, SHBA

Më në fund u zbuluan valët gravitacionale

Shkencë popullore

Lëkundjet në hapësirë-kohë zbulohen një shekull pasi ishin parashikuar nga Ajnshtajni. Fillon një epokë e re në astronomi.

Shkencëtarët kanë qenë në gjendje të zbulojnë luhatjet në hapësirë-kohë të shkaktuara nga bashkimet e vrimave të zeza. Kjo ndodhi njëqind vjet pasi Albert Einstein parashikoi këto "valë gravitacionale" në teorinë e tij të përgjithshme të relativitetit dhe njëqind vjet pasi fizikanët filluan t'i kërkonin ato.

Zbulimi historik u raportua sot nga studiuesit në Observatorin e Valëve Gravitacionale Interferometrike Laser LIGO. Ata konfirmuan thashethemet që kishin rrethuar analizën e grupit të parë të të dhënave që ata mblodhën për disa muaj. Astrofizikanët thonë se zbulimi i valëve gravitacionale ofron një mënyrë të re për të parë universin dhe bën të mundur njohjen e ngjarjeve të largëta që nuk mund të shihen në teleskopët optikë, por ju mund të ndjeni dhe madje të dëgjoni dridhjen e tyre të dobët duke arritur tek ne përmes hapësirës.

“Ne kemi zbuluar valë gravitacionale. Ne e beme ate!" David Reitze, drejtor ekzekutiv i ekipit kërkimor prej 1000 anëtarësh, njoftoi sot në një konferencë shtypi në Uashington DC në Fondacionin Kombëtar të Shkencës.

Valët gravitacionale janë ndoshta fenomeni më i pakapshëm i parashikimeve të Ajnshtajnit, shkencëtari e diskutoi këtë temë me bashkëkohësit e tij për dekada të tëra. Sipas teorisë së tij, hapësira dhe koha formojnë një lëndë shtrirëse që përkulet nën ndikimin e objekteve të rënda. Të ndjesh gravitetin do të thotë të biesh në kthesat e kësaj materie. Por a mund të dridhet kjo hapësirë-kohë si lëkura e daulles? Ajnshtajni ishte i hutuar, ai nuk e dinte se çfarë kuptimi kishin ekuacionet e tij. Dhe vazhdimisht ndryshoi këndvështrimin e tij. Por edhe mbështetësit më të vendosur të teorisë së tij besonin se valët gravitacionale ishin gjithsesi shumë të dobëta për t'u vëzhguar. Ata kalojnë nga jashtë pas kataklizmave të caktuara dhe në mënyrë alternative shtrihen dhe ngjeshin hapësirë-kohën ndërsa lëvizin. Por në kohën kur këto valë arrijnë në Tokë, ato shtrihen dhe ngjeshin çdo kilometër të hapësirës me një pjesë të vogël të diametrit të një bërthame atomike.

Për të zbuluar këto valë, u desh durim dhe kujdes. Observatori LIGO lëshoi rreze lazer mbrapa dhe mbrapa përgjatë gjunjëve katër kilometra të gjatë me kënd të drejtë të dy detektorëve, njëri në Hanford, Uashington dhe tjetri në Livingston, Luiziana. Kjo u bë në kërkim të zgjerimeve dhe tkurrjeve të përputhshme të këtyre sistemeve gjatë kalimit të valëve gravitacionale. Duke përdorur stabilizues më të fundit, instrumente vakumi dhe mijëra sensorë, shkencëtarët matën ndryshimet në gjatësinë e këtyre sistemeve që ishin sa një e mijëta e madhësisë së një protoni. Një ndjeshmëri e tillë e instrumenteve ishte e paimagjinueshme njëqind vjet më parë. Dukej e pabesueshme në vitin 1968, kur Rainer Weiss nga Instituti i Teknologjisë në Massachusetts konceptoi një eksperiment të quajtur LIGO.

“Është një mrekulli e madhe që në fund ia dolën. Ata ishin në gjendje të kapnin ato dridhje të vogla!” tha fizikani teorik i Universitetit të Arkansas, Daniel Kennefick, i cili shkroi librin e vitit 2007 Udhëtimi me shpejtësinë e mendimit: Ajnshtajni dhe kërkimi për valët gravitacionale.

Ky zbulim shënoi fillimin e një epoke të re në astronominë e valëve gravitacionale. Shpresohet se do të kemi ide më të sakta për formimin, përbërjen dhe rolin galaktik të vrimave të zeza - ato topa super të dendur me masë që shtrembërojnë hapësirë-kohën aq ashpër sa as drita nuk mund të shpëtojë prej saj. Kur vrimat e zeza i afrohen njëra-tjetrës dhe bashkohen, ato gjenerojnë një sinjal impuls - luhatje hapësirë-kohë që rriten në amplitudë dhe ton, dhe më pas përfundojnë papritur. Ato sinjale që mund të zbulojë observatori janë në intervalin audio - megjithatë, ato janë shumë të dobëta për t'u dëgjuar nga veshi i zhveshur. Mund ta rikrijoni këtë tingull duke kaluar gishtat mbi tastet e pianos. "Filloni me notën më të ulët dhe shkoni deri në oktavën e tretë," tha Weiss. "Kjo është ajo që ne dëgjojmë."

Fizikanët tashmë janë të befasuar me numrin dhe fuqinë e sinjaleve që regjistrohen në këtë moment. Kjo do të thotë se ka më shumë vrima të zeza në botë sesa mendohej më parë. "Ne ishim me fat, por unë gjithmonë llogarisja në këtë lloj fati," tha astrofizikani i Caltech Kip Thorne, i cili bashkë-krijoi LIGO me Weiss dhe Ronald Drever, gjithashtu nga Caltech. "Zakonisht ndodh kur një dritare krejtësisht e re hapet në univers."

Duke dëgjuar valët gravitacionale, ne mund të krijojmë ide krejtësisht të ndryshme për hapësirën dhe ndoshta të zbulojmë fenomene kozmike të paimagjinueshme.

"Unë mund ta krahasoj atë me herën e parë që drejtuam një teleskop në qiell," tha astrofizikante teorike Janna Levin e Kolegjit Barnard të Universitetit të Kolumbisë. "Njerëzit e kuptuan se kishte diçka atje, dhe ju mund ta shihni atë, por ata nuk mund të parashikonin gamën e pabesueshme të mundësive që ekzistojnë në univers." Në mënyrë të ngjashme, vuri në dukje Levin, zbulimi i valëve gravitacionale mund të tregojë se universi është "plot me materie të errët që nuk mund ta zbulojmë vetëm me një teleskop".

Historia e zbulimit të valës së parë gravitacionale filloi të hënën në mëngjes në shtator dhe filloi me pambuk. Sinjali ishte aq i qartë dhe i zhurmshëm sa Weiss mendoi: "Jo, kjo është e pakuptimtë, asgjë nuk do të vijë nga kjo."

