«Πρόσφατα, μια σειρά από μακροπρόθεσμα πειράματα για την άμεση παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων προκάλεσε έντονο ενδιαφέρον στην επιστημονική κοινότητα», έγραψε ο θεωρητικός φυσικός Michio Kaku στο βιβλίο του Einstein’s Cosmos το 2004. - Το έργο LIGO (Laser Gravitational Wave Interferometer) μπορεί να είναι το πρώτο που «είδε» βαρυτικά κύματα, πιθανότατα από τη σύγκρουση δύο μαύρων οπών στο βαθύ διάστημα. Το LIGO είναι το όνειρο ενός φυσικού που έγινε πραγματικότητα, η πρώτη εγκατάσταση με αρκετή ισχύ για τη μέτρηση των βαρυτικών κυμάτων».

Η πρόβλεψη του Kaku έγινε πραγματικότητα: την Πέμπτη, μια ομάδα διεθνών επιστημόνων από το παρατηρητήριο LIGO ανακοίνωσε την ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων.

Τα βαρυτικά κύματα είναι διακυμάνσεις του χωροχρόνου που «φεύγουν μακριά» από τεράστια αντικείμενα (όπως μαύρες τρύπες) που κινούνται με επιτάχυνση. Με άλλα λόγια, τα βαρυτικά κύματα είναι μια διαδεδομένη διαταραχή του χωροχρόνου, μια τρέχουσα παραμόρφωση του απόλυτου κενού.

Μια μαύρη τρύπα είναι μια περιοχή στο χωροχρόνο της οποίας η βαρυτική έλξη είναι τόσο ισχυρή που ακόμη και τα αντικείμενα που κινούνται με την ταχύτητα του φωτός (συμπεριλαμβανομένου του ίδιου του φωτός) δεν μπορούν να την εγκαταλείψουν. Το όριο που χωρίζει μια μαύρη τρύπα από τον υπόλοιπο κόσμο ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων: οτιδήποτε συμβαίνει μέσα στον ορίζοντα γεγονότων κρύβεται από τα μάτια ενός εξωτερικού παρατηρητή.

Erin Ryan Φωτογραφία της τούρτας που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο από την Erin Ryan.

Οι επιστήμονες άρχισαν να πιάνουν βαρυτικά κύματα πριν από μισό αιώνα: ήταν τότε που ο Αμερικανός φυσικός Τζόζεφ Βέμπερ ενδιαφέρθηκε για τη γενική θεωρία της σχετικότητας (GR) του Αϊνστάιν, πήρε ένα σάββατο και άρχισε να μελετά τα βαρυτικά κύματα. Ο Weber εφηύρε την πρώτη συσκευή για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων και σύντομα ισχυρίστηκε ότι κατέγραψε «τον ήχο των βαρυτικών κυμάτων». Ωστόσο, επιστημονική κοινότητααρνήθηκε το μήνυμά του.

Ωστόσο, χάρη στον Joseph Weber πολλοί επιστήμονες μετατράπηκαν σε «κυνηγούς κυμάτων». Σήμερα ο Weber θεωρείται ο πατέρας της επιστημονικής κατεύθυνσης της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων.

"Αυτή είναι η αρχή μιας νέας εποχής της βαρυτικής αστρονομίας"

Το παρατηρητήριο LIGO, όπου οι επιστήμονες κατέγραψαν βαρυτικά κύματα, αποτελείται από τρεις εγκαταστάσεις λέιζερ στις Ηνωμένες Πολιτείες: δύο βρίσκονται στην πολιτεία της Ουάσιγκτον και μία στη Λουιζιάνα. Να πώς περιγράφει ο Michio Kaku τη λειτουργία των ανιχνευτών λέιζερ: «Η δέσμη λέιζερ χωρίζεται σε δύο ξεχωριστές ακτίνες, οι οποίες στη συνέχεια πηγαίνουν κάθετα μεταξύ τους. Στη συνέχεια, αντανακλώνται από τον καθρέφτη, επανασυνδέονται. Εάν ένα βαρυτικό κύμα περάσει μέσα από το συμβολόμετρο (συσκευή μέτρησης), τα μήκη διαδρομής των δύο ακτίνων λέιζερ θα διαταραχθούν και αυτό θα αντανακλάται στο σχέδιο παρεμβολής τους. Για να βεβαιωθείτε ότι το σήμα που καταγράφεται από το σύστημα λέιζερ δεν είναι τυχαίο, θα πρέπει να τοποθετηθούν οι ανιχνευτές διαφορετικά σημείαΓη.

Μόνο υπό την επίδραση ενός γιγαντιαίου βαρυτικού κύματος, πολύ μεγαλύτερου από τον πλανήτη μας, θα λειτουργήσουν όλοι οι ανιχνευτές ταυτόχρονα.

Τώρα η συνεργασία LIGO έχει ανιχνεύσει βαρυτική ακτινοβολία που προκαλείται από τη συγχώνευση ενός δυαδικού συστήματος μαύρων οπών με μάζες 36 και 29 ηλιακών μαζών σε ένα αντικείμενο με μάζα 62 ηλιακών μαζών. «Αυτή είναι η πρώτη άμεση (είναι πολύ σημαντικό να είναι άμεση!) μέτρηση της δράσης των βαρυτικών κυμάτων», σχολίασε ο Σεργκέι Βιατσάνιν, καθηγητής στη Σχολή Φυσικής του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας, στον ανταποκριτή του επιστημονικού τμήματος Gazeta.Ru. - Δηλαδή λήφθηκε σήμα από την αστροφυσική καταστροφή της συγχώνευσης δύο μαύρων τρυπών. Και αυτό το σήμα αναγνωρίζεται - αυτό είναι επίσης πολύ σημαντικό! Είναι ξεκάθαρο ότι αυτό προέρχεται από δύο μαύρες τρύπες. Και αυτή είναι η αρχή μιας νέας εποχής βαρυτικής αστρονομίας, η οποία θα επιτρέψει τη λήψη πληροφοριών για το Σύμπαν όχι μόνο μέσω οπτικών πηγών, ακτίνων Χ, ηλεκτρομαγνητικών και νετρίνων, αλλά και μέσω βαρυτικών κυμάτων.

Μπορούμε να πούμε ότι το 90 τοις εκατό των μαύρων τρυπών έχουν πάψει να είναι υποθετικά αντικείμενα. Παραμένει κάποια αμφιβολία, αλλά και πάλι, το σήμα που πιάνεται ταιριάζει οδυνηρά με αυτό που προβλέπουν αμέτρητες προσομοιώσεις της συγχώνευσης δύο μαύρων τρυπών σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας.

Αυτό είναι ένα ισχυρό επιχείρημα ότι υπάρχουν μαύρες τρύπες. Δεν υπάρχει άλλη εξήγηση για ένα τέτοιο σήμα ακόμη. Επομένως, υποτίθεται ότι υπάρχουν μαύρες τρύπες».

«Ο Αϊνστάιν θα ήταν πολύ χαρούμενος»

Τα βαρυτικά κύματα είχαν προβλεφθεί από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν (ο οποίος, παρεμπιπτόντως, ήταν δύσπιστος για την ύπαρξη μαύρων τρυπών) ως μέρος της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Στη γενική σχετικότητα, ο χρόνος προστίθεται σε τρεις χωρικές διαστάσεις και ο κόσμος γίνεται τετραδιάστατος. Σύμφωνα με μια θεωρία που ανέτρεψε τη φυσική, η βαρύτητα είναι συνέπεια της καμπυλότητας του χωροχρόνου υπό την επίδραση της μάζας.

Ο Αϊνστάιν απέδειξε ότι κάθε ύλη που κινείται με επιτάχυνση δημιουργεί μια διαταραχή του χωροχρόνου - ένα βαρυτικό κύμα. Αυτή η διαταραχή είναι όσο μεγαλύτερη, τόσο μεγαλύτερη είναι η επιτάχυνση και η μάζα του αντικειμένου.

Λόγω της αδυναμίας των βαρυτικών δυνάμεων σε σύγκριση με άλλες θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, αυτά τα κύματα θα πρέπει να έχουν πολύ μικρό μέγεθος, το οποίο είναι δύσκολο να καταγραφεί.

Όταν εξηγούν τη γενική σχετικότητα στις ανθρωπιστικές επιστήμες, οι φυσικοί συχνά τους ζητούν να φανταστούν ένα τεντωμένο φύλλο καουτσούκ πάνω στο οποίο κατεβαίνουν ογκώδεις μπάλες. Οι μπάλες σπρώχνουν μέσα από το καουτσούκ και το τεντωμένο φύλλο (που αντιπροσωπεύει το χωροχρόνο) παραμορφώνεται. Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, ολόκληρο το σύμπαν είναι καουτσούκ, πάνω στο οποίο κάθε πλανήτης, κάθε αστέρι και κάθε γαλαξίας αφήνουν βαθουλώματα. Η Γη μας περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο σαν μια μικρή μπάλα που κυλίζεται γύρω από τον κώνο μιας χοάνης που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα του «τρυπήματος» του χωροχρόνου από μια βαριά μπάλα.

ΔΕΛΤΙΟ/Reuters

Η βαριά μπάλα είναι ο Ήλιος

Είναι πιθανό η ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων, που είναι η κύρια επιβεβαίωση της θεωρίας του Αϊνστάιν, να διεκδικεί το Νόμπελ Φυσικής. «Ο Αϊνστάιν θα ήταν πολύ χαρούμενος», δήλωσε η Gabriella Gonzalez, εκπρόσωπος της συνεργασίας LIGO.

