, САЩ
© REUTERS, Раздаване

Гравитационните вълни най-накрая са открити

Популярна наука

Колебанията в пространство-времето са открити век след като Айнщайн ги е предсказал. Започва нова ера в астрономията.

Учените откриха 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.

Това забележително откритие беше обявено днес от изследователи от Обсерваторията за гравитационни вълни с лазерен интерферометър (LIGO). Те потвърдиха слуховете, които обграждаха анализа на първия набор от данни, които събираха от месеци. Астрофизиците казват, че откритието на гравитационните вълни дава нови прозрения за Вселената и способността да се разпознават далечни събития, които не могат да се видят с оптични телескопи, но могат да бъдат усетени и дори чути, докато техните слаби вибрации достигат до нас през космоса.

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

Гравитационните вълни са може би най-неуловимият феномен от предсказанията на Айнщайн и ученият е обсъждал тази тема със своите съвременници в продължение на десетилетия. Според неговата теория пространството и времето образуват разтеглива 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 няколко пъти смени гледната си точка. Но дори и най-твърдите поддръжници на неговата теория смятаха, че гравитационните вълни във всеки случай са твърде слаби, за да бъдат наблюдавани. Те каскадират навън след определени катаклизми и докато се движат, последователно разтягат и компресират пространство-времето. Но докато тези вълни достигнат Земята, те са разтеглили и компресирали всеки километър пространство с малка част от диаметъра на атомно ядро.

© REUTERS, Hangout Детектор на обсерваторията LIGO в Ханфорд, Вашингтон

Откриването на тези вълни изискваше търпение и предпазливост. Обсерваторията LIGO изстреля лазерни лъчи напред-назад по четирикилометровите (4-километрови) ъглови рамена на два детектора, единият в Ханфорд, Вашингтон, а другият в Ливингстън, Луизиана. Това беше направено в търсене на съвпадащи разширения и свивания на тези системи по време на преминаването на гравитационните вълни. Използвайки най-съвременни стабилизатори, вакуумни инструменти и хиляди сензори, учените измерват промени в дължината на тези системи, малки като една хилядна от размера на протон. Подобна чувствителност на инструментите беше немислима преди сто години. Изглеждаше невероятно дори 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 открият тези малки вибрации!“ каза теоретичният физик от университета в Арканзас Даниел Кенефик, 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. Надеждата е, че ще имаме по-добро разбиране за образуването, състава и галактическата роля на черните дупки - тези свръхплътни топки от маса, които огъват пространство-времето толкова драматично, че дори светлината не може да избяга. Когато черните дупки се доближат една до друга и се слеят, те произвеждат импулсен сигнал - пространствено-времеви осцилации, които се увеличават по амплитуда и тон, преди да свършат внезапно. Тези сигнали, които обсерваторията може да запише, 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 с най-ниската нота и продължете до третата октава“, каза Вайс. — Това чуваме.

Физиците вече са изненадани от броя и силата на сигналите, които са регистрирани досега. 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 Кип Торн, който работи в Калифорнийския технологичен институт и създаде LIGO с Вайс и Роналд Древър, също в Калтек. „Това обикновено се случва, когато се отвори напълно 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 сравня това с първия път, когато насочихме телескоп към небето“, каза теоретичният астрофизик Джана Левин от колежа Барнард, Колумбийския университет. „Хората разбраха, че има нещо там и че може да се види, но не можеха да предскажат невероятния набор от възможности, които съществуват във Вселената.“ По същия начин, отбеляза Левин, откриването на гравитационните вълни може да покаже, че Вселената е „пълна с тъмна материя, която не можем лесно да открием с телескоп“.

Историята за откриването на първата гравитационна вълна започна в понеделник сутрин през септември и започна с гръм и трясък. Сигналът беше толкова ясен и силен, че Вайс си помисли: „Не, това са глупости, нищо няма да излезе от това.“

Интензивността на страстите

Това е първото гравитационна вълнапремина през модернизираните детектори на LIGO - първо в Ливингстън и седем милисекунди по-късно в Ханфорд - по време на симулация, стартирана рано на 14 септември, два дни преди официалното начало на събирането на данни.

Детекторите бяха тествани след надграждане, което 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 подобрената обсерватория по-високо ниво на чувствителност от стария LIGO, който между 2002 и 2010 г. откриваше „абсолютна и чиста нула“, както се изрази Вайс.

