روشی برای تبدیل امواج گرانشی به حرکت مکانیکی. امواج گرانشی: مهمترین چیز در مورد کشف عظیم. چرا تشخیص موج برای فیزیک بسیار مهم است

امواج گرانشی - تصویر هنرمند

امواج گرانشی آشفتگی های متریک فضا-زمان هستند که از منبع جدا می شوند و مانند امواج منتشر می شوند (به اصطلاح "موج های فضا-زمان").

در نظریه نسبیت عام و در اکثر نظریه های مدرن گرانش، امواج گرانشی از حرکت اجسام عظیم با شتاب متغیر ایجاد می شوند. امواج گرانشی آزادانه با سرعت نور در فضا منتشر می شوند. به دلیل ضعف نسبی نیروهای گرانشی (در مقایسه با سایر امواج)، این امواج قدر بسیار کمی دارند که ثبت آن دشوار است.

موج گرانشی قطبی شده

امواج گرانشی توسط نظریه نسبیت عام (GR) و بسیاری دیگر پیش بینی می شوند. آنها برای اولین بار مستقیماً در سپتامبر 2015 توسط دو آشکارساز دوقلو شناسایی شدند که امواج گرانشی را ثبت کردند که احتمالاً ناشی از ادغام این دو و تشکیل یک سیاهچاله چرخان پرجرم است. شواهد غیرمستقیم وجود آنها از دهه 1970 شناخته شده است - نسبیت عام میزان همگرایی سیستم های نزدیک را که همزمان با مشاهدات به دلیل از دست دادن انرژی برای انتشار امواج گرانشی است، پیش بینی می کند. ثبت مستقیم امواج گرانشی و استفاده از آنها برای تعیین پارامترهای فرآیندهای اخترفیزیکی از وظایف مهم فیزیک و نجوم مدرن است.

در چارچوب نسبیت عام، امواج گرانشی با حل معادلات اینشتین از نوع موجی توصیف می‌شوند که نشان‌دهنده اختلال در متریک فضا-زمان است که با سرعت نور حرکت می‌کند (در یک تقریب خطی). تظاهر این اغتشاش باید به ویژه تغییر دوره ای در فاصله بین دو توده آزمایشی در حال سقوط آزاد (یعنی تحت تأثیر هیچ نیرویی قرار نگیرد) باشد. دامنه ساعتموج گرانشی یک کمیت بدون بعد است - یک تغییر نسبی در فاصله. حداکثر دامنه پیش‌بینی‌شده امواج گرانشی از اجرام اخترفیزیکی (به عنوان مثال، سیستم‌های دوتایی فشرده) و پدیده‌ها (انفجار، ادغام، گرفتن توسط سیاه‌چاله‌ها، و غیره) بسیار کوچک است که در (( ساعت=10-18 -10-23). یک موج گرانشی ضعیف (خطی) بر اساس نظریه نسبیت عام، حامل انرژی و تکانه است، با سرعت نور حرکت می کند، عرضی، چهار قطبی است و توسط دو جزء مستقل که در زاویه 45 درجه نسبت به یکدیگر قرار دارند توصیف می شود. (دارای دو جهت قطبی شدن).

تئوری های مختلف سرعت انتشار امواج گرانشی را به روش های مختلف پیش بینی می کنند. در نسبیت عام، برابر است با سرعت نور (در یک تقریب خطی). در سایر نظریه های گرانش، می تواند هر ارزشی را به خود بگیرد، از جمله تا بی نهایت. با توجه به داده های اولین ثبت امواج گرانشی، پراکندگی آنها با گراویتون بدون جرم سازگار است و سرعت آن برابر با سرعت نور تخمین زده شد.

تولید امواج گرانشی

منظومه ای متشکل از دو ستاره نوترونی موج هایی در فضا-زمان ایجاد می کند

یک موج گرانشی از هر ماده ای که با شتاب نامتقارن حرکت می کند منتشر می شود. برای ظهور موجی با دامنه قابل توجه، جرم بسیار زیادی از ساطع کننده یا / و شتاب های عظیم مورد نیاز است، دامنه موج گرانشی مستقیماً با اولین مشتق شتابو جرم مولد، یعنی ~ . با این حال، اگر جسمی با سرعتی شتاب در حال حرکت باشد، به این معنی است که نیرویی از سمت جسم دیگری بر آن اثر می‌کند. به نوبه خود، این جسم دیگر عمل معکوس را تجربه می کند (طبق قانون 3 نیوتن)، در حالی که معلوم می شود که متر 1 آ 1 = − متر 2 آ 2 . معلوم می شود که دو جسم امواج گرانشی را فقط به صورت جفت ساطع می کنند و در نتیجه تداخل آنها تقریباً به طور کامل متقابلاً خاموش می شوند. بنابراین، تابش گرانشی در تئوری نسبیت عام همیشه دارای ویژگی حداقل تابش چهار قطبی از نظر چند قطبی است. علاوه بر این، برای ساطع کننده های غیرنسبیتی، عبارت شدت تابش شامل یک پارامتر کوچک است که در آن شعاع گرانشی ساطع کننده است. r- اندازه مشخصه آن، تی- دوره مشخص حرکت، جسرعت نور در خلاء است.

قوی ترین منابع امواج گرانشی عبارتند از:

• برخورد (توده های غول پیکر، شتاب های بسیار کوچک)،
• فروپاشی گرانشی یک سیستم دوتایی از اجسام فشرده (شتاب های عظیم با جرم نسبتاً زیاد). به عنوان یک مورد خاص و جالب - ادغام ستاره های نوترونی. در چنین سیستمی، درخشندگی موج گرانشی نزدیک به بالاترین درخشندگی پلانک ممکن در طبیعت است.

امواج گرانشی ساطع شده توسط یک سیستم دو جسمی

دو جسم که در مدارهای دایره ای به دور یک مرکز جرم مشترک حرکت می کنند

دو جسم متصل به گرانش با جرم متر 1 و متر 2، حرکت غیرنسبیتی ( v << ج) در مدارهای دایره ای به دور مرکز جرم مشترک خود در فاصله rاز یکدیگر، امواج گرانشی انرژی زیر را به طور متوسط ​​در طول دوره تابش می کنند:

در نتیجه سیستم انرژی خود را از دست می دهد که منجر به همگرایی اجسام یعنی کاهش فاصله بین آنها می شود. سرعت نزدیک شدن اجسام:

برای منظومه شمسی، برای مثال، زیرسیستم و بیشترین تابش گرانشی را تولید می کند. قدرت این تابش تقریباً 5 کیلووات است. بنابراین، انرژی از دست رفته توسط منظومه شمسی در برابر تابش گرانشی در سال در مقایسه با انرژی جنبشی مشخص اجسام کاملاً ناچیز است.

فروپاشی گرانشی یک سیستم دوتایی

هر ستاره دوتایی، هنگامی که اجزای آن به دور یک مرکز جرم مشترک بچرخند، انرژی خود را از دست می دهد (همانطور که فرض می شود - به دلیل انتشار امواج گرانشی) و در پایان با هم ادغام می شوند. اما برای ستارگان دوتایی معمولی، غیر فشرده، این فرآیند زمان بسیار طولانی، بسیار بیشتر از عصر حاضر، طول می کشد. اگر سیستم فشرده دوتایی از یک جفت ستاره نوترونی، سیاهچاله یا ترکیبی از هر دو تشکیل شده باشد، آنگاه ادغام می تواند در چند میلیون سال رخ دهد. ابتدا اشیا به یکدیگر نزدیک می شوند و دوره انقلاب آنها کاهش می یابد. سپس در مرحله نهایی یک برخورد و یک فروپاشی گرانشی نامتقارن وجود دارد. این فرآیند کسری از ثانیه طول می کشد و در این مدت انرژی در تشعشعات گرانشی از بین می رود که طبق برخی برآوردها بیش از 50 درصد جرم سیستم را تشکیل می دهد.

راه حل های دقیق اصلی معادلات انیشتین برای امواج گرانشی

امواج بدن باندی - پیرانی - رابینسون

این امواج با یک متریک شکل توصیف می شوند. اگر یک متغیر و یک تابع معرفی کنیم، از معادلات GR معادله را بدست می آوریم

متریک Takeno

دارای شکل , - توابع، معادله مشابه را برآورده می کند.

متریک روزن

جایی که راضی کند

متریک پرز

که در آن

امواج استوانه ای انیشتین-رزن

در مختصات استوانه ای، چنین امواجی شکل دارند و برآورده می شوند

ثبت امواج گرانشی

ثبت امواج گرانشی به دلیل ضعف دومی (تحریف کوچک متریک) نسبتاً پیچیده است. ابزار ثبت آنها آشکارسازهای امواج گرانشی است. از اواخر دهه 1960 تلاش هایی برای شناسایی امواج گرانشی انجام شد. امواج گرانشی با دامنه قابل تشخیص در هنگام فروپاشی یک باینری تولید می شوند. رویدادهای مشابه تقریباً هر دهه یک بار در این نزدیکی رخ می دهد.

از سوی دیگر، نسبیت عام شتاب چرخش متقابل ستارگان دوتایی را به دلیل از دست دادن انرژی برای انتشار امواج گرانشی پیش‌بینی می‌کند، و این اثر به طور قابل اعتماد در چندین سیستم شناخته شده از اجرام فشرده دوتایی (به ویژه تپ‌اخترها) ثبت شده است. با همراهان فشرده). در سال 1993، "برای کشف نوع جدیدی از تپ اختر که امکانات جدیدی در مطالعه گرانش می دهد" به کاشفان اولین تپ اختر دوگانه PSR B1913+16، راسل هالس و جوزف تیلور جونیور. جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. شتاب چرخش مشاهده شده در این سیستم کاملاً با پیش بینی های نسبیت عام برای انتشار امواج گرانشی مطابقت دارد. همین پدیده در چندین مورد دیگر نیز ثبت شد: برای تپ اخترهای PSR J0737-3039، PSR J0437-4715، SDSS J065133.338+284423.37 (معمولاً به اختصار J0651) و سیستم باینری RX J0806. به عنوان مثال، فاصله بین دو جزء A و B اولین ستاره دوتایی دو تپ اختر PSR J0737-3039 به دلیل از دست دادن انرژی در امواج گرانشی حدود 2.5 اینچ (6.35 سانتی متر) در روز کاهش می یابد و این مطابق با نسبیت عام . همه این داده ها به عنوان تایید غیرمستقیم وجود امواج گرانشی تفسیر می شوند.

بر اساس تخمین ها، قوی ترین و متداول ترین منابع امواج گرانشی برای تلسکوپ ها و آنتن های گرانشی، فجایع مرتبط با فروپاشی سیستم های دوتایی در کهکشان های مجاور هستند. انتظار می‌رود که در آینده نزدیک، آشکارسازهای گرانشی پیشرفته چندین چنین رویدادی را در سال ثبت کنند و متریک را در مجاورت 10-21-10-23 تغییر دهند. اولین مشاهدات سیگنال رزونانس پارامتری نوری متریک، که امکان تشخیص اثر امواج گرانشی از منابع تناوبی از نوع دودویی نزدیک را بر تابش میزرهای کیهانی ممکن می‌سازد، ممکن است در رصدخانه رادیویی نجوم روسیه به دست آمده باشد. آکادمی علوم، پوشچینو.