Intensiteti i emocioneve

Kjo valë e parë gravitacionale përfshiu detektorët e LIGO-s së përmirësuar - fillimisht në Livingston dhe shtatë milisekonda më vonë në Hanford - gjatë një simulimi në orët e para të 14 shtatorit, dy ditë përpara fillimit zyrtar të mbledhjes së të dhënave.

Detektorët po “vraponin” pas modernizimit, i cili zgjati pesë vjet dhe kushtoi 200 milionë dollarë. Ata ishin të pajisur me pezullime të reja pasqyre për reduktimin e zhurmës dhe një sistem reagimi aktiv për të shtypur dridhjet e jashtme në kohë reale. Përmirësimi i dha observatorit të përmirësuar një nivel më të lartë ndjeshmërie sesa LIGO-ja e vjetër, e cila gjeti "zero absolute dhe të pastër" midis 2002 dhe 2010, siç u shpreh Weiss.

Kur sinjali i fuqishëm erdhi në shtator, shkencëtarët në Evropë, ku ishte mëngjes në atë kohë, filluan të bombardojnë kolegët e tyre amerikanë me mesazhe e-mail. Kur pjesa tjetër e grupit u zgjua, lajmi u përhap shumë shpejt. Pothuajse të gjithë ishin skeptikë, tha Weiss, veçanërisht kur panë sinjalin. Ishte një klasik i vërtetë i teksteve shkollore, dhe kështu disa njerëz menduan se ishte i rremë.

Pretendime të rreme në kërkimin e valëve gravitacionale janë bërë shumë herë që nga fundi i viteve 1960, kur Joseph Weber nga Universiteti i Maryland mendoi se kishte zbuluar lëkundje rezonante në një cilindër alumini me sensorë në përgjigje të valëve. Në vitin 2014, u zhvillua një eksperiment i quajtur BICEP2, i cili rezultoi në shpalljen e zbulimit të valëve gravitacionale primordiale - luhatjet hapësinore-kohë nga Big Bengu, të cilat deri tani janë shtrirë dhe ngrirë përgjithmonë në gjeometrinë e universit. Shkencëtarët nga grupi BICEP2 njoftuan zbulimin e tyre me bujë të madhe, por më pas rezultatet e tyre u verifikuan në mënyrë të pavarur, gjatë së cilës rezultoi se ata kishin gabuar dhe se ky sinjal vinte nga pluhuri kozmik.

Kur kozmologu i Universitetit Shtetëror të Arizonës, Lawrence Krauss dëgjoi për zbulimin e ekipit LIGO, ai fillimisht mendoi se ishte një "mashtrim i verbër". Gjatë funksionimit të observatorit të vjetër, sinjalet e simuluara u futën në mënyrë të fshehtë në rrjedhat e të dhënave për të testuar përgjigjen, dhe shumica e stafit nuk dinin për këtë. Kur Krauss mësoi nga një burim i ditur se këtë herë nuk ishte një "mbushje e verbër", ai mezi mund ta mbante eksitimin e tij të gëzueshëm.

Më 25 shtator, ai shkroi në Twitter për 200,000 ndjekësit e tij: “Thashethemet për zbulimin e një valë gravitacionale në detektorin LIGO. E habitshme nëse është e vërtetë. Do t'ju njoftoj detajet nëse nuk është false. Kjo pasohet nga një hyrje nga 11 janari: “Ish thashethemet për LIGO të konfirmuara nga burime të pavarura. Ndiqni lajmet. Ndoshta valët gravitacionale janë zbuluar!”

Qëndrimi zyrtar i shkencëtarëve ishte ky: mos flisni për sinjalin e marrë derisa të ketë siguri qind për qind. Thorne, i lidhur duar e këmbë nga ky detyrim për fshehtësi, nuk i tha gjë as gruas së tij. “Festova vetëm”, tha ai. Si fillim, shkencëtarët vendosën të kthehen në fillim dhe të analizojnë gjithçka deri në detajet më të vogla, në mënyrë që të zbulojnë se si sinjali përhapet përmes mijëra kanaleve matëse të detektorëve të ndryshëm dhe për të kuptuar nëse kishte diçka të çuditshme në atë kohë. sinjali u zbulua. Ata nuk gjetën asgjë të pazakontë. Ata përjashtuan gjithashtu hakerat, të cilët duhet të kishin ditur më së miri për mijëra rrjedhat e të dhënave gjatë rrjedhës së eksperimentit. “Edhe kur skuadra bën gjuajtje të verbër, ato nuk janë mjaft perfekte dhe lënë shumë gjurmë pas tyre”, tha Thorn. "Por nuk kishte asnjë gjurmë."

Në javët që pasuan, ata dëgjuan një sinjal tjetër, më të dobët.

Shkencëtarët analizuan dy sinjalet e para dhe morën gjithnjë e më shumë të reja. Në janar, ata prezantuan hulumtimin e tyre në revistën Physical Review Letters. Kjo çështje po del sot në internet. Sipas vlerësimeve të tyre, rëndësia statistikore e sinjalit të parë, më të fuqishëm tejkalon "5-sigma", që do të thotë se studiuesit janë 99,9999% të sigurt për vërtetësinë e tij.

duke dëgjuar gravitetin

Ekuacionet e relativitetit të përgjithshëm të Ajnshtajnit janë aq komplekse saqë shumicës së fizikantëve iu deshën 40 vjet për të rënë dakord se po, valët gravitacionale ekzistojnë dhe mund të zbulohen - madje edhe teorikisht.

Në fillim, Ajnshtajni mendoi se objektet nuk mund të lëshonin energji në formën e rrezatimit gravitacional, por më pas ai ndryshoi mendje. Në veprën e tij historike, të shkruar në 1918, ai tregoi se çfarë lloj objektesh mund ta bënin këtë: sisteme në formë shtangë dore që rrotullohen në të njëjtën kohë rreth dy boshteve, si yjet binare dhe supernova që shpërthejnë si fishekzjarre. Ata mund të gjenerojnë valë në hapësirë-kohë.

Por Ajnshtajni dhe kolegët e tij vazhduan të lëkunden. Disa fizikanë kanë argumentuar se edhe nëse ekzistojnë valë, bota do të lëkundet me to dhe do të jetë e pamundur t'i ndjesh ato. Vetëm në vitin 1957 Richard Feynman e mbylli pyetjen duke demonstruar në një eksperiment mendimi se nëse ekzistojnë valë gravitacionale, ato teorikisht mund të zbulohen. Por askush nuk e dinte se sa të zakonshme ishin këto sisteme në formë shtangë dore në hapësirën e jashtme dhe sa të forta apo të dobëta ishin valët që rezultuan. "Në fund të fundit, pyetja ishte: a do t'i gjejmë ndonjëherë?" tha Kennefick.

Në vitin 1968, Rainer Weiss ishte një profesor i ri në MIT dhe u caktua të jepte një kurs në relativitetin e përgjithshëm. Si eksperimentues, ai dinte pak për të, por papritmas u bë lajmi për zbulimin e valëve gravitacionale nga Weber. Weber ndërtoi tre detektorë rezonantë me madhësi tavoline nga alumini dhe i vendosi në shtete të ndryshme amerikane. Tani ai tha se të tre detektorët regjistruan "tingujt e valëve gravitacionale".

