Vào thứ Năm, ngày 11 tháng Hai, một nhóm các nhà khoa học từ dự án quốc tế LIGO Scientific Collaboration thông báo rằng họ đã thành công, sự tồn tại của dự án đã được Albert Einstein dự đoán vào năm 1916. Theo các nhà nghiên cứu, vào ngày 14 tháng 9 năm 2015, họ đã ghi lại một sóng hấp dẫn, được tạo ra bởi sự va chạm của hai lỗ đen có khối lượng gấp 29 và 36 lần khối lượng của Mặt trời, sau đó chúng hợp nhất thành một lỗ đen lớn. . Theo họ, điều này được cho là đã xảy ra cách đây 1,3 tỷ năm ở khoảng cách 410 Megaparsec so với thiên hà của chúng ta.

LIGA.net đã nói chi tiết về sóng hấp dẫn và khám phá quy mô lớn Bohdan Hnatyk, Nhà khoa học Ukraine, nhà vật lý thiên văn, Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học, Nhà nghiên cứu hàng đầu của Đài quan sát Thiên văn Kyiv đại học Quốc giađược đặt theo tên của Taras Shevchenko, người đứng đầu đài thiên văn từ năm 2001 đến năm 2004.

Học thuyết ngôn ngữ đơn giản

Vật lý học nghiên cứu sự tương tác giữa các cơ thể. Người ta đã xác định được rằng có bốn loại tương tác giữa các vật thể: điện từ, tương tác hạt nhân mạnh và yếu và tương tác hấp dẫn, chúng ta đều cảm nhận được. Do tương tác hấp dẫn, các hành tinh quay quanh Mặt trời, các thiên thể có trọng lượng và rơi xuống đất. Con người thường xuyên phải đối mặt với tương tác hấp dẫn.

Vào năm 1916, 100 năm trước, Albert Einstein đã xây dựng một lý thuyết hấp dẫn cải tiến lý thuyết hấp dẫn của Newton, khiến nó trở nên chính xác về mặt toán học: nó bắt đầu đáp ứng tất cả các yêu cầu của vật lý, bắt đầu tính đến thực tế là lực hấp dẫn truyền ở một mức độ rất cao. , nhưng tốc độ hữu hạn. Đây đúng là một trong những thành tựu tham vọng nhất của Einstein, khi ông xây dựng một lý thuyết về lực hấp dẫn tương ứng với tất cả các hiện tượng vật lý mà chúng ta quan sát ngày nay.

Lý thuyết này cũng gợi ý về sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Cơ sở của dự đoán này là sóng hấp dẫn tồn tại là kết quả của tương tác hấp dẫn xảy ra do sự hợp nhất của hai vật thể có khối lượng lớn.

Sóng hấp dẫn là gì

Trong một ngôn ngữ phức tạp, đây là sự kích thích của thước đo không-thời gian. "Giả sử không gian có độ co giãn nhất định và sóng có thể chạy qua nó. Giống như khi chúng ta ném một viên sỏi vào nước và sóng phân tán từ nó", Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học nói với LIGA.net.

Các nhà khoa học đã thực nghiệm chứng minh rằng một sự dao động như vậy diễn ra trong Vũ trụ và sóng hấp dẫn chạy theo mọi hướng. "Phương pháp vật lý thiên văn là phương pháp đầu tiên ghi lại hiện tượng tiến hóa thảm khốc như vậy của một hệ nhị phân, khi hai vật thể hợp nhất thành một, và sự hợp nhất này dẫn đến sự giải phóng năng lượng hấp dẫn rất mạnh, sau đó lan truyền trong không gian dưới dạng nhà khoa học giải thích.

Nó trông như thế nào (ảnh - EPA)

Các sóng hấp dẫn này rất yếu và để chúng dao động trong không-thời gian, cần có sự tương tác của các vật thể rất lớn và có khối lượng lớn để cường độ trường hấp dẫn tại nơi phát sinh là lớn. Tuy nhiên, bất chấp sự yếu kém của họ, người quan sát sau một thời gian nhất định ( bằng khoảng cách tương tác chia cho tốc độ của tín hiệu) sẽ ghi lại sóng hấp dẫn này.

Hãy đưa ra một ví dụ: nếu Trái đất rơi vào Mặt trời, thì một tương tác hấp dẫn sẽ xảy ra: năng lượng hấp dẫn sẽ được giải phóng, một sóng hấp dẫn đối xứng cầu sẽ hình thành và người quan sát có thể ghi lại nó. "Ở đây, một hiện tượng tương tự, nhưng duy nhất, theo quan điểm của vật lý thiên văn, đã xảy ra hiện tượng: hai vật thể khổng lồ - hai lỗ đen - va chạm vào nhau," Gnatyk lưu ý.

Quay lại lý thuyết

Lỗ đen là một dự đoán khác của thuyết tương đối rộng của Einstein, cho rằng một vật thể có khối lượng khổng lồ, nhưng khối lượng này tập trung ở một thể tích nhỏ, có thể làm biến dạng đáng kể không gian xung quanh nó, cho đến khi nó bị đóng lại. Đó là, người ta giả định rằng khi đạt tới nồng độ tới hạn của khối lượng của vật thể này - sao cho kích thước của vật thể sẽ nhỏ hơn cái gọi là bán kính hấp dẫn, thì không gian sẽ đóng lại xung quanh vật thể này và cấu trúc liên kết của nó sẽ sao cho không có tín hiệu từ nó sẽ lan truyền ra bên ngoài không gian đóng kín có thể không.

"Đó là, một lỗ đen, bằng những từ đơn giản, là một vật thể khổng lồ, nặng đến mức nó đóng lại không-thời gian xung quanh chính nó, "nhà khoa học nói.

Và chúng tôi, theo anh ta, có thể gửi bất kỳ tín hiệu nào đến đối tượng này, nhưng anh ta không thể gửi cho chúng tôi. Có nghĩa là, không có tín hiệu nào có thể vượt ra ngoài lỗ đen.

Một lỗ đen sống theo các quy luật vật lý thông thường, nhưng kết quả là trọng lực mạnh, không một cơ thể vật chất nào, ngay cả một photon, có khả năng vượt ra khỏi bề mặt quan trọng này. Các lỗ đen được hình thành trong quá trình tiến hóa của các ngôi sao bình thường khi sự sụp đổ xảy ra lõi trung tâm và một phần vật chất của ngôi sao, sụp đổ, biến thành một lỗ đen, và phần còn lại của ngôi sao bị đẩy ra dưới dạng vỏ của một siêu tân tinh, biến thành cái gọi là "chớp sáng" của một siêu tân tinh.

Làm thế nào chúng tôi nhìn thấy sóng hấp dẫn

Hãy lấy một ví dụ. Khi ta mắc hai vật nổi trên mặt nước và mặt nước lặng thì khoảng cách giữa chúng không đổi. Khi một con sóng đến, nó sẽ dịch chuyển các phao này và khoảng cách giữa các phao sẽ thay đổi. Sóng đã trôi qua - và các phao quay trở lại vị trí cũ của chúng, và khoảng cách giữa chúng được khôi phục.

Sóng hấp dẫn truyền theo một cách tương tự trong không-thời gian: nó nén và kéo dãn các vật thể và vật thể gặp nhau trên đường đi của nó. “Khi gặp một vật thể nào đó trên đường đi của sóng, nó sẽ biến dạng dọc theo các trục của nó, và sau khi đi qua, nó trở lại hình dạng cũ. Dưới tác dụng của sóng hấp dẫn, tất cả các vật thể đều bị biến dạng, nhưng những biến dạng này rất không đáng kể, ”Hnatyk nói.

Khi làn sóng đi qua, được các nhà khoa học ghi lại, kích thước tương đối của các vật thể trong không gian đã thay đổi một giá trị theo bậc từ 1 nhân 10 thành lũy thừa 21 trừ đi. Ví dụ: nếu bạn lấy một thước mét, thì nó thu nhỏ lại bằng một giá trị sao cho nó bằng kích thước của nó, nhân với 10 đến độ 21 trừ đi. Đây là một số tiền rất nhỏ. Và vấn đề là các nhà khoa học phải học cách đo khoảng cách này. Các phương pháp thông thường cho độ chính xác của thứ tự từ 1 đến 10 đến lũy thừa 9 của một triệu, nhưng ở đây cần nhiều hơn thế nữa. độ chính xác cao. Để làm được điều này, người ta đã tạo ra cái gọi là ăng-ten hấp dẫn (máy dò sóng hấp dẫn).

Đài quan sát LIGO (ảnh - EPA)

Ăng-ten ghi lại sóng hấp dẫn được cấu tạo theo cách này: có hai ống dài khoảng 4 km, được sắp xếp theo hình chữ "L", nhưng có cùng cánh tay và ở góc vuông. Khi một sóng hấp dẫn rơi vào hệ thống, nó làm biến dạng các cánh của ăng ten, nhưng tùy thuộc vào định hướng của nó, nó biến dạng nhiều hơn và ít hơn. Và khi đó có sự khác biệt về đường đi, kiểu giao thoa của tín hiệu thay đổi - có tổng biên độ dương hoặc âm.

“Nghĩa là, sự truyền của sóng hấp dẫn tương tự như sóng trên mặt nước truyền giữa hai phao nổi: nếu chúng ta đo khoảng cách giữa chúng trong và sau khi sóng truyền qua, chúng ta sẽ thấy rằng khoảng cách sẽ thay đổi, và sau đó trở thành Gnatyk nói.

Nó cũng đo sự thay đổi tương đối trong khoảng cách của hai cánh của giao thoa kế, mỗi cánh dài khoảng 4 km. Và chỉ những công nghệ và hệ thống rất chính xác mới có thể đo được sự dịch chuyển cực nhỏ của cánh do sóng hấp dẫn gây ra.

Ở rìa vũ trụ: làn sóng đến từ đâu

Các nhà khoa học đã ghi lại tín hiệu bằng hai thiết bị dò tìm của Mỹ được đặt tại hai bang Louisiana và Washington với khoảng cách khoảng 3 nghìn km. Các nhà khoa học đã có thể ước tính tín hiệu này đến từ đâu và từ khoảng cách nào. Các ước tính cho thấy rằng tín hiệu đến từ khoảng cách là 410 Megaparsec. Một megaparsec là khoảng cách mà ánh sáng truyền đi trong ba triệu năm.

Để dễ hình dung: thiên hà đang hoạt động gần chúng ta nhất với lỗ đen siêu lớn ở trung tâm là Centaurus A, cách chúng ta 4 Megaparsec, trong khi Tinh vân Tiên nữ ở khoảng cách 0,7 Megaparsec. Nhà khoa học cho biết: “Đó là khoảng cách mà tín hiệu sóng hấp dẫn đến rất lớn để tín hiệu đến Trái đất trong khoảng 1,3 tỷ năm. Đây là những khoảng cách vũ trụ đạt khoảng 10% đường chân trời của Vũ trụ chúng ta”.

Ở khoảng cách này, trong một thiên hà xa xôi nào đó, hai lỗ đen đã hợp nhất. Mặt khác, những lỗ này có kích thước tương đối nhỏ, mặt khác, biên độ tín hiệu lớn cho thấy chúng rất nặng. Người ta xác định rằng khối lượng của chúng lần lượt là 36 và 29 khối lượng mặt trời. Khối lượng của Mặt trời, như bạn đã biết, là một giá trị bằng 2 lần 10 đến 30 lũy thừa của một kilôgam. Sau khi hợp nhất, hai thiên thể này hợp nhất và bây giờ ở vị trí của chúng, một lỗ đen duy nhất đã hình thành, có khối lượng bằng 62 lần khối lượng Mặt trời. Cùng lúc đó, khoảng ba khối lượng Mặt trời văng ra dưới dạng năng lượng sóng hấp dẫn.

Ai đã phát hiện ra và khi nào

Các nhà khoa học thuộc dự án LIGO quốc tế đã phát hiện ra sóng hấp dẫn vào ngày 14 tháng 9 năm 2015. LIGO (Đài quan sát hấp dẫn giao thoa kế laser) là một dự án quốc tế trong đó một số quốc gia có đóng góp nhất định về tài chính và khoa học tham gia, đặc biệt là Hoa Kỳ, Ý, Nhật Bản, là những quốc gia tiên tiến trong lĩnh vực nghiên cứu này.

