, STATELE UNITE ALE AMERICII
© REUTERS, Fișă

Undele gravitaționale descoperite în sfârșit

Știința Populară

Oscilațiile în spațiu-timp sunt descoperite la un secol după ce au fost prezise de Einstein. Începe o nouă eră în astronomie.

Oamenii de știință au reușit să detecteze fluctuațiile spațiu-timp cauzate de fuziunile găurilor negre. Acest lucru s-a întâmplat la o sută de ani după ce Albert Einstein a prezis aceste „unde gravitaționale” în teoria sa generală a relativității și la o sută de ani după ce fizicienii au început să le caute.

Descoperirea de referință a fost raportată astăzi de cercetătorii de la Observatorul LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave. Ei au confirmat zvonurile care înconjoară analiza primului set de date pe care l-au colectat de câteva luni. Astrofizicienii spun că descoperirea undelor gravitaționale oferă o nouă modalitate de a privi universul și face posibilă recunoașterea evenimentelor îndepărtate care nu pot fi văzute cu telescoapele optice, dar poți simți și chiar auzi tremurul lor slab ajungând la noi prin spațiu.

„Am detectat unde gravitaționale. Am reusit!" David Reitze, director executiv al echipei de cercetare de 1.000 de membri, a anunțat astăzi la o conferință de presă la Washington DC la National Science Foundation.

Undele gravitaționale sunt poate cel mai evaziv fenomen al predicțiilor lui Einstein, omul de știință a discutat acest subiect cu contemporanii săi timp de decenii. Conform teoriei sale, spațiul și timpul formează o materie care se întinde, care se îndoaie sub influența obiectelor grele. A simți gravitația înseamnă a cădea în curbele acestei materii. Dar poate acest spațiu-timp să tremure ca pielea unei tobe? Einstein era confuz, nu știa ce înseamnă ecuațiile lui. Și și-a schimbat în mod repetat punctul de vedere. Dar chiar și cei mai convinși susținători ai teoriei sale credeau că undele gravitaționale sunt prea slabe pentru a fi observate oricum. Ele cascadă în exterior după anumite cataclisme și alternativ se întind și comprimă spațiu-timp pe măsură ce se mișcă. Dar, în momentul în care aceste valuri ajung pe Pământ, ele se întind și comprimă fiecare kilometru de spațiu cu o mică fracțiune din diametrul unui nucleu atomic.

© REUTERS, Detectorul observatorului Hangout LIGO din Hanford, Washington

Pentru a detecta aceste valuri, a fost nevoie de răbdare și prudență. Observatorul LIGO a tras raze laser înainte și înapoi de-a lungul genunchilor în unghi drept, lungi de patru kilometri, a două detectoare, unul în Hanford, Washington, și celălalt în Livingston, Louisiana. Acest lucru a fost făcut în căutarea unor expansiuni și contracții potrivite ale acestor sisteme în timpul trecerii undelor gravitaționale. Folosind stabilizatori de ultimă generație, instrumente de vid și mii de senzori, oamenii de știință au măsurat modificările lungimii acestor sisteme, de până la o miime din dimensiunea unui proton. O asemenea sensibilitate a instrumentelor era de neconceput acum o sută de ani. Părea incredibil în 1968, când Rainer Weiss de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts a conceput un experiment numit LIGO.

„Este un mare miracol că până la urmă au reușit. Au fost capabili să capteze acele vibrații minuscule!” a spus fizicianul teoretician de la Universitatea din Arkansas, Daniel Kennefick, care a scris cartea din 2007 Călătorind cu viteza gândirii: Einstein și căutarea undelor gravitaționale.

Această descoperire a marcat începutul unei noi ere în astronomia undelor gravitaționale. Se speră că vom avea idei mai precise despre formarea, compoziția și rolul galactic al găurilor negre - acele bile supradense de masă care deformează spațiu-timp atât de puternic încât nici măcar lumina nu poate scăpa din el. Când găurile negre se apropie una de cealaltă și se contopesc, ele generează un semnal de impuls - fluctuații spațiu-timp care cresc în amplitudine și ton și apoi se termină brusc. Acele semnale pe care observatorul le poate detecta sunt în domeniul audio - cu toate acestea, sunt prea slabe pentru a fi auzite de urechea goală. Puteți recrea acest sunet trecând degetele peste tastele pianului. „Începe cu cea mai joasă notă și mergi până la a treia octavă”, a spus Weiss. — Așa auzim.

Fizicienii sunt deja surprinși de numărul și puterea semnalelor care sunt înregistrate în acest moment. Aceasta înseamnă că există mai multe găuri negre în lume decât se credea anterior. „Am fost norocoși, dar am contat întotdeauna pe acest tip de noroc”, a spus astrofizicianul Caltech Kip Thorne, care a creat LIGO împreună cu Weiss și Ronald Drever, de asemenea de la Caltech. „Se întâmplă de obicei când se deschide o fereastră complet nouă în univers.”

Ascultând undele gravitaționale, ne putem forma idei complet diferite despre spațiu și poate descoperi fenomene cosmice de neimaginat.

„O pot compara cu prima dată când am îndreptat un telescop spre cer”, a spus astrofizicianul teoretic Janna Levin de la Colegiul Barnard de la Universitatea Columbia. „Oamenii au înțeles că există ceva acolo și poți să-l vezi, dar nu au putut prezice gama incredibilă de posibilități care există în univers.” În mod similar, a observat Levin, descoperirea undelor gravitaționale ar putea arăta că universul este „plin de materie întunecată pe care nu o putem detecta doar cu un telescop”.

Povestea descoperirii primei unde gravitaționale a început luni dimineața în septembrie și a început cu bumbacul. Semnalul a fost atât de clar și de tare, încât Weiss s-a gândit: „Nu, asta e o prostie, nu va ieși nimic”.

Intensitatea emoțiilor

Aceasta prima undă gravitațională a răsturnat detectoarele LIGO modernizat — mai întâi la Livingston și șapte milisecunde mai târziu la Hunford — în timpul unei simulari la primele ore ale zilei de 14 septembrie, cu două zile înainte de începerea oficială a colectării datelor.

Detectoarele au fost „rulate” după modernizarea, care a durat cinci ani și a costat 200 de milioane de dolari. Au fost echipate cu noi suspensii de oglindă pentru reducerea zgomotului și un activ părere pentru a suprima vibrațiile străine în timp real. Upgrade-ul a oferit observatorului modernizat un nivel de sensibilitate mai mare decât vechiul LIGO, care a găsit „zero absolut și pur” între 2002 și 2010, așa cum spunea Weiss.

Când a venit un semnal puternic în septembrie, oamenii de știință din Europa, unde era dimineață în acel moment, au început să-și bombardeze în grabă colegii americani cu mesaje pe e-mail. Când restul grupului s-a trezit, vestea s-a răspândit foarte repede. Practic, toată lumea a fost sceptică, a spus Weiss, mai ales când au văzut semnalul. A fost un adevărat clasic manual, așa că unii oameni au crezut că este fals.

Afirmații false în căutarea undelor gravitaționale au fost făcute de multe ori de la sfârșitul anilor 1960, când Joseph Weber de la Universitatea din Maryland credea că a detectat oscilații rezonante într-un cilindru de aluminiu cu senzori ca răspuns la unde. În 2014, a avut loc un experiment numit BICEP2, în urma căruia s-a anunțat că descoperirea undelor gravitaționale primordiale - fluctuații spațiu-timp de la Big Bang, care până acum s-au extins până la bază permanentăîncremenit în geometria universului. Oamenii de știință din grupul BICEP2 și-au anunțat descoperirea cu mare furie, dar apoi rezultatele lor au fost verificate independent, timp în care s-a dovedit că au greșit și că acest semnal a venit din praful cosmic.

Când cosmologul de la Universitatea de Stat din Arizona, Lawrence Krauss, a auzit despre descoperirea echipei LIGO, inițial a crezut că este o „înșelătorie oarbă”. În timpul funcționării vechiului observator, semnalele simulate au fost introduse pe furiș în fluxurile de date pentru a testa răspunsul, iar majoritatea personalului nu știa despre asta. Când Krauss a aflat de la o sursă informată că de data aceasta nu a fost o „umplutură oarbă”, cu greu și-a putut stăpâni entuziasmul plin de bucurie.

Pe 25 septembrie, el a postat pe Twitter celor 200.000 de urmăritori ai săi: „Zvonuri despre detectarea unei unde gravitaționale la detectorul LIGO. Uimitor dacă adevărat. Vă voi anunța detaliile dacă nu este fals. Urmează o intrare din 11 ianuarie: „Foste zvonuri despre LIGO confirmate de surse independente. Urmăriți știrile. Poate că au fost descoperite unde gravitaționale!”