Studentëve të Weiss iu kërkua të shpjegonin natyrën e valëve gravitacionale dhe të shprehnin mendimin e tyre për mesazhin. Duke studiuar detajet, ai u mahnit nga kompleksiteti i llogaritjeve matematikore. “Nuk mund ta kuptoja se çfarë dreqin po bënte Weber, si ndërvepruan sensorët me valën gravitacionale. U ula për një kohë të gjatë dhe pyeta veten: “Cila është gjëja më primitive që mund të mendoj që zbulon valët gravitacionale?” Dhe më pas më erdhi në mendje një ide, të cilën unë e quaj baza konceptuale e LIGO.

Imagjinoni tre objekte në hapësirë-kohë, le të themi pasqyrat në cepat e një trekëndëshi. "Dërgoni një sinjal drite nga njëri te tjetri," tha Weber. "Shikoni sa kohë duhet për të shkuar nga një masë në tjetrën dhe shikoni nëse koha ka ndryshuar." Rezulton, vuri në dukje shkencëtari, kjo mund të bëhet shpejt. “Këtë ua kam besuar studentëve të mi si detyrë shkencore. Fjalë për fjalë i gjithë grupi ishte në gjendje të bënte këto llogaritje.”

Në vitet që pasuan, kur studiues të tjerë u përpoqën të përsërisin rezultatet e eksperimentit të detektorit rezonant të Weber, por vazhdimisht dështuan (nuk është e qartë se çfarë vëzhgoi, por ato nuk ishin valë gravitacionale), Weiss filloi të përgatiste një eksperiment shumë më të saktë dhe ambicioz. : interferometri i valëve gravitacionale. Rrezja lazer reflektohet nga tre pasqyra të instaluara në formën e shkronjës "L" dhe formon dy rreze. Intervali i majave dhe uljeve të valëve të dritës tregon saktësisht gjatësinë e kthesave të shkronjës "G", të cilat krijojnë boshtet x dhe y të hapësirë-kohës. Kur peshore është e palëvizshme, dy valët e dritës kërcejnë nga qoshet dhe anulojnë njëra-tjetrën. Sinjali në detektor është zero. Por nëse një valë gravitacionale kalon nëpër Tokë, ajo shtrin gjatësinë e njërit krah të shkronjës "G" dhe ngjesh gjatësinë e tjetrit (dhe anasjelltas në mënyrë alternative). Mospërputhja e dy rrezeve të dritës krijon një sinjal në detektor, duke treguar luhatje të lehta në hapësirë-kohë.

Në fillim, fizikanët e tjerë ishin skeptikë, por eksperimenti shpejt gjeti mbështetje në Thorne, grupi i teoricienëve të Caltech-it të të cilit po hetonte vrimat e zeza dhe burime të tjera të mundshme të valëve gravitacionale, si dhe sinjalet që ato gjeneronin. Thorne u frymëzua nga eksperimenti Weber dhe përpjekje të ngjashme nga shkencëtarët rusë. Pasi fola në një konferencë me Weiss në 1975, "Fillova të besoj se zbulimi i valëve gravitacionale do të ishte i suksesshëm," tha Thorne. "Dhe unë doja që Caltech të ishte gjithashtu pjesë e kësaj." Ai organizoi me institutin që të punësonte eksperimentuesin skocez Ronald Driver, i cili gjithashtu pretendoi të ndërtonte një interferometër të valëve gravitacionale. Me kalimin e kohës, Thorne, Driver dhe Weiss filluan të punonin si ekip, secili duke zgjidhur pjesën e tij të problemeve të panumërta në përgatitje për një eksperiment praktik. Treshja formoi LIGO në 1984, dhe kur u ndërtuan prototipet dhe filloi bashkëpunimi si pjesë e një ekipi gjithnjë në rritje, ata morën 100 milionë dollarë financim nga Fondacioni Kombëtar i Shkencës në fillim të viteve 1990. U hartuan vizatime për ndërtimin e një palë detektorësh gjigantë në formë L. Një dekadë më vonë, detektorët filluan të punojnë.

Në Hunford dhe Livingston, në qendër të secilit prej katër kilometrave të gjunjëve të detektorëve, ka një vakum, falë të cilit lazeri, rrezja dhe pasqyrat e tij janë maksimalisht të izoluara nga lëkundjet e vazhdueshme të planetit. Për të qenë në anën e sigurt, shkencëtarët e LIGO monitorojnë detektorët e tyre teksa funksionojnë me mijëra instrumente, duke matur gjithçka që munden: aktivitetin sizmik, presionin barometrik, rrufetë, rrezet kozmike, dridhjet e pajisjeve, tingujt rreth rrezes lazer etj. Ata më pas filtrojnë të dhënat e tyre për këto zhurma të jashtme të sfondit. Ndoshta gjëja kryesore është se ata kanë dy detektorë, dhe kjo ju lejon të krahasoni të dhënat e marra, duke i kontrolluar ato për praninë e sinjaleve që përputhen.

Kontekst

Valët gravitacionale: përfunduan atë që filloi Ajnshtajni në Bernë

SwissInfo 13.02.2016

Si vdesin vrimat e zeza

E mesme 19.10.2014
Brenda vakumit të krijuar, edhe me lazerët dhe pasqyrat plotësisht të izoluara dhe të stabilizuara, "gjëra të çuditshme ndodhin gjatë gjithë kohës", thotë Marco Cavaglià, zëvendës zëdhënës i projektit LIGO. Shkencëtarët duhet t'i gjurmojnë këta "peshq të artë", "fantazma", "përbindësh të çuditshëm të detit" dhe fenomene të tjera vibruese të jashtme, duke gjetur burimin e tyre për ta eliminuar atë. Një rast i vështirë ndodhi gjatë fazës së testimit, tha studiuesja e LIGO Jessica McIver, e cila studion sinjale dhe ndërhyrje të tilla të jashtme. Një seri zhurmash periodike me një frekuencë u shfaq shpesh midis të dhënave. Kur ajo dhe kolegët e saj i konvertuan dridhjet e pasqyrave në skedarë audio, "zina e telefonit u bë dukshëm e dëgjueshme," tha McIver. “Doli se ishin reklamuesit e komunikimit ata që bënin telefonata brenda dhomës së lazerit”.

Në dy vitet e ardhshme, shkencëtarët do të vazhdojnë të përmirësojnë ndjeshmërinë e detektorëve të Observatorit Gravitacional-Valë Gravitacionale Interferometrike Lazer të përmirësuar LIGO. Dhe në Itali, një interferometër i tretë i quajtur Virgjëresha e avancuar do të fillojë të funksionojë. Një përgjigje që gjetjet do të ndihmojnë për të dhënë është se si formohen vrimat e zeza. A janë ato produkt i rënies së yjeve masive më të hershme, apo janë rezultat i përplasjeve brenda grupimeve të dendura të yjeve? "Këto janë vetëm dy supozime, besoj se do të ketë më shumë kur gjërat të qetësohen," thotë Weiss. Ndërsa LIGO fillon të grumbullojë statistika të reja gjatë punës së tij të ardhshme, shkencëtarët do të fillojnë të dëgjojnë histori rreth origjinës së vrimave të zeza që u pëshpëriten atyre nga hapësira.