Σύμφωνα με τους επιστήμονες, είναι πολύ νωρίς για να μιλήσουμε για την πρακτική εφαρμογή της ανακάλυψης. «Αν και ο Χάινριχ Χερτς (γερμανός φυσικός που απέδειξε την ύπαρξη του Ηλεκτρομαγνητικά κύματα. - "Gazeta.Ru") θα μπορούσε να σκεφτεί τι θα συνέβαινε κινητό τηλέφωνο? Δεν! Δεν μπορούμε να φανταστούμε τίποτα αυτή τη στιγμή», είπε ο Βαλέρι Μιτροφάνοφ, καθηγητής στη Σχολή Φυσικής του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας. M.V. Λομονόσοφ. - Με ξεναγεί η ταινία «Interstellar». Του επικρίνουν, ναι, αλλά και ένας άγριος άνθρωπος θα μπορούσε να φανταστεί ένα μαγικό χαλί. Και το ιπτάμενο χαλί μετατράπηκε σε αεροπλάνο, και αυτό ήταν. Και εδώ είναι ήδη απαραίτητο να φανταστούμε κάτι πολύ περίπλοκο. Στο Interstellar, μία από τις στιγμές σχετίζεται με το γεγονός ότι ένα άτομο μπορεί να ταξιδέψει από τον έναν κόσμο στον άλλο. Εάν ναι, πιστεύετε ότι ένας άνθρωπος μπορεί να ταξιδέψει από τον έναν κόσμο στον άλλον, ότι μπορεί να υπάρχουν πολλά σύμπαντα - οτιδήποτε; Δεν μπορώ να απαντήσω όχι. Γιατί ένας φυσικός δεν μπορεί να απαντήσει σε μια τέτοια ερώτηση με «όχι»! Μόνο αν έρχεται σε αντίθεση με κάποιους νόμους διατήρησης! Υπάρχουν επιλογές που δεν έρχονται σε αντίθεση με τα γνωστά φυσικούς νόμους. Έτσι, ταξίδια σε όλο τον κόσμο μπορεί να είναι!

• Τα βαρυτικά κύματα είναι αλλαγές στο βαρυτικό πεδίο που διαδίδονται όπως τα κύματα. Ακτινοβολούνται από κινούμενες μάζες, αλλά μετά την ακτινοβολία αποσπώνται από αυτές και υπάρχουν ανεξάρτητα από αυτές τις μάζες. Σχετίζεται μαθηματικά με τη διαταραχή της μετρικής του χωροχρόνου και μπορεί να περιγραφεί ως «χωροχρονικοί κυματισμοί».

  Στη γενική θεωρία της σχετικότητας και στις περισσότερες άλλες σύγχρονες θεωρίες της βαρύτητας, τα βαρυτικά κύματα δημιουργούνται από την κίνηση μεγάλων σωμάτων με μεταβλητή επιτάχυνση. Τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται ελεύθερα στο διάστημα με την ταχύτητα του φωτός. Λόγω της σχετικής αδυναμίας των βαρυτικών δυνάμεων (σε σύγκριση με άλλα), αυτά τα κύματα έχουν πολύ μικρό μέγεθος, το οποίο είναι δύσκολο να καταγραφεί.

  Τα βαρυτικά κύματα προβλέπονται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας (GR), πολλές άλλες θεωρίες της βαρύτητας. Εντοπίστηκαν για πρώτη φορά απευθείας τον Σεπτέμβριο του 2015 από δύο δίδυμους ανιχνευτές στο αστεροσκοπείο LIGO, το οποίο κατέγραψε βαρυτικά κύματα, πιθανότατα ως αποτέλεσμα της συγχώνευσης δύο μαύρων οπών και του σχηματισμού μιας ακόμη τεράστιας περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας. Έμμεσα στοιχεία της ύπαρξής τους είναι γνωστά από τη δεκαετία του 1970 - η GR προβλέπει ρυθμούς σύγκλισης που συμπίπτουν με παρατηρήσεις σφιχτά συστήματαδυαδικά αστέρια λόγω της απώλειας ενέργειας για την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Η άμεση καταγραφή των βαρυτικών κυμάτων και η χρήση τους για τον προσδιορισμό των παραμέτρων των αστροφυσικών διεργασιών είναι σημαντικό έργο σύγχρονη φυσικήκαι την αστρονομία.

  Στο πλαίσιο της γενικής σχετικότητας, τα βαρυτικά κύματα περιγράφονται με λύσεις των εξισώσεων του Αϊνστάιν του κυματοειδούς τύπου, οι οποίες αντιπροσωπεύουν μια διαταραχή της χωροχρονικής μετρικής που κινείται με την ταχύτητα του φωτός (σε γραμμική προσέγγιση). Η εκδήλωση αυτής της διαταραχής θα πρέπει να είναι, ειδικότερα, μια περιοδική αλλαγή στην απόσταση μεταξύ δύο μαζών δοκιμής που πέφτουν ελεύθερα (δηλαδή δεν επηρεάζονται από δυνάμεις). Το πλάτος h ενός βαρυτικού κύματος είναι ένα αδιάστατο μέγεθος - μια σχετική αλλαγή στην απόσταση. Τα προβλεπόμενα μέγιστα πλάτη βαρυτικών κυμάτων από αστροφυσικά αντικείμενα (για παράδειγμα, συμπαγή δυαδικά συστήματα) και φαινόμενα (εκρήξεις σουπερνόβα, συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων, σύλληψη αστεριών κ.λπ.) όταν μετρώνται στο ηλιακό σύστημα είναι πολύ μικρά (h=10 −18-10 −23). Ένα αδύναμο (γραμμικό) βαρυτικό κύμα, σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, μεταφέρει ενέργεια και ορμή, κινείται με την ταχύτητα του φωτός, είναι εγκάρσιο, τετραπολικό και περιγράφεται από δύο ανεξάρτητα στοιχεία που βρίσκονται σε γωνία 45° μεταξύ τους. (έχει δύο κατευθύνσεις πόλωσης).

  Διάφορες θεωρίες προβλέπουν την ταχύτητα διάδοσης των βαρυτικών κυμάτων με διαφορετικούς τρόπους. Στη γενική σχετικότητα, είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός (σε γραμμική προσέγγιση). Σε άλλες θεωρίες της βαρύτητας, μπορεί να λάβει οποιαδήποτε αξία, συμπεριλαμβανομένης της άπειρης. Σύμφωνα με τα δεδομένα της πρώτης καταγραφής βαρυτικών κυμάτων, η διασπορά τους αποδείχθηκε συμβατή με το βαρυτονικό χωρίς μάζα και η ταχύτητα υπολογίστηκε ως ίση με την ταχύτηταΣβέτα.

Εκατό χρόνια μετά τη θεωρητική πρόβλεψη που έκανε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν στο πλαίσιο της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, οι επιστήμονες κατάφεραν να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων. Ξεκινά η εποχή μιας ριζικά νέας μεθόδου μελέτης του βαθέως διαστήματος - της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων.

Οι ανακαλύψεις είναι διαφορετικές. Υπάρχουν τυχαία, στην αστρονομία είναι κοινά. Δεν υπάρχουν εντελώς τυχαία, που έγιναν ως αποτέλεσμα προσεκτικού «χτενίσματος της περιοχής», όπως η ανακάλυψη του Ουρανού από τον William Herschel. Υπάρχουν σερεντιάλ - όταν έψαχναν για ένα πράγμα, αλλά βρήκαν άλλο: για παράδειγμα, ανακάλυψαν την Αμερική. Αλλά μια ιδιαίτερη θέση στην επιστήμη καταλαμβάνουν οι προγραμματισμένες ανακαλύψεις. Βασίζονται σε μια σαφή θεωρητική πρόβλεψη. Το προβλεπόμενο αναζητείται πρώτα από όλα για να επιβεβαιωθεί η θεωρία. Αυτές οι ανακαλύψεις περιλαμβάνουν την ανίχνευση του μποζονίου Higgs στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων και την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων χρησιμοποιώντας το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων λέιζερ-συμβολομετρικό LIGO. Αλλά για να καταγράψετε κάποιο φαινόμενο που προβλέπεται από τη θεωρία, πρέπει να καταλάβετε πολύ καλά τι ακριβώς και πού να αναζητήσετε, καθώς και ποια εργαλεία χρειάζονται για αυτό.

Τα βαρυτικά κύματα ονομάζονται παραδοσιακά πρόβλεψη της γενικής θεωρίας της σχετικότητας (GR), και αυτό ισχύει πράγματι (αν και τώρα τέτοια κύματα υπάρχουν σε όλα τα μοντέλα που είναι εναλλακτικά ή συμπληρωματικά του GR). Το πεπερασμένο της ταχύτητας διάδοσης της βαρυτικής αλληλεπίδρασης οδηγεί στην εμφάνιση κυμάτων (στη γενική σχετικότητα αυτή η ταχύτητα είναι ακριβώς ίση με την ταχύτητα του φωτός). Τέτοια κύματα είναι διαταραχές του χωροχρόνου που διαδίδονται από μια πηγή. Για την εμφάνιση βαρυτικών κυμάτων, είναι απαραίτητο η πηγή να πάλλεται ή να κινείται γρήγορα, αλλά με συγκεκριμένο τρόπο. Ας πούμε ότι κινήσεις με τέλεια σφαιρική ή κυλινδρική συμμετρία δεν είναι κατάλληλες. Υπάρχουν πολλές τέτοιες πηγές, αλλά συχνά έχουν μικρή μάζα, ανεπαρκή για τη δημιουργία ισχυρού σήματος. Εξάλλου, η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, επομένως η καταχώρηση ενός βαρυτικού σήματος είναι πολύ δύσκολη. Επιπλέον, για την εγγραφή, είναι απαραίτητο το σήμα να αλλάζει γρήγορα στο χρόνο, δηλαδή να έχει αρκετό υψηλή συχνότητα. Διαφορετικά, δεν θα μπορούμε να το καταχωρήσουμε, καθώς οι αλλαγές θα είναι πολύ αργές. Αυτό σημαίνει ότι τα αντικείμενα πρέπει επίσης να είναι συμπαγή.

Αρχικά, μεγάλος ενθουσιασμός προκλήθηκε από εκρήξεις σουπερνόβα που συμβαίνουν σε γαλαξίες σαν τον δικό μας κάθε μερικές δεκαετίες. Έτσι, εάν μπορείτε να επιτύχετε μια ευαισθησία που σας επιτρέπει να δείτε ένα σήμα από απόσταση πολλών εκατομμυρίων ετών φωτός, μπορείτε να υπολογίζετε σε πολλά σήματα ανά έτος. Αλλά αργότερα αποδείχθηκε ότι οι αρχικές εκτιμήσεις της ισχύος της απελευθέρωσης ενέργειας με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων κατά τη διάρκεια μιας έκρηξης σουπερνόβα ήταν πολύ αισιόδοξες και θα ήταν δυνατό να καταγραφεί ένα τόσο αδύναμο σήμα μόνο εάν ένας σουπερνόβα ξεσπούσε στον Γαλαξία μας.