Giáo sư Rainer Weiss và Kip Thorne (ảnh - EPA)

Hình ảnh sau đây được ghi lại: có sự dịch chuyển các cánh của máy dò hấp dẫn, là kết quả của sự truyền thực tế của sóng hấp dẫn qua hành tinh của chúng ta và qua hệ thống lắp đặt này. Điều này đã không được báo cáo sau đó, bởi vì tín hiệu phải được xử lý, "làm sạch", biên độ của nó được tìm thấy và kiểm tra. Đây là một thủ tục tiêu chuẩn: từ một khám phá thực sự đến một thông báo về một khám phá, phải mất vài tháng để đưa ra một yêu cầu hợp lệ. "Không ai muốn làm hỏng danh tiếng của họ. Đây đều là những dữ liệu bí mật, trước khi được công bố - không ai biết về chúng, chỉ có tin đồn", Hnatyk nói.

Câu chuyện

Sóng hấp dẫnđược nghiên cứu từ những năm 1970. Trong thời gian này, một số công cụ phát hiện đã được tạo ra và một số nghiên cứu cơ bản. Vào những năm 80, nhà khoa học người Mỹ Joseph Weber đã chế tạo ăng ten hấp dẫn đầu tiên dưới dạng một hình trụ bằng nhôm, có kích thước khoảng vài mét, được trang bị các cảm biến piezo được cho là ghi lại sự truyền đi của sóng hấp dẫn.

Độ nhạy của thiết bị này kém hơn một triệu lần so với các máy dò hiện nay. Và, tất nhiên, anh ta không thể thực sự cố định làn sóng vào thời điểm đó, mặc dù Weber cũng nói rằng anh ta đã làm điều đó: báo chí đã viết về nó và có một "sự bùng nổ hấp dẫn" - thế giới ngay lập tức bắt đầu chế tạo ăng-ten hấp dẫn. Weber khuyến khích các nhà khoa học khác nghiên cứu sóng hấp dẫn và tiếp tục các thí nghiệm của họ về hiện tượng này, điều này giúp tăng độ nhạy của máy dò lên hàng triệu lần.

Tuy nhiên, chính hiện tượng sóng hấp dẫn đã được ghi nhận vào thế kỷ trước, khi các nhà khoa học phát hiện ra một pulsar đôi. Đó là sự đăng ký gián tiếp về thực tế là sóng hấp dẫn tồn tại, đã được chứng minh qua các quan sát thiên văn. Sao xung được phát hiện bởi Russell Hulse và Joseph Taylor vào năm 1974 trong khi quan sát bằng kính thiên văn vô tuyến của Đài quan sát Arecibo. Các nhà khoa học đã được trao giải Nobel năm 1993 "vì đã phát hiện ra một loại pulsar mới, mang lại cơ hội mới trong việc nghiên cứu lực hấp dẫn."

Nghiên cứu trên thế giới và Ukraine

Ở Ý, một dự án tương tự có tên là Virgo sắp hoàn thành. Nhật Bản cũng có ý định phóng một máy dò tương tự trong một năm, Ấn Độ cũng đang chuẩn bị một cuộc thử nghiệm như vậy. Tức là ở nhiều nơi trên thế giới cũng có những máy dò tương tự, nhưng chúng vẫn chưa đạt đến chế độ nhạy đó để chúng ta có thể nói đến việc cố định sóng hấp dẫn.

"Chính thức, Ukraine không phải là thành viên của LIGO và cũng không tham gia vào các dự án của Ý và Nhật Bản. Trong số các lĩnh vực cơ bản như vậy, Ukraine hiện đang tham gia vào dự án LHC (LHC - Large Hadron Collider) và trong CERN" (chúng tôi sẽ chính thức chỉ trở thành thành viên sau khi trả phí vào cửa) ", - Bogdan Gnatyk, Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học, nói với LIGA.net.

Theo ông, kể từ năm 2015 Ukraine đã trở thành thành viên đầy đủ của tổ chức hợp tác quốc tế CTA (MChT-Mảng của Kính thiên văn Cherenkov), tổ chức đang chế tạo một loại kính thiên văn hiện đại đa TeV dải gamma rộng (với năng lượng photon lên đến 1014 eV). "Các nguồn chính của các photon như vậy chính xác là vùng lân cận của các lỗ đen siêu lớn, bức xạ hấp dẫn lần đầu tiên được ghi lại bởi máy dò LIGO. Do đó, việc mở ra các cửa sổ mới trong thiên văn học - sóng hấp dẫn và đa TeV trường điện từ mới hứa hẹn cho chúng ta nhiều khám phá hơn nữa trong tương lai, ”nhà khoa học cho biết thêm.

Tiếp theo là gì và kiến ​​thức mới sẽ giúp ích gì cho mọi người? Các học giả không đồng ý. Một số người nói rằng đây chỉ là một bước khác trong việc tìm hiểu cơ chế của vũ trụ. Những người khác coi đây là bước đầu tiên hướng tới công nghệ mới để di chuyển xuyên thời gian và không gian. Bằng cách này hay cách khác, khám phá này một lần nữa chứng minh rằng chúng ta hiểu ít như thế nào và còn bao nhiêu điều cần học.

Bề mặt tự do của chất lỏng ở trạng thái cân bằng trong trọng trường là phẳng. Nếu dưới tác dụng của một tác động bên ngoài nào đó, bề mặt của chất lỏng ở nơi nào đó bị lệch khỏi vị trí cân bằng thì trong chất lỏng xảy ra chuyển động. Chuyển động này sẽ lan truyền dọc theo toàn bộ bề mặt của chất lỏng dưới dạng sóng, được gọi là sóng hấp dẫn, vì chúng là do tác động của trường hấp dẫn. Sóng hấp dẫn xảy ra chủ yếu trên bề mặt chất lỏng, càng ít bắt các lớp bên trong của nó, các lớp này càng nằm sâu.

Ở đây chúng ta sẽ xem xét các sóng hấp dẫn như vậy, trong đó tốc độ của các hạt chất lỏng chuyển động là nhỏ đến mức thuật ngữ trong phương trình Euler có thể bị bỏ qua so với điều kiện vật lý này. Trong một khoảng thời gian có thứ tự của chu kỳ dao động của các hạt chất lỏng trong sóng, các hạt này đi được một khoảng bằng bậc của biên độ a của sóng, do đó, tốc độ chuyển động của chúng có bậc là của Vận tốc v thay đổi đáng kể theo các khoảng thời gian của thứ tự và trên các khoảng cách của thứ tự dọc theo hướng truyền sóng (- sóng dài). Do đó, đạo hàm của tốc độ đối với thời gian là bậc và đối với tọa độ là bậc Như vậy, điều kiện tương đương với yêu cầu

tức là biên độ dao động của sóng phải nhỏ so với bước sóng. Trong § 9, chúng ta đã thấy rằng nếu số hạng có thể được bỏ qua trong phương trình chuyển động, thì chuyển động của chất lỏng là thế năng. Giả sử chất lỏng là không thể nén được, do đó chúng ta có thể sử dụng các phương trình (10.6) và (10.7). Trong phương trình (10.7) bây giờ chúng ta có thể bỏ qua số hạng chứa bình phương tốc độ; đặt và đưa thuật ngữ vào trường trọng lực, chúng ta nhận được:

(12,2)

Như thường lệ, chúng ta chọn trục, theo phương thẳng đứng hướng lên, và là mặt phẳng x, y, chúng ta chọn mặt phẳng cân bằng của chất lỏng.

Chúng tôi sẽ biểu thị - tọa độ của các điểm trên bề mặt của chất lỏng bằng; là một hàm của tọa độ x, y và thời gian t. Ở trạng thái cân bằng, bề mặt chất lỏng có sự dịch chuyển theo phương thẳng đứng khi nó dao động.

Để một áp suất không đổi tác dụng lên bề mặt chất lỏng Khi đó ta có bề mặt theo (12.2)

Hằng số có thể được loại bỏ bằng cách xác định lại thế năng (bằng cách thêm vào nó một đại lượng độc lập với tọa độ. Khi đó, điều kiện trên bề mặt chất lỏng có dạng

Biên độ dao động trong sóng càng nhỏ thì độ dời càng nhỏ. Do đó, chúng ta có thể giả sử, theo cùng một cách gần đúng, thành phần thẳng đứng của tốc độ chuyển động của các điểm trên bề mặt trùng với đạo hàm theo thời gian của độ dời Ho, do đó chúng ta có:

Do dao động nhỏ nên trong điều kiện này có thể lấy các giá trị của đạo hàm để thay thế. Do đó, cuối cùng ta thu được hệ phương trình xác định chuyển động trong sóng hấp dẫn sau đây:

Chúng ta sẽ xem xét các sóng trên bề mặt của một chất lỏng, giả sử rằng bề mặt này là không bị ràng buộc. Chúng ta cũng sẽ giả định rằng bước sóng nhỏ so với độ sâu của chất lỏng; thì người ta có thể coi chất lỏng là sâu vô hạn. Do đó, chúng tôi không viết các điều kiện biên ở các ranh giới bên và ở đáy của chất lỏng.

Xét một sóng hấp dẫn truyền dọc theo trục và đều dọc theo trục; trong một sóng như vậy, tất cả các đại lượng không phụ thuộc vào tọa độ y. Chúng tôi sẽ tìm kiếm một giải pháp đơn giản chức năng tuần hoàn thời gian và tọa độ x:

Trong đó (là tần số tuần hoàn (chúng ta sẽ nói về nó đơn giản là tần số), k là vectơ sóng của sóng, là bước sóng. Thay biểu thức này vào phương trình, chúng ta thu được phương trình của hàm

Dung dịch của nó phân rã theo độ sâu của chất lỏng (tức là ở):

Chúng ta cũng phải thỏa mãn điều kiện biên (12.5), Thay (12.5) vào nó, chúng ta tìm thấy mối quan hệ giữa vectơ sóng b tần số (hoặc, như người ta nói, định luật phân tán của sóng):

Sự phân bố các vận tốc trong chất lỏng thu được bằng cách phân biệt thế năng đối với các tọa độ:

Ta thấy vận tốc giảm dần theo cấp số nhân theo chiều vào sâu trong chất lỏng. Tại mỗi điểm nhất định trong không gian (nghĩa là với x, z cho trước), vectơ vận tốc quay đều trong mặt phẳng x, độ lớn không đổi.

Chúng ta hãy cũng xác định quỹ đạo của các hạt chất lỏng trong sóng. Chúng ta hãy tạm thời ký hiệu x, z tọa độ của một hạt chất lỏng chuyển động (chứ không phải tọa độ của một điểm cố định trong không gian), và theo nghĩa - giá trị của x, cho vị trí cân bằng của hạt. Sau đó, a ở bên phải của (12.8) có thể được viết gần đúng thay vì, sử dụng độ nhỏ của dao động. Tích hợp theo thời gian mang lại:

Do đó, các hạt chất lỏng mô tả các vòng tròn xung quanh các điểm có bán kính giảm dần theo cấp số nhân theo hướng sâu vào chất lỏng.

Vận tốc truyền sóng U bằng, như thể hiện trong § 67. Thay vào đây ta thấy rằng vận tốc truyền của sóng hấp dẫn trên bề mặt không giới hạn của chất lỏng sâu vô hạn bằng

Nó tăng khi tăng bước sóng.

Sóng hấp dẫn dài

Khi đã xét đến sóng hấp dẫn, chiều dài của sóng này nhỏ so với độ sâu của chất lỏng, bây giờ chúng ta xem xét trường hợp giới hạn ngược lại của sóng, chiều dài của sóng này lớn hơn so với độ sâu của chất lỏng.

Những sóng như vậy được gọi là sóng dài.

Trước hết hãy xem xét sự lan truyền của sóng dài trong một kênh. Chiều dài của kênh (hướng theo trục x) sẽ được coi là không giới hạn. Mặt cắt ngang của kênh có thể có hình dạng tùy ý và có thể thay đổi theo chiều dài của kênh. Diện tích mặt cắt ngang của chất lỏng trong kênh sẽ được ký hiệu là Chiều sâu và chiều rộng của kênh được giả định là nhỏ so với bước sóng.

