Gravitatsion to'lqin uzunligi. Gravitatsion to'lqinlar haqida bilmoqchi bo'lgan, lekin so'rashga qo'rqqan hamma narsa. Nima uchun yulduzlar portlaydi?

Qo'lingizni to'lqinlang va tortishish to'lqinlari butun olam bo'ylab tarqaladi.
S. Popov, M. Proxorov. Koinotning xayoliy to'lqinlari

Astrofizikada o'nlab yillar davomida kutilgan voqea yuz berdi. Yarim asrlik izlanishlardan so'ng, gravitatsion to'lqinlar, Eynshteyn tomonidan yuz yil oldin bashorat qilingan fazo-vaqtning tebranishlari nihoyat topildi. 2015-yil 14-sentabrda yangilangan LIGO rasadxonasi taxminan 1,3 milliard yorug‘lik yili uzoqlikdagi uzoq galaktikada massalari 29 va 36 quyosh massasiga ega bo‘lgan ikkita qora tuynukning qo‘shilishi natijasida hosil bo‘lgan tortishish to‘lqinining portlashini aniqladi. Gravitatsion-toʻlqinli astronomiya fizikaning toʻlaqonli boʻlimiga aylandi; u bizga koinotni kuzatishning yangi yo'lini ochdi va ilgari erishib bo'lmaydigan effektlarni o'rganishga imkon beradi. kuchli tortishish.

Gravitatsion to'lqinlar

Siz tortishishning turli nazariyalarini o'ylab topishingiz mumkin. Ularning barchasi bizning dunyomizni bir xil darajada tasvirlaydi, agar biz uning yagona ko'rinishi - Nyutonning universal tortishish qonuni bilan cheklansak. Ammo Quyosh tizimi miqyosida eksperimental ravishda sinovdan o'tgan boshqa, yanada nozik tortishish effektlari mavjud va ular ma'lum bir nazariyaga ishora qiladi: umumiy nisbiylik (GR).

Umumiy nisbiylik nazariyasi shunchaki formulalar yig'indisi emas, u tortishish kuchining asosiy ko'rinishidir. Agar oddiy fizikada fazo faqat fizik hodisalar uchun fon, konteyner vazifasini o‘tasa, GTRda uning o‘zi hodisaga, GTR qonunlariga muvofiq o‘zgaruvchan dinamik miqdorga aylanadi. Aynan fazo-vaqtning silliq fonga nisbatan buzilishlari - yoki geometriya tili bilan aytganda, fazo-vaqt metrikasining buzilishlari - tortishish sifatida seziladi. Xulosa qilib aytganda, umumiy nisbiylik tortishishning geometrik kelib chiqishini ochib beradi.

Umumiy nisbiylik nazariyasi hal qiluvchi bashoratga ega: tortishish to'lqinlari. Bular fazo-vaqtning "manbadan uzilib ketishi" va o'z-o'zini ushlab turishi, uchib ketishi mumkin bo'lgan buzilishlardir. Bu tortishishning o'zi, hech kimniki, o'ziniki. Nihoyat, Albert Eynshteyn 1915 yilda umumiy nisbiylik nazariyasini shakllantirdi va u hosil qilgan tenglamalar bunday to'lqinlarning mavjudligiga imkon berishini deyarli darhol angladi.

Har qanday halol nazariya kabi, umumiy nisbiylikning bunday aniq bashorati eksperimental tarzda tasdiqlanishi kerak. Har qanday harakatlanuvchi jism tortishish to'lqinlarini chiqarishi mumkin: sayyoralar, yuqoriga tashlangan tosh yoki qo'lning to'lqini. Biroq, muammo shundaki gravitatsion o'zaro ta'sir Shu qadar zaifki, hech qanday eksperimental qurilmalar oddiy "emitentlar" dan tortishish to'lqinlarining chiqarilishini aniqlay olmaydi.

Kuchli to'lqinni "quvib etish" uchun siz fazo-vaqtni sezilarli darajada buzishingiz kerak. Mukammal variant- ikkita qora tuynuk bir-birining atrofida yaqin raqsda, ularning tortishish radiusi tartibidagi masofada aylanadi (2-rasm). Metrikaning buzilishlari shunchalik kuchli bo'ladiki, bu juftlik energiyasining sezilarli qismi tortishish to'lqinlariga chiqariladi. Energiyani yo'qotib, juftlik bir-biriga yaqinlashadi, tezroq va tezroq aylanadi, metrikani tobora ko'proq buzadi va yanada kuchli tortishish to'lqinlarini hosil qiladi - nihoyat, bu juftlikning butun tortishish maydoni tubdan qayta tuzilmaguncha va ikkita qora tuynuk birlashmaguncha. bitta.

Qora tuynuklarning bunday birlashishi ulkan kuch portlashidir, ammo bu chiqarilgan energiyaning barchasi yorug'likka, zarrachalarga emas, balki kosmosning tebranishlariga kiradi. Chiqarilgan energiya qora tuynuklarning boshlang'ich massasining sezilarli qismini tashkil qiladi va bu nurlanish soniyaning bir qismidan so'ng tarqaladi. Birlashishlar xuddi shunday tebranishlarni keltirib chiqaradi neytron yulduzlari. Bir oz zaifroq tortishish to'lqinining energiya chiqishi boshqa jarayonlarga hamroh bo'ladi, masalan, o'ta yangi yulduz yadrosining qulashi.

Ikki ixcham ob'ektning birlashishi natijasida paydo bo'lgan tortishish to'lqini rasmda ko'rsatilgan juda aniq, yaxshi hisoblangan profilga ega. 3. Tebranish davri ikki jismning bir-birining atrofida orbital harakati bilan aniqlanadi. Gravitatsion to'lqinlar energiyani olib ketadi; natijada jismlar bir-biriga yaqinlashadi va tezroq aylanadi - bu tebranishlarning tezlashishida ham, amplitudaning ortishida ham ko'rinadi. Bir nuqtada qo'shilish sodir bo'ladi, oxirgi kuchli to'lqin chiqariladi va keyin yuqori chastotali "qo'ng'iroqdan keyin" keladi ( qo'ng'iroq qilish) - paydo bo'lgan qora tuynukning titrashi, u barcha sharsimon bo'lmagan buzilishlarni "tashlaydi" (bu bosqich rasmda ko'rsatilmagan). Ushbu xarakterli profilni bilish fiziklarga juda shovqinli detektor ma'lumotlarida bunday birlashishdan zaif signalni izlashga yordam beradi.

Fazo-vaqt ko'rsatkichidagi tebranishlar - ulkan portlashning tortishish to'lqini aks-sadosi - manbadan barcha yo'nalishlarda olam bo'ylab tarqaladi. Ularning amplitudasi masofa bilan zaiflashadi, xuddi nuqta manbasining yorqinligi undan uzoqlashganda kamayishi kabi. Uzoq galaktikadan portlash Yerga etib kelganida, metrik tebranishlar 10-22 yoki undan ham kamroq bo'ladi. Boshqacha qilib aytganda, jismoniy jihatdan bir-biriga bog'liq bo'lmagan ob'ektlar orasidagi masofa vaqti-vaqti bilan shunday nisbiy miqdorga oshib boradi va kamayadi.

Bu raqamning kattalik tartibini masshtabni hisobga olgan holda olish oson (V. M. Lipunovning maqolasiga qarang). Neytron yulduzlari yoki yulduz massalarining qora tuynuklari qo'shilish paytida, ularning yonidagi metrikaning buzilishlari juda katta - 0,1 ga teng, shuning uchun tortishish kuchli. Bunday jiddiy buzilish ushbu ob'ektlarning o'lchamlari bo'yicha, ya'ni bir necha kilometrlik maydonga ta'sir qiladi. Manbadan uzoqlashganda, tebranish amplitudasi masofaga teskari proportsional ravishda kamayadi. Bu shuni anglatadiki, 100 Mpc = 3·10 21 km masofada tebranishlar amplitudasi 21 darajaga pasayadi va taxminan 10 -22 ga aylanadi.

Albatta, agar birlashish bizning uy galaktikamizda sodir bo'lsa, Yerga yetib boradigan fazo-vaqt silkinishlari ancha kuchliroq bo'ladi. Ammo bunday hodisalar bir necha ming yilda bir marta sodir bo'ladi. Shuning uchun, siz haqiqatan ham neytron yulduzlari yoki qora tuynuklarning o'nlab va yuzlab megaparsek masofadagi birlashishini sezadigan detektorga ishonishingiz kerak, ya'ni u minglab va millionlab galaktikalarni qamrab oladi.

Bu erda shuni qo'shimcha qilish kerakki, tortishish to'lqinlari mavjudligining bilvosita belgisi allaqachon kashf etilgan va u hatto 1993 yil uchun fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan. PSR B1913+16 binar tizimida pulsarning uzoq muddatli kuzatuvlari shuni ko'rsatdiki, tortishish nurlanishidan energiya yo'qotishlarini hisobga olgan holda, orbital davri umumiy nisbiylik nazariyasida bashorat qilingan tezlikda qisqaradi. Shu sababli, olimlarning deyarli hech biri tortishish to'lqinlarining haqiqatiga shubha qilmaydi; yagona savol - ularni qanday tutish kerak.

Qidiruv tarixi

Gravitatsion to'lqinlarni qidirish taxminan yarim asr oldin boshlangan - va deyarli darhol sensatsiyaga aylandi. Merilend universitetidan Jozef Veber birinchi rezonansli detektorni yaratdi: yon tomonlarida sezgir piezoelektrik datchiklar va begona tebranishlardan yaxshi tebranish izolyatsiyasi bilan mustahkam ikki metrli alyuminiy silindr (4-rasm). Gravitatsion to'lqin o'tganda, silindr fazo-vaqtning buzilishlari bilan o'z vaqtida rezonanslashadi, bu sensorlar ro'yxatga olishlari kerak. Veber bir nechta shunday detektorlarni qurdi va 1969 yilda seanslardan birida ularning ko'rsatkichlarini tahlil qilib, u "tortishish to'lqinlari tovushini" bir vaqtning o'zida bir-biridan ikki kilometr masofada joylashgan bir nechta detektorlarda qayd etganini to'g'ridan-to'g'ri ma'lum qildi (J. Weber, 1969). Gravitatsion nurlanishning kashfiyoti uchun dalillar). U e'lon qilgan tebranishlar amplitudasi nihoyatda katta bo'lib chiqdi, 10-16 darajasida, ya'ni odatdagi kutilgan qiymatdan million marta katta. Veberning xabari ilmiy jamoatchilik tomonidan katta shubha bilan kutib olindi; Bundan tashqari, shunga o'xshash detektorlar bilan qurollangan boshqa tajriba guruhlari keyinchalik bitta o'xshash signalni ushlay olmadilar.

Biroq, Weberning sa'y-harakatlari ushbu tadqiqot sohasiga turtki berdi va to'lqinlar uchun ovni boshladi. 1970-yillardan beri Vladimir Braginskiy va uning Moskva davlat universitetidagi hamkasblarining sa'y-harakatlari bilan SSSR ham ushbu poygaga kirdi (gravitatsion to'lqin signallarining yo'qligiga qarang). Qiziqarli hikoya O'sha vaqtlar haqida inshoda Qiz tuynukga tushib qolsa... . Braginskiy, aytmoqchi, kvant optik o'lchovlarining butun nazariyasining klassiklaridan biri; u birinchi bo'lib standart kvant o'lchov chegarasi - optik o'lchovlardagi asosiy cheklash tushunchasini o'ylab topdi va ularni printsipial jihatdan qanday engish mumkinligini ko'rsatdi. Weberning rezonans sxemasi yaxshilandi va o'rnatishni chuqur sovutish tufayli shovqin keskin kamaydi (ushbu loyihalar ro'yxati va tarixiga qarang). Biroq, bunday to'liq metall detektorlarning aniqligi kutilgan hodisalarni ishonchli aniqlash uchun hali ham etarli emas edi va bundan tashqari, ular faqat kilogerts atrofida juda tor chastota diapazonida rezonanslash uchun sozlangan.

