себе си“, казва ученият.

И ние, според него, можем да изпращаме всякакви сигнали към този обект, но той не може да ни изпраща. Тоест никакви сигнали не могат да преминат извън черната дупка.

Черната дупка живее според обичайните физични закони, но в резултат на силната гравитация нито едно материално тяло, дори фотон, не може да излезе извън тази критична повърхност. Черните дупки се образуват по време на еволюцията на обикновените звезди, когато централното ядро ​​се разпада и част от материята на звездата, колабирайки, се превръща в черна дупка, а другата част от звездата се изхвърля под формата на обвивка на свръхнова, превръщайки се в така наречената "светкавица" на свръхнова.

Как видяхме гравитационната вълна

Да вземем пример. Когато имаме две плувки на повърхността на водата и водата е спокойна, разстоянието между тях е постоянно. Когато дойде вълна, тя измества тези поплавъци и разстоянието между поплавъците ще се промени. Вълната е преминала - и поплавъците се връщат в предишните си позиции и разстоянието между тях се възстановява.

Гравитационната вълна се разпространява по подобен начин в пространство-времето: тя компресира и разтяга телата и обектите, които се срещат по пътя си. "Когато определен обект се срещне по пътя на вълна, той се деформира по своите оси и след преминаването си се връща в предишната си форма. Под въздействието на гравитационната вълна всички тела се деформират, но тези деформации са много незначителен“, казва Hnatyk.

При преминаването на вълната, което беше регистрирано от учените, относителният размер на телата в космоса се промени със стойност от порядъка на 1 по 10 на минус 21-ва степен. Например, ако вземете метър линийка, тогава тя се свива с такава стойност, че това е нейният размер, умножен по 10 на минус 21-ва степен. Това е много малка сума. И проблемът беше, че учените трябваше да се научат как да измерват това разстояние. Конвенционалните методи дадоха точност от порядъка на 1 до 10 на 9-та степен на милион, но тук е необходима много по-висока точност. За целта са създадени така наречените гравитационни антени (детектори на гравитационни вълни).

Обсерватория LIGO (снимка - EPA)

Антената, записваща гравитационните вълни, е конструирана по следния начин: има две тръби с дължина около 4 километра, подредени под формата на буквата "L", но с еднакви рамена и под прав ъгъл. Когато върху системата падне гравитационна вълна, тя деформира крилете на антената, но в зависимост от ориентацията едното деформира повече, а другото по-малко. И тогава има разлика в пътя, моделът на смущение на сигнала се променя - има обща положителна или отрицателна амплитуда.

„Тоест преминаването на гравитационна вълна е подобно на вълна върху вода, преминаваща между два поплавъка: ако измерим разстоянието между тях по време и след преминаването на вълната, ще видим, че разстоянието ще се промени и след това ще стане пак същото — каза той.

Той също така измерва относителната промяна в разстоянието на двете крила на интерферометъра, всяко от които е дълго около 4 километра. И само много прецизни технологии и системи могат да измерят такова микроскопично изместване на крилата, причинено от гравитационна вълна.

На ръба на вселената: откъде идва вълната

Учените записаха сигнала с помощта на два детектора, които в Съединените щати се намират в два щата: Луизиана и Вашингтон на разстояние около 3 хиляди километра. Учените успяха да преценят откъде и от какво разстояние идва този сигнал. Оценките показват, че сигналът е дошъл от разстояние, което е 410 мегапарсека. Мегапарсек е разстоянието, което светлината изминава за три милиона години.

За по-лесно да си представим: най-близката до нас активна галактика със свръхмасивна черна дупка в центъра е Кентавър А, която е на четири мегапарсека от нашата, докато мъглявината Андромеда е на разстояние от 0,7 мегапарсека. "Тоест разстоянието, от което е дошъл сигналът на гравитационната вълна, е толкова голямо, че сигналът е отишъл до Земята за около 1,3 милиарда години. Това са космологични разстояния, които достигат около 10% от хоризонта на нашата Вселена", каза ученият.