Poziția oficială a oamenilor de știință a fost următoarea: nu vorbiți despre semnalul primit până nu există o certitudine sută la sută. Thorne, legat mâini și picioare de această obligație de a păstra secretul, nici măcar nu i-a spus nimic soției sale. „Am sărbătorit singur”, a spus el. Pentru început, oamenii de știință au decis să se întoarcă la început și să analizeze totul înainte cele mai mici detalii, pentru a afla cum s-a propagat semnalul prin mii de canale de măsurare ale diverșilor detectoare și pentru a înțelege dacă a existat ceva ciudat în momentul în care a fost detectat semnalul. Nu au găsit nimic ieșit din comun. De asemenea, au exclus hackerii, care ar fi trebuit să știe cel mai bine despre miile de fluxuri de date pe parcursul experimentului. „Chiar și atunci când echipa face aruncări oarbe, acestea nu sunt suficient de perfecte și lasă multe urme în urma lor”, a spus Thorn. „Dar nu erau urme.”

În săptămânile care au urmat, au auzit un alt semnal, mai slab.

Oamenii de știință au analizat primele două semnale și au primit din ce în ce mai multe semnale noi. În ianuarie, ei și-au prezentat cercetările în revista Physical Review Letters. Această problemă apare online astăzi. Potrivit estimărilor lor, semnificația statistică a primului, cel mai puternic semnal depășește „5-sigma”, ceea ce înseamnă că cercetătorii sunt 99,9999% siguri de autenticitatea acestuia.

ascultând gravitația

Ecuațiile relativității generale ale lui Einstein sunt atât de complexe încât celor mai mulți fizicieni a durat 40 de ani pentru a fi de acord că da, undele gravitaționale există și pot fi detectate – chiar și teoretic.

La început, Einstein a crezut că obiectele nu pot elibera energie sub formă de radiație gravitațională, dar apoi s-a răzgândit. În lucrarea sa istorică, scrisă în 1918, el a arătat ce fel de obiecte ar putea face acest lucru: sisteme în formă de gantere care se rotesc simultan în jurul a două axe, precum stelele binare și supernove care explodează ca petarde. Ele pot genera valuri în spațiu-timp.

© REUTERS, Handout Un model computerizat care ilustrează natura undelor gravitaționale din sistemul solar

Dar Einstein și colegii săi au continuat să se clatine. Unii fizicieni au susținut că, chiar dacă există unde, lumea va oscila odată cu ele și va fi imposibil să le simți. Și abia în 1957 Richard Feynman (Richard Feynman) a închis această problemă, demonstrând în curs experiment de gândire că dacă există unde gravitaționale, teoretic ele pot fi detectate. Dar nimeni nu știa cât de comune sunt aceste sisteme în formă de gantere în spațiul cosmic și cât de puternice sau slabe sunt undele rezultate. „În cele din urmă, întrebarea a fost: îi vom găsi vreodată?” spuse Kennefick.

În 1968, Rainer Weiss era un tânăr profesor la MIT și a fost desemnat să predea un curs de relativitate generală. În calitate de experimentator, știa puțin despre asta, dar dintr-o dată au apărut vești despre descoperirea undelor gravitaționale de către Weber. Weber a construit trei detectoare rezonante de dimensiunea unui birou din aluminiu și le-a plasat în diferite state americane. Acum a spus că toate cele trei detectoare au înregistrat „sunetul undelor gravitaționale”.

Studenții lui Weiss au fost rugați să explice natura undelor gravitaționale și să își exprime părerea despre mesaj. Studiind detaliile, a fost frapat de complexitatea calculelor matematice. „Nu mi-am putut da seama ce naiba făcea Weber, cum au interacționat senzorii cu unda gravitațională. Am stat mult timp și m-am întrebat: „Care este cel mai primitiv lucru la care mă pot gândi care detectează undele gravitaționale?” Și apoi mi-a venit în minte o idee, pe care o numesc baza conceptuală a LIGO.

Imaginează-ți trei obiecte în spațiu-timp, să zicem oglinzi la colțurile unui triunghi. „Trimite un semnal luminos de la unul la altul”, a spus Weber. „Uită-te cât durează să treci de la o masă la alta și vezi dacă ora s-a schimbat.” Se pare, a remarcat omul de știință, acest lucru se poate face rapid. „Am încredințat acest lucru studenților mei ca o misiune științifică. Literal, întregul grup a fost capabil să facă aceste calcule.”

În anii care au urmat, când alți cercetători au încercat să reproducă rezultatele experimentului cu detectorul rezonant al lui Weber, dar au eșuat continuu (nu este clar ce a observat, dar nu erau unde gravitaționale), Weiss a început să pregătească un experiment mult mai precis și mai ambițios. : interferometrul undelor gravitaționale. Raza laser este reflectată de trei oglinzi instalate sub forma literei „L” și formează două fascicule. Intervalul de vârfuri și scăderi ale undelor luminoase indică cu precizie lungimea curbelor literei „G”, care creează axele x și y ale spațiului-timp. Când cântarul este staționar, cele două valuri luminoase sare în colțuri și se anulează reciproc. Semnalul din detector este zero. Dar dacă o undă gravitațională trece prin Pământ, aceasta întinde lungimea unui braț al literei „G” și comprimă lungimea celuilalt (și invers alternativ). Nepotrivirea celor două fascicule de lumină creează un semnal în detector, arătând ușoare fluctuații în spațiu-timp.

La început, colegii fizicieni au fost sceptici, dar experimentul a găsit în curând sprijin în Thorne, al cărui grup de teoreticieni din Caltech investiga găurile negre și alte surse potențiale de unde gravitaționale, precum și semnalele pe care le generau. Thorne a fost inspirat de experimentul Weber și de eforturi similare ale oamenilor de știință ruși. După ce a vorbit la o conferință cu Weiss în 1975, „Am început să cred că detectarea undelor gravitaționale va avea succes”, a spus Thorn. „Și am vrut ca și Caltech să facă parte din asta”. El a aranjat cu institutul să-l angajeze pe experimentatorul scoțian Ronald Driver, care a pretins, de asemenea, că a construit un interferometru cu unde gravitaționale. De-a lungul timpului, Thorne, Driver și Weiss au început să lucreze în echipă, fiecare rezolvându-și partea de nenumărate probleme în pregătirea pentru un experiment practic. Trio-ul a format LIGO în 1984, iar când au fost construite prototipuri și a început colaborarea ca parte a unei echipe în continuă creștere, au primit finanțare de 100 de milioane de dolari de la Fundația Națională pentru Știință la începutul anilor 1990. Au fost întocmite desene pentru construcția unei perechi de detectoare gigantice în formă de L. Un deceniu mai târziu, detectoarele au început să funcționeze.

La Hunford și Livingston, în centrul fiecăruia dintre genunchii de patru kilometri ai detectorilor, există un vid, datorită căruia laserul, fasciculul și oglinzile sale sunt izolate maxim de oscilațiile constante ale planetei. Pentru a fi și mai siguri, oamenii de știință de la LIGO își monitorizează detectoarele în timp ce funcționează cu mii de instrumente, măsurând tot ce pot: activitatea seismică, Presiunea atmosferică, fulgere, apariția razelor cosmice, vibrația echipamentului, sunetele din zona razei laser și așa mai departe. Apoi își filtrează datele pentru aceste zgomote de fond străine. Poate că principalul lucru este că au doi detectoare, iar acest lucru vă permite să comparați datele primite, verificându-le pentru prezența semnalelor potrivite.

Context

Unde gravitaționale: au completat ceea ce a început Einstein la Berna

SwissInfo 13.02.2016

Cum mor găurile negre

Mediu 19.10.2014
În interiorul vidului creat, chiar și cu lasere și oglinzi complet izolate și stabilizate, „lucruri ciudate se întâmplă tot timpul”, spune Marco Cavaglià, purtător de cuvânt adjunct al proiectului LIGO. Oamenii de știință trebuie să urmărească acești „pești de aur”, „fantome”, „monstri marini ciudați” și alte fenomene vibraționale străine, aflându-le sursa pentru a o elimina. unu caz dificil a avut loc în timpul fazei de verificare, a spus cercetătorul LIGO Jessica McIver, care studiază astfel de semnale străine și interferențe. Printre date au apărut adesea o serie de zgomote periodice cu o singură frecvență. Când ea și colegii ei au convertit vibrațiile oglinzilor în fișiere audio, „sunetul telefonului a devenit clar audibil”, a spus McIver. „S-a dovedit că agenții de publicitate de comunicații au fost cei care dădeau apeluri telefonice în interiorul camerei laser”.

În următorii doi ani, oamenii de știință vor continua să îmbunătățească sensibilitatea detectorilor de la Observatorul de unde gravitaționale interferometrice cu laser LIGO. Și în Italia, un al treilea interferometru numit Advanced Virgo va începe să funcționeze. Un răspuns pe care descoperirile îl vor ajuta este modul în care se formează găurile negre. Sunt ele produsul prăbușirii celor mai timpurii stele masive sau sunt rezultatul coliziunilor în cadrul unor grupuri de stele dense? „Sunt doar două presupuneri, cred că vor fi mai multe când lucrurile se vor calma”, spune Weiss. Pe măsură ce LIGO începe să acumuleze noi statistici în cursul lucrărilor sale viitoare, oamenii de știință vor începe să asculte povești despre originea găurilor negre șoptite de spațiu.

