Przypomnijmy, że pewnego dnia naukowcy LIGO ogłosili ogromny przełom w fizyce, astrofizyce i naszych badaniach nad Wszechświatem: odkrycie fal grawitacyjnych, które 100 lat temu przepowiedział Albert Einstein. Gizmodo spotkał się z dr Amber Staver z Obserwatorium Livingston w Luizjanie, będącego efektem współpracy LIGO, aby zapytać, co to oznacza dla fizyki. Rozumiemy, że w ciągu zaledwie kilku artykułów będzie trudno osiągnąć globalne zrozumienie nowego sposobu rozumienia naszego świata, ale spróbujemy.

Jak dotąd wykonano ogromną pracę, aby wykryć pojedynczą falę grawitacyjną i był to poważny przełom. Wygląda na to, że przed astronomią otwiera się mnóstwo nowych możliwości – ale czy to pierwsze wykrycie jest „prostym” dowodem na to, że wykrycie samo w sobie jest możliwe, czy też można już dzięki niemu wyprowadzić dalsze postępy naukowe? Co masz nadzieję osiągnąć dzięki temu w przyszłości? Czy w przyszłości będą prostsze metody wykrywania tych fal?

To tak naprawdę pierwsze odkrycie, przełom, ale celem zawsze było wykorzystanie fal grawitacyjnych w nowej astronomii. Zamiast przeszukiwać Wszechświat w poszukiwaniu światła widzialnego, możemy teraz wyczuć subtelne zmiany w grawitacji, które są spowodowane przez największe, najsilniejsze i (moim zdaniem) najciekawsze rzeczy we Wszechświecie - w tym takie, o których nigdy nie moglibyśmy się dowiedzieć za pomocą pomoc światła.

Udało nam się zastosować ten nowy rodzaj astronomii do pierwszych fal detekcyjnych. Korzystając z tego, co już wiemy o GTR (ogólnej teorii względności), byliśmy w stanie przewidzieć, jakie będą fale grawitacyjne z obiektów takich jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe. Sygnał, który znaleźliśmy, jest zgodny z przewidywaniami dla pary czarnych dziur, jednej 36, a drugiej 29 razy masywniejszych od Słońca, wirujących w miarę zbliżania się do siebie. Wreszcie łączą się w jedną czarną dziurę. Jest to więc nie tylko pierwsze wykrycie fal grawitacyjnych, ale także pierwsza bezpośrednia obserwacja czarnych dziur, ponieważ nie da się ich zaobserwować za pomocą światła (jedynie przez materię, która wokół nich krąży).

Dlaczego masz pewność, że zewnętrzne efekty (takie jak wibracje) nie mają wpływu na wyniki?

W LIGO rejestrujemy znacznie więcej danych związanych z naszym środowiskiem i sprzętem, niż danych, które mogłyby zawierać sygnał fali grawitacyjnej. Dzieje się tak dlatego, że chcemy mieć jak największą pewność, że nie damy się zwieść zewnętrznym efektom ani nie wprowadzimy w błąd w kwestii wykrycia fali grawitacyjnej. Jeśli wyczujemy nienormalną glebę po wykryciu sygnału fali grawitacyjnej, najprawdopodobniej odrzucimy tę kandydaturę.

Wideo: Fale grawitacyjne w pigułce

Innym środkiem, który podejmujemy, aby mieć pewność, że nie zobaczymy czegoś przypadkowego, jest to, że oba detektory LIGO widzą ten sam sygnał w czasie potrzebnym, aby fala grawitacyjna przemieściła się między dwoma obiektami. Maksymalny czas takiego wyłączenia wynosi około 10 milisekund. Aby mieć pewność wykrycia, musimy widzieć sygnały o tym samym kształcie niemal w tym samym czasie, a dane, które zbieramy na temat naszego otoczenia, muszą być wolne od anomalii.

Kandydat przechodzi wiele innych testów, ale te są najważniejsze.

Czy istnieje praktyczny sposób generowania fal grawitacyjnych, które mogą być wykrywane przez takie urządzenia? Czy uda nam się zbudować radio grawitacyjne lub laser?

Proponujesz to, co zrobił Heinrich Hertz pod koniec lat osiemdziesiątych XIX wieku, aby wykryć fale elektromagnetyczne w postaci fal radiowych. Jednak grawitacja jest najsłabszą z podstawowych sił spajających Wszechświat. Z tego powodu ruch masy w laboratorium lub innym obiekcie wytwarzający fale grawitacyjne będzie zbyt słaby, aby mógł zostać wykryty nawet przez detektor taki jak LIGO. Aby wytworzyć wystarczająco silne fale, musielibyśmy kręcić hantlem tak szybko, aby rozerwał każdy znany materiał. Jednak we Wszechświecie istnieje wiele dużych objętości masy, które poruszają się niezwykle szybko, dlatego budujemy detektory, które będą je szukać.

Czy to potwierdzenie zmieni naszą przyszłość? Czy będziemy mogli wykorzystać moc tych fal do eksploracji kosmosu? Czy za pomocą tych fal będzie możliwa komunikacja?

Ze względu na ilość masy, która musi poruszać się z ekstremalnymi prędkościami, aby wytworzyć fale grawitacyjne wykrywane przez detektory takie jak LIGO, jedynym znanym mechanizmem tego zjawiska są pary gwiazd neutronowych lub czarnych dziur wirujących przed połączeniem (mogą istnieć inne źródła). Prawdopodobieństwo, że jest to materia manipulująca zaawansowaną cywilizacją, jest niezwykle niskie. Osobiście nie sądzę, że byłoby wspaniale odkryć cywilizację zdolną do wykorzystania fal grawitacyjnych jako środka komunikacji, ponieważ mogłyby nas łatwo zabić.

Czy fale grawitacyjne są spójne? Czy da się zapewnić ich spójność? Czy da się je skupić? Co stanie się z masywnym obiektem, na który oddziałuje skupiona wiązka grawitacji? Czy można wykorzystać ten efekt do ulepszenia akceleratorów cząstek?

Niektóre rodzaje fal grawitacyjnych mogą być spójne. Wyobraźmy sobie gwiazdę neutronową, która jest prawie idealnie kulista. Jeśli obraca się szybko, niewielkie odkształcenia mniejsze niż cal spowodują wytworzenie fal grawitacyjnych o określonej częstotliwości, co sprawi, że będą spójne. Jednak skupienie fal grawitacyjnych jest bardzo trudne, ponieważ Wszechświat jest dla nich przezroczysty; fale grawitacyjne przemieszczają się przez materię i wychodzą w niezmienionej postaci. Aby je skupić, trzeba zmienić ścieżkę przynajmniej części fal grawitacyjnych. Możliwe, że egzotyczna forma soczewkowania grawitacyjnego mogłaby przynajmniej częściowo skupić fale grawitacyjne, ale ich wykorzystanie byłoby trudne, jeśli nie niemożliwe. Jeśli uda się je skupić, nadal będą tak słabe, że nie wyobrażam sobie żadnego praktycznego zastosowania dla nich. Ale mówili także o laserach, które w zasadzie wytwarzają skupione, spójne światło, więc kto wie.

Jaka jest prędkość fali grawitacyjnej? Czy ma masę? Jeśli nie, czy może poruszać się szybciej niż prędkość światła?

Uważa się, że fale grawitacyjne poruszają się z prędkością światła. Jest to prędkość ograniczona ogólną teorią względności. Ale eksperymenty takie jak LIGO powinny to sprawdzić. Być może poruszają się nieco wolniej niż prędkość światła. Jeśli tak, to teoretyczna cząstka związana z grawitacją, grawiton, będzie miała masę. Ponieważ sama grawitacja działa pomiędzy masami, zwiększy to złożoność teorii. Ale nie niemożliwość. Używamy brzytwy Ockhama: najprostsze wyjaśnienie jest zwykle najbardziej poprawne.

Jak daleko trzeba być od połączenia się czarnych dziur, aby móc o nich mówić?

W przypadku naszych podwójnych czarnych dziur, które wykryliśmy na podstawie fal grawitacyjnych, spowodowały one maksymalną zmianę długości naszych 4-kilometrowych ramion wynoszącą 1 x 10 -18 metrów (czyli 1/1000 średnicy protonu). Wierzymy również, że te czarne dziury znajdują się 1,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi.

Załóżmy teraz, że mamy dwa metry wzrostu i unosimy się w odległości Ziemi od Słońca od czarnej dziury. Myślę, że doświadczysz naprzemiennego spłaszczania i rozciągania o około 165 nanometrów (Twój wzrost zmienia się bardziej w ciągu dnia). To da się przeżyć.

W nowy sposób usłyszenia kosmosu, czym najbardziej interesują się naukowcy?

Potencjał nie jest do końca poznany, w tym sensie, że miejsc może być znacznie więcej, niż nam się wydawało. Im więcej dowiemy się o Wszechświecie, tym lepiej będziemy w stanie odpowiedzieć na jego pytania za pomocą fal grawitacyjnych. Na przykład te:

• Co powoduje rozbłyski promieniowania gamma?
• Jak materia zachowuje się w ekstremalnych warunkach zapadającej się gwiazdy?
• Jakie były pierwsze chwile po Wielkim Wybuchu?
• Jak materia zachowuje się w gwiazdach neutronowych?