Μια άλλη παραλλαγή μεγάλων, συμπαγών αντικειμένων που κινούνται γρήγορα είναι τα αστέρια νετρονίων ή οι μαύρες τρύπες. Μπορούμε να δούμε είτε τη διαδικασία σχηματισμού τους, είτε τη διαδικασία αλληλεπίδρασης μεταξύ τους. Τα τελευταία στάδια της κατάρρευσης των αστρικών πυρήνων, που οδηγούν στο σχηματισμό συμπαγών αντικειμένων, καθώς και τα τελευταία στάδια συγχώνευσης αστέρια νετρονίωνκαι οι μαύρες τρύπες έχουν διάρκεια της τάξης πολλών χιλιοστών του δευτερολέπτου (που αντιστοιχεί σε συχνότητα εκατοντάδων hertz) - ακριβώς ό,τι χρειάζεστε. Σε αυτή την περίπτωση, απελευθερώνεται πολλή ενέργεια, συμπεριλαμβανομένης (και μερικές φορές κυρίως) με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων, καθώς τα ογκώδη συμπαγή σώματα κάνουν ορισμένες γρήγορες κινήσεις. Αυτές είναι οι ιδανικές μας πηγές.

Είναι αλήθεια ότι οι σουπερνόβα φουντώνουν στον Γαλαξία μία φορά κάθε αρκετές δεκαετίες, οι συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων συμβαίνουν μία φορά κάθε δύο δεκάδες χιλιάδες χρόνια και οι μαύρες τρύπες συγχωνεύονται μεταξύ τους ακόμη λιγότερο συχνά. Αλλά το σήμα είναι πολύ πιο ισχυρό και τα χαρακτηριστικά του μπορούν να υπολογιστούν με μεγάλη ακρίβεια. Αλλά τώρα πρέπει να μάθουμε πώς να βλέπουμε το σήμα από απόσταση αρκετών εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών φωτός, προκειμένου να καλύψουμε αρκετές δεκάδες χιλιάδες γαλαξίες και να ανιχνεύσουμε πολλά σήματα σε ένα χρόνο.

Έχοντας αποφασίσει για τις πηγές, ας αρχίσουμε να σχεδιάζουμε τον ανιχνευτή. Για να γίνει αυτό, πρέπει να καταλάβετε τι κάνει ένα βαρυτικό κύμα. Χωρίς να υπεισέλθουμε σε λεπτομέρειες, μπορούμε να πούμε ότι η διέλευση ενός βαρυτικού κύματος προκαλεί μια παλιρροιακή δύναμη (συνήθεις σεληνιακές ή ηλιακές παλίρροιες είναι ξεχωριστό φαινόμενο, και τα βαρυτικά κύματα δεν έχουν καμία σχέση με αυτό). Έτσι, μπορείτε να πάρετε, για παράδειγμα, έναν μεταλλικό κύλινδρο, να τον εξοπλίσετε με αισθητήρες και να μελετήσετε τους κραδασμούς του. Αυτό δεν είναι δύσκολο, επομένως τέτοιες εγκαταστάσεις άρχισαν να γίνονται πριν από μισό αιώνα (βρίσκονται επίσης στη Ρωσία, τώρα ένας βελτιωμένος ανιχνευτής που αναπτύχθηκε από την ομάδα του Valentin Rudenko από το SAI MSU) εγκαθίσταται στο υπόγειο εργαστήριο Baksan. Το πρόβλημα είναι ότι μια τέτοια συσκευή θα δει το σήμα χωρίς βαρυτικά κύματα. Υπάρχουν πολλοί θόρυβοι που είναι δύσκολο να αντιμετωπιστούν. Είναι δυνατό (και έχει γίνει!) να εγκαταστήσετε τον ανιχνευτή υπόγεια, να προσπαθήσετε να τον απομονώσετε, να τον ψύξετε χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά και πάλι, για να υπερβείτε το επίπεδο θορύβου, χρειάζεστε ένα πολύ ισχυρό σήμα βαρυτικού κύματος. Και τα ισχυρά σήματα είναι σπάνια.

Ως εκ τούτου, έγινε μια επιλογή υπέρ ενός άλλου σχεδίου, το οποίο προτάθηκε το 1962 από τους Vladislav Pustovoit και Mikhail Gertsenshtein. Σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στο ZhETF (Journal of Experimental and Theoretical Physics), πρότειναν τη χρήση ενός συμβολόμετρου Michelson για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Η δέσμη λέιζερ περνά μεταξύ των κατόπτρων στους δύο βραχίονες του συμβολόμετρου και στη συνέχεια προστίθενται οι ακτίνες από διαφορετικούς βραχίονες. Αναλύοντας το αποτέλεσμα της παρεμβολής των δοκών, είναι δυνατό να μετρηθεί η σχετική αλλαγή στα μήκη των βραχιόνων. Αυτές είναι πολύ ακριβείς μετρήσεις, οπότε αν νικήσετε τον θόρυβο, μπορείτε να επιτύχετε φανταστική ευαισθησία.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1990, αποφασίστηκε να κατασκευαστούν αρκετοί ανιχνευτές σύμφωνα με αυτό το σχέδιο. Σχετικά μικρές εγκαταστάσεις, GEO600 στην Ευρώπη και TAMA300 στην Ιαπωνία (οι αριθμοί αντιστοιχούν στο μήκος των βραχιόνων σε μέτρα) επρόκειτο να τεθούν σε λειτουργία πρώτα για να δοκιμαστεί η τεχνολογία. Αλλά οι κύριοι παίκτες επρόκειτο να είναι το LIGO στις ΗΠΑ και το VIRGO στην Ευρώπη. Το μέγεθος αυτών των συσκευών μετριέται ήδη σε χιλιόμετρα και η τελική προγραμματισμένη ευαισθησία θα επιτρέπει την προβολή δεκάδων, αν όχι εκατοντάδων γεγονότων ετησίως.

Γιατί χρειάζονται πολλές συσκευές; Κυρίως για διασταυρούμενη επικύρωση, αφού υπάρχουν τοπικοί θόρυβοι (π.χ. σεισμικοί). Η ταυτόχρονη καταχώρηση ενός σήματος στις βορειοδυτικές Ηνωμένες Πολιτείες και στην Ιταλία θα ήταν εξαιρετική απόδειξη εξωτερική προέλευση. Υπάρχει όμως και ένας δεύτερος λόγος: οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων καθορίζουν πολύ άσχημα την κατεύθυνση προς την πηγή. Αλλά αν υπάρχουν αρκετοί ανιχνευτές σε απόσταση, θα είναι δυνατό να υποδειχθεί η κατεύθυνση με μεγάλη ακρίβεια.

Γίγαντες λέιζερ

Στην αρχική τους μορφή, οι ανιχνευτές LIGO κατασκευάστηκαν το 2002 και η VIRGO το 2003. Σύμφωνα με το σχέδιο, αυτό ήταν μόνο το πρώτο στάδιο. Όλες οι εγκαταστάσεις λειτούργησαν για αρκετά χρόνια και το 2010-2011 σταμάτησαν για αναθεώρηση, ώστε στη συνέχεια να επιτευχθεί η προβλεπόμενη υψηλή ευαισθησία. Οι ανιχνευτές LIGO ήταν οι πρώτοι που άρχισαν να λειτουργούν τον Σεπτέμβριο του 2015, η VIRGO θα πρέπει να ενταχθεί το δεύτερο εξάμηνο του 2016 και ξεκινώντας από αυτό το στάδιο, η ευαισθησία μας επιτρέπει να ελπίζουμε να καταγράψουμε τουλάχιστον πολλά συμβάντα ανά έτος.

Μετά την έναρξη του LIGO, ο αναμενόμενος ρυθμός ριπών ήταν περίπου ένα συμβάν ανά μήνα. Οι αστροφυσικοί έχουν εκτιμήσει εκ των προτέρων ότι οι συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών θα πρέπει να είναι τα πρώτα αναμενόμενα γεγονότα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι μαύρες τρύπες είναι συνήθως δέκα φορές βαρύτερες από τα αστέρια νετρονίων, το σήμα είναι πιο ισχυρό και «βλέπεται» από μεγάλες αποστάσεις, κάτι που υπεραντιστάθμιση για τον πιο αργό ρυθμό γεγονότων ανά γαλαξία. Ευτυχώς, δεν χρειάστηκε να περιμένουμε πολύ. Στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, και οι δύο εγκαταστάσεις κατέγραψαν ένα σχεδόν πανομοιότυπο σήμα, το οποίο ονομάστηκε GW150914.

Με όμορφη απλή ανάλυσημπορούν να ληφθούν δεδομένα όπως μάζες μαύρης τρύπας, ισχύς σήματος και απόσταση από την πηγή. Η μάζα και το μέγεθος των μαύρων οπών σχετίζονται πολύ απλά και καλά. με ορισμένο τρόπο, και το μέγεθος της περιοχής απελευθέρωσης ενέργειας μπορεί να εκτιμηθεί αμέσως από τη συχνότητα του σήματος. Σε αυτή την περίπτωση, το μέγεθος έδειχνε ότι δύο τρύπες με μάζα 25-30 και 35-40 ηλιακές μάζες σχημάτισαν μια μαύρη τρύπα με μάζα μεγαλύτερη από 60 ηλιακές μάζες. Γνωρίζοντας αυτά τα δεδομένα, μπορεί κανείς να αποκτήσει γεμάτη ενέργειαβουτιά. Σχεδόν τρεις ηλιακές μάζες έχουν περάσει σε βαρυτική ακτινοβολία. Αυτό αντιστοιχεί στη φωτεινότητα των 1023 λαμπροτήτων του Ήλιου - περίπου ίδια με αυτή του χρόνου (εκατοστά του δευτερολέπτου) ακτινοβολούν όλα τα αστέρια στο ορατό μέρος του Σύμπαντος. Και από τη γνωστή ενέργεια και το μέγεθος του μετρούμενου σήματος, προκύπτει η απόσταση. Μια μεγάλη μάζα συγχωνευμένων σωμάτων κατέστησε δυνατή την καταγραφή ενός γεγονότος που συνέβη σε έναν μακρινό γαλαξία: το σήμα πήγε σε εμάς για περίπου 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια.