Judecând după formă și mărime, primul, cel mai puternic semnal de puls a avut loc la 1,3 miliarde de ani lumină de locul unde, după o eternitate de dans lent sub influența atracției gravitaționale reciproce, două găuri negre, fiecare cu aproximativ 30 de ori masa soarele, în cele din urmă îmbinate. Găurile negre încercuiau din ce în ce mai repede, ca un vârtej, apropiindu-se treptat. Apoi a avut loc o fuziune și într-o clipită au eliberat unde gravitaționale cu o energie comparabilă cu energia a trei Sori. Această fuziune a fost cel mai puternic fenomen energetic înregistrat vreodată.

„Parcă n-am fi văzut niciodată oceanul într-o furtună”, a spus Thorne. El a așteptat această furtună în spațiu-timp încă din anii 1960. Sentimentul pe care l-a experimentat Thorn în momentul în care aceste valuri s-au rostogolit nu poate fi numit emoție, spune el. Era altceva: un sentiment de profundă satisfacție.

Materialele InoSMI conțin doar evaluări ale mass-media străine și nu reflectă poziția editorilor InoSMI.

11 februarie 2016

Literal cu câteva ore în urmă, a venit vestea care fusese mult așteptată în lumea științifică. Un grup de oameni de știință din mai multe țări, care lucrează în cadrul proiectului internațional LIGO Scientific Collaboration, spun că, cu ajutorul mai multor observatoare-detectoare, au reușit să fixeze undele gravitaționale în laborator.

Ei analizează datele de la două Observator cu unde gravitaționale cu interferometru laser (LIGO) situat în Louisiana și Washington, în Statele Unite.

După cum sa spus la conferința de presă a proiectului LIGO, undele gravitaționale au fost înregistrate pe 14 septembrie 2015, mai întâi la un observator, iar apoi după 7 milisecunde la altul.

Pe baza analizei datelor obținute, care a fost efectuată de oameni de știință din multe țări, inclusiv din Rusia, s-a constatat că unda gravitațională a fost cauzată de ciocnirea a două găuri negre cu o masă de 29 și 36 de ori mai mare decât masa soarele. După aceea, au fuzionat într-o gaură neagră mare.

Acest lucru s-a întâmplat acum 1,3 miliarde de ani. Semnalul a venit pe Pământ de la constelația Norului Magellanic.

Serghei Popov (astrofizician la Institutul Astronomic de Stat Sternberg al Universității de Stat din Moscova) a explicat ce sunt undele gravitaționale și de ce este atât de important să le măsuram.

Teoriile moderne ale gravitației sunt teorii geometrice ale gravitației, mai mult sau mai puțin totul din teoria relativității. Proprietățile geometrice ale spațiului afectează mișcarea corpurilor sau a obiectelor, cum ar fi un fascicul de lumină. Și invers - distribuția energiei (aceasta este aceeași cu masa în spațiu) afectează proprietățile geometrice ale spațiului. Acest lucru este foarte tare, pentru că este ușor de vizualizat - tot acest plan elastic căptușit într-o celulă are o anumită semnificație fizică, deși, desigur, nu totul este atât de literal.

Fizicienii folosesc cuvântul „metric”. O metrică este ceea ce descrie proprietățile geometrice ale unui spațiu. Și aici avem corpuri care se mișcă cu accelerație. Cel mai simplu lucru este că castravetele se rotește. Este important ca, de exemplu, să nu fie o minge și să nu fie un disc turtit. Este ușor de imaginat că atunci când un astfel de castravete se învârte pe un plan elastic, se vor curge ondulații din el. Imaginează-ți că stai undeva, iar castravetele fie va întoarce un capăt spre tine, fie celălalt. Afectează spațiul și timpul în moduri diferite, o undă gravitațională rulează.

Așadar, o undă gravitațională este o ondulație care rulează de-a lungul metricii spațiu-timp.

Mărgele în spațiu

Aceasta este o proprietate fundamentală a înțelegerii noastre de bază a modului în care funcționează gravitația, iar oamenii își doresc să o testeze de o sută de ani. Vor să se asigure că efectul este acolo și că este vizibil în laborator. În natură, acest lucru a fost văzut deja cu aproximativ trei decenii în urmă. Cum ar trebui să se manifeste undele gravitaționale în viața de zi cu zi?

Cel mai simplu mod de a ilustra acest lucru este următorul: dacă aruncați mărgele în spațiu, astfel încât să se așeze într-un cerc, iar când unda gravitațională trece perpendicular pe planul lor, acestea vor începe să se transforme într-o elipsă, comprimată într-un fel sau altul. Faptul este că spațiul din jurul lor va fi perturbat și ei îl vor simți.

„G” pe Pământ

Oamenii fac așa ceva, doar că nu în spațiu, ci pe Pământ.

La o distanță de patru kilometri una de alta, oglinzile atârnă sub forma literei „g” [adică observatoarele americane LIGO].

Razele laser rulează - acesta este un interferometru, un lucru bine înțeles. Tehnologia modernă face posibilă măsurarea unui efect fantastic de mic. Încă nu cred, cred, dar pur și simplu nu se potrivește în capul meu - deplasarea oglinzilor agățate la o distanță de patru kilometri una de alta este mai mică decât dimensiunea unui nucleu atomic. Acesta este mic chiar și în comparație cu lungimea de undă a acestui laser. Aceasta a fost captura: gravitația este cea mai slabă forță și, prin urmare, deplasările sunt foarte mici.

A durat foarte mult timp, oamenii au încercat să facă asta din anii 1970, și-au petrecut viața căutând unde gravitaționale. Și acum doar capacitățile tehnice fac posibilă obținerea înregistrării unei unde gravitaționale în condiții de laborator, adică aici a venit, iar oglinzile s-au deplasat.

Direcţie

Într-un an, dacă totul merge bine, vor exista trei detectoare în lume. Trei detectoare sunt foarte importante, deoarece aceste lucruri sunt foarte proaste la determinarea direcției semnalului. Aproximativ în același mod în care auzim prost direcția sursei. „Sunet de undeva spre dreapta” - acești detectori simt așa ceva. Dar dacă trei oameni stau la distanță unul de celălalt și unul aude sunetul în dreapta, celălalt în stânga și al treilea în spate, atunci putem determina foarte precis direcția sunetului. Cu cât sunt mai mulți detectoare, cu atât sunt mai împrăștiați pe glob, cu atât mai precis putem determina direcția către sursă și atunci va începe astronomia.

La urma urmei, sarcina supremă nu este doar de a confirma teoria generală a relativității, ci și de a obține noi cunoștințe astronomice. Imaginează-ți că există o gaură neagră care cântărește de zece ori masa Soarelui. Și se ciocnește cu o altă gaură neagră care cântărește zece mase solare. Ciocnirea are loc cu viteza luminii. Energie revoluționară. Asta este adevărat. Există o cantitate fantastică. Și nu... Sunt doar valuri de spațiu și timp. Aș spune că detectarea fuziunii a două găuri negre va fi cea mai de încredere confirmare pentru o lungă perioadă de timp că găurile negre sunt despre găurile negre la care ne gândim.

Să trecem prin problemele și fenomenele pe care le-ar putea descoperi.

Găurile negre chiar există?

Semnalul așteptat de la anunțul LIGO poate fi produs de două găuri negre care fuzionează. Astfel de evenimente sunt cele mai energice cunoscute; puterea undelor gravitaționale emise de ele poate eclipsa pentru scurt timp toate stelele universului observabil în total. Fuzionarea găurilor negre este, de asemenea, destul de ușor de interpretat în termeni de unde gravitaționale foarte pure.

O fuziune a unei găuri negre are loc atunci când două găuri negre spiralează una în jurul celeilalte, radiind energie sub formă de unde gravitaționale. Aceste unde au un sunet caracteristic (ciripit) care poate fi folosit pentru a măsura masa acestor două obiecte. După aceea, găurile negre se îmbină de obicei.

„Imaginați-vă două bule de săpun care se apropie atât de mult încât formează o singură bulă. O bulă mai mare se deformează”, spune Tybalt Damour, un teoretician al gravitației la Institutul de Studii Avansate. cercetare științifică lângă Paris. Ultima gaură neagră va fi perfect sferică, dar mai întâi trebuie să emită unde gravitaționale de tip previzibil.

Una dintre cele mai importante consecințe științifice ale descoperirii fuziunilor găurilor negre va fi confirmarea existenței găurilor negre - cel puțin obiecte perfect rotunde constând din spațiu-timp pur, gol, curbat, așa cum este prezis de relativitatea generală. O altă consecință este că fuziunea se desfășoară așa cum au prezis oamenii de știință. Astronomii au o mulțime de dovezi indirecte pentru acest fenomen, dar până acum acestea au fost observații de stele și gaz supraîncălzit care orbitează găurile negre, nu găurile negre în sine.

„Comunității științifice, inclusiv eu, nu-i plac găurile negre. Le luăm de la sine înțeles, spune Frans Pretorius, specialist în simulare de relativitate generală la Universitatea Princeton din New Jersey. „Dar când te gândești la ce predicție uimitoare este aceasta, avem nevoie de niște dovezi cu adevărat uimitoare.”