Ở đây chúng ta sẽ xem xét các sóng dài dọc, trong đó chất lỏng di chuyển dọc theo kênh. Trong các sóng như vậy, thành phần vận tốc dọc theo chiều dài kênh là lớn so với các thành phần

Chỉ đơn giản là biểu thị v và bỏ qua các số hạng nhỏ, chúng ta có thể viết -component của phương trình Euler dưới dạng

và -component - trong biểu mẫu

(chúng ta bỏ qua các thuật ngữ bậc hai trong vận tốc, vì biên độ sóng vẫn được coi là nhỏ). Từ phương trình thứ hai, chúng ta có, nhận thấy rằng trên bề mặt tự do) phải có

Thay biểu thức này vào phương trình đầu tiên, chúng ta nhận được:

Phương trình thứ hai để xác định hai ẩn số có thể được suy ra bằng một phương pháp tương tự như phương pháp tính liên tục. Phương trình này về cơ bản là một phương trình liên tục được áp dụng cho trường hợp đang xét. Chúng ta hãy coi thể tích chất lỏng nằm giữa hai mặt phẳng của mặt cắt ngang của kênh, chúng cách xa nhau. Trong một đơn vị thời gian, một thể tích chất lỏng sẽ đi vào một mặt phẳng bằng và một thể tích sẽ thoát ra qua mặt phẳng kia. Do đó, thể tích chất lỏng giữa cả hai mặt phẳng sẽ thay đổi bằng

, HOA KỲ
© REUTERS, Tài liệu phát tay

Sóng hấp dẫn cuối cùng đã được phát hiện

Khoa học Phổ Thông

Dao động trong không-thời gian được phát hiện một thế kỷ sau khi chúng được Einstein tiên đoán. Bắt đầu kỷ nguyên mới trong thiên văn học.

Các nhà khoa học đã có thể phát hiện ra những biến động trong không-thời gian gây ra bởi các vụ sáp nhập lỗ đen. Điều này xảy ra một trăm năm sau khi Albert Einstein dự đoán những "sóng hấp dẫn" này trong thuyết tương đối rộng của ông, và một trăm năm sau khi các nhà vật lý bắt đầu tìm kiếm chúng.

Phát hiện mang tính bước ngoặt đã được báo cáo hôm nay bởi các nhà nghiên cứu tại Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser LIGO. Họ xác nhận những tin đồn xoay quanh việc phân tích bộ dữ liệu đầu tiên mà họ thu thập được trong vài tháng. Các nhà vật lý thiên văn cho biết việc phát hiện ra sóng hấp dẫn cung cấp một cách nhìn mới về vũ trụ và giúp chúng ta có thể nhận ra các sự kiện ở xa không thể nhìn thấy trong kính thiên văn quang học, nhưng bạn có thể cảm nhận và thậm chí nghe thấy tiếng run rẩy yếu ớt của chúng truyền đến chúng ta trong không gian.

“Chúng tôi đã phát hiện ra sóng hấp dẫn. Chúng ta làm được rồi!" David Reitze, giám đốc điều hành của nhóm nghiên cứu 1.000 thành viên, đã công bố trong một cuộc họp báo ở Washington DC tại Quỹ Khoa học Quốc gia hôm nay.

Sóng hấp dẫn có lẽ là hiện tượng khó nắm bắt nhất trong các dự đoán của Einstein, nhà khoa học đã thảo luận về chủ đề này với những người cùng thời trong nhiều thập kỷ. Theo lý thuyết của ông, không gian và thời gian tạo thành một vật chất kéo dài và uốn cong dưới tác động của các vật nặng. Cảm nhận được lực hấp dẫn có nghĩa là rơi vào những khúc quanh của vấn đề này. Nhưng liệu không-thời gian này có thể run lên như da trống không? Einstein bối rối, ông không biết phương trình của mình có nghĩa là gì. Và nhiều lần thay đổi quan điểm của mình. Nhưng ngay cả những người ủng hộ trung thành nhất lý thuyết của ông cũng tin rằng sóng hấp dẫn quá yếu để có thể quan sát được. Chúng đổ ra bên ngoài sau một số trận đại hồng thủy, và luân phiên kéo giãn và nén không-thời gian khi chúng di chuyển. Nhưng vào thời điểm những con sóng này đến Trái đất, chúng đang kéo dài và nén từng km không gian bằng một phần nhỏ đường kính của hạt nhân nguyên tử.

© REUTERS, Máy dò đài quan sát Hangout LIGO ở Hanford, Washington

Để phát hiện ra những con sóng này, cần có sự kiên nhẫn và thận trọng. Đài quan sát LIGO đã bắn các chùm tia laze qua lại dọc theo đầu gối vuông góc, dài 4 km của hai thiết bị dò tìm, một ở Hanford, Washington và một ở Livingston, Louisiana. Điều này được thực hiện để tìm kiếm sự mở rộng và co lại phù hợp của các hệ thống này trong quá trình truyền sóng hấp dẫn. Sử dụng bộ ổn định hiện đại, thiết bị chân không và hàng nghìn cảm biến, các nhà khoa học đã đo được những thay đổi về độ dài của các hệ thống này chỉ bằng một phần nghìn kích thước của một proton. Độ nhạy như vậy của các dụng cụ là điều không thể tưởng tượng được cách đây hàng trăm năm. Không thể tin được nó dường như vào năm 1968, khi Rainer Weiss (Rainer Weiss) từ Massachusetts Viện công nghệ hình thành một thí nghiệm được gọi là LIGO.

“Thật là một phép màu tuyệt vời khi cuối cùng họ đã thành công. Họ đã có thể thu nhận những rung động nhỏ bé đó! ” Nhà vật lý lý thuyết Daniel Kennefick của Đại học Arkansas, người đã viết cuốn sách Du hành với tốc độ suy nghĩ: Einstein năm 2007 cho biết và Truy tìm Sóng hấp dẫn (Du hành với tốc độ của suy nghĩ. Einstein và việc tìm kiếm sóng hấp dẫn).

Khám phá này đánh dấu sự khởi đầu của một kỷ nguyên mới trong thiên văn học sóng hấp dẫn. Người ta hy vọng rằng chúng ta sẽ có những ý tưởng chính xác hơn về sự hình thành, thành phần và vai trò thiên hà của lỗ đen - những quả cầu siêu nặng có khối lượng làm cong không-thời gian đến mức thậm chí không ánh sáng có thể thoát ra khỏi nó. Khi các lỗ đen tiếp cận nhau và hợp nhất, chúng tạo ra tín hiệu xung- Các dao động không gian-thời gian tăng lên về biên độ và âm sắc, sau đó kết thúc đột ngột. Những tín hiệu mà đài quan sát có thể phát hiện nằm trong dải âm thanh - tuy nhiên, chúng quá yếu để có thể nghe thấy bằng tai thường. Bạn có thể tạo lại âm thanh này bằng cách lướt ngón tay trên các phím đàn piano. Weiss nói: “Hãy bắt đầu ở nốt thấp nhất và làm theo cách của bạn lên đến quãng tám thứ ba. "Đó là những gì chúng tôi nghe thấy."

Các nhà vật lý đã rất ngạc nhiên về số lượng và cường độ của các tín hiệu được ghi lại trên khoảnh khắc này. Điều này có nghĩa là có nhiều lỗ đen trên thế giới hơn người ta tưởng. “Chúng tôi đã may mắn, nhưng tôi luôn tin tưởng vào loại may mắn này,” nhà vật lý thiên văn Caltech Kip Thorne, người đồng tạo ra LIGO với Weiss và Ronald Drever, cũng từ Caltech, cho biết. "Nó thường xảy ra khi một cửa sổ hoàn toàn mới mở ra trong vũ trụ."

Bằng cách lắng nghe sóng hấp dẫn, chúng ta có thể hình thành những ý tưởng hoàn toàn khác về không gian, và có thể khám phá ra những hiện tượng vũ trụ không thể tưởng tượng được.

"Tôi có thể so sánh nó với lần đầu tiên chúng tôi hướng kính viễn vọng lên bầu trời", nhà vật lý thiên văn lý thuyết Janna Levin thuộc Đại học Barnard College nói. “Mọi người hiểu rằng có thứ gì đó ngoài kia, và bạn có thể nhìn thấy nó, nhưng họ không thể dự đoán được những khả năng đáng kinh ngạc tồn tại trong vũ trụ.” Tương tự, Levine lưu ý, việc phát hiện ra sóng hấp dẫn có thể cho thấy rằng vũ trụ “đầy vật chất tối, mà chúng ta không thể xác định đơn giản bằng kính thiên văn.

Câu chuyện về sự phát hiện ra sóng hấp dẫn đầu tiên bắt đầu vào sáng thứ Hai của tháng Chín, và nó bắt đầu từ bông. Tín hiệu rõ ràng và lớn đến mức Weiss nghĩ: "Không, điều này thật vô lý, sẽ chẳng có gì xảy ra."

Cường độ của cảm xúc

Sóng hấp dẫn đầu tiên này quét qua các máy dò của LIGO được nâng cấp — đầu tiên tại Livingston và bảy mili giây sau đó tại Hanford — trong một lần chạy mô phỏng vào những giờ đầu ngày 14 tháng 9, hai ngày trước khi chính thức bắt đầu thu thập dữ liệu.

Các máy dò đã được "chạy vào" sau quá trình hiện đại hóa, kéo dài 5 năm và tiêu tốn 200 triệu đô la. Chúng được trang bị hệ thống treo gương mới để giảm tiếng ồn và hệ thống phản hồi tích cực để triệt tiêu các rung động ngoại lai trong thời gian thực. Việc nâng cấp đã giúp đài quan sát được cải thiện nhiều hơn cấp độ caođộ nhạy so với LIGO cũ, từ năm 2002 đến 2010 đã tìm thấy "độ không tuyệt đối và thực", như Weiss đã nói.

Khi tín hiệu mạnh mẽ được đưa ra vào tháng 9, các nhà khoa học ở châu Âu, nơi trời đã sáng, bắt đầu bắn phá các đồng nghiệp Mỹ của họ bằng các tin nhắn e-mail. Khi những người còn lại trong nhóm tỉnh dậy, tin tức đã lan truyền rất nhanh. Weiss nói rằng hầu như mọi người đều nghi ngờ, đặc biệt là khi họ nhìn thấy tín hiệu. Đó là một cuốn sách kinh điển thực sự, và vì vậy một số người nghĩ rằng nó là giả.

Những tuyên bố sai lầm trong việc tìm kiếm sóng hấp dẫn đã được đưa ra nhiều lần kể từ cuối những năm 1960, khi Joseph Weber của Đại học Maryland cho rằng ông đã phát hiện ra dao động cộng hưởng trong một hình trụ bằng nhôm với các cảm biến phản ứng lại sóng. Vào năm 2014, một thí nghiệm được gọi là BICEP2 đã diễn ra, dẫn đến việc công bố phát hiện ra sóng hấp dẫn nguyên thủy - những dao động không-thời gian từ Vụ nổ lớn, đến nay đã kéo dài và đóng băng vĩnh viễn trong hình học của vũ trụ. Các nhà khoa học từ nhóm BICEP2 đã công bố khám phá của họ với sự phô trương lớn, nhưng sau đó kết quả của họ đã được xác minh một cách độc lập, kết quả là họ đã nhầm và tín hiệu này đến từ bụi vũ trụ.

Khi nhà vũ trụ học Lawrence Krauss của Đại học Bang Arizona nghe về phát hiện của nhóm LIGO, ban đầu ông nghĩ rằng đó là một "trò lừa bịp mù quáng". Trong quá trình hoạt động của đài quan sát cũ, các tín hiệu mô phỏng được đưa vào các luồng dữ liệu một cách lén lút để kiểm tra phản ứng, và hầu hết Nhóm nghiên cứu không biết về nó. Khi Krauss biết được từ một nguồn thạo tin rằng lần này không phải là một cuộc "tung hỏa mù", anh ta khó có thể kìm chế được sự phấn khích vui sướng của mình.