Ale bardziej interesuje mnie, jakie nieoczekiwane rzeczy można odkryć za pomocą fal grawitacyjnych. Za każdym razem, gdy ludzie obserwowali Wszechświat w nowy sposób, odkrywaliśmy wiele nieoczekiwanych rzeczy, które wywracały do ​​góry nogami nasze rozumienie Wszechświata. Chcę odnaleźć te fale grawitacyjne i odkryć coś, o czym wcześniej nie mieliśmy pojęcia.

Czy to pomoże nam stworzyć prawdziwy napęd warp?

Ponieważ fale grawitacyjne słabo oddziałują z materią, trudno je wykorzystać do poruszania tej materii. Ale nawet gdyby było to możliwe, fala grawitacyjna przemieszcza się tylko z prędkością światła. Nie nadają się do napędu warp. Byłoby jednak fajnie.

A co z urządzeniami antygrawitacyjnymi?

Aby stworzyć urządzenie antygrawitacyjne, musimy zamienić siłę przyciągania w siłę odpychania. I chociaż fala grawitacyjna propaguje zmiany grawitacji, zmiana ta nigdy nie będzie odpychająca (lub ujemna).

Grawitacja zawsze przyciąga, ponieważ wydaje się, że masa ujemna nie istnieje. W końcu istnieje ładunek dodatni i ujemny, północny i południowy biegun magnetyczny, ale tylko masa dodatnia. Dlaczego? Gdyby istniała masa ujemna, kula materii zamiast opadać, opadałaby w górę. Zostałby odepchnięty przez dodatnią masę Ziemi.

Co to oznacza dla możliwości podróżowania w czasie i teleportacji? Czy możemy znaleźć praktyczne zastosowanie tego zjawiska, inne niż badanie naszego Wszechświata?

Obecnie najlepszym sposobem podróżowania w czasie (i tylko do przyszłości) jest podróż z prędkością bliską światła (pamiętajcie o paradoksie bliźniaków w ogólnej teorii względności) lub udanie się do obszaru o zwiększonej grawitacji (ten rodzaj podróży w czasie wykazano w Interstellarze). Ponieważ fala grawitacyjna propaguje zmiany grawitacji, będzie wytwarzać bardzo małe wahania prędkości czasu, ale ponieważ fale grawitacyjne są z natury słabe, wahania czasu również. I chociaż nie sądzę, że można to zastosować do podróży w czasie (lub teleportacji), nigdy nie mów nigdy (założę się, że zaparło ci dech w piersiach).

Czy nadejdzie dzień, w którym przestaniemy usprawiedliwiać Einsteina i znów zaczniemy szukać dziwnych rzeczy?

Z pewnością! Ponieważ grawitacja jest najsłabszą z sił, trudno jest z nią eksperymentować. Do tej pory za każdym razem, gdy naukowcy testowali ogólną teorię względności, otrzymywali dokładnie przewidywane wyniki. Nawet odkrycie fal grawitacyjnych po raz kolejny potwierdziło teorię Einsteina. Wierzę jednak, że kiedy zaczniemy testować najdrobniejsze szczegóły teorii (może z falami grawitacyjnymi, może z czymś innym), znajdziemy „zabawne” rzeczy, na przykład wynik eksperymentu niezupełnie zgodny z przewidywaniami. Nie będzie to oznaczać, że GTR jest błędne, a jedynie konieczność doprecyzowania jego szczegółów.

Wideo: Jak fale grawitacyjne wysadziły Internet?

Za każdym razem, gdy odpowiadamy na jedno pytanie dotyczące przyrody, pojawiają się nowe. W końcu będziemy mieli pytania ciekawsze niż odpowiedzi, jakich może udzielić ogólna teoria względności.

Czy możesz wyjaśnić, w jaki sposób to odkrycie może się powiązać z ujednoliconą teorią pola lub na nią wpłynąć? Jesteśmy bliżej potwierdzenia czy obalenia?

Obecnie wyniki naszego odkrycia służą głównie testowaniu i potwierdzaniu ogólnej teorii względności. Ujednolicona teoria pola stara się stworzyć teorię wyjaśniającą fizykę rzeczy bardzo małych (mechanika kwantowa) i bardzo dużych (ogólna teoria względności). Teraz te dwie teorie można uogólnić, aby wyjaśnić skalę świata, w którym żyjemy, ale nic więcej. Ponieważ nasze odkrycie koncentruje się na fizyce obiektów bardzo dużych, samo w sobie niewiele pomoże nam w stworzeniu jednolitej teorii. Ale to nie jest pytanie. Właśnie narodziła się dziedzina fizyki fal grawitacyjnych. Gdy dowiemy się więcej, z pewnością rozszerzymy nasze wyniki na dziedzinę ujednoliconej teorii. Ale zanim pobiegniesz, musisz iść.

Teraz, gdy słuchamy fal grawitacyjnych, co muszą usłyszeć naukowcy, aby dosłownie wysadzić cegłę? 1) Nienaturalne wzory/struktury? 2) Źródła fal grawitacyjnych z obszarów, które uważaliśmy za puste? 3) Rick Astley – Nigdy cię nie opuszczę?

Kiedy przeczytałem Twoje pytanie, od razu przypomniała mi się scena z „Kontaktu”, w której radioteleskop rejestruje wzory liczb pierwszych. Jest mało prawdopodobne, aby można było to znaleźć w naturze (o ile nam wiadomo). Zatem najprawdopodobniejsza będzie opcja z nienaturalnym wzorem lub strukturą.

Nie sądzę, że kiedykolwiek będziemy pewni, że w danym obszarze przestrzeni istnieje pustka. Ostatecznie odkryty przez nas układ czarnych dziur został odizolowany i z tego obszaru nie docierało żadne światło, ale mimo to wykryliśmy tam fale grawitacyjne.

A co do muzyki... Specjalizuję się w oddzielaniu sygnałów fal grawitacyjnych od szumu statycznego, który stale mierzymy w tle. Gdybym w fali grawitacyjnej znalazł muzykę, zwłaszcza tę, którą słyszałem wcześniej, byłoby to oszustwo. Ale muzyka, jakiej na Ziemi nie słyszano... To tak, jak z prostymi obudowami z „Kontaktu”.

Ponieważ eksperyment wykrywa fale poprzez zmianę odległości między dwoma obiektami, czy amplituda w jednym kierunku jest większa niż w drugim? W przeciwnym razie, czy odczytywane dane nie oznaczałyby, że Wszechświat zmienia się pod względem wielkości? A jeśli tak, czy to potwierdza ekspansję, czy coś nieoczekiwanego?

Zanim będziemy mogli odpowiedzieć na to pytanie, musimy zobaczyć wiele fal grawitacyjnych pochodzących z wielu różnych kierunków we Wszechświecie. W astronomii tworzy to model populacji. Ile jest różnych rodzajów rzeczy? To jest główne pytanie. Kiedy już poczynimy wiele obserwacji i zaczniemy dostrzegać nieoczekiwane prawidłowości, na przykład to, że fale grawitacyjne określonego typu pochodzą z określonej części Wszechświata i nigdzie indziej, będzie to niezwykle interesujący wynik. Niektóre wzorce mogą potwierdzać ekspansję (czego jesteśmy bardzo pewni) lub inne zjawiska, których jeszcze nie jesteśmy świadomi. Ale najpierw musimy zobaczyć znacznie więcej fal grawitacyjnych.

Jest dla mnie całkowicie niezrozumiałe, w jaki sposób naukowcy ustalili, że zmierzone przez nich fale należą do dwóch supermasywnych czarnych dziur. Jak określić źródło fal z taką dokładnością?

Metody analizy danych wykorzystują katalog przewidywanych sygnałów fal grawitacyjnych w celu porównania z naszymi danymi. Jeśli istnieje silna korelacja z jednym z tych przewidywań lub wzorców, wówczas nie tylko wiemy, że jest to fala grawitacyjna, ale wiemy również, jaki system ją wytworzył.

W każdy sposób, w jaki powstaje fala grawitacyjna, czy to łączące się czarne dziury, wirujące gwiazdy, czy umierające gwiazdy, wszystkie fale mają różne kształty. Kiedy wykrywamy falę grawitacyjną, wykorzystujemy te kształty, zgodnie z ogólną teorią względności, aby określić ich przyczynę.

Skąd wiemy, że fale te powstały w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur, a nie z jakiegoś innego zdarzenia? Czy można z jakąkolwiek dokładnością przewidzieć, gdzie i kiedy miało miejsce takie zdarzenie?

Kiedy już dowiemy się, który system wytworzył falę grawitacyjną, możemy przewidzieć, jak silna była fala grawitacyjna w pobliżu miejsca jej powstania. Mierząc jego siłę w chwili dotarcia do Ziemi i porównując nasze pomiary z przewidywaną siłą źródła, możemy obliczyć, jak daleko znajduje się to źródło. Ponieważ fale grawitacyjne przemieszczają się z prędkością światła, możemy również obliczyć, ile czasu zajęło falom grawitacyjnym podróżowanie w kierunku Ziemi.