Duke gjykuar nga forma dhe madhësia, sinjali i parë, më i zhurmshëm i pulsit ndodhi 1.3 miliardë vite dritë nga vendi ku, pas një përjetësie kërcimi të ngadaltë nën ndikimin e tërheqjes reciproke gravitacionale, dy vrima të zeza, secila rreth 30 herë më e madhe se masa e dielli, më në fund u bashkua. Vrimat e zeza rrotulloheshin gjithnjë e më shpejt, si një vorbull, duke u afruar gradualisht. Pastaj ndodhi një bashkim dhe sa hap e mbyll sytë ata lëshuan valë gravitacionale me një energji të krahasueshme me energjinë e tre Diejve. Ky bashkim ishte fenomeni më i fuqishëm energjetik i regjistruar ndonjëherë.

"Është sikur të mos e kemi parë kurrë oqeanin në një stuhi," tha Thorn. Ai e ka pritur këtë stuhi në hapësirë-kohë që nga vitet 1960. Ndjenja që përjetoi Thorn në momentin kur u rrokullisën këto valë, nuk mund të quhet eksitim, thotë ai. Ishte diçka tjetër: një ndjenjë kënaqësie e thellë.

Materialet e InoSMI përmbajnë vetëm vlerësime të mediave të huaja dhe nuk pasqyrojnë qëndrimin e redaktorëve të InoSMI.

Valët gravitacionale - Imazhi i artistit

Valët gravitacionale janë shqetësime të metrikës hapësirë-kohë që shkëputen nga burimi dhe përhapen si valë (të ashtuquajturat "rrjedhje hapësinore-kohë").

Në teorinë e përgjithshme të relativitetit dhe në shumicën e teorive të tjera moderne të gravitetit, valët gravitacionale krijohen nga lëvizja e trupave masivë me nxitim të ndryshueshëm. Valët gravitacionale përhapen lirshëm në hapësirë me shpejtësinë e dritës. Për shkak të dobësisë relative të forcave gravitacionale (krahasuar me të tjerat), këto valë kanë një madhësi shumë të vogël, e cila është e vështirë të regjistrohet.

Vala gravitacionale e polarizuar

Valët gravitacionale parashikohen nga teoria e përgjithshme e relativitetit (GR), shumë të tjera. Ata u zbuluan për herë të parë drejtpërdrejt në shtator 2015 nga dy detektorë binjakë, të cilët regjistruan valë gravitacionale, me gjasë që rezultojnë nga bashkimi i të dyve dhe formimi i një vrime të zezë rrotulluese më masive. Dëshmia indirekte e ekzistencës së tyre është e njohur që nga vitet 1970 - relativiteti i përgjithshëm parashikon shkallët e konvergjencës së sistemeve të afërta që përkojnë me vëzhgimet për shkak të humbjes së energjisë për emetimin e valëve gravitacionale. Regjistrimi i drejtpërdrejtë i valëve gravitacionale dhe përdorimi i tyre për të përcaktuar parametrat e proceseve astrofizike është një detyrë e rëndësishme e fizikës dhe astronomisë moderne.

Në kuadrin e relativitetit të përgjithshëm, valët gravitacionale përshkruhen nga zgjidhjet e ekuacioneve të Ajnshtajnit të tipit valë, të cilat përfaqësojnë një shqetësim të metrikës hapësirë-kohë që lëviz me shpejtësinë e dritës (në një përafrim linear). Manifestimi i këtij shqetësimi duhet të jetë, në veçanti, një ndryshim periodik në distancën midis dy masave testuese që bien lirisht (d.m.th., të paprekura nga asnjë forcë). Amplituda h Vala gravitacionale është një sasi pa dimension - një ndryshim relativ në distancë. Amplituda maksimale e parashikuar e valëve gravitacionale nga objektet astrofizike (për shembull, sistemet kompakte binare) dhe fenomenet (shpërthimet, bashkimet, kapjet nga vrimat e zeza, etj.) janë shumë të vogla kur maten në ( h=10 −18 -10 −23). Një valë gravitacionale e dobët (lineare), sipas teorisë së përgjithshme të relativitetit, mbart energji dhe moment, lëviz me shpejtësinë e dritës, është tërthore, katërpolëshe dhe përshkruhet nga dy komponentë të pavarur të vendosur në një kënd 45° me njëri-tjetrin. (ka dy drejtime polarizimi).

Teori të ndryshme parashikojnë shpejtësinë e përhapjes së valëve gravitacionale në mënyra të ndryshme. Në relativitetin e përgjithshëm, është e barabartë me shpejtësinë e dritës (në një përafrim linear). Në teori të tjera të gravitetit, ai mund të marrë çdo vlerë, duke përfshirë ad infinitum. Sipas të dhënave të regjistrimit të parë të valëve gravitacionale, shpërndarja e tyre rezultoi e pajtueshme me gravitonin pa masë dhe shpejtësia u vlerësua e barabartë me shpejtësinë e dritës.

Gjenerimi i valëve gravitacionale

Një sistem i dy yjeve neutron krijon valëzime në hapësirë-kohë

Një valë gravitacionale emetohet nga çdo lëndë që lëviz me nxitim asimetrik. Për shfaqjen e një vale me amplitudë të konsiderueshme, kërkohet një masë jashtëzakonisht e madhe e emetuesit ose / dhe përshpejtime të mëdha, amplituda e valës gravitacionale është drejtpërdrejt proporcionale me derivati i parë i nxitimit dhe masa e gjeneratorit, pra ~ . Sidoqoftë, nëse një objekt lëviz me një ritëm të përshpejtuar, atëherë kjo do të thotë se një forcë po vepron mbi të nga ana e një objekti tjetër. Nga ana tjetër, ky objekt tjetër përjeton veprimin e kundërt (sipas ligjit të 3-të të Njutonit), ndërsa rezulton se m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Rezulton se dy objekte rrezatojnë valë gravitacionale vetëm në çifte, dhe si rezultat i ndërhyrjes ato shuhen reciprokisht pothuajse plotësisht. Prandaj, rrezatimi gravitacional në teorinë e përgjithshme të relativitetit ka gjithmonë karakterin e të paktën rrezatimit katërpolësh për sa i përket multipolaritetit. Përveç kësaj, për emetuesit jorelativistë, shprehja për intensitetin e rrezatimit përmban një parametër të vogël ku është rrezja gravitacionale e emetuesit, r- madhësia e tij karakteristike, T- periudha karakteristike e lëvizjes, cështë shpejtësia e dritës në vakum.

Burimet më të forta të valëve gravitacionale janë:

përplasje (masa gjigante, nxitime shumë të vogla),
kolapsi gravitacional i një sistemi binar të objekteve kompakte (përshpejtime kolosale me një masë mjaft të madhe). Si një rast i veçantë dhe më interesant - bashkimi i yjeve neutron. Në një sistem të tillë, shkëlqimi i valës gravitacionale është afër shkëlqimit më të lartë të mundshëm të Plankut në natyrë.