На това разстояние в някаква далечна галактика се сляха две черни дупки. Тези дупки, от една страна, бяха относително малки по размер, а от друга страна, голямата амплитуда на сигнала показва, че са били много тежки. Установено е, че техните маси са съответно 36 и 29 слънчеви маси. Масата на Слънцето, както знаете, е стойност, равна на 2 по 10 на 30-та степен на килограм. След сливането тези две тела се сляха и сега на тяхно място се образува една черна дупка, която има маса, равна на 62 слънчеви маси. В същото време приблизително три маси на Слънцето се изпръскаха под формата на енергия от гравитационни вълни.

Кой и кога е направил откритието

Учените от международния проект LIGO успяха да засекат гравитационна вълна на 14 септември 2015 г. ЛИГО (Лазерна интерферометрична гравитационна обсерватория)е международен проект, в който участват редица държави с определен финансов и научен принос, по-специално САЩ, Италия, Япония, които са напреднали в областта на тези изследвания.

Професорите Райнер Вайс и Кип Торн (снимка – EPA)

Записана е следната картина: има изместване на крилете на гравитационния детектор, в резултат на реалното преминаване на гравитационна вълна през нашата планета и през тази инсталация. Тогава това не беше съобщено, защото сигналът трябваше да се обработи, да се "почисти", да се намери амплитудата му и да се провери. Това е стандартна процедура: от истинско откритие до обявяване на откритие са необходими няколко месеца, за да се издаде валиден иск. "Никой не иска да разваля репутацията им. Всичко това са секретни данни, преди публикуването на които - никой не знаеше за тях, имаше само слухове", каза Hnatyk.

История

Гравитационните вълни се изучават от 70-те години на миналия век. През това време бяха създадени редица детектори и редица фундаментални изследвания. През 80-те години американският учен Джоузеф Вебер построи първата гравитационна антена под формата на алуминиев цилиндър с размери от порядъка на няколко метра, оборудван с пиезо сензори, които трябваше да регистрират преминаването на гравитационна вълна.

Чувствителността на този инструмент беше милион пъти по-лоша от сегашните детектори. И, разбира се, той не можа наистина да поправи вълната по това време, въпреки че Вебер каза, че го е направил: пресата писа за това и настъпи "гравитационен бум" - светът веднага започна да изгражда гравитационни антени. Вебер насърчи други учени да изучават гравитационните вълни и да продължат експериментите си с това явление, което направи възможно увеличаването на чувствителността на детекторите милион пъти.

Самото явление на гравитационните вълни обаче е регистрирано през миналия век, когато учените откриха двоен пулсар. Това беше косвено регистриране на факта, че съществуват гравитационни вълни, доказано чрез астрономически наблюдения. Пулсарът е открит от Ръсел Хълс и Джоузеф Тейлър през 1974 г. по време на наблюдение с радиотелескопа на обсерваторията Аресибо. Учените са удостоени с Нобелова награда през 1993 г. "за откриването на нов тип пулсар, който дава нови възможности в изследването на гравитацията".

Изследвания в света и Украйна

В Италия подобен проект, наречен Virgo, е близо до завършване. Япония също възнамерява да пусне подобен детектор след година, Индия също подготвя такъв експеримент. Тоест на много места по света има подобни детектори, но те все още не са достигнали този режим на чувствителност, за да можем да говорим за фиксиране на гравитационни вълни.

„Официално Украйна не е член на LIGO и също така не участва в италианските и японските проекти. Сред такива фундаментални области Украйна сега участва в проекта LHC (LHC - Large Hadron Collider) и в CERN“ (ние ще официално станете член само след заплащане на входната такса) ", - каза Богдан Гнатик, доктор на физико-математическите науки, пред LIGA.net.