Vào ngày 25 tháng 9, anh ấy nói với 200.000 người theo dõi của mình trên Twitter: "Tin đồn về một sóng hấp dẫn được phát hiện trên Máy dò LIGO. Thật đáng kinh ngạc nếu đúng. Tôi sẽ cho bạn biết chi tiết nếu nó không phải là giả. Tiếp theo là một mục từ ngày 11 tháng 1: "Các tin đồn trước đây về LIGO đã được xác nhận nguồn độc lập. Theo dõi tin tức. Có lẽ sóng hấp dẫn đã được phát hiện! ”

Quan điểm chính thức của các nhà khoa học như sau: không nói về tín hiệu nhận được cho đến khi có một trăm phần trăm chắc chắn. Thorne, tay chân bị ràng buộc bởi nghĩa vụ giữ bí mật này, thậm chí không nói bất cứ điều gì với vợ. “Tôi đã ăn mừng một mình,” anh nói. Để bắt đầu, các nhà khoa học quyết định quay trở lại ban đầu và phân tích mọi thứ đến từng chi tiết nhỏ nhất để tìm hiểu cách tín hiệu truyền qua hàng nghìn kênh đo lường của các máy dò khác nhau và để hiểu liệu có điều gì đó kỳ lạ tại thời điểm đó. tín hiệu đã được phát hiện. Họ không tìm thấy điều gì khác thường. Họ cũng loại trừ tin tặc, những người lẽ ra phải biết rõ nhất về hàng nghìn luồng dữ liệu trong suốt quá trình thử nghiệm. Thorn nói: “Ngay cả khi cả đội thực hiện những cú ném mù, chúng vẫn chưa đủ hoàn hảo và để lại rất nhiều dấu vết. "Nhưng không có dấu vết."

Trong những tuần sau đó, họ nghe thấy một tín hiệu khác, yếu hơn.

Các nhà khoa học đã phân tích hai tín hiệu đầu tiên, và họ nhận được ngày càng nhiều tín hiệu mới. Vào tháng Giêng, họ đã trình bày nghiên cứu của mình trên tạp chí Physical Review Letters. Vấn đề này sẽ trực tuyến ngày hôm nay. Theo ước tính của họ, ý nghĩa thống kê Tín hiệu đầu tiên, mạnh nhất vượt quá "5-sigma", có nghĩa là các nhà nghiên cứu chắc chắn 99,9999% về tính xác thực của nó.

lắng nghe trọng lực

Các phương trình của thuyết tương đối rộng của Einstein phức tạp đến mức hầu hết các nhà vật lý đã phải mất 40 năm mới đồng ý rằng có, sóng hấp dẫn tồn tại và có thể được phát hiện - ngay cả về mặt lý thuyết.

Lúc đầu, Einstein nghĩ rằng các vật thể không thể giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ hấp dẫn, nhưng sau đó ông đã thay đổi ý định. Trong tác phẩm lịch sử của mình, được viết vào năm 1918, ông đã chỉ ra loại vật thể nào có thể làm được điều này: các hệ thống hình quả tạ quay đồng thời quanh hai trục, ví dụ, các ngôi sao nhị phân và siêu tân tinh phát nổ như pháo. Chúng có thể tạo ra sóng trong không-thời gian.

© REUTERS, Tài liệu phát tay mô hình máy tính minh họa bản chất của sóng hấp dẫn trong hệ mặt trời

Nhưng Einstein và các đồng nghiệp của ông vẫn tiếp tục dao động. Một số nhà vật lý đã lập luận rằng ngay cả khi sóng tồn tại, thế giới sẽ dao động với chúng, và sẽ không thể cảm nhận được chúng. Và chỉ đến năm 1957 Richard Feynman (Richard Feynman) mới đóng cửa vấn đề này, chứng tỏ trong khóa học thử nghiệm suy nghĩ rằng nếu sóng hấp dẫn tồn tại, về mặt lý thuyết, chúng có thể được phát hiện. Nhưng không ai biết những hệ thống hình quả tạ này phổ biến như thế nào trong không gian vũ trụ, và sóng tạo ra mạnh hay yếu. “Cuối cùng, câu hỏi đặt ra là: liệu chúng ta có bao giờ tìm thấy chúng không?” Kennefick cho biết.

Năm 1968, Rainer Weiss là một giáo sư trẻ tại MIT và được chỉ định giảng dạy một khóa học về thuyết tương đối rộng. Là một nhà thí nghiệm, anh ta biết rất ít về nó, nhưng đột nhiên có tin tức về việc Weber phát hiện ra sóng hấp dẫn. Weber đã chế tạo ba máy dò cộng hưởng cỡ bàn làm việc bằng nhôm và đặt chúng ở nhiều bang khác nhau của Mỹ. Bây giờ ông nói rằng cả ba máy dò đều ghi lại "âm thanh của sóng hấp dẫn."

Các sinh viên của Weiss được yêu cầu giải thích bản chất của sóng hấp dẫn và bày tỏ ý kiến ​​của họ về thông điệp. Nghiên cứu các chi tiết, anh ta bị ấn tượng bởi sự phức tạp của các phép tính toán học. “Tôi không thể hiểu Weber đang làm cái quái gì, các cảm biến tương tác với sóng hấp dẫn như thế nào. Tôi đã ngồi một lúc lâu và tự hỏi bản thân: “Điều gì nguyên thủy nhất mà tôi có thể nghĩ ra để phát hiện ra sóng hấp dẫn?” Và rồi một ý tưởng nảy ra trong đầu tôi, mà tôi gọi là cơ sở khái niệm của LIGO.

Hãy tưởng tượng ba vật thể trong không-thời gian, chẳng hạn như những tấm gương ở các góc của một tam giác. Weber nói: “Gửi tín hiệu đèn từ người này sang người khác. "Hãy xem mất bao lâu để đi từ khối lượng này sang khối lượng khác và xem liệu thời gian có thay đổi không." Hóa ra, nhà khoa học lưu ý, điều này có thể được thực hiện nhanh chóng. “Tôi giao việc này cho các sinh viên của mình như một nhiệm vụ khoa học. Theo nghĩa đen, cả nhóm đã có thể thực hiện những tính toán này. "

Trong những năm tiếp theo, khi các nhà nghiên cứu khác cố gắng tái tạo kết quả thí nghiệm máy dò cộng hưởng của Weber nhưng liên tục thất bại (không rõ ông đang quan sát những gì, nhưng chúng không phải là sóng hấp dẫn), Weiss bắt đầu chuẩn bị một thí nghiệm chính xác và đầy tham vọng hơn nhiều. : giao thoa kế sóng hấp dẫn. Chùm tia laze được phản xạ từ ba gương được lắp theo hình chữ "L" và tạo thành hai chùm tia. Khoảng thời gian của các đỉnh và điểm giảm của sóng ánh sáng cho biết chính xác độ dài của các khúc cua của chữ "G", tạo ra các trục x và y của không-thời gian. Khi cân đứng yên, hai sóng ánh sáng nảy ra các góc và triệt tiêu nhau. Tín hiệu trong máy dò bằng không. Nhưng nếu một sóng hấp dẫn đi qua Trái đất, nó sẽ kéo giãn chiều dài của một cánh tay của chữ "G" và nén chiều dài của cánh tay kia (và ngược lại một cách luân phiên). Sự không phù hợp của hai chùm sáng tạo ra một tín hiệu trong máy dò, cho thấy những dao động nhẹ trong không-thời gian.

Lúc đầu, các nhà vật lý đồng nghiệp tỏ ra nghi ngờ, nhưng thí nghiệm này nhanh chóng tìm thấy sự ủng hộ ở Thorne, người mà nhóm các nhà lý thuyết của Caltech đang nghiên cứu các lỗ đen và các nguồn sóng hấp dẫn tiềm năng khác, cũng như các tín hiệu mà chúng tạo ra. Thorne được truyền cảm hứng từ thí nghiệm Weber và những nỗ lực tương tự của các nhà khoa học Nga. Sau khi phát biểu tại một hội nghị với Weiss năm 1975, "Tôi bắt đầu tin rằng việc phát hiện ra sóng hấp dẫn sẽ thành công", Thorne nói. "Và tôi cũng muốn Caltech trở thành một phần trong số đó." Ông đã sắp xếp với viện để thuê nhà thí nghiệm người Scotland Ronald Driver, người cũng tuyên bố chế tạo một giao thoa kế sóng hấp dẫn. Theo thời gian, Thorne, Driver và Weiss bắt đầu làm việc như một nhóm, mỗi người giải quyết vô số vấn đề để chuẩn bị cho một thí nghiệm thực tế. Bộ ba thành lập LIGO vào năm 1984, và khi các nguyên mẫu được chế tạo và sự hợp tác bắt đầu như một phần của nhóm ngày càng phát triển, họ đã nhận được 100 triệu đô la tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia vào đầu những năm 1990. Các bản vẽ đã được vẽ ra để xây dựng một cặp máy dò hình chữ L khổng lồ. Một thập kỷ sau, các máy dò bắt đầu hoạt động.

Tại Hunford và Livingston, tại trung tâm của mỗi đầu gối dài bốn km của các máy dò, có một khoảng chân không, nhờ đó tia laser, chùm tia và gương của nó được cách ly tối đa khỏi các dao động liên tục của hành tinh. Để đảm bảo hơn nữa, các nhà khoa học của LIGO giám sát các máy dò của họ khi chúng hoạt động với hàng nghìn thiết bị, đo lường mọi thứ họ có thể: hoạt động địa chấn, áp suất khí quyển, tia chớp, sự xuất hiện của tia vũ trụ, độ rung của thiết bị, âm thanh trong khu vực của chùm tia laze, v.v. Sau đó, họ lọc dữ liệu của mình để tìm những tiếng ồn nền không liên quan này. Có lẽ điều chính là chúng có hai bộ dò và điều này cho phép bạn so sánh dữ liệu nhận được, kiểm tra chúng để biết sự hiện diện của các tín hiệu phù hợp.

Bối cảnh

Sóng hấp dẫn: hoàn thành những gì Einstein bắt đầu ở Bern

SwissInfo 13.02.2016

Làm thế nào các lỗ đen chết

Trung bình 19/10/2014
Marco Cavaglià, phó phát ngôn viên của dự án LIGO, cho biết bên trong chân không được tạo ra, ngay cả với tia laze và gương hoàn toàn cách ly và ổn định, “những điều kỳ lạ xảy ra liên tục”. Các nhà khoa học phải theo dõi những "con cá vàng", "bóng ma", "quái vật biển kỳ lạ" và các hiện tượng dao động ngoại lai khác, tìm ra nguồn gốc của chúng để loại bỏ nó. Một trường hợp khó khănđã xảy ra trong giai đoạn xác minh, Jessica McIver, nhà nghiên cứu của LIGO, người nghiên cứu các tín hiệu ngoại lai và nhiễu như vậy, cho biết. Một loạt các tạp âm tần số đơn định kỳ thường xuất hiện giữa các dữ liệu. McIver cho biết: Khi cô và các đồng nghiệp của mình chuyển đổi rung động của gương thành các tệp âm thanh, "tiếng chuông điện thoại trở nên rõ ràng." "Hóa ra đó là các nhà quảng cáo truyền thông đang gọi điện thoại bên trong phòng laser."

Trong hai năm tới, các nhà khoa học sẽ tiếp tục cải thiện độ nhạy của các máy dò của Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế bằng laze đã được nâng cấp LIGO. Và tại Ý, một giao thoa kế thứ ba có tên Advanced Virgo sẽ bắt đầu hoạt động. Một câu trả lời mà những phát hiện sẽ giúp đưa ra là cách các lỗ đen hình thành. Chúng có phải là sản phẩm của sự sụp đổ sớm nhất những ngôi sao lớn, hay chúng xuất hiện do va chạm trong các cụm sao dày đặc? Weiss nói: “Đây chỉ là hai phỏng đoán, tôi tin rằng sẽ còn nhiều hơn thế khi mọi thứ lắng xuống. Khi LIGO bắt đầu thu thập các số liệu thống kê mới trong quá trình làm việc sắp tới của mình, các nhà khoa học sẽ bắt đầu lắng nghe những câu chuyện về nguồn gốc của các lỗ đen mà không gian sẽ thì thầm với họ.

Đánh giá theo hình dạng và kích thước của nó, tín hiệu xung đầu tiên, lớn nhất xuất hiện 1,3 tỷ năm ánh sáng từ nơi mà sau một thời gian nhảy chậm vĩnh viễn dưới tác động của lực hút hấp dẫn lẫn nhau, hai lỗ đen, mỗi lỗ có khối lượng gấp 30 lần khối lượng của mặt trời, cuối cùng đã hợp nhất. Các lỗ đen quay vòng ngày càng nhanh, giống như một vòng xoáy, dần dần đến gần. Sau đó xảy ra sự hợp nhất, trong nháy mắt chúng phóng ra sóng hấp dẫn có năng lượng tương đương với năng lượng của ba Mặt trời. Sự hợp nhất này là hiện tượng năng lượng mạnh mẽ nhất từng được ghi nhận.