W przypadku odkrytego przez nas układu czarnych dziur zmierzyliśmy maksymalną zmianę długości ramion LIGO na 1/1000 średnicy protonu. Układ ten znajduje się w odległości 1,3 miliarda lat świetlnych. Odkryta we wrześniu i ogłoszona niedawno fala grawitacyjna zbliża się do nas już od 1,3 miliarda lat. Stało się to przed powstaniem życia zwierzęcego na Ziemi, ale po pojawieniu się organizmów wielokomórkowych.

W momencie ogłoszenia stwierdzono, że inne detektory będą szukać fal o dłuższych okresach czasu – niektóre z nich będą nawet kosmiczne. Co możesz nam powiedzieć o tych dużych detektorach?

Rzeczywiście trwają prace nad detektorem kosmicznym. Nazywa się LISA (antena kosmiczna z interferometrem laserowym). Ponieważ znajdzie się w kosmosie, będzie dość czuły na fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości, w przeciwieństwie do detektorów naziemnych, ze względu na naturalne wibracje Ziemi. Będzie to trudne, ponieważ satelity będą musiały zostać umieszczone dalej od Ziemi niż kiedykolwiek wcześniej. Jeśli coś pójdzie nie tak, nie będziemy mogli wysłać astronautów w celu naprawy, tak jak to zrobiliśmy w przypadku Hubble'a w latach 90. Aby przetestować niezbędne technologie, w grudniu wystrzelono misję LISA Pathfinder. Jak dotąd wykonała wszystkie swoje zadania, ale misja jeszcze się nie skończyła.

Czy można przekształcić fale grawitacyjne w fale dźwiękowe? A jeśli tak, to jak będą wyglądać?

Móc. Oczywiście nie usłyszysz tylko fali grawitacyjnej. Ale jeśli weźmiesz sygnał i przepuścisz go przez głośniki, możesz go usłyszeć.

Co powinniśmy zrobić z tymi informacjami? Czy inne obiekty astronomiczne o znacznych masach emitują te fale? Czy fale można wykorzystać do znalezienia planet lub prostych czarnych dziur?

Przy poszukiwaniu wartości grawitacji liczy się nie tylko masa. Również przyspieszenie właściwe dla obiektu. Czarne dziury, które odkryliśmy, kiedy się połączyły, wirowały wokół siebie z prędkością 60% prędkości światła. Dlatego udało nam się je wykryć podczas fuzji. Ale teraz nie pochodzą już z nich fale grawitacyjne, ponieważ połączyły się w jedną nieaktywną masę.

Zatem wszystko, co ma dużą masę i porusza się bardzo szybko, wytwarza fale grawitacyjne, które można wykryć.

Jest mało prawdopodobne, aby egzoplanety miały wystarczającą masę lub przyspieszenie, aby wytworzyć wykrywalne fale grawitacyjne. (Nie twierdzę, że w ogóle ich nie tworzą, tylko, że nie będą wystarczająco mocne lub nie będą działać na innej częstotliwości). Nawet gdyby egzoplaneta była wystarczająco masywna, aby wytworzyć niezbędne fale, przyspieszenie rozerwałoby ją na kawałki. Nie zapominaj, że najbardziej masywne planety to zazwyczaj gazowe olbrzymy.

Na ile prawdziwa jest analogia do fal w wodzie? Czy możemy płynąć na tych falach? Czy istnieją „szczyty” grawitacyjne, takie jak znane już „studnie”?

Ponieważ fale grawitacyjne mogą przemieszczać się przez materię, nie ma sposobu, aby na nich unosić się lub wykorzystać je do napędu. Więc żadnego surfowania po falach grawitacyjnych.

„Szczyty” i „studnie” są świetne. Grawitacja zawsze przyciąga, ponieważ nie ma masy ujemnej. Nie wiemy dlaczego, ale nigdy nie zaobserwowano tego ani w laboratorium, ani we wszechświecie. Dlatego grawitację zwykle przedstawia się jako „studnię”. Masa poruszająca się wzdłuż tej „studni” opadnie głębiej; Tak działa przyciąganie. Jeśli masz masę ujemną, otrzymasz odpychanie, a wraz z nim „szczyt”. Masa poruszająca się na „szczycie” będzie się od niego odginać. Zatem „studnie” istnieją, ale „szczyty” nie.

Analogia z wodą jest słuszna, o ile mówimy o tym, że siła fali maleje wraz z odległością od źródła. Fala wodna będzie coraz mniejsza, a fala grawitacyjna będzie coraz słabsza.

Jak to odkrycie wpłynie na nasz opis inflacyjnego okresu Wielkiego Wybuchu?

W tej chwili odkrycie to praktycznie nie ma wpływu na inflację. Aby móc formułować takie stwierdzenia, należy obserwować reliktowe fale grawitacyjne Wielkiego Wybuchu. Projekt BICEP2 myślał, że pośrednio zaobserwował te fale grawitacyjne, ale okazało się, że winę za to ponosi pył kosmiczny. Jeśli zdobędzie odpowiednie dane, potwierdzą one również istnienie krótkiego okresu inflacji tuż po Wielkim Wybuchu.

LIGO będzie w stanie bezpośrednio obserwować te fale grawitacyjne (będzie to również najsłabszy typ fal grawitacyjnych, jaki mamy nadzieję wykryć). Jeśli je zobaczymy, będziemy mogli zajrzeć głęboko w przeszłość Wszechświata, jak nie zaglądaliśmy wcześniej, i ocenić inflację na podstawie uzyskanych danych.

Oficjalnym dniem odkrycia (wykrycia) fal grawitacyjnych jest 11 lutego 2016 roku. Wtedy to na konferencji prasowej zorganizowanej w Waszyngtonie liderzy współpracy LIGO ogłosili, że zespołowi badaczy udało się po raz pierwszy w historii ludzkości zarejestrować to zjawisko.

Proroctwa wielkiego Einsteina

Fakt istnienia fal grawitacyjnych zasugerował Albert Einstein na początku ubiegłego wieku (1916) w ramach swojej Ogólnej Teorii Względności (GTR). Można się tylko dziwić genialnym zdolnościom słynnego fizyka, który przy minimum prawdziwych danych był w stanie wyciągnąć tak daleko idące wnioski. Wśród wielu innych przewidywanych zjawisk fizycznych, które potwierdziły się w następnym stuleciu (spowolnienie upływu czasu, zmiana kierunku promieniowania elektromagnetycznego w polach grawitacyjnych itp.), nie udało się praktycznie wykryć obecności tego typu oddziaływań falowych ciał do niedawna.

Czy grawitacja jest iluzją?

Ogólnie rzecz biorąc, w świetle teorii względności grawitację trudno nazwać siłą. zaburzenia lub krzywizny kontinuum czasoprzestrzennego. Dobrym przykładem ilustrującym ten postulat jest rozciągnięty kawałek materiału. Pod ciężarem masywnego przedmiotu umieszczonego na takiej powierzchni powstaje wgłębienie. Inne obiekty, poruszając się w pobliżu tej anomalii, zmienią trajektorię swojego ruchu, jakby były „przyciągane”. Im większy ciężar obiektu (im większa średnica i głębokość krzywizny), tym większa „siła przyciągania”. W miarę przesuwania się po tkaninie można zaobserwować pojawianie się rozbieżnych „fal”.

Coś podobnego dzieje się w przestrzeni kosmicznej. Każda szybko poruszająca się masywna materia jest źródłem wahań gęstości przestrzeni i czasu. Falę grawitacyjną o znacznej amplitudzie tworzą ciała o wyjątkowo dużych masach lub poruszające się z ogromnymi przyspieszeniami.

Charakterystyka fizyczna

Wahania metryki czasoprzestrzeni objawiają się zmianami pola grawitacyjnego. Zjawisko to nazywane jest inaczej zmarszczkami czasoprzestrzeni. Fala grawitacyjna oddziałuje na napotykane ciała i przedmioty, ściskając je i rozciągając. Wielkość odkształcenia jest bardzo niewielka - około 10 -21 w stosunku do pierwotnego rozmiaru. Cała trudność w wykryciu tego zjawiska polegała na tym, że badacze musieli nauczyć się mierzyć i rejestrować takie zmiany przy użyciu odpowiedniego sprzętu. Moc promieniowania grawitacyjnego jest również niezwykle mała – dla całego Układu Słonecznego wynosi kilka kilowatów.

Prędkość propagacji fal grawitacyjnych zależy w niewielkim stopniu od właściwości ośrodka przewodzącego. Amplituda oscylacji stopniowo maleje wraz z odległością od źródła, ale nigdy nie osiąga zera. Częstotliwość waha się od kilkudziesięciu do kilkuset herców. Prędkość fal grawitacyjnych w ośrodku międzygwiazdowym zbliża się do prędkości światła.