Според него от 2015 г. Украйна е пълноправен член на международната колаборация CTA (MChT-Cherenkov Telescope Array), която изгражда модерен телескоп мулти TeVширок гама диапазон (с енергия на фотоните до 1014 eV). "Основните източници на такива фотони са именно околностите на свръхмасивни черни дупки, чието гравитационно излъчване за първи път е регистрирано от детектора LIGO. Следователно отварянето на нови прозорци в астрономията - гравитационно-вълнови и мулти TeVНовото електромагнитно поле ни обещава много повече открития в бъдеще“, добавя ученият.

Какво следва и как новите знания ще помогнат на хората? Учените не са съгласни. Някои казват, че това е просто още една стъпка в разбирането на механизмите на Вселената. Други виждат това като първи стъпки към нови технологии за придвижване във времето и пространството. По един или друг начин, това откритие още веднъж доказа колко малко разбираме и колко много остава да научим.

Вчера светът беше шокиран от сензация: учените най-накрая откриха гравитационни вълни, съществуването на които Айнщайн предсказа преди сто години. Това е пробив. Изкривяването на пространство-времето (това са гравитационните вълни - сега ще обясним какво е какво) е открито в обсерваторията LIGO, а един от нейните основатели е - кой мислите? - Кип Торн, автор на книгата.

Разказваме защо откриването на гравитационните вълни е толкова важно, какво е казал Марк Зукърбърг и, разбира се, споделяме историята от първо лице. Кип Торн, както никой друг, знае как работи проектът, какво го прави необичаен и какво значение има LIGO за човечеството. Да, да, всичко е толкова сериозно.

Откриване на гравитационните вълни

Научният свят ще запомни завинаги датата 11 февруари 2016 г. На този ден участниците в проекта LIGO обявиха: след толкова много безплодни опити са открити гравитационни вълни. Това е реалността. Всъщност те бяха открити малко по-рано: през септември 2015 г., но вчера откритието беше официално признато. The Guardian смята, че учените със сигурност ще получат Нобелова наградапо физика.

Причината за гравитационните вълни е сблъсъкът на две черни дупки, който се случи вече ... милиард светлинни години от Земята. Представете си колко огромна е нашата вселена! Тъй като черните дупки са много масивни тела, те се вълнуват през пространство-времето, като го изкривяват малко. Така се появяват вълни, подобни на тези, които се разпространяват от камък, хвърлен във водата.

Ето как можете да си представите гравитационни вълни, идващи към Земята, например от дупка на червей. Рисунка от книгата „Интерстелар. Науката зад кулисите"

Получените вибрации се преобразуваха в звук. Интересното е, че сигналът от гравитационните вълни идва с приблизително същата честота като нашата реч. Така че можем да чуем със собствените си уши как черните дупки се сблъскват. Чуйте как звучат гравитационните вълни.

И знаете ли какво? Съвсем наскоро черните дупки са подредени по различен начин, отколкото се смяташе досега. Но в края на краищата нямаше никакви доказателства, че те съществуват по принцип. И сега има. Черните дупки наистина "живеят" във Вселената.

И така, според учените, катастрофата изглежда като - сливане на черни дупки, -.

На 11 февруари се проведе грандиозна конференция, която събра повече от хиляда учени от 15 страни. Присъстваха и руски учени. И, разбира се, не без Кип Торн. „Това откритие е началото на едно невероятно, великолепно търсене за хората: търсенето и изследването на извитата страна на Вселената – обекти и явления, създадени от изкривено пространство-време. Сблъсъкът на черни дупки и гравитационните вълни са първите ни забележителни проби“, каза Кип Торн.

Търсенето на гравитационни вълни е един от основните проблеми на физиката. Сега те са намерени. И гениалността на Айнщайн отново се потвърждава.

През октомври интервюирахме Сергей Попов, руски астрофизик и известен популяризатор на науката. Той погледна във водата! През есента: „Струва ми се, че сега сме на прага на нови открития, което се дължи главно на работата на детекторите на гравитационни вълни LIGO и VIRGO (Кип Торн току-що направи голям принос за създаването на проекта LIGO). ” Удивително, нали?