امکان دیگر برای تشخیص پس‌زمینه امواج گرانشی پرکننده جهان، زمان‌بندی با دقت بالا تپ‌اخترهای دوردست است - تجزیه و تحلیل زمان رسیدن پالس‌های آنها، که مشخصاً تحت تأثیر امواج گرانشی که از فضای بین زمین و تپ اختر عبور می‌کنند تغییر می‌کند. بر اساس برآوردهای انجام شده در سال 2013، برای اینکه بتوان امواج پس زمینه را از منابع بسیاری در جهان ما تشخیص داد، باید دقت زمان بندی را حدود یک مرتبه افزایش داد و این مشکل را می توان قبل از پایان دهه حل کرد.

بر اساس مفاهیم مدرن، جهان ما پر از امواج گرانشی است که در اولین لحظات پس از آن ظاهر شدند. ثبت نام آنها اطلاعاتی در مورد فرآیندهای ابتدای تولد کیهان ارائه می دهد. در 17 مارس 2014 در ساعت 20:00 به وقت مسکو در مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونیان، یک گروه از محققان آمریکایی که بر روی پروژه BICEP 2 کار می کردند، تشخیص آشفتگی های تانسور غیر صفر در کیهان اولیه توسط قطبش CMB را اعلام کردند. که کشف این امواج گرانشی نیز هست. با این حال، تقریبا بلافاصله این نتیجه مورد مناقشه قرار گرفت، زیرا، همانطور که معلوم شد، سهم . یکی از نویسندگان، J. M. Kovats ( کواچ جی.ام.)، اذعان داشت که "با تفسیر و پوشش داده های آزمایش BICEP2، شرکت کنندگان در آزمایش و خبرنگاران علمی کمی عجله داشتند."

تایید تجربی وجود

اولین سیگنال موج گرانشی ثبت شده در سمت چپ، داده های آشکارساز در Hanford (H1)، در سمت راست، در Livingston (L1). زمان از 14 سپتامبر 2015، 09:50:45 UTC شمارش شده است. برای تجسم سیگنال، با یک فیلتر فرکانس با پهنای باند 35-350 هرتز فیلتر شد تا نوسانات بزرگ خارج از محدوده حساسیت بالای آشکارسازها را سرکوب کند؛ همچنین از فیلترهای باند گذر برای سرکوب نویز خود تاسیسات استفاده شد. ردیف بالا: ولتاژ h در آشکارسازها. GW150914 ابتدا به L1 رسید و بعد از 6 9 + 0 5 -0 4 ms در H1. برای مقایسه بصری، داده‌های H1 در نمودار L1 معکوس و با تغییر زمان (برای در نظر گرفتن جهت نسبی آشکارسازها) نشان داده می‌شوند. ردیف دوم: ولتاژ h از سیگنال موج گرانشی، از همان فیلتر باند گذر 35-350 هرتز عبور می کند. خط جامد نتیجه نسبیت عددی برای یک سیستم با پارامترهای سازگار با پارامترهای یافت شده بر اساس مطالعه سیگنال GW150914 است که توسط دو کد مستقل با تطابق 99.9 به دست آمده است. خطوط ضخیم خاکستری فواصل اطمینان 90 درصدی شکل موج هستند که با دو روش مختلف از داده های آشکارساز بازیابی می شوند. خط خاکستری تیره سیگنال های مورد انتظار از ادغام سیاهچاله ها را مدل می کند، خط خاکستری روشن از مدل های اخترفیزیکی استفاده نمی کند، اما سیگنال را به عنوان ترکیبی خطی از موجک های سینوسی-گاوسی نشان می دهد. بازسازی ها تا 94 درصد همپوشانی دارند. ردیف سوم: خطاهای باقیمانده پس از استخراج پیش بینی فیلتر شده سیگنال نسبیت عددی از سیگنال فیلتر شده آشکارسازها. ردیف پایین: نمایش نقشه فرکانس ولتاژ که افزایش فرکانس غالب سیگنال را در طول زمان نشان می دهد.

11 فوریه 2016 توسط همکاری های LIGO و VIRGO. سیگنال ادغام دو سیاهچاله با دامنه حداکثر در حدود 10-21 در 14 سپتامبر 2015 در ساعت 09:51 UTC توسط دو آشکارساز LIGO در هانفورد و لیوینگستون با فاصله 7 میلی ثانیه از هم، در منطقه حداکثر سیگنال شناسایی شد. دامنه (0.2 ثانیه) ترکیبی از نسبت سیگنال به نویز 24:1 بود. سیگنال GW150914 نامگذاری شد. شکل سیگنال با پیش‌بینی نسبیت عام برای ادغام دو سیاهچاله با جرم‌های 36 و 29 خورشیدی مطابقت دارد. سیاهچاله حاصل باید جرمی برابر با 62 جرم خورشیدی و پارامتر چرخش داشته باشد آ= 0.67. فاصله تا منبع حدود 1.3 میلیارد است، انرژی تابیده شده در دهم ثانیه در ادغام معادل حدود 3 جرم خورشید است.

داستان

تاریخچه خود اصطلاح "موج گرانشی"، جستجوی نظری و تجربی برای این امواج و همچنین استفاده از آنها برای مطالعه پدیده های غیرقابل دسترس برای روش های دیگر.

• 1900 - لورنتس پیشنهاد کرد که گرانش "... می تواند با سرعتی بیشتر از سرعت نور منتشر شود".
• 1905 - پوانکراولین بار اصطلاح موج گرانشی (onde gravifique) را معرفی کرد. پوانکاره، در سطح کیفی، ایرادات ثابت شده لاپلاس را حذف کرد و نشان داد که اصلاحات مربوط به امواج گرانشی به قوانین عمومی پذیرفته شده نیوتن در مورد گرانش نظم لغو می شود، بنابراین فرض وجود امواج گرانشی با مشاهدات منافاتی ندارد.
• 1916 - انیشتین نشان داد که در چارچوب GR، یک سیستم مکانیکی انرژی را به امواج گرانشی منتقل می کند و به طور کلی، هر چرخشی نسبت به ستارگان ثابت باید دیر یا زود متوقف شود، اگرچه، البته، در شرایط عادی، تلفات انرژی ترتیب ناچیز است و عملاً قابل اندازه گیری نیست (در این کار، او هنوز به اشتباه معتقد بود که یک سیستم مکانیکی که دائماً تقارن کروی را حفظ می کند، می تواند امواج گرانشی را ساطع کند).
• 1918 - انیشتینفرمول چهار قطبی را به دست آورد که در آن تابش امواج گرانشی به عنوان یک اثر مرتبه مشخص می شود، در نتیجه خطای کار قبلی خود را تصحیح می کند (خطایی در ضریب وجود دارد، انرژی موج 2 برابر کمتر است).
• 1923 - ادینگتون - واقعیت فیزیکی امواج گرانشی را زیر سوال برد "... با سرعت فکر منتشر می شود." در سال 1934، ادینگتون هنگام تهیه ترجمه روسی از مونوگراف خود به نام تئوری نسبیت، چندین فصل از جمله فصل هایی با دو گزینه برای محاسبه تلفات انرژی توسط یک میله دوار اضافه کرد، اما اشاره کرد که روش های مورد استفاده برای محاسبات تقریبی نسبیت عام در کتاب خود. نظر، برای سیستم های جفت شده گرانشی قابل اجرا نیستند.
• 1937 - انیشتین به همراه روزن راه حل های موج استوانه ای معادلات دقیق میدان گرانشی را بررسی کردند. در طول این مطالعات، آنها تردید داشتند که امواج گرانشی ممکن است مصنوع از راه حل های تقریبی معادلات GR باشند (مطابقات شناخته شده ای در مورد بررسی مقاله انیشتین و روزن وجود دارد "آیا امواج گرانشی وجود دارند؟"). بعداً او خطایی در استدلال پیدا کرد، نسخه نهایی مقاله با ویرایش های اساسی قبلاً در مجله موسسه فرانکلین منتشر شده بود.
• 1957 - هرمان باندی و ریچارد فاینمن آزمایش فکری "عصا با مهره ها" را پیشنهاد کردند که در آن وجود پیامدهای فیزیکی امواج گرانشی در نسبیت عام را اثبات کردند.
• 1962 - ولادیسلاو پوستوویت و میخائیل گرتسنشتاین اصول استفاده از تداخل سنج ها را برای تشخیص امواج گرانشی با طول موج بلند شرح دادند.
• 1964 - فیلیپ پیترز و جان متیو به طور نظری امواج گرانشی ساطع شده توسط سیستم های دوتایی را توصیف کردند.
• 1969 - جوزف وبر، بنیانگذار نجوم امواج گرانشی، تشخیص امواج گرانشی را با استفاده از آشکارساز تشدید - یک آنتن گرانشی مکانیکی گزارش کرد. این گزارش ها باعث رشد سریع کار در این راستا می شود، به ویژه، رنه وایس، یکی از بنیانگذاران پروژه LIGO، آزمایشات خود را در آن زمان آغاز کرد. تا به امروز (2015)، هیچ کس نتوانسته است تأیید قابل اعتمادی از این رویدادها به دست آورد.
• 1978 - جوزف تیلورکشف تابش گرانشی در سیستم دوتایی تپ اختر PSR B1913+16 را گزارش کرد. کارهای جوزف تیلور و راسل هالس در سال 1993 جایزه نوبل فیزیک را به خود اختصاص دادند. در ابتدای سال 2015، سه پارامتر پس از کپلری، از جمله کاهش دوره به دلیل انتشار امواج گرانشی، برای حداقل 8 سیستم اندازه‌گیری شد.
• 2002 - سرگئی کوپیکین و ادوارد فومالونت با استفاده از تداخل سنجی امواج رادیویی با خط پایه بسیار طولانی، اندازه گیری های دینامیکی انحراف نور را در میدان گرانشی مشتری انجام دادند، که برای کلاس خاصی از گسترش های فرضی نسبیت عام امکان تخمین سرعت گرانش را فراهم می کند - تفاوت از سرعت نور نباید از 20٪ تجاوز کند (این تفسیر به طور کلی پذیرفته نمی شود).
• 2006 - تیم بین المللی مارتا بورگای (رصدخانه پارک ها، استرالیا) تایید بسیار دقیق تری از نسبیت عام و مطابقت بزرگی انتشار امواج گرانشی با آن را در سیستم دو تپ اختر PSR J0737-3039A/B گزارش کرد.
• 2014 - ستاره شناسان در مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونیان (BICEP) کشف امواج گرانشی اولیه را در اندازه گیری نوسانات CMB گزارش کردند. در حال حاضر (2016)، نوسانات شناسایی شده منشأ باقی مانده در نظر گرفته نمی شوند، اما با تشعشع غبار در کهکشان توضیح داده می شوند.
• 2016 - تیم بین المللی LIGOاز کشف رویداد عبور امواج گرانشی GW150914 خبر داد. برای اولین بار، مشاهده مستقیم اجسام عظیم در حال تعامل در میدان های گرانشی فوق قوی با سرعت های نسبی فوق العاده بالا (< 1,2 × R s , v/c >0.5)، که امکان تأیید صحت نسبیت عام را با دقت چندین عبارت مرتبه بالا پس از نیوتنی فراهم کرد. پراکندگی اندازه گیری شده امواج گرانشی با اندازه گیری های قبلی پراکندگی و حد بالایی جرم گرانش فرضی مغایرتی ندارد.< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.