Περισσότερο λεπτομερής ανάλυσησας επιτρέπει να βελτιώσετε την αναλογία μάζας των μαύρων οπών και να κατανοήσετε πώς περιστρέφονταν γύρω από τον άξονά τους, καθώς και να προσδιορίσετε ορισμένες άλλες παραμέτρους. Επιπλέον, το σήμα από δύο εγκαταστάσεις καθιστά δυνατό τον κατά προσέγγιση προσδιορισμό της κατεύθυνσης της έκρηξης. Δυστυχώς, μέχρι στιγμής η ακρίβεια εδώ δεν είναι πολύ υψηλή, αλλά με την έναρξη λειτουργίας του ενημερωμένου VIRGO, θα αυξηθεί. Και σε λίγα χρόνια, ο ιαπωνικός ανιχνευτής KAGRA θα αρχίσει να λαμβάνει σήματα. Στη συνέχεια, ένας από τους ανιχνευτές LIGO (αρχικά ήταν τρεις από αυτούς, μια από τις εγκαταστάσεις ήταν διπλή) θα συναρμολογηθεί στην Ινδία και αναμένεται στη συνέχεια να καταγράφονται πολλές δεκάδες συμβάντα ετησίως.

Η εποχή της νέας αστρονομίας

Στο αυτή τη στιγμήΤο σημαντικότερο αποτέλεσμα της δουλειάς του LIGO είναι η επιβεβαίωση της ύπαρξης βαρυτικών κυμάτων. Επιπλέον, ήδη η πρώτη έκρηξη κατέστησε δυνατή τη βελτίωση των περιορισμών στη μάζα του βαρυτονίου (στη γενική σχετικότητα έχει μηδενική μάζα), καθώς και να περιοριστεί πιο έντονα η διαφορά μεταξύ της ταχύτητας διάδοσης της βαρύτητας και της ταχύτητας φως. Αλλά οι επιστήμονες ελπίζουν ότι ήδη το 2016 θα μπορούν να λαμβάνουν πολλά νέα αστροφυσικά δεδομένα με τη βοήθεια των LIGO και VIRGO.

Πρώτον, τα δεδομένα από τα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων είναι ένα νέο κανάλι για τη μελέτη των μαύρων τρυπών. Αν νωρίτερα ήταν δυνατό να παρατηρήσουμε μόνο τις ροές της ύλης κοντά σε αυτά τα αντικείμενα, τώρα μπορείτε να "δείτε" άμεσα τη διαδικασία συγχώνευσης και "ηρεμίας" της αναδυόμενης μαύρης τρύπας, πώς ο ορίζοντας της κυμαίνεται, παίρνοντας το τελικό της σχήμα ( καθορίζεται με περιστροφή). Πιθανώς, μέχρι την ανακάλυψη της εξάτμισης των μαύρων οπών από τον Χόκινγκ (μέχρι στιγμής αυτή η διαδικασία παραμένει μια υπόθεση), η μελέτη των συγχωνεύσεων θα παρέχει τις καλύτερες άμεσες πληροφορίες για αυτές.

Δεύτερον, οι παρατηρήσεις των συγχωνεύσεων αστεριών νετρονίων θα παρέχουν πολλές νέες, τόσο απαραίτητες πληροφορίες για αυτά τα αντικείμενα. Για πρώτη φορά, θα μπορέσουμε να μελετήσουμε τα αστέρια νετρονίων με τον τρόπο που οι φυσικοί μελετούν τα σωματίδια: παρατηρήστε τις συγκρούσεις τους για να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν στο εσωτερικό τους. Το μυστήριο της δομής του εσωτερικού των άστρων νετρονίων ενθουσιάζει τόσο τους αστροφυσικούς όσο και τους φυσικούς. Η κατανόησή μας για την πυρηνική φυσική και τη συμπεριφορά της ύλης σε εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα είναι ελλιπής χωρίς να επιλυθεί αυτό το ζήτημα. Είναι πιθανό ότι οι παρατηρήσεις βαρυτικών κυμάτων θα παίξουν βασικό ρόλο εδώ.

Οι συγχωνεύσεις αστεριών νετρονίων πιστεύεται ότι είναι υπεύθυνες για σύντομες κοσμολογικές εκρήξεις ακτίνων γάμμα. Σε σπάνιες περιπτώσεις, θα είναι δυνατή η ταυτόχρονη παρατήρηση ενός γεγονότος τόσο στην περιοχή γάμμα όσο και σε ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων (η σπανιότητα οφείλεται στο γεγονός ότι, πρώτον, το σήμα γάμμα συγκεντρώνεται σε μια πολύ στενή δέσμη και δεν είναι στραμμένο πάντα σε εμάς, αλλά δεύτερον, δεν θα καταγράψουμε βαρυτικά κύματα από πολύ μακρινά γεγονότα). Προφανώς, θα χρειαστούν αρκετά χρόνια παρατηρήσεων για να μπορέσετε να το δείτε αυτό (αν και, ως συνήθως, μπορείτε να σταθείτε τυχεροί και θα συμβεί αυτή τη στιγμή). Τότε, μεταξύ άλλων, μπορούμε να συγκρίνουμε με μεγάλη ακρίβεια την ταχύτητα της βαρύτητας με την ταχύτητα του φωτός.

Έτσι, τα συμβολόμετρα λέιζερ θα συνεργαστούν ως ένα ενιαίο τηλεσκόπιο βαρυτικών κυμάτων, φέρνοντας νέα γνώση τόσο στους αστροφυσικούς όσο και στους φυσικούς. Λοιπόν, για την ανακάλυψη των πρώτων εκρήξεων και την ανάλυσή τους, αργά ή γρήγορα μια επάξια βραβείο Νόμπελ.

2197
, ΗΠΑ
© REUTERS, Φυλλάδιο

Επιτέλους ανακαλύφθηκαν τα βαρυτικά κύματα

Λαϊκή Επιστήμη

Οι ταλαντώσεις στο χωροχρόνο ανακαλύπτονται έναν αιώνα αφότου είχαν προβλεφθεί από τον Αϊνστάιν. Αρχίζει νέα εποχήστην αστρονομία.

Οι επιστήμονες κατάφεραν να ανιχνεύσουν διακυμάνσεις στο χωροχρόνο που προκαλούνται από συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών. Αυτό συνέβη εκατό χρόνια αφότου ο Άλμπερτ Αϊνστάιν προέβλεψε αυτά τα «βαρυτικά κύματα» στη γενική θεωρία της σχετικότητας και εκατό χρόνια αφότου οι φυσικοί άρχισαν να τα αναζητούν.

Η ανακάλυψη ορόσημο αναφέρθηκε σήμερα από ερευνητές του Παρατηρητηρίου Συμβολομετρικών Βαρυτικών Κυμάτων με Λέιζερ LIGO. Επιβεβαίωσαν τις φήμες που περιβάλλουν την ανάλυση του πρώτου συνόλου δεδομένων που συνέλεξαν εδώ και αρκετούς μήνες. Οι αστροφυσικοί λένε ότι η ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων παρέχει έναν νέο τρόπο για να κοιτάξουμε το σύμπαν και καθιστά δυνατή την αναγνώριση μακρινών γεγονότων που δεν μπορούν να φανούν στα οπτικά τηλεσκόπια, αλλά μπορείτε να αισθανθείτε ή ακόμα και να ακούσετε το αμυδρό τρέμουλό τους να μας φτάνει στο διάστημα.

«Έχουμε ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα. Τα καταφέραμε!" Ο Ντέιβιντ Ρέιτζε, εκτελεστικός διευθυντής της ερευνητικής ομάδας των 1.000 μελών, ανακοίνωσε σήμερα σε συνέντευξη Τύπου στην Ουάσιγκτον, στο Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.

Τα βαρυτικά κύματα είναι ίσως το πιο άπιαστο φαινόμενο των προβλέψεων του Αϊνστάιν, ο επιστήμονας συζήτησε αυτό το θέμα με τους συγχρόνους του για δεκαετίες. Σύμφωνα με τη θεωρία του, ο χώρος και ο χρόνος σχηματίζουν μια τεντωμένη ύλη που κάμπτεται υπό την επίδραση βαρέων αντικειμένων. Το να αισθάνεσαι τη βαρύτητα σημαίνει να πέφτεις στις στροφές αυτής της ύλης. Μπορεί όμως αυτός ο χωροχρόνος να τρέμει σαν το δέρμα του τυμπάνου; Ο Αϊνστάιν ήταν μπερδεμένος, δεν ήξερε τι σήμαιναν οι εξισώσεις του. Και άλλαξε επανειλημμένα την άποψή του. Αλλά ακόμη και οι πιο ένθερμοι υποστηρικτές της θεωρίας του πίστευαν ότι τα βαρυτικά κύματα ήταν πολύ αδύναμα για να παρατηρηθούν ούτως ή άλλως. Κυκλοφορούν προς τα έξω μετά από ορισμένους κατακλυσμούς και εναλλάξ τεντώνουν και συμπιέζουν τον χωροχρόνο καθώς κινούνται. Αλλά από τη στιγμή που αυτά τα κύματα φτάσουν στη Γη, τεντώνονται και συμπιέζουν κάθε χιλιόμετρο του διαστήματος κατά ένα μικροσκοπικό κλάσμα της διαμέτρου ενός ατομικού πυρήνα.

© REUTERS, Ανιχνευτής Παρατηρητηρίου Hangout LIGO στο Hanford της Ουάσιγκτον

Για να εντοπιστούν αυτά τα κύματα, χρειάστηκε υπομονή και προσοχή. Το παρατηρητήριο LIGO εκτόξευσε ακτίνες λέιζερ μπρος-πίσω κατά μήκος των τεσσάρων χιλιομέτρων, ορθογώνια γόνατα δύο ανιχνευτών, ο ένας στο Hanford της Ουάσιγκτον και ο άλλος στο Livingston της Λουιζιάνα. Αυτό έγινε σε αναζήτηση αντίστοιχων διαστολών και συστολών αυτών των συστημάτων κατά τη διάρκεια της διέλευσης των βαρυτικών κυμάτων. Χρησιμοποιώντας σταθεροποιητές αιχμής, όργανα κενού και χιλιάδες αισθητήρες, οι επιστήμονες μέτρησαν τις αλλαγές στο μήκος αυτών των συστημάτων, μόλις το ένα χιλιοστό του μεγέθους ενός πρωτονίου. Τέτοια ευαισθησία των οργάνων ήταν αδιανόητη πριν από εκατό χρόνια. Φαινόταν απίστευτο το 1968, όταν ο Rainer Weiss του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης συνέλαβε ένα πείραμα που ονομάζεται LIGO.