Thorn nói: “Giống như chúng ta chưa bao giờ nhìn thấy đại dương trong cơn bão. Ông đã chờ đợi cơn bão này trong không-thời gian từ những năm 1960. Cảm giác mà Thorn trải qua tại thời điểm những con sóng ập đến không thể gọi là sự phấn khích, anh nói. Đó là một cái gì đó khác: một cảm giác hài lòng sâu sắc.

Các tài liệu của InoSMI chỉ chứa các đánh giá của giới truyền thông nước ngoài và không phản ánh vị trí của các biên tập viên của InoSMI.

Việc phát hiện ra sóng hấp dẫn có ý nghĩa gì đối với chúng ta.

Tôi nghĩ mọi người đều đã biết rằng cách đây vài ngày, các nhà khoa học lần đầu tiên công bố phát hiện ra sóng hấp dẫn. Có rất nhiều tin tức về nó, trên TV, trên các trang tin tức và nói chung ở khắp mọi nơi. Tuy nhiên, đồng thời, không ai cảm thấy khó giải thích bằng một ngôn ngữ dễ tiếp cận những gì khám phá này mang lại cho chúng ta về mặt thực tế.

Trên thực tế, mọi thứ đều đơn giản, chỉ cần rút ra một phép tương tự với tàu ngầm là đủ:

Nguồn:

Phát hiện tàu ngầm là nhiệm vụ đầu tiên và chính trong cuộc chiến chống lại chúng. Giống như bất kỳ vật thể nào, con thuyền với sự hiện diện của nó ảnh hưởng đến môi trường. Nói cách khác, con thuyền có các trường vật chất của riêng nó. Các trường vật lý được biết đến nhiều hơn của tàu ngầm bao gồm thủy âm, từ trường, thủy động lực học, điện, điện từ tần số thấp, cũng như nhiệt, quang học. Việc lựa chọn các trường vật lý của con thuyền dựa trên nền của các trường đại dương (biển) làm cơ sở cho các phương pháp phát hiện chính.
Các phương pháp phát hiện tàu ngầm được phân chia theo loại trường vật lý: Âm học, Từ trường, Radar, Khí, Nhiệt, v.v.

Với không gian rác như nhau. Chúng ta nhìn các ngôi sao qua kính thiên văn, chụp ảnh sao Hỏa, bắt bức xạ và thường cố gắng biết các bầu trời theo tất cả các cách có sẵn. Và bây giờ, sau khi những sóng này đã được cố định, một phương pháp nghiên cứu khác đã được thêm vào - lực hấp dẫn. Chúng tôi sẽ có thể xem không gian dựa trên những biến động này.

Đó là, cách một tàu ngầm đi qua trong không gian biển và để lại "dấu vết" mà nó có thể được tính toán, theo cùng một cách Thiên thể, bây giờ có thể được nghiên cứu từ một góc độ khác để biết thêm hoàn thành bức tranh. Trong tương lai, chúng ta sẽ có thể thấy cách sóng hấp dẫn đi xung quanh các vùng sáng, thiên hà, hành tinh khác nhau, chúng ta sẽ học cách tính toán quỹ đạo vũ trụ của các vật thể tốt hơn (Và thậm chí có thể nhận ra và dự đoán trước cách tiếp cận của thiên thạch), chúng ta sẽ thấy hành vi của sóng trong các điều kiện đặc biệt, tốt, và tất cả những điều đó.

Nó sẽ cho cái gì?

Nó vẫn chưa rõ ràng. Nhưng theo thời gian, thiết bị sẽ trở nên chính xác và nhạy hơn, đồng thời thu thập nhiều tài liệu về sóng hấp dẫn. Dựa trên những tài liệu này, những bộ óc ham học hỏi sẽ bắt đầu tìm ra đủ thứ dị thường, câu đố và kiểu mẫu. Đến lượt nó, những quy luật và dị thường này sẽ phục vụ như một sự bác bỏ hoặc như một sự xác nhận của các lý thuyết cũ. Các công thức toán học bổ sung sẽ được tạo ra, các giả thuyết thú vị (các nhà khoa học Anh đã phát hiện ra rằng chim bồ câu tìm đường về nhà nhờ sóng hấp dẫn!) Và nhiều hơn thế nữa. Và báo chí vàng chắc chắn sẽ tung ra một số loại huyền thoại, chẳng hạn như "Sóng thần trọng lực", một ngày nào đó sẽ đến, bao phủ hệ mặt trời của chúng ta và tất cả các sinh vật sẽ bị đá. Và Wang sẽ lại bị lôi vào cuộc. Tóm lại là sẽ rất vui:]

Và kết quả là gì?

Kết quả là, chúng ta sẽ có được một lĩnh vực khoa học hoàn hảo hơn, có thể đưa ra cái nhìn chính xác hơn và bao quát hơn về thế giới của chúng ta. Và nếu bạn may mắn và các nhà khoa học bắt gặp một hiệu ứng tuyệt vời nào đó ... (Giống như, nếu hai sóng hấp dẫn trên mặt trăng tròn "đâm" vào nhau ở một góc nhất định với tốc độ thích hợp, thì một tâm phản trọng lực cục bộ sẽ xảy ra, oh-pa!) ... thì chúng ta có thể hy vọng vào tiến bộ khoa học nghiêm túc.

Vẫy tay và sóng hấp dẫn sẽ chạy khắp vũ trụ.
S. Popov, M. Prokhorov. Sóng ma của vũ trụ

Trong vật lý thiên văn, một sự kiện đã xảy ra đã được chờ đợi trong nhiều thập kỷ. Sau nửa thế kỷ tìm kiếm, sóng hấp dẫn cuối cùng đã được phát hiện, sự dao động của chính không-thời gian, đã được Einstein tiên đoán từ một trăm năm trước. Vào ngày 14 tháng 9 năm 2015, đài quan sát LIGO được cập nhật đã phát hiện một vụ nổ sóng hấp dẫn được tạo ra bởi sự hợp nhất của hai lỗ đen có khối lượng bằng 29 và 36 lần khối lượng Mặt Trời trong một thiên hà xa xôi ở khoảng cách 1,3 tỷ năm ánh sáng. Thiên văn học sóng hấp dẫn đã trở thành một nhánh chính thức của vật lý học; cô ấy đã tiết lộ cho chúng tôi cách mớiđể quan sát Vũ trụ và sẽ cho phép nghiên cứu các tác động không thể tiếp cận trước đây của lực hấp dẫn mạnh.

Sóng hấp dẫn

Các lý thuyết về lực hấp dẫn có thể khác nhau. Tất cả chúng sẽ mô tả thế giới của chúng ta tốt như nhau, miễn là chúng ta giới hạn bản thân trong một biểu hiện duy nhất của nó - định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Nhưng có những hiệu ứng hấp dẫn khác, tinh vi hơn đã được thử nghiệm thực nghiệm trên quy mô hệ mặt trời, và họ chỉ ra một lý thuyết cụ thể, lý thuyết tương đối rộng (GR).

Thuyết tương đối rộng không chỉ là một tập hợp các công thức, nó là một quan điểm cơ bản về bản chất của lực hấp dẫn. Nếu trong vật lý thông thường không gian chỉ làm nền, là nơi chứa các hiện tượng vật lý, thì trong thuyết tương đối rộng, bản thân nó trở thành một hiện tượng, một đại lượng động biến đổi theo quy luật của thuyết tương đối rộng. Chính những biến dạng này của không-thời gian trên nền phẳng - hay nói theo ngôn ngữ hình học là những biến dạng của thước đo không-thời gian - được coi là lực hấp dẫn. Tóm lại, thuyết tương đối rộng tiết lộ nguồn gốc hình học của lực hấp dẫn.

Thuyết tương đối rộng có một dự đoán quan trọng: sóng hấp dẫn. Đây là những biến dạng của không-thời gian có thể "tách khỏi nguồn" và, tự duy trì, bay đi. Đó là trọng lực tự thân, không của riêng ai, của chính nó. Albert Einstein cuối cùng đã đưa ra thuyết tương đối rộng vào năm 1915 và nhận ra gần như ngay lập tức rằng các phương trình của ông cho phép tồn tại những sóng như vậy.

Như với bất kỳ lý thuyết trung thực nào, dự đoán rõ ràng về thuyết tương đối rộng phải được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Bất kỳ vật thể chuyển động nào cũng có thể phát ra sóng hấp dẫn: các hành tinh, một viên đá ném lên trên và một làn sóng của bàn tay. Tuy nhiên, vấn đề là tương tác hấp dẫn quá yếu nên không có thiết lập thí nghiệm nào có thể phát hiện ra bức xạ của sóng hấp dẫn từ các "thiết bị phát" thông thường.

Để "lái" một làn sóng mạnh mẽ, bạn cần phải bóp méo không-thời gian rất mạnh. Lựa chọn hoàn hảo- hai lỗ đen quay xung quanh nhau theo một vũ điệu chặt chẽ, ở khoảng cách bằng với bán kính hấp dẫn của chúng (Hình 2). Sự biến dạng của số liệu sẽ mạnh đến mức một phần năng lượng đáng chú ý của cặp này sẽ bị bức xạ thành sóng hấp dẫn. Mất năng lượng, cặp đôi này sẽ tiến lại gần nhau, quay nhanh hơn, làm biến dạng số liệu ngày càng nhiều và tạo ra sóng hấp dẫn thậm chí còn mạnh hơn - cho đến khi, cuối cùng, sự tái cấu trúc triệt để toàn bộ trường hấp dẫn của cặp này xảy ra và hai lỗ đen hợp nhất thành một.

Sự hợp nhất của các lỗ đen như vậy là một vụ nổ có sức mạnh khủng khiếp, nhưng chỉ có điều tất cả năng lượng bức xạ này không đi vào ánh sáng, không thành các hạt, mà thành các rung động của không gian. Năng lượng bức xạ sẽ tạo nên một phần đáng chú ý của khối lượng lỗ đen ban đầu, và bức xạ này sẽ bắn ra trong một phần nhỏ của giây. Những biến động tương tự sẽ tạo ra sự hợp nhất sao neutron. Năng lượng giải phóng sóng hấp dẫn yếu hơn một chút cũng đi kèm với các quá trình khác, chẳng hạn như sự sụp đổ của lõi siêu tân tinh.

Vụ nổ sóng hấp dẫn từ sự hợp nhất của hai vật thể nhỏ gọn có một cấu hình rất cụ thể, được tính toán kỹ lưỡng, được thể hiện trong Hình. 3. Chu kì dao động được cho bởi quỹ đạo chuyển động của hai vật quanh nhau. Sóng hấp dẫn mang năng lượng đi; kết quả là, các vật thể tiến lại gần nhau và quay nhanh hơn - và điều này có thể được thấy cả trong gia tốc dao động và sự gia tăng biên độ. Tại một thời điểm nào đó, sự hợp nhất xảy ra, làn sóng mạnh cuối cùng bị đẩy ra, và sau đó là "vòng sau" tần số cao ( Đổ chuông) là hiện tượng rung lắc của lỗ đen được hình thành, "loại bỏ" tất cả các biến dạng không phải hình cầu (giai đoạn này không được hiển thị trong hình). Biết được cấu hình đặc trưng này giúp các nhà vật lý tìm kiếm tín hiệu yếu từ sự hợp nhất như vậy trong dữ liệu máy dò nhiễu cao.

Dao động của thước đo không-thời gian - tiếng vọng sóng hấp dẫn của một vụ nổ lớn - sẽ phân tán khắp Vũ trụ theo mọi hướng từ nguồn. Biên độ của chúng giảm theo khoảng cách, tương tự như cách độ sáng của nguồn điểm giảm theo khoảng cách từ nó. Khi một vụ nổ từ một thiên hà xa xôi chạm vào Trái đất, các dao động trong chỉ số sẽ theo thứ tự 10 −22 hoặc thậm chí ít hơn. Nói cách khác, khoảng cách giữa bạn bè ràng buộc với các đối tượng khác sẽ theo định kỳ tăng và giảm một giá trị tương đối như vậy.