Когато мощният сигнал пристигна през септември, учените в Европа, където в този момент беше сутрин, започнаха набързо да бомбардират американските си колеги със съобщения над имейл. Когато останалата част от групата се събуди, новината се разпространи много бързо. Според Вайс почти всички са били скептични, особено когато са видели сигнала. Това беше истинска класика от учебниците, поради което някои хора го помислиха за фалшификат.

Неверни твърдения в търсенето на гравитационни вълни се правят многократно от края на 60-те години на миналия век, когато Джоузеф Вебер от университета в Мериленд смята, че е открил резонансни вибрации в алуминиев цилиндър, съдържащ сензори в отговор на вълните. През 2014 г. беше проведен експеримент, наречен BICEP2, резултатите от който обявиха откриването на първични гравитационни вълни - пространствено-времеви осцилации от Големия взрив, които сега се простират до на текуща основазамръзнал в геометрията на Вселената. Учените от екипа BICEP2 обявиха откритието си с голям шум, но след това резултатите им бяха подложени на независима проверка, по време на която се оказа, че грешат и че сигналът 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 „сляпо предположение“. По време на работата на старата обсерватория, симулирани сигнали бяха тайно вмъкнати в потоци от данни, за да се тества реакцията, без повечето от екипа да знаят за това. Когато Краус научи от осведомен източник, че този път не е „сляпо хвърляне“, той едва успя да сдържи радостното си вълнение.

На 25 септември той каза на своите 200 000 последователи в Twitter: „Слухове за гравитационна вълна, открита от детектора LIGO. Удивително, ако е истина. Ще ви дам подробностите, ако не е фалшификат. Това е последвано от запис от 11 януари: „Предишни слухове за LIGO бяха потвърдени от независими източници. Очаквайте още новини. 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 детайлида разберете как сигналът се е разпространил през хиляди измервателни канали на различни детектори и да разберете дали е имало нещо странно, когато сигналът е бил открит. Не откриха нищо необичайно. Те също така изключиха хакери, които биха имали най-добри познания за хилядите потоци от данни в експеримента. „Дори когато един отбор прави сляпо вкарване, те не са достатъчно перфектни и оставят много следи“, каза Торн. — Но тук нямаше следи.

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

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

Слушане на гравитацията

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

Първоначално Айнщайн смяташе, че обектите не могат да отделят енергия под формата на гравитационно излъчване, но след това промени гледната си точка. В своята забележителна работа, написана през 1918 г., той показва какви обекти могат да направят това: системи с форма на дъмбели, които се въртят по две оси едновременно, като двоични системи и свръхнови, 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 твърдяха, че дори вълните да съществуват, светът би вибрирал заедно с тях и би било невъзможно да ги усетим. Едва през 1957 г. Ричард Файнман затвори този въпрос, като демонстрира мисловен експериментче ако съществуват гравитационни вълни, те теоретично могат да бъдат открити. Но никой не знаеше колко разпространени са тези системи с форма на дъмбели в космоса или колко силни или слаби са получените вълни. „В крайна сметка въпросът беше: Ще успеем ли някога да ги открием?“ каза Кенефик.

През 1968 г. Райнер Вайс е млад професор в Масачузетския технологичен институт и му е възложено да преподава курс по обща теория на относителността. Тъй като беше експериментатор, той знаеше малко за това, но внезапно се появиха новини 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 съобщи, че и трите детектора са засекли „звука на гравитационните вълни“.

Учениците на Вайс бяха помолени да обяснят същността на гравитационните вълни и да изразят мнението си за посланието. Изучавайки подробностите, той беше изумен от сложността на математическите изчисления. „Не можех да разбера какво, по дяволите, прави Вебер, как сензорите взаимодействат с гравитационната вълна. Седях дълго време и се питах: „Кое е най-примитивното нещо, което мога да измисля, което ще открие гравитационни вълни?“ И тогава ми хрумна идея, която наричам концептуална 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 проверете дали времето се е променило.“ Оказва се, отбеляза ученият, че това може да стане бързо. „Възложих това на моите ученици като изследователска задача. Буквално цялата група успя да направи тези изчисления.

През следващите години, докато други изследователи се опитваха да повторят резултатите от експеримента на Вебер с резонансен детектор, но непрекъснато се проваляха (не е ясно какво е наблюдавал, но не бяха гравитационни вълни), Вайс започна да подготвя много по-прецизен и амбициозен експеримент: гравитационен- вълнов интерферометър. Лазерният лъч се отразява от три огледала, монтирани във формата на буквата “L” и образува два лъча. Интервалът между върховете и спадовете на светлинните вълни точно показва дължината на краката на буквата "L", които създават осите X и Y на пространство-времето. Когато скалата е неподвижна, двете светлинни вълни се отразяват 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 „L“ и компресира дължината на другото (и обратно на свой ред). Несъответствието на двата светлинни лъча създава сигнал в детектора, показващ леки колебания в пространство-времето.