Valët gravitacionale të emetuara nga një sistem me dy trupa

Dy trupa që lëvizin në orbita rrethore rreth një qendre të përbashkët të masës

Dy trupa të lidhur në mënyrë gravitacionale me masa m 1 dhe m 2, duke lëvizur në mënyrë jorelativiste ( v << c) në orbita rrethore rreth qendrës së tyre të përbashkët të masës në një distancë r nga njëra-tjetra, rrezatojnë valë gravitacionale të energjisë së mëposhtme, mesatarisht gjatë periudhës:

Si rezultat, sistemi humbet energjinë, gjë që çon në konvergjencën e trupave, domethënë në një ulje të distancës midis tyre. Shpejtësia e afrimit të trupave:

Për sistemin diellor, për shembull, nënsistemi dhe prodhon rrezatimin më të madh gravitacional. Fuqia e këtij rrezatimi është afërsisht 5 kilovat. Kështu, energjia e humbur nga sistemi diellor ndaj rrezatimit gravitacional në vit është krejtësisht e papërfillshme në krahasim me energjinë karakteristike kinetike të trupave.

Kolapsi gravitacional i një sistemi binar

Çdo yll binar, kur përbërësit e tij rrotullohen rreth një qendre të përbashkët të masës, humbet energjinë (siç supozohet - për shkak të emetimit të valëve gravitacionale) dhe, në fund, bashkohet së bashku. Por për yjet e zakonshëm, jo kompakt, binar, ky proces kërkon një kohë shumë të gjatë, shumë më tepër se epoka aktuale. Nëse sistemi kompakt binar përbëhet nga një palë yje neutron, vrima të zeza ose një kombinim i të dyjave, atëherë bashkimi mund të ndodhë në disa milionë vjet. Së pari, objektet i afrohen njëri-tjetrit dhe periudha e tyre e revolucionit zvogëlohet. Pastaj në fazën përfundimtare ka një përplasje dhe një kolaps gravitacional asimetrik. Ky proces zgjat një pjesë të sekondës, dhe gjatë kësaj kohe, energjia humbet në rrezatim gravitacional, i cili, sipas disa vlerësimeve, është më shumë se 50% e masës së sistemit.

Zgjidhjet e sakta themelore të ekuacioneve të Ajnshtajnit për valët gravitacionale

Valët trupore të Bondi - Pirani - Robinson

Këto valë përshkruhen nga një metrikë e formës. Nëse prezantojmë një ndryshore dhe një funksion, atëherë nga ekuacionet GR marrim ekuacionin

Nuk ka metrikë

ka formën , -funksionet, plotësojnë të njëjtin ekuacion.

Rozen metrike

Ku kënaq

Metrikë Perez

Valët cilindrike të Einstein-Rosen

Në koordinatat cilindrike, valë të tilla kanë formën dhe plotësohen

Regjistrimi i valëve gravitacionale

Regjistrimi i valëve gravitacionale është mjaft i ndërlikuar për shkak të dobësisë së kësaj të fundit (shtrembërim i vogël i metrikës). Instrumentet për regjistrimin e tyre janë detektorë të valëve gravitacionale. Përpjekjet për të zbuluar valët gravitacionale janë bërë që nga fundi i viteve 1960. Valët gravitacionale me amplitudë të dallueshme prodhohen gjatë kolapsit të një binar. Ngjarje të ngjashme ndodhin në afërsi afërsisht një herë në dekadë.

Nga ana tjetër, relativiteti i përgjithshëm parashikon një përshpejtim të rrotullimit të ndërsjellë të yjeve binare për shkak të humbjes së energjisë për emetimin e valëve gravitacionale, dhe ky efekt është regjistruar në mënyrë të besueshme në disa sisteme të njohura të objekteve kompakte binare (në veçanti, pulsarët me shoqërues kompakt). Në vitin 1993, "për zbulimin e një lloji të ri pulsari që u dha mundësi të reja në studimin e gravitetit" zbuluesve të pulsarit të parë të dyfishtë PSR B1913+16, Russell Hulse dhe Joseph Taylor Jr. u nderua me Çmimin Nobel në Fizikë. Përshpejtimi i rrotullimit i vërejtur në këtë sistem përkon plotësisht me parashikimet e relativitetit të përgjithshëm për emetimin e valëve gravitacionale. I njëjti fenomen u regjistrua në disa raste të tjera: për pulsarët PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (zakonisht shkurtuar si J0651) dhe sistemin binar RX J0806. Për shembull, distanca midis dy komponentëve A dhe B të yllit të parë binar të dy pulsarëve PSR J0737-3039 zvogëlohet me rreth 2,5 inç (6,35 cm) në ditë për shkak të humbjes së energjisë ndaj valëve gravitacionale, dhe kjo ndodh në përputhje me relativiteti i përgjithshëm. Të gjitha këto të dhëna interpretohen si konfirmim indirekt i ekzistencës së valëve gravitacionale.

Sipas vlerësimeve, burimet më të forta dhe më të shpeshta të valëve gravitacionale për teleskopët dhe antenat gravitacionale janë katastrofat që lidhen me kolapsin e sistemeve binare në galaktikat e afërta. Pritet që në të ardhmen e afërt, detektorë gravitacional të avancuar të regjistrojnë disa ngjarje të tilla në vit, duke shtrembëruar metrikën në afërsi me 10 -21 -10 -23 . Vëzhgimet e para të sinjalit të rezonancës parametrike optiko-metrike, i cili bën të mundur zbulimin e efektit të valëve gravitacionale nga burimet periodike të tipit binar të ngushtë në rrezatimin e maserëve kozmikë, mund të jenë marrë në Observatorin e Radio Astronomisë së Rusisë. Akademia e Shkencave, Pushchino.

Një mundësi tjetër për zbulimin e sfondit të valëve gravitacionale që mbushin Universin është koha me saktësi të lartë të pulsarëve të largët - analiza e kohës së mbërritjes së pulseve të tyre, e cila ndryshon në mënyrë karakteristike nën veprimin e valëve gravitacionale që kalojnë nëpër hapësirën midis Tokës dhe pulsarit. Sipas vlerësimeve të vitit 2013, saktësia e kohës duhet të rritet me rreth një rend të madhësisë për të qenë në gjendje të zbulojë valët e sfondit nga burime të shumta në universin tonë dhe kjo detyrë mund të zgjidhet para fundit të dekadës.