Poszlaki

Pierwsze teoretyczne potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych uzyskali amerykański astronom Joseph Taylor i jego asystent Russell Hulse w 1974 roku. Badając ogrom Wszechświata za pomocą radioteleskopu Obserwatorium Arecibo (Puerto Rico), badacze odkryli pulsar PSR B1913+16, będący układem podwójnym gwiazd neutronowych obracających się wokół wspólnego środka masy ze stałą prędkością kątową (raczej rzadki sprawa). Co roku okres obiegu, pierwotnie wynoszący 3,75 godziny, ulega skróceniu o 70 ms. Wartość ta jest w pełni zgodna z wnioskami z równań ogólnej teorii względności, które przewidują wzrost prędkości obrotowej takich układów na skutek wydatku energii na generację fal grawitacyjnych. Następnie odkryto kilka podwójnych pulsarów i białych karłów o podobnym zachowaniu. Radioastronomowie D. Taylor i R. Hulse otrzymali w 1993 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie nowych możliwości badania pól grawitacyjnych.

Uciekająca fala grawitacyjna

Pierwsze ogłoszenie o wykryciu fal grawitacyjnych przyszło od naukowca z Uniwersytetu Maryland Josepha Webera (USA) w 1969 roku. Do tych celów wykorzystał dwie anteny grawitacyjne własnej konstrukcji, oddalone od siebie o dwa kilometry. Detektorem rezonansowym był dobrze izolowany od wibracji, solidny dwumetrowy aluminiowy cylinder wyposażony w czułe czujniki piezoelektryczne. Amplituda oscylacji rzekomo zarejestrowanych przez Webera okazała się ponad milion razy większa od wartości oczekiwanej. Próby innych naukowców powtórzenia „sukcesu” amerykańskiego fizyka przy użyciu podobnego sprzętu nie przyniosły pozytywnych rezultatów. Kilka lat później prace Webera w tej dziedzinie uznano za nie do utrzymania, dały jednak impuls do rozwoju „boomu grawitacyjnego”, który przyciągnął wielu specjalistów do tego obszaru badań. Nawiasem mówiąc, sam Joseph Weber do końca swoich dni był pewien, że otrzymał fale grawitacyjne.

Udoskonalanie sprzętu odbiorczego

W latach 70-tych naukowiec Bill Fairbank (USA) opracował projekt anteny fali grawitacyjnej, chłodzonej za pomocą ultraczułych magnetometrów SQUIDS. Istniejące wówczas technologie nie pozwalały wynalazcy zobaczyć swojego produktu zrealizowanego w „metalu”.

Detektor grawitacyjny Auriga w Narodowym Laboratorium Legnar (Padwa, Włochy) został zaprojektowany w oparciu o tę zasadę. Konstrukcja opiera się na aluminiowo-magnezowym cylindrze o długości 3 metrów i średnicy 0,6 m. Urządzenie odbiorcze o wadze 2,3 tony zawieszone jest w izolowanej komorze próżniowej schłodzonej niemal do zera absolutnego. Do rejestracji i wykrywania wstrząsów stosuje się pomocniczy rezonator kilogramowy i komputerowy kompleks pomiarowy. Deklarowana czułość sprzętu wynosi 10 -20.

Interferometry

Działanie detektorów interferencyjnych fal grawitacyjnych opiera się na tych samych zasadach, na jakich działa interferometr Michelsona. Wiązka laserowa emitowana przez źródło jest podzielona na dwa strumienie. Po wielokrotnych odbiciach i podróżach wzdłuż ramion urządzenia przepływy są ponownie łączone i na podstawie ostatniego ocenia się, czy jakieś zakłócenia (np. fala grawitacyjna) miały wpływ na bieg promieni. Podobny sprzęt powstał w wielu krajach:

• GEO 600 (Hanower, Niemcy). Długość tuneli próżniowych wynosi 600 metrów.
• TAMA (Japonia) z barkami 300 m.
• VIRGO (Piza, Włochy) to wspólny francusko-włoski projekt rozpoczęty w 2007 roku obejmujący trzy kilometry tuneli.
• LIGO (USA, Pacific Coast), który od 2002 roku poluje na fale grawitacyjne.

To drugie warto rozważyć bardziej szczegółowo.

LIGO zaawansowane

Projekt powstał z inicjatywy naukowców z Massachusetts i California Institutes of Technology. Obejmuje dwa obserwatoria, oddalone od siebie o 3 tys. km, w Waszyngtonie i Waszyngtonie (miasta Livingston i Hanford) wyposażone w trzy identyczne interferometry. Długość prostopadłych tuneli próżniowych wynosi 4 tysiące metrów. Są to największe obecnie funkcjonujące tego typu konstrukcje. Do 2011 roku liczne próby wykrycia fal grawitacyjnych nie przyniosły żadnych rezultatów. Przeprowadzona znacząca modernizacja (Advanced LIGO) zwiększyła czułość sprzętu w zakresie 300-500 Hz ponad pięciokrotnie, a w zakresie niskich częstotliwości (do 60 Hz) niemal o rząd wielkości, osiągając pożądana wartość 10 -21. Zaktualizowany projekt rozpoczął się we wrześniu 2015 roku, a wysiłki ponad tysiąca współpracujących pracowników zostały nagrodzone uzyskanymi wynikami.

Wykryto fale grawitacyjne

14 września 2015 roku zaawansowane detektory LIGO w odstępie 7 ms zarejestrowały docierające do naszej planety fale grawitacyjne pochodzące z największego zdarzenia, jakie miało miejsce na obrzeżach obserwowalnego Wszechświata - połączenia dwóch dużych czarnych dziur o masach 29 i 36 razy większa od masy Słońca. Podczas procesu, który miał miejsce ponad 1,3 miliarda lat temu, w ciągu ułamka sekundy pochłonęła materia o masie około trzech mas Słońca, emitując fale grawitacyjne. Zarejestrowana częstotliwość początkowa fal grawitacyjnych wynosiła 35 Hz, a maksymalna wartość szczytowa osiągnęła 250 Hz.

Uzyskane wyniki wielokrotnie poddawano kompleksowej weryfikacji i przetwarzaniu, a alternatywne interpretacje uzyskanych danych starannie eliminowano. Wreszcie w zeszłym roku ogłoszono społeczności światowej bezpośrednią rejestrację zjawiska przewidywanego przez Einsteina.

Fakt ilustrujący tytaniczną pracę badaczy: amplituda wahań wielkości ramion interferometru wynosiła 10 -19 m – jest to wartość tyle samo razy mniejsza od średnicy atomu, gdyż sam atom jest mniejszy od średnicy Pomarańczowy.

Perspektywy na przyszłość

Odkrycie po raz kolejny potwierdza, że ​​Ogólna teoria względności to nie tylko zbiór abstrakcyjnych formuł, ale zasadniczo nowe spojrzenie na istotę fal grawitacyjnych i grawitacji w ogóle.

W dalszych badaniach naukowcy wiążą duże nadzieje z projektem ELSA: stworzeniem gigantycznego interferometru orbitalnego o ramionach o długości około 5 milionów km, zdolnego do wykrywania nawet niewielkich zaburzeń w polach grawitacyjnych. Aktywacja pracy w tym kierunku może powiedzieć wiele nowego o głównych etapach rozwoju Wszechświata, o procesach trudnych lub niemożliwych do zaobserwowania w tradycyjnych zakresach. Nie ma wątpliwości, że czarne dziury, których fale grawitacyjne zostaną wykryte w przyszłości, powiedzą wiele o ich naturze.

Do badania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, które może nam powiedzieć o pierwszych chwilach naszego świata po Wielkim Wybuchu, potrzebne będą bardziej czułe instrumenty kosmiczne. Taki projekt istnieje ( Obserwator Wielkiego Wybuchu), ale zdaniem ekspertów jego wdrożenie jest możliwe nie wcześniej niż za 30-40 lat.

, Stany Zjednoczone
© REUTERS, Ulotka

W końcu odkryto fale grawitacyjne

Popularna nauka

Oscylacje czasoprzestrzeni odkryto sto lat po tym, jak je przewidział Einstein. Rozpoczyna się nowa era w astronomii.

Naukowcy odkryli wahania czasoprzestrzeni spowodowane łączeniem się czarnych dziur. Stało się to sto lat po tym, jak Albert Einstein przewidział te „fale grawitacyjne” w swojej ogólnej teorii względności i sto lat po tym, jak fizycy rozpoczęli ich poszukiwania.

To przełomowe odkrycie ogłosili dziś naukowcy z Obserwatorium Fal Grawitacyjnych z Interferometrem Laserowym (LIGO). Potwierdzili pogłoski, które krążyły wokół analizy pierwszego zestawu danych, które zbierali od miesięcy. Astrofizycy twierdzą, że odkrycie fal grawitacyjnych zapewnia nowy wgląd w wszechświat i zdolność rozpoznawania odległych zdarzeń, których nie można zobaczyć za pomocą teleskopów optycznych, ale można je poczuć, a nawet usłyszeć, gdy ich słabe wibracje docierają do nas w przestrzeni.

„Wykryliśmy fale grawitacyjne. Zrobiliśmy to!" „David Reitze, dyrektor wykonawczy 1000-osobowego zespołu badawczego, ogłosił dzisiaj na konferencji prasowej w Waszyngtonie w National Science Foundation.