Първоначално колегите физици изразиха скептицизъм, но експериментът скоро спечели подкрепата на Торн, чийто екип от теоретици в Калифорнийския технологичен институт изучаваше черни дупки и други потенциални източници на гравитационни вълни, както и сигналите, които генерират. Торн е вдъхновен от експеримента на Вебер и подобни усилия на руски учени. След като разговарях с Вайс на конференция 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 института да наеме шотландския експериментатор Роналд Дрийвър, който също каза, че ще построи интерферометър за гравитационни вълни. С течение на времето Торн, Драйвър и Вайс започват да работят в екип, като всеки решава своя дял от безбройните проблеми в подготовката за практическия експеримент. Триото създава LIGO през 1984 г. и след като прототипите са построени и сътрудничеството започва в рамките на непрекъснато разрастващ се екип, те получават 100 милиона долара финансиране от Националната научна фондация в началото на 90-те години. Бяха изготвени чертежи за изграждането на чифт гигантски L-образни детектори. Десетилетие по-късно детекторите започнаха да работят.

В Ханфорд и Ливингстън в центъра на всяко от четирикилометровите рамена на детектора има вакуум, благодарение на който лазерът, неговият лъч и огледалата са максимално изолирани от постоянните вибрации на планетата. За да бъдат още по-безопасни, учените от LIGO наблюдават своите детектори, докато работят с хиляди инструменти, измервайки всичко, което могат: сеизмична активност, атмосферно налягане, светкавици, появата на космически лъчи, вибрации на оборудването, звуци в зоната на лазерния лъч и др. След това те филтрират данните си от този външен фонов шум. Може би основното е, че те имат два детектора и това им позволява да сравняват получените данни, като ги проверяват за наличие на съвпадащи сигнали.

Контекст

Гравитационни вълни: завърши това, което Айнщайн започна в Берн

SwissInfo 13.02.2016 г

Как умират черните дупки

Среден 19.10.2014 г
Вътре в създадения вакуум, дори когато лазерите и огледалата са напълно изолирани и стабилизирани, „непрекъснато се случват странни неща“, казва Марко Кавалья, заместник прессекретар на проекта LIGO. Учените трябва да проследят тези „златни рибки“, „призраци“, „неясни морски чудовища“ и други външни вибрационни явления, като открият техния източник, за да го елиминират. един твърд калъфвъзникнали по време на фазата на тестване, каза изследователят на LIGO Джесика Макивър, която изучава подобни външни сигнали и смущения. Серия от периодични едночестотни шумове често се появява сред данните. Когато тя и нейните колеги преобразуваха вибрациите от огледалата в аудио файлове, „телефонът ясно се чу да звъни“, каза Макивър. „Оказа се, че телекомуникационните рекламодатели са извършвали телефонни разговори в лазерната стая.“

През следващите две години учените ще продължат да подобряват чувствителността на модернизираните детектори на лазерен интерферометър Gravitational-Wave Observatory на LIGO. А в Италия ще започне да работи трети интерферометър, наречен Advanced Virgo. Един от отговорите, които данните ще помогнат, е как се образуват черните дупки. Дали те са продукт на колапса на най-ранните масивни звезди или са създадени от сблъсъци в гъсти звездни купове? „Това са само две предположения, вярвам, че ще има още, когато всички се успокоят“, казва Вайс. Тъй като предстоящата работа на LIGO започва да натрупва нови статистики, учените ще започнат да слушат историите, които космосът им нашепва за произхода на черните дупки.

Съдейки по формата и размера му, първият, най-силен импулс е възникнал на 1,3 милиарда светлинни години от мястото, където две черни дупки, всяка около 30 пъти по-голяма от масата на слънцето, най-накрая са се слели след цяла вечност на бавен танц под въздействието на взаимно гравитационно привличане. Черните дупки кръжаха все по-бързо и по-бързо, като водовъртеж, постепенно се приближаваха. Тогава се случи сливането и за миг те освободиха гравитационни вълни с енергия, сравнима с тази на три слънца. Това сливане беше най-мощният енергиен феномен, регистриран някога.

„Сякаш никога не сме виждали океана по време на буря“, каза Торн. Той чакаше тази буря във времето от 60-те години на миналия век. Чувството, което Торн изпита, докато тези вълни се търкаляха, не беше точно вълнение, казва той. Беше нещо друго: чувство на дълбоко удовлетворение.