Sipas koncepteve moderne, Universi ynë është i mbushur me valë gravitacionale relike që u shfaqën në momentet e para më pas. Regjistrimi i tyre do të japë informacion në lidhje me proceset në fillim të lindjes së Universit. Më 17 mars 2014 në orën 20:00 me kohën e Moskës në Qendrën Harvard-Smithsonian për Astrofizikën, një grup amerikan studiuesish që punonin në projektin BICEP 2 njoftuan zbulimin e perturbimeve të tensorit jo zero në Universin e hershëm nga polarizimi i CMB. që është edhe zbulimi i këtyre valëve relike gravitacionale . Megjithatë, pothuajse menjëherë ky rezultat u kundërshtua, pasi, siç doli, kontributi i . Një nga autorët, J. M. Kovats ( Kovac J.M.), pranoi se “me interpretimin dhe pasqyrimin e të dhënave të eksperimentit BICEP2, pjesëmarrësit në eksperiment dhe gazetarët e shkencës ishin pak të nxituar”.

Konfirmimi eksperimental i ekzistencës

Sinjali i parë i regjistruar i valës gravitacionale. Në të majtë, të dhëna nga detektori në Hanford (H1), në të djathtë, në Livingston (L1). Ora është e numëruar nga data 14 shtator 2015, ora 09:50:45 UTC. Për të vizualizuar sinjalin, ai u filtrua me një filtër frekuence me një gjerësi bande 35-350 Hz për të shtypur luhatjet e mëdha jashtë gamës së ndjeshmërisë së lartë të detektorëve; filtrat e brezit u përdorën gjithashtu për të shtypur zhurmën e vetë instalimeve. Rreshti i sipërm: tensionet h në detektorë. GW150914 mbërriti fillimisht në L1 dhe 6 9 +0 5 −0 4 ms më vonë mbërriti në H1; për krahasim vizual, të dhënat nga H1 tregohen në grafikun L1 të përmbysur dhe të zhvendosur në kohë (për të marrë parasysh orientimin relativ të detektorëve). Rreshti i dytë: tensionet h nga sinjali i valës gravitacionale, të kaluar nëpër të njëjtin filtër brezkalimi 35-350 Hz. Vija e fortë është rezultat i relativitetit numerik për një sistem me parametra të përputhshëm me ato të gjetura në bazë të studimit të sinjalit GW150914, të marrë nga dy kode të pavarura me një përputhje rezultuese prej 99.9. Vijat e trasha gri janë intervalet e besueshmërisë 90% të formës valore të rikuperuar nga të dhënat e detektorit me dy metoda të ndryshme. Linja gri e errët modelon sinjalet e pritshme nga bashkimet e vrimave të zeza, vija gri e lehtë nuk përdor modele astrofizike, por përfaqëson sinjalin si një kombinim linear i valëve sinusoidale-gaussian. Rikonstruksionet mbivendosen me 94%. Rreshti i tretë: Gabimet e mbetura pas nxjerrjes së parashikimit të filtruar të sinjalit të relativitetit numerik nga sinjali i filtruar i detektorëve. Rreshti i poshtëm: paraqitja e hartës së frekuencës së tensionit që tregon rritjen e frekuencës dominuese të sinjalit me kalimin e kohës.

11 Shkurt 2016 nga bashkëpunimet LIGO dhe VIRGO. Sinjali i bashkimit të dy vrimave të zeza me një amplitudë në një maksimum prej rreth 10 −21 u zbulua më 14 shtator 2015 në orën 09:51 UTC nga dy detektorë LIGO në Hanford dhe Livingston 7 milisekonda larg njëri-tjetrit, në rajonin e sinjalit maksimal. amplituda (0.2 sekonda) e kombinuar, raporti sinjal-zhurmë ishte 24:1. Sinjali u emërua GW150914. Forma e sinjalit përputhet me parashikimin e relativitetit të përgjithshëm për bashkimin e dy vrimave të zeza me masa 36 dhe 29 masa diellore; vrima e zezë që rezulton duhet të ketë një masë prej 62 masash diellore dhe një parametër rrotullimi a= 0,67. Distanca nga burimi është rreth 1.3 miliardë, energjia e rrezatuar në të dhjetat e sekondës në bashkim është e barabartë me rreth 3 masa diellore.

Histori

Historia e vetë termit "valë gravitacionale", kërkimi teorik dhe eksperimental i këtyre valëve, si dhe përdorimi i tyre për të studiuar fenomene të paarritshme për metodat e tjera.