Гравитационни вълни, вълнови детектори и LIGO

Е, сега малко физика. За тези, които наистина искат да разберат какво представляват гравитационните вълни. Ето художествено представяне на линиите на тендекса на две черни дупки, обикалящи една около друга, обратно на часовниковата стрелка, и след това се сблъскват. Тендексните линии генерират приливна гравитация. Продължа напред. Линиите, които излизат от двете най-отдалечени точки на повърхностите на двойка черни дупки, опъват всичко по пътя си, включително приятеля на художника, който е влязъл в рисунката. Линиите, излизащи от зоната на сблъсък, компресират всичко.

Докато дупките се въртят една около друга, те следват линиите на тендекса, които са като водни струи от въртяща се пръскачка за морава. Снимка от книгата Interstellar. Науката зад кулисите е двойка черни дупки, които се сблъскват, въртящи се една около друга обратно на часовниковата стрелка, и техните тендексни линии.

Черните дупки се сливат в една голяма дупка; тя се деформира и се върти обратно на часовниковата стрелка, като влачи линиите на тендекса със себе си. Неподвижен наблюдател далеч от дупката ще усети вибрациите, когато линиите на тендекса преминават през него: разтягане, след това притискане, след това разтягане - линиите на тендекса се превръщат в гравитационна вълна. С разпространението на вълните деформацията на черната дупка постепенно намалява и вълните също отслабват.

Когато тези вълни достигнат Земята, те имат формата, показана в горната част на фигурата по-долу. Те се разтягат в едната посока и се компресират в другата. Разтяганията и притисканията варират (от червено дясно-ляво, до синьо дясно-ляво, до червено дясно-ляво и т.н.), докато вълните преминават през детектора в долната част на фигурата.

Гравитационни вълни, преминаващи през детектор LIGO.

Детекторът се състои от четири големи огледала (40 килограма, 34 сантиметра в диаметър), които са прикрепени към краищата на две перпендикулярни тръби, наречени рамена на детектора. Тендексните линии на гравитационните вълни разтягат едното рамо, докато компресират второто, а след това, напротив, компресират първото и разтягат второто. И така отново и отново. Чрез периодична промяна на дължината на рамената, огледалата се движат едно спрямо друго и тези измествания се проследяват с помощта на лазерни лъчи по начин, наречен интерферометрия. Оттук и името LIGO: Лазерна интерферометрична обсерватория за гравитационни вълни.

Контролен център LIGO, откъдето изпращат команди към детектора и следят получените сигнали. Гравитационните детектори на LIGO се намират в Ханфорд, Вашингтон и Ливингстън, Луизиана. Снимка от книгата „Интерстелар. Науката зад кулисите"

Сега LIGO е международен проект, включващ 900 учени от различни страни, със седалище в Калифорнийския технологичен институт.

Изкривената страна на вселената

Черни дупки, червееви дупки, сингулярности, гравитационни аномалии и измерения от по-висок порядък са свързани с кривината на пространството и времето. Ето защо Кип Торн ги нарича „извитата страна на Вселената“. Човечеството все още разполага с много малко експериментални и наблюдателни данни от извитата страна на Вселената. Ето защо отделяме толкова много внимание на гравитационните вълни: те са направени от извито пространство и осигуряват най-достъпния начин за изследване на извитата страна.

Представете си, че трябва да видите океана само когато е спокоен. Не бихте знаели за теченията, водовъртежите и бурните вълни. Това напомня на днешните ни познания за кривината на пространството и времето.

Ние не знаем почти нищо за това как изкривеното пространство и изкривеното време се държат "в буря" - когато формата на пространството се колебае бурно и когато скоростта на потока на времето се колебае. Това е необичайно примамлива граница на знанието. Ученият Джон Уилър въвежда термина "геометродинамика" за тези промени.

От особен интерес в областта на геометродинамиката е сблъсъкът на две черни дупки.

