Kaj je gravitacijski val?

Uradni dan odkrivanja (odkrivanja) gravitacijskih valov je 11. februar 2016. Takrat je na tiskovni konferenci v Washingtonu voditelje sodelovanja LIGO napovedalo, da je raziskovalna skupina prvič zabeležila ta pojav v zgodovini človeštva.

Prophecies velikega Einsteina

Dejstvo, da obstajajo gravitacijski valovi, čeprav na začetku prejšnjega stoletja (1916) je predlagal, Albert Einstein oblikovana v okviru splošnega relativnosti (GR). Eden lahko občudovali le na iznajdljiv sposobnosti slavni fizik, ki je bil sposoben, da bi tako daljnosežne sklepe z najmanj dejanskih podatkov. Med številne druge fizikalne pojave napovedal, da našel potrditev v naslednjem stoletju (upočasnjuje prehod časa, spremembe v elektromagnetnem sevanju v smeri gravitacijskih polj, itd) Skoraj zazna prisotnost te vrste interakcij valov teles, do pred kratkim ni bilo mogoče.

Gravitacija je iluzija?

Na splošno, glede na teorijo relativnosti, težo imenujemo sila. To je posledica perturbacija ali ukrivljenost vesoljskega časa. Dober primer, ki ponazarja ta postulat, lahko služi kot raztegnjen kos krpe. Pod težo ogromnega predmeta, postavljenega na takšno površino, se oblikuje depresija. Drugi predmeti, ki se premikajo v bližini te anomalije, bodo spremenili potek njihovega gibanja, kot da bi "pritegnili". In več je težo predmeta (večji je premer in globina ukrivljenosti), večja je "sila privlačnosti". Ko se premika skozi tkanino, lahko opazite nastanek divergentnih "valov".

Nekaj ​​podobnega se dogaja v svetovnem prostoru. Vsaka pospešena premikajoča se velika snov je vir nihanj gostote prostora in časa. Gravitacijski val z znatno amplitudo tvori telesa z izredno velikimi masami ali pri premikanju z velikimi pospeški.

Fizične značilnosti

Nihanja meritve prostora-čas se manifestirajo kot spremembe v gravitacijskem polju. Ta pojav imenujemo tudi prostorski časi. Gravitacijski val vpliva na telesa in predmete, ki jih naletijo, jih stiskajo in raztezajo. Vrednosti deformacije so zelo majhne - približno 10^-21 izvirne velikosti. Celotna težava odkrivanja tega pojava je bila, da se morajo raziskovalci naučiti meriti in zabeležiti take spremembe s pomočjo ustrezne opreme. Moč gravitacijskega sevanja je tudi zelo majhno - za celoten sončni sistem je več kilovatov.

Hitrost širjenja gravitacijskih valov je neznatno odvisna od lastnosti prevodnega medija. Amplituda oscilacij z razdaljo od vira se postopoma zmanjšuje, vendar nikoli ne doseže nič. Pogostost je v razponu od nekaj deset do sto hertzov. Hitrost gravitacijskih valov v medzvezdnem mediju se približuje hitrosti svetlobe.

Posredni dokazi

Za prvič teoretično potrditev obstoja gravitacijskih valov uspelo dobiti ameriški astronom Joseph Taylor in Russell Hulse njegov pomočnik leta 1974. Študij vesolje s pomočjo teleskopa opazovalnic Arecibo (Portoriko), raziskovalci odkrili pulzar PSR B1913 + 16, ki predstavlja binarni sistem nevtronske zvezde, ki se vrtijo okrog skupnega težišča s konstantno kotno hitrostjo (redek primer). Vsako obdobje leto zdravljenja je 3,75 ur na začetku, zmanjša na 70 ms. Ta vrednost je v skladu s sklepi GTR enačb, ki napovedujejo povečanje hitrosti vrtenja teh sistemov zaradi porabe energije za proizvodnjo gravitacijskih valov. Kasneje več dvojnih pulsars in bele pritlikavke s podobno obnašanje je bilo. Radioastronomija D. Taylor in R. Hulse Nobelovo nagrado za fiziko za odkritje novih možnosti, ki študirajo v gravitacijskih polj je prejel leta 1993.

Pobegni gravitacijski val

Prva izjava o odkrivanju gravitacijskih valov je prišla od znanstvenika Univerze Maryland, Joseph Weber (ZDA) leta 1969. V ta namen je uporabil dve gravitacijski anteni svoje lastne zasnove, ki sta bila razporejena dva kilometra narazen. Resonančni detektor je bil dobro vibro izoliran en meterni dvomotni cilinder iz aluminija, opremljen z občutljivimi piezoelektričnimi senzorji. Amplituda, ki naj bi bila določena z Weberjevimi nihanji, je bila več kot milijonkrat višja od pričakovane vrednosti. Poskusi drugih znanstvenikov, ki uporabljajo takšno opremo za ponovitev "uspeha" ameriškega fizika, niso prinesli pozitivnih rezultatov. Nekaj ​​let kasneje se je Weberjevo delo na tem področju izkazalo za nevzdržno, vendar je povzročilo razvoj "gravitacijskega buma", ki je pritegnil veliko strokovnjakov na to področje raziskav. Mimogrede, Joseph Weber sam do konca njegovih dni je bil prepričan, da je vzel gravitacijske valove.