Undele gravitaționale călătoresc cu viteza luminii?

Când oamenii de știință încep să compare observațiile LIGO cu cele ale altor telescoape, primul lucru pe care îl verifică este dacă semnalul a sosit în același timp. Fizicienii cred că gravitația este transmisă prin particule numite gravitoni, analogul gravitațional al fotonilor. Dacă, ca și fotonii, aceste particule nu au masă, atunci undele gravitaționale vor călători cu viteza luminii, corespunzătoare predicției vitezei undelor gravitaționale în teoria clasică relativitatea. (Viteza lor poate fi afectată de expansiunea accelerată a universului, dar aceasta ar trebui să apară la distanțe mult peste cele acoperite de LIGO.)

Este foarte posibil, totuși, ca gravitonii să aibă o masă mică, ceea ce înseamnă că undele gravitaționale se vor mișca cu o viteză mai mică decât lumina. Deci, de exemplu, dacă LIGO și Virgo detectează undele gravitaționale și află că undele au ajuns pe Pământ mai târziu decât razele gamma asociate cu evenimentul cosmic, acest lucru ar putea avea consecințe de schimbare a vieții pentru fizica fundamentală.

Este spațiu-timp format din șiruri cosmice?

O descoperire și mai ciudată s-ar putea întâmpla dacă exploziile de unde gravitaționale sunt detectate provenind din „șiruri cosmice”. Aceste defecte ipotetice ale curburii spațiu-timpului, care pot fi asociate sau nu cu teoriile corzilor, ar trebui să fie infinit de subțiri, dar întinse pe distanțe cosmice. Oamenii de știință prevăd că șirurile cosmice, dacă există, s-ar putea îndoi accidental; dacă sfoara se îndoiește, va provoca o creștere gravitațională pe care detectoare precum LIGO sau Virgo ar putea să o măsoare.

Stelele neutronice pot fi zimtate?

Stelele neutronice sunt rămășițele unor stele mari care s-au prăbușit sub propria greutate și au devenit atât de dense încât electronii și protonii au început să fuzioneze în neutroni. Oamenii de știință nu înțeleg fizica găurilor de neutroni, dar undele gravitaționale ar putea spune multe despre ele. De exemplu, gravitația intensă de pe suprafața lor face ca stelele cu neutroni să devină aproape perfect sferice. Dar unii oameni de știință au sugerat că ar putea avea și „munți” – înălțimi de câțiva milimetri – care fac aceste obiecte dense cu diametrul de 10 kilometri, nu mai mult, ușor asimetrice. Stelele neutronice se rotesc de obicei foarte repede, astfel încât o distribuție asimetrică a masei va deforma spațiu-timp și va produce un semnal de undă gravitațională constantă sub forma unei undă sinusoidală, încetinind rotația stelei și radiația de energie.

Perechile de stele neutronice care orbitează una pe alta produc, de asemenea, un semnal constant. Asemenea găurilor negre, aceste stele spiralează și în cele din urmă se îmbină cu un sunet caracteristic. Dar specificul său diferă de specificul sunetului găurilor negre.

De ce explodează stelele?

Găurile negre și stelele neutronice se formează atunci când stelele masive încetează să strălucească și se prăbușesc în sine. Astrofizicienii cred că acest proces stă la baza tuturor tipurilor comune de explozii de supernove de tip II. Simulările unor astfel de supernove nu au arătat încă de ce se aprind, dar se crede că ascultarea exploziilor de unde gravitaționale emise de o supernovă adevărată oferă răspunsul. În funcție de cum arată undele de explozie, cât de puternice sunt, cât de des apar și cum se corelează cu supernovele monitorizate de telescoape electromagnetice, aceste date ar putea ajuta la excluderea unor modele existente.

Cât de repede se extinde universul?

Expansiunea universului înseamnă că obiectele îndepărtate care se retrag din galaxia noastră par mai roșii decât sunt în realitate, deoarece lumina pe care o emit este întinsă pe măsură ce se mișcă. Cosmologii estimează rata de expansiune a universului comparând deplasarea către roșu a galaxiilor cu cât de departe sunt acestea de noi. Dar această distanță este de obicei estimată din luminozitatea supernovelor de tip Ia, iar această tehnică lasă o mulțime de incertitudini.

Dacă mai multe detectoare de unde gravitaționale din întreaga lume detectează semnale de la aceeași fuziune de stele neutroni, împreună pot estima cu precizie intensitatea semnalului și, odată cu aceasta, distanța la care a avut loc fuziunea. Ei vor putea, de asemenea, să estimeze direcția și, odată cu aceasta, să identifice galaxia în care a avut loc evenimentul. Comparând deplasarea către roșu a acestei galaxii cu distanța până la stelele care fuzionează, se poate obține o rată independentă de expansiune cosmică, poate mai precisă decât permit metodele actuale.

surse

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

http://cont.ws/post/199519

Aici am aflat cumva, dar ce este și. Vezi cum arată Articolul original este pe site InfoGlaz.rf Link către articolul din care este făcută această copie -

Joi, 11 februarie, un grup de oameni de știință din cadrul proiectului internațional LIGO Scientific Collaboration au anunțat că au reușit, a cărui existență a fost prezisă de Albert Einstein încă din 1916. Potrivit cercetătorilor, pe 14 septembrie 2015, aceștia au înregistrat o undă gravitațională, care a fost cauzată de ciocnirea a două găuri negre cu o masă de 29 și 36 de ori mai mare decât masa Soarelui, după care au fuzionat într-o gaură neagră mare. . Potrivit acestora, acest lucru s-a întâmplat cu 1,3 miliarde de ani în urmă, la o distanță de 410 Megaparsecs de galaxia noastră.

LIGA.net a vorbit în detaliu despre undele gravitaționale și despre o descoperire la scară largă Bohdan Hnatyk, om de știință ucrainean, astrofizician, doctor în științe fizice și matematice, cercetător principal al Observatorului Astronomic din Kiev universitate Națională numit după Taras Shevchenko, care a condus observatorul din 2001 până în 2004.

Teorie limbaj simplu

Fizica studiază interacțiunea dintre corpuri. S-a stabilit că există patru tipuri de interacțiuni între corpuri: interacțiune electromagnetică, interacțiune nucleară puternică și slabă și interacțiune gravitațională pe care le simțim cu toții. Datorită interacțiunii gravitaționale, planetele se învârt în jurul Soarelui, corpurile au greutate și cad la pământ. Ființele umane se confruntă în mod constant cu interacțiunea gravitațională.

În 1916, acum 100 de ani, Albert Einstein a construit o teorie a gravitației care a îmbunătățit teoria gravitației a lui Newton, a făcut-o corectă din punct de vedere matematic: a început să îndeplinească toate cerințele fizicii, a început să ia în considerare faptul că gravitația se propagă la un nivel foarte ridicat. , dar viteză finită. Aceasta este pe bună dreptate una dintre cele mai ambițioase realizări ale lui Einstein, deoarece el a construit o teorie a gravitației care corespunde tuturor fenomenelor fizicii pe care le observăm astăzi.

Această teorie a sugerat și existența valuri gravitationale. Baza acestei predicții a fost că undele gravitaționale există ca rezultat al interacțiunii gravitaționale care are loc datorită fuziunii a două corpuri masive.

Ce este o undă gravitațională

Limbajul complicat aceasta este excitația metricii spațiu-timp. "Să presupunem că spațiul are o anumită elasticitate și undele pot trece prin el. Este ca atunci când aruncăm o pietricică în apă și valuri se împrăștie din ea", a declarat doctorul în științe fizice și matematice pentru LIGA.net.

Oamenii de știință au reușit să demonstreze experimental că o astfel de fluctuație a avut loc în Univers și o undă gravitațională a circulat în toate direcțiile. „Pentru prima dată, fenomenul unei astfel de evoluții catastrofale a unui sistem binar a fost înregistrat printr-o metodă astrofizică, atunci când două obiecte se contopesc într-unul, iar această fuziune duce la o eliberare foarte intensă a energiei gravitaționale, care apoi se propagă în spațiu în forma undelor gravitaționale”, a explicat omul de știință.

Cum arată (foto - EPA)

Aceste unde gravitaționale sunt foarte slabe și pentru ca ele să oscileze spațiu-timp este necesară interacțiunea unor corpuri foarte mari și masive, astfel încât puterea câmpului gravitațional să fie mare la locul de generare. Dar, în ciuda slăbiciunii lor, observatorul după un anumit timp (egal cu distanța până la interacțiune împărțită la viteza semnalului) va înregistra această undă gravitațională.

Să dăm un exemplu: dacă Pământul ar cădea pe Soare, atunci ar avea loc o interacțiune gravitațională: s-ar elibera energia gravitațională, s-ar forma o undă gravitațională simetrică sferică, iar observatorul ar putea-o înregistra. „Aici, a avut loc un fenomen similar, dar unic, din punctul de vedere al astrofizicii: două corpuri masive – două găuri negre – s-au ciocnit”, a observat Gnatyk.