Сблъсък на две невъртящи се черни дупки. Модел от книгата „Интерстелар. Науката зад кулисите"

Фигурата по-горе показва момента, в който две черни дупки се сблъскват. Точно такова събитие позволи на учените да регистрират гравитационни вълни. Този модел е създаден за невъртящи се черни дупки. Отгоре: орбити и сенки от дупки, както се вижда от нашата Вселена. Средно: изкривено пространство и време, погледнато от лъча (високоизмерно хиперпространство); стрелките показват как пространството се привлича в движение, а променящите се цветове показват как се извива времето. Долу: Формата на излъчваните гравитационни вълни.

Гравитационни вълни от Големия взрив

Дума на Кип Торн. „През 1975 г. Леонид Грищук, моят добър приятел от Русия, направи сензационно изявление. Той каза, че в момента на Големия взрив са възникнали много гравитационни вълни и механизмът за тяхното възникване (неизвестен досега) е следният: квантови флуктуации (случайни колебания – бел.ред.)Гравитационното поле при Големия взрив е силно усилено от първоначалното разширяване на Вселената и по този начин се превръща в оригиналните гравитационни вълни. Тези вълни, ако могат да бъдат открити, могат да ни кажат какво се е случвало в момента на раждането на нашата вселена.

Ако учените открият оригиналните гравитационни вълни, ще разберем как е започнала Вселената.

Хората са разкрили далеч всички мистерии на Вселената. Все още напред.

През следващите години, когато нашето разбиране за Големия взрив се подобри, стана ясно, че тези първоначални вълни трябва да са силни при дължини на вълните, съизмерими с величината видима вселена, тоест на дължини от милиарди светлинни години. Можете ли да си представите колко е?.. И при дължини на вълните, които детекторите LIGO покриват (стотици и хиляди километри), вълните вероятно ще бъдат твърде слаби, за да ги разпознаят.

Екипът на Джейми Бок построи апарата BICEP2, който откри следи от първични гравитационни вълни. Корабът на Северния полюс е показан тук по време на здрач, който се случва там само два пъти годишно.

Апарат BICEP2. Изображение от книгата „Интерстелар. Науката зад кулисите"

Той е заобиколен от щитове, които предпазват кораба от радиация от заобикалящата го ледена покривка. В горния десен ъгъл има следа, открита в реликтовото излъчване - поляризационен модел. линии електрическо поленасочени по къси леки удари.

Следа от началото на вселената

В началото на 90-те години на миналия век космолозите осъзнаха, че тези дълги милиарди светлинни години гравитационни вълни трябва да са оставили уникален отпечатък върху електромагнитните вълни, които изпълват Вселената - така нареченият космически микровълнов фон или CMB. Това бележи началото на търсенето на Светия Граал. В крайна сметка, ако намерите тази следа и извлечете от нея свойствата на първоначалните гравитационни вълни, можете да разберете как се е родила Вселената.

През март 2014 г., докато Кип Торн пишеше тази книга, екипът на Джейми Бок, космолог от Калтех, чийто офис е до този на Торн, най-накрая откри тази следа в CMB.

Това е абсолютно невероятно откритие, но има един спорен момент: следата, открита от екипа на Джейми, не може да бъде причинена от гравитационни вълни, а от нещо друго.

Ако наистина се открие следа от гравитационни вълни от Големия взрив, тогава е имало космологично откритие на ниво, което се случва може би веднъж на всеки половин век. Дава възможност да се докоснете до събитията, случили се трилионна от трилионна от трилионна от секундата след раждането на Вселената.

Това откритие потвърждава теориите, че разширяването на Вселената в този момент е било изключително бързо, на жаргона на космолозите - инфлационна скорост. И предвещава настъпването на нова ера в космологията.

Гравитационни вълни и междузвездни вълни

Вчера на конференция за откриването на гравитационните вълни Валерий Митрофанов, ръководител на московската колаборация на учените LIGO, включваща 8 учени от Московския държавен университет, отбеляза, че сюжетът на филма Interstellar, макар и фантастичен, не е толкова далеч от реалността . И всичко това, защото научен консултант беше Кип Торн. Самият Торн изрази надежда, че вярва в бъдещи пилотирани полети до черна дупка. Нека не се случват веднага, както бихме искали, но днес е много по-реално, отколкото е било преди.