«Είναι μεγάλο θαύμα που στο τέλος τα κατάφεραν. Κατάφεραν να πιάσουν αυτούς τους μικροσκοπικούς κραδασμούς!» είπε ο θεωρητικός φυσικός του Πανεπιστημίου του Αρκάνσας Daniel Kennefick, ο οποίος έγραψε το βιβλίο του 2007 Ταξιδεύοντας με την ταχύτητα της σκέψης: Αϊνστάιν και το Quest for Gravitational Waves (Ταξιδεύοντας με την ταχύτητα της σκέψης. Einstein and the search for gravitational waves).

Αυτή η ανακάλυψη σηματοδότησε την αρχή μιας νέας εποχής στην αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων. Ελπίζουμε ότι θα έχουμε πιο ακριβείς ιδέες για το σχηματισμό, τη σύνθεση και τον γαλαξιακό ρόλο των μαύρων τρυπών - εκείνων των υπερπυκνών σφαιρών μάζας που παραμορφώνουν το χωροχρόνο τόσο έντονα που ούτε το φως μπορεί να διαφύγει από αυτόν. Όταν οι μαύρες τρύπες πλησιάζουν η μία την άλλη και συγχωνεύονται, παράγουν ένα παλμικό σήμα - χωροχρονικές διακυμάνσεις που αυξάνονται σε πλάτος και τόνο και στη συνέχεια τελειώνουν απότομα. Αυτά τα σήματα που μπορεί να ανιχνεύσει το παρατηρητήριο βρίσκονται στην ακουστική περιοχή - ωστόσο, είναι πολύ αδύναμα για να ακουστούν από γυμνό αυτί. Μπορείτε να αναδημιουργήσετε αυτόν τον ήχο περνώντας τα δάχτυλά σας πάνω από τα πλήκτρα του πιάνου. «Ξεκινήστε από τη χαμηλότερη νότα και προχωρήστε μέχρι την τρίτη οκτάβα», είπε ο Weiss. «Αυτό ακούμε».

Οι φυσικοί είναι ήδη έκπληκτοι με τον αριθμό και την ισχύ των σημάτων που καταγράφονται αυτή τη στιγμή. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν περισσότερες μαύρες τρύπες στον κόσμο από ό,τι πιστεύαμε. «Ήμασταν τυχεροί, αλλά πάντα βασιζόμουν σε αυτό το είδος τύχης», είπε ο αστροφυσικός του Caltech, Kip Thorne, ο οποίος συνδημιούργησε το LIGO με τον Weiss και τον Ronald Drever, επίσης από το Caltech. «Συνήθως συμβαίνει όταν ανοίγει ένα εντελώς νέο παράθυρο στο σύμπαν».

Ακούγοντας βαρυτικά κύματα, μπορούμε να σχηματίσουμε εντελώς διαφορετικές ιδέες για το διάστημα και ίσως να ανακαλύψουμε ασύλληπτα κοσμικά φαινόμενα.

«Μπορώ να το συγκρίνω με την πρώτη φορά που δείξαμε ένα τηλεσκόπιο προς τον ουρανό», δήλωσε η θεωρητική αστροφυσικός Janna Levin από το Barnard College του Πανεπιστημίου Κολούμπια. «Οι άνθρωποι κατάλαβαν ότι υπήρχε κάτι εκεί έξω, και μπορείτε να το δείτε, αλλά δεν μπορούσαν να προβλέψουν το απίστευτο εύρος των πιθανοτήτων που υπάρχουν στο σύμπαν». Ομοίως, σημείωσε ο Levine, η ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε να δείξει ότι το σύμπαν είναι «γεμάτο σκοτεινή ύλη, το οποίο δεν μπορούμε απλά να προσδιορίσουμε με τηλεσκόπιο.

Η ιστορία της ανακάλυψης του πρώτου βαρυτικού κύματος ξεκίνησε τη Δευτέρα το πρωί του Σεπτεμβρίου και ξεκίνησε με το βαμβάκι. Το σήμα ήταν τόσο καθαρό και δυνατό που ο Βάις σκέφτηκε: «Όχι, αυτό είναι ανοησία, τίποτα δεν θα βγει από αυτό».

Ένταση συναισθημάτων

Αυτό το πρώτο βαρυτικό κύμα σάρωσε τους ανιχνευτές του αναβαθμισμένου LIGO -πρώτα στο Livingston και επτά χιλιοστά του δευτερολέπτου αργότερα στο Hanford- κατά τη διάρκεια μιας προσομοίωσης τις πρώτες πρωινές ώρες της 14ης Σεπτεμβρίου, δύο ημέρες πριν από την επίσημη έναρξη της συλλογής δεδομένων.

Οι ανιχνευτές «έτρεχαν» μετά τον εκσυγχρονισμό, ο οποίος κράτησε πέντε χρόνια και κόστισε 200 εκατομμύρια δολάρια. Ήταν εξοπλισμένα με νέες αναρτήσεις καθρέφτη για μείωση θορύβου και ενεργό ανατροφοδότησηνα καταστείλει τους εξωτερικούς κραδασμούς σε πραγματικό χρόνο. Η αναβάθμιση έδωσε στο βελτιωμένο παρατηρητήριο περισσότερα υψηλό επίπεδοευαισθησία σε σύγκριση με το παλιό LIGO, το οποίο μεταξύ 2002 και 2010 βρήκε «απόλυτο και καθαρό μηδέν», όπως το έθεσε ο Weiss.

Όταν ήρθε το ισχυρό σήμα τον Σεπτέμβριο, επιστήμονες στην Ευρώπη, όπου ήταν πρωί εκείνη την ώρα, άρχισαν να βομβαρδίζουν τους Αμερικανούς συναδέλφους τους με μηνύματα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου. Όταν ξύπνησαν τα υπόλοιπα μέλη της παρέας, η είδηση ​​διαδόθηκε πολύ γρήγορα. Ουσιαστικά όλοι ήταν δύσπιστοι, είπε ο Βάις, ειδικά όταν είδαν το σήμα. Ήταν ένα πραγματικό κλασικό βιβλίο και έτσι κάποιοι το θεώρησαν ψεύτικο.

Ψεύτικοι ισχυρισμοί στην αναζήτηση βαρυτικών κυμάτων έχουν γίνει πολλές φορές από τα τέλη της δεκαετίας του 1960, όταν ο Joseph Weber από το Πανεπιστήμιο του Maryland σκέφτηκε ότι είχε ανιχνεύσει συντονιστικές ταλαντώσεις σε έναν κύλινδρο αλουμινίου με αισθητήρες ως απόκριση στα κύματα. Το 2014, πραγματοποιήθηκε ένα πείραμα που ονομάζεται BICEP2, το οποίο κατέληξε στην ανακοίνωση της ανακάλυψης αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων - χωροχρονικών διακυμάνσεων από τη Μεγάλη Έκρηξη, τα οποία μέχρι τώρα έχουν τεντωθεί και έχουν παγώσει μόνιμα στη γεωμετρία του σύμπαντος. Επιστήμονες από την ομάδα BICEP2 ανακοίνωσαν την ανακάλυψή τους με μεγάλη φανφάρα, αλλά στη συνέχεια τα αποτελέσματά τους επαληθεύτηκαν ανεξάρτητα, κατά την οποία αποδείχθηκε ότι έκαναν λάθος και ότι αυτό το σήμα προήλθε από κοσμική σκόνη.

Όταν ο κοσμολόγος Lawrence Krauss από το Πανεπιστήμιο της Πολιτείας της Αριζόνα άκουσε για την ανακάλυψη της ομάδας LIGO, αρχικά σκέφτηκε ότι ήταν μια «τυφλή φάρσα». Κατά τη λειτουργία του παλιού παρατηρητηρίου, προσομοιωμένα σήματα εισήχθησαν κρυφά σε ροές δεδομένων για να δοκιμαστεί η απόκριση και τα περισσότερα απόΗ ομάδα δεν το ήξερε. Όταν ο Krauss έμαθε από μια πεπειραμένη πηγή ότι αυτή τη φορά δεν ήταν «τυφλή γέμιση», μετά βίας συγκρατούσε τον χαρούμενο ενθουσιασμό του.

Στις 25 Σεπτεμβρίου, έγραψε στο Twitter στους 200.000 ακόλουθούς του: «Φήμες για την ανίχνευση ενός βαρυτικού κύματος στον ανιχνευτή LIGO. Εκπληκτικό αν είναι αλήθεια. Θα σας ενημερώσω για λεπτομέρειες εάν δεν είναι ψεύτικο. Ακολουθεί μια καταχώριση από τις 11 Ιανουαρίου: «Επιβεβαιώθηκαν οι παλιότερες φήμες για το LIGO ανεξάρτητες πηγές. Ακολουθήστε τις ειδήσεις. Ίσως έχουν ανακαλυφθεί βαρυτικά κύματα!».

Η επίσημη θέση των επιστημόνων ήταν η εξής: μην μιλάτε για το λαμβανόμενο σήμα μέχρι να υπάρξει βεβαιότητα εκατό τοις εκατό. Ο Θορν, δεμένος με τα χέρια και τα πόδια από αυτή την υποχρέωση της μυστικότητας, δεν είπε τίποτα καν στη γυναίκα του. «Γόρτασα μόνος μου», είπε. Αρχικά, οι επιστήμονες αποφάσισαν να επιστρέψουν στην αρχή και να αναλύσουν τα πάντα με την παραμικρή λεπτομέρεια για να μάθουν πώς διαδόθηκε το σήμα μέσω χιλιάδων καναλιών μέτρησης διαφόρων ανιχνευτών και να καταλάβουν αν υπήρχε κάτι περίεργο εκείνη τη στιγμή. το σήμα εντοπίστηκε. Δεν βρήκαν τίποτα το ασυνήθιστο. Απέκλεισαν επίσης τους χάκερ, οι οποίοι θα έπρεπε να γνωρίζουν καλύτερα τις χιλιάδες ροές δεδομένων κατά τη διάρκεια του πειράματος. «Ακόμη και όταν η ομάδα κάνει τυφλές βολές, δεν είναι αρκετά τέλειες και αφήνουν πολλά ίχνη πίσω τους», είπε ο Θορν. «Αλλά δεν υπήρχαν ίχνη».