Fale grawitacyjne są chyba najbardziej nieuchwytnym zjawiskiem przewidywań Einsteina, a naukowiec debatował na ten temat ze swoimi współczesnymi przez dziesięciolecia. Według jego teorii przestrzeń i czas tworzą rozciągliwą materię, która ugina się pod wpływem ciężkich przedmiotów. Odczuć grawitację oznacza wpaść w zakręty tej materii. Ale czy ta czasoprzestrzeń może drżeć jak skóra bębna? Einstein był zdezorientowany; nie wiedział, co oznaczają jego równania. I kilkakrotnie zmieniał swój punkt widzenia. Jednak nawet najbardziej zagorzali zwolennicy jego teorii uważali, że fale grawitacyjne i tak są zbyt słabe, aby można je było zaobserwować. Po pewnych kataklizmach wypływają kaskadą na zewnątrz i poruszając się, na przemian rozciągają i ściskają czasoprzestrzeń. Zanim jednak fale te dotrą do Ziemi, rozciągną i skompresują każdy kilometr przestrzeni o niewielki ułamek średnicy jądra atomowego.

© REUTERS, Hangout Detektor Obserwatorium LIGO w Hanford w stanie Waszyngton

Wykrycie tych fal wymagało cierpliwości i ostrożności. Obserwatorium LIGO wysyłało wiązki laserowe tam i z powrotem wzdłuż czterokilometrowych (4-kilometrowych) ramion dwóch detektorów, jednego w Hanford w stanie Waszyngton, a drugiego w Livingston w Luizjanie. Dokonano tego w poszukiwaniu wspólnych rozszerzań i kurczeń tych układów podczas przejścia fal grawitacyjnych. Korzystając z najnowocześniejszych stabilizatorów, przyrządów próżniowych i tysięcy czujników, naukowcy zmierzyli zmiany długości tych układów, rzędu zaledwie jednej tysięcznej wielkości protonu. Taka czułość instrumentów była nie do pomyślenia jeszcze sto lat temu. Wydawało się to niewiarygodne również w 1968 roku, kiedy Rainer Weiss z Massachusetts Institute of Technology wymyślił eksperyment nazwany LIGO.

„To wielki cud, że w końcu im się udało. Byli w stanie wykryć te maleńkie wibracje!” powiedział fizyk teoretyczny z Uniwersytetu w Arkansas, Daniel Kennefick, który w 2007 roku napisał książkę Traveling at the Speed ​​of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves.

Odkrycie to zapoczątkowało nową erę w astronomii fal grawitacyjnych. Mamy nadzieję, że lepiej zrozumiemy powstawanie, skład i galaktyczną rolę czarnych dziur – tych supergęstych kul o masie, które zaginają czasoprzestrzeń tak dramatycznie, że nawet światło nie jest w stanie uciec. Kiedy czarne dziury zbliżają się do siebie i łączą, wytwarzają sygnał impulsowy — oscylacje czasoprzestrzenne, które zwiększają amplitudę i ton, po czym gwałtownie się kończą. Sygnały, które obserwatorium może zarejestrować, znajdują się w zakresie audio, są jednak zbyt słabe, aby można je było usłyszeć gołym uchem. Możesz odtworzyć ten dźwięk, przesuwając palcami po klawiszach fortepianu. „Zacznij od najniższej nuty i idź aż do trzeciej oktawy” – powiedział Weiss. – To właśnie słyszymy.

Fizycy są już zaskoczeni liczbą i siłą zarejestrowanych dotychczas sygnałów. Oznacza to, że na świecie jest więcej czarnych dziur, niż wcześniej sądzono. „Mieliśmy szczęście, ale zawsze liczyłem na takie szczęście” – powiedział astrofizyk Kip Thorne, który pracuje w California Institute of Technology i stworzył LIGO wraz z Weissem i Ronaldem Dreverami, również w Caltech. „Zazwyczaj dzieje się tak, gdy we wszechświecie otwiera się zupełnie nowe okno”.

Słuchając fal grawitacyjnych, możemy wyrobić sobie zupełnie odmienne wyobrażenia o przestrzeni, a być może odkryć niewyobrażalne zjawiska kosmiczne.

„Mogę to porównać do chwili, gdy po raz pierwszy skierowaliśmy teleskop w niebo” – powiedziała astrofizyk teoretyczna Janna Levin z Barnard College na Uniwersytecie Columbia. „Ludzie zdali sobie sprawę, że coś tam jest i że można to zobaczyć, ale nie byli w stanie przewidzieć niesamowitego zakresu możliwości istniejących we wszechświecie”. Podobnie, jak zauważył Levine, odkrycie fal grawitacyjnych może wykazać, że Wszechświat jest „pełen ciemnej materii, której nie możemy łatwo wykryć za pomocą teleskopu”.

Historia odkrycia pierwszej fali grawitacyjnej rozpoczęła się w poniedziałkowy poranek we wrześniu, a zaczęła się z hukiem. Sygnał był tak wyraźny i głośny, że Weiss pomyślał: „Nie, to nonsens, nic z tego nie będzie”.

Intensywność emocji

Pierwsza fala grawitacyjna przeszła przez zmodernizowane detektory LIGO – najpierw w Livingston, a siedem milisekund później w Hanford – podczas symulacji na początku 14 września, dwa dni przed oficjalnym rozpoczęciem zbierania danych.

Detektory były testowane po modernizacji, która trwała pięć lat i kosztowała 200 milionów dolarów. Są wyposażone w nowe zawieszenia lusterek redukujące hałas oraz aktywny system sprzężenia zwrotnego, który w czasie rzeczywistym tłumi zewnętrzne wibracje. Dzięki modernizacji udoskonalone obserwatorium uzyskało wyższy poziom czułości niż stary LIGO, który w latach 2002–2010 wykrywał „absolutne i czyste zero”, jak to ujął Weiss.

Kiedy we wrześniu nadszedł potężny sygnał, naukowcy w Europie, gdzie był wówczas poranek, zaczęli bombardować swoich amerykańskich kolegów e-mailami. Kiedy reszta grupy się obudziła, wieść rozeszła się bardzo szybko. Według Weissa prawie wszyscy byli sceptyczni, zwłaszcza gdy zobaczyli sygnał. Był to prawdziwy klasyk podręcznika i dlatego niektórzy uważali go za podróbkę.

Fałszywe twierdzenia na temat poszukiwań fal grawitacyjnych powtarzano wielokrotnie od końca lat sześćdziesiątych XX wieku, kiedy Joseph Weber z Uniwersytetu Maryland sądził, że odkrył drgania rezonansowe w aluminiowym cylindrze zawierającym czujniki reagujące na fale. W 2014 roku eksperyment o nazwie BICEP2 ogłosił odkrycie pierwotnych fal grawitacyjnych – zmarszczek czasoprzestrzeni powstałych po Wielkim Wybuchu, które obecnie rozciągnęły się i trwale zamarzły w geometrii wszechświata. Naukowcy z zespołu BICEP2 ogłosili swoje odkrycie z wielką pompą, ale potem ich wyniki zostały poddane niezależnej weryfikacji, podczas której okazało się, że się mylili i że sygnał pochodził z pyłu kosmicznego.

Kiedy kosmolog z Arizona State University, Lawrence Krauss, usłyszał o odkryciu zespołu LIGO, początkowo pomyślał, że to „ślepa mistyfikacja”. Podczas działania starego obserwatorium symulowane sygnały były potajemnie wstawiane do strumieni danych w celu sprawdzenia reakcji, bez wiedzy większości zespołu. Kiedy Krauss dowiedział się z kompetentnego źródła, że ​​tym razem nie był to „wrzut w ciemno”, z trudem powstrzymał radosne podekscytowanie.

25 września powiedział swoim 200 000 obserwującym na Twitterze: „Plotki o wykryciu fali grawitacyjnej przez detektor LIGO. Niesamowite, jeśli to prawda. Podam ci szczegóły, jeśli to nie podróbka. Następnie następuje wpis z 11 stycznia: „Wcześniejsze pogłoski na temat LIGO zostały potwierdzone przez niezależne źródła. Śledź wiadomości. Być może odkryto fale grawitacyjne!”

Oficjalne stanowisko naukowców było takie: nie należy mówić o odebranym sygnale, dopóki nie będzie stuprocentowej pewności. Thorne, związany rękami i nogami obowiązkiem zachowania tajemnicy, nawet nie powiedział nic swojej żonie. „Świętowałem sam” – powiedział. Naukowcy postanowili na początek wrócić do samego początku i przeanalizować wszystko w najdrobniejszych szczegółach, aby dowiedzieć się, jak sygnał rozchodzi się przez tysiące kanałów pomiarowych różnych detektorów i zrozumieć, czy nie dzieje się tam nic dziwnego. chwili wykrycia sygnału. Nie znaleźli niczego niezwykłego. Wykluczyli także hakerów, którzy mieliby najlepszą wiedzę na temat tysięcy strumieni danych objętych eksperymentem. „Nawet jeśli zespół wykonuje rzuty z autu w ciemno, nie jest on wystarczająco doskonały i pozostawia wiele śladów” – powiedział Thorne. – Ale tutaj nie było żadnych śladów.

W kolejnych tygodniach usłyszeli kolejny, słabszy sygnał.