Материалите на InoSMI съдържат оценки изключително от чуждестранни медии и не отразяват позицията на редакцията на InoSMI.

11 февруари 2016 г

Само преди няколко часа пристигна новина, която беше дългоочаквана в научния свят. Група учени от няколко страни, работещи като част от международния проект LIGO Scientific Collaboration, казват, че с помощта на няколко детекторни обсерватории са успели да открият гравитационни вълни в лабораторни условия.

Те анализират данни, идващи от две гравитационно-вълнови обсерватории с лазерен интерферометър (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO), разположени в щатите Луизиана и Вашингтон в САЩ.

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

Въз основа на анализа на получените данни, извършен от учени от много страни, включително Русия, беше установено, че гравитационната вълна е причинена от сблъсъка на две черни дупки с маса 29 и 36 пъти по-голяма от масата на слънце 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 посоката на 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 на 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 кутия, има някакъв физически смисъл, въпреки че, разбира се, не всичко е толкова буквално.

Физиците използват думата "метрика". Метриката е нещо, което описва геометричните свойства на пространството. И тук имаме тела, движещи се с ускорение. Най-простото нещо е да завъртите краставицата. Важно е да не е например топка или 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 една краставица обръща единия край към вас, после 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. Искат да се уверят, че има ефект и той е видим в лабораторията. Това се наблюдава в природата 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 гравитационна вълна премине перпендикулярно на тяхната равнина, те ще започнат да се превръщат в елипса, компресирана първо в една посока, след това в другата. Въпросът е, че пространството около тях ще бъде нарушено и те ще го усетят.

"G" на Земята

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

На разстояние четири километра едно от друго висят огледала във формата на буквата "g" [има предвид американските обсерватории LIGO].

Пускат лазерни лъчи - това е интерферометър, добре разбрано нещо. Съвременните технологии позволяват измерването на фантастично малки ефекти. Все пак не че не вярвам, вярвам, но просто не мога да се замисля - преместването 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-слабото взаимодействие и следователно преместванията са много малки.

Отне много време, хората се опитват да направят това от 1970 г., те са прекарали живота си в търсене на гравитационни вълни. И сега само техническите възможности позволяват да се регистрира гравитационна вълна в лабораторни условия, тоест тя дойде тук и огледалата се изместиха.

Посока

До една година, ако всичко е наред, в света вече ще работят три детектора. Три детектора са много важни, защото тези неща са много лоши при определяне на посоката на сигнала. Почти по същия начин, по който сме лоши в определянето на посоката на източника на ухо. „Звук някъде отдясно“ - тези детектори усещат нещо подобно. Но ако трима души стоят на разстояние един от друг и единият чува звук отдясно, друг 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 ще можем да определим посоката към източника и тогава ще започне астрономията.

В края на краищата крайната цел е не само да се потвърди общата теория на относителността, но и да се получат нови астрономически знания. Само си представете, че има черна дупка с тегло десет слънчеви маси. И се сблъсква с друга черна дупка, тежаща десет слънчеви маси. Сблъсъкът става със скоростта на светлината. Енергиен пробив. това е вярно Има го фантастично количество. И няма как... Това са просто вълнички от пространство и време. Бих казал, че откриването на сливането на две черни дупки ще бъде най-силното доказателство за дълго време, че черните дупки са повече или по-малко черните дупки, които мислим, че са.

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 всички звезди в наблюдаваната вселена взети заедно. Сливането на черни дупки също е доста лесно за тълкуване от техните 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-големият балон е деформиран", казва Тибалт Дамур, теоретик на гравитацията в Института за напреднали научни изследванияблизо 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 сливания на черни дупки ще бъде потвърждението за съществуването на черни дупки - поне 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 имат много косвени доказателства за това явление, но досега това са наблюдения на звезди и прегрят газ в орбитата на черните дупки, а не самите черни дупки.

„Научната общност, включително и аз, не харесват 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 се замислим колко невероятно е това предсказание, 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 от други телескопи, първото нещо, което проверяват, е дали сигналът е пристигнал по едно и също време. Физиците смятат, че гравитацията се предава от частици гравитон, гравитационният аналог на фотоните. Ако, подобно на фотоните, тези частици нямат маса, тогава гравитационните вълни ще се движат със скоростта на светлината, в съответствие с 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 е очевидно на разстояния, значително по-големи от 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 след гама-лъчи, свързани с космически събития, това може да има променящи живота последици за фундаменталната физика.

Направено ли е пространство-времето от космически струни?