در روز پنج‌شنبه 11 فوریه، گروهی از دانشمندان پروژه بین‌المللی همکاری علمی LIGO اعلام کردند که موفق شده‌اند، که وجود آن توسط آلبرت اینشتین در سال 1916 پیش‌بینی شده بود. به گفته محققان، در 14 سپتامبر 2015، آنها یک موج گرانشی را ثبت کردند که ناشی از برخورد دو سیاهچاله با جرم 29 و 36 برابر جرم خورشید بود و پس از آن آنها در یک سیاهچاله بزرگ ادغام شدند. . به گفته آنها، این اتفاق ظاهراً 1.3 میلیارد سال پیش در فاصله 410 مگاپارسکی از کهکشان ما رخ داده است.

LIGA.net با جزئیات در مورد امواج گرانشی و یک کشف در مقیاس بزرگ صحبت کرد بوهدان هناتیک، دانشمند اوکراینی، اخترفیزیکدان، دکترای علوم فیزیکی و ریاضی، محقق برجسته در رصدخانه نجومی دانشگاه ملی تاراس شوچنکو کیف، که از سال 2001 تا 2004 ریاست رصدخانه را بر عهده داشت.

نظریه به زبان ساده

فیزیک تعامل بین اجسام را مطالعه می کند. ثابت شده است که چهار نوع برهمکنش بین اجسام وجود دارد: برهمکنش الکترومغناطیسی، برهمکنش هسته ای قوی و ضعیف و برهمکنش گرانشی که همه ما آن را احساس می کنیم. به دلیل تعامل گرانشی، سیارات به دور خورشید می چرخند، اجسام وزن دارند و به زمین می افتند. انسان دائماً با تعامل گرانشی مواجه است.

در سال 1916، 100 سال پیش، آلبرت انیشتین نظریه گرانش را ساخت که نظریه گرانش نیوتن را بهبود بخشید، آن را از نظر ریاضی درست کرد: شروع به برآورده کردن تمام الزامات فیزیک کرد، شروع به در نظر گرفتن این واقعیت کرد که گرانش با سرعت بسیار بالایی منتشر می شود. ، اما سرعت محدود. این به حق یکی از جاه طلبانه ترین دستاوردهای انیشتین است، زیرا او نظریه گرانش را ساخت که با تمام پدیده های فیزیک که امروز مشاهده می کنیم مطابقت دارد.

این نظریه نیز وجود را مطرح کرد امواج گرانشی. اساس این پیش‌بینی این بود که امواج گرانشی در نتیجه برهمکنش گرانشی که در اثر ادغام دو جسم عظیم رخ می‌دهد، وجود دارند.

موج گرانشی چیست

در یک زبان پیچیده، این برانگیختگی متریک فضا-زمان است. دکترای علوم فیزیک و ریاضی به LIGA.net گفت: "فرض کنیم فضا خاصیت ارتجاعی خاصی دارد و امواج می توانند از آن عبور کنند. مانند زمانی است که ما یک سنگ ریزه را به داخل آب می اندازیم و امواج از آن پراکنده می شوند."

دانشمندان توانستند به طور تجربی ثابت کنند که چنین نوسانی در کیهان رخ داده است و یک موج گرانشی در همه جهات می چرخد. "روش اخترفیزیکی اولین باری بود که پدیده چنین تکامل فاجعه بار یک سیستم دوتایی را ثبت کرد، زمانی که دو جسم به یکی می پیوندند و این ادغام منجر به آزاد شدن بسیار شدید انرژی گرانشی می شود که سپس در فضا به شکل این دانشمند توضیح داد که امواج گرانشی.

این امواج گرانشی بسیار ضعیف هستند و برای اینکه در فضا-زمان نوسان کنند، برهم کنش اجسام بسیار بزرگ و پرجرم ضروری است تا قدرت میدان گرانشی در محل تولید زیاد باشد. اما با وجود ضعف آنها، ناظر پس از مدت زمان معینی (برابر با فاصله تا برهمکنش تقسیم بر سرعت سیگنال) این موج گرانشی را ثبت می کند.

بیایید مثالی بزنیم: اگر زمین روی خورشید بیفتد، آنگاه یک برهمکنش گرانشی رخ می دهد: انرژی گرانشی آزاد می شود، یک موج متقارن کروی گرانشی تشکیل می شود و ناظر می تواند آن را ثبت کند. گناتیک خاطرنشان کرد: در اینجا، یک پدیده مشابه، اما منحصر به فرد، از نقطه نظر اخترفیزیک، رخ داد: دو جسم عظیم - دو سیاهچاله - با هم برخورد کردند.

بازگشت به نظریه

سیاهچاله یکی دیگر از پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام انیشتین است که می‌گوید جسمی که جرم عظیمی دارد، اما این جرم در حجم کمی متمرکز است، می‌تواند فضای اطراف خود را تا زمان بسته شدن به‌طور قابل توجهی منحرف کند. یعنی فرض بر این بود که وقتی به یک غلظت بحرانی از جرم این جسم رسید - به طوری که اندازه جسم کمتر از شعاع گرانشی نامیده می شود، فضای اطراف این جسم بسته می شود و توپولوژی آن بسته می شود. به گونه ای باشد که هیچ سیگنالی از آن در خارج از فضای بسته پخش نشود.

این دانشمند می گوید: «یعنی سیاهچاله، به عبارت ساده، یک جرم عظیم است که آنقدر سنگین است که فضا-زمان را به دور خود می بندد.

و ما به گفته او می توانیم هر سیگنالی را به این شی بفرستیم، اما او نمی تواند برای ما ارسال کند. یعنی هیچ سیگنالی نمی تواند فراتر از سیاهچاله برود.

یک سیاهچاله بر اساس قوانین فیزیکی معمول زندگی می کند، اما در نتیجه گرانش قوی، هیچ جسم مادی، حتی یک فوتون، قادر به فراتر رفتن از این سطح بحرانی نیست. سیاهچاله ها در طول تکامل ستارگان معمولی تشکیل می شوند، زمانی که هسته مرکزی فرو می ریزد و بخشی از ماده ستاره در حال فروپاشی به سیاه چاله تبدیل می شود و قسمت دیگر ستاره به شکل یک پوسته ابرنواختر به بیرون پرتاب می شود و به به اصطلاح "فلش" یک ابرنواختر.

چگونه موج گرانشی را دیدیم

بیایید یک مثال بزنیم. وقتی دو شناور روی سطح آب داریم و آب آرام است، فاصله بین آنها ثابت است. وقتی موجی می آید، این شناورها را جابه جا می کند و فاصله بین شناورها تغییر می کند. موج گذشته است - و شناورها به موقعیت قبلی خود باز می گردند و فاصله بین آنها بازیابی می شود.

یک موج گرانشی به روشی مشابه در فضا-زمان منتشر می شود: اجسام و اجسامی را که در مسیر خود با آنها مواجه می شوند فشرده و کشیده می شود. زمانی که جسم خاصی در مسیر موج قرار می گیرد در محورهای خود تغییر شکل می دهد و پس از عبور به شکل قبلی خود باز می گردد و تحت تأثیر موج گرانشی همه اجسام تغییر شکل می دهند اما این تغییر شکل ها بسیار زیاد است. هناتیک می گوید: ناچیز است.

هنگامی که موج عبور کرد، که توسط دانشمندان ثبت شد، اندازه نسبی اجسام در فضا با مقداری از مرتبه 1 ضربدر 10 به توان منهای 21 تغییر کرد. به عنوان مثال، اگر یک خط‌کش متر را بردارید، آنگاه به اندازه‌ای کوچک می‌شود که اندازه آن، ضرب در 10 به منهای 21 درجه می‌شود. این مقدار بسیار کمی است. و مشکل این بود که دانشمندان باید یاد می گرفتند که چگونه این فاصله را اندازه گیری کنند. روش های مرسوم دقتی از مرتبه 1 تا 10 تا توان 9 میلیون را می دادند، اما در اینجا به دقت بسیار بالاتری نیاز است. برای انجام این کار، به اصطلاح آنتن های گرانشی (آشکارگرهای امواج گرانشی) ایجاد کردند.

آنتنی که امواج گرانشی را ثبت می کند به این صورت ساخته شده است: دو لوله به طول حدود 4 کیلومتر که به شکل حرف "L" چیده شده اند، اما با بازوهای یکسان و در زوایای قائم وجود دارد. هنگامی که یک موج گرانشی بر روی سیستم می افتد، بال های آنتن را تغییر شکل می دهد، اما بسته به جهت آن، یکی بیشتر و دیگری کمتر تغییر شکل می دهد. و سپس یک تفاوت مسیر وجود دارد، الگوی تداخل سیگنال تغییر می کند - یک دامنه کلی مثبت یا منفی وجود دارد.

«یعنی عبور یک موج گرانشی شبیه موجی است که روی آب از بین دو شناور می گذرد: اگر فاصله بین آنها را در حین و پس از عبور موج اندازه گیری کنیم، می بینیم که فاصله تغییر می کند و سپس تبدیل می شود. گناتیک گفت.

همچنین تغییر نسبی فاصله دو بال تداخل سنج را که هر کدام حدود 4 کیلومتر طول دارند اندازه گیری می کند. و فقط فن آوری ها و سیستم های بسیار دقیق می توانند چنین جابجایی میکروسکوپی بال ها را که توسط یک موج گرانشی ایجاد می شود، اندازه گیری کنند.

در لبه کیهان: موج از کجا آمده است

دانشمندان این سیگنال را با استفاده از دو آشکارساز ثبت کردند که در ایالات متحده در دو ایالت قرار دارند: لوئیزیانا و واشنگتن در فاصله حدود 3 هزار کیلومتر. دانشمندان توانستند تخمین بزنند که این سیگنال از کجا و از چه فاصله ای آمده است. تخمین ها نشان می دهد که سیگنال از فاصله ای معادل 410 مگاپارسک آمده است. مگاپارسک مسافتی است که نور در سه میلیون سال طی می کند.

برای آسان‌تر تصور کردن: نزدیک‌ترین کهکشان فعال به ما با یک سیاه‌چاله فوق‌جرم در مرکز، قنطورس A است که چهار مگاپارسک از ما فاصله دارد، در حالی که سحابی آندرومدا در فاصله 0.7 مگاپارسکی قرار دارد. این دانشمند گفت: "یعنی فاصله ای که سیگنال موج گرانشی از آن می آید به قدری زیاد است که سیگنال برای حدود 1.3 میلیارد سال به زمین رفت. این فواصل کیهانی هستند که به حدود 10 درصد از افق کیهان ما می رسد."

در این فاصله، در یک کهکشان دور، دو سیاهچاله با هم ادغام شدند. این حفره ها از یک طرف اندازه نسبتاً کوچکی داشتند و از طرف دیگر قدرت زیاد دامنه سیگنال نشان دهنده سنگین بودن آنهاست. مشخص شد که جرم آنها به ترتیب 36 و 29 جرم خورشیدی است. جرم خورشید همانطور که می دانید مقداری است که برابر با 2 برابر 10 به توان 30 یک کیلوگرم است. پس از ادغام، این دو جسم با هم ادغام شدند و اکنون به جای آنها سیاهچاله ای تشکیل شده است که جرم آن برابر با 62 جرم خورشید است. در همان زمان، تقریباً سه جرم از خورشید به شکل انرژی موج گرانشی به بیرون پاشیده شد.