Thứ tự độ lớn của con số này có thể dễ dàng thu được khi xem xét tỷ lệ (xem bài báo của V. M. Lipunov). Vào thời điểm hợp nhất các sao neutron hoặc lỗ đen có khối lượng sao, sự biến dạng của các số liệu ngay bên cạnh chúng là rất lớn - theo bậc 0,1, đó là lý do tại sao đây là lực hấp dẫn mạnh. Sự biến dạng nghiêm trọng như vậy ảnh hưởng đến một vùng theo thứ tự kích thước của những vật thể này, tức là vài km. Khi ra xa nguồn thì biên độ dao động của vật tỉ lệ nghịch với quãng đường đi được. Điều này có nghĩa là ở khoảng cách 100 Mpc = 3 · 10 21 km, biên độ dao động sẽ giảm 21 bậc và trở thành khoảng 10 −22.

Tất nhiên, nếu sự hợp nhất xảy ra trong thiên hà quê hương của chúng ta, thì chấn động không-thời gian đã lan tới Trái đất sẽ mạnh hơn nhiều. Nhưng những sự kiện như vậy xảy ra vài nghìn năm một lần. Do đó, người ta thực sự chỉ nên tin tưởng vào một máy dò như vậy sẽ có thể cảm nhận được sự hợp nhất của các sao neutron hoặc lỗ đen ở khoảng cách hàng chục đến hàng trăm megaparsec, có nghĩa là nó sẽ bao phủ hàng ngàn và hàng triệu thiên hà.

Ở đây cần phải nói thêm rằng một dấu hiệu gián tiếp về sự tồn tại của sóng hấp dẫn đã được phát hiện, và thậm chí giải Nobel Vật lý năm 1993 đã được trao cho nó. Các quan sát dài hạn của pulsar trong hệ thống kép PSR B1913 + 16 cho thấy chu kỳ cách mạng giảm chính xác với tốc độ được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng, có tính đến tổn thất năng lượng do bức xạ hấp dẫn. Vì lý do này, thực tế không có nhà khoa học nào nghi ngờ tính thực tế của sóng hấp dẫn; câu hỏi duy nhất là làm thế nào để bắt chúng.

Lịch sử tìm kiếm

Việc tìm kiếm sóng hấp dẫn bắt đầu cách đây khoảng nửa thế kỷ - và gần như ngay lập tức trở thành một cảm giác. Joseph Weber của Đại học Maryland đã thiết kế máy dò cộng hưởng đầu tiên: một hình trụ nhôm rắn dài hai mét với các cảm biến piezo nhạy cảm ở hai bên và cách ly rung động tốt khỏi các rung động bên ngoài (Hình 4). Với sự truyền đi của sóng hấp dẫn, hình trụ sẽ cộng hưởng kịp thời với sự biến dạng của không-thời gian, điều này sẽ được các cảm biến ghi lại. Weber đã chế tạo một số máy dò như vậy, và vào năm 1969, sau khi phân tích các kết quả đọc của chúng trong một buổi họp, ông tuyên bố bằng văn bản đơn giản rằng ông đã đăng ký “âm thanh của sóng hấp dẫn” trong một số máy dò cùng một lúc, cách nhau hai km ( J. Weber, 1969 Bằng chứng khám phá bức xạ hấp dẫn). Biên độ dao động mà anh ta tuyên bố hóa ra lại cực kỳ lớn, theo bậc 10 -16, tức là lớn hơn một triệu lần so với giá trị kỳ vọng điển hình. Tin nhắn của Weber đã được đáp ứng cộng đồng khoa học với sự hoài nghi lớn; bên cạnh đó, các nhóm thí nghiệm khác, được trang bị máy dò tương tự, không thể bắt được bất kỳ tín hiệu nào như vậy trong tương lai.

Tuy nhiên, những nỗ lực của Weber đã khởi động toàn bộ lĩnh vực nghiên cứu này và bắt đầu cuộc săn lùng những con sóng. Từ những năm 1970, nhờ những nỗ lực của Vladimir Braginsky và các đồng nghiệp của ông từ Đại học Tổng hợp Moscow, Liên Xô cũng đã tham gia cuộc đua này (xem sự vắng mặt của các tín hiệu sóng hấp dẫn). Câu chuyện thú vị có một bài văn nói về những lần Nếu một cô gái rơi vào một cái lỗ ... Nhân tiện, Braginsky là một trong những nhà kinh điển của toàn bộ lý thuyết về phép đo quang lượng tử; lần đầu tiên ông đưa ra khái niệm về giới hạn đo lượng tử tiêu chuẩn - một hạn chế chính trong phép đo quang học - và chỉ ra cách chúng có thể được khắc phục về nguyên tắc. Mạch cộng hưởng Weber đã được cải tiến, và nhờ việc lắp đặt được làm mát sâu, tiếng ồn đã giảm đáng kể (xem danh sách và lịch sử của các dự án này). Tuy nhiên, độ chính xác của các máy dò toàn kim loại như vậy vẫn không đủ để phát hiện đáng tin cậy các sự kiện dự kiến ​​và bên cạnh đó, chúng được điều chỉnh để chỉ cộng hưởng trong một dải tần số rất hẹp khoảng một kilohertz.

Có vẻ hứa hẹn hơn nhiều là các máy dò không sử dụng một vật thể cộng hưởng mà theo dõi khoảng cách giữa hai vật thể lơ lửng độc lập, không liên quan, chẳng hạn như hai gương. Do sự dao động của không gian gây ra bởi sóng hấp dẫn, khoảng cách giữa các gương sẽ nhiều hơn hoặc ít hơn một chút. Trong trường hợp này, chiều dài cánh tay càng dài thì độ dịch chuyển tuyệt đối sẽ do sóng hấp dẫn có biên độ nhất định gây ra càng lớn. Những rung động này có thể được cảm nhận bởi một chùm tia laze chạy giữa các gương. Một sơ đồ như vậy có khả năng phát hiện các dao động trong một dải tần số rộng, từ 10 hertz đến 10 kilohertz, và đây chính xác là khoảng thời gian mà các cặp sao neutron hợp nhất hoặc các lỗ đen khối lượng sao sẽ bức xạ.

Sự triển khai hiện đại của ý tưởng này dựa trên giao thoa kế Michelson như sau (Hình 5). Gương được treo trong hai buồng chân không dài vài km, vuông góc với nhau. Tại lối vào của hệ thống lắp đặt, chùm tia laze được tách ra, đi qua cả hai khoang, được phản xạ từ các gương, quay trở lại và tái hợp trong một gương mờ. Hệ số chất lượng của hệ thống quang học rất cao, vì vậy chùm tia laze không chỉ truyền qua lại một lần mà tồn tại trong đó máy cộng hưởng quang học trong một khoảng thời gian dài. Ở trạng thái “bình tĩnh”, độ dài được chọn sao cho hai chùm tia, sau khi kết hợp lại, dập tắt nhau theo hướng của cảm biến, và sau đó bộ tách sóng quang ở trong bóng tối hoàn toàn. Nhưng ngay sau khi gương di chuyển một khoảng cực nhỏ dưới tác dụng của sóng hấp dẫn, sự bù trừ của hai chùm tia trở nên không đầy đủ và bộ tách sóng quang sẽ thu nhận ánh sáng. Và độ lệch càng mạnh thì cảm biến quang sẽ nhìn thấy ánh sáng càng sáng.

Các từ "dịch chuyển vi mô" thậm chí còn không truyền tải được hết sự tinh tế của hiệu ứng. Sự dịch chuyển của gương theo bước sóng ánh sáng, tức là, micrômet, rất dễ nhận thấy ngay cả khi không có bất kỳ thủ thuật nào. Nhưng với độ dài vai là 4 km, điều này tương ứng với các dao động không-thời gian với biên độ 10 −10. Cũng không thành vấn đề khi nhận thấy sự dịch chuyển của các gương bằng đường kính của một nguyên tử - nó đủ để phóng một chùm tia laze chạy qua chạy lại hàng nghìn lần và có được độ lệch pha mong muốn. Nhưng ngay cả điều này cũng cho cường độ là 10 -14. Và chúng ta cần phải đi xuống thang độ dịch chuyển hàng triệu lần nữa, nghĩa là, học cách ghi lại sự dịch chuyển gương không chỉ bởi một nguyên tử, mà bằng một phần nghìn hạt nhân nguyên tử!

Trên con đường đến với công nghệ thực sự tuyệt vời này, các nhà vật lý đã phải vượt qua rất nhiều khó khăn. Một số trong số chúng hoàn toàn là cơ học: bạn cần treo những tấm gương lớn trên một hệ thống treo treo trên một hệ thống treo khác, một chiếc trên một hệ thống treo thứ ba, v.v. - và tất cả để loại bỏ rung động bên ngoài càng nhiều càng tốt. Các vấn đề khác cũng là công cụ, nhưng quang học. Ví dụ, chùm tia lưu thông trong hệ thống quang học càng mạnh, thì cảm biến quang có thể phát hiện ra sự dịch chuyển của các gương càng yếu. Nhưng một chùm tia quá mạnh sẽ làm nóng các phần tử quang học không đồng đều, điều này sẽ ảnh hưởng xấu đến các đặc tính của chính chùm tia. Hiệu ứng này bằng cách nào đó phải được bù đắp, và vì điều này, cả một chương trình nghiên cứu đã được khởi động về vấn đề này vào những năm 2000 (đối với câu chuyện về nghiên cứu này, hãy xem tin tức Một trở ngại trên đường đến một máy dò sóng hấp dẫn có độ nhạy cao đã được khắc phục, "Yếu tố", 27/06/2006). Cuối cùng, có những giới hạn vật lý hoàn toàn cơ bản liên quan đến hành vi lượng tử của các photon trong bộ cộng hưởng và nguyên lý bất định. Chúng giới hạn độ nhạy của cảm biến đến một giá trị được gọi là giới hạn lượng tử tiêu chuẩn. Tuy nhiên, các nhà vật lý đã học được cách vượt qua nó với sự trợ giúp của trạng thái lượng tử được chuẩn bị một cách tinh vi của ánh sáng laser (J. Aasi và cộng sự, 2013. Nâng cao độ nhạy của máy dò sóng hấp dẫn LIGO bằng cách sử dụng các trạng thái ép của ánh sáng).

Có một danh sách các quốc gia trong cuộc chạy đua về sóng hấp dẫn; Nga có công trình lắp đặt riêng của mình, tại đài thiên văn Baksan, và nhân tiện, nó được mô tả trong một bộ phim tài liệu khoa học nổi tiếng của Dmitry Zavilgelsky "Chờ đợi sóng và hạt". Các nhà lãnh đạo của cuộc đua này hiện là hai phòng thí nghiệm - dự án LIGO của Mỹ và máy dò Virgo của Ý. LIGO bao gồm hai máy dò giống hệt nhau đặt tại Hanford (Washington) và Livingston (Louisiana) và cách xa nhau 3000 km. Có hai thiết lập là quan trọng vì hai lý do. Đầu tiên, một tín hiệu sẽ chỉ được coi là đã đăng ký nếu nó được cả hai thiết bị dò tìm thấy cùng một lúc. Và thứ hai, bằng sự khác biệt về sự xuất hiện của một vụ nổ sóng hấp dẫn tại hai cơ sở - và nó có thể đạt tới 10 mili giây - người ta có thể xác định gần đúng tín hiệu này đến từ phần nào của bầu trời. Đúng như vậy, với hai máy dò thì sai số sẽ rất lớn, nhưng khi Virgo đi vào hoạt động, độ chính xác sẽ tăng lên rõ rệt.

Nói một cách chính xác, ý tưởng phát hiện giao thoa kế của sóng hấp dẫn lần đầu tiên được đề xuất bởi các nhà vật lý Liên Xô M. E. Gertsenshtein và V. I. Pustovoit vào năm 1962. Sau đó, tia laser mới được phát minh, và Weber bắt đầu tạo ra máy dò cộng hưởng của mình. Tuy nhiên, bài báo này không được chú ý ở phương Tây và nói thật là không ảnh hưởng đến sự phát triển dự án thực tế(Xem bài ôn tập lịch sử Vật lý phát hiện sóng hấp dẫn: máy dò cộng hưởng và giao thoa).