Bir nechta rezonansli ob'ektlardan foydalanadigan detektorlar ancha istiqbolli bo'lib tuyuldi, lekin ikkita bir-biriga bog'liq bo'lmagan, mustaqil ravishda osilgan jismlar, masalan, ikkita oyna orasidagi masofani kuzatadi. Gravitatsion to'lqin tufayli kosmosning tebranishi tufayli ko'zgular orasidagi masofa bir oz kattaroq yoki biroz kichikroq bo'ladi. Bundan tashqari, qo'l qanchalik uzun bo'lsa, ma'lum bir amplitudali tortishish to'lqinining mutlaq siljishi shunchalik katta bo'ladi. Ushbu tebranishlarni ko'zgular orasida ishlaydigan lazer nurlari sezishi mumkin. Bunday sxema 10 gertsdan 10 kilogertsgacha bo'lgan keng chastota diapazonidagi tebranishlarni aniqlashga qodir va aynan shu diapazonda birlashuvchi neytron yulduzlari yoki yulduz massasidagi qora tuynuklar chiqadi.

Mishelson interferometriga asoslangan ushbu g'oyaning zamonaviy amalga oshirilishi quyidagicha ko'rinadi (5-rasm). Nometall ikkita uzun, bir necha kilometr uzunlikdagi, bir-biriga perpendikulyar vakuum kameralarida osilgan. O'rnatishga kiraverishda lazer nuri bo'linadi, ikkala kameradan o'tadi, ko'zgulardan aks etadi, orqaga qaytadi va shaffof oynada qayta birlashtiriladi. Optik tizimning sifat omili nihoyatda yuqori, shuning uchun lazer nurlari bir marta oldinga va orqaga o'tibgina qolmay, balki bu optik rezonatorda uzoq vaqt saqlanib qoladi. "Jim" holatda uzunliklar tanlanadi, shunda ikkita nur birlashgandan so'ng, sensor yo'nalishi bo'yicha bir-birini bekor qiladi va keyin fotodetektor to'liq soyada bo'ladi. Ammo ko'zgular tortishish to'lqinlari ta'sirida mikroskopik masofani bosib o'tishlari bilanoq, ikkita nurning kompensatsiyasi to'liq bo'lmaydi va fotodetektor yorug'likni ushlaydi. Va ofset qanchalik kuchli bo'lsa, fotosensor shunchalik yorqinroq yorug'likni ko'radi.

"Mikroskopik joy almashish" so'zlari ta'sirning nozikligini etkazishga ham yaqinlashmaydi. Ko'zgularning yorug'lik to'lqin uzunligi, ya'ni mikronlar bilan siljishi, hatto hiyla-nayrangsiz ham sezilishi mumkin. Ammo qo'l uzunligi 4 km bo'lsa, bu amplitudasi 10 -10 bo'lgan fazo-vaqt tebranishlariga mos keladi. Ko'zgularning atom diametri bo'yicha siljishini payqash ham muammo emas - buning uchun minglab marta oldinga va orqaga yuguradigan va kerakli faza siljishini oladigan lazer nurini yoqish kifoya. Lekin bu ham maksimal 10 −14 ni beradi. Va biz siljish shkalasini yana millionlab marta pastga tushirishimiz kerak, ya'ni ko'zgu siljishini hatto bitta atomga emas, balki atom yadrosining mingdan bir qismiga qayd qilishni o'rganishimiz kerak!

Ushbu chinakam hayratlanarli texnologiya yo'lida fiziklar ko'p qiyinchiliklarni engib o'tishlari kerak edi. Ulardan ba'zilari faqat mexanikdir: siz boshqa suspenziyaga osilgan, uchinchi suspenziyaga va boshqalarga osilgan katta oynalarni osib qo'yishingiz kerak - va barchasi imkon qadar begona tebranishlardan xalos bo'lish uchun. Boshqa muammolar ham instrumental, ammo optikdir. Masalan, aylanma nur qanchalik kuchliroq bo'lsa optik tizim, ko'zguning siljishi qanchalik zaif bo'lsa, fotosensor tomonidan sezilishi mumkin. Ammo juda kuchli nur optik elementlarni notekis isitadi, bu esa nurning o'ziga xos xususiyatlariga yomon ta'sir qiladi. Bu ta'sir qandaydir tarzda qoplanishi kerak va buning uchun 2000-yillarda ushbu mavzu bo'yicha butun tadqiqot dasturi ishga tushirildi (ushbu tadqiqot haqida hikoya qilish uchun "O'ta sezgir tortishish to'lqinlari detektori yo'lidagi to'siqlarni engib o'tish" yangiliklariga qarang, "Elementlar ”, 27.06.2006). Va nihoyat, bo'shliqdagi fotonlarning kvant harakati va noaniqlik printsipi bilan bog'liq sof fundamental jismoniy cheklovlar mavjud. Ular sensorning sezgirligini standart kvant chegarasi deb ataladigan qiymatga cheklaydi. Biroq, fiziklar, lazer nurining mohirlik bilan tayyorlangan kvant holatidan foydalangan holda, uni engib o'tishni allaqachon o'rgandilar (J. Aasi va boshqalar, 2013. Yorug'likning siqilgan holatlaridan foydalangan holda LIGO tortishish to'lqinlari detektorining sezgirligini oshirdi).

Gravitatsion to'lqinlar uchun poygada ishtirok etayotgan mamlakatlarning butun ro'yxati; Rossiyaning Baksan rasadxonasida o'z o'rnatishi bor va, aytmoqchi, bu Dmitriy Zavilgelskiyning hujjatli ilmiy-ommabop filmida tasvirlangan. "To'lqinlar va zarralarni kutish". Ushbu poyganing etakchilari endi ikkita laboratoriyadir - Amerika loyihasi LIGO va Italiyaning Virgo detektori. LIGO tarkibiga Xanford (Vashington shtati) va Livingston (Luiziana) shaharlarida joylashgan va bir-biridan 3000 km masofada joylashgan ikkita bir xil detektor kiradi. Ikkita parametrga ega bo'lish ikki sababga ko'ra muhimdir. Birinchidan, signal faqat ikkala detektor tomonidan bir vaqtning o'zida ko'rinsa, ro'yxatdan o'tgan hisoblanadi. Ikkinchidan, tortishish to'lqinining kelishidagi farq bilan ikkita o'rnatishda portlash - va u 10 millisekundga etishi mumkin - bu signal osmonning qaysi qismidan kelganini taxminan aniqlash mumkin. To'g'ri, ikkita detektor bilan xato juda katta bo'ladi, lekin Virgo ishga tushganda, aniqlik sezilarli darajada oshadi.

To'g'ri aytganda, tortishish to'lqinlarini interferometrik aniqlash g'oyasi birinchi marta 1962 yilda sovet fiziklari M. E. Gerzenshteyn va V. I. Pustovoyt tomonidan taklif qilingan. O'sha paytda lazer endigina ixtiro qilingan edi va Weber o'zining rezonans detektorlarini yaratishni boshladi. Biroq, bu maqola G'arbda e'tiborga olinmadi va to'g'risini aytganda, rivojlanishga ta'sir qilmadi haqiqiy loyihalar(sm. tarixiy sharh Gravitatsion to'lqinlarni aniqlash fizikasi: rezonans va interferometrik detektorlar).

LIGO gravitatsiyaviy observatoriyasini yaratish Massachusets texnologiya instituti (MIT) va Kaliforniya texnologiya instituti (Kaltech) uch olimining tashabbusi bilan amalga oshirildi. Bular interferometrik gravitatsion to'lqin detektori g'oyasini amalga oshirgan Rayner Vayss, aniqlash uchun etarli bo'lgan lazer nurlarining barqarorligiga erishgan Ronald Drever va loyihaning nazariyotchisi, hozirda keng jamoatchilikka yaxshi tanish bo'lgan Kip Torn. "Yulduzlararo" filmining ilmiy maslahatchisi sifatida. LIGOning dastlabki tarixi haqida Rayner Vayss bilan yaqinda bergan intervyusida va Jon Preskillning xotiralarida o'qishingiz mumkin.

Gravitatsion to'lqinlarni interferometrik aniqlash loyihasi bilan bog'liq ishlar 1970-yillarning oxirida boshlangan va dastlab ko'pchilik bu tashabbusning maqsadga muvofiqligiga shubha qilishgan. Biroq, bir qator prototiplar namoyish etilgandan so'ng, joriy LIGO dizayni yozildi va tasdiqlandi. U bo'ylab qurilgan so'nggi o'n yil XX asr.

Loyiha uchun dastlabki turtki AQShdan kelgan bo'lsa-da, LIGO haqiqatan ham xalqaro loyiha. Unga 15 davlat moliyaviy va intellektual sarmoya kiritdi va mingdan ortiq kishi hamkorlikka a'zo. Loyihani amalga oshirishda sovet va rus fiziklari muhim rol o'ynadi. LIGO loyihasini amalga oshirishda boshidanoq Moskva davlat universitetidan Vladimir Braginskiyning yuqorida aytib o'tilgan guruhi faol ishtirok etdi, keyinroq Nijniy Novgoroddagi Amaliy fizika instituti ham hamkorlikka qo'shildi.

LIGO rasadxonasi 2002 yilda ish boshlagan va 2010 yilgacha u oltita ilmiy kuzatuv sessiyasiga mezbonlik qilgan. Hech qanday tortishish to'lqinlarining portlashlari ishonchli tarzda aniqlanmadi va fiziklar faqat bunday hodisalar chastotasining yuqori chegaralarini belgilashga muvaffaq bo'lishdi. Biroq, bu ularni unchalik ajablantirmadi: hisob-kitoblar shuni ko'rsatdiki, olamning o'sha paytda detektor "tinglayotgan" qismida etarlicha kuchli kataklizm ehtimoli past edi: taxminan bir necha o'n yilda bir marta.

Tugatish chizig'i

2010 yildan 2015 yilgacha LIGO va Virgo hamkorligi uskunani tubdan modernizatsiya qildi (Biroq, Virgo hali ham tayyorgarlik bosqichida). Va endi uzoq kutilgan maqsad to'g'ridan-to'g'ri ko'rindi. LIGO - aniqrog'i, aLIGO ( Kengaytirilgan LIGO) - endi neytron yulduzlari tomonidan 60 megaparsek masofada va qora tuynuklar - yuzlab megaparsek masofada hosil bo'lgan portlashlarni ushlashga tayyor edi. Gravitatsion to'lqinlarni tinglash uchun ochiq bo'lgan koinotning hajmi oldingi sessiyalarga nisbatan o'n baravar oshdi.

Albatta, navbatdagi tortishish to‘lqini bumi qachon va qayerda sodir bo‘lishini oldindan aytib bo‘lmaydi. Ammo yangilangan detektorlarning sezgirligi yiliga bir nechta neytron yulduzlarining birlashishini hisoblash imkonini berdi, shuning uchun birinchi to'rt oylik kuzatuv sessiyasida birinchi portlashni kutish mumkin edi. Agar biz bir necha yil davom etgan butun aLIGO loyihasi haqida gapiradigan bo'lsak, unda hukm juda aniq edi: yo portlashlar birin-ketin tushadi yoki umuman nisbiylik nuqtai nazaridan biror narsa ishlamaydi. Ikkalasi ham katta kashfiyotlar bo'ladi.