Още по-странно откритие може да се случи, ако бъдат открити изблици на гравитационни вълни, излъчвани 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 до космически разстояния. Учените прогнозират, че космическите струни, ако съществуват, могат случайно да се огънат; ако струната се огъне, това ще предизвика гравитационен прилив, който детектори като LIGO или Virgo могат да измерят.

Могат ли неутронните звезди да са бучки?

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 ни разкажат много за тях. Например интензивната гравитация на тяхната повърхност кара неутронните звезди да станат почти съвършено сферични. Но някои учени предполагат, че може да има и "планини" - високи няколко милиметра - които правят тези плътни обекти, не повече от 10 километра в диаметър, леко асиметрични. Неутронните звезди обикновено се въртят много бързо, така че асиметричното разпределение на масата ще изкриви пространство-времето и ще произведе постоянен сигнал от гравитационна вълна във формата на синусоида, забавяйки въртенето на звездата и излъчвайки енергия.

Двойки неутронни звезди, които обикалят една около друга, също произвеждат постоянен сигнал. Подобно на черни дупки, тези звезди се движат в спирала и накрая 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 масивни 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 какво ги кара да се запалят, но се смята, че слушането на изблиците на гравитационни вълни, излъчвани от истинска супернова, дава отговор. В зависимост от това как изглеждат избухващите вълни, колко са силни, колко често се появяват и как корелират със свръхновите, проследявани 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, защото 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 света засекат сигнали от сливането на едни и същи неутронни звезди, заедно те могат абсолютно точно да оценят обема на сигнала и следователно 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 е възможно 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.rfВръзка 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 тегло 29 и 36 пъти масата на Слънцето, след което те са се слели в една голяма черна дупка. Според тях това се е случило преди 1,3 милиарда години на разстояние 410 мегапарсека от нашата галактика.

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

Теория на прост 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. Хората постоянно се сблъскват с гравитационно взаимодействие.

През 1916 г., преди 100 години, Алберт Айнщайн изгражда теория на гравитацията, която подобрява теорията на гравитацията на Нютон, прави я математически правилна: тя започва да отговаря на всички изисквания на физиката и започва да взема предвид факта, че гравитацията се разпространява при много висока, но ограничена скорост. Това с право е едно от най-големите постижения на Айнщайн, тъй като той изгради 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

Труден езиктова е възбуждане на метриката пространство-време. „Да кажем, пространството има известна еластичност и вълните могат да преминават през него, подобно на това, когато хвърлим камъче във вода и вълните се разпръскват от него“, каза докторът на физико-математическите науки пред LIGA.net.

Учените успяха експериментално да докажат, че подобно трептене се е случило във Вселената и гравитационна вълна се разпространява във всички посоки. „Астрофизически за първи път беше регистрирано явлението на такава катастрофална еволюция на двойна система, 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 под формата на гравитационните вълни“, обясни ученият.

Как изглежда (снимка - EPA)

Тези гравитационни вълни са много слаби и за да могат да разтърсят пространство-времето, е необходимо взаимодействието на много големи и масивни тела, така че интензитетът на гравитационното поле да е висок в точката 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 се сблъскаха - две черни дупки“, отбеляза Гнатик.

Да се ​​върнем на 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, е способно значително да изкриви пространството около себе си, чак до неговото затваряне. 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 около това тяло ще бъде затворено и неговата топология ще 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 ги изпраща. Тоест никакви сигнали не могат да преминат извън черната дупка.

Черната дупка живее според обикновените 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 нареченото „избухване“ на свръхнова.

Как видяхме гравитационната вълна

Да дадем пример. Когато имаме две плувки на повърхността на водата и водата е спокойна, разстоянието между тях е постоянно. Когато пристигне 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 в пространството-времето по подобен начин: тя компресира и разтяга тела и обекти, които се срещат по нейния път. „Когато даден 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 Гнатик.

Когато вълната, която записаха учените, премина, относителният размер на телата в космоса се промени с количество от порядъка на 1 по 10 на минус 21-ва степен. Например, ако вземете линийка с метър, тогава тя се е свила с количество, което 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 към 10 на 9-та степен на милионите, но тук е необходима много по-висока точност. За тази цел са създадени така наречените гравитационни антени (детектори на гравитационни вълни).

Обсерватория LIGO (снимка - EPA)

Антената, записваща гравитационните вълни, е изградена по следния начин: има две тръби с дължина около 4 километра, разположени под формата на буквата „L“, но с еднакви рамена и под прав ъгъл. Когато гравитационната вълна удари система, тя деформира крилата на антената, но в зависимост от нейната ориентация, тя деформира едното повече, а другото по-малко. И тогава възниква разлика в пътя, моделът на смущение на сигнала се променя - появява се 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 Гнатик.