Izboljšanje sprejemne opreme

V sedemdesetih je znanstvenik Bill Fairbank (ZDA) razvil zasnovo gravitacijske valovne antene, ki se je ohladila tekoči helij z uporabo SQUID - supersenzitivnih magnetometrov. Obstoječe tehnologije takrat niso dovoljevale izumitelju, da vidi njegov izdelek, ki se uresniči v "kovini".

Po tem načelu je gravitacijski detektor Auriga izdelan v Nacionalnem laboratoriju Lloyary (Padova, Italija). Osnova struktura aluminij-magnezijevega valja in dolžino 3 metrov in premera 0,6 m. Masa Sprejemna enota 2,3 ton suspendiramo v izolirani, ohladili na bližnji absolutno nič vakuumski komori. Pomožni kilogramski resonator in računalniški merilni sistem sta uporabljena za popravljanje in zaznavanje jarringa. Deklarirana občutljivost opreme 10^-20.

Interferometri

Osnova za delovanje detektorjev motenj gravitacijskih valov je enaka načelom, na katerih deluje interferometer Michelson. Laserski žarek, ki ga oddaja vir, je razdeljen na dva toka. Po več refleksijah in potovanjih vzdolž ramena naprave se tokovi ponovno združijo in skupaj interferenčna slika presoditi, ali so motnje vpliva na potek žarkov (npr. gravitacijski val). Podobna oprema je bila ustvarjena v številnih državah:

• GEO 600 (Hannover, Nemčija). Dolžina vakuumskih tunelov je 600 metrov.
• TAMA (Japonska) z rameni do 300 m.
• VIRGO (Pisa, Italija) je skupni francosko-italijanski projekt, ki se je začel leta 2007 s tremi kilometri predora.
• LIGO (ZDA, Pacific Coast), ki je od leta 2002 vodil lov za gravitacijskim valovanjem.

Slednje je treba obravnavati podrobneje.

LIGO Advanced

Projekt je bil ustvarjen na pobudo znanstvenikov iz Massachusettsa in Kalifornijskih tehnoloških inštitutov. Vključuje dve observatoriji, ločeni s 3000 km, države Louisiana in Washington (mesto Livingston in HANFORD) s tremi identičnimi Interferometri. Dolžina pravokotno vakuumsko tunela je 4 tisoč. Merilniki. To je največji do sedaj obstoječe podobne strukture. Do leta 2011, številni poskusi za odkrivanje gravitacijski valovi niso prinesli nobenih rezultatov. Znaten nadgradnja (Advanced LIGO) povečana občutljivost opreme v območju 300-500 Hz več kot petkrat, in nizkofrekvenčnega regiji (do 60 Hz) skoraj red velikosti in dosegla vrednost kot hrepeneti 10^-21. Ponovni projekt je bil uveden septembra 2015, prizadevanja več kot tisoč sodelavcev pa so bila nagrajena z rezultati.

Gravitacijski valovi so zaznani

14. september 2015 napredovala detektorje LIGO v 7 ms interval posnetih prišel do gravitacijskih valov našega planeta od največjih dogodkov, ki so se zgodili na robu opazljivega vesolja - združitev dveh velikih črnih lukenj z masami od 29 in 36-krat višja od sončne mase. Med sojenjem, ki je potekala več kot 1,3 Ga nazaj, v nekaj sekundah do gravitacijskega sevanja valov je porabil približno tri sončne mase snovi. Začetne določen frekvenčni gravitacijskih valov pri 35 Hz in najvišja največje vrednosti doseženi stopnji v 250 Hz.

Dobljeni rezultati so bili večkrat izpostavljeni celovitemu preverjanju in obdelavi, skrbno odrezani so bili alternativni razlagi pridobljenih podatkov. Končno, 11. februarja Lansko leto je bila svetovna skupnost napovedana neposredna registracija pojava, ki jo je napovedal Einstein.

Dejstvo, ki ponazarja titansko delo raziskovalcev: amplituda oscilacij dimenzij ročic interferometrov je bila 10^-19m - ta vrednost je manjša od premera atoma, če je manj kot oranžna.

Nadaljnje perspektive

To odkritje še enkrat potrjuje, da splošna teorija relativnosti ni zgolj zbirka abstraktnih formul, ampak temeljno nov pogled na bistvo gravitacijskih valov in gravitacije kot celote.

V nadaljnjih raziskavah so znanstveniki imajo veliko upanja na projektu ELSA: oblikovanje velikan kroži interferometer z ramen približno 5 milijonov kilometrov, ki lahko zaznava tudi manjše nepravilnosti v gravitacijskih polj. Intenzifikacija dela v tej smeri lahko veliko pove o glavnih stopnjah razvoja vesolja, o procesih, ki jih je težko ali nemogoče opazovati v tradicionalnih obsegih. Nedvomno bodo črne luknje, katerih gravitacijski valovi bodo določeni v prihodnosti, veliko povedali o svoji naravi.

Če želite preučiti reliktno gravitacijsko sevanje, ki lahko po prvem trenutku našega sveta po Velikem blatu pove, bodo potrebni bolj občutljivi vesoljski instrumenti. Takšen projekt obstaja (Big Bang Observer), vendar je po njegovem mnenju njegovo izvajanje mogoče ne prej kot v 30-40 letih.