Naukowcy przeanalizowali dwa pierwsze sygnały i pojawiało się coraz więcej nowych. W styczniu zaprezentowali swoje badania w czasopiśmie Physical Review Letters. Numer ten ukazał się dzisiaj w Internecie. Według ich szacunków istotność statystyczna pierwszego, najsilniejszego sygnału przekracza 5 sigma, co oznacza, że ​​badacze mają 99,9999% pewności co do jego autentyczności.

Słuchanie grawitacji

Równania ogólnej teorii względności Einsteina są tak złożone, że większości fizyków zajęło 40 lat osiągnięcie porozumienia: tak, fale grawitacyjne istnieją i można je wykryć – nawet teoretycznie.

Początkowo Einstein uważał, że obiekty nie mogą uwalniać energii w postaci promieniowania grawitacyjnego, ale potem zmienił swój punkt widzenia. W swoim przełomowym artykule napisanym w 1918 roku pokazał, jakie obiekty mogą tego dokonać: układy w kształcie hantli, które obracają się jednocześnie wokół dwóch osi, takie jak układy podwójne i supernowe, które wybuchają jak petardy. Mogą generować fale w czasoprzestrzeni.

© REUTERS, materiały informacyjne Model komputerowy ilustrujący naturę fal grawitacyjnych w Układzie Słonecznym

Jednak Einstein i jego koledzy nadal się wahali. Niektórzy fizycy argumentowali, że nawet gdyby istniały fale, świat wibrowałby wraz z nimi i nie dałoby się ich wyczuć. Dopiero w 1957 roku Richard Feynman położył kres tej sprawie, wykazując w eksperymencie myślowym, że jeśli fale grawitacyjne istnieją, teoretycznie można je wykryć. Nikt jednak nie wiedział, jak powszechne były w przestrzeni kosmicznej systemy w kształcie hantli ani jak silne lub słabe były powstające fale. „Ostatecznie pytanie brzmiało: czy kiedykolwiek będziemy w stanie je wykryć?” powiedział Kennefick.

W 1968 roku Rainer Weiss był młodym profesorem w MIT i został przydzielony do prowadzenia zajęć z ogólnej teorii względności. Będąc eksperymentatorem, niewiele o tym wiedział, ale nagle pojawiła się wiadomość o odkryciu fal grawitacyjnych przez Webera. Weber zbudował z aluminium trzy detektory rezonansowe wielkości biurka i umieścił je w różnych stanach Ameryki. Teraz poinformował, że wszystkie trzy detektory wykryły „dźwięk fal grawitacyjnych”.

Uczniowie Weissa zostali poproszeni o wyjaśnienie natury fal grawitacyjnych i wyrażenie swojej opinii na temat przesłania. Studiując szczegóły, był zdumiony złożonością obliczeń matematycznych. „Nie mogłem zrozumieć, co do cholery robi Weber, jak czujniki wchodzą w interakcję z falą grawitacyjną. Siedziałem długo i zadawałem sobie pytanie: „Jaka jest najbardziej prymitywna rzecz, jaką mogę wymyślić, która pozwoli wykryć fale grawitacyjne?” I wtedy wpadłem na pomysł, który nazywam koncepcyjną podstawą LIGO.

Wyobraź sobie trzy obiekty w czasoprzestrzeni, powiedzmy lustra w rogach trójkąta. „Wyślij sygnał świetlny z jednego do drugiego” – powiedział Weber. „Zobacz, ile czasu zajmuje przejście z jednej masy do drugiej i sprawdź, czy czas się zmienił”. Okazuje się, zauważył naukowiec, że można to zrobić szybko. „Zadałem to moim studentom w ramach zadania badawczego. Dosłownie cała grupa była w stanie dokonać tych obliczeń.

W kolejnych latach, gdy inni badacze próbowali odtworzyć wyniki eksperymentu Webera z detektorem rezonansowym, ale bezskutecznie im się to nie udawało (nie jest jasne, co zaobserwował, ale nie były to fale grawitacyjne), Weiss zaczął przygotowywać znacznie bardziej precyzyjny i ambitny eksperyment: eksperyment grawitacyjny-- interferometr falowy. Wiązka lasera odbija się od trzech lusterek zainstalowanych w kształcie litery „L” i tworzy dwie wiązki. Odstęp pomiędzy szczytami i dołkami fal świetlnych precyzyjnie wskazuje długość odnóg litery „L”, które tworzą osie X i Y czasoprzestrzeni. Gdy waga jest nieruchoma, dwie fale świetlne odbijają się od rogów i znoszą się nawzajem. Sygnał w detektorze jest zerowy. Ale jeśli fala grawitacyjna przechodzi przez Ziemię, rozciąga długość jednego ramienia litery „L” i ściska długość drugiego (i odwrotnie). Niedopasowanie dwóch wiązek światła tworzy w detektorze sygnał wskazujący na niewielkie wahania czasoprzestrzeni.

Początkowo inni fizycy wyrażali sceptycyzm, ale eksperyment szybko zyskał poparcie Thorne’a, którego zespół teoretyków w Caltech badał czarne dziury i inne potencjalne źródła fal grawitacyjnych, a także generowane przez nie sygnały. Inspiracją dla Thorne'a był eksperyment Webera i podobne wysiłki rosyjskich naukowców. Po rozmowie z Weissem na konferencji w 1975 r. „Zacząłem wierzyć, że wykrycie fal grawitacyjnych zakończy się sukcesem” – powiedział Thorne. „Chciałem, żeby Caltech też był tego częścią”. Polecił instytutowi zatrudnienie szkockiego eksperymentatora Ronalda Dreavera, który zapowiedział także zbudowanie interferometru fal grawitacyjnych. Z biegiem czasu Thorne, Driver i Weiss zaczęli pracować jako zespół, każdy rozwiązując swoją część niezliczonych problemów w ramach przygotowań do praktycznego eksperymentu. Trio stworzyło LIGO w 1984 r., a po zbudowaniu prototypów i rozpoczęciu współpracy w ramach stale powiększającego się zespołu na początku lat 90. otrzymało dofinansowanie w wysokości 100 milionów dolarów od National Science Foundation. Przygotowano plany budowy pary gigantycznych detektorów w kształcie litery L. Dziesięć lat później detektory zaczęły działać.

W Hanford i Livingston w centrum każdego z czterokilometrowych ramion detektora znajduje się próżnia, dzięki której laser, jego wiązka i zwierciadła są maksymalnie odizolowane od ciągłych wibracji planety. Aby jeszcze bardziej zabezpieczyć swoje zakłady, naukowcy z LIGO monitorują swoje detektory podczas pracy z tysiącami instrumentów, mierząc wszystko, co mogą: aktywność sejsmiczną, ciśnienie barometryczne, wyładowania atmosferyczne, promienie kosmiczne, wibracje sprzętu, dźwięki w pobliżu wiązki lasera i tak dalej . Następnie filtrują swoje dane na podstawie zewnętrznego szumu tła. Być może najważniejsze jest to, że mają dwa detektory, co pozwala im porównać otrzymane dane, sprawdzając je pod kątem obecności pasujących sygnałów.

Kontekst

Fale grawitacyjne: zakończyły to, co Einstein zaczął w Bernie

SwissInfo 13.02.2016

Jak umierają czarne dziury

Średni 19.10.2014
Wewnątrz wytworzonej próżni, nawet gdy lasery i zwierciadła są całkowicie odizolowane i ustabilizowane, „cały czas dzieją się dziwne rzeczy” – mówi Marco Cavaglià, zastępca sekretarza prasowego projektu LIGO. Naukowcy muszą śledzić te „złote rybki”, „duchy”, „niejasne potwory morskie” i inne zewnętrzne zjawiska wibracyjne, odkrywając ich źródło, aby je wyeliminować. Jak twierdzi Jessica McIver, naukowiec LIGO, która bada tego typu obce sygnały i zakłócenia, na etapie testowania miał miejsce jeden trudny incydent. Wśród danych często pojawiała się seria okresowych szumów o jednej częstotliwości. Kiedy ona i jej koledzy przekształcili wibracje z lusterek w pliki audio, „wyraźnie było słychać, jak dzwoni telefon” – powiedział McIver. „Okazało się, że to reklamodawcy zajmujący się komunikacją telefonowali w pomieszczeniu laserowym”.

W ciągu najbliższych dwóch lat naukowcy będą w dalszym ciągu poprawiać czułość udoskonalonych detektorów obserwatorium fal grawitacyjnych z interferometrem laserowym LIGO. Natomiast we Włoszech zacznie działać trzeci interferometr o nazwie Advanced Virgo. Jedną z odpowiedzi, jakie pomogą uzyskać te dane, jest sposób powstawania czarnych dziur. Czy są one efektem zapadnięcia się najwcześniejszych masywnych gwiazd, czy też powstały w wyniku zderzeń w gęstych gromadach gwiazd? „To tylko dwa domysły. Wierzę, że będzie ich więcej, gdy wszyscy się uspokoją” – mówi Weiss. W miarę jak nadchodzące prace LIGO zaczną gromadzić nowe statystyki, naukowcy zaczną słuchać historii, które szepcze im kosmos na temat pochodzenia czarnych dziur.