Înapoi la teorie

O gaură neagră este o altă predicție a teoriei generale a relativității a lui Einstein, care prevede că un corp care are o masă uriașă, dar această masă este concentrată într-un volum mic, poate distorsiona semnificativ spațiul din jurul său, până la închiderea sa. Adică, s-a presupus că atunci când se atinge o concentrație critică a masei acestui corp - astfel încât dimensiunea corpului să fie mai mică decât așa-numita rază gravitațională, atunci spațiul se va închide în jurul acestui corp și topologia acestuia se va închide. să fie de așa natură încât niciun semnal de la acesta să nu se răspândească în afara spațiului închis nu poate.

„Adică o gaură neagră, in termeni simpli, este un obiect masiv care este atât de greu încât închide spațiu-timp în jurul său”, spune omul de știință.

Iar noi, potrivit lui, putem trimite orice semnale acestui obiect, dar el nu ne poate trimite. Adică, niciun semnal nu poate trece dincolo de gaura neagră.

O gaură neagră trăiește conform legilor fizice obișnuite, dar, ca urmare a gravitației puternice, nici un singur corp material, chiar și un foton, nu este capabil să depășească această suprafață critică. Găurile negre se formează în timpul evoluției stelelor obișnuite, când nucleul central se prăbușește și o parte din materia stelei, prăbușindu-se, se transformă într-o gaură neagră, iar cealaltă parte a stelei este ejectată sub forma unei învelișuri de supernovă, transformându-se în așa-numitul „flash” al unei supernove.

Cum am văzut unda gravitațională

Să luăm un exemplu. Când avem două plutitoare la suprafața apei și apa este calmă, distanța dintre ele este constantă. Când vine un val, schimbă aceste flotoare și distanța dintre flotoare se va schimba. Valul a trecut - iar plutitoarele revin la pozițiile lor anterioare, iar distanța dintre ele este restabilită.

O undă gravitațională se propagă într-un mod similar în spațiu-timp: comprimă și întinde corpurile și obiectele care se întâlnesc pe drum. „Când un anumit obiect este întâlnit pe traseul unei unde, acesta se deformează de-a lungul axelor sale, iar după trecerea lui, revine la forma anterioară. Sub influența unei unde gravitaționale, toate corpurile sunt deformate, dar aceste deformații sunt foarte nesemnificativ”, spune Hnatyk.

Când valul a trecut, care a fost înregistrat de oamenii de știință, dimensiunea relativă a corpurilor din spațiu s-a schimbat cu o valoare de ordinul a 1 ori 10 la puterea minus 21. De exemplu, dacă luați o riglă de metru, aceasta s-a micșorat cu o astfel de valoare încât a fost dimensiunea sa, înmulțită cu 10 până la gradul 21 minus. Aceasta este o cantitate foarte mică. Și problema a fost că oamenii de știință au trebuit să învețe cum să măsoare această distanță. Metodele convenționale au dat o precizie de ordinul de la 1 la 10 până la a 9-a putere a unui milion, dar aici este nevoie de o precizie mult mai mare. Pentru a face acest lucru, a creat așa-numitele antene gravitaționale (detectori de unde gravitaționale).

Observatorul LIGO (foto - EPA)

Antena care a înregistrat undele gravitaționale este construită astfel: sunt două tuburi, lungi de aproximativ 4 kilometri, dispuse în forma literei „L”, dar cu aceleași brațe și în unghi drept. Când o undă gravitațională cade asupra sistemului, aceasta deformează aripile antenei, dar în funcție de orientarea acesteia, se deformează pe una mai mult și pe cealaltă mai puțin. Și apoi există o diferență de cale, modelul de interferență al semnalului se schimbă - există o amplitudine totală pozitivă sau negativă.

„Adică trecerea unei unde gravitaționale este asemănătoare cu o undă pe apă care trece între două flotoare: dacă am măsura distanța dintre ele în timpul și după trecerea undei, am vedea că distanța s-ar schimba, apoi devine la fel, zise el. Gnatyk.

De asemenea, măsoară modificarea relativă a distanței celor două aripi ale interferometrului, fiecare având o lungime de aproximativ 4 kilometri. Și numai tehnologii și sisteme foarte precise pot măsura o astfel de deplasare microscopică a aripilor cauzată de o undă gravitațională.

La marginea universului: de unde a venit valul

Oamenii de știință au înregistrat semnalul folosind două detectoare, care în Statele Unite sunt situate în două state: Louisiana și Washington, la o distanță de aproximativ 3 mii de kilometri. Oamenii de știință au reușit să estimeze de unde și de la ce distanță a venit acest semnal. Estimările arată că semnalul a venit de la o distanță de 410 Megaparsecs. Un megaparsec este distanța pe care o parcurge lumina în trei milioane de ani.

Pentru a fi mai ușor de imaginat: cea mai apropiată galaxie activă de noi, cu o gaură neagră supermasivă în centru este Centaurus A, care este la patru Megaparsecs de a noastră, în timp ce Nebuloasa Andromeda este la o distanță de 0,7 Megaparsecs. "Adică, distanța de la care a venit semnalul undelor gravitaționale este atât de mare încât semnalul a mers pe Pământ timp de aproximativ 1,3 miliarde de ani. Acestea sunt distanțe cosmologice care ating aproximativ 10% din orizontul Universului nostru", a spus omul de știință.

La această distanță, într-o galaxie îndepărtată, două găuri negre s-au contopit. Aceste găuri, pe de o parte, aveau dimensiuni relativ mici, iar pe de altă parte, amplitudinea mare a semnalului indică faptul că erau foarte grele. S-a stabilit că masele lor erau de 36 și respectiv 29 de mase solare. Masa Soarelui, după cum știți, este o valoare care este egală cu de 2 ori 10 la puterea a 30-a a unui kilogram. După fuziune, aceste două corpuri s-au unit și acum în locul lor s-a format o singură gaură neagră, care are o masă egală cu 62 de mase solare. În același timp, aproximativ trei mase ale Soarelui s-au împrăștiat sub formă de energie a undelor gravitaționale.

Cine a făcut descoperirea și când

Oamenii de știință din cadrul proiectului internațional LIGO au reușit să detecteze o undă gravitațională pe 14 septembrie 2015. LIGO (Observatorul de gravitație de interferometrie cu laser) este un proiect internațional la care participă o serie de state care au avut o anumită contribuție financiară și științifică, în special SUA, Italia, Japonia, care sunt avansate în domeniul acestor studii.

Profesorii Rainer Weiss și Kip Thorne (foto - EPA)

A fost înregistrată următoarea poză: a avut loc o deplasare a aripilor detectorului gravitațional, ca urmare a trecerii efective a unei unde gravitaționale prin planeta noastră și prin această instalație. Acest lucru nu a fost raportat atunci, deoarece semnalul trebuia procesat, „curățat”, amplitudinea lui a fost găsită și verificată. Aceasta este o procedură standard: de la o descoperire reală până la anunțul unei descoperiri, este nevoie de câteva luni pentru a emite o revendicare valabilă. "Nimeni nu vrea să le strice reputația. Acestea sunt toate date secrete, înainte de publicarea cărora - nimeni nu știa despre ele, existau doar zvonuri", a spus Hnatyk.

Poveste

Undele gravitaționale au fost studiate încă din anii 70 ai secolului trecut. În acest timp, au fost create o serie de detectoare și un număr de cercetare fundamentală. În anii 80, omul de știință american Joseph Weber a construit prima antenă gravitațională sub forma unui cilindru de aluminiu, care avea o dimensiune de ordinul a câțiva metri, echipată cu senzori piezo care trebuiau să înregistreze trecerea unei unde gravitaționale.

Sensibilitatea acestui instrument a fost de un milion de ori mai slabă decât detectoarele actuale. Și, desigur, nu putea să repare valul în acel moment, deși Weber a spus că a făcut-o: presa a scris despre asta și a avut loc un „boom gravitațional” - lumea a început imediat să construiască antene gravitaționale. Weber a încurajat alți oameni de știință să studieze undele gravitaționale și să-și continue experimentele asupra acestui fenomen, ceea ce a făcut posibilă creșterea sensibilității detectorilor de un milion de ori.

Cu toate acestea, însuși fenomenul undelor gravitaționale a fost înregistrat în secolul trecut, când oamenii de știință au descoperit un pulsar dublu. A fost o înregistrare indirectă a faptului că undele gravitaționale există, dovedită prin observații astronomice. Pulsarul a fost descoperit de Russell Hulse și Joseph Taylor în 1974 în timp ce observau cu radiotelescopul Observatorului Arecibo. Oamenii de știință au primit Premiul Nobel în 1993 „pentru descoperirea unui nou tip de pulsar, care a oferit noi oportunități în studiul gravitației”.

Cercetare în lume și în Ucraina

În Italia, un proiect similar numit Virgo este aproape de finalizare. De asemenea, Japonia intenționează să lanseze un detector similar într-un an, India pregătește și ea un astfel de experiment. Adică, în multe părți ale lumii există detectoare similare, dar nu au ajuns încă la acel mod de sensibilitate, astfel încât să putem vorbi despre fixarea undelor gravitaționale.