Не е далеч денят, когато хората ще напуснат пределите на нашата галактика.

Събитието разтърси съзнанието на милиони хора. Небезизвестният Марк Зукърбърг написа: „Откриването на гравитационните вълни е най-голямото откритие в съвременната наука. Алберт Айнщайн е един от моите герои, затова взех откритието толкова близо. Преди век в рамките на Общата теория на относителността (ОТО) той предрича съществуването на гравитационни вълни. Но те са толкова малки, за да бъдат открити, че започна да ги търсим в произхода на такива събития като Голям взрив, експлозии на звезди и сблъсъци на черни дупки. Когато учените анализират получените данни, пред нас ще се открие напълно нов поглед върху космоса. И може би това ще хвърли светлина върху произхода на Вселената, раждането и развитието на черните дупки. Много е вдъхновяващо да си помислим колко животи и усилия са вложени в разкриването на тази мистерия на Вселената. Този пробив стана възможен благодарение на таланта на брилянтни учени и инженери, хора от различни националности, както и най-новите компютърна технологиякоито се появиха съвсем наскоро. Поздравления за всички замесени. Айнщайн би се гордял с теб."

Такава е речта. И това е човек, който просто се интересува от наука. Човек може да си представи каква буря от емоции обхвана учените, допринесли за откритието. Изглежда сме свидетели на нова ера, приятели. Невероятно е.

P.S. Хареса ли ви? Абонирайте се за нашия бюлетин около хоризонта. Веднъж седмично изпращаме образователни писма и даваме отстъпки за книги на MIF.

Сега живеем във Вселена, изпълнена с гравитационни вълни.

Преди историческото съобщение в четвъртък сутринта от срещата на Националната научна фондация (NSF) във Вашингтон имаше само слухове, че Лазерната интерферометрична обсерватория за гравитационни вълни (LIGO) е открила ключов компонент от Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, но сега знаем реалността е по-дълбока, отколкото си мислехме.

С невероятна яснота LIGO успя да "чуе" момента преди сливането на двоичната система (две черни дупки, въртящи се една около друга) в едно цяло, създавайки толкова ясен сигнал на гравитационна вълна в съответствие с теоретичния модел, който не изискват дискусия. LIGO стана свидетел на "прераждането" на мощна черна дупка, което се случи преди около 1,3 милиарда години.

Гравитационните вълни винаги са преминавали и винаги ще преминават през нашата планета (всъщност преминават през нас), но едва сега знаем как да ги открием. Сега сме отворили очите си за различни космически сигнали, вибрации, причинени от известни енергийни събития, и сме свидетели на раждането на изцяло нова област на астрономията.

Звукът от сливането на две черни дупки:

„Сега можем да чуем Вселената", каза Габриела Гонзалес, физик и говорител на LIGO, по време на триумфалната среща в четвъртък. „Откритието постави началото на нова ера: полето на гравитационната астрономия вече е реалност."

Нашето място във Вселената се променя много и това откритие може да бъде фундаментално, като откриването на радиовълните и разбирането, че Вселената се разширява.

Теорията на относителността става все по-валидна

Опитите да се обясни какво представляват гравитационните вълни и защо са толкова важни са толкова сложни, колкото уравненията, които ги описват, но откриването им не само укрепва теориите на Айнщайн за природата на пространство-времето, но вече имаме инструмент за изследване на частта от Вселената, която беше невидим за нас. Сега можем да изучаваме космическите вълни, създадени от най-енергичните събития във Вселената, и може би да използваме гравитационните вълни, за да правим нови физически открития и да изследваме нови астрономически явления.