Τις εβδομάδες που ακολούθησαν, άκουσαν ένα άλλο, πιο αδύναμο σήμα.

Οι επιστήμονες ανέλυσαν τα δύο πρώτα σήματα και έλαβαν όλο και περισσότερα νέα. Τον Ιανουάριο, παρουσίασαν την έρευνά τους στο περιοδικό Physical Review Letters. Αυτό το θέμα κυκλοφορεί στο διαδίκτυο σήμερα. Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις τους, στατιστική σημασίαΤο πρώτο, πιο ισχυρό σήμα ξεπερνά το «5-σίγμα», που σημαίνει ότι οι ερευνητές είναι 99,9999% σίγουροι για την αυθεντικότητά του.

ακούγοντας τη βαρύτητα

Εξισώσεις γενική σχετικότηταΟ Αϊνστάιν είναι τόσο περίπλοκος που χρειάστηκαν οι περισσότεροι φυσικοί 40 χρόνια για να συμφωνήσουν ότι ναι, τα βαρυτικά κύματα υπάρχουν και μπορούν να ανιχνευθούν — ακόμη και θεωρητικά.

Στην αρχή, ο Αϊνστάιν νόμιζε ότι τα αντικείμενα δεν μπορούσαν να απελευθερώσουν ενέργεια με τη μορφή βαρυτικής ακτινοβολίας, αλλά στη συνέχεια άλλαξε γνώμη. Στο δικό του ιστορικό έργο, που γράφτηκε το 1918, έδειξε τι είδους αντικείμενα μπορούν να το κάνουν αυτό: συστήματα σε σχήμα αλτήρα που περιστρέφονται ταυτόχρονα γύρω από δύο άξονες, για παράδειγμα, διπλά και σουπερνόβαεκρήγνυται σαν κροτίδες. Μπορούν να δημιουργήσουν κύματα στο χωροχρόνο.

© REUTERS, Φυλλάδιο μοντέλο υπολογιστήπου απεικονίζει τη φύση των βαρυτικών κυμάτων στο ηλιακό σύστημα

Όμως ο Αϊνστάιν και οι συνάδελφοί του συνέχισαν να αμφιταλαντεύονται. Μερικοί φυσικοί έχουν υποστηρίξει ότι ακόμα κι αν υπάρχουν κύματα, ο κόσμος θα ταλαντώνεται μαζί τους και θα είναι αδύνατο να τα αισθανθεί κανείς. Και μόνο το 1957 ο Richard Feynman (Richard Feynman) έκλεισε αυτό το θέμα, δείχνοντας στην πορεία πείραμα σκέψηςότι αν υπάρχουν βαρυτικά κύματα, θεωρητικά μπορούν να ανιχνευθούν. Κανείς όμως δεν γνώριζε πόσο συνηθισμένα ήταν αυτά τα συστήματα σε σχήμα αλτήρα στο διάστημα και πόσο ισχυρά ή αδύναμα ήταν τα κύματα που προέκυψαν. «Τελικά, το ερώτημα ήταν: θα τα βρούμε ποτέ;» είπε ο Κένεφικ.

Το 1968, ο Rainer Weiss ήταν ένας νεαρός καθηγητής στο MIT και του ανατέθηκε να διδάξει ένα μάθημα γενικής σχετικότητας. Ως πειραματιστής, ήξερε ελάχιστα γι 'αυτό, αλλά ξαφνικά ήρθε η είδηση ​​για την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων από τον Weber. Η Weber κατασκεύασε από αλουμίνιο τρεις ανιχνευτές συντονισμού στο μέγεθος γραφείοκαι τους τοποθέτησε σε διάφορες πολιτείες της Αμερικής. Τώρα είπε ότι και οι τρεις ανιχνευτές κατέγραψαν «τον ήχο των βαρυτικών κυμάτων».

Ζητήθηκε από τους μαθητές του Weiss να εξηγήσουν τη φύση των βαρυτικών κυμάτων και να εκφράσουν τη γνώμη τους για το μήνυμα. Μελετώντας τις λεπτομέρειες, εντυπωσιάστηκε από την πολυπλοκότητα των μαθηματικών υπολογισμών. «Δεν μπορούσα να καταλάβω τι στο διάολο έκανε ο Weber, πώς αλληλεπιδρούσαν οι αισθητήρες με το βαρυτικό κύμα. Κάθισα για πολλή ώρα και αναρωτήθηκα: «Ποιο είναι το πιο πρωτόγονο πράγμα που μπορώ να σκεφτώ που ανιχνεύει βαρυτικά κύματα;» Και τότε ήρθε στο μυαλό μου μια ιδέα, την οποία αποκαλώ την εννοιολογική βάση του LIGO.

Φανταστείτε τρία αντικείμενα στον χωροχρόνο, ας πούμε καθρέφτες στις γωνίες ενός τριγώνου. «Στείλτε ένα φωτεινό σήμα από το ένα στο άλλο», είπε ο Weber. «Κοιτάξτε πόσος χρόνος χρειάζεται για να πάτε από τη μια μάζα στην άλλη και δείτε αν έχει αλλάξει η ώρα». Αποδεικνύεται, σημείωσε ο επιστήμονας, αυτό μπορεί να γίνει γρήγορα. «Αυτό το εμπιστεύτηκα στους μαθητές μου ως επιστημονικό έργο. Κυριολεκτικά όλη η ομάδα ήταν σε θέση να κάνει αυτούς τους υπολογισμούς».

Στα χρόνια που ακολούθησαν, όταν άλλοι ερευνητές προσπάθησαν να αναπαράγουν τα αποτελέσματα του πειράματος ανιχνευτή συντονισμού του Weber αλλά απέτυχαν συνεχώς (δεν είναι ξεκάθαρο τι παρατήρησε, αλλά δεν ήταν βαρυτικά κύματα), ο Weiss άρχισε να προετοιμάζει ένα πολύ πιο ακριβές και φιλόδοξο πείραμα : το συμβολόμετρο βαρυτικών κυμάτων. Η δέσμη λέιζερ ανακλάται από τρεις καθρέφτες που είναι εγκατεστημένοι στο σχήμα του γράμματος "L" και σχηματίζει δύο ακτίνες. Το διάστημα των κορυφών και των βυθίσεων των κυμάτων φωτός υποδεικνύει με ακρίβεια το μήκος των καμπυλών του γράμματος "G", που δημιουργούν τους άξονες x και y του χωροχρόνου. Όταν η ζυγαριά είναι ακίνητη, δύο ελαφρά κύματααναπηδούν στις γωνίες και ακυρώνουν ο ένας τον άλλον. Το σήμα στον ανιχνευτή είναι μηδέν. Αν όμως ένα βαρυτικό κύμα περάσει από τη Γη, τεντώνει το μήκος του ενός βραχίονα του γράμματος «G» και συμπιέζει το μήκος του άλλου (και αντίστροφα εναλλάξ). Η αναντιστοιχία των δύο ακτίνων φωτός δημιουργεί ένα σήμα στον ανιχνευτή, δείχνοντας μικρές διακυμάνσεις στο χωροχρόνο.

Στην αρχή, οι συνάδελφοι φυσικοί ήταν δύσπιστοι, αλλά το πείραμα βρήκε σύντομα υποστήριξη στον Thorne, του οποίου η ομάδα θεωρητικών στο Caltech ερευνούσε τις μαύρες τρύπες και άλλες πιθανές πηγές βαρυτικών κυμάτων, καθώς και τα σήματα που παρήγαγαν. Ο Thorne εμπνεύστηκε από το πείραμα Weber και παρόμοιες προσπάθειες Ρώσων επιστημόνων. Αφού μίλησε σε μια διάσκεψη με τον Weiss το 1975, «άρχισα να πιστεύω ότι η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων θα ήταν επιτυχής», είπε ο Thorne. «Και ήθελα και το Caltech να είναι μέρος αυτού». Κανόνισε με το ινστιτούτο να προσλάβει τον Σκωτσέζο πειραματιστή Ronald Driver, ο οποίος ισχυρίστηκε επίσης ότι κατασκεύαζε ένα συμβολόμετρο βαρυτικών κυμάτων. Με τον καιρό, ο Thorne, ο Driver και ο Weiss άρχισαν να εργάζονται ως ομάδα, λύνοντας ο καθένας το μερίδιό του από αμέτρητα προβλήματα προετοιμάζοντας ένα πρακτικό πείραμα. Το τρίο σχημάτισε το LIGO το 1984, και όταν κατασκευάστηκαν πρωτότυπα και ξεκίνησε η συνεργασία ως μέρος μιας συνεχώς αναπτυσσόμενης ομάδας, έλαβαν 100 εκατομμύρια δολάρια σε χρηματοδότηση από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών στις αρχές της δεκαετίας του 1990. Καταρτίστηκαν σχέδια για την κατασκευή ενός ζεύγους γιγάντιων ανιχνευτών σε σχήμα L. Μια δεκαετία αργότερα, οι ανιχνευτές άρχισαν να λειτουργούν.

Στο Χάνφορντ και στο Λίβινγκστον, στο κέντρο καθενός από τα γόνατα τεσσάρων χιλιομέτρων των ανιχνευτών, υπάρχει ένα κενό, χάρη στο οποίο το λέιζερ, η δέσμη και οι καθρέφτες του απομονώνονται στο μέγιστο από τις συνεχείς ταλαντώσεις του πλανήτη. Για περαιτέρω ασφάλιση, οι επιστήμονες του LIGO παρακολουθούν τους ανιχνευτές τους καθώς λειτουργούν με χιλιάδες όργανα, μετρώντας ό,τι μπορούν: σεισμική δραστηριότητα, ατμοσφαιρική πίεση, κεραυνός, εμφάνιση κοσμικές ακτίνες, δόνηση εξοπλισμού, ήχοι στην περιοχή της δέσμης λέιζερ και ούτω καθεξής. Στη συνέχεια φιλτράρουν τα δεδομένα τους για αυτούς τους εξωτερικούς θορύβους του περιβάλλοντος. Ίσως το κύριο πράγμα είναι ότι έχουν δύο ανιχνευτές και αυτό σας επιτρέπει να συγκρίνετε τα λαμβανόμενα δεδομένα, ελέγχοντάς τα για την παρουσία αντίστοιχων σημάτων.