Тук се измерва относителната промяна в разстоянието на двете крила на интерферометъра, всяко от които е с дължина около 4 километра. И само много прецизни технологии и системи могат да измерват 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 се намират в два щата в Съединените щати: 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 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 се намира на разстояние четири мегапарсека от нашата, докато мъглявината Андромеда е на разстояние 0,7 мегапарсека. „Тоест разстоянието, от което идва сигналът на гравитационната вълна, е толкова голямо, че сигналът е пътувал до Земята приблизително 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, са сравнително 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. Масата на Слънцето, както е известно, е 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 това изследване.

Професорите Райнер Вайс и Кип Торн (снимка – EPA)

Записана е следната картина: крилата на гравитационния детектор се изместват 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, „почисти“, да се намери и провери амплитудата му. Това е стандартна процедура: от самото откритие до обявяването на откритието са необходими няколко месеца, за да се издаде обосновано изявление. „Никой не иска да разваля репутацията им, всичко това са секретни данни, преди публикуването на които никой не знаеше, имаше само слухове“, отбеляза Хнатик.

История

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

Чувствителността на това устройство беше милион пъти по-лоша от сегашните детектори. И, разбира се, тогава той наистина не можа да открие вълната, въпреки че Вебер заяви, че го е направил: пресата писа за това и настъпи „гравитационен бум“ - светът веднага започна да изгражда гравитационни антени. Вебер насърчи други учени да се заемат с гравитационните вълни и да продължат експериментите върху 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 косвен запис на факта, че гравитационните вълни съществуват, доказано чрез астрономически наблюдения. Пулсарът е открит от Ръсел Хълс и Джоузеф Тейлър през 1974 г. по време на наблюдения с радиотелескопа на обсерваторията Аресибо. Учените са удостоени с Нобелова награда през 1993 г. "за откриването на нов тип пулсар, който предостави нови възможности в изследването на гравитацията".

Изследвания в света и Украйна

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

„Официално Украйна не е част от LIGO и също така не участва в италианските и японските проекти. Сред тези фундаментални области Украйна сега участва в проекта LHC (Големия адронен колайдер) и в CERN (ще станем официално участник). след заплащане на входната такса) “, каза докторът на физико-математическите науки Богдан Гнатик пред LIGA.net.

Според него от 2015 г. Украйна е пълноправен член на международната колаборация CTA (Cerenkov Telescope Array), която изгражда модерен мултителескоп TeVдълъг 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 се отварят нови прозорци в астрономията - гравитационна вълна и мулти TeV„Електромагнитната технология на nogo 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 само следващата 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 за пореден път доказа колко малко разбираме и колко много остава да научим.

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

Разказваме ви защо откриването на гравитационните вълни е толкова важно, какво каза 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 напразни 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, станал вече... на милиард светлинни години от Земята. Представяте ли си колко огромна е нашата Вселена! Тъй като черните дупки са много масивни тела, те изпращат вълни през пространство-времето, като го изкривяват леко. 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 достига 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 познайте какво? Съвсем наскоро черните дупки не са структурирани, както се смяташе досега. Но изобщо нямаше доказателства, че те съществуват по принцип. И сега има. Черните дупки наистина „живеят“ във Вселената.

Ето как изглежда според учените една катастрофа — 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, имаше 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. Сблъсъците на черни дупки и гравитационните вълни са първите ни забележителни примери“, каза Кип Торн.

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

През октомври интервюирахме Сергей Попов, руски астрофизик и известен популяризатор на науката. Изглеждаше сякаш гледа във вода! През есента: „Струва ми се, че сега сме на прага на нови открития, което е свързано предимно с работата на детекторите на гравитационни вълни LIGO и VIRGO (Кип Торн 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 изображение 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. Да продължим. Линиите, които излизат от двете най-отдалечени една от друга точки върху повърхностите на двойка черни дупки, опъват всичко по пътя си, включително приятеля на художника в рисунката. Линиите, излизащи от зоната на сблъсък, компресират всичко.

Тъй като дупките се въртят една около друга, те се носят по протежение на тендексните си линии, които приличат на потоци вода от въртяща се пръскачка на морава. На снимката от книгата „Интерстелар. Наука зад кулисите" - 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, влачейки със себе си линии на тендекса. Стационарен наблюдател далеч от дупката ще почувства вибрации, докато тендексните линии преминават през него: разтягане, след това компресия, след това разтягане - тендексните линии са се превърнали в гравитационна вълна. С разпространението на вълните деформацията на черната дупка постепенно намалява и вълните също отслабват.