Sądząc po kształcie i rozmiarze, pierwszy, najgłośniejszy impuls powstał w odległości 1,3 miliarda lat świetlnych, skąd po wieczności powolnego tańca dwie czarne dziury, każda o masie około 30 mas Słońca, ostatecznie połączyły się pod wpływem wzajemnej grawitacji atrakcja. Czarne dziury krążyły coraz szybciej, niczym wir, stopniowo się zbliżając. Potem nastąpiło połączenie i w mgnieniu oka wyzwoliły fale grawitacyjne o energii porównywalnej z energią trzech Słońc. To połączenie było najpotężniejszym zjawiskiem energetycznym, jakie kiedykolwiek zarejestrowano.

„To tak, jakbyśmy nigdy nie widzieli oceanu podczas burzy” – powiedział Thorne. Na tę burzę czekał w czasoprzestrzeni od lat sześćdziesiątych XX wieku. Mówi, że uczucie, jakie odczuwał Thorne, gdy napływały fale, nie było do końca podekscytowaniem. To było coś innego: uczucie głębokiej satysfakcji.

Materiały InoSMI zawierają oceny wyłącznie z mediów zagranicznych i nie odzwierciedlają stanowiska redakcji InoSMI.

Wczoraj świat był zszokowany sensacją: naukowcy w końcu odkryli fale grawitacyjne, których istnienie przepowiadał Einstein sto lat temu. To przełom. Zakłócenie czasoprzestrzeni (są to fale grawitacyjne – teraz wyjaśnimy o co chodzi) odkryto w obserwatorium LIGO, a jednym z jego założycieli jest – jak myślicie? – Kip Thorne, autor książki.

Opowiadamy, dlaczego odkrycie fal grawitacyjnych jest tak ważne, co powiedział Mark Zuckerberg i oczywiście dzielimy się tą historią w pierwszej osobie. Kip Thorne jak nikt inny wie, jak działa projekt, co czyni go niezwykłym i jakie znaczenie ma LIGO dla ludzkości. Tak, tak, wszystko jest takie poważne.

Odkrycie fal grawitacyjnych

Świat naukowy na zawsze zapamięta datę 11 lutego 2016 r. Tego dnia uczestnicy projektu LIGO ogłosili: po wielu daremnych próbach odnaleziono fale grawitacyjne. To jest rzeczywistość. Tak naprawdę odkryto je nieco wcześniej: we wrześniu 2015 roku, ale wczoraj odkrycie zostało oficjalnie uznane. The Guardian wierzy, że naukowcy z pewnością otrzymają Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Przyczyną fal grawitacyjnych jest zderzenie dwóch czarnych dziur, które miało miejsce już... miliard lat świetlnych od Ziemi. Czy możesz sobie wyobrazić, jak ogromny jest nasz Wszechświat! Ponieważ czarne dziury są bardzo masywnymi ciałami, wysyłają zmarszczki w czasoprzestrzeni, lekko ją zniekształcając. Pojawiają się więc fale podobne do tych, które rozchodzą się od kamienia wrzuconego do wody.

Tak można sobie wyobrazić fale grawitacyjne docierające na Ziemię na przykład z tunelu czasoprzestrzennego. Rysunek z książki „Interstellar. Nauka za kulisami”

Powstałe wibracje zostały przekształcone w dźwięk. Co ciekawe, sygnał fal grawitacyjnych dociera z w przybliżeniu tą samą częstotliwością, co nasza mowa. Dzięki temu możemy na własne uszy usłyszeć, jak zderzają się czarne dziury. Posłuchaj, jak brzmią fale grawitacyjne.

I zgadnij co? Niedawno czarne dziury nie mają struktury, jak wcześniej sądzono. Ale nie było żadnych dowodów na to, że w zasadzie istnieją. A teraz jest. Czarne dziury naprawdę „żyją” we Wszechświecie.

Naukowcy uważają, że tak wygląda katastrofa – połączenie czarnych dziur.

11 lutego odbyła się wspaniała konferencja, w której wzięło udział ponad tysiąc naukowców z 15 krajów. Obecni byli także rosyjscy naukowcy. I oczywiście był Kip Thorne. „To odkrycie jest początkiem niesamowitych, wspaniałych poszukiwań ludzi: poszukiwania i eksploracji zakrzywionej strony Wszechświata – obiektów i zjawisk powstałych ze zniekształconej czasoprzestrzeni. Zderzenia czarnych dziur i fale grawitacyjne to nasze pierwsze niezwykłe przykłady” – powiedział Kip Thorne.

Poszukiwanie fal grawitacyjnych jest jednym z głównych problemów fizyki. Teraz je odnaleziono. Geniusz Einsteina został ponownie potwierdzony.

W październiku przeprowadziliśmy wywiad z Siergiejem Popowem, rosyjskim astrofizykiem i znanym popularyzatorem nauki. Wyglądał, jakby patrzył w wodę! Jesienią: „Wydaje mi się, że jesteśmy teraz u progu nowych odkryć, co wiąże się przede wszystkim z pracą detektorów fal grawitacyjnych LIGO i VIRGO (Kip Thorne wniósł duży wkład w powstanie projektu LIGO) .” Niesamowite, prawda?

Fale grawitacyjne, detektory fal i LIGO

Cóż, teraz trochę fizyki. Dla tych, którzy naprawdę chcą zrozumieć, czym są fale grawitacyjne. Oto artystyczne przedstawienie linii ścięgien dwóch czarnych dziur krążących wokół siebie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, a następnie zderzających się. Linie Tendex generują grawitację pływową. Zacząć robić. Linie, które wychodzą z dwóch najbardziej oddalonych od siebie punktów na powierzchni pary czarnych dziur, rozciągają wszystko na swojej drodze, łącznie z przyjacielem artysty na rysunku. Linie wychodzące z obszaru kolizji ściskają wszystko.

Gdy dziury obracają się wokół siebie, przenoszą wzdłuż swoich linii ścięgien, które przypominają strumienie wody z wirującego zraszacza na trawniku. Na zdjęciu z książki „Interstellar. Nauka za kulisami” – para zderzających się czarnych dziur, obracających się wokół siebie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, oraz ich linie ścięgien.

Czarne dziury łączą się w jedną dużą dziurę; jest zdeformowany i obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, ciągnąc za sobą linie ścięgien. Nieruchomy obserwator z dala od dziury odczuje wibracje, gdy linie ścięgien przechodzą przez niego: rozciąganie, potem ściskanie, wreszcie rozciąganie - linie ścięgien stały się falą grawitacyjną. W miarę rozprzestrzeniania się fal deformacja czarnej dziury stopniowo maleje, a fale również słabną.

Kiedy fale te docierają do Ziemi, wyglądają jak ta pokazana na górze poniższego rysunku. Rozciągają się w jednym kierunku i ściskają w drugim. Wydłużenia i skurcze zmieniają się (od czerwonego prawego lewego, niebieskiego prawego lewego, czerwonego prawego lewego itd.), gdy fale przechodzą przez detektor na dole figury.

Fale grawitacyjne przechodzące przez detektor LIGO.

Detektor składa się z czterech dużych luster (40 kilogramów i średnicy 34 centymetrów), które są przymocowane do końców dwóch prostopadłych rur, zwanych ramionami detektora. Linie Tendex fal grawitacyjnych rozciągają jedno ramię, ściskając drugie, a następnie odwrotnie, ściskają pierwsze i rozciągają drugie. I tak w kółko. Ponieważ długość ramion zmienia się okresowo, zwierciadła poruszają się względem siebie, a ruchy te są śledzone za pomocą wiązek laserowych w sposób zwany interferometrią. Stąd nazwa LIGO: Obserwatorium Fal Grawitacyjnych z Interferometrem Laserowym.

Centrum sterowania LIGO, skąd wysyłają polecenia do detektora i monitorują odbierane sygnały. Detektory grawitacyjne LIGO znajdują się w Hanford w stanie Waszyngton i Livingston w Luizjanie. Zdjęcie z książki „Interstellar. Nauka za kulisami”

Obecnie LIGO to międzynarodowy projekt, w którym bierze udział 900 naukowców z różnych krajów, a jego siedziba znajduje się w California Institute of Technology.

Zakrzywiona strona wszechświata

Czarne dziury, tunele czasoprzestrzenne, osobliwości, anomalie grawitacyjne i wymiary wyższego rzędu są powiązane z krzywiznami przestrzeni i czasu. Dlatego Kip Thorne nazywa je „pokręconą stroną wszechświata”. Ludzkość wciąż posiada bardzo mało danych eksperymentalnych i obserwacyjnych z zakrzywionej strony Wszechświata. Dlatego tak dużą wagę przywiązujemy do fal grawitacyjnych: składają się one z zakrzywionej przestrzeni i zapewniają nam najbardziej dostępny sposób badania zakrzywionej strony.

Wyobraź sobie, że widziałeś ocean tylko wtedy, gdy był spokojny. Nie miałbyś pojęcia o prądach, wirach i falach sztormowych. Przypomina to naszą obecną wiedzę o krzywiźnie przestrzeni i czasu.