Συμφραζόμενα

Βαρυτικά κύματα: ολοκλήρωσε αυτό που ξεκίνησε ο Αϊνστάιν στη Βέρνη

SwissInfo 13.02.2016

Πώς πεθαίνουν οι μαύρες τρύπες

Μέσο 19/10/2014
Μέσα στο κενό που δημιουργείται, ακόμη και με τα λέιζερ και τους καθρέφτες εντελώς απομονωμένα και σταθεροποιημένα, «περίεργα πράγματα συμβαίνουν συνέχεια», λέει ο Marco Cavaglià, αναπληρωτής εκπρόσωπος του έργου LIGO. Οι επιστήμονες πρέπει να παρακολουθήσουν αυτά τα «χρυσόψαρα», «φαντάσματα», «παράξενα θαλάσσια τέρατα» και άλλα ξένα φαινόμενα δόνησης, ανακαλύπτοντας την πηγή τους για να τα εξαλείψουν. Ενας δύσκολη υπόθεσησυνέβη κατά τη φάση της επαλήθευσης, είπε η ερευνήτρια του LIGO Jessica McIver, η οποία μελετά τέτοια ξένα σήματα και παρεμβολές. Μια σειρά από περιοδικούς θορύβους μονής συχνότητας εμφανιζόταν συχνά μεταξύ των δεδομένων. Όταν εκείνη και οι συνάδελφοί της μετέτρεψαν τους κραδασμούς των καθρεφτών σε αρχεία ήχου, "το κουδούνισμα του τηλεφώνου έγινε ευδιάκριτα ακουστό", είπε ο McIver. «Αποδείχθηκε ότι ήταν οι διαφημιστές της επικοινωνίας που έκαναν τηλεφωνήματα μέσα στο δωμάτιο λέιζερ».

Τα επόμενα δύο χρόνια, οι επιστήμονες θα συνεχίσουν να βελτιώνουν την ευαισθησία των ανιχνευτών του αναβαθμισμένου Παρατηρητηρίου Συμβολομετρικών Βαρυτικών Κυμάτων Laser LIGO. Και στην Ιταλία, ένα τρίτο συμβολόμετρο που ονομάζεται Advanced Virgo θα αρχίσει να λειτουργεί. Μια απάντηση που θα βοηθήσουν να δοθεί τα ευρήματα είναι πώς σχηματίζονται οι μαύρες τρύπες. Είναι το προϊόν της κατάρρευσης των πρώτων τεράστια αστέρια, ή μήπως εμφανίζονται ως αποτέλεσμα συγκρούσεων μέσα σε πυκνά αστρικά σμήνη; "Αυτές είναι μόνο δύο εικασίες, πιστεύω ότι θα υπάρξουν περισσότερες όταν ηρεμήσουν τα πράγματα", λέει ο Weiss. Καθώς το LIGO αρχίζει να συγκεντρώνει νέα στατιστικά στοιχεία κατά τη διάρκεια της επικείμενης εργασίας του, οι επιστήμονες θα αρχίσουν να ακούν ιστορίες σχετικά με την προέλευση των μαύρων τρυπών που θα τους ψιθυρίζει το διάστημα.

Κρίνοντας από το σχήμα και το μέγεθος, το πρώτο, δυνατότερο σήμα παλμού εμφανίστηκε 1,3 δισεκατομμύρια έτη φωτός από το μέρος όπου, μετά από μια αιωνιότητα αργού χορού υπό την επίδραση της αμοιβαίας βαρυτικής έλξης, δύο μαύρες τρύπες, η καθεμία περίπου 30 φορές τη μάζα της ήλιος, τελικά συγχωνεύθηκε. Οι μαύρες τρύπες έκαναν κύκλους όλο και πιο γρήγορα, σαν δίνη, πλησιάζοντας σταδιακά. Στη συνέχεια έγινε μια συγχώνευση και εν ριπή οφθαλμού απελευθέρωσαν βαρυτικά κύματα με ενέργεια συγκρίσιμη με την ενέργεια τριών Ήλιων. Αυτή η συγχώνευση ήταν το πιο ισχυρό ενεργειακό φαινόμενο που έχει καταγραφεί ποτέ.

«Είναι σαν να μην έχουμε δει ποτέ τον ωκεανό σε καταιγίδα», είπε ο Thorne. Περίμενε αυτή την καταιγίδα στο χωροχρόνο από τη δεκαετία του 1960. Το συναίσθημα που βίωσε ο Thorn τη στιγμή που αυτά τα κύματα κύλησαν δεν μπορεί να ονομαστεί ενθουσιασμός, λέει. Ήταν κάτι άλλο: ένα αίσθημα βαθιάς ικανοποίησης.

Το υλικό του InoSMI περιέχει μόνο αξιολογήσεις ξένων μέσων και δεν αντικατοπτρίζει τη θέση των συντακτών του InoSMI.

Η 11η Φεβρουαρίου 2016 θεωρείται η επίσημη ημέρα ανακάλυψης (ανίχνευσης) βαρυτικών κυμάτων. Τότε, σε μια συνέντευξη Τύπου που πραγματοποιήθηκε στην Ουάσιγκτον, οι ηγέτες της συνεργασίας LIGO ανακοίνωσαν ότι μια ομάδα ερευνητών είχε καταφέρει να καταγράψει αυτό το φαινόμενο για πρώτη φορά στην ιστορία της ανθρωπότητας.

Προφητείες του μεγάλου Αϊνστάιν

Το γεγονός ότι υπάρχουν βαρυτικά κύματα προτάθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν στις αρχές του περασμένου αιώνα (1916) στο πλαίσιο της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (GR) που διατύπωσε ο ίδιος. Δεν μπορεί παρά να θαυμάσει κανείς τις λαμπρές ικανότητες του διάσημου φυσικού, ο οποίος, με ελάχιστα πραγματικά δεδομένα, κατάφερε να βγάλει τόσο εκτεταμένα συμπεράσματα. Ανάμεσα σε πολλά άλλα προβλεπόμενα φυσικά φαινόμεναπου βρήκε επιβεβαίωση τον επόμενο αιώνα (επιβράδυνση της ροής του χρόνου, αλλαγή κατεύθυνσης ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολίασε βαρυτικά πεδία κ.λπ.) μέχρι πρόσφατα δεν ήταν δυνατό να ανιχνευθεί πρακτικά η παρουσία αυτού του τύπου κυματικής αλληλεπίδρασης σωμάτων.

Βαρύτητα - μια ψευδαίσθηση;

Γενικά, υπό το πρίσμα της Θεωρίας της Σχετικότητας, η βαρύτητα δύσκολα μπορεί να ονομαστεί δύναμη. διαταραχές ή καμπυλότητα του χωροχρονικού συνεχούς. Ένα καλό παράδειγμα που επεξηγεί αυτό το αξίωμα είναι ένα τεντωμένο κομμάτι ύφασμα. Κάτω από το βάρος ενός ογκώδους αντικειμένου που τοποθετείται σε μια τέτοια επιφάνεια, σχηματίζεται μια εσοχή. Άλλα αντικείμενα που κινούνται κοντά σε αυτή την ανωμαλία θα αλλάξουν την τροχιά της κίνησής τους, σαν να «έλκονται». Και όσο μεγαλύτερο είναι το βάρος του αντικειμένου (τόσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος και το βάθος της καμπυλότητας), τόσο μεγαλύτερη είναι η «δύναμη έλξης». Όταν κινείται μέσα στο ύφασμα, μπορεί κανείς να παρατηρήσει την εμφάνιση ενός αποκλίνοντος «κυματισμού».

Κάτι παρόμοιο συμβαίνει στον παγκόσμιο χώρο. Κάθε ταχέως κινούμενη μαζική ύλη είναι πηγή διακυμάνσεων στην πυκνότητα του χώρου και του χρόνου. Ένα βαρυτικό κύμα με σημαντικό πλάτος σχηματίζεται από σώματα με εξαιρετικά μεγάλες μάζες ή όταν κινούνται με τεράστιες επιταχύνσεις.

φυσικά χαρακτηριστικά

Οι διακυμάνσεις της χωροχρονικής μετρικής εκδηλώνονται ως αλλαγές στο βαρυτικό πεδίο. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται αλλιώς κυματισμοί χωροχρόνου. Το βαρυτικό κύμα δρα στα σώματα και τα αντικείμενα που συναντώνται, συμπιέζοντάς τα και τεντώνοντάς τα. Οι τιμές παραμόρφωσης είναι πολύ μικρές - περίπου 10 -21 του αρχικού μεγέθους. Η όλη δυσκολία ανίχνευσης αυτού του φαινομένου ήταν ότι οι ερευνητές έπρεπε να μάθουν πώς να μετρούν και να καταγράφουν τέτοιες αλλαγές με τη βοήθεια κατάλληλου εξοπλισμού. Η δύναμη της βαρυτικής ακτινοβολίας είναι επίσης εξαιρετικά μικρή - για το σύνολο ηλιακό σύστημαείναι αρκετά κιλοβάτ.

Η ταχύτητα διάδοσης των βαρυτικών κυμάτων εξαρτάται ελαφρώς από τις ιδιότητες του αγώγιμου μέσου. Το πλάτος της ταλάντωσης σταδιακά μειώνεται με την απόσταση από την πηγή, αλλά ποτέ δεν φτάνει στο μηδέν. Η συχνότητα κυμαίνεται από αρκετές δεκάδες έως εκατοντάδες Hertz. Η ταχύτητα των βαρυτικών κυμάτων μέσα διαστρικό μέσοπλησιάζει την ταχύτητα του φωτός.

έμμεσες αποδείξεις

Για πρώτη φορά, η θεωρητική επιβεβαίωση της ύπαρξης κυμάτων βαρύτητας ελήφθη από τον Αμερικανό αστρονόμο Joseph Taylor και τον βοηθό του Russell Hulse το 1974. Μελετώντας τις εκτάσεις του σύμπαντος χρησιμοποιώντας το ραδιοτηλεσκόπιο του αστεροσκοπείου Arecibo (Πουέρτο Ρίκο), οι ερευνητές ανακάλυψαν το πάλσαρ PSR B1913 + 16, το οποίο είναι διπλό σύστημααστέρες νετρονίων που περιστρέφονται γύρω από ένα κοινό κέντρο μάζας με σταθερά γωνιακή ταχύτητα(αρκετά σπάνιο). Κάθε χρόνο, η περίοδος περιστροφής, η οποία αρχικά ήταν 3,75 ώρες, μειώνεται κατά 70 ms. Αυτή η τιμή είναι αρκετά συνεπής με τα συμπεράσματα από τις εξισώσεις GR που προβλέπουν αύξηση της ταχύτητας περιστροφής τέτοιων συστημάτων λόγω της δαπάνης ενέργειας για τη δημιουργία βαρυτικών κυμάτων. Στη συνέχεια, ανακαλύφθηκαν αρκετά διπλά πάλσαρ και λευκοί νάνοι με παρόμοια συμπεριφορά. Οι αστρονόμοι του ραδιοφώνου D. Taylor και R. Hulse τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής το 1993 για την ανακάλυψη νέων δυνατοτήτων για τη μελέτη των βαρυτικών πεδίων.