Когато тези вълни достигнат Земята, те изглеждат като тези, показани в горната част на фигурата по-долу. Те се разтягат в едната посока и се компресират в другата. Разширенията и компресиите осцилират (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 едната ръка, докато компресират втората, а след това, напротив, компресират първата и разтягат втората. И така отново и отново. Тъй като дължината на рамената се променя периодично, огледалата се движат едно спрямо друго и тези движения се проследяват с помощта на лазерни лъчи по начин, наречен интерферометрия. Оттук и името LIGO: Лазерна интерферометърна гравитационно-вълнова обсерватория.

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.

Извитата страна на Вселената

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

Представете си, че виждате 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 извитото пространство и извитото време се държат „в буря“ – когато формата на пространството се колебае бурно и когато скоростта на времето се колебае. Това е невероятно 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"

Снимката 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: извито пространство и време, изглед от обема (многоизмерно хиперпространство); Стрелките показват как пространството е включено в движението, а променящите се цветове показват как се огъва времето. Долу: Формата на излъчваните гравитационни вълни.

Гравитационни вълни от Големия взрив

Към 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 на техния произход (неизвестен досега) е следният: квантови флуктуации (случайни колебания - бележка на редактора)гравитационните полета по време на Големия взрив са значително засилени от първоначалното разширяване на Вселената и по този начин се превръщат в оригиналните гравитационни вълни. Тези вълни, ако бъдат открити, биха могли да ни кажат какво се е случило при раждането на нашата Вселена."

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

Хората са разрешили далеч всички мистерии на Вселената. Предстои още.

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

Екипът на Джейми Бок построи апарата BICEP2, с който бе открита следата от оригиналните гравитационни вълни. Устройството, разположено на Северния полюс, е показано тук по време на здрач, който се случва там само два пъти в годината.

устройство BICEP2. Изображение от книгата Interstellar. Науката зад кулисите"

Той е заобиколен от щитове, които предпазват устройството от радиация от заобикалящата го ледена покривка. В горния десен ъгъл има следа, открита в космическото микровълново фоново лъчение - поляризационен модел. Линии електрическо поленасочени по къси леки удари.

Следа от началото на Вселената

В началото на деветдесетте години космолозите осъзнаха, че тези гравитационни вълни, дълги милиарди светлинни години, трябва да са оставили уникална следа в електромагнитните вълни, които изпълват Вселената - така наречения космически микровълнов фон или космическо микровълново фоново лъчение. Това започна търсенето на Светия Граал. В крайна сметка, ако открием тази следа и изведем от нея свойствата на първоначалните гравитационни вълни, можем да разберем 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 в съседство с този на Торн, най-накрая откри тази следа в космическото микровълново фоново лъчение.

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

Ако наистина бъде открита следа от гравитационните вълни, възникнали по време на Големия взрив, това означава, че е настъпило космологично откритие на ниво, което се случва може би веднъж на половин век. Дава ви шанс да се докоснете до събитията, които са се случили една трилионна от една трилионна от една 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 - инфлационно бързо. И предвещава настъпването на нова ера в космологията.

Гравитационни вълни и междузвездни вълни

Вчера, на конференция за откриването на гравитационните вълни, Валери Митрофанов, ръководител на московската колаборация от учени LIGO, която включва 8 учени от Московския държавен университет, отбеляза, че сюжетът на филма „Интерстелар“, макар и фантастичен, не е толкова далеч от реалността. И всичко това, защото Кип Торн беше научен консултант. Самият Торн изрази надежда, че вярва в бъдещи пилотирани полети до черна дупка. Те може да не се случат толкова скоро, колкото ни се иска, но днес е много по-реално, отколкото е било преди.

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

Събитието разбуни умовете 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 приех откритието толкова лично. 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 блестящи учени и инженери, хора от различни националности, както и най-новите компютърни технологии, който се появи съвсем наскоро. Поздравления за всички замесени. Айнщайн би се гордял с теб."

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

P.S.: Хареса ли ви? Абонирайте се за нашия бюлетин на хоризонти. Веднъж седмично изпращаме образователни писма и даваме отстъпки за книги MYTH.

Сега живеем във Вселена, изпълнена с гравитационни вълни.