Việc tạo ra đài quan sát hấp dẫn LIGO là sáng kiến ​​của ba nhà khoa học từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Viện Công nghệ California (Caltech). Đó là Rainer Weiss, người thực hiện ý tưởng về máy dò sóng hấp dẫn giao thoa kế, Ronald Drever, người đã đạt được độ ổn định của ánh sáng laser đủ để đăng ký, và Kip Thorne, nhà lý thuyết truyền cảm hứng của dự án, hiện đã được công chúng biết đến nhiều. trong vai một nhà tư vấn khoa học bộ phim Interstellar. Bạn có thể đọc về lịch sử ban đầu của LIGO trong một cuộc phỏng vấn gần đây với Rainer Weiss và trong hồi ký của John Preskill.

Hoạt động gắn liền với dự án phát hiện giao thoa kế của sóng hấp dẫn bắt đầu vào cuối những năm 1970, và lúc đầu tính thực tế của dự án này cũng bị nhiều người nghi ngờ. Tuy nhiên, sau khi trình diễn một số nguyên mẫu, dự án LIGO hiện tại đã được viết và phê duyệt. Nó được xây dựng trong suốt thập kỷ cuối cùng của thế kỷ 20.

Mặc dù Hoa Kỳ đã thúc đẩy dự án ban đầu, nhưng đài quan sát LIGO là một dự án quốc tế thực sự. 15 quốc gia đã đầu tư vào nó, cả về tài chính và trí tuệ, và hơn một nghìn người là thành viên của sự hợp tác. Các nhà vật lý Liên Xô và Nga đã đóng một vai trò quan trọng trong việc thực hiện dự án. Từ đầu Tham gia tích cực nhóm của Vladimir Braginsky đã được đề cập từ Đại học Tổng hợp Moscow đã tham gia vào việc thực hiện dự án LIGO, và sau đó là Viện Vật lý Ứng dụng từ Nizhny Novgorod cũng tham gia vào sự hợp tác này.

Đài thiên văn LIGO được đưa vào hoạt động vào năm 2002 và đến năm 2010 nó đã có sáu đợt quan sát khoa học. Không có vụ nổ sóng hấp dẫn nào được phát hiện một cách đáng tin cậy và các nhà vật lý chỉ có thể thiết lập các giới hạn trên về tần suất của các sự kiện như vậy. Tuy nhiên, điều này không làm họ quá ngạc nhiên: các ước tính cho thấy rằng trong phần vũ trụ mà máy dò “lắng nghe” vào thời điểm đó, xác suất xảy ra một trận đại hồng thủy đủ mạnh là rất nhỏ: khoảng vài thập kỷ một lần.

vạch đích

Từ năm 2010 đến năm 2015, LIGO và Virgo hợp tác đã nâng cấp toàn bộ thiết bị (Tuy nhiên, Virgo vẫn đang trong quá trình chuẩn bị). Và giờ bàn thắng được chờ đợi từ lâu đã nằm trong tầm ngắm. LIGO - hay đúng hơn là aLIGO ( LIGO nâng cao) - hiện đã sẵn sàng để bắt các vụ nổ do sao neutron tạo ra ở khoảng cách 60 megaparsec, và các lỗ đen - hàng trăm megaparsec. Khối lượng vũ trụ mở để nghe sóng hấp dẫn đã tăng gấp 10 lần so với các phiên trước.

Tất nhiên, không thể dự đoán "tiếng nổ" sóng hấp dẫn tiếp theo sẽ diễn ra khi nào và ở đâu. Nhưng độ nhạy của các thiết bị dò được cập nhật khiến chúng ta có thể đếm được một số vụ hợp nhất sao neutron mỗi năm, do đó, vụ nổ đầu tiên có thể được mong đợi ngay trong đợt quan sát đầu tiên kéo dài 4 tháng. Nếu chúng ta nói về toàn bộ dự án aLIGO kéo dài vài năm, thì phán quyết cực kỳ rõ ràng: hoặc các vụ nổ sẽ lần lượt rơi xuống, hoặc một cái gì đó trong thuyết tương đối rộng không hoạt động về nguyên tắc. Cả hai sẽ là những khám phá tuyệt vời.

Từ ngày 18 tháng 9 năm 2015 đến ngày 12 tháng 1 năm 2016, đợt quan sát aLIGO đầu tiên đã diễn ra. Trong suốt thời gian này, tin đồn về việc đăng ký sóng hấp dẫn đã lan truyền trên Internet, nhưng sự hợp tác vẫn im lặng: "chúng tôi đang thu thập và phân tích dữ liệu và chưa sẵn sàng báo cáo kết quả." Một âm mưu bổ sung đã được tạo ra bởi thực tế là trong quá trình phân tích, bản thân các thành viên của sự hợp tác không thể hoàn toàn chắc chắn rằng họ nhìn thấy một sự gia tăng sóng hấp dẫn thực sự. Thực tế là trong LIGO, một cụm được tạo ra trên máy tính đôi khi được đưa vào luồng dữ liệu thực một cách giả tạo. Nó được gọi là “tiêm mù”, và trong toàn bộ nhóm, chỉ có ba người (!) Có quyền truy cập vào hệ thống thực hiện nó tại một thời điểm tùy ý. Nhóm phải theo dõi sự gia tăng này, phân tích nó một cách có trách nhiệm và chỉ ở giai đoạn cuối cùng của quá trình phân tích "thẻ được mở" và các thành viên của cộng tác sẽ tìm hiểu xem liệu nó có sự kiện thực sự Hoặc kiểm tra để cảnh giác. Nhân tiện, trong một trường hợp như vậy vào năm 2010, nó thậm chí đã viết một bài báo, nhưng tín hiệu được phát hiện sau đó hóa ra chỉ là một "thứ mù quáng".

Lạc đề trữ tình

Để một lần nữa cảm nhận được sự trang trọng của thời điểm này, tôi đề xuất hãy nhìn câu chuyện này từ khía cạnh khác, từ bên trong khoa học. Khi khó khăn, bất khả xâm phạm nhiệm vụ khoa học không cho vay đến vài năm - đây là thời điểm làm việc bình thường. Khi nó không nhượng bộ trong hơn một thế hệ, nó được nhìn nhận theo một cách hoàn toàn khác.

Khi còn là một cậu học sinh, bạn đã đọc những cuốn sách khoa học phổ biến và tìm hiểu về vấn đề khó giải quyết nhưng vô cùng thú vị này câu đố khoa học. Là một sinh viên, bạn nghiên cứu vật lý, thuyết trình và đôi khi, dù thích hợp hay không, những người xung quanh bạn nhắc nhở bạn về sự tồn tại của nó. Sau đó, bản thân bạn làm khoa học, làm việc trong một lĩnh vực vật lý khác, nhưng bạn thường xuyên nghe về những nỗ lực không thành công để giải quyết nó. Tất nhiên, bạn hiểu rằng một nơi nào đó đang được hoạt động mạnh mẽ bởi quyết định của cô ấy, nhưng kết quả cuối cùng đối với bạn với tư cách là một người từ bên ngoài vẫn không thay đổi. Vấn đề được nhìn nhận như một nền tĩnh, như một vật trang trí, như một yếu tố vật lý vĩnh cửu và hầu như không thay đổi trên quy mô cuộc sống khoa học của bạn. Như một nhiệm vụ đã và sẽ luôn như vậy.

Và sau đó - nó được giải quyết. Và đột ngột, trên quy mô vài ngày, bạn cảm thấy rằng bức tranh vật chất của thế giới đã thay đổi và bây giờ nó cần được xây dựng theo các thuật ngữ khác và đặt ra những câu hỏi khác.

Đối với những người đang trực tiếp làm công việc tìm kiếm sóng hấp dẫn, tất nhiên nhiệm vụ này không hề thay đổi. Họ nhìn thấy mục tiêu, họ biết những gì cần phải đạt được. Họ, tất nhiên, hy vọng rằng thiên nhiên cũng sẽ gặp họ nửa chừng và ném họ vào một số thiên hà lân cận một sự đột biến mạnh mẽ, nhưng đồng thời họ hiểu rằng ngay cả khi thiên nhiên không ủng hộ như vậy thì nó cũng không thể che giấu các nhà khoa học được nữa. Câu hỏi duy nhất là chính xác khi nào họ có thể đạt được các mục tiêu đã đặt ra. mục tiêu kỹ thuật. Một câu chuyện về cảm giác này của một người đã tìm kiếm sóng hấp dẫn trong vài thập kỷ có thể được nghe thấy trong phim. "Chờ đợi sóng và hạt".

Khai mạc

Trên hình. 7 hiển thị kết quả chính: hồ sơ của tín hiệu được đăng ký bởi cả hai đầu báo. Có thể thấy rằng đối với nền của tiếng ồn, lúc đầu, dao động của hình dạng mong muốn xuất hiện yếu, sau đó tăng về biên độ và tần số. So sánh với kết quả mô phỏng số giúp chúng ta có thể tìm ra những vật thể mà chúng ta quan sát được hợp nhất: đây là những lỗ đen có khối lượng xấp xỉ 36 và 29 lần khối lượng Mặt trời, chúng hợp nhất thành một lỗ đen duy nhất có khối lượng bằng 62 lần khối lượng Mặt trời (sai số trong số tất cả những con số này, tương ứng với 90 phần trăm mức độ tin cậy, là 4 lần khối lượng mặt trời). Các tác giả thông qua nhận xét rằng lỗ đen thu được là lỗ đen có khối lượng sao nặng nhất từng được quan sát. Sự khác biệt giữa tổng khối lượng của hai vật thể ban đầu và lỗ đen cuối cùng là 3 ± 0,5 khối lượng Mặt Trời. Khiếm khuyết về khối lượng hấp dẫn này đã hoàn toàn biến đổi thành năng lượng của sóng hấp dẫn bức xạ trong khoảng 20 mili giây. Các tính toán cho thấy công suất sóng hấp dẫn cực đại đạt 3,6 · 10 56 erg / s, hay về khối lượng, xấp xỉ 200 lần khối lượng mặt trời mỗi giây.

Ý nghĩa thống kê của tín hiệu được phát hiện là 5,1σ. Nói cách khác, nếu chúng ta giả định rằng những biến động thống kê này chồng chéo lên nhau và tạo ra một sự gia tăng như vậy hoàn toàn do ngẫu nhiên, thì một sự kiện như vậy sẽ phải đợi 200 nghìn năm. Điều này cho phép chúng tôi khẳng định một cách chắc chắn rằng tín hiệu được phát hiện không phải là một biến động.

Thời gian trễ giữa hai máy dò là khoảng 7 mili giây. Điều này làm cho nó có thể ước tính hướng của tín hiệu đến (Hình 9). Vì chỉ có hai máy dò nên bản địa hóa hóa ra rất gần đúng: diện tích của \ u200b \ u200b thiên cầu phù hợp về mặt tham số là 600 độ vuông.

Sự hợp tác của LIGO không chỉ giới hạn ở việc chỉ nêu thực tế về đăng ký của sóng hấp dẫn, mà còn thực hiện phân tích đầu tiên về tác động của quan sát này đối với vật lý thiên văn. Trong bài báo Các tác động vật lý thiên văn của sự hợp nhất lỗ đen nhị phân GW150914 được xuất bản cùng ngày trên tạp chí The Astrophysical Journal Letters, các tác giả ước tính tần suất xảy ra các vụ sáp nhập lỗ đen như vậy. Hóa ra có ít nhất một lần hợp nhất trong một gigaparsec khối mỗi năm, hội tụ những dự đoán của các mô hình lạc quan nhất về vấn đề này.

Sóng hấp dẫn là gì?

Việc phát hiện ra một hiện tượng mới sau nhiều thập kỷ tìm kiếm không phải là dấu chấm hết, mà chỉ là sự khởi đầu của một nhánh vật lý mới. Tất nhiên, bản thân việc đăng ký sóng hấp dẫn từ sự hợp nhất của hai màu đen là rất quan trọng. Đây là bằng chứng trực tiếp về sự tồn tại của lỗ đen, và sự tồn tại của lỗ đen nhị phân, và thực tế của sóng hấp dẫn, nói chung là bằng chứng về tính đúng đắn của cách tiếp cận hình học đối với lực hấp dẫn, dựa trên thuyết tương đối rộng . Nhưng đối với các nhà vật lý, điều không kém phần quý giá là thiên văn học sóng hấp dẫn đang trở thành một công cụ nghiên cứu mới, giúp họ có thể nghiên cứu những gì trước đây không thể tiếp cận được.