2015-yil 18-sentabrdan 2016-yil 12-yanvargacha aLIGO boʻyicha birinchi kuzatuv sessiyasi boʻlib oʻtdi. Shu vaqt ichida Internetda tortishish to'lqinlarini ro'yxatga olish haqidagi mish-mishlar tarqaldi, ammo hamkorlik jim qoldi: "biz ma'lumotlarni yig'moqdamiz va tahlil qilmoqdamiz va natijalar haqida xabar berishga hali tayyor emasmiz." Tahlil jarayonida hamkorlik a'zolarining o'zlari haqiqiy tortishish to'lqinining portlashini ko'rayotganiga to'liq ishonch hosil qila olmasligi qo'shimcha intriga yaratdi. Gap shundaki, LIGO-da kompyuter tomonidan yaratilgan portlash vaqti-vaqti bilan sun'iy ravishda haqiqiy ma'lumotlar oqimiga kiritiladi. Bu "ko'r-ko'rona in'ektsiya" deb ataladi va butun guruhdan faqat uchta odam (!) O'zboshimchalik bilan amalga oshiradigan tizimga kirish huquqiga ega. Jamoa ushbu ko'tarilishni kuzatishi, uni mas'uliyat bilan tahlil qilishi kerak va faqat tahlilning oxirgi bosqichlarida "kartalar ochiladi" va hamkorlik a'zolari bu sodir bo'lganligini aniqlashlari kerak. haqiqiy voqea yoki hushyorlik sinovi. Aytgancha, 2010-yilda shunday holatlardan birida u hatto maqola yozish nuqtasiga ham kelgan edi, ammo keyin aniqlangan signal shunchaki "ko'r-ko'rona to'ldirish" bo'lib chiqdi.

Lirik chekinish

Bu lahzaning tantanavorligini yana bir bor his qilish uchun men ushbu voqeaga boshqa tomondan, fanning ichidan qarashni taklif qilaman. Qachon qiyin, yaqinlashib bo'lmas ilmiy muammo bir necha yil davomida taslim bo'lmaydi - bu oddiy ish vaqti. Bir necha avlod davomida hosil bermasa, u butunlay boshqacha qabul qilinadi.

Maktab o'quvchisi sifatida siz ilmiy-ommabop kitoblarni o'qiysiz va bu echilishi qiyin, ammo juda qiziqarli ilmiy topishmoq haqida bilib olasiz. Talaba sifatida siz fizikani o'rganasiz, hisobot berasiz va ba'zan, mos keladimi yoki yo'qmi, atrofingizdagi odamlar uning mavjudligini eslatib turadi. Keyin siz o'zingiz fan bilan shug'ullanasiz, fizikaning boshqa sohasida ishlaysiz, lekin uni hal qilish uchun muvaffaqiyatsiz urinishlar haqida muntazam ravishda eshitasiz. Albatta, siz qayerdadir uni hal qilish uchun faol harakatlar qilinayotganini tushunasiz, ammo autsayder sifatida siz uchun yakuniy natija o'zgarishsiz qolmoqda. Muammo statik fon sifatida, bezak sifatida, sizning miqyosda abadiy va deyarli o'zgarmas sifatida qabul qilinadi. ilmiy hayot fizika elementi. Har doim bo'lgan va bo'ladigan vazifa kabi.

Va keyin - ular buni hal qilishadi. Va birdan, bir necha kunlik miqyosda siz dunyoning jismoniy manzarasi o'zgarganini his qilasiz va endi uni boshqa atamalar bilan shakllantirishingiz va boshqa savollarni berishingiz kerak.

To'g'ridan-to'g'ri tortishish to'lqinlarini qidirish bilan shug'ullanadigan odamlar uchun bu vazifa, albatta, o'zgarishsiz qolmadi. Ular maqsadni ko'radilar, nimaga erishish kerakligini bilishadi. Ular, albatta, tabiat ham ularni yarmida kutib olishini va yaqin atrofdagi galaktikada kuchli chayqalishini umid qiladilar, lekin shu bilan birga ular tabiat unchalik qo'llab-quvvatlamasa ham, endi olimlardan yashira olmasligini tushunishadi. . Bitta savol shundaki, ular qachon aniq texnik maqsadlariga erisha oladilar. Bir necha o'n yillar davomida gravitatsiyaviy to'lqinlarni qidirgan odamning ushbu hissiyot haqidagi hikoyasini yuqorida aytib o'tilgan filmda eshitish mumkin. "To'lqinlar va zarralarni kutish".

Ochilish

Shaklda. 7-rasmda asosiy natija ko'rsatilgan: ikkala detektor tomonidan qayd etilgan signalning profili. Ko'rinib turibdiki, shovqin fonida kerakli shakldagi tebranish avval zaif ko'rinadi, keyin esa amplituda va chastotada ortadi. Raqamli simulyatsiya natijalari bilan taqqoslash bizga qaysi ob'ektlarning birlashishini kuzatganimizni aniqlashga imkon berdi: bular massasi taxminan 36 va 29 quyosh massasi bo'lgan qora tuynuklar bo'lib, ular 62 quyosh massasi massasi bo'lgan bitta qora tuynukga birlashgan (barcha xatolik). 90% ishonch oralig'iga to'g'ri keladigan bu raqamlar 4 quyosh massasi). Mualliflarning ta'kidlashicha, hosil bo'lgan qora tuynuk hozirgacha kuzatilgan eng og'ir yulduz massali qora tuynukdir. Ikki boshlang'ich jismning umumiy massasi va oxirgi qora tuynuk o'rtasidagi farq 3 ± 0,5 quyosh massasini tashkil qiladi. Ushbu tortishish massasi nuqsoni taxminan 20 millisekundda to'liq chiqarilgan tortishish to'lqinlarining energiyasiga aylandi. Hisob-kitoblar shuni ko'rsatdiki, tortishish to'lqinlarining eng yuqori kuchi 3,6 · 10 56 erg / s ga yoki massa jihatidan soniyasiga taxminan 200 quyosh massasiga yetdi.

Aniqlangan signalning statistik ahamiyati 5,1s. Boshqacha qilib aytganda, agar bu statistik tebranishlar bir-birining ustiga kelib, tasodifan bunday portlashni keltirib chiqargan deb hisoblasak, bunday hodisa 200 ming yil kutishga to'g'ri keladi. Bu aniqlangan signal dalgalanma emasligini ishonch bilan aytishimizga imkon beradi.

Ikki detektor orasidagi kechikish taxminan 7 millisekundni tashkil etdi. Bu signalning kelish yo'nalishini taxmin qilish imkonini berdi (9-rasm). Faqat ikkita detektor mavjudligi sababli, lokalizatsiya juda taxminiy bo'lib chiqdi: parametrlar bo'yicha mos keladigan samoviy sfera hududi 600 kvadrat daraja.

LIGO hamkorligi shunchaki tortishish toʻlqinlarini qayd etish faktini aytish bilan cheklanib qolmadi, balki bu kuzatishning astrofizika uchun taʼsirining birinchi tahlilini ham oʻtkazdi. Jurnalda shu kuni chop etilgan GW150914 ikkilik qora tuynuklarning birlashuvining astrofizikaviy oqibatlari maqolasida Astrofizika jurnali xatlari, mualliflar bunday qora tuynuklarning qo'shilish chastotasini taxmin qilishdi. Natijada yiliga kub gigaparsek uchun kamida bitta birlashish sodir bo'ldi, bu bu boradagi eng optimistik modellarning prognozlariga mos keladi.

Gravitatsion to'lqinlar bizga nimani aytadi

O'nlab yillar davom etgan izlanishlardan so'ng yangi hodisaning ochilishi oxiri emas, balki fizikaning yangi bo'limining boshlanishidir. Albatta, ikkita qora tanlining birlashuvidan tortishish to'lqinlarini ro'yxatga olish o'z-o'zidan muhimdir. Bu qora tuynuklar mavjudligini va qo'sh qora tuynuklar mavjudligini va tortishish to'lqinlarining haqiqatini to'g'ridan-to'g'ri isbotlaydi va umuman olganda, umumiy nisbiylik asosi bo'lgan tortishish kuchiga geometrik yondashuvning to'g'riligini isbotlaydi. Ammo fiziklar uchun gravitatsion to'lqin astronomiyasi yangi tadqiqot vositasiga aylanib, ilgari erishib bo'lmaydigan narsalarni o'rganishga imkon berayotgani qadrli emas.

Birinchidan, bu koinotni ko'rish va kosmik kataklizmlarni o'rganishning yangi usuli. Gravitatsion to'lqinlar uchun hech qanday to'siq yo'q, ular koinotdagi hamma narsadan hech qanday muammosiz o'tadi. Ular o'zini o'zi etarli: ularning profilida ularni tug'gan jarayon haqida ma'lumot mavjud. Va nihoyat, agar bitta katta portlash optik, neytrino va tortishish portlashini keltirib chiqarsa, biz ularning barchasini ushlashga, bir-biri bilan solishtirishga va u erda sodir bo'lgan voqealarning ilgari erishib bo'lmaydigan tafsilotlarini tushunishga harakat qilishimiz mumkin. Bitta hodisadan kelib chiqqan bunday turli xil signallarni ushlay olish va taqqoslash butun signalli astronomiyaning asosiy maqsadi hisoblanadi.

Gravitatsion to'lqin detektorlari yanada sezgir bo'lganda, ular fazo-vaqtning silkinishini birlashish vaqtida emas, balki undan bir necha soniya oldin aniqlay oladi. Ular avtomatik ravishda kuzatuv stantsiyalarining umumiy tarmog'iga o'zlarining ogohlantirish signallarini yuboradilar va astrofizik teleskop sun'iy yo'ldoshlari taklif qilingan birlashishning koordinatalarini hisoblab, shu soniyalarda kerakli yo'nalishga burilib, optik portlashdan oldin osmonni suratga olishni boshlaydilar. boshlanadi.

Ikkinchidan, tortishish to'lqinining portlashi bizga neytron yulduzlari haqida yangi narsalarni o'rganishga imkon beradi. Neytron yulduzlarining birlashishi, aslida, tabiat biz uchun amalga oshirishi mumkin bo'lgan neytron yulduzlaridagi eng so'nggi va eng ekstremal tajribadir va biz, tomoshabin sifatida, faqat natijalarni kuzatishimiz kerak. Bunday qo'shilishning kuzatuv oqibatlari har xil bo'lishi mumkin (10-rasm) va ularning statistik ma'lumotlarini yig'ish orqali biz neytron yulduzlarining bunday muhitdagi xatti-harakatlarini yaxshiroq tushunishimiz mumkin. ekzotik sharoitlar. Ushbu yo'nalishdagi ishlarning hozirgi holatining umumiy ko'rinishini S. Rosswog tomonidan 2015 yildagi so'nggi nashrda topish mumkin. Yilni ikkilik birlashmalarning ko'p messenjerli rasmi.

Uchinchidan, o'ta yangi yulduzning portlashini qayd etish va uni optik kuzatuvlar bilan taqqoslash, nihoyat, qulashning boshida u erda nima sodir bo'layotganini batafsil tushunishga imkon beradi. Endi fiziklar ushbu jarayonni raqamli modellashtirishda hali ham qiyinchiliklarga duch kelishmoqda.

To'rtinchidan, tortishish nazariyasi bilan shug'ullanadigan fiziklar kuchli tortishish ta'sirini o'rganish uchun "laboratoriya" ga ega. Hozirgacha biz to'g'ridan-to'g'ri kuzatishimiz mumkin bo'lgan umumiy nisbiylik nazariyasining barcha ta'siri zaif sohalarda tortishish bilan bog'liq. Biz kuchli tortishish sharoitida nima sodir bo'lishini, fazo-vaqtning buzilishlari o'zlari bilan kuchli o'zaro ta'sir qila boshlaganda, faqat bilvosita ko'rinishlardan, kosmik falokatlarning optik aks-sadosi orqali taxmin qilishimiz mumkin edi.

Beshinchidan, tortishishning ekzotik nazariyalarini sinab ko'rish uchun yangi imkoniyat mavjud. Zamonaviy fizikada bunday nazariyalar allaqachon ko'p, masalan, A. N. Petrovning mashhur "Gravity" kitobidan ularga bag'ishlangan bobga qarang. Ushbu nazariyalarning ba'zilari zaif maydonlar chegarasida odatiy umumiy nisbiylik nazariyasiga o'xshaydi, lekin tortishish juda kuchli bo'lganda juda farq qilishi mumkin. Boshqalar gravitatsiyaviy to'lqinlar uchun qutblanishning yangi turi mavjudligini tan olishadi va yorug'lik tezligidan bir oz farq qiladigan tezlikni taxmin qilishadi. Nihoyat, qo'shimcha fazoviy o'lchamlarni o'z ichiga olgan nazariyalar mavjud. Gravitatsion to'lqinlar asosida ular haqida nima deyish mumkin - bu ochiq savol, ammo bu erdan ba'zi ma'lumotlardan foyda olish mumkinligi aniq. Shuningdek, Postnaukadagi tanlovda astrofiziklarning o'zlarining tortishish to'lqinlarining ochilishi bilan nima o'zgarishi haqidagi fikrini o'qishni tavsiya qilamiz.

Kelajak rejalari

Gravitatsion to'lqinlar astronomiyasining istiqbollari eng umid baxsh etadi. Endi faqat aLIGO detektorining birinchi, eng qisqa kuzatuv sessiyasi yakunlandi - va shu qisqa vaqt ichida aniq signal aniqlandi. Buni aytish to'g'riroq bo'ladi: birinchi signal rasmiy ishga tushishdan oldin ham ushlandi va hamkorlik hali to'rt oylik ish haqida hisobot bermadi. Kim biladi, ehtimol u erda bir nechta qo'shimcha tikanlar bormi? Qanday bo'lmasin, lekin bundan keyin, detektorlarning sezgirligi oshgani sayin va koinotning tortishish to'lqinlari kuzatuvlari uchun ochiq qismi kengaygan sari, qayd etilgan hodisalar soni qor ko'chkisi kabi o'sib boradi.

LIGO-Virgo tarmog'i uchun kutilayotgan seans jadvali rasmda ko'rsatilgan. 11. Ikkinchi, olti oylik sessiya joriy yilning oxirida boshlanadi, uchinchi sessiya deyarli 2018 yilni oladi va har bir bosqichda detektorning sezgirligi oshadi. Taxminan 2020 yilda aLIGO o'zining rejalashtirilgan sezgirligiga erishishi kerak, bu detektorga bizdan uzoqda joylashgan neytron yulduzlarining 200 Mpc gacha bo'lgan masofada birlashishi uchun koinotni tekshirishga imkon beradi. Qora tuynuklarning birlashishi yanada kuchli hodisalar uchun sezgirlik deyarli gigaparsekga yetishi mumkin. Qanday bo'lmasin, kuzatuv uchun mavjud bo'lgan koinot hajmi birinchi sessiyaga nisbatan o'nlab marta oshadi.

Yangilangan Italiya laboratoriyasi Virgo ham shu yil oxirida ishga tushadi. Uning sezgirligi LIGO-dan bir oz kamroq, ammo baribir juda yaxshi. Triangulyatsiya usuli tufayli kosmosda bir-biridan ajratilgan detektorlar uchligi samoviy sferada manbalarning holatini ancha yaxshi qayta qurish imkonini beradi. Agar hozir ikkita detektor bilan lokalizatsiya maydoni yuzlab kvadrat darajaga yetsa, uchta detektor uni o'nlab darajaga qisqartiradi. Bundan tashqari, hozirda Yaponiyada xuddi shunday KAGRA gravitatsion to‘lqin antennasi qurilmoqda, u ikki-uch yildan so‘ng ishlay boshlaydi, Hindistonda esa taxminan 2022-yilda LIGO-India detektori ishga tushirilishi rejalashtirilgan. Natijada, bir necha yil o'tgach, tortishish to'lqinlari detektorlarining butun tarmog'i ishlaydi va signallarni muntazam ravishda qayd qiladi (13-rasm).

Nihoyat, koinotga tortishish to‘lqini asboblarini, xususan, eLISA loyihasini uchirish rejalashtirilgan. Ikki oy oldin birinchi sinov sun'iy yo'ldoshi orbitaga chiqarildi, uning vazifasi texnologiyalarni sinovdan o'tkazish bo'ladi. Gravitatsion to'lqinlarni haqiqiy aniqlash hali ham uzoqdir. Ammo bu sun'iy yo'ldoshlar guruhi ma'lumot to'plashni boshlaganda, u koinotga yana bir oyna ochadi - past chastotali tortishish to'lqinlari orqali. Gravitatsion to'lqinlarga to'liq to'lqinli yondashuv bu soha uchun uzoq muddatli asosiy maqsaddir.

Parallellar

Gravitatsion to'lqinlarning kashf etilishi tarixda uchinchi marta bo'ldi o'tgan yillar fiziklar nihoyat barcha to'siqlarni engib o'tib, dunyomiz tuzilishining ilgari noma'lum bo'lgan nozikliklariga erishgan bir holat. 2012 yilda deyarli yarim asr oldin bashorat qilingan zarracha Xiggs bozoni topildi. 2013-yilda IceCube neytrino detektori astrofizik neytrinolar haqiqatini isbotladi va "koinotga" mutlaqo yangi, ilgari erishib bo'lmaydigan tarzda - yuqori energiyali neytrinolar orqali qaray boshladi. Va endi tabiat yana bir bor insonga bo'ysundi: koinotni kuzatish uchun tortishish to'lqini "oynasi" ochildi va shu bilan birga kuchli tortishish ta'sirini bevosita o'rganish mumkin bo'ldi.

Aytish kerakki, bu erda tabiatdan "bepul" yo'q edi. Qidiruv juda uzoq vaqt davomida olib borildi, lekin u natija bermadi, chunki o'sha paytda, o'nlab yillar oldin, asbob-uskunalar energiya, miqyos yoki sezgirlik nuqtai nazaridan natijaga erisha olmadi. Aynan texnologiyaning barqaror, maqsadli rivojlanishi maqsadga olib keldi, rivojlanish na texnik qiyinchiliklar, na o‘tgan yillardagi salbiy natijalar bilan to‘xtatilmadi.

Va har uch holatda ham, kashfiyot haqiqati oxiri emas edi, aksincha, tadqiqotning yangi yo'nalishining boshlanishi, bu bizning dunyomizni tekshirish uchun yangi vositaga aylandi. Xiggs bozonining xususiyatlari o'lchash uchun mavjud bo'ldi - va bu ma'lumotlarda fiziklar ta'sirlarni aniqlashga harakat qilmoqdalar. Yangi fizika. Yuqori energiyali neytrinolarning ko'paygan statistikasi tufayli neytrino astrofizikasi o'zining birinchi qadamlarini tashlamoqda. Hech bo'lmaganda, hozir tortishish-to'lqin astronomiyasidan ham xuddi shunday kutilmoqda va optimizm uchun barcha asoslar mavjud.

Manbalar:
1) LIGO Scientific Col. va Virgo Coll. Ikkilik qora tuynuklarning birlashuvidan tortishish to'lqinlarini kuzatish // fizika. Rev. Lett. 2016 yil 11 fevralda chop etilgan.
2) Aniqlash qog'ozlari - asosiy kashfiyot maqolasiga qo'shiladigan texnik maqolalar ro'yxati.
3) E. Berti. Ko'rish nuqtasi: Qora tuynuklarning birlashishining birinchi tovushlari // Fizika. 2016. V. 9. N. 17.

Ko'rib chiqish materiallari:
1) Devid Bleyr va boshqalar. Gravitatsion to'lqin astronomiyasi: hozirgi holat // arXiv: 1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott va LIGO ilmiy hamkorligi va Virgo hamkorligi. Kengaytirilgan LIGO va Advanced Virgo bilan tortishish to'lqinlarining o'tish davrini kuzatish va lokalizatsiya qilish istiqbollari // Tirik Rev. Nisbiylik. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Rezonans-ommaviy tortishish to'lqinlari detektorlarining o'tmishi, hozirgi va kelajagi // Res. Astron. Astrofiya. 2011. V. 11. N. 1.
4) Gravitatsion to'lqinlarni qidirish - jurnal veb-saytidagi materiallar to'plami Fan gravitatsion to'lqinlarni qidirishda.
5) Metyu Pitkin, Styuart Rid, Sheyla Rouen, Jim Xou. Gravitatsion to'lqinlarni interferometriya orqali aniqlash (yer va fazo) // arXiv: 1102.3355.
6) V. B. Braginskiy. Gravitatsion to'lqin astronomiyasi: yangi o'lchash usullari // UFN. 2000. T. 170. 743–752-betlar.
7) Piter R. Saulson.

2016-yilning 11-fevralida xalqaro olimlar guruhi, jumladan, Rossiyadan ham Vashingtondagi matbuot anjumanida ertami-kechmi sivilizatsiya rivojini o‘zgartirishi haqidagi kashfiyotni e’lon qildi. Gravitatsion to'lqinlar yoki fazo-vaqt to'lqinlarini amalda isbotlash mumkin edi. Ularning mavjudligi 100 yil oldin Albert Eynshteyn tomonidan bashorat qilingan.

Bu kashfiyot Nobel mukofoti bilan taqdirlanishiga hech kim shubha qilmaydi. Olimlar bu haqda gapirishga shoshilmayaptilar amaliy qo'llash. Ammo ular bizga yaqin vaqtgacha insoniyat nima qilishni bilmasligini eslatib turadi elektromagnit to'lqinlar, bu oxir-oqibatda haqiqiy ilmiy-texnik inqilobga olib keldi.

Oddiy so'z bilan aytganda, tortishish to'lqinlari nima

Gravitatsiya va universal tortishish bir xil narsadir. Gravitatsion to'lqinlar GPV uchun echimlardan biridir. Ular yorug'lik tezligida tarqalishi kerak. U o'zgaruvchan tezlanish bilan harakatlanadigan har qanday jism tomonidan chiqariladi.

Masalan, u o'z orbitasida yulduz tomon yo'naltirilgan o'zgaruvchan tezlanish bilan aylanadi. Va bu tezlashtirish doimo o'zgarib turadi. Quyosh tizimi tortishish to'lqinlarida bir necha kilovatt energiya chiqaradi. Bu 3 ta eski rangli televizor bilan taqqoslanadigan arzimas miqdor.

Yana bir narsa - bir-birini aylanib yuradigan ikkita pulsar (neytron yulduzlar). Ular juda yaqin orbitalarda aylanadilar. Bunday "juftlik" astrofiziklar tomonidan kashf etilgan va uzoq vaqt davomida kuzatilgan. Ob'ektlar bir-birining ustiga tushishga tayyor edi, bu bilvosita pulsarlarning fazo-vaqt to'lqinlarini, ya'ni o'z sohasida energiya chiqarishini ko'rsatdi.

Gravitatsiya - tortishish kuchi. Biz yerga jalb qilinganmiz. Gravitatsion to'lqinning mohiyati esa bu sohaning o'zgarishi bo'lib, u bizga etib kelganida nihoyatda zaifdir. Masalan, suv omboridagi suv darajasini oling. Gravitatsion maydon kuchi - bu ma'lum bir nuqtada erkin tushishning tezlashishi. Hovuzimiz bo'ylab to'lqin o'tadi va to'satdan erkin tushishning tezlashishi biroz o'zgaradi.

Bunday tajribalar o'tgan asrning 60-yillarida boshlangan. O'sha paytda ular buni o'ylab topishdi: ular ichki issiqlik tebranishlarini oldini olish uchun sovutilgan ulkan alyuminiy tsilindrni osib qo'yishdi. Va ular to'qnashuvdan to'lqin kutishdi, masalan, ikkita katta qora tuynuk to'satdan bizga etib borishini. Tadqiqotchilar g'ayratga to'la edi va hammasi shunday dedi Yer kosmosdan keladigan tortishish to'lqinining ta'sirini boshdan kechirishi mumkin. Sayyora tebranishni boshlaydi va bu seysmik to'lqinlarni (siqilish, siljish va sirt to'lqinlari) o'rganish mumkin.

Qurilma haqida muhim maqola oddiy tilda, va amerikaliklar va LIGO qanday qilib sovet olimlarining g'oyasini o'g'irlashdi va kashfiyotga imkon yaratgan introferometrlarni qurishdi. Bu haqda hech kim gapirmaydi, hamma jim!

Aytgancha, ular elektromagnit nurlanish spektrini o'zgartirish orqali topishga harakat qilayotgan kosmik mikroto'lqinli fon nurlanishining pozitsiyasidan tortishish nurlanishi qiziqroq. CMB va elektromagnit nurlanish Katta portlashdan 700 ming yil o'tgach paydo bo'ldi, keyin koinotning kengayishi paytida yugurish bilan issiq gaz bilan to'ldiriladi. zarba to'lqinlari, keyinchalik galaktikalarga aylangan. Bunday holda, tabiiyki, o'sha paytda hali ham optik bo'lgan kosmik mikroto'lqinli fon nurlanishining to'lqin uzunligiga ta'sir qiluvchi ulkan, aqlni hayratda qoldiradigan kosmos-vaqt to'lqinlari chiqarilishi kerak edi. Rossiyalik astrofizik Sajin ushbu mavzu bo'yicha maqolalar yozadi va muntazam ravishda nashr etadi.

Gravitatsion to'lqinlarning kashf etilishini noto'g'ri talqin qilish

“Oyna osilib qoladi, unga tortishish to‘lqini ta’sir qiladi va u tebranishni boshlaydi. Va hatto atom yadrosining o'lchamidan kamroq amplitudali eng ahamiyatsiz tebranishlar asboblar tomonidan seziladi" - masalan, Vikipediya maqolasida bunday noto'g'ri talqin qo'llaniladi. Dangasa bo'lmang, sovet olimlarining 1962 yildagi maqolasini toping.

Birinchidan, "to'lqinlar" ni his qilish uchun oyna massiv bo'lishi kerak. Ikkinchidan, o'zining termal tebranishlarini oldini olish uchun uni deyarli mutlaq nolga (Kelvin) sovutish kerak. Katta ehtimol bilan, nafaqat 21-asrda, balki umuman buni hech qachon aniqlab bo'lmaydi elementar zarracha- tortishish to'lqinlarining tashuvchisi:

Gravitatsion to'lqinlar - rassomning renderi

Gravitatsion to'lqinlar - bu manbadan ajralib chiqadigan va to'lqinlar kabi tarqaladigan fazo-vaqt metrikasidagi buzilishlar ("fazo-vaqt to'lqinlari" deb ataladi).

Umuman nisbiylik nazariyasi va boshqalar zamonaviy nazariyalar Gravitatsiyada tortishish to'lqinlari o'zgaruvchan tezlanishga ega bo'lgan massiv jismlarning harakati natijasida hosil bo'ladi. Gravitatsion to'lqinlar yorug'lik tezligida kosmosda erkin tarqaladi. Gravitatsion kuchlarning nisbiy zaifligi (boshqalarga nisbatan) tufayli bu to'lqinlar juda kichik kattalikka ega, ularni ro'yxatga olish qiyin.

Polarizatsiyalangan tortishish to'lqini

Gravitatsion to'lqinlar umumiy nisbiylik nazariyasi (GR) va boshqalar tomonidan bashorat qilinadi. Ular birinchi marta 2015-yil sentabr oyida egizak detektorlar tomonidan to‘g‘ridan-to‘g‘ri aniqlangan bo‘lib, ular ikkitasining qo‘shilishi natijasida paydo bo‘ladigan tortishish to‘lqinlarini aniqlagan va bitta, kattaroq, aylanuvchi qora tuynuk hosil qilgan. Ularning mavjudligining bilvosita dalillari 1970-yillardan beri ma'lum - "Umumiy nisbiylik" kuzatishlar bilan mos keladigan tortishish to'lqinlarining emissiyasi tufayli energiya yo'qolishi tufayli yaqin tizimlarning yaqinlashish tezligini bashorat qiladi. Gravitatsion to'lqinlarni bevosita ro'yxatga olish va ulardan astrofizik jarayonlarning parametrlarini aniqlash uchun foydalanish hisoblanadi muhim vazifa zamonaviy fizika va astronomiya.

Umumiy nisbiylik doirasida tortishish to'lqinlari yorug'lik tezligida (chiziqli yaqinlashishda) harakatlanuvchi fazo-vaqt metrikasining buzilishini ifodalovchi to'lqin tipidagi Eynshteyn tenglamalari yechimlari bilan tavsiflanadi. Ushbu buzilishning namoyon bo'lishi, xususan, ikkita erkin tushadigan (ya'ni hech qanday kuchlar ta'sirida bo'lmagan) sinov massalari orasidagi masofaning davriy o'zgarishi bo'lishi kerak. Amplituda h tortishish to'lqini o'lchovsiz miqdor - masofaning nisbiy o'zgarishi. Astrofizik ob'ektlardan (masalan, ixcham ikkilik tizimlar) va hodisalardan (portlashlar, qo'shilishlar, qora tuynuklar tomonidan tutilishlar va boshqalar) tortishish to'lqinlarining taxmin qilingan maksimal amplitudalari o'lchanganida juda kichik ( h=10 −18 -10 −23). Zaif (chiziqli) tortishish to'lqini, umumiy nisbiylik nazariyasiga ko'ra, energiya va impulsni uzatadi, yorug'lik tezligida harakat qiladi, ko'ndalang, to'rt kutupli va bir-biriga 45 ° burchak ostida joylashgan ikkita mustaqil komponent bilan tavsiflanadi ( qutblanishning ikki yo'nalishiga ega).

Turli nazariyalar tortishish to'lqinlarining tarqalish tezligini turlicha bashorat qiladi. Umumiy nisbiylik nazariyasida u yorug'lik tezligiga teng (chiziqli yaqinlashishda). Boshqa tortishish nazariyalarida u har qanday qiymatni, shu jumladan cheksizlikni ham qabul qilishi mumkin. Gravitatsion to'lqinlarning birinchi ro'yxatga olinishiga ko'ra, ularning tarqalishi massasiz graviton bilan mos bo'lib chiqdi va tezligi yorug'lik tezligiga teng deb hisoblandi.

Gravitatsion to'lqinlarning paydo bo'lishi

Ikki neytron yulduzlar tizimi fazoda to'lqinlar hosil qiladi

Gravitatsion to'lqin assimetrik tezlanish bilan harakat qilayotgan har qanday materiya tomonidan chiqariladi. Muhim amplitudali to'lqin paydo bo'lishi uchun emitentning juda katta massasi va / yoki katta tezlashuvlar gravitatsiyaviy to'lqinning amplitudasi to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir; tezlanishning birinchi hosilasi va generatorning massasi, ya'ni ~ . Biroq, agar jism tezlashtirilgan tezlikda harakatlansa, bu unga boshqa jismdan qandaydir kuch ta'sir qilishini anglatadi. O'z navbatida, bu boshqa ob'ektni boshdan kechiradi teskari harakat(Nyutonning 3-qonuniga ko'ra), shunday bo'ladi m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Ma'lum bo'lishicha, ikkita ob'ekt tortishish to'lqinlarini faqat juftlik bilan chiqaradi va interferensiya natijasida ular o'zaro deyarli butunlay bekor qilinadi. Shuning uchun umumiy nisbiylik nazariyasidagi tortishish nurlanishi har doim kamida to'rt kutupli nurlanishning ko'p qutbli xususiyatiga ega. Bundan tashqari, relyativistik bo'lmagan emitentlar uchun nurlanish intensivligi ifodasida kichik parametr mavjud, bu erda emitentning tortishish radiusi, r- uning xarakterli hajmi, T- harakatning xarakterli davri; c- vakuumdagi yorug'lik tezligi.

Gravitatsion to'lqinlarning eng kuchli manbalari:

• to'qnashuv (gigant massalar, juda kichik tezlashuvlar),
• ixcham ob'ektlarning ikkilik tizimining tortishish qulashi (juda katta massaga ega bo'lgan ulkan tezlashuvlar). Maxsus va eng qiziqarli holat sifatida - neytron yulduzlarining birlashishi. Bunday tizimda tortishish to'lqinining yorqinligi tabiatda mumkin bo'lgan maksimal Plank yorqinligiga yaqin.

Ikki tanali tizim tomonidan chiqarilgan tortishish to'lqinlari

Ikki jism umumiy massa markazi atrofida aylana orbita bo'ylab harakatlanadi

Massalari bilan gravitatsiyaviy bog'langan ikkita jism m 1 va m 2, nisbiy bo'lmagan harakat ( v << c) masofadagi umumiy massa markazi atrofida aylana orbitalarda r bir-biridan o'rtacha davr davomida quyidagi energiyaning tortishish to'lqinlarini chiqaradi:

Natijada, tizim energiyani yo'qotadi, bu jismlarning yaqinlashishiga, ya'ni ular orasidagi masofaning qisqarishiga olib keladi. Jismlarning yaqinlashish tezligi:

Masalan, Quyosh tizimi uchun eng katta tortishish radiatsiyasi quyi tizim va tomonidan ishlab chiqariladi. Ushbu nurlanishning kuchi taxminan 5 kilovattni tashkil qiladi. Shunday qilib, Quyosh tizimi tomonidan yiliga tortishish nurlanishiga yo'qolgan energiya jismlarning xarakterli kinetik energiyasiga nisbatan mutlaqo ahamiyatsiz.

Ikkilik tizimning gravitatsion qulashi

Har qanday qo'sh yulduz, uning tarkibiy qismlari umumiy massa markazi atrofida aylanganda, energiyani yo'qotadi (taxmin qilinganidek - tortishish to'lqinlarining chiqishi tufayli) va oxirida birlashadi. Ammo oddiy, ixcham bo'lmagan, qo'sh yulduzlar uchun bu jarayon juda uzoq vaqtni oladi, hozirgi davrga qaraganda ancha uzoqroq. Agar ixcham ikkilik tizim bir juft neytron yulduzlari, qora tuynuklar yoki ularning kombinatsiyasidan iborat bo'lsa, unda birlashish bir necha million yil ichida sodir bo'lishi mumkin. Birinchidan, ob'ektlar bir-biriga yaqinlashadi va ularning aylanish davri kamayadi. Keyin, oxirgi bosqichda, to'qnashuv va assimetrik tortishish qulashi sodir bo'ladi. Bu jarayon soniyaning bir qismi davom etadi va bu vaqt davomida energiya tortishish nurlanishiga yo'qoladi, ba'zi ma'lumotlarga ko'ra, bu tizim massasining 50% dan ortig'ini tashkil qiladi.

Gravitatsion to'lqinlar uchun Eynshteyn tenglamalarining asosiy aniq yechimlari

Bondi-Pirani-Robinson tana to'lqinlari

Ushbu to'lqinlar shaklning metrikasi bilan tavsiflanadi. Agar biz o'zgaruvchi va funktsiyani kiritsak, u holda umumiy nisbiylik tenglamalaridan biz tenglamani olamiz

Takeno metrikasi

, -funksiyalari bir xil tenglamani qanoatlantiradigan shaklga ega.

Rosen metrikasi

Qaerda qondirish kerak

Peres ko'rsatkichi

Qayerda

Silindrsimon Eynshteyn-Rozen to'lqinlari

Silindrsimon koordinatalarda bunday to'lqinlar shaklga ega va bajariladi

Gravitatsion to'lqinlarni ro'yxatga olish

Gravitatsion to'lqinlarni ro'yxatga olish ikkinchisining zaifligi (metrikaning kichik buzilishi) tufayli juda qiyin. Ularni ro'yxatga olish uchun asboblar tortishish to'lqinlari detektorlaridir. Gravitatsion to'lqinlarni aniqlashga urinishlar 1960-yillarning oxiridan boshlab amalga oshirildi. Aniqlanadigan amplitudali tortishish to'lqinlari binarning qulashi paytida tug'iladi. Atrofda shunga o'xshash hodisalar taxminan o'n yilda bir marta sodir bo'ladi.

Boshqa tomondan, umumiy nisbiylik nazariyasi tortishish to'lqinlarining chiqarilishi natijasida energiya yo'qolishi tufayli qo'shaloq yulduzlarning o'zaro aylanishining tezlashishini bashorat qiladi va bu ta'sir ikkilik ixcham ob'ektlarning bir nechta ma'lum tizimlarida ishonchli tarzda qayd etilgan. xususan, ixcham hamrohlari bo'lgan pulsarlar). 1993 yilda birinchi qo'sh pulsar PSR B1913+16 ning kashfiyotchilari Rassel Xulse va kichik Jozef Teylorga "gravitatsiyani o'rganishda yangi imkoniyatlar yaratgan pulsarning yangi turini kashf etgani uchun". fizika bo‘yicha Nobel mukofotiga sazovor bo‘ldi. Ushbu tizimda kuzatilgan aylanishning tezlashishi tortishish to'lqinlarining emissiyasi bo'yicha umumiy nisbiylik nazariyasining bashoratlari bilan to'liq mos keladi. Xuddi shu hodisa bir qancha boshqa holatlarda ham qayd etilgan: PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (odatda qisqartirilgan J0651) pulsarlari va J0806 ikkilik RX tizimi. Masalan, PSR J0737-3039 ikkita pulsarning birinchi qo'shaloq yulduzining ikkita komponenti A va B o'rtasidagi masofa tortishish to'lqinlarining energiya yo'qolishi tufayli kuniga taxminan 2,5 dyuymga (6,35 sm) kamayadi va bu bilan kelishilgan holda sodir bo'ladi. umumiy nisbiylik. Bu ma'lumotlarning barchasi gravitatsiyaviy to'lqinlar mavjudligini bilvosita tasdiqlash sifatida talqin etiladi.

Hisob-kitoblarga ko'ra, gravitatsion teleskoplar va antennalar uchun tortishish to'lqinlarining eng kuchli va tez-tez uchraydigan manbalari yaqin atrofdagi galaktikalardagi ikkilik tizimlarning qulashi bilan bog'liq halokatlardir. Yaqin kelajakda takomillashtirilgan gravitatsion detektorlarda yiliga bir nechta shunga o'xshash hodisalar qayd etilishi kutilmoqda, bu esa yaqin atrofdagi metrikani 10 −21 -10 −23 ga buzadi. Koinot maserlarining nurlanishiga yaqin binar kabi davriy manbalardan tortishish to'lqinlarining ta'sirini aniqlashga imkon beruvchi optik-metrik parametrik rezonans signalining birinchi kuzatuvlari Rossiya radioastronomik rasadxonasida olingan bo'lishi mumkin. Fanlar akademiyasi, Pushchino.

Koinotni to'ldiruvchi tortishish to'lqinlarining fonini aniqlashning yana bir imkoniyati uzoq pulsarlarning yuqori aniqlikdagi vaqtini aniqlash - ularning impulslarining kelish vaqtini tahlil qilish, bu Yer va pulsar orasidagi bo'shliqdan o'tadigan tortishish to'lqinlari ta'sirida xarakterli o'zgaradi. 2013 yil uchun hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, bizning koinotimizdagi bir nechta manbalardan fon to'lqinlarini aniqlash uchun vaqtni aniqlashning aniqligini taxminan bir darajaga oshirish kerak, bu vazifa o'n yil oxirigacha bajarilishi mumkin.

Zamonaviy tushunchalarga ko'ra, bizning koinotimiz keyingi dastlabki daqiqalarda paydo bo'lgan relikt tortishish to'lqinlari bilan to'ldirilgan. Ularning ro'yxatga olinishi Koinotning tug'ilishining boshlanishidagi jarayonlar haqida ma'lumot olish imkonini beradi. 2014 yil 17 mart kuni Moskva vaqti bilan soat 20:00 da Garvard-Smitson astrofizika markazida BICEP 2 loyihasida ishlaydigan amerikalik tadqiqotchilar guruhi kosmik qutblanish orqali erta koinotda nolga teng bo'lmagan tenzor buzilishlarini aniqlashni e'lon qildi. mikroto'lqinli fon radiatsiyasi, bu ham ushbu relikt tortishish to'lqinlarining kashfiyotidir. Biroq, deyarli darhol bu natija bahslashdi, chunki ma'lum bo'lishicha, hissa to'g'ri hisobga olinmagan. Mualliflardan biri J. M. Kovats ( Kovac J.M.), "ishtirokchilar va fan jurnalistlari BICEP2 eksperimenti ma'lumotlarini sharhlash va hisobot berishda biroz shoshqaloqlik qilishdi" deb tan oldi.

Mavjudligini eksperimental tasdiqlash

Birinchi qayd etilgan gravitatsion to'lqin signali. Chap tomonda Xanforddagi detektordan olingan ma'lumotlar (H1), o'ngda - Livingstondagi (L1). Vaqt 2015-yil 14-sentabr, UTC 09:50:45 dan boshlab hisoblanadi. Signalni ko'rish uchun u detektorlarning yuqori sezuvchanlik diapazonidan tashqaridagi katta tebranishlarni bostirish uchun 35-350 Gerts chastotali filtr bilan filtrlanadi; Yuqori qator: detektorlardagi kuchlanishlar h. GW150914 birinchi marta L1 ga va 6 9 +0 5 −0 4 ms keyin H1 ga yetib keldi; Vizual taqqoslash uchun H1 dan olingan ma'lumotlar L1 syujetida teskari va vaqt o'zgarishi shaklida ko'rsatilgan (detektorlarning nisbiy yo'nalishini hisobga olish uchun). Ikkinchi qator: tortishish to'lqini signalidan h kuchlanishlari, bir xil 35-350 Hz tarmoqli filtri orqali o'tadi. Qattiq chiziq GW150914 signalini o'rganish asosida topilgan parametrlarga mos keladigan tizim uchun raqamli nisbiylik natijasi bo'lib, natijada 99,9 ga teng bo'lgan ikkita mustaqil kod orqali olingan. Kulrang qalin chiziqlar detektor ma'lumotlaridan ikki xil usulda qayta tiklangan to'lqin shaklining 90% ishonchli hududlari. To'q kulrang chiziq qora tuynuklarning birlashishidan kutilgan signallarni modellashtiradi, ochiq kulrang chiziq astrofizik modellardan foydalanmaydi, lekin signalni sinusoidal-Gauss to'lqinlarining chiziqli birikmasi sifatida ifodalaydi. Qayta qurish ishlari 94% ga to'g'ri keladi. Uchinchi qator: detektorlarning filtrlangan signalidan raqamli nisbiylik signalining filtrlangan bashoratini olishdan keyin qoldiq xatolar. Pastki qator: Vaqt o'tishi bilan signalning dominant chastotasining oshishini ko'rsatadigan kuchlanishlarning chastota xaritasi.

2016 yil 11 fevral, LIGO va VIRGO hamkorligi. Maksimal amplitudasi taxminan 10-21 bo'lgan ikkita qora tuynukning qo'shilish signali 2015 yil 14 sentyabr kuni soat 9:51 UTC da Xanford va Livingstonda bir-biridan 7 millisekundlik masofada, maksimal signal amplitudasi mintaqasida ikkita LIGO detektori tomonidan qayd etilgan ( 0,2 soniya) birlashtirilgan signal-shovqin nisbati 24:1 edi. Signal GW150914 deb belgilandi. Signalning shakli 36 va 29 quyosh massasi bo'lgan ikkita qora tuynukning birlashishi uchun umumiy nisbiylik bashoratiga mos keladi; olingan qora tuynuk 62 quyosh massasi va aylanish parametriga ega bo'lishi kerak a= 0,67. Manbagacha bo'lgan masofa taxminan 1,3 milliardni tashkil etadi, qo'shilishda soniyaning o'ndan bir qismida chiqariladigan energiya taxminan 3 quyosh massasiga teng.

Hikoya

"Gravitatsion to'lqin" atamasining o'zi tarixi, bu to'lqinlarni nazariy va eksperimental izlash, shuningdek, boshqa usullar uchun mavjud bo'lmagan hodisalarni o'rganish uchun ulardan foydalanish.

• 1900 yil - Lorentz tortishish "...yorug'lik tezligidan katta bo'lmagan tezlikda tarqalishi mumkin" deb taklif qildi;
• 1905 yil - Puankare birinchi marta tortishish to'lqini (onde gravifique) atamasini kiritdi. Puankare, sifat darajasida, Laplasning o'rnatilgan e'tirozlarini olib tashladi va tortishish to'lqinlari bilan bog'liq bo'lgan tartibning Nyutonning umumiy qabul qilingan tortishish qonunlariga bog'liq tuzatishlar bekor qilinishini ko'rsatdi, shuning uchun tortishish to'lqinlarining mavjudligi haqidagi taxmin kuzatuvlarga zid emas;
• 1916 yil - Eynshteyn, umumiy nisbiylik doirasida mexanik tizim energiyani tortishish to'lqinlariga o'tkazishini va taxminan aytganda, qo'zg'almas yulduzlarga nisbatan har qanday aylanish ertami-kechmi to'xtashi kerakligini ko'rsatdi, garchi, albatta, normal sharoitlarda energiya yo'qotishlari. kattalik tartibini ahamiyatsiz va amalda o'lchash mumkin emas (bu ishda u sferik simmetriyani doimiy ravishda ushlab turadigan mexanik tizim tortishish to'lqinlarini chiqarishi mumkin deb xato deb hisoblagan);
• 1918 yil - Eynshteyn gravitatsion to'lqinlarning emissiyasi tartibning ta'siri bo'lib chiqadigan to'rt kutupli formulani oldi , shu bilan uning oldingi ishidagi xatoni tuzatdi (koeffitsientda xatolik qoldi, to'lqin energiyasi 2 barobar kamroq);
• 1923 yil - Eddington - tortishish to'lqinlarining "...fikr tezligida ... tarqaladigan" jismoniy haqiqatiga shubha qildi. 1934 yilda Eddington o'zining "Nisbiylik nazariyasi" monografiyasining rus tiliga tarjimasini tayyorlayotganda, bir nechta boblarni, shu jumladan aylanadigan novda tomonidan energiya yo'qotishlarini hisoblashning ikkita varianti bo'lgan boblarni qo'shdi, ammo umumiy nisbiylik nazariyasini taxminiy hisoblash uchun qo'llaniladigan usullarni ta'kidladi. uning fikricha, gravitatsiyaviy bog'langan tizimlar uchun qo'llanilmaydi, shuning uchun shubhalar qoladi;
• 1937 yil - Eynshteyn Rosen bilan birgalikda tortishish maydonining aniq tenglamalari uchun silindrsimon to'lqin echimlarini o'rgandi. Ushbu tadqiqotlar davomida ular tortishish to'lqinlari umumiy nisbiylik tenglamalarining taxminiy yechimlari artefakti bo'lishi mumkinligiga shubha qila boshladilar (Eynshteyn va Rozenning "Gravitatsion to'lqinlar mavjudmi?" Maqolasini ko'rib chiqish bo'yicha yozishmalar ma'lum). Keyinchalik, u o'z fikrlashlarida xato topdi;
• 1957 yil - Herman Bondi va Richard Feynman "munchoqli qamish" fikrlash tajribasini taklif qilishdi, unda ular umumiy nisbiylik nuqtai nazaridan tortishish to'lqinlarining jismoniy oqibatlari mavjudligini asoslashdi;
• 1962 yil - Vladislav Pustovoit va Mixail Gerzenshteyn uzun to'lqinli tortishish to'lqinlarini aniqlash uchun interferometrlardan foydalanish tamoyillarini tasvirlab berdi;
• 1964 yil - Filipp Peters va Jon Metyu ikkilik tizimlar chiqaradigan tortishish to'lqinlarini nazariy jihatdan tavsifladilar;
• 1969 yil - Gravitatsion to'lqin astronomiyasi asoschisi Jozef Veber rezonans detektori - mexanik tortishish antennasi yordamida tortishish to'lqinlarini aniqlash haqida xabar beradi. Ushbu hisobotlar ushbu yo'nalishdagi ishlarning tez o'sishiga sabab bo'ladi, xususan, LIGO loyihasi asoschilaridan biri Rainier Vays o'sha paytda tajribalarni boshlagan. Bugungi kunga qadar (2015 yil) hech kim ushbu hodisalarning ishonchli tasdig'ini ololmadi;
• 1978 yil - Jozef Teylor PSR B1913+16 binar pulsar tizimida gravitatsion nurlanish aniqlangani haqida xabar berdi. Jozef Teylor va Rassell Xulsening tadqiqotlari 1993 yilda fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi. 2015 yil boshidan boshlab kamida 8 ta shunday tizim uchun Keplerdan keyingi uchta parametr, jumladan, tortishish to'lqinlarining emissiyasi tufayli davrning qisqarishi o'lchandi;
• 2002 yil - Sergey Kopeikin va Edvard Fomalont dinamikada Yupiterning tortishish maydonidagi yorug'likning og'ishini o'lchash uchun ultra-uzun bazaviy radioto'lqinli interferometriyadan foydalanganlar, bu umumiy nisbiylikning ma'lum bir gipotetik kengaytmalari uchun tezlikni baholashga imkon beradi. tortishish - yorug'lik tezligidan farq 20% dan oshmasligi kerak (bu talqin umuman qabul qilinmaydi);
• 2006 yil - Marta Burgayning xalqaro jamoasi (Parks rasadxonasi, Avstraliya) umumiy nisbiylik nazariyasi va uning ikkita PSR J0737-3039A/B pulsarlari tizimidagi tortishish to'lqini nurlanishining kattaligiga mos kelishini sezilarli darajada aniqroq tasdiqladi;
• 2014 yil - Garvard-Smitson astrofizika markazi (BICEP) astronomlari kosmik mikroto'lqinli fon radiatsiyasidagi tebranishlarni o'lchashda birlamchi tortishish to'lqinlarini aniqlash haqida xabar berishdi. Hozirgi vaqtda (2016 yil) aniqlangan tebranishlar relikt kelib chiqishi emas, balki Galaktikadagi changning chiqishi bilan izohlanadi;
• 2016 yil - xalqaro LIGO jamoasi GW150914 gravitatsion to'lqinning tranzit hodisasi aniqlanganligi haqida xabar berdi. Birinchi marta o'ta yuqori nisbiy tezlikli o'ta kuchli tortishish maydonlarida o'zaro ta'sir qiluvchi massiv jismlarni bevosita kuzatish (< 1,2 × R s , v/c >0,5), bu umumiy nisbiylik nazariyasining to'g'riligini Nyutondan keyingi yuqori tartiblarning bir nechta shartlarining aniqligi bilan tekshirishga imkon berdi. Gravitatsion to'lqinlarning o'lchangan dispersiyasi gipotetik gravitonning massasi bo'yicha dispersiya va yuqori chegaraning ilgari o'tkazilgan o'lchovlariga zid kelmaydi (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.

Asosiy farq shundaki, tovush o'tish uchun vositaga muhtoj bo'lsa-da, tortishish to'lqinlari muhitni - ichiga siljitadi Ushbu holatda fazo-vaqtning o'zi. "Ular fazoviy vaqt matosini tom ma'noda ezib tashlaydilar va cho'zadilar", deydi Chiara Mingarelli, Kaltekdagi tortishish to'lqini astrofiziki. Bizning quloqlarimizga LIGO tomonidan aniqlangan to'lqinlar shovqin kabi eshitiladi.

Bu inqilob aynan qanday amalga oshadi? LIGO’da hozirda olimlar uchun “quloq” vazifasini bajaradigan ikkita detektor mavjud va kelajakda yana ko‘proq detektorlar paydo bo‘ladi. Va agar LIGO birinchi bo'lib kashf etgan bo'lsa, bu, albatta, yagona bo'lmaydi. Gravitatsion to'lqinlarning ko'p turlari mavjud. Darhaqiqat, elektromagnit spektrda turli xil to'lqin uzunlikdagi yorug'lik turlari mavjud bo'lgani kabi, ularning butun spektri mavjud. Shu sababli, boshqa hamkorlik LIGO uchun mo'ljallanmagan chastotali to'lqinlarni qidirishni boshlaydi.

Mingarelli NanoGRAV (Shimoliy Amerika Nanoherts Gravitatsion To'lqinlar Observatoriyasi) hamkorligi bilan ishlaydi, bu yirik xalqaro konsortsiumning bir qismi bo'lib, Evropa Pulsar Timing Array va Avstraliyadagi Parkes Pulsar Timing Array. Nomidan ko'rinib turibdiki, NanoGRAV olimlari 1 dan 10 nanogertsgacha bo'lgan rejimda past chastotali tortishish to'lqinlarini ovlaydi; LIGO sezgirligi spektrning kilogerts (eshitish mumkin) qismida bo'lib, juda uzun to'lqin uzunliklarini qidiradi.


Hamkorlik Puerto-Rikodagi Aresibo rasadxonasi va G'arbiy Virjiniyadagi Green Bank teleskopi tomonidan to'plangan pulsar ma'lumotlariga asoslanadi. Pulsarlar tez aylanadigan neytron yulduzlar bo'lib, ular Quyoshdan kattaroq yulduzlar portlashi va o'z-o'zidan qulashi natijasida hosil bo'ladi. Ular siqilgan sari tezroq va tezroq aylanadi, xuddi arqonning uchidagi og'irlik arqon qisqargan sari tezroq aylanadi.

Ular, shuningdek, Yerda yorug'lik impulslari sifatida aniqlanadigan mayoq kabi aylanayotganda kuchli radiatsiya portlashlarini chiqaradilar. Va bu davriy aylanish juda aniq - deyarli atom soati kabi aniq. Bu ularni ideal kosmik tortishish to'lqin detektorlari qiladi. Birinchi bilvosita dalil 1974 yilda kichik Jozef Teylor va Rassell Xuls neytron yulduz atrofida aylanayotgan pulsar vaqt o'tishi bilan sekin qisqarishini, agar u o'z massasining bir qismini energiyaga aylantirsa, kutilgan ta'sirni aniqlaganida, pulsarlarni o'rganishdan olingan. gravitatsion to'lqinlar shaklida.

NanoGRAV holatida chekish quroli o'ziga xos miltillovchi bo'ladi. Impulslar bir vaqtning o'zida kelishi kerak, lekin agar ular tortishish to'lqini bilan urilsa, ular biroz oldinroq yoki kechroq keladi, chunki fazo-vaqt to'lqin o'tishi bilan siqiladi yoki cho'ziladi.

Pulsar vaqt panjara massivlari, ayniqsa, eng massiv galaktikalar markazida joylashgan Quyosh massasidan bir milliarddan o‘n milliard martagacha bo‘lgan o‘ta massali qora tuynuklarning qo‘shilishi natijasida hosil bo‘ladigan tortishish to‘lqinlariga juda sezgir. Agar ikkita bunday galaktika birlashsa, ularning markazlaridagi teshiklar ham birlashadi va tortishish to'lqinlarini chiqaradi. "LIGO juftliklar juda yaqin bo'lganda birlashishning oxirini ko'radi", deydi Mingarelli. "MRVlar yordamida biz ularni spiral fazaning boshida, ular endigina bir-birining orbitasiga kirib kelayotganida ko'rishimiz mumkin edi."

Shuningdek, LISA (Laser Interferometer Space Antenna) kosmik missiyasi ham mavjud. Erga asoslangan LIGO gravitatsiyaviy to'lqinlarni, masalan, qora tuynuklarimiz birlashishi natijasida hosil bo'lgan tovush spektrining qismlariga ekvivalentini aniqlaydi. Ammo bu to'lqinlarning ko'plab qiziqarli manbalari past chastotalarni keltirib chiqaradi. Shuning uchun fiziklar ularni kashf qilish uchun kosmosga borishlari kerak. Joriy LISA Pathfinder() missiyasining asosiy maqsadi detektorning ishlashini sinab ko'rishdir. "LIGO yordamida siz asbobni to'xtatishingiz, vakuumni ochishingiz va hamma narsani tuzatishingiz mumkin", deydi MITdan Skott Xyuz. "Ammo siz kosmosda hech narsani ocholmaysiz." To'g'ri ishlashi uchun biz buni darhol qilishimiz kerak."

LISA maqsadi oddiy: lazerli interferometrlardan foydalanish, kosmik kema erkin tushishda ikkita 1,8 dyuymli oltin-platina kubining nisbiy holatini aniq o'lchashga harakat qiladi. Alohida elektrod qutilariga 15 dyuym masofada joylashtiriladi, sinov ob'ektlari undan himoyalanadi quyosh shamoli va boshqa tashqi kuchlar, shuning uchun tortishish to'lqinlari (umid qilamanki) tufayli yuzaga keladigan mayda harakatni aniqlash mumkin bo'ladi.

Va nihoyat, kosmik mikroto'lqinli fon radiatsiyasida (Katta portlashdan keyingi yorug'lik) ibtidoiy tortishish to'lqinlari qoldirgan izlarni qidirish uchun ikkita tajriba mavjud: BICEP2 va Plank missiyasi. BICEP2 2014 yilda bittasini aniqlaganini da'vo qildi, ammo signal soxta ekanligi ma'lum bo'ldi (aybdor). kosmik chang).

Ikkala hamkorlik ham nur sochish umidida ovni davom ettirmoqda erta tarix bizning koinotimiz - va umid qilamanki, inflyatsiya nazariyasining asosiy bashoratlarini tasdiqlash. Ushbu nazariya, o'z tug'ilishidan ko'p o'tmay, koinot tez o'sishni boshdan kechirdi, bu esa maxsus yorug'lik to'lqinlari (polyarizatsiya) ko'rinishidagi kosmik mikroto'lqinli fon nurlanishida saqlanib qolgan kuchli tortishish to'lqinlarini qoldirishi mumkin emas edi.

To'rtta tortishish to'lqini rejimining har biri astronomlarga koinotga to'rtta yangi oyna beradi.

Lekin biz siz nima deb o'ylayotganingizni bilamiz: chalg'ituvchi diskni yoqish vaqti, bolalar! LIGO kashfiyoti keyingi haftada O'lim yulduzini yaratishga yordam beradimi? Albatta yo'q. Ammo biz tortishish kuchini qanchalik yaxshi tushunsak, bu narsalarni qanday qurish kerakligini tushunamiz. Axir bu olimlarning ishi, mana shunday rizq topadi. Olam qanday ishlashini tushunib, biz o'z qobiliyatlarimizga ko'proq ishonishimiz mumkin.

Gravitatsion to'lqinlarni rasmiy ochish (aniqlash) kuni - 2016 yil 11 fevral. O'shanda Vashingtonda bo'lib o'tgan matbuot anjumanida LIGO hamkorligi rahbarlari tadqiqotchilar guruhi insoniyat tarixida birinchi marta bu hodisani qayd etishga muvaffaq bo'lganini e'lon qilishdi.

Buyuk Eynshteynning bashoratlari

Gravitatsion to'lqinlarning mavjudligi o'tgan asrning boshlarida (1916) Albert Eynshteyn tomonidan o'zining umumiy nisbiylik nazariyasi (GTR) doirasida taklif qilingan. Mashhur fizikning yorqin qobiliyatlariga hayratga tushish mumkin, u minimal haqiqiy ma'lumotlarga ega bo'lib, bunday uzoqqa cho'zilgan xulosalar chiqara oldi. Keyingi asrda tasdiqlangan boshqa ko'plab bashorat qilingan jismoniy hodisalar (vaqt oqimini sekinlashtirish, tortishish maydonlarida elektromagnit nurlanish yo'nalishini o'zgartirish va boshqalar) qatorida ushbu turdagi to'lqin ta'sirining mavjudligini amalda aniqlash mumkin emas edi. yaqin vaqtgacha jasadlar.

Gravitatsiya illyuziyami?

Umuman olganda, nisbiylik nazariyasi nuqtai nazaridan tortishish kuchini kuch deb atash qiyin. fazo-vaqt uzluksizligining buzilishi yoki egriliklari. Ushbu postulatni tasvirlash uchun yaxshi misol - bu cho'zilgan mato bo'lagi. Bunday sirtga qo'yilgan massiv ob'ektning og'irligi ostida tushkunlik hosil bo'ladi. Boshqa ob'ektlar, bu anomaliyaga yaqinlashganda, xuddi "jalb qilingan"dek, harakat traektoriyasini o'zgartiradi. Va ob'ektning og'irligi qanchalik katta bo'lsa (egrilikning diametri va chuqurligi qanchalik katta bo'lsa), "tortishish kuchi" shunchalik yuqori bo'ladi. Mato bo'ylab harakatlanayotganda, ajralib chiqadigan "to'lqinlar" ko'rinishini kuzatish mumkin.

Shunga o'xshash narsa kosmosda sodir bo'ladi. Har qanday tez harakatlanuvchi massiv materiya fazo va vaqt zichligidagi tebranishlar manbai hisoblanadi. Muhim amplitudali tortishish to'lqini juda katta massaga ega bo'lgan jismlar tomonidan yoki juda katta tezlanishlar bilan harakatlanayotganda hosil bo'ladi.

jismoniy xususiyatlar

Fazo-vaqt metrikasidagi tebranishlar tortishish maydonidagi o'zgarishlar sifatida namoyon bo'ladi. Bu hodisa boshqa yo'l bilan fazo-vaqt to'lqinlari deb ataladi. Gravitatsion to'lqin duch kelgan jismlar va jismlarga ta'sir qiladi, ularni siqib chiqaradi va cho'zadi. Deformatsiyaning kattaligi juda ahamiyatsiz - dastlabki o'lchamdan taxminan 10 -21. Ushbu hodisani aniqlashning butun qiyinligi shundaki, tadqiqotchilar tegishli asbob-uskunalar yordamida bunday o'zgarishlarni qanday o'lchash va qayd etishni o'rganishlari kerak edi. Gravitatsion nurlanishning kuchi ham juda kichik - butun quyosh tizimi uchun u bir necha kilovattni tashkil qiladi.

Gravitatsion to'lqinlarning tarqalish tezligi biroz o'tkazuvchi muhitning xususiyatlariga bog'liq. Tebranishlar amplitudasi manbadan masofa bilan asta-sekin kamayadi, lekin hech qachon nolga etib bormaydi. Chastotasi bir necha o'ndan yuzlab gertsgacha. Yulduzlararo muhitdagi tortishish toʻlqinlarining tezligi yorugʻlik tezligiga yaqinlashadi.

Ayrim dalillar

Gravitatsion to'lqinlar mavjudligining birinchi nazariy tasdig'ini amerikalik astronom Jozef Teylor va uning yordamchisi Rassel Xulse 1974 yilda olishgan. Aresibo rasadxonasi (Puerto-Riko) radioteleskopidan foydalanib, koinotning kengligini o‘rganar ekan, tadqiqotchilar PSR B1913+16 pulsarini topdilar, bu umumiy massa markazi atrofida doimiy burchak tezligi bilan aylanadigan neytron yulduzlarining qo‘shaloq tizimi (juda kam uchraydigan holat). hol). Har yili aylanish davri, dastlab 3,75 soat, 70 ms ga qisqaradi. Bu qiymat umumiy nisbiylik tenglamalaridan olingan xulosalarga to'liq mos keladi, ular tortishish to'lqinlarini yaratishga energiya sarflanishi tufayli bunday tizimlarning aylanish tezligining oshishini taxmin qiladilar. Keyinchalik shunga o'xshash xatti-harakatlarga ega bo'lgan bir nechta qo'sh pulsarlar va oq mittilar topildi. Radioastronomlar D. Teylor va R. Xulse gravitatsiyaviy maydonlarni oʻrganishning yangi imkoniyatlarini kashf etgani uchun 1993 yilda fizika boʻyicha Nobel mukofotiga sazovor boʻlgan.

Qochish gravitatsion to'lqin

Gravitatsion to'lqinlarni aniqlash haqidagi birinchi e'lon 1969 yilda Merilend universiteti olimi Jozef Veber (AQSh) tomonidan kelgan. Ushbu maqsadlar uchun u ikkita gravitatsion antennadan foydalangan o'z dizayni, ikki kilometr masofa bilan ajratilgan. Rezonans detektori sezgir piezoelektrik datchiklar bilan jihozlangan yaxshi tebranish izolyatsiyalangan qattiq ikki metrli alyuminiy silindr edi. Veber tomonidan qayd etilgan tebranishlarning amplitudasi kutilgan qiymatdan million baravar yuqori bo'lib chiqdi. Boshqa olimlarning shunga o'xshash uskunalar yordamida "muvaffaqiyat" ni takrorlashga urinishlari Amerikalik fizik ijobiy natija bermadi. Bir necha yil o'tgach, Veberning ushbu sohadagi ishi nomaqbul deb topildi, ammo "tortishish bumi" ning rivojlanishiga turtki bo'ldi, bu ko'plab mutaxassislarni ushbu tadqiqot sohasiga jalb qildi. Aytgancha, Jozef Veberning o'zi hayotining oxirigacha tortishish to'lqinlarini qabul qilganiga amin edi.

Qabul qiluvchi uskunalarni takomillashtirish

70-yillarda olim Bill Feyrbank (AQSh) SQUIDS - ultra sezgir magnitometrlar yordamida sovutilgan tortishish to'lqini antennasining dizaynini ishlab chiqdi. O'sha paytda mavjud bo'lgan texnologiyalar ixtirochi o'z mahsulotini "metall"da ko'rishga imkon bermadi.

Milliy Legnar laboratoriyasining (Padua, Italiya) Auriga gravitatsiyaviy detektori ana shu printsip asosida ishlab chiqilgan. Dizayn uzunligi 3 metr va diametri 0,6 m bo'lgan alyuminiy-magniyli silindrga asoslangan bo'lib, og'irligi 2,3 tonna bo'lgan qabul qiluvchi qurilma deyarli mutlaq nolga qadar sovutilgan izolyatsiyalangan vakuum kamerasida osilgan. Shoklarni qayd qilish va aniqlash uchun yordamchi kilogramm rezonatori ishlatiladi va o'lchov kompleksi kompyuterga asoslangan. Uskunaning bildirilgan sezgirligi 10-20.

Interferometrlar

Gravitatsion to'lqinlarning interferentsion detektorlarining ishlashi Mishelson interferometri ishlaydigan printsiplarga asoslanadi. Manba tomonidan chiqarilgan lazer nurlari ikki oqimga bo'linadi. Qurilmaning qo'llari bo'ylab bir nechta aks ettirish va sayohatlardan so'ng, oqimlar yana birlashtiriladi va oxirgisiga asoslanib, har qanday buzilishlar (masalan, tortishish to'lqini) nurlar oqimiga ta'sir qiladimi yoki yo'qmi, deb baholanadi. Shunga o'xshash uskunalar ko'plab mamlakatlarda yaratilgan:

• GEO 600 (Gannover, Germaniya). Vakuumli tunnellarning uzunligi 600 metrni tashkil qiladi.
• TAMA (Yaponiya) yelkalari 300 m.
• VIRGO (Piza, Italiya) - 2007 yilda boshlangan uch kilometr tunnel bilan birgalikda Fransiya-Italiya loyihasi.
• LIGO (AQSh, Tinch okeani sohillari), u 2002 yildan beri tortishish to'lqinlarini qidirmoqda.

Ikkinchisini batafsilroq ko'rib chiqishga arziydi.

LIGO Advanced

Loyiha Massachusets va Kaliforniya texnologiya institutlari olimlari tashabbusi bilan yaratilgan. U bir-biridan 3 ming km masofada joylashgan ikkita rasadxonani va Vashingtonda (Livingston va Xanford shaharlari) uchta bir xil interferometrlarni o'z ichiga oladi. Perpendikulyar vakuumli tunnellarning uzunligi 4 ming metrni tashkil qiladi. Bular hozirda faoliyat ko'rsatayotgan bunday eng yirik tuzilmalardir. 2011 yilgacha tortishish to'lqinlarini aniqlash bo'yicha ko'plab urinishlar hech qanday natija bermadi. Amalga oshirilgan sezilarli modernizatsiya (Advanced LIGO) uskunaning sezgirligini 300-500 Gts diapazonida besh martadan ko'proq, past chastotali mintaqada (60 Gts gacha) deyarli kattalik tartibiga ko'tardi. orzu qilingan qiymat 10 -21. Yangilangan loyiha 2015-yil sentabr oyida boshlangan va mingdan ortiq hamkorlik xodimlarining sa’y-harakatlari erishilgan natijalar bilan taqdirlangan.

Gravitatsion to'lqinlar aniqlandi

2015-yil 14-sentabrda ilg‘or LIGO detektorlari 7 ms oraliq bilan kuzatilishi mumkin bo‘lgan koinotning chekkasida sodir bo‘lgan eng katta hodisadan – massalari 29 va 36 marta bo‘lgan ikkita yirik qora tuynukning birlashishidan sayyoramizga yetib kelgan tortishish to‘lqinlarini qayd etdi. Quyosh massasidan kattaroqdir. Bundan 1,3 milliard yil avval sodir boʻlgan jarayon davomida gravitatsion toʻlqinlar chiqarish orqali sekundning bir necha qismiga yaqin uch Quyosh massasi materiya isteʼmol qilingan. Gravitatsion to'lqinlarning qayd etilgan boshlang'ich chastotasi 35 Gts edi va maksimal tepalik qiymati 250 Gts ga etdi.

Olingan natijalar qayta-qayta har tomonlama tekshirish va qayta ishlashdan o'tkazildi va olingan ma'lumotlarning muqobil talqinlari ehtiyotkorlik bilan yo'q qilindi. Nihoyat, o'tgan yili Eynshteyn bashorat qilgan hodisaning to'g'ridan-to'g'ri ro'yxatga olinishi jahon hamjamiyatiga e'lon qilindi.

Tadqiqotchilarning titanik ishini ko'rsatadigan fakt: interferometr qo'llarining o'lchamidagi tebranishlar amplitudasi 10-19 m ni tashkil etdi - bu qiymat atomning diametridan bir necha marta kichikroqdir, chunki atomning o'zi atom diametridan kichikroqdir. apelsin.

Kelajak istiqbollari

Ushbu kashfiyot yana bir bor nisbiylikning umumiy nazariyasi nafaqat mavhum formulalar to'plami, balki tubdan ekanligini tasdiqlaydi. Yangi ko'rinish tortishish to'lqinlarining mohiyati va umuman tortishish haqida.

Keyingi tadqiqotlarda olimlar ELSA loyihasiga katta umid qilmoqdalar: gravitatsiyaviy maydonlardagi kichik buzilishlarni ham aniqlashga qodir, taxminan 5 million km uzunlikdagi ulkan orbital interferometrni yaratish. Ushbu yo'nalishdagi ishlarni faollashtirish koinot rivojlanishining asosiy bosqichlari, an'anaviy diapazonlarda kuzatish qiyin yoki imkonsiz bo'lgan jarayonlar haqida juda ko'p yangi narsalarni aytib berishi mumkin. Gravitatsion to‘lqinlari kelajakda aniqlanadigan qora tuynuklar ularning tabiati haqida ko‘p narsalarni aytib berishiga shubha yo‘q.

Katta portlashdan keyin dunyomizning dastlabki daqiqalari haqida gapirib beradigan kosmik mikroto'lqinli fon radiatsiyasini o'rganish uchun yanada sezgir kosmik asboblar kerak bo'ladi. Bunday loyiha mavjud ( Katta portlash kuzatuvchisi), ammo uni amalga oshirish, mutaxassislarning fikriga ko'ra, 30-40 yildan keyin amalga oshirilishi mumkin.