1900 - Lorentz sugjeroi se graviteti "... mund të përhapet me një shpejtësi jo më të madhe se shpejtësia e dritës";
1905 - Poincare fillimisht prezantoi termin valë gravitacionale (onde gravifique). Poincaré, në një nivel cilësor, hoqi kundërshtimet e vërtetuara mirë të Laplace dhe tregoi se korrigjimet e lidhura me valët gravitacionale ndaj ligjeve të pranuara përgjithësisht të gravitetit të Njutonit të rendit anulojnë, kështu që supozimi i ekzistencës së valëve gravitacionale nuk kundërshton vëzhgimet;
1916 - Ajnshtajni tregoi se, brenda kuadrit të relativitetit të përgjithshëm, një sistem mekanik do të transferojë energji në valët gravitacionale dhe, përafërsisht, çdo rrotullim në lidhje me yjet fikse duhet të ndalet herët a vonë, megjithëse, natyrisht, në kushte normale, humbjet e energjisë të rendit janë të papërfillshme dhe praktikisht nuk mund të maten (në këtë vepër, ai ende gabimisht besonte se një sistem mekanik që ruan vazhdimisht simetrinë sferike mund të rrezatojë valë gravitacionale);
1918 - Ajnshtajni nxori një formulë katërpolëshe në të cilën rrezatimi i valëve gravitacionale rezulton të jetë një efekt rendi, duke korrigjuar kështu gabimin në punën e tij të mëparshme (kishte një gabim në koeficient, energjia e valës është 2 herë më pak);
1923 - Eddington - vuri në dyshim realitetin fizik të valëve gravitacionale "... përhapen ... me shpejtësinë e mendimit". Në vitin 1934, kur përgatiti një përkthim rus të monografisë së tij Teoria e Relativitetit, Eddington shtoi disa kapituj, duke përfshirë kapituj me dy variante të llogaritjes së humbjeve të energjisë nga një shufër rrotulluese, por vuri në dukje se metodat e përdorura për llogaritjet e përafërta të relativitetit të përgjithshëm, në librin e tij. opinioni, nuk janë të zbatueshëm për sistemet e kombinuara gravitacionale, kështu që dyshimet mbeten;
1937 - Ajnshtajni, së bashku me Rosen, hetuan zgjidhjet e valëve cilindrike të ekuacioneve të sakta të fushës gravitacionale. Gjatë këtyre studimeve, ata kishin dyshime se valët gravitacionale mund të ishin një artefakt i zgjidhjeve të përafërta të ekuacioneve GR (ekziston një korrespondencë e njohur në lidhje me rishikimin e artikullit nga Ajnshtajni dhe Rosen "A ekzistojnë valët gravitacionale?"). Më vonë, ai gjeti një gabim në arsyetim, versioni përfundimtar i artikullit me redaktime themelore u botua tashmë në Journal of the Franklin Institute;
1957 - Herman Bondy dhe Richard Feynman propozuan një eksperiment mendimi "kallam me rruaza" në të cilin ata vërtetuan ekzistencën e pasojave fizike të valëve gravitacionale në relativitetin e përgjithshëm;
1962 - Vladislav Pustovoit dhe Mikhail Gertsenshtein përshkruan parimet e përdorimit të interferometrave për të zbuluar valët gravitacionale me gjatësi vale të gjatë;
1964 - Philip Peters dhe John Matthew përshkruan teorikisht valët gravitacionale të emetuara nga sistemet binare;
1969 - Joseph Weber, themeluesi i astronomisë së valëve gravitacionale, raporton zbulimin e valëve gravitacionale duke përdorur një detektor rezonant - një antenë mekanike gravitacionale. Këto raporte nxisin një rritje të shpejtë të punës në këtë drejtim, në veçanti, Rene Weiss, një nga themeluesit e projektit LIGO, filloi eksperimentet në atë kohë. Deri më sot (2015), askush nuk ka mundur të marrë konfirmim të besueshëm të këtyre ngjarjeve;
1978 - Joseph Taylor raportoi zbulimin e rrezatimit gravitacional në sistemin binar të pulsarit PSR B1913+16. Puna e Joseph Taylor dhe Russell Hulse fitoi Çmimin Nobel në Fizikë në vitin 1993. Në fillim të vitit 2015, tre parametra post-keplerian, përfshirë uljen e periudhës për shkak të emetimit të valëve gravitacionale, u matën për të paktën 8 sisteme të tilla;
2002 - Sergey Kopeikin dhe Edward Fomalont bënë matje dinamike të devijimit të dritës në fushën gravitacionale të Jupiterit duke përdorur interferometrinë e valëve të radios me një bazë shumë të gjatë, e cila për një klasë të caktuar të zgjerimeve hipotetike të relativitetit të përgjithshëm lejon vlerësimin e shpejtësisë së gravitetit - ndryshimi nga shpejtësia e dritës nuk duhet të kalojë 20% (ky interpretim nuk pranohet përgjithësisht);
2006 - ekipi ndërkombëtar i Martha Burgay (Observatori i Parqeve, Australi) raportoi një konfirmim shumë më të saktë të relativitetit të përgjithshëm dhe korrespondencën me të të madhësisë së emetimit të valëve gravitacionale në sistemin e dy pulsarëve PSR J0737-3039A/B;
2014 - Astronomët në Qendrën Harvard-Smithsonian për Astrofizikë (BICEP) raportuan zbulimin e valëve gravitacionale primordiale në matjet e luhatjeve të CMB. Për momentin (2016), luhatjet e zbuluara konsiderohen se nuk janë me origjinë relikte, por shpjegohen nga rrezatimi i pluhurit në Galaxy;
2016 - Ekipi ndërkombëtar LIGO njoftoi zbulimin e ngjarjes së kalimit të valëve gravitacionale GW150914. Për herë të parë, vëzhgimi i drejtpërdrejtë i trupave masivë ndërveprues në fusha gravitacionale super të forta me shpejtësi relative super të larta (< 1,2 × R s , v/c >0.5), i cili bëri të mundur verifikimin e korrektësisë së relativitetit të përgjithshëm me një saktësi të disa termave të rendit të lartë post-Njutonian. Shpërndarja e matur e valëve gravitacionale nuk bie ndesh me matjet e mëparshme të dispersionit dhe kufirit të sipërm të masës së gravitonit hipotetik (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.

1.3 miliardë vjet më parë, shumë, shumë larg nga Toka, sistemi diellor dhe madje edhe galaktika jonë, dy vrima të zeza iu afruan jashtëzakonisht afër, njëra me një masë prej 29 Diejsh dhe tjetra me 36. 20 milisekonda - paksa e shkurtër për një person - dhe ato bashkohen në një vrimë të madhe të zezë, dhe energjia e tepërt e çliruar gjatë përplasjes bën që hapësirë-koha të rrjedhë larg vendit të një katastrofe kozmike. Më 14 shtator 2015, në orën 13:51 me orën e Moskës, kjo valë arriti në Tokë dhe detyroi pasqyrat e teleskopëve gravitacional të vendosur katër kilometra larg njëri-tjetrit pranë qyteteve amerikane Livingston dhe Hanford të lëkunden.

Vërtetë, ai lëkundet mjaft, pothuajse në mënyrë të padukshme: me një amplitudë prej 10 -19 m (kjo është aq herë më e vogël se madhësia e një atomi sa një portokall është më i vogël se i gjithë planeti ynë). Një skemë optike dinak për regjistrimin e shqetësimeve të tilla, matje në kufirin kuantik të saktësisë, dekada pune teorike dhe verifikim të kujdesshëm disa mujor të rezultateve. Më 11 shkurt, në konferencat për shtyp në Uashington, Moskë, Londër, Paris dhe qytete të tjera, fizikanët nga bashkëpunimi ndërkombëtar LIGO raportuan: njerëzimi ka regjistruar valë gravitacionale për herë të parë dhe kjo nuk mund të jetë një gabim. Përpara nesh janë teleskopët gravitacionalë, fizika e re dhe, kush e di, ndoshta edhe një realitet i ri.

Cfare eshte?

Imagjinoni një pëlhurë të shtrirë dhe disa gurë me pesha të ndryshme që do t'i vendosim. Sa më i rëndë të jetë guri, aq më shumë shtyhet përmes pëlhurës - në të njëjtën mënyrë, objektet masive gravitacionale, sipas teorisë së relativitetit të Ajnshtajnit, shtyjnë pëlhurën e hapësirë-kohës që mbështjell botën tonë (më saktë, kjo pëlhurë është bota jonë , por jo për këtë tani).

Mënyra më e lehtë për të shpjeguar ndikimin e objekteve masive në hapësirë-kohë është me shembullin e vrimave të zeza - ato janë aq kompakte dhe të rënda sa që shtyjnë hapësirë-kohën në thellësitë kolosale të miliarda miliona Hendekut Mariana.

Edhe koha në afërsi të tyre fillon të rrjedhë më ngadalë dhe të gjitha objektet që kanë rënë në një gyp gjigant nuk mund të dalin më. Yje, pluhur, kuanta të lehta - gjithçka mbetet e bllokuar përgjithmonë.

Por çfarë do të ndodhë nëse jo thjesht vendosim gurët, por fillojmë t'i rrotullojmë? Grumbullimet e palosjeve do të kalojnë nëpër pëlhurë. Në mënyrë të ngjashme, objektet masive gravitacionale që lëvizin me nxitim të ndryshueshëm krijojnë valëzime të përhapura të hapësirë-kohës rreth tyre - të njëjtat valë gravitacionale të parashikuara nga Albert Einstein njëqind vjet më parë.

Çfarë lëshon valët gravitacionale?

Valët gravitacionale emetohen nga çdo objekt që ka masë dhe lëviz me përshpejtim të ndryshueshëm - nga një vrimë e zezë rrotulluese te një makinë frenuese dhe lexuesi i këtij teksti (nuk ka gjasa që ta shikoni ekranin pa pulsuar - dhe ja ku është, nxitimi ). Vetëm se valët gravitacionale nga dy objektet e fundit shkaktojnë luhatje kaq modeste në hapësirë, saqë, nga pikëpamja e fizikës kuantike moderne, ato thjesht nuk mund të regjistrohen.