چه کسی و چه زمانی این کشف را انجام داد

دانشمندان پروژه بین المللی LIGO موفق به شناسایی یک موج گرانشی در 14 سپتامبر 2015 شدند. LIGO (رصدخانه گرانشی تداخل سنجی لیزری)یک پروژه بین المللی است که در آن تعدادی از کشورهایی که کمک مالی و علمی خاصی داشته اند، به ویژه ایالات متحده آمریکا، ایتالیا، ژاپن که در زمینه این مطالعات پیشرفت کرده اند، مشارکت دارند.

تصویر زیر ثبت شده است: جابجایی بال های آشکارساز گرانشی، در نتیجه عبور واقعی یک موج گرانشی از سیاره ما و از طریق این تاسیسات. این در آن زمان گزارش نشد، زیرا سیگنال باید پردازش می شد، "تمیز می شد"، دامنه آن پیدا و بررسی می شد. این یک روش استاندارد است: از یک کشف واقعی تا اعلام یک کشف، چندین ماه طول می کشد تا یک ادعای معتبر صادر شود. هناتیک گفت: "هیچ کس نمی خواهد شهرت آنها را خراب کند. اینها همه داده های سری هستند که قبل از انتشار آنها - هیچ کس از آنها خبر نداشت، فقط شایعاتی وجود داشت."

داستان

امواج گرانشی از دهه 70 قرن گذشته مورد مطالعه قرار گرفته است. در این مدت، تعدادی آشکارساز ایجاد شد و تعدادی مطالعات اساسی انجام شد. در دهه 80، جوزف وبر، دانشمند آمریکایی، اولین آنتن گرانشی را به شکل یک استوانه آلومینیومی ساخت که اندازه آن در حد چند متر بود و مجهز به حسگرهای پیزو بود که قرار بود عبور موج گرانشی را ثبت کند.

حساسیت این ابزار یک میلیون بار بدتر از آشکارسازهای فعلی بود. و البته، او در آن زمان واقعاً نمی توانست موج را درست کند، اگرچه وبر نیز گفت که او این کار را انجام داد: مطبوعات در مورد آن نوشتند و "رونق گرانشی" رخ داد - جهان بلافاصله شروع به ساخت آنتن های گرانشی کرد. وبر دانشمندان دیگر را به مطالعه امواج گرانشی و ادامه آزمایشات خود بر روی این پدیده تشویق کرد که امکان افزایش حساسیت آشکارسازها را میلیونها برابر کرد.

با این حال، خود پدیده امواج گرانشی در قرن گذشته ثبت شد، زمانی که دانشمندان یک تپ اختر دوگانه را کشف کردند. این یک ثبت غیرمستقیم از وجود امواج گرانشی بود که از طریق مشاهدات نجومی ثابت شد. تپ اختر توسط راسل هالس و جوزف تیلور در سال 1974 هنگام رصد با تلسکوپ رادیویی رصدخانه آرسیبو کشف شد. دانشمندان در سال 1993 جایزه نوبل را برای کشف نوع جدیدی از تپ اختر که فرصت های جدیدی در مطالعه گرانش ایجاد کرد، دریافت کردند.

تحقیق در جهان و اوکراین

در ایتالیا نیز پروژه ای مشابه به نام Virgo رو به اتمام است. ژاپن نیز قصد دارد یک آشکارساز مشابه را در یک سال آینده راه اندازی کند، هند نیز در حال آماده سازی چنین آزمایشی است. یعنی در بسیاری از نقاط جهان آشکارسازهای مشابهی وجود دارد، اما هنوز به آن حالت حساسیت نرسیده اند تا بتوانیم در مورد رفع امواج گرانشی صحبت کنیم.

"به طور رسمی، اوکراین عضو LIGO نیست و همچنین در پروژه های ایتالیایی و ژاپنی شرکت نمی کند. از جمله این حوزه های اساسی، اوکراین اکنون در پروژه LHC (LHC - برخورد دهنده بزرگ هادرون) و در CERN شرکت می کند. فقط پس از پرداخت هزینه ورودی عضو شوید) "، - بوگدان گناتیک، دکترای علوم فیزیک و ریاضی به LIGA.net گفت.

به گفته وی، از سال 2015 اوکراین عضو کامل همکاری بین المللی CTA (آرایه تلسکوپ MchT-Cherenkov) بوده است که در حال ساخت یک تلسکوپ مدرن چندگانه است. تلویزیونمحدوده وسیع گاما (با انرژی فوتون تا 1014 eV). "منبع اصلی چنین فوتون هایی دقیقاً همسایگی سیاهچاله های بسیار پرجرم است که تابش گرانشی آنها برای اولین بار توسط آشکارساز LIGO ثبت شد. بنابراین، باز شدن پنجره های جدید در نجوم - موج گرانشی و چندگانه تلویزیوناین دانشمند می افزاید: میدان الکترومغناطیسی جدید به ما نوید اکتشافات بیشتری را در آینده می دهد.

آینده چیست و دانش جدید چگونه به مردم کمک خواهد کرد؟ علما مخالفند. برخی می گویند که این فقط یک گام دیگر در درک مکانیسم های جهان است. برخی دیگر این را اولین قدم به سوی فناوری های جدید برای حرکت در زمان و مکان می دانند. به هر شکلی، این کشف بار دیگر ثابت کرد که ما چقدر کم می‌فهمیم و چقدر باید یاد بگیریم.

والنتین نیکولایویچ رودنکو داستان بازدید خود از شهر کاشینا (ایتالیا) را به اشتراک می گذارد، جایی که او یک هفته را بر روی "آنتن گرانشی" تازه ساخته شده - تداخل سنج نوری مایکلسون گذراند. در راه رسیدن به مقصد، راننده تاکسی علاقه مند است که این تاسیسات برای چه ساخته شده است. راننده اعتراف می کند: «مردم اینجا فکر می کنند این برای صحبت با خداست.

- امواج گرانشی چیست؟

- موج گرانشی یکی از "حامل اطلاعات اخترفیزیکی" است. کانال های قابل مشاهده اطلاعات اخترفیزیکی وجود دارد، نقش ویژه ای در "دید دور" متعلق به تلسکوپ ها است. ستاره شناسان همچنین بر کانال های فرکانس پایین - مایکروویو و مادون قرمز، و فرکانس بالا - اشعه ایکس و گاما تسلط دارند. علاوه بر تابش الکترومغناطیسی، می‌توانیم جریان‌های ذرات از کیهان را ثبت کنیم. برای انجام این کار، از تلسکوپ های نوترینو استفاده می شود - آشکارسازهای بزرگ نوترینوهای کیهانی - ذراتی که برهمکنش ضعیفی با ماده دارند و بنابراین ثبت آنها دشوار است. تقریباً تمام انواع «حامل اطلاعات اخترفیزیکی» که از نظر تئوری پیش‌بینی شده و مورد مطالعه آزمایشگاهی قرار گرفته‌اند، در عمل به طور قابل اعتمادی تسلط دارند. استثنا گرانش بود - ضعیف ترین برهمکنش در جهان خرد و قوی ترین نیرو در جهان بزرگ.

گرانش هندسه است. امواج گرانشی امواج هندسی هستند، یعنی امواجی که با حرکت در آن فضا، ویژگی های هندسی فضا را تغییر می دهند. به طور کلی، این امواج هستند که فضا را تغییر شکل می دهند. تغییر شکل تغییر نسبی در فاصله بین دو نقطه است. تشعشعات گرانشی دقیقاً در هندسی بودن آنها با سایر انواع تابش متفاوت است.

آیا انیشتین امواج گرانشی را پیش بینی کرده بود؟

- به طور رسمی، اعتقاد بر این است که امواج گرانشی توسط اینشتین به عنوان یکی از پیامدهای نظریه نسبیت عام پیش‌بینی شده بود، اما در واقع وجود آنها از قبل در نظریه نسبیت خاص آشکار می‌شود.

نظریه نسبیت پیشنهاد می کند که به دلیل جاذبه گرانشی، فروپاشی گرانشی امکان پذیر است، یعنی انقباض یک جسم در نتیجه فروپاشی، به طور کلی، به یک نقطه. سپس گرانش آنقدر قوی است که نور حتی نمی تواند از آن فرار کند، بنابراین چنین جسمی به طور مجازی سیاهچاله نامیده می شود.

- ویژگی برهم کنش گرانشی چیست؟

یکی از ویژگی های برهم کنش گرانشی اصل هم ارزی است. به گفته وی، پاسخ دینامیکی یک جسم آزمایشی در میدان گرانشی به جرم این جسم بستگی ندارد. به زبان ساده، تمام اجسام با یک شتاب سقوط می کنند.

نیروی گرانش ضعیف ترین نیرویی است که امروزه می شناسیم.

- اولین کسی که سعی کرد موج گرانشی را بگیرد چه کسی بود؟

- آزمایش امواج گرانشی اولین بار توسط جوزف وبر از دانشگاه مریلند (ایالات متحده آمریکا) انجام شد. او آشکارساز گرانشی را ساخت که اکنون در موزه اسمیتسونیان در واشنگتن نگهداری می شود. در سال‌های 1968-1972، جو وبر یک سری مشاهدات را با یک جفت آشکارساز با فاصله از هم در تلاش برای جداسازی نمونه‌های "تصادف" انجام داد. دریافت تصادفات از فیزیک هسته ای وام گرفته شده است. اهمیت آماری پایین سیگنال‌های گرانشی دریافتی توسط وبر باعث نگرش انتقادی نسبت به نتایج آزمایش شد: هیچ اطمینانی وجود نداشت که امواج گرانشی قابل تشخیص باشد. در آینده، دانشمندان تلاش کردند تا حساسیت آشکارسازهای نوع وبر را افزایش دهند. 45 سال طول کشید تا یک آشکارساز ساخته شود که حساسیت آن برای پیش‌بینی اخترفیزیکی کافی باشد.

در ابتدای آزمایش قبل از تثبیت، آزمایش‌های زیادی انجام شد، تکانه‌ها در این دوره ثبت شدند، اما شدت بسیار کمی داشتند.

- چرا تثبیت سیگنال بلافاصله اعلام نشد؟

- امواج گرانشی در سپتامبر 2015 ثبت شد. اما حتی اگر تصادفی ثبت شده باشد، قبل از اعلام تصادفی نبودن آن باید ثابت شود. در سیگنالی که از هر آنتنی گرفته می شود، همیشه انفجارهای نویز (ترکیدگی کوتاه مدت) وجود دارد و یکی از آنها می تواند به طور تصادفی همزمان با انفجار نویز روی آنتن دیگری رخ دهد. تنها با کمک برآوردهای آماری می توان ثابت کرد که تصادف اتفاقی رخ نداده است.

- چرا اکتشافات در زمینه امواج گرانشی اینقدر مهم هستند؟

– امکان ثبت پس‌زمینه گرانشی باقی‌مانده و اندازه‌گیری ویژگی‌های آن مانند چگالی، دما و غیره به ما امکان می‌دهد به آغاز جهان نزدیک شویم.

نکته جالب این است که تشعشعات گرانشی به سختی قابل تشخیص است زیرا برهمکنش بسیار ضعیفی با ماده دارد. اما به لطف همین خاصیت، بدون جذب از دورترین اجسام از ما با اسرارآمیزترین، از نظر ماده، خواص عبور می کند.

می توان گفت که تابش های گرانشی بدون اعوجاج عبور می کنند. بلندپروازانه ترین هدف، بررسی تابش گرانشی است که از ماده اولیه در نظریه بیگ بنگ، که در لحظه ایجاد جهان ایجاد شد، جدا شده است.

- آیا کشف امواج گرانشی نظریه کوانتومی را رد می کند؟

نظریه گرانش وجود فروپاشی گرانشی، یعنی انقباض اجسام عظیم به یک نقطه را فرض می کند. در عین حال، نظریه کوانتومی توسعه یافته توسط مکتب کپنهاگ نشان می دهد که به لطف اصل عدم قطعیت، نمی توان دقیقاً پارامترهایی مانند موقعیت، سرعت و تکانه یک جسم را به طور همزمان مشخص کرد. در اینجا یک اصل عدم قطعیت وجود دارد، تعیین دقیق مسیر غیرممکن است، زیرا مسیر هم مختصات است و هم سرعت و غیره. می توان فقط یک دالان اطمینان مشروط خاص را در داخل این خطا تعیین کرد که با اصول مرتبط است. از عدم قطعیت نظریه کوانتومی به طور قاطعانه امکان وجود اشیاء نقطه‌ای را رد می‌کند، اما آنها را به روشی آماری احتمالی توصیف می‌کند: به طور خاص مختصات را نشان نمی‌دهد، اما احتمال این را نشان می‌دهد که مختصات خاصی دارد.

مسئله یکسان سازی نظریه کوانتومی و نظریه گرانش یکی از سؤالات اساسی ایجاد یک نظریه میدان یکپارچه است.

آنها اکنون روی آن کار می کنند و کلمات "گرانش کوانتومی" به معنای منطقه کاملاً پیشرفته علم، مرز دانش و نادانی است، جایی که همه نظریه پردازان جهان اکنون در آن کار می کنند.

- این کشف در آینده چه می تواند بدهد؟

امواج گرانشی ناگزیر باید شالوده علم مدرن را به عنوان یکی از اجزای دانش ما تشکیل دهند. آنها نقش مهمی در تکامل کیهان دارند و با کمک این امواج باید کیهان را مطالعه کرد. این کشف به توسعه کلی علم و فرهنگ کمک می کند.

اگر تصمیم دارید از محدوده علم امروز فراتر بروید، تصور خطوط ارتباطی گرانشی مخابراتی، دستگاه جت بر روی تشعشعات گرانشی، دستگاه های درون سنجی امواج گرانشی مجاز است.

- آیا امواج گرانشی ارتباطی با ادراک فراحسی و تله پاتی دارند؟

ندارد. اثرات توصیف شده اثرات دنیای کوانتومی، اثرات نوری است.

مصاحبه با آنا اوتکینا

به یاد بیاورید که اخیراً دانشمندان LIGO از یک پیشرفت بزرگ در زمینه فیزیک، اخترفیزیک و مطالعه ما درباره جهان خبر دادند: کشف امواج گرانشی که 100 سال پیش توسط آلبرت انیشتین پیش‌بینی شد. Gizmodo موفق شد دکتر امبر استاور از رصدخانه لیوینگستون در لوئیزیانا را پیدا کند، که یک همکاری LIGO است، و با جزئیات در مورد معنای این موضوع برای فیزیک بپرسد. ما می دانیم که رسیدن به درک جهانی از راهی جدید برای درک جهان ما در چند مقاله دشوار خواهد بود، اما ما تلاش خواهیم کرد.

تا به امروز کارهای زیادی برای شناسایی یک موج گرانشی انجام شده است و این یک پیشرفت بزرگ بوده است. به نظر می رسد که بسیاری از احتمالات جدید برای نجوم در حال باز شدن است - اما آیا این اولین کشف شواهدی "ساده" است مبنی بر اینکه این کشف به خودی خود امکان پذیر است یا می توانید پیشرفت های علمی بیشتری را از آن بدست آورید؟ امیدوارید در آینده چه چیزی از این موضوع به دست آورید؟ آیا روش های ساده تری برای تشخیص این امواج در آینده وجود خواهد داشت؟

این در واقع اولین کشف، یک پیشرفت است، اما هدف همیشه استفاده از امواج گرانشی برای ساخت نجوم جدید بوده است. به جای جستجو در جهان برای نور مرئی، اکنون می توانیم تغییرات ظریف در گرانش ناشی از بزرگترین، قوی ترین و (به نظر من) جالب ترین چیزهای جهان را احساس کنیم - از جمله چیزهایی که هرگز نمی توانستیم با کمک آنها اطلاعاتی در مورد آنها به دست آوریم. سبک.

ما توانسته‌ایم این نوع جدید نجوم را در امواج اولین کشف به کار ببریم. با استفاده از آنچه قبلاً در مورد GR (نسبیت عام) می دانیم، توانستیم پیش بینی کنیم که امواج گرانشی اجرامی مانند سیاهچاله ها یا ستاره های نوترونی چگونه خواهند بود. سیگنالی که ما پیدا کردیم مطابق با چیزی است که برای یک جفت سیاهچاله پیش بینی شده بود، یکی 36 برابر جرم و دیگری 29 برابر جرم خورشید، که در حین نزدیک شدن به یکدیگر می چرخند. در نهایت، آنها در یک سیاهچاله ادغام می شوند. بنابراین این نه تنها اولین تشخیص امواج گرانشی است، بلکه اولین مشاهده مستقیم از سیاهچاله ها است، زیرا آنها را نمی توان با کمک نور (فقط توسط ماده ای که به دور آنها می چرخد) مشاهده کرد.

چرا مطمئن هستید که اثرات جانبی (مانند لرزش) روی نتایج تأثیر نمی گذارد؟

در LIGO، ما داده های مربوط به محیط و تجهیزات خود را بسیار بیشتر از داده هایی که می توانند حاوی سیگنال موج گرانشی باشند، ثبت می کنیم. دلیل این امر این است که ما می خواهیم تا حد امکان مطمئن باشیم که توسط دماغه توسط اثرات خارجی هدایت نمی شویم و در مورد تشخیص موج گرانشی گمراه نمی شویم. اگر در لحظه تشخیص سیگنال موج گرانشی، زمین غیرعادی را حس کنیم، به احتمال زیاد آن نامزد را کنار خواهیم گذاشت.

ویدئو: امواج گرانشی در یک نگاه

اقدام دیگری که برای جلوگیری از دیدن چیزی تصادفی انجام می دهیم این است که هر دو آشکارساز LIGO سیگنال یکسانی را با مدت زمانی که طول می کشد تا یک موج گرانشی بین دو جسم حرکت کند، ببینند. حداکثر زمان برای چنین سفری تقریباً 10 میلی ثانیه است. برای اطمینان از تشخیص احتمالی، باید سیگنال‌هایی با همان شکل و تقریباً همزمان ببینیم، و داده‌هایی که در مورد محیط خود جمع‌آوری می‌کنیم باید عاری از ناهنجاری باشد.

بسیاری از آزمون های دیگر وجود دارد که یک داوطلب موفق می شود، اما این ها اصلی ترین آنها هستند.

آیا راه عملی برای تولید امواج گرانشی وجود دارد که بتوان با چنین وسایلی تشخیص داد؟ آیا می توانیم یک رادیو گرانشی یا یک لیزر بسازیم؟

شما کاری را پیشنهاد می کنید که هاینریش هرتز در اواخر دهه 1880 برای تشخیص امواج الکترومغناطیسی به شکل امواج رادیویی انجام داد. اما گرانش ضعیف ترین نیروی اساسی است که جهان را کنار هم نگه می دارد. به همین دلیل، حرکت توده‌ها در آزمایشگاه یا تأسیسات دیگر برای ایجاد امواج گرانشی بسیار ضعیف است که حتی توسط آشکارسازهایی مانند LIGO قابل شناسایی نیست. برای ایجاد امواج به اندازه کافی قوی، باید دمبل را با چنان سرعتی بچرخانیم که هر ماده شناخته شده را پاره کند. اما حجم زیادی از جرم در کیهان وجود دارد که بسیار سریع حرکت می کنند، بنابراین ما در حال ساخت آشکارسازهایی هستیم که به دنبال آنها می گردند.

آیا این تایید آینده ما را تغییر خواهد داد؟ آیا می‌توانیم از قدرت این امواج برای کشف فضای بیرونی استفاده کنیم؟ آیا امکان برقراری ارتباط با استفاده از این امواج وجود خواهد داشت؟

با توجه به مقدار جرمی که برای تولید امواج گرانشی که آشکارسازهایی مانند LIGO می توانند با سرعت بسیار زیاد حرکت کنند، تنها مکانیسم شناخته شده برای این امر، چرخش جفت ستاره های نوترونی یا سیاهچاله ها قبل از ادغام است (ممکن است منابع دیگری وجود داشته باشد). احتمال اینکه این نوعی تمدن پیشرفته باشد که ماده را دستکاری می کند بسیار اندک است. من شخصاً فکر نمی‌کنم که پیدا کردن تمدنی که بتواند از امواج گرانشی به عنوان وسیله‌ای برای ارتباط استفاده کند عالی باشد، زیرا آنها به راحتی می‌توانند ما را به پایان برسانند.

آیا امواج گرانشی منسجم هستند؟ آیا می توان آنها را منسجم کرد؟ آیا می توانید آنها را متمرکز کنید؟ برای یک جسم عظیم که تحت تأثیر یک پرتو متمرکز گرانش قرار می گیرد چه اتفاقی می افتد؟ آیا می توان از این اثر برای بهبود شتاب دهنده های ذرات استفاده کرد؟

برخی از انواع امواج گرانشی می توانند منسجم باشند. یک ستاره نوترونی را تصور کنید که تقریباً کاملاً کروی است. اگر سریع بچرخد، تغییر شکل‌های کوچک کمتر از یک اینچ، امواج گرانشی با فرکانس مشخصی تولید می‌کند که آنها را منسجم می‌کند. اما تمرکز امواج گرانشی بسیار دشوار است، زیرا جهان برای آنها شفاف است. امواج گرانشی از ماده عبور می کنند و بدون تغییر خارج می شوند. شما باید مسیر حداقل برخی از امواج گرانشی را تغییر دهید تا آنها را متمرکز کنید. شاید یک شکل عجیب و غریب از عدسی گرانشی بتواند حداقل تا حدی امواج گرانشی را متمرکز کند، اما استفاده از آنها اگر نگوییم غیرممکن، دشوار خواهد بود. اگر بتوانند تمرکز داشته باشند باز هم آنقدر ضعیف خواهند بود که من هیچ کاربردی عملی برای آنها نمی بینم. اما آنها همچنین در مورد لیزرها صحبت کردند که اساساً فقط نور منسجم متمرکز هستند، پس چه کسی می داند.

سرعت موج گرانشی چقدر است؟ آیا او جرم دارد؟ اگر نه، آیا می تواند سریعتر از سرعت نور حرکت کند؟

اعتقاد بر این است که امواج گرانشی با سرعت نور حرکت می کنند. این سرعتی است که توسط نظریه نسبیت عام محدود شده است. اما آزمایشاتی مانند LIGO باید این را آزمایش کند. شاید آنها کمی کندتر از سرعت نور حرکت می کنند. اگر چنین است، پس ذره نظری مرتبط با گرانش، گراویتون، جرم خواهد داشت. از آنجایی که گرانش خود بین توده ها عمل می کند، این به پیچیدگی نظریه می افزاید. اما غیر ممکن نیست. ما از تیغ Occam استفاده می کنیم: ساده ترین توضیح معمولا بهترین توضیح است.

چقدر باید از ادغام سیاهچاله ها دور باشید تا بتوانید در مورد آنها بگویید؟

در مورد سیاهچاله های دوتایی ما، که ما آنها را از امواج گرانشی تشخیص دادیم، آنها حداکثر تغییر در طول بازوهای 4 کیلومتری ما را 18-10×1 متر ایجاد کردند (که 1/1000 قطر یک پروتون است). ما همچنین معتقدیم که این سیاهچاله ها 1.3 میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارند.

حال فرض کنید دو متر قد داریم و در فاصله زمین تا خورشید از سیاهچاله شناور هستیم. من فکر می کنم که شما می توانید به طور متناوب صاف کردن و کشش را حدود 165 نانومتر تجربه کنید (قد شما در طول یک روز به مقدار بیشتری تغییر می کند). می توان آن را تجربه کرد.

اگر از روش جدیدی برای شنیدن کیهان استفاده کنید، چه چیزی دانشمندان را بیشتر مورد علاقه خود قرار می دهد؟

پتانسیل به طور کامل شناخته نشده است، به این معنا که ممکن است مکان های بیشتری از آنچه ما فکر می کردیم وجود داشته باشد. هر چه بیشتر درباره کیهان بیاموزیم، بهتر می‌توانیم به سؤالات آن با کمک امواج گرانشی پاسخ دهیم. به عنوان مثال، در این موارد:

• چه چیزی باعث انفجار پرتو گاما می شود؟
• ماده در شرایط شدید یک ستاره در حال فروپاشی چگونه رفتار می کند؟
• اولین لحظات پس از انفجار بزرگ چه بود؟
• ماده در ستارگان نوترونی چگونه رفتار می کند؟

اما من بیشتر به این علاقه دارم که چه چیزهای غیرمنتظره ای را می توان با کمک امواج گرانشی تشخیص داد. هر بار که مردم جهان را به روشی جدید رصد کرده‌اند، چیزهای غیرمنتظره زیادی کشف کرده‌ایم که درک ما از جهان را وارونه کرده است. من می خواهم این امواج گرانشی را پیدا کنم و چیزی را کشف کنم که قبلاً هیچ ایده ای درباره آن نداشتیم.

آیا این به ما کمک می کند تا یک درایو Warp واقعی بسازیم؟

از آنجایی که امواج گرانشی برهمکنش ضعیفی با ماده دارند، به سختی می توان از آنها برای حرکت این ماده استفاده کرد. اما حتی اگر بتوانید، یک موج گرانشی فقط با سرعت نور حرکت می کند. آنها برای درایو Warp کار نمی کنند. هر چند باحال خواهد بود.

دستگاه های ضد جاذبه چطور؟

برای ایجاد یک دستگاه ضد جاذبه، باید نیروی جاذبه را به نیروی دافعه تبدیل کنیم. و اگرچه یک موج گرانشی تغییراتی را در گرانش منتشر می کند، این تغییر هرگز دافعه (یا منفی) نخواهد بود.

جاذبه همیشه جذب می شود زیرا جرم منفی به نظر نمی رسد وجود داشته باشد. به هر حال، بار مثبت و منفی، قطب مغناطیسی شمال و جنوب وجود دارد، اما فقط جرم مثبت. چرا؟ اگر جرم منفی وجود داشت، توپ ماده به جای پایین آمدن به سمت بالا سقوط می کرد. توسط جرم مثبت زمین دفع می شود.

این برای امکان سفر در زمان و دوربری چه معنایی دارد؟ آیا می توانیم برای این پدیده به جز مطالعه جهان خود کاربرد عملی پیدا کنیم؟

اکنون بهترین راه برای سفر در زمان (و فقط در آینده) سفر با سرعت نور نزدیک است (پارادوکس دوقلو در نسبیت عام را به خاطر بسپارید) یا رفتن به منطقه ای با گرانش افزایش یافته است (این نوع سفر در زمان در بین ستاره ای نشان داده شد) . از آنجایی که یک موج گرانشی تغییرات گرانشی را منتشر می کند، نوسانات بسیار کمی در سرعت زمان وجود خواهد داشت، اما از آنجایی که امواج گرانشی ذاتا ضعیف هستند، نوسانات زمانی نیز ضعیف هستند. و در حالی که فکر نمی‌کنم بتوانید این را برای سفر در زمان (یا دوربری) اعمال کنید، هرگز نگویید هرگز (شرط می‌بندم که نفستان را بند آورده‌اید).

آیا روزی فرا می رسد که تایید انیشتین را متوقف کنیم و دوباره به دنبال چیزهای عجیب و غریب بگردیم؟

قطعا! از آنجایی که گرانش ضعیف ترین نیرو است، آزمایش با آن نیز دشوار است. تاکنون، هر بار که دانشمندان GR را مورد آزمایش قرار داده اند، دقیقاً نتایج پیش بینی شده ای را دریافت کرده اند. حتی کشف امواج گرانشی بار دیگر نظریه انیشتین را تایید کرد. اما حدس می‌زنم وقتی شروع به آزمایش کوچک‌ترین جزئیات نظریه می‌کنیم (شاید با امواج گرانشی، شاید با دیگری)، چیزهای «خنده‌داری» پیدا می‌کنیم، مانند نتیجه آزمایش که دقیقاً با پیش‌بینی مطابقت ندارد. این به معنای اشتباه GR نیست، فقط نیاز به روشن شدن جزئیات آن است.

ویدئو: امواج گرانشی چگونه اینترنت را منفجر کردند؟

هر بار که به یک سوال در مورد طبیعت پاسخ می دهیم، سوالات جدیدی ظاهر می شوند. در پایان، ما سوالاتی خواهیم داشت که از پاسخ هایی که GR می تواند اجازه دهد سردتر خواهد بود.

آیا می توانید توضیح دهید که چگونه این کشف ممکن است به نظریه میدان یکپارچه مرتبط باشد یا بر آن تأثیر بگذارد؟ آیا به تایید آن نزدیکتر هستیم یا رد آن؟

اکنون نتایج کشف ما عمدتاً به تأیید و تأیید نسبیت عام اختصاص دارد. نظریه میدان یکپارچه به دنبال راهی برای ایجاد نظریه ای است که فیزیک بسیار کوچک (مکانیک کوانتومی) و خیلی بزرگ (نسبیت عام) را توضیح دهد. اکنون این دو نظریه را می توان برای توضیح مقیاس جهانی که در آن زندگی می کنیم تعمیم داد، اما نه بیشتر. از آنجایی که اکتشاف ما بر فیزیک بسیار بزرگ متمرکز است، به خودی خود کمک چندانی به پیشبرد ما در جهت یک نظریه یکپارچه نخواهد کرد. اما موضوع این نیست. اکنون رشته فیزیک امواج گرانشی به تازگی متولد شده است. همانطور که بیشتر یاد می گیریم، مطمئناً نتایج خود را به حوزه یک نظریه یکپارچه تعمیم خواهیم داد. اما قبل از دویدن، باید راه بروید.

اکنون که ما به امواج گرانشی گوش می دهیم، دانشمندان برای لگد زدن به آجر چه چیزی باید بشنوند؟ 1) الگوها/ساختارهای غیر طبیعی؟ 2) منابع امواج گرانشی از مناطقی که ما آنها را خالی می دانستیم؟ 3) ریک استلی

وقتی سوال شما را خواندم، بلافاصله صحنه ای از "تماس" را به یاد آوردم که در آن تلسکوپ رادیویی الگوهای اعداد اول را می گیرد. بعید است که این را بتوان در طبیعت یافت (تا جایی که ما می دانیم). بنابراین نسخه شما با یک الگو یا ساختار غیر طبیعی محتمل ترین خواهد بود.

من فکر نمی‌کنم که ما هرگز از پوچی در منطقه خاصی از فضا مطمئن نباشیم. به هر حال، سیستم سیاه چاله ای که ما پیدا کردیم، ایزوله بود و هیچ نوری از آن منطقه نمی آمد، اما هنوز امواج گرانشی را در آنجا پیدا کردیم.

در مورد موسیقی... من در جدا کردن سیگنال‌های امواج گرانشی از نویز ساکن که دائماً در پس‌زمینه محیط اندازه‌گیری می‌کنیم، تخصص دارم. اگر بتوانم موسیقی را در یک موج گرانشی پیدا کنم، به خصوص موجی که قبلاً شنیده بودم، این یک شوخی بود. اما موسیقی ای که هرگز روی زمین شنیده نشده است ... مانند موارد ساده "تماس" است.

از آنجایی که آزمایش امواج را با تغییر فاصله بین دو جسم ثبت می کند، آیا دامنه یک جهت از جهت دیگر بیشتر است؟ در غیر این صورت، آیا خوانش ها به این معنی نیست که جهان در حال تغییر اندازه است؟ و اگر چنین است، آیا این گسترش تایید می کند یا چیز غیر منتظره ای؟

قبل از اینکه بتوانیم به این سوال پاسخ دهیم، باید امواج گرانشی زیادی را ببینیم که از جهات مختلف در جهان می آیند. در نجوم، این یک مدل جمعیت ایجاد می کند. چند نوع چیز مختلف وجود دارد؟ این سوال اصلی است. هنگامی که مشاهدات زیادی داشته باشیم و شروع به دیدن الگوهای غیرمنتظره کنیم، به عنوان مثال، امواج گرانشی از نوع خاصی از قسمت خاصی از کیهان و هیچ جای دیگر نمی آیند، این یک نتیجه بسیار جالب خواهد بود. برخی از الگوها می توانند گسترش (که ما بسیار به آن اطمینان داریم) یا پدیده های دیگری که هنوز از آنها آگاه نیستیم را تأیید کنند. اما ابتدا باید امواج گرانشی بسیار بیشتری را ببینید.

برای من کاملاً غیرقابل درک است که چگونه دانشمندان تشخیص دادند که امواجی که اندازه‌گیری کردند متعلق به دو سیاه‌چاله بزرگ است. چگونه می توان منبع امواج را با این دقت تعیین کرد؟

روش‌های تجزیه و تحلیل داده‌ها از فهرستی از سیگنال‌های امواج گرانشی پیش‌بینی‌شده برای مقایسه با داده‌های ما استفاده می‌کنند. اگر با یکی از این پیش‌بینی‌ها یا الگوها همبستگی قوی وجود داشته باشد، نه تنها می‌دانیم که این یک موج گرانشی است، بلکه می‌دانیم که کدام سیستم آن را ایجاد کرده است.

هر روشی برای ایجاد یک موج گرانشی، خواه ادغام سیاهچاله ها، چرخش ستاره ها یا مردن باشد، همه امواج اشکال متفاوتی دارند. وقتی موج گرانشی را تشخیص می دهیم، همانطور که نسبیت عام پیش بینی کرده است، از این اشکال برای تعیین علت آنها استفاده می کنیم.

از کجا بفهمیم که این امواج از برخورد دو سیاهچاله به وجود آمده اند و نه رویداد دیگری؟ آیا می توان با هر درجه ای از دقت پیش بینی کرد که چنین رویدادی کجا یا چه زمانی رخ داده است؟

هنگامی که بدانیم کدام سیستم موج گرانشی را تولید کرده است، می توانیم پیش بینی کنیم که موج گرانشی در نزدیکی محل تولدش چقدر قوی بوده است. با اندازه گیری قدرت آن هنگام رسیدن به زمین و مقایسه اندازه گیری های ما با قدرت پیش بینی شده منبع، می توانیم محاسبه کنیم که منبع چقدر دور است. از آنجایی که امواج گرانشی با سرعت نور حرکت می کنند، می توانیم محاسبه کنیم که چقدر طول کشید تا امواج گرانشی به سمت زمین حرکت کنند.

در مورد سیستم سیاه چاله ای که ما کشف کردیم، ما حداکثر تغییر در طول بازوهای LIGO را در هر 1/1000 قطر پروتون اندازه گیری کردیم. این سیستم در فاصله 1.3 میلیارد سال نوری از ما قرار دارد. موج گرانشی که در سپتامبر کشف شد و روز گذشته اعلام شد، 1.3 میلیارد سال است که به سمت ما حرکت می کند. این اتفاق قبل از تشکیل حیات حیوانی روی زمین، اما پس از ظهور موجودات چند سلولی رخ داد.

در زمان اعلام، اعلام شد که آشکارسازهای دیگر به دنبال امواج با دوره طولانی تر خواهند بود - برخی از آنها کیهانی خواهند بود. در مورد این آشکارسازهای بزرگ چه می توانید به ما بگویید؟

یک آشکارساز فضایی واقعاً در حال توسعه است. به آن LISA (آنتن فضایی تداخل سنج لیزری) می گویند. از آنجایی که در فضا خواهد بود، برخلاف آشکارسازهای زمینی، به دلیل ارتعاشات طبیعی زمین، نسبت به امواج گرانشی فرکانس پایین کاملاً حساس خواهد بود. دشوار خواهد بود، زیرا ماهواره ها باید دورتر از زمین قرار گیرند تا زمانی که یک شخص تا به حال بوده است. اگر مشکلی پیش بیاید، نمی‌توانیم فضانوردان را مانند هابل در دهه 1990 برای تعمیر بفرستیم. برای آزمایش فناوری های لازم، ماموریت LISA Pathfinder در ماه دسامبر راه اندازی شد. او تا کنون با تمام وظایف تعیین شده کنار آمده است، اما این ماموریت هنوز به پایان نرسیده است.

آیا امواج گرانشی را می توان به امواج صوتی تبدیل کرد؟ و اگر چنین است، چه شکلی خواهند بود؟

می توان. البته، شما فقط یک موج گرانشی را نخواهید شنید. اما اگر سیگنال را بگیرید و از بلندگوها عبور دهید، می توانید آن را بشنوید.

با این اطلاعات چه کنیم؟ آیا این امواج اجسام نجومی دیگری با جرم قابل توجهی را ساطع می کنند؟ آیا می توان از امواج برای جستجوی سیارات یا سیاهچاله های ساده استفاده کرد؟

وقتی به دنبال مقادیر گرانشی هستید، فقط جرم نیست که مهم است. همچنین شتابی که ذاتی جسم است. سیاهچاله هایی که پیدا کردیم با ادغام شدن با سرعت 60 درصد به دور یکدیگر می چرخیدند. بنابراین، ما توانستیم آنها را در طول ادغام شناسایی کنیم. اما اکنون آنها دیگر امواج گرانشی را دریافت نمی کنند، زیرا آنها در یک توده بی تحرک ادغام شده اند.

بنابراین هر چیزی که جرم زیادی دارد و بسیار سریع حرکت می کند، امواج گرانشی ایجاد می کند که می توانید آنها را بگیرید.

بعید است که سیارات فراخورشیدی جرم یا شتاب کافی برای ایجاد امواج گرانشی قابل تشخیص داشته باشند. (من نمی گویم که اصلا آنها را نمی سازند، فقط به این دلیل که به اندازه کافی قوی یا در فرکانس متفاوتی نخواهند بود). حتی اگر سیاره فراخورشیدی به اندازه کافی بزرگ باشد که امواج لازم را تولید کند، شتاب آن را از هم خواهد پاشید. فراموش نکنید که پرجرم ترین سیارات تمایل به غول های گازی دارند.

قیاس امواج در آب چقدر درست است؟ آیا می توانیم سوار این امواج شویم؟ آیا «قله‌های» گرانشی مانند «چاه‌های» از قبل شناخته شده وجود دارد؟

از آنجایی که امواج گرانشی می توانند در ماده حرکت کنند، هیچ راهی برای سوار شدن بر آنها یا استفاده از آنها برای حرکت وجود ندارد. بنابراین موج گرانشی موج سواری نمی کند.

"قله ها" و "چاه ها" فوق العاده هستند. جاذبه همیشه جذب می شود زیرا جرم منفی وجود ندارد. ما نمی دانیم چرا، اما هرگز در آزمایشگاه یا در جهان مشاهده نشده است. بنابراین، گرانش معمولاً به عنوان یک "چاه" نشان داده می شود. توده ای که در امتداد این "چاه" حرکت می کند به سمت داخل سقوط می کند. جاذبه اینطوری کار میکنه اگر جرم منفی داشته باشید، دافعه و با آن یک "اوج" دریافت خواهید کرد. جرمی که در اوج حرکت می کند از آن منحنی می شود. بنابراین «چاه» وجود دارد، اما «قله» وجود ندارد.

قیاس آب خوب است تا زمانی که در مورد این واقعیت صحبت کنیم که قدرت موج با مسافت طی شده از منبع کاهش می یابد. موج آب کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شود و موج جاذبه ضعیف‌تر و ضعیف‌تر می‌شود.

این کشف چگونه بر توصیف ما از دوره تورمی بیگ بنگ تأثیر خواهد گذاشت؟

در حال حاضر این کشف عملا هیچ تاثیری بر تورم ندارد. برای بیان چنین اظهاراتی، لازم است امواج گرانشی باقیمانده انفجار بزرگ را مشاهده کنید. پروژه BICEP2 معتقد بود که به طور غیرمستقیم این امواج گرانشی را مشاهده می کند، اما معلوم شد که غبار کیهانی مقصر است. اگر داده های درستی به دست آورد، وجود تورم کوتاه مدت کوتاهی پس از بیگ بنگ در کنار آن تایید می شود.

LIGO قادر خواهد بود مستقیماً این امواج گرانشی را ببیند (همچنین ضعیف‌ترین نوع امواج گرانشی است که امیدواریم بتوانیم آنها را شناسایی کنیم). اگر آنها را ببینیم، می‌توانیم به گذشته کیهان نگاهی عمیق بیندازیم، همانطور که قبلاً نگاه نکرده‌ایم و تورم را از روی داده‌های به‌دست‌آمده قضاوت کنیم.

صد سال پس از پیش‌بینی نظری که آلبرت انیشتین در چارچوب نظریه نسبیت عام انجام داد، دانشمندان موفق به تأیید وجود امواج گرانشی شدند. عصر یک روش اساساً جدید برای مطالعه فضای عمیق آغاز می شود - نجوم امواج گرانشی.

اکتشافات متفاوت است. تصادفی وجود دارد، در نجوم رایج هستند. موارد کاملاً تصادفی وجود ندارد که در نتیجه "شانه زدن منطقه" دقیق ساخته شده باشند، مانند کشف اورانوس توسط ویلیام هرشل. سرندیپی وجود دارد - وقتی آنها به دنبال یک چیز بودند، اما چیز دیگری پیدا کردند: به عنوان مثال، آنها آمریکا را کشف کردند. اما جایگاه ویژه ای در علم توسط اکتشافات برنامه ریزی شده اشغال شده است. آنها بر اساس یک پیش بینی نظری روشن هستند. پیش‌بینی‌شده ابتدا برای تأیید نظریه جستجو می‌شود. این اکتشافات شامل تشخیص بوزون هیگز در برخورددهنده بزرگ هادرونی و تشخیص امواج گرانشی با استفاده از رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنجی لیزری LIGO است. اما برای ثبت برخی پدیده های پیش بینی شده توسط تئوری، باید به خوبی درک کنید که دقیقاً چه چیزی و کجا باید جستجو کنید و همچنین چه ابزارهایی برای این کار مورد نیاز است.

امواج گرانشی به طور سنتی پیش‌بینی نظریه نسبیت عام (GR) نامیده می‌شود، و این در واقع همین‌طور است (اگرچه اکنون چنین امواجی در همه مدل‌هایی وجود دارند که جایگزین یا مکمل GR هستند). محدود بودن سرعت انتشار برهمکنش گرانشی منجر به ظهور امواج می شود (در نسبیت عام این سرعت دقیقاً برابر با سرعت نور است). چنین امواجی آشفتگی های فضا-زمان هستند که از یک منبع منتشر می شوند. برای ظهور امواج گرانشی، لازم است که منبع به سرعت، اما به شکلی خاص، تپش یا حرکت کند. فرض کنید حرکاتی با تقارن کروی یا استوانه ای کامل مناسب نیستند. تعداد زیادی از این منابع وجود دارد، اما اغلب آنها دارای جرم کوچکی هستند که برای تولید یک سیگنال قدرتمند کافی نیست. به هر حال، گرانش ضعیف ترین از چهار برهمکنش اساسی است، بنابراین ثبت یک سیگنال گرانشی بسیار دشوار است. علاوه بر این، برای ثبت نام، لازم است که سیگنال به سرعت در زمان تغییر کند، یعنی دارای فرکانس کافی بالا باشد. در غیر این صورت، ما نمی توانیم آن را ثبت کنیم، زیرا تغییرات بسیار کند خواهد بود. این بدان معناست که اجسام نیز باید فشرده باشند.

در ابتدا، شور و شوق زیادی ناشی از انفجارهای ابرنواختری بود که هر چند دهه در کهکشان هایی مانند ما رخ می دهد. بنابراین، اگر بتوانید به حساسیتی دست پیدا کنید که به شما امکان می دهد سیگنالی را از فاصله چند میلیون سال نوری ببینید، می توانید روی چندین سیگنال در سال حساب کنید. اما بعداً مشخص شد که تخمین‌های اولیه از قدرت آزاد شدن انرژی به شکل امواج گرانشی در طی یک انفجار ابرنواختری بسیار خوش‌بینانه بود و ثبت چنین سیگنال ضعیفی تنها در صورت وقوع یک ابرنواختر در کهکشان ما امکان‌پذیر خواهد بود.

نوع دیگری از اجرام پرجرم و فشرده که به سرعت حرکت می کنند، ستاره های نوترونی یا سیاهچاله ها هستند. ما می توانیم یا روند شکل گیری آنها را ببینیم یا روند تعامل با یکدیگر. آخرین مراحل فروپاشی هسته‌های ستاره‌ای که منجر به تشکیل اجرام فشرده می‌شود، و همچنین آخرین مراحل ادغام ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها، مدت زمان چند میلی‌ثانیه دارند (که مربوط به فرکانس صدها هرتز) - همان چیزی است که ما نیاز داریم. در این حالت، انرژی زیادی آزاد می شود، از جمله (و گاهی اوقات بیشتر) به شکل امواج گرانشی، زیرا اجسام فشرده عظیم حرکات سریع خاصی را انجام می دهند. اینها منابع ایده آل ما هستند.

درست است، ابرنواخترها هر چند دهه یک بار در کهکشان شعله ور می شوند، ادغام ستاره های نوترونی هر چند ده هزار سال یک بار اتفاق می افتد، و سیاهچاله ها حتی کمتر با یکدیگر ادغام می شوند. اما سیگنال بسیار قوی تر است و ویژگی های آن را می توان کاملاً دقیق محاسبه کرد. اما اکنون باید بیاموزیم که چگونه سیگنال را از فاصله چند صد میلیون سال نوری ببینیم تا بتوانیم چندین ده هزار کهکشان را پوشش دهیم و چندین سیگنال را در یک سال شناسایی کنیم.

پس از تصمیم گیری در مورد منابع، بیایید طراحی آشکارساز را شروع کنیم. برای انجام این کار، باید بدانید که یک موج گرانشی چه کار می کند. بدون پرداختن به جزئیات می توان گفت که عبور موج گرانشی باعث ایجاد نیروی جزر و مدی می شود ( جزر و مد معمولی قمری یا خورشیدی پدیده ای جداگانه است و امواج گرانشی هیچ ربطی به آن ندارند). بنابراین می توانید مثلاً یک استوانه فلزی بگیرید، آن را به حسگرها مجهز کنید و ارتعاشات آن را مطالعه کنید. این کار دشواری نیست ، بنابراین نیم قرن پیش شروع به ساخت چنین تاسیساتی کرد (آنها نیز در روسیه هستند ، اکنون یک آشکارساز بهبود یافته که توسط تیم والنتین رودنکو از SAI MSU ایجاد شده است) در آزمایشگاه زیرزمینی Baksan نصب می شود. مشکل این است که چنین وسیله ای سیگنال را بدون هیچ گونه امواج گرانشی می بیند. صداهای زیادی وجود دارد که مقابله با آنها دشوار است. ممکن است (و انجام شده است!) آشکارساز را در زیر زمین نصب کنید، سعی کنید آن را ایزوله کنید، آن را تا دمای پایین خنک کنید، اما هنوز برای فراتر رفتن از سطح نویز، یک سیگنال موج گرانشی بسیار قدرتمند مورد نیاز است. و سیگنال های قوی نادر هستند.

بنابراین، به نفع طرح دیگری انتخاب شد که در سال 1962 توسط ولادیسلاو پوستوویت و میخائیل گرتسنشتین ارائه شد. در مقاله ای که در ZhETF (ژورنال فیزیک تجربی و نظری) منتشر شد، آنها استفاده از تداخل سنج مایکلسون را برای تشخیص امواج گرانشی پیشنهاد کردند. پرتو لیزر بین آینه های دو بازوی تداخل سنج می گذرد و سپس پرتوهای بازوهای مختلف اضافه می شوند. با تجزیه و تحلیل نتیجه تداخل تیرها می توان تغییر نسبی طول بازوها را اندازه گیری کرد. اینها اندازه گیری های بسیار دقیقی هستند، بنابراین اگر سر و صدا را شکست دهید، می توانید به حساسیت فوق العاده ای دست پیدا کنید.

در اوایل دهه 1990 تصمیم به ساخت چندین آشکارساز بر اساس این طرح گرفته شد. تأسیسات نسبتاً کوچک، GEO600 در اروپا و TAMA300 در ژاپن (اعداد مربوط به طول بازوها بر حسب متر است) قرار بود ابتدا برای آزمایش این فناوری مورد بهره برداری قرار گیرند. اما بازیگران اصلی قرار بود LIGO در ایالات متحده و VIRGO در اروپا باشند. اندازه این دستگاه‌ها قبلاً بر حسب کیلومتر اندازه‌گیری شده است و حساسیت نهایی برنامه‌ریزی‌شده باید امکان دیدن ده‌ها، اگر نه صدها رویداد را در سال فراهم کند.

چرا چندین دستگاه مورد نیاز است؟ در درجه اول برای اعتبار سنجی متقابل، زیرا صداهای محلی (مثلاً لرزه ای) وجود دارد. ثبت همزمان یک سیگنال در شمال غرب ایالات متحده و در ایتالیا می تواند شاهدی عالی از منشاء خارجی آن باشد. اما دلیل دومی نیز وجود دارد: آشکارسازهای امواج گرانشی جهت منبع را بسیار ضعیف تعیین می کنند. اما اگر چند آشکارساز با فاصله وجود داشته باشد، می توان جهت را کاملاً دقیق نشان داد.

غول های لیزری

در شکل اصلی خود، آشکارسازهای LIGO در سال 2002 و VIRGO در سال 2003 ساخته شدند. طبق برنامه، این تنها مرحله اول بود. همه تاسیسات برای چندین سال کار کردند و در سال های 2010-2011 برای بازبینی متوقف شدند تا به حساسیت بالای برنامه ریزی شده برسند. آشکارسازهای LIGO اولین کسانی بودند که در سپتامبر 2015 شروع به کار کردند، VIRGO باید در نیمه دوم سال 2016 به آن ملحق شود و از این مرحله، حساسیت به ما این امکان را می دهد که حداقل چندین رویداد را در سال ثبت کنیم.

پس از شروع LIGO، نرخ مورد انتظار انفجارها تقریباً یک رویداد در ماه بود. اخترفیزیکدانان از قبل تخمین زده اند که ادغام سیاهچاله ها باید اولین رویداد مورد انتظار باشد. این به این دلیل است که سیاهچاله‌ها معمولاً ده برابر سنگین‌تر از ستاره‌های نوترونی هستند، سیگنال قوی‌تر است و از فواصل دور «دیده می‌شود» که بیش از سرعت پایین‌تر وقایع در هر کهکشان را جبران می‌کند. خوشبختانه مجبور نبودیم زیاد منتظر بمانیم. در 14 سپتامبر 2015، هر دو تاسیسات سیگنال تقریباً یکسانی را ثبت کردند که GW150914 نام داشت.

با یک تحلیل نسبتاً ساده می توان داده هایی مانند جرم سیاهچاله، قدرت سیگنال و فاصله تا منبع را به دست آورد. جرم و اندازه سیاهچاله ها به روشی بسیار ساده و شناخته شده با هم مرتبط هستند و از فرکانس سیگنال می توان بلافاصله اندازه منطقه آزاد شده انرژی را تخمین زد. در این حالت، اندازه نشان داد که دو حفره با جرم 25-30 و 35-40 خورشیدی، سیاهچاله ای با جرم بیش از 60 جرم خورشیدی را تشکیل می دهند. با دانستن این داده ها، می توان کل انرژی انفجار را نیز بدست آورد. تقریباً سه جرم خورشیدی به تابش گرانشی منتقل شده اند. این با درخشندگی 1023 درخشندگی خورشید مطابقت دارد - تقریباً همان درخشندگی در این زمان (صدم های ثانیه) همه ستارگان در بخش مرئی کیهان تابش می کنند. و از انرژی شناخته شده و بزرگی سیگنال اندازه گیری شده فاصله بدست می آید. توده بزرگی از اجسام ادغام شده امکان ثبت رویدادی را که در یک کهکشان دور افتاده رخ داده است: این سیگنال برای حدود 1.3 میلیارد سال به سمت ما رفت.

تجزیه و تحلیل دقیق تر به ما امکان می دهد نسبت جرم سیاهچاله ها را اصلاح کنیم و بفهمیم که چگونه آنها به دور محور خود می چرخند و همچنین برخی پارامترهای دیگر را تعیین کنیم. علاوه بر این، سیگنال دو تأسیسات امکان تعیین تقریباً جهت انفجار را فراهم می کند. متأسفانه، تا کنون دقت در اینجا زیاد نیست، اما با راه اندازی VIRGO به روز شده، افزایش می یابد. و در چند سال آینده، آشکارساز ژاپنی KAGRA شروع به دریافت سیگنال خواهد کرد. سپس یکی از آشکارسازهای LIGO (در ابتدا سه مورد از آنها وجود داشت، یکی از تأسیسات دوگانه بود) در هند مونتاژ می شود و انتظار می رود که ده ها رویداد در سال پس از آن ثبت شود.

عصر نجوم جدید

در حال حاضر مهمترین نتیجه کار LIGO تایید وجود امواج گرانشی است. علاوه بر این، در حال حاضر اولین انفجار امکان بهبود محدودیت‌های جرم گراویتون را فراهم کرده است (در نسبیت عام جرم آن صفر است) و همچنین تفاوت بین سرعت انتشار گرانش و سرعت گرانش را به شدت محدود می‌کند. سبک. اما دانشمندان امیدوارند که در سال 2016 بتوانند بسیاری از داده های اخترفیزیکی جدید را با کمک LIGO و VIRGO دریافت کنند.

اول، داده های رصدخانه های امواج گرانشی کانال جدیدی برای مطالعه سیاهچاله ها است. اگر قبلاً فقط امکان مشاهده جریانهای ماده در مجاورت این اجرام وجود داشت ، اکنون می توانید مستقیماً روند ادغام و "آرامش" سیاهچاله تشکیل شده را مشاهده کنید ، افق آن چگونه نوسان می کند و شکل نهایی خود را می گیرد ( با چرخش تعیین می شود). احتمالاً تا زمان کشف تبخیر سیاهچاله ها توسط هاوکینگ (تا اینجا این فرآیند یک فرضیه باقی مانده است)، مطالعه ادغام ها بهترین اطلاعات مستقیم را در مورد آنها ارائه خواهد کرد.

ثانیاً، مشاهدات ادغام ستاره های نوترونی، اطلاعات جدید و بسیار مورد نیاز زیادی را در مورد این اجرام ارائه می دهد. برای اولین بار، ما می‌توانیم ستاره‌های نوترونی را به روشی که فیزیکدانان ذرات را مطالعه می‌کنند، مطالعه کنیم: برخوردهای آنها را مشاهده کنیم تا بفهمیم چگونه آنها در داخل کار می‌کنند. رمز و راز ساختار درونی ستارگان نوترونی هم اخترفیزیکدانان و هم فیزیکدانان را به هیجان می آورد. درک ما از فیزیک هسته ای و رفتار ماده در چگالی فوق العاده بالا بدون حل این مسئله ناقص است. این احتمال وجود دارد که مشاهدات امواج گرانشی در اینجا نقش کلیدی ایفا کنند.

اعتقاد بر این است که ادغام ستاره های نوترونی مسئول انفجارهای کوتاه پرتو گامای کیهانی است. در موارد نادر، مشاهده همزمان یک رویداد هم در محدوده گاما و هم در آشکارسازهای امواج گرانشی امکان پذیر خواهد بود (نادر بودن به این دلیل است که اولاً سیگنال گاما در یک پرتو بسیار باریک متمرکز شده است و اینطور نیست. همیشه به سمت ما است، اما ثانیا، امواج گرانشی را از رویدادهای بسیار دور ثبت نمی کنیم). ظاهراً چندین سال مشاهدات طول می کشد تا بتوانید این را ببینید (اگرچه، طبق معمول، می توانید خوش شانس باشید و این در حال حاضر اتفاق می افتد). سپس، در میان چیزهای دیگر، می توانیم سرعت گرانش را با سرعت نور به دقت مقایسه کنیم.

بنابراین، تداخل سنج های لیزری با هم به عنوان یک تلسکوپ موج گرانشی واحد کار می کنند و دانش جدیدی را برای اخترفیزیکدانان و فیزیکدانان به ارمغان می آورند. خوب، دیر یا زود جایزه نوبل شایسته برای کشف اولین انفجارها و تجزیه و تحلیل آنها اهدا خواهد شد.