„Сега трябва да докажем, че разполагаме с технологията, за да надхвърлим откриването на гравитационните вълни, защото това отваря много възможности за нас“, каза Луис Ленър от Института за теоретична физика на Онтарио в интервю след изявлението в четвъртък.

Изследванията на Lehner се фокусират върху плътни обекти (като черни дупки), които създават мощни гравитационни вълни. Въпреки че не е свързан с колаборацията LIGO, Lehner бързо осъзна важността на това историческо откритие. „Няма по-добри сигнали“, каза той.

Откритието се основава на три пътя, разсъждава той. Първо, сега знаем, че съществуват гравитационни вълни и знаем как да ги открием. Второ, сигналът, открит от станциите LIGO на 14 септември 2015 г., е убедително доказателство за съществуването на двоична система от черни дупки, а всяка черна дупка тежи няколко десетки слънчеви маси. Сигналът е точно това, което очаквахме да видим в резултат на трудното сливане на две черни дупки, едната тежаща 29 пъти Слънцето, а другата 36 пъти. Трето, и може би най-важното, „възможността да бъдеш изпратен в черна дупка“ определено е най-силното доказателство за съществуването на черни дупки.

Космическа интуиция

Това събитие беше придружено от късмет, както много други научни открития. LIGO е най-много големи проектифинансиран от Националната научна фондация, който първоначално стартира през 2002 г. Оказа се, че след дълги години търсене на неуловимия сигнал на гравитационните вълни, LIGO не е достатъчно чувствителен и през 2010 г. обсерваториите са замразени, докато се осъществява международно сътрудничество за повишаване на тяхната чувствителност. Пет години по-късно, през септември 2015 г., се роди "подобреният LIGO".

По това време, съоснователят на LIGO и теоретичната физика в тежка категория Кип Торн беше уверен в успеха на LIGO, като каза на BBC: „Ние сме тук. Ударихме полето голяма игра. И е съвсем ясно, че ще повдигнем завесата на тайната.“ И той беше прав, няколко дни след реконструкцията вълна от гравитационни вълни заля нашата планета и LIGO беше достатъчно чувствителен, за да ги открие.

Тези сливания на черни дупки не се считат за нещо специално; изчислено е, че такива събития се случват на всеки 15 минути някъде във Вселената. Но това сливане се случи на правилното място (на разстояние от 1,3 милиарда светлинни години). точното време(преди 1,3 милиарда години), за да улови сигнала му от обсерваториите LIGO. Това беше чист сигнал от Вселената и Айнщайн го предсказа и неговите гравитационни вълни се оказаха реални, описвайки космическо събитие 50 пъти по-мощно от мощността на всички звезди във Вселената взети заедно. Тази огромна експлозия от гравитационни вълни беше записана от LIGO като високочестотен писукащ сигнал, когато черните дупки се свиха в една.

За да потвърди разпространението на гравитационните вълни, LIGO се състои от две наблюдателни станции, едната в Луизиана, другата във Вашингтон. За да се елиминират фалшивите положителни резултати, сигналът на гравитационната вълна трябва да бъде открит и на двете станции. На 14 септември резултатът е получен първо в Луизиана, а след 7 милисекунди и във Вашингтон. Сигналите съвпаднаха и с помощта на триангулацията физиците успяха да открият, че произхождат от небето на южното полукълбо.

Гравитационни вълни: как могат да бъдат полезни?

Така че имаме потвърждение за сигнала за сливане на черна дупка, и какво от това? Това е историческо откритие, което е разбираемо – преди 100 години Айнщайн дори не можеше да мечтае да открие тези вълни, но това се случи.

Общата теория на относителността е едно от най-задълбочените научни и философски постижения на 20-ти век и формира основата на най-интелектуалните изследвания в реалността. В астрономията приложенията на общата теория на относителността са ясни: от гравитационната леща до измерване на разширяването на Вселената. Но практическото приложение на теориите на Айнщайн изобщо не е ясно, но повечето модерни технологииизползвайте уроците от теорията на относителността в някои неща, които се смятат за прости. Например, вземете глобалните навигационни спътници, те няма да са достатъчно точни, освен ако не се приложи проста корекция за забавяне на времето (предвидено от теорията на относителността).