Ένα άπιαστο βαρυτικό κύμα

Η πρώτη δήλωση σχετικά με την ανίχνευση κυμάτων βαρύτητας προήλθε από τον επιστήμονα του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ, Joseph Weber (ΗΠΑ) το 1969. Για τους σκοπούς αυτούς, χρησιμοποίησε δύο βαρυτικές κεραίες δικής του σχεδίασης, που χωρίζονται σε απόσταση δύο χιλιομέτρων. Ο ανιχνευτής συντονισμού ήταν ένας καλά δονούμενος μονοκόμματος κύλινδρος αλουμινίου δύο μέτρων, εξοπλισμένος με ευαίσθητους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες. Το πλάτος των διακυμάνσεων που φέρεται να κατέγραψε ο Weber αποδείχθηκε ότι ήταν περισσότερο από ένα εκατομμύριο φορές υψηλότερο από την αναμενόμενη τιμή. Οι προσπάθειες άλλων επιστημόνων που χρησιμοποιούν τέτοιο εξοπλισμό να επαναλάβουν την «επιτυχία» του Αμερικανού φυσικού δεν έφεραν θετικά αποτελέσματα. Λίγα χρόνια αργότερα, το έργο του Weber σε αυτόν τον τομέα αναγνωρίστηκε ως αβάσιμο, αλλά έδωσε ώθηση στην ανάπτυξη μιας «βαρυτικής έκρηξης» που προσέλκυσε πολλούς ειδικούς σε αυτόν τον τομέα έρευνας. Παρεμπιπτόντως, ο ίδιος ο Joseph Weber μέχρι το τέλος των ημερών του ήταν σίγουρος ότι έλαβε βαρυτικά κύματα.

Βελτίωση του εξοπλισμού λήψης

Στη δεκαετία του '70, ο επιστήμονας Bill Fairbank (ΗΠΑ) ανέπτυξε το σχεδιασμό μιας κεραίας βαρυτικών κυμάτων που ψύχεται χρησιμοποιώντας SQUIDs - υπερευαίσθητα μαγνητόμετρα. Οι τεχνολογίες που υπήρχαν εκείνη την εποχή δεν επέτρεπαν στον εφευρέτη να δει το προϊόν του, υλοποιημένο σε «μέταλλο».

Σύμφωνα με αυτή την αρχή, ο βαρυτικός ανιχνευτής Auriga κατασκευάστηκε στο Εθνικό Εργαστήριο Legnard (Πάντοβα, Ιταλία). Ο σχεδιασμός βασίζεται σε έναν κύλινδρο αλουμινίου-μαγνήσιου, μήκους 3 μέτρων και διαμέτρου 0,6 μ. Η συσκευή λήψης βάρους 2,3 τόνων είναι αναρτημένη σε απομονωμένο θάλαμο κενού που έχει ψυχθεί σχεδόν στο απόλυτο μηδέν. Ένας βοηθητικός συντονιστής κιλών και ένα συγκρότημα μέτρησης που βασίζεται σε υπολογιστή χρησιμοποιούνται για τη διόρθωση και την ανίχνευση τρόμου. Η δηλωμένη ευαισθησία του εξοπλισμού είναι 10 -20 .

Συμβολόμετρα

Η λειτουργία των ανιχνευτών παρεμβολής βαρυτικών κυμάτων βασίζεται στις ίδιες αρχές με τις οποίες λειτουργεί το συμβολόμετρο Michelson. Η δέσμη λέιζερ που εκπέμπεται από την πηγή χωρίζεται σε δύο ρεύματα. Μετά από πολλαπλές αντανακλάσεις και διαδρομές κατά μήκος των ώμων της συσκευής, οι ροές συγκεντρώνονται ξανά και η τελευταία χρησιμοποιείται για να κριθεί εάν τυχόν διαταραχές (για παράδειγμα, ένα βαρυτικό κύμα) επηρέασαν την πορεία των ακτίνων. Παρόμοιος εξοπλισμός έχει δημιουργηθεί σε πολλές χώρες:

• GEO 600 (Ανόβερο, Γερμανία). Το μήκος των σηράγγων κενού είναι 600 μέτρα.
• TAMA (Ιαπωνία) με ώμους 300 μ.
• Το VIRGO (Πίζα, Ιταλία) είναι ένα κοινό γαλλοϊταλικό έργο που ξεκίνησε το 2007 με σήραγγες μήκους 3 χιλιομέτρων.
• LIGO (ΗΠΑ, Ακτή του Ειρηνικού), κυνηγώντας κύματα βαρύτητας από το 2002.

Το τελευταίο αξίζει να εξεταστεί με περισσότερες λεπτομέρειες.

LIGO Advanced

Το έργο δημιουργήθηκε με πρωτοβουλία επιστημόνων από τη Μασαχουσέτη και την Καλιφόρνια τεχνολογικά ιδρύματα. Περιλαμβάνει δύο παρατηρητήρια που χωρίζονται κατά 3 χιλιάδες χιλιόμετρα, στην Ουάσιγκτον (πόλεις Λίβινγκστον και Χάνφορντ) με τρία πανομοιότυπα συμβολόμετρα. Το μήκος των κάθετων σηράγγων κενού είναι 4 χιλιάδες μέτρα. Αυτές είναι οι μεγαλύτερες τέτοιες δομές που λειτουργούν αυτή τη στιγμή. Μέχρι το 2011, πολυάριθμες προσπάθειες ανίχνευσης κυμάτων βαρύτητας δεν έφεραν κανένα αποτέλεσμα. Ο σημαντικός εκσυγχρονισμός που πραγματοποιήθηκε (Advanced LIGO) αύξησε την ευαισθησία του εξοπλισμού στην περιοχή των 300-500 Hz κατά περισσότερο από πέντε φορές και στην περιοχή χαμηλής συχνότητας (έως 60 Hz) κατά σχεδόν μια τάξη μεγέθους, φτάνοντας μια τέτοια πολυπόθητη αξία 10 -21 . Το ενημερωμένο έργο ξεκίνησε τον Σεπτέμβριο του 2015 και οι προσπάθειες χιλίων και πλέον εργαζομένων της συνεργασίας ανταμείφθηκαν με τα αποτελέσματα.

Εντοπίστηκαν βαρυτικά κύματα

Στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, προηγμένοι ανιχνευτές LIGO με διάστημα 7 ms κατέγραψαν βαρυτικά κύματα που έφτασαν στον πλανήτη μας από το μεγαλύτερο φαινόμενο που συνέβη στα περίχωρα του παρατηρήσιμου Σύμπαντος - τη συγχώνευση δύο μεγάλων μαύρων οπών με μάζες 29 και 36 φορές μάζα του Ήλιου. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, η οποία έλαβε χώρα πριν από περισσότερα από 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια, περίπου τρεις ηλιακές μάζες ύλης δαπανήθηκαν για την ακτινοβολία των κυμάτων βαρύτητας σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Η σταθερή αρχική συχνότητα των βαρυτικών κυμάτων ήταν 35 Hz και η μέγιστη τιμή κορυφής έφτασε τα 250 Hz.

Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν υποβλήθηκαν επανειλημμένα σε ολοκληρωμένη επαλήθευση και επεξεργασία και οι εναλλακτικές ερμηνείες των δεδομένων που ελήφθησαν διακόπηκαν προσεκτικά. Τέλος, πέρυσι ανακοινώθηκε στην παγκόσμια κοινότητα η απευθείας καταγραφή του φαινομένου που είχε προβλέψει ο Αϊνστάιν.

Ένα γεγονός που δείχνει το τιτάνιο έργο των ερευνητών: το πλάτος των διακυμάνσεων στις διαστάσεις των βραχιόνων συμβολόμετρου ήταν 10 -19 m - αυτή η τιμή είναι τόσο μικρότερη από τη διάμετρο ενός ατόμου όσο και μικρότερη από ένα πορτοκαλί.

Προοπτικές για το μέλλον

Αυτή η ανακάλυψη το επιβεβαιώνει περαιτέρω Γενική θεωρίαΗ σχετικότητα δεν είναι απλώς ένα σύνολο αφηρημένων τύπων, αλλά βασικά Μια νέα ματιάγια την ουσία των βαρυτικών κυμάτων και της βαρύτητας γενικότερα.

ΣΤΟ περαιτέρω έρευναΟι επιστήμονες εναποθέτουν μεγάλες ελπίδες στο έργο ELSA: τη δημιουργία ενός γιγαντιαίου τροχιακού συμβολόμετρου με βραχίονες περίπου 5 εκατομμυρίων χιλιομέτρων, ικανού να ανιχνεύει ακόμη και μικρές διαταραχές βαρυτικών πεδίων. Η εντατικοποίηση της δουλειάς προς αυτή την κατεύθυνση μπορεί να πει πολλά για τα κύρια στάδια στην ανάπτυξη του Σύμπαντος, για διαδικασίες που είναι δύσκολο ή αδύνατο να παρατηρηθούν στα παραδοσιακά συγκροτήματα. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι οι μαύρες τρύπες, των οποίων τα βαρυτικά κύματα θα καταγραφούν στο μέλλον, θα πουν πολλά για τη φύση τους.

Να μελετήσουμε τη λειψυδική βαρυτική ακτινοβολία που μπορεί να πει για τις πρώτες στιγμές του κόσμου μας μετά μεγάλη έκρηξη, θα απαιτηθούν πιο ευαίσθητα διαστημικά όργανα. Τέτοιο έργο υπάρχει Big Bang Observer), αλλά η εφαρμογή του, σύμφωνα με τους ειδικούς, είναι δυνατή όχι νωρίτερα από 30-40 χρόνια.