До историческото съобщение в четвъртък сутринта от срещата на Националната научна фондация (NSF) във Вашингтон имаше само слухове, че лазерно-интерферометърната гравитационно-вълнова обсерватория (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 бинарна система (две черни дупки, обикалящи една около друга) да се слеят в едно цяло, създавайки сигнал от гравитационна вълна, толкова ясен в съответствие с теоретичния модел, че не изисква обсъждане . 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 ще 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:

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

Нашето място във Вселената се променя драматично и това откритие може да бъде също толкова фундаментално, колкото откриването на радиовълните и разбирането, че Вселената се разширява.

Теорията на относителността става по-ценна

Опитът да се обясни какво представляват гравитационните вълни и защо са толкова важни е толкова сложен, колкото и уравненията, които ги описват, но тяхното откриване не само укрепва теориите на Айнщайн за природата на пространство-времето, но вече имаме инструмент за изследване на части от Вселената които бяха невидими за нас. Сега можем да изучаваме космическите вълни, създадени от най-енергийните събития, случващи се 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“, каза Люис Ленър от Института по теоретична физика в Онтарио в интервю след съобщението в четвъртък.

Изследванията на Lehner се фокусират върху плътни обекти (като черни дупки), които създават мощни гравитационни вълни. Въпреки че не е свързан със сътрудничеството на 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 от бурното сливане на две черни дупки, едната тежаща 29 пъти по-голяма от Слънцето, другата 36 пъти. Трето, и може би най-важно, „способността да бъдеш изпратен в черна дупка“ 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 голям проект, финансиран от Националната научна фондация, който първоначално стартира през 2002 г. Оказа се, че след дълги години търсене на неуловимия сигнал на гравитационни 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. Стигнахме до терена страхотна игра. И е съвсем ясно, че ще повдигнем завесата на тайната.“ - И той беше прав, няколко дни след реконструкцията изблик на гравитационни вълни премина през 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 конкретно сливане се случи на правилното място (на разстояние от 1,3 милиарда светлинни години) в 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. Този огромен изблик на гравитационни вълни е записан от LIGO като високочестотен сигнал с линейна честотна модулация, докато черните дупки се спирали заедно и се сливат в едно.

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 аларми, сигналът на гравитационната вълна трябва да бъде открит и на двете станции. На 14 септември резултатът е получен първо в Луизиана, а 7 милисекунди по-късно във Вашингтон. Сигналите съвпаднаха и с помощта на триангулацията физиците успяха да разберат, че произхождат от небесното пространство на южното полукълбо.

Гравитационни вълни: как могат да бъдат полезни?

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

Общата теория на относителността беше едно от най-дълбоките научни и философски прозрения на 20-ти век и формира основата на някои от най-интелигентните изследвания в действителност. 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 сателитите за глобално позициониране, те няма да бъдат достатъчно точни, освен ако не се приложи проста корекция на забавянето 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“, каза физикът-теоретик Нийл Турок, директор на Института за теоретична физика, по време на видео презентация в четвъртък скорост.” разширяване на Вселената или количеството тъмна енергия с изключителна точност, много по-точно, отколкото можем днес.”

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

Освен това събитието от 14 септември има някои физически характеристики, които все още трябва да бъдат проучени. Например, Lehner отбеляза, че от анализа на сигнала на гравитационната вълна е възможно да се измери "въртенето" или ъгловият импулс на сливаща се черна дупка. „Ако сте работили върху теорията дълго време, ще 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 причинил общ ъглов импулс, противопоставящ се една на друга. „Много интересно, защо природата е направила това?“, каза Ленър.

Тази скорошна мистерия 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 подчертава други употреби 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 огромни съобщения, направени от набор от научни открития, много хора извън научната общност се чудят как могат да бъдат засегнати. Дълбочината на откритието може да се загуби, което, разбира се, се отнася и за гравитационните вълни. Но помислете за друг случай, когато Вилхелм Рьонтген открива през 1895 г рентгенови лъчи, по време на експерименти с електроннолъчеви тръби, малко хора знаят, че само няколко години по-късно 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. Само след известно време през 90-те години на 20-ти век Гулиелмо Маркони, който създава радиопредавател и радиоприемник, доказа тяхното практическо приложение. Освен това уравненията на Шрьодингер, които описват сложния свят на квантовата динамика, сега се използват в разработването на ултра-бързи квантови изчисления.

Всички научни открития са полезни и много от тях в крайна сметка имат ежедневни приложения, които приемаме за даденост. Понастоящем практическите приложения на гравитационните вълни са ограничени до астрофизиката и космологията - сега имаме прозорец към „тъмната вселена“, невидим за електромагнитното излъчване. Без съмнение учените и инженерите ще намерят други приложения за тези космически пулсации, освен да изследват 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.