Ясно е, че общата теория на относителността има приложения в реалния свят, но когато Айнщайн представя своята теория през 1916 г., нейното приложение е силно съмнително, което изглежда очевидно. Той просто свърза Вселената, както я виждаше, и така се роди общата теория на относителността. И сега още един компонент от теорията на относителността е доказан, но как могат да се използват гравитационните вълни? Астрофизиците и космолозите определено са заинтригувани.

"След като съберем данни от двойки черни дупки, които ще действат като маяци, разпръснати из цялата Вселена", теоретичният физик Нийл Турок, директор на Института за теоретична физика каза в четвъртък по време на видео презентация, "Ще можем да измерим скоростта на разширяване на Вселената или количеството тъмна енергия с изключителна точност, много по-прецизна, отколкото можем днес.

„Айнщайн развива своята теория с някои улики от природата, но въз основа на логическа последователност. След 100 години ще видите много точно потвърждение на неговите прогнози.“

Освен това събитието от 14 септември има някои физични характеристики, които все още трябва да бъдат проучени. Например, Lehner забеляза, че чрез анализиране на сигнал от гравитационна вълна може да се измери "въртенето" или ъгловият импулс на сливането на черна дупка. „Ако работите върху теория от дълго време, трябва да знаете, че черната дупка има много, много специално въртене“, каза той.

Образуването на гравитационни вълни по време на сливането на две черни дупки:

По някаква причина окончателното въртене на черната дупка е по-бавно от очакваното, което показва, че черните дупки се сблъскват с ниска скорост или са били в такъв сблъсък, който е накарал съвместния ъглов момент да се противопостави една на друга. „Много е интересно, защо природата е направила това?“, каза Ленър.

Този скорошен пъзел може да върне някои основни физики, които са били пропуснати, но, което е по-интригуващо, може да разкрие "нова", необичайна физика, която не се вписва в общата теория на относителността. И това разкрива други приложения на гравитационните вълни: тъй като те са създадени от силни гравитационни явления, ние имаме способността да изследваме тази среда отдалеч, с възможни изненади по пътя. Освен това бихме могли да комбинираме наблюдения на астрофизични явления с електромагнитни сили, за да разберем по-добре структурата на Вселената.

Приложение?

Естествено, след огромните съобщения, направени от комплекса от научни открития, много хора извън научните среди се чудят как могат да им повлияят. Дълбочината на откритието може да бъде загубена, което, разбира се, се отнася и за гравитационните вълни. Но помислете за друг случай, когато Вилхелм Рьонтген открива през 1895 г рентгенови лъчи, докато експериментират с електроннолъчеви тръби, малко хора знаят, че само след няколко години тези електромагнитни вълни ще се превърнат в ключов компонент в ежедневната медицина от диагнозата до лечението. По същия начин, с първото експериментално създаване на радиовълни през 1887 г., Хайнрих Херц потвърждава известните електромагнитни уравнения на Джеймс Клерк Максуел. Едва след известно време през 90-те години на 20 век Гулиелмо Маркони, който създава радиопредавателя и радиоприемника, доказва тяхното практическо приложение. Освен това уравненията на Шрьодингер, които описват сложния свят на квантовата динамика, сега се използват в разработването на ултрабързи квантови изчисления.

Всички научни открития са полезни и много от тях в крайна сметка имат ежедневни приложения, които приемаме за даденост. В момента практическото приложение на гравитационните вълни е ограничено до астрофизиката и космологията - сега имаме прозорец в "тъмната вселена", който не се вижда от електромагнитното излъчване. Без съмнение учените и инженерите ще намерят други приложения за тези космически пулсации освен усещането на Вселената. Въпреки това, за да се открият тези вълни, трябва да има добър напредъкпо оптично инженерство в LIGO, в което с времето ще се появят нови технологии.