Prandaj, fizikanët shpresonin të gjenin valë gravitacionale vetëm nga objekte masive që lëviznin me ndryshime shumë të mëdha nxitimi. Ose më mirë, nga një palë objektesh të tilla - thjesht sipas ligjit të dytë të Njutonit, nëse një trup i rëndë lëviz me një nxitim të madh të ndryshueshëm, atëherë duhet të ketë një forcë të madhe që "vendos" këtë lëvizje. Mënyra më e lehtë që kjo forcë të shfaqet është nga goditja e ndonjë objekti masiv aty pranë. Kandidatët idealë për çifte të tilla peshash të rënda janë galaktikat që përplasen dhe sistemet binare të "jetesës" së bashku me vrimat e zeza ose yjet neutron.

A nuk janë përpjekur të gjejnë valë gravitacionale më parë?

Ata u përpoqën, dhe më shumë se një herë. Disa nga eksperimentet e para për zbulimin e valëve gravitacionale u kryen në vitet '70 në Fakultetin e Fizikës të Universitetit Shtetëror të Moskës në një grup të udhëhequr nga profesori Vladimir Braginsky. Pastaj pajisja, e instaluar në bodrumin e ndërtesës, dukej se regjistronte një sinjal, të fortë dhe të qëndrueshëm që përsëritej çdo mbrëmje. Pati një ndjesi. Pushimi u prish nga vetë Braginsky, i cili kuptoi se pajisja regjistroi zhurmë sizmike nga hyrja miqësore e disa tramvajeve në depon e afërt.

Studiuesit nga bashkëpunimi ndërkombëtar BICEP ishin shumë më pak të saktë se fizikanët sovjetikë. Vitin e kaluar, ata njoftuan gjurmë të pamohueshme të valëve gravitacionale në CMB që nga momentet e para pas Big Bengut. Por lashtësia e bujshme doli të ishte një gabim: gjatë përpunimit të të dhënave, shkencëtarët nuk morën parasysh ndikimin e pluhurit kozmik.

Përpjekje të përsëritura për të zbuluar valët gravitacionale janë bërë edhe me teleskopë të tjerë gravitacionalë, duke përfshirë detektorët e bashkëpunimit LIGO.

Çfarë është LIGO dhe teleskopët gravitacional në përgjithësi?

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) është emri i një observatori dhe në të njëjtën kohë një bashkëpunim ndërkombëtar i shkencëtarëve nga 14 vende. Rusia përfaqësohet në LIGO nga dy ekipe kërkimore: grupi i Alexander Sergeev nga Instituti i Fizikës së Aplikuar të Akademisë së Shkencave Ruse (Nizhny Novgorod) dhe grupi i udhëhequr nga Valery Mitrofanov, Profesor i Fakultetit të Fizikës të Universitetit Shtetëror të Moskës. Kjo e fundit, nga rruga, deri vonë drejtohej nga i njëjti Vladimir Braginsky.

Si pjesë e LIGO si një observator, ekziston një detektor dhe dy interferometra: njëri është i instaluar në Livingston (Luiziana, SHBA), dhe tjetri është në Hanford (Uashington, SHBA). Valët gravitacionale përhapen me shpejtësinë e dritës, dhe për këtë arsye sinjali u erdhi atyre me vetëm një vonesë të vogël prej 10 milisekonda.

Vetë interferometrat janë antena të mëdha në formë L me krahë 4 km. Brenda, ata kanë montuar qarqe optike të faktorit të cilësisë së lartë (d.m.th., me një nivel të ulët të zhurmës së jashtme), në të cilat lëshohen rrezet lazer. Nën veprimin e një valë gravitacionale, njëra shpatull duhet të tkurret, dhe tjetra, përkundrazi, të shtrihet. Si rezultat, rrezet lazer udhëtojnë distanca paksa të ndryshme përgjatë krahëve dhe arrijnë në dalje me një hendek të vogël midis tyre. Pasi u larguan, ata bashkohen përsëri dhe formojnë një model ndërhyrjeje, sipas karakteristikave të të cilit është e mundur të rivendoset se si ndryshuan krahët e antenës dhe cila ishte vala gravitacionale që shkaktoi gjithë këtë.

Observatori LIGO filloi punën e tij në vitin 2002, por më pas saktësia e tij nuk ishte e mjaftueshme për të zbuluar valët gravitacionale. Në vitin 2010, LIGO u mbyll për modernizim dhe filloi të punojë përsëri vetëm në 2014 (Advanced LIGO). Çdo element strukturor u përsos fjalë për fjalë deri në kufi: për shembull, pasqyrat midis të cilave kalojnë rrezet lazer (ato janë instaluar në skajet e secilit krah) u bënë në një fabrikë të veçantë. Një teleskop i ngjashëm u ndërtua paralelisht me LIGO nga bashkëpunimi evropian VIRGO, por në shtator të vitit të kaluar nuk funksionoi.

Çfarë sinjali regjistruan shkencëtarët?

Ja çfarë thotë Valery Mitrofanov. “Në fillim kishte një zhurmë të vazhdueshme në sfond dhe papritmas, në një moment, masat testuese të detektorit, po ato pasqyra, filluan të lëkunden me një frekuencë të caktuar. Pastaj - një herë, dhe thyejeni. Për më tepër, sinjali ishte menjëherë në dy detektorë: së pari, vala gravitacionale iu afrua njërit, dhe më pas, me një vonesë të vogël, te tjetri.

Frekuenca e sinjalit ishte 150 Hz (me këtë frekuencë dhe amplitudë 10 -19 m u lëkundën pasqyrat, të cilat u afruan ose u larguan më shumë), dhe pas përpunimit u gjet shkaku i tij: bashkimi i dy vrimave të zeza. në një distancë prej 1.3 miliardë vite dritë nga Toka. Masa e njërës prej tyre ishte e barabartë me 29 masa diellore, dhe tjetra - 36. Masa e vrimës së zezë që rezulton ishte pak më e vogël: mungesa e energjisë së tre masave diellore sapo u rrezatua gjatë përplasjes në formë të valëve gravitacionale.

Shkëlqimi (d.m.th., energjia totale e rrezatuar) e këtij ndezje ishte 50 herë më e lartë se shkëlqimi i gjithë universit të dukshëm. Nëse do të ishte dritë, dhe jo graviteti, do të ishte verbues i ndritshëm në hapësirën e vëzhgueshme.

Shkëlqim? Frekuenca? Unë jam plotësisht i hutuar

Edhe një herë: shkencëtarët kanë parë valë gravitacionale. Kjo nuk është dritë (d.m.th., valë elektromagnetike, ose lëkundje të kombinuara të fushave magnetike dhe elektrike që përhapen në hapësirë), dhe jo tingull (lëkundje mekanike në një mjedis të ngurtë, të lëngët ose të gaztë, domethënë, përhapja e valëve me presion të rritur / ulur) . Vetëm se