"Oficial, Ucraina nu este membră a LIGO și nici nu participă la proiectele italiene și japoneze. Printre astfel de domenii fundamentale, Ucraina participă acum la proiectul LHC (LHC - Large Hadron Collider) și la CERN" (vom oficial deveniți membru numai după achitarea taxei de intrare) ”, a declarat Bogdan Gnatyk, doctor în științe fizice și matematice, pentru LIGA.net.

Potrivit acestuia, din 2015, Ucraina este membru cu drepturi depline al colaborarii internaționale CTA (MChT-Cherenkov Telescope Array), care construiește un telescop modern multi TeV gamă gamma largă (cu energii fotonice de până la 1014 eV). „Principalele surse ale unor astfel de fotoni sunt tocmai vecinătatea găurilor negre supermasive, a căror radiație gravitațională a fost înregistrată pentru prima dată de detectorul LIGO. Prin urmare, deschiderea de noi ferestre în astronomie - unde gravitaționale și multi TeV noul câmp electromagnetic ne promite mult mai multe descoperiri în viitor”, adaugă omul de știință.

Ce urmează și cum noile cunoștințe vor ajuta oamenii? Savanții nu sunt de acord. Unii spun că acesta este doar un alt pas în înțelegerea mecanismelor universului. Alții văd acest lucru ca fiind primii pași către noile tehnologii de deplasare în timp și spațiu. Într-un fel sau altul, această descoperire a dovedit încă o dată cât de puțin înțelegem și cât mai sunt de învățat.

Ieri, lumea a fost șocată de o senzație: oamenii de știință au descoperit în sfârșit undele gravitaționale, a căror existență a prezis-o Einstein în urmă cu o sută de ani. Aceasta este o descoperire. Distorsiunea spațiu-timp (aceasta este undele gravitaționale - acum vom explica ce este) a fost descoperită la observatorul LIGO, iar unul dintre fondatorii acestuia este - cine ați crede? - Kip Thorne, autorul cărții.

Spunem de ce este atât de importantă descoperirea undelor gravitaționale, ceea ce a spus Mark Zuckerberg și, bineînțeles, împărtășim povestea la persoana întâi. Kip Thorne, ca nimeni altcineva, știe cum funcționează proiectul, ce îl face neobișnuit și ce semnificație are LIGO pentru umanitate. Da, da, totul este atât de grav.

Descoperirea undelor gravitaționale

Lumea științifică își va aminti pentru totdeauna data de 11 februarie 2016. În această zi, participanții la proiectul LIGO au anunțat: după atâtea încercări zadarnice, au fost găsite unde gravitaționale. Aceasta este realitatea. De fapt, au fost descoperite ceva mai devreme: în septembrie 2015, dar ieri descoperirea a fost recunoscută oficial. The Guardian crede că oamenii de știință vor primi cu siguranță Premiul Nobelîn fizică.

Cauza undelor gravitaționale este ciocnirea a două găuri negre, care s-a întâmplat deja... la un miliard de ani lumină de Pământ. Imaginează-ți cât de imens este universul nostru! Deoarece găurile negre sunt corpuri foarte masive, ele se unduiesc prin spațiu-timp, distorsionându-l puțin. Așa că apar valuri, asemănătoare cu cele care se răspândesc dintr-o piatră aruncată în apă.

Așa vă puteți imagina unde gravitaționale care vin pe Pământ, de exemplu, dintr-o gaură de vierme. Desen din cartea „Interstelar. Știința în culise"

Vibrațiile rezultate au fost transformate în sunet. Interesant este că semnalul de la undele gravitaționale vine la aproximativ aceeași frecvență ca și vorbirea noastră. Așa că putem auzi cu urechile noastre cum se ciocnesc găurile negre. Ascultă cum sună undele gravitaționale.

Și știi ce? Mai recent, găurile negre sunt aranjate diferit decât se credea anterior. Dar la urma urmei, nu existau nicio dovadă că ar exista în principiu. Și acum există. Găurile negre „trăiesc” cu adevărat în Univers.

Deci, potrivit oamenilor de știință, o catastrofă arată ca - o fuziune a găurilor negre, -.

Pe 11 februarie a avut loc o conferință grandioasă, care a reunit peste o mie de oameni de știință din 15 țări. Au fost prezenți și oameni de știință ruși. Și, desigur, nu fără Kip Thorne. „Această descoperire este începutul unei căutări uimitoare și magnifice pentru oameni: căutarea și explorarea părții curbe a Universului - obiecte și fenomene create din spațiu-timp distorsionat. Ciocnirea găurilor negre și undele gravitaționale sunt primele noastre mostre remarcabile”, a spus Kip Thorne.

Căutarea undelor gravitaționale a fost una dintre principalele probleme ale fizicii. Acum sunt găsite. Iar geniul lui Einstein se confirmă din nou.

În octombrie, l-am intervievat pe Serghei Popov, un astrofizician rus și cunoscut popularizator al științei. S-a uitat în apă! În toamnă: „Mi se pare că acum suntem în pragul unor noi descoperiri, ceea ce se datorează în primul rând lucrării detectorilor de unde gravitaționale LIGO și VIRGO (Kip Thorne tocmai a adus o mare contribuție la crearea proiectului LIGO). ” Uimitor, nu?

Unde gravitaționale, detectoare de unde și LIGO

Ei bine, acum pentru ceva fizică. Pentru cei care doresc cu adevărat să înțeleagă ce sunt undele gravitaționale. Iată o redare artistică a liniilor tendex a două găuri negre care orbitează una în jurul celeilalte, în sens invers acelor de ceasornic și apoi se ciocnesc. Liniile Tendex generează gravitația mareelor. Mergi mai departe. Liniile care emană din cele două puncte cele mai îndepărtate de pe suprafețele unei perechi de găuri negre întind totul în calea lor, inclusiv pe prietenul artistului care a intrat în desen. Liniile care ies din zona de coliziune comprimă totul.

Pe măsură ce găurile se rotesc una în jurul celeilalte, ele își urmează liniile tendex, care sunt ca jeturile de apă dintr-un aspersor de gazon care se învârte. Imagine din cartea Interstellar. Știința din culise este o pereche de găuri negre care se ciocnesc, rotindu-se una în jurul celeilalte în sens invers acelor de ceasornic, și liniile lor tendențioase.

Găurile negre se îmbină într-una singură gaura mare; este deformată și se rotește în sens invers acelor de ceasornic, trăgând cu ea liniile tendex. Un observator staționar departe de gaură va simți vibrațiile pe măsură ce liniile tendex trec prin ea: întinderea, apoi strângerea, apoi întinderea - liniile tendex devin o undă gravitațională. Pe măsură ce undele se propagă, deformarea găurii negre scade treptat, iar undele de asemenea slăbesc.

Când aceste valuri ajung pe Pământ, ele au forma prezentată în partea de sus a figurii de mai jos. Se întind într-o direcție și se comprimă în cealaltă. Întinderile și strângerile fluctuează (de la roșu dreapta-stânga, la albastru dreapta-stânga, la roșu dreapta-stânga etc.) pe măsură ce undele trec prin detectorul din partea de jos a figurii.

Unde gravitaționale care trec prin detectorul LIGO.

Detectorul este format din patru oglinzi mari (40 de kilograme, 34 de centimetri în diametru) care sunt atașate la capetele a două tuburi perpendiculare numite brațe detectoare. Liniile Tendex ale undelor gravitaționale se întind pe un umăr, în timp ce îl comprimă pe al doilea și apoi, dimpotrivă, îl comprimă pe primul și îl întinde pe al doilea. Și așa din nou și din nou. Schimbând periodic lungimea brațelor, oglinzile se mișcă una față de cealaltă, iar aceste schimbări sunt urmărite folosind fascicule laser într-un mod numit interferometrie. De aici și numele LIGO: Observatorul undelor gravitaționale interferometrice cu laser.

Centrul de control LIGO, de unde trimit comenzi către detector și monitorizează semnalele primite. Detectoarele gravitaționale LIGO sunt situate în Hanford, Washington și Livingston, Louisiana. Fotografie din cartea „Interstellar. Știința în culise"

Acum LIGO este un proiect internațional care implică 900 de oameni de știință din diferite țări, cu sediul la Institutul de Tehnologie din California.

Partea răsucită a universului

Găurile negre, găurile de vierme, singularitățile, anomaliile gravitaționale și dimensiunile de ordin superior sunt asociate cu curbura spațiului și a timpului. De aceea Kip Thorne le numește „partea curbată a universului”. Omenirea are încă foarte puține date experimentale și observaționale din partea curbă a Universului. Acesta este motivul pentru care acordăm atât de multă atenție undelor gravitaționale: ele sunt făcute din spațiu curbat și ne oferă cea mai accesibilă modalitate de a explora partea curbată.

Imaginați-vă că trebuie să vedeți oceanul doar când este calm. Nu ai ști despre curenți, vârtejuri și valuri de furtună. Acest lucru amintește de cunoștințele noastre actuale despre curbura spațiului și timpului.