Đầu tiên, đó là một cách mới để xem Vũ trụ và nghiên cứu các trận đại hồng thủy vũ trụ. Không có chướng ngại vật nào đối với sóng hấp dẫn; chúng đi xuyên qua mọi thứ trong Vũ trụ mà không gặp bất kỳ trở ngại nào. Họ tự cung tự cấp: hồ sơ của họ mang thông tin về quá trình tạo ra họ. Cuối cùng, nếu một vụ nổ lớn tạo ra cả một vụ nổ quang học, một hạt neutrino và một vụ nổ hấp dẫn, thì bạn có thể cố gắng bắt tất cả chúng, so sánh chúng với nhau và sắp xếp các chi tiết không thể tiếp cận trước đây về những gì đã xảy ra ở đó. Để có thể nắm bắt và so sánh các tín hiệu khác nhau như vậy từ một sự kiện là mục tiêu chính của thiên văn học tất cả các tín hiệu.

Khi các thiết bị dò sóng hấp dẫn trở nên nhạy hơn nữa, chúng sẽ có thể phát hiện ra sự dao động của không-thời gian không phải ngay thời điểm hợp nhất mà là một vài giây trước nó. Chúng sẽ tự động gửi tín hiệu cảnh báo của mình tới mạng lưới chung của các trạm quan sát và kính thiên văn-vệ tinh vật lý thiên văn, đã tính toán tọa độ của sự hợp nhất được đề xuất, sẽ có thời gian để quay đúng hướng trong những giây này và bắt đầu chụp bầu trời trước khi bắt đầu. của vụ nổ quang học.

Thứ hai, vụ nổ sóng hấp dẫn sẽ cho phép bạn tìm hiểu những điều mới về sao neutron ,. Sự hợp nhất sao neutron trên thực tế là thí nghiệm sao neutron mới nhất và khắc nghiệt nhất mà thiên nhiên có thể tạo ra cho chúng ta, và chúng ta với tư cách là những khán giả sẽ chỉ phải quan sát kết quả. Các hệ quả quan sát của sự hợp nhất như vậy có thể khác nhau (Hình 10), và bằng cách thu thập số liệu thống kê của chúng, chúng ta sẽ có thể hiểu rõ hơn về hành vi của các sao neutron trong những điều kiện kỳ ​​lạ như vậy. Xét lại hiện đại nhất Một trường hợp theo hướng này có thể được tìm thấy trong công bố gần đây của S. Rosswog, 2015. Bức tranh đa thông tin về các hợp nhất nhị phân nhỏ gọn.

Thứ ba, việc ghi nhận một vụ nổ xuất phát từ một siêu tân tinh và so sánh nó với các quan sát quang học cuối cùng sẽ giúp chúng ta có thể phân loại chi tiết những gì đang diễn ra bên trong, ngay khi bắt đầu sự sụp đổ. Hiện nay các nhà vật lý vẫn gặp khó khăn trong việc mô phỏng số của quá trình này.

Thứ tư, các nhà vật lý liên quan đến lý thuyết trọng lực có một "phòng thí nghiệm" thèm muốn để nghiên cứu tác động của lực hấp dẫn mạnh. Cho đến nay, tất cả các tác động của thuyết tương đối rộng mà chúng ta có thể quan sát trực tiếp đều liên quan đến lực hấp dẫn trong các trường yếu. Về những gì xảy ra trong điều kiện có lực hấp dẫn mạnh, khi các biến dạng của không-thời gian bắt đầu tương tác mạnh với chính chúng, chúng ta chỉ có thể đoán được bằng những biểu hiện gián tiếp, thông qua tiếng vang quang học của các thảm họa vũ trụ.

Thứ năm, nó xuất hiện cơ hội mớiđể kiểm tra các lý thuyết kỳ lạ về lực hấp dẫn. Đã có nhiều lý thuyết như vậy trong vật lý hiện đại, chẳng hạn như chương dành cho chúng từ cuốn sách nổi tiếng của A. N. Petrov "Gravity". Một số lý thuyết này giống với thuyết tương đối rộng thông thường trong giới hạn của trường yếu, nhưng có thể khác rất nhiều so với thuyết này khi lực hấp dẫn trở nên rất mạnh. Những người khác giả định sự tồn tại của một kiểu phân cực mới đối với sóng hấp dẫn và dự đoán tốc độ hơi khác so với tốc độ ánh sáng. Cuối cùng, có những lý thuyết bao gồm các kích thước không gian bổ sung. Có thể nói gì về chúng trên cơ sở sóng hấp dẫn là một câu hỏi mở, nhưng rõ ràng là một số thông tin có thể được thu lợi từ đây. Chúng tôi cũng khuyên bạn nên đọc ý kiến ​​của chính các nhà vật lý thiên văn về những gì sẽ thay đổi khi phát hiện ra sóng hấp dẫn, trong lựa chọn trên Postnauka.

Các kế hoạch trong tương lai

Triển vọng về thiên văn học sóng hấp dẫn là đáng khích lệ nhất. Chỉ phiên quan sát đầu tiên, ngắn nhất của máy dò aLIGO hiện đã kết thúc - và một tín hiệu rõ ràng đã được bắt trong thời gian ngắn này. Sẽ chính xác hơn khi nói điều này: tín hiệu đầu tiên đã được ghi nhận ngay cả trước khi ra mắt chính thức và sự hợp tác vẫn chưa được báo cáo về cả bốn tháng làm việc. Ai biết được, có lẽ đã có thêm một vài lần bùng nổ? Bằng cách này hay cách khác, nhưng xa hơn nữa, khi độ nhạy của các máy dò tăng lên và phần Vũ trụ có thể tiếp cận để quan sát sóng hấp dẫn mở rộng, số lượng các sự kiện được đăng ký sẽ tăng lên như một trận tuyết lở.

Lịch trình dự kiến ​​của các phiên mạng LIGO-Virgo được trình bày trong hình. 11. Phiên thứ hai, sáu tháng, sẽ bắt đầu vào cuối năm nay, phiên thứ ba sẽ diễn ra gần như toàn bộ năm 2018, và ở mỗi giai đoạn, độ nhạy của máy dò sẽ tăng lên. Vào khoảng năm 2020, aLIGO sẽ đạt đến độ nhạy theo kế hoạch của nó, điều này sẽ cho phép máy dò thăm dò Vũ trụ để tìm các vụ hợp nhất sao neutron ở cách xa chúng ta tới 200 Mpc. Đối với các sự kiện sáp nhập lỗ đen năng lượng hơn nữa, độ nhạy có thể đạt gần như gigaparsec. Bằng cách này hay cách khác, thể tích của Vũ trụ có sẵn để quan sát sẽ tăng gấp 10 lần so với buổi đầu tiên.

Vào cuối năm nay, phòng thí nghiệm Ý được cập nhật Virgo cũng sẽ tham gia trò chơi. Nó có độ nhạy kém hơn một chút so với LIGO, nhưng nó cũng khá tốt. Do phương pháp tam giác, một bộ ba máy dò đặt cách xa nhau trong không gian sẽ giúp khôi phục tốt hơn nhiều vị trí của các nguồn trên thiên cầu. Nếu bây giờ, với hai máy dò, diện tích cục bộ lên đến hàng trăm độ vuông, thì ba máy dò sẽ giảm xuống hàng chục. Ngoài ra, một ăng-ten sóng hấp dẫn KAGRA tương tự hiện đang được chế tạo ở Nhật Bản, sẽ bắt đầu hoạt động sau hai đến ba năm, và ở Ấn Độ, vào khoảng năm 2022, họ có kế hoạch phóng máy dò LIGO-Ấn Độ. Kết quả là, toàn bộ mạng lưới máy dò sóng hấp dẫn sẽ hoạt động và thường xuyên ghi lại các tín hiệu trong một vài năm (Hình 13).

Cuối cùng, đã có kế hoạch đưa các thiết bị sóng hấp dẫn vào không gian, nổi bật là dự án eLISA. Hai tháng trước, vệ tinh thử nghiệm đầu tiên đã được phóng lên quỹ đạo, nhiệm vụ của nó sẽ là thử nghiệm các công nghệ. Nó vẫn còn xa so với việc phát hiện thực sự của sóng hấp dẫn. Nhưng khi chòm sao vệ tinh này bắt đầu thu thập dữ liệu, nó sẽ mở ra một cửa sổ khác vào vũ trụ - thông qua sóng hấp dẫn tần số thấp. Một cách tiếp cận toàn sóng như vậy đối với sóng hấp dẫn là mục tiêu chính của lĩnh vực này trong dài hạn.

Parallels

Việc phát hiện ra sóng hấp dẫn đã trở thành trường hợp thứ ba trong những năm gần đây khi các nhà vật lý cuối cùng đã vượt qua mọi trở ngại và đến được với những điều phức tạp chưa từng biết trước đây về cấu trúc của thế giới chúng ta. Năm 2012, boson Higgs được phát hiện - một loại hạt đã được tiên đoán cách đây gần nửa thế kỷ. Vào năm 2013, máy dò hạt neutrino IceCube đã chứng minh thực tế của neutrino vật lý thiên văn và bắt đầu "nhìn vào vũ trụ" theo một cách hoàn toàn mới, trước đây không thể tiếp cận - thông qua neutrino năng lượng cao. Và bây giờ thiên nhiên đã khuất phục con người một lần nữa: một “cửa sổ” sóng hấp dẫn đã mở ra để quan sát vũ trụ và đồng thời, những tác động của lực hấp dẫn mạnh đã có sẵn để nghiên cứu trực tiếp.

Tôi phải nói rằng, không nơi nào có bất kỳ "freebie" nào từ thiên nhiên. Cuộc tìm kiếm đã được tiến hành trong một thời gian rất dài, nhưng nó đã không nhượng bộ bởi vì sau đó, hàng chục năm trước, thiết bị không đạt được kết quả về năng lượng, quy mô hoặc độ nhạy. Chính sự phát triển đều đặn, có mục đích của công nghệ đã dẫn đến mục tiêu, một sự phát triển không bị dừng lại bởi những khó khăn kỹ thuật hoặc kết quả tiêu cực Năm ngoái.

Và trong cả ba trường hợp, bản thân khám phá không phải là dấu chấm hết, mà ngược lại, sự khởi đầu của một hướng nghiên cứu mới, đã trở thành một công cụ mới để thăm dò thế giới của chúng ta. Các thuộc tính của boson Higgs đã trở nên có thể đo lường được - và trong những dữ liệu này, các nhà vật lý đang cố gắng phân biệt các tác động của Vật lý mới. Nhờ số liệu thống kê ngày càng tăng về neutrino năng lượng cao, vật lý thiên văn neutrino đang tiến những bước đầu tiên. Ít nhất điều tương tự hiện nay được dự đoán từ thiên văn học sóng hấp dẫn, và có mọi lý do để lạc quan.

Nguồn:
1) Đại lý khoa học LIGO và Virgo Coll. Quan sát sóng hấp dẫn từ hợp nhất lỗ đen nhị phân // Thể chất. Rev. Lett. Xuất bản ngày 11 tháng 2 năm 2016.
2) Giấy phát hiện - danh sách các giấy tờ kỹ thuật đi kèm với giấy khám phá chính.
3) E. Berti. Quan điểm: Âm thanh đầu tiên của việc hợp nhất các lỗ đen // Vật lý học. Năm 2016. Câu 9. N. 17.

Xem lại tài liệu:
1) David Blair và cộng sự. Thiên văn học sóng hấp dẫn: trạng thái hiện tại // arXiv: 1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott và Hợp tác Khoa học LIGO và Hợp tác Xử Nữ. Triển vọng quan sát và xác định vị trí chuyển tiếp sóng hấp dẫn với LIGO nâng cao và Xử nữ nâng cao // Living Rev. Tính tương đối. Năm 2016. Câu 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Quá khứ, hiện tại và tương lai của máy dò sóng hấp dẫn khối lượng cộng hưởng // Res. Astron. Vật lý thiên văn. 2011. V. 11. N. 1.
4) Tìm kiếm sóng hấp dẫn - tuyển chọn các tài liệu trên trang web của tạp chí Khoa họcđể tìm kiếm sóng hấp dẫn.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Phát hiện sóng hấp dẫn bằng phép đo giao thoa (Mặt đất và không gian) // arXiv: 1102.3355.
6) V. B. Braginsky. Thiên văn học sóng hấp dẫn: các phương pháp đo lường mới // UFN. 2000, tập 170, trang 743–752.
7) Peter R. Saulson.