Prawie nic nie wiemy o tym, jak zakrzywiona przestrzeń i zakrzywiony czas zachowują się „podczas burzy” – kiedy kształt przestrzeni ulega gwałtownym zmianom i kiedy zmienia się prędkość czasu. To niezwykle kusząca granica wiedzy. Naukowiec John Wheeler ukuł termin „geometrodynamika” dla określenia tych zmian.

Szczególnie interesujące w dziedzinie geometrii jest zderzenie dwóch czarnych dziur.

Zderzenie dwóch nierotujących czarnych dziur. Model z książki „Interstellar. Nauka za kulisami”

Powyższe zdjęcie pokazuje moment zderzenia dwóch czarnych dziur. Właśnie takie wydarzenie pozwoliło naukowcom wykryć fale grawitacyjne. Model ten jest zbudowany dla nierotujących czarnych dziur. U góry: orbity i cienie dziur widziane z naszego Wszechświata. Środek: zakrzywiona przestrzeń i czas widziane z masy (wielowymiarowa hiperprzestrzeń); Strzałki pokazują, jak przestrzeń jest zaangażowana w ruch, a zmieniające się kolory pokazują, jak zakrzywiony jest czas. U dołu: Kształt emitowanych fal grawitacyjnych.

Fale grawitacyjne z Wielkiego Wybuchu

Przejdźmy do Kipa Thorne’a. „W 1975 roku Leonid Grischuk, mój dobry znajomy z Rosji, wygłosił sensacyjną wypowiedź. Powiedział, że w momencie Wielkiego Wybuchu powstało wiele fal grawitacyjnych, a mechanizm ich powstawania (wcześniej nieznany) był następujący: fluktuacje kwantowe (losowe wahania – przyp. red.) pola grawitacyjne podczas Wielkiego Wybuchu zostały znacznie wzmocnione przez początkową ekspansję Wszechświata i w ten sposób stały się pierwotnymi falami grawitacyjnymi. Fale te, jeśli zostaną wykryte, mogą nam powiedzieć, co wydarzyło się podczas narodzin naszego Wszechświata.”

Jeśli naukowcy odnajdą pierwotne fale grawitacyjne, dowiemy się, jak powstał Wszechświat.

Ludzie rozwiązali już wszystkie tajemnice Wszechświata. Jeszcze wiele przed nami.

W kolejnych latach, w miarę jak poprawiało się nasze zrozumienie Wielkiego Wybuchu, stało się oczywiste, że te pierwotne fale muszą być silne na długości fal proporcjonalnych do rozmiaru widzialnego Wszechświata, czyli na długości miliardów lat świetlnych. Czy możesz sobie wyobrazić, ile to jest?.. A przy długościach fal, które pokrywają detektory LIGO (setki i tysiące kilometrów), fale będą najprawdopodobniej zbyt słabe, aby je rozpoznać.

Zespół Jamiego Bocka zbudował aparat BICEP2, za pomocą którego odkryto ślad pierwotnych fal grawitacyjnych. Urządzenie znajdujące się na biegunie północnym pokazane jest tutaj podczas zmierzchu, który występuje tam tylko dwa razy w roku.

Urządzenie BICEP2. Zdjęcie z książki Interstellar. Nauka za kulisami”

Jest otoczony tarczami, które chronią urządzenie przed promieniowaniem z otaczającej pokrywy lodowej. W prawym górnym rogu widoczny jest ślad odkrytego w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła - wzór polaryzacji. Linie pola elektrycznego są skierowane wzdłuż krótkich, lekkich uderzeń.

Ślad początku wszechświata

Na początku lat dziewięćdziesiątych kosmolodzy zdali sobie sprawę, że te fale grawitacyjne o długości miliardów lat świetlnych musiały pozostawić unikalny ślad w falach elektromagnetycznych wypełniających Wszechświat – tak zwane kosmiczne mikrofalowe tło, czyli kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła. To rozpoczęło poszukiwania Świętego Graala. Wszak jeśli wykryjemy ten ślad i wywnioskujemy z niego właściwości pierwotnych fal grawitacyjnych, możemy dowiedzieć się, jak narodził się Wszechświat.

W marcu 2014 roku, kiedy Kip Thorne pisał tę książkę, zespół Jamiego Boka, kosmologa z Caltech, którego biuro znajduje się obok biura Thorne'a, w końcu odkrył ten ślad w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła.

To absolutnie niesamowite odkrycie, ale jest jeden kontrowersyjny punkt: ślad znaleziony przez zespół Jamiego mógł być spowodowany czymś innym niż fale grawitacyjne.

Jeśli rzeczywiście odnaleziono ślad fal grawitacyjnych, które powstały podczas Wielkiego Wybuchu, oznacza to, że doszło do odkrycia kosmologicznego na poziomie, który zdarza się może raz na pół wieku. Daje szansę dotknięcia wydarzeń, które miały miejsce jedną bilionową bilionowej bilionowej sekundy po narodzinach Wszechświata.

Odkrycie to potwierdza teorie, że ekspansja Wszechświata w tamtym momencie była niezwykle szybka, w żargonie kosmologów – szybka inflacyjna. I zwiastuje nadejście nowej ery w kosmologii.

Fale grawitacyjne i międzygwiazdowe

Wczoraj na konferencji na temat odkrycia fal grawitacyjnych Walery Mitrofanow, szef moskiewskiej współpracy naukowców LIGO, w skład której wchodzi 8 naukowców z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, zauważył, że fabuła filmu „Interstellar”, choć fantastyczna, nie jest taka dalekie od rzeczywistości. A wszystko dlatego, że konsultantem naukowym był Kip Thorne. Sam Thorne wyraził nadzieję, że wierzy w przyszłe załogowe loty do czarnej dziury. Być może nie nastąpią one tak szybko, jak byśmy tego chcieli, ale dziś jest to o wiele bardziej realne niż wcześniej.

Niedaleki jest dzień, w którym ludzie opuszczą granice naszej galaktyki.

To wydarzenie poruszyło umysły milionów ludzi. Osławiony Mark Zuckerberg napisał: „Odkrycie fal grawitacyjnych jest największym odkryciem współczesnej nauki. Albert Einstein jest jednym z moich bohaterów, dlatego tak osobiście przyjąłem to odkrycie. Sto lat temu w ramach Ogólnej Teorii Względności (GTR) przewidział istnienie fal grawitacyjnych. Są jednak tak małe, że można je wykryć, że zaczęto ich szukać w źródłach takich wydarzeń, jak Wielki Wybuch, eksplozje gwiazd i zderzenia czarnych dziur. Gdy naukowcy przeanalizują uzyskane dane, otworzy się przed nami zupełnie nowe spojrzenie na przestrzeń kosmiczną. Być może rzuci to światło na pochodzenie Wszechświata, narodziny i rozwój czarnych dziur. Bardzo inspirująca jest myśl o tym, ile istnień ludzkich i wysiłków włożono w odkrycie tej tajemnicy Wszechświata. Ten przełom był możliwy dzięki talentowi genialnych naukowców i inżynierów, ludzi różnych narodowości, a także najnowszym technologiom komputerowym, które pojawiły się dopiero niedawno. Gratulacje dla wszystkich zaangażowanych. Einstein byłby z ciebie dumny.”

To jest przemówienie. A to jest osoba, która po prostu interesuje się nauką. Można sobie wyobrazić, jaka burza emocji ogarnęła naukowców, którzy przyczynili się do odkrycia. Wydaje się, że jesteśmy świadkami nowej ery, przyjaciele. To jest niesamowite.

P.S. Podobało Ci się? Zapisz się do naszego newslettera na temat horyzontów. Raz w tygodniu wysyłamy listy edukacyjne i udzielamy rabatów na książki MIT.

Pierwsze bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych zostało ujawnione światu 11 lutego 2016 r. i trafiło na pierwsze strony gazet na całym świecie. Za to odkrycie fizycy otrzymali w 2017 roku Nagrodę Nobla i oficjalnie zapoczątkowali nową erę astronomii grawitacyjnej. Jednak zespół fizyków z Instytutu Nielsa Bohra w Kopenhadze w Danii kwestionuje to odkrycie w oparciu o własną niezależną analizę danych z ostatnich dwóch i pół roku.

Jeden z najbardziej tajemniczych obiektów w historii, czarne dziury, regularnie przyciąga uwagę. Wiemy, że zderzają się, łączą, zmieniają jasność, a nawet wyparowują. Teoretycznie czarne dziury mogą łączyć ze sobą Wszechświaty za pomocą . Jednak cała nasza wiedza i założenia na temat tych masywnych obiektów mogą okazać się niedokładne. Ostatnio w środowisku naukowym pojawiły się pogłoski, że naukowcy otrzymali sygnał pochodzący z czarnej dziury, której rozmiary i masa są tak ogromne, że jej istnienie jest fizycznie niemożliwe.

Pierwsze bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych zostało ujawnione światu 11 lutego 2016 r. i trafiło na pierwsze strony gazet na całym świecie. Za to odkrycie fizycy otrzymali w 2017 roku Nagrodę Nobla i oficjalnie zapoczątkowali nową erę astronomii grawitacyjnej. Jednak zespół fizyków z Instytutu Nielsa Bohra w Kopenhadze kwestionuje to odkrycie w oparciu o własną niezależną analizę danych z ostatnich dwóch i pół roku.