Nu știm aproape nimic despre modul în care spațiul deformat și timpul deformat se comportă „într-o furtună” - când forma spațiului fluctuează violent și când fluctuează viteza fluxului timpului. Aceasta este o frontieră neobișnuit de atrăgătoare a cunoașterii. Omul de știință John Wheeler a inventat termenul de „geometrodinamică” pentru aceste schimbări.

Un interes deosebit în domeniul geometrodinamicii este ciocnirea a două găuri negre.

Ciocnirea a două găuri negre care nu se rotesc. Model din cartea „Interstellar. Știința în culise"

Figura de mai sus arată momentul în care două găuri negre se ciocnesc. Un astfel de eveniment a permis oamenilor de știință să înregistreze undele gravitaționale. Acest model este construit pentru găuri negre care nu se rotesc. Sus: orbite și umbre de găuri, văzute din Universul nostru. Mijloc: spațiu și timp curbat, privit din fascicul (hiperspațiu de înaltă dimensiune); săgețile arată modul în care spațiul este tras în mișcare, iar culorile care se schimbă arată cum este îndoit timpul. Jos: forma undelor gravitaționale emise.

Undele gravitaționale de la Big Bang

Vorba lui Kip Thorne. „În 1975, Leonid Grischuk, bunul meu prieten din Rusia, a făcut o declarație senzațională. El a spus că în momentul Big Bang-ului au apărut multe unde gravitaționale, iar mecanismul pentru apariția lor (necunoscut anterior) a fost următorul: fluctuații cuantice (fluctuații aleatorii - ed.) Câmpul gravitațional de la Big Bang a fost mult amplificat de expansiunea inițială a Universului și astfel au devenit undele gravitaționale originale. Aceste unde, dacă pot fi detectate, ne pot spune ce se întâmpla în momentul nașterii universului nostru.”

Dacă oamenii de știință vor găsi undele gravitaționale originale, vom ști cum a început universul.

Oamenii au dezvăluit departe toate misterele universului. Încă înainte.

În anii următori, pe măsură ce înțelegerea noastră despre Big Bang s-a îmbunătățit, a devenit clar că aceste unde inițiale trebuie să fie puternice la lungimi de undă proporționale cu magnitudinea. univers vizibil, adică la lungimi de miliarde de ani lumină. Vă puteți imagina cât este? .. Și la lungimile de undă pe care le acoperă detectoarele LIGO (sute și mii de kilometri), undele sunt probabil prea slabe pentru a le recunoaște.

Echipa lui Jamie Bock a construit aparatul BICEP2, care a găsit o urmă de unde gravitaționale primordiale. Ambarcațiunea de la Polul Nord este prezentată aici în timpul crepusculului, care are loc acolo doar de două ori pe an.

aparat BICEP2. Imagine din cartea „Interstellar. Știința în culise"

Este înconjurat de scuturi care protejează ambarcațiunea de radiațiile de la calota de gheață din jur. În colțul din dreapta sus există o urmă găsită în radiația relicvă - un model de polarizare. linii câmp electric dirijate de-a lungul unor mișcări ușoare scurte.

Traseul începutului universului

La începutul anilor 1990, cosmologii și-au dat seama că aceste miliarde de unde gravitaționale lungi de ani lumină trebuie să fi lăsat o amprentă unică asupra undelor electromagnetice care umplu universul – așa-numitul fundal cosmic cu microunde, sau CMB. Aceasta a marcat începutul căutării Sfântului Graal. La urma urmei, dacă găsiți această urmă și obțineți din ea proprietățile undelor gravitaționale originale, puteți afla cum s-a născut Universul.

În martie 2014, în timp ce Kip Thorne scria această carte, echipa lui Jamie Bok, un cosmolog Caltech al cărui birou se află lângă cel al lui Thorne, a găsit în cele din urmă această urmă în CMB.

Aceasta este o descoperire absolut uimitoare, dar există un punct controversat: pista găsită de echipa lui Jamie nu a putut fi cauzată de undele gravitaționale, ci de altceva.

Dacă se găsește într-adevăr o urmă de unde gravitaționale de la Big Bang, atunci a existat o descoperire cosmologică a unui nivel care are loc, probabil, o dată la jumătate de secol. Oferă șansa de a atinge evenimentele care au avut loc la o trilionime dintr-o trilionime dintr-o trilionime de secundă după nașterea Universului.

Această descoperire confirmă teoriile conform cărora expansiunea universului în acel moment a fost extrem de rapidă, în argoul cosmologilor - viteza inflaționistă. Și anunță apariția unei noi ere în cosmologie.

Unde gravitaționale și interstelare

Ieri, la o conferință despre descoperirea undelor gravitaționale, Valery Mitrofanov, șeful colaborării de la Moscova a oamenilor de știință LIGO, care include 8 oameni de știință de la Universitatea de Stat din Moscova, a remarcat că intriga filmului Interstellar, deși fantastică, nu este atât de departe de realitate. . Și totul pentru că consultantul științific a fost Kip Thorne. Thorne însuși și-a exprimat speranța că crede în viitoarele zboruri cu echipaj uman către o gaură neagră. Să nu se întâmple cât de curând ne-am dori, și totuși astăzi este mult mai real decât a fost înainte.

Nu este departe ziua în care oamenii vor părăsi limitele galaxiei noastre.

Evenimentul a zguduit mințile a milioane de oameni. Celebrul Mark Zuckerberg a scris: „Descoperirea undelor gravitaționale este cea mai mare descoperire din știința modernă. Albert Einstein este unul dintre eroii mei, motiv pentru care am luat descoperirea atât de aproape. Acum un secol, în cadrul Teoriei Generale a Relativității (GR), el a prezis existența undelor gravitaționale. Dar sunt atât de mici pentru a fi descoperite încât a ajuns să le caute în originile unor astfel de evenimente ca Marea explozie, explozii de stele și ciocniri de găuri negre. Când oamenii de știință analizează datele obținute, o perspectivă complet nouă a spațiului se va deschide în fața noastră. Și, poate, acest lucru va arunca lumină asupra originii Universului, nașterii și dezvoltării găurilor negre. Este foarte inspirant să ne gândim la câte vieți și eforturi au făcut pentru a descoperi acest mister al universului. Această descoperire a fost posibilă datorită talentului unor oameni de știință și ingineri străluciți, a oamenilor de diferite naționalități, precum și a celor mai recente tehnologia calculatoarelor care au apărut abia recent. Felicitări tuturor celor implicați. Einstein ar fi mândru de tine.”

Așa este discursul. Și acesta este un om care este pur și simplu interesat de știință. Ne putem imagina ce furtună de emoții i-a cuprins pe oamenii de știință care au contribuit la descoperire. Se pare că asistăm la o nouă eră, prieteni. Este uimitor.

P.S. Ți-a plăcut? Abonați-vă la buletinul nostru informativ din jurul orizontului. O dată pe săptămână trimitem scrisori educaționale și oferim reduceri la cărțile MIF.

Acum trăim într-un Univers plin de unde gravitaționale.

Înainte de anunțul istoric de joi dimineață de la întâlnirea Fundației Naționale pentru Știință (NSF) de la Washington, existau doar zvonuri că Observatorul undelor gravitaționale interferometrice cu laser (LIGO) a descoperit o componentă cheie a Teoriei generale a relativității a lui Albert Einstein, dar acum știm realitatea este mai profundă decât am crezut.

Cu o claritate uimitoare, LIGO a reușit să „aude” momentul înainte de fuziunea sistemului binar (două găuri negre care se rotesc una în jurul celeilalte) într-un singur întreg, creând un semnal gravitațional atât de clar în conformitate cu modelul teoretic care nu necesită discuție. LIGO a asistat la „renașterea” unei găuri negre puternice, care s-a întâmplat cu aproximativ 1,3 miliarde de ani în urmă.

Undele gravitaționale au trecut și vor fi întotdeauna prin planeta noastră (de fapt, trecând prin noi), dar abia acum știm cum să le găsim. Acum ne-am deschis ochii la diferite semnale cosmice, vibrații cauzate de evenimente energetice cunoscute și asistăm la nașterea unui domeniu complet nou al astronomiei.

Sunetul a două găuri negre care se contopesc:

„Acum putem auzi universul”, a spus Gabriela Gonzalez, fizician și purtător de cuvânt al LIGO, în timpul întâlnirii triumfale de joi. „Descoperirea a inaugurat o nouă eră: domeniul astronomiei gravitaționale este acum o realitate”.

Locul nostru în Univers se schimbă foarte mult și această descoperire poate fi fundamentală, precum descoperirea undelor radio și înțelegerea faptului că Universul se extinde.

Teoria relativității devine mai valabilă

Încercările de a explica ce sunt undele gravitaționale și de ce sunt atât de importante sunt la fel de complexe ca și ecuațiile care le descriu, dar găsirea lor nu numai că întărește teoriile lui Einstein despre natura spațiu-timpului, ci acum avem un instrument pentru a sonda partea din univers care era invizibil pentru noi. Acum putem studia undele cosmice create de cele mai energice evenimente din univers și poate folosi undele gravitaționale pentru a face noi descoperiri fizice și a explora noi fenomene astronomice.

„Acum trebuie să dovedim că avem tehnologia pentru a depăși descoperirea undelor gravitaționale, pentru că asta ne deschide multe oportunități”, a declarat Lewis Lehner, de la Institutul de Fizică Teoretică din Ontario, într-un interviu după declarația de joi.

Cercetările lui Lehner se concentrează pe obiecte dense (cum ar fi găurile negre) care creează unde gravitaționale puternice. Deși nu este asociat cu colaborarea LIGO, Lehner și-a dat seama rapid de importanța acestei descoperiri istorice. „Nu există semnale mai bune”, a spus el.

Descoperirea se bazează pe trei căi, argumentează el. În primul rând, știm acum că undele gravitaționale există și știm cum să le detectăm. În al doilea rând, semnalul detectat de stațiile LIGO pe 14 septembrie 2015 este o dovadă puternică a existenței unui sistem binar de găuri negre, iar fiecare gaură neagră cântărește câteva zeci de mase solare. Semnalul este exact ceea ce ne așteptam să vedem ca urmare a fuziunii dure a două găuri negre, una cântărind de 29 de ori Soarele, iar cealaltă de 36 de ori. În al treilea rând, și poate cel mai important, „posibilitatea de a fi trimis într-o gaură neagră” este cu siguranță cea mai puternică dovadă a existenței găurilor negre.

Intuiția cosmică

Acest eveniment a fost însoțit de noroc, ca multe alte descoperiri științifice. LIGO este cel mai mult proiecte mari finanțat de Fundația Națională pentru Știință, care a început inițial în 2002. S-a dovedit că, după mulți ani de căutare a semnalului evaziv al undelor gravitaționale, LIGO nu a fost suficient de sensibil și în 2010 observatoarele au fost înghețate în timp ce se făcea cooperare internațională pentru a le crește sensibilitatea. Cinci ani mai târziu, în septembrie 2015, a luat naștere „LIGO îmbunătățit”.

La acea vreme, co-fondatorul LIGO și greutatea grea a fizicii teoretice Kip Thorne era încrezător în succesul LIGO, spunând BBC: „Suntem aici. Am dat pe teren joc mare. Și este destul de clar că vom ridica vălul secretului.” Și avea dreptate, la câteva zile după reconstrucție, un val de unde gravitaționale a cuprins planeta noastră, iar LIGO a fost suficient de sensibil pentru a le detecta.

Aceste fuziuni ale găurilor negre nu sunt considerate a fi ceva special; se estimează că astfel de evenimente au loc la fiecare 15 minute undeva în univers. Dar această fuziune a avut loc la locul potrivit (la o distanță de 1,3 miliarde de ani lumină) în la fix(acum 1,3 miliarde de ani) pentru a-și prelua semnalul de către observatoarele LIGO. Era un semnal pur din univers, iar Einstein l-a prezis, iar undele sale gravitaționale s-au dovedit a fi reale, descriind un eveniment cosmic de 50 de ori mai puternic decât puterea tuturor stelelor din univers la un loc. Această explozie uriașă de unde gravitaționale a fost înregistrată de LIGO ca un semnal de ciripit de înaltă frecvență, în timp ce găurile negre s-au transformat într-una singură.

Pentru a confirma propagarea undelor gravitaționale, LIGO constă din două stații de observare, una în Louisiana, cealaltă în Washington. Pentru a elimina falsele pozitive, semnalul undei gravitaționale trebuie detectat la ambele stații. Pe 14 septembrie, rezultatul a fost obținut mai întâi în Louisiana, iar după 7 milisecunde la Washington. Semnalele s-au potrivit și, cu ajutorul triangulației, fizicienii au putut afla că își au originea în cerul emisferei sudice.

Undele gravitaționale: cum pot fi ele utile?

Deci avem confirmarea semnalului de fuziune a găurii negre, deci ce? Aceasta este o descoperire istorică, care este de înțeles - în urmă cu 100 de ani, Einstein nici nu putea visa să descopere aceste valuri, dar s-a întâmplat.

Teoria generală a relativității a fost una dintre cele mai profunde realizări științifice și filozofice ale secolului al XX-lea și formează baza celor mai intelectuale cercetări din realitate. În astronomie, aplicațiile relativității generale sunt clare: de la lentila gravitațională până la măsurarea expansiunii universului. Dar aplicarea practică a teoriilor lui Einstein nu este deloc clară, dar cea mai mare parte tehnologii moderne folosiți lecții din teoria relativității în unele lucruri care sunt considerate simple. De exemplu, luați sateliții globali de navigație, aceștia nu vor fi suficient de precisi decât dacă se aplică o simplă corecție pentru dilatarea timpului (prevăzută de relativitate).

Este clar că relativitatea generală are aplicații în lumea reală, dar când Einstein și-a prezentat teoria în 1916, aplicarea ei a fost foarte discutabilă, ceea ce părea evident. Pur și simplu a conectat Universul așa cum l-a văzut și s-a născut teoria generală a relativității. Și acum a fost dovedită o altă componentă a teoriei relativității, dar cum pot fi folosite undele gravitaționale? Astrofizicienii și cosmologii sunt cu siguranță intrigați.

„După ce am colectat date de la perechi de găuri negre care vor acționa ca niște faruri împrăștiate în univers”, a declarat fizicianul teoretician Neil Turok, directorul Institutului de Fizică Teoretică, joi, în timpul unei prezentări video. „Vom putea măsura viteza de expansiune a universului sau cantitatea de energie întunecată cu o precizie extremă, mult mai precisă decât putem astăzi.”

„Einstein și-a dezvoltat teoria cu niște indicii din natură, dar bazată pe o secvență logică. În 100 de ani, vezi o confirmare foarte precisă a predicțiilor sale.”

Mai mult, evenimentul din 14 septembrie are câteva caracteristici de fizică care încă mai trebuie explorate. De exemplu, Lehner a observat că, analizând un semnal de undă gravitațională, se poate măsura „spinul” sau momentul unghiular al fuzionarii unei găuri negre. „Dacă ai lucrat la o teorie de multă vreme, ar trebui să știi că o gaură neagră are o învârtire foarte, foarte specială”, a spus el.

Formarea undelor gravitaționale în timpul fuziunii a două găuri negre:

Din anumite motive, rotația finală a găurii negre este mai lentă decât era de așteptat, ceea ce indică faptul că găurile negre se ciocnesc cu viteză mică sau au fost într-o astfel de coliziune care a făcut ca momentul unghiular comun să se opună unul altuia. „Este foarte interesant, de ce a făcut natura asta?” a spus Lehner.

Acest puzzle recent poate aduce înapoi o fizică de bază care a fost omisă, dar, mai intrigant, poate dezvălui o fizică „nouă”, neobișnuită, care nu se încadrează în relativitatea generală. Și asta relevă și alte aplicații ale undelor gravitaționale: întrucât sunt create de fenomene gravitaționale puternice, avem capacitatea de a sonda acest mediu de la distanță, cu posibile surprize pe parcurs. În plus, am putea combina observațiile fenomenelor astrofizice cu forțele electromagnetice pentru a înțelege mai bine structura universului.

Aplicație?

Desigur, după uriașele anunțuri făcute din complexul de descoperiri științifice, mulți oameni din afara comunității științifice se întreabă cum le pot influența. Adâncimea descoperirii poate fi pierdută, ceea ce, desigur, se aplică și undelor gravitaționale. Dar luați în considerare un alt caz, când Wilhelm Roentgen a descoperit în 1895 raze X, în timp ce experimentează cu tuburi catodice, puțini oameni știu că în doar câțiva ani, aceste unde electromagnetice vor deveni o componentă cheie în medicina de zi cu zi, de la diagnostic până la tratament. În mod similar, odată cu prima creație experimentală a undelor radio în 1887, Heinrich Hertz a confirmat ecuațiile electromagnetice cunoscute ale lui James Clerk Maxwell. Abia după un timp în anii 90 ai secolului XX, Guglielmo Marconi, care a creat emițătorul radio și receptorul radio, și-a dovedit aplicarea practică. De asemenea, ecuațiile Schrödinger care descriu lumea complexă a dinamicii cuantice sunt acum utilizate în dezvoltarea calculului cuantic ultrarapid.

Toate descoperirile științifice sunt utile și, în cele din urmă, multe au aplicații de zi cu zi pe care le considerăm de la sine înțeles. În prezent, aplicarea practică a undelor gravitaționale se limitează la astrofizică și cosmologie – acum avem o fereastră în „universul întunecat” care nu este vizibilă radiațiilor electromagnetice. Fără îndoială, oamenii de știință și inginerii vor găsi alte întrebuințări pentru aceste pulsații cosmice decât simțirea universului. Cu toate acestea, pentru a detecta aceste unde, trebuie să existe progres bunîn inginerie optică la LIGO, în care noi tehnologii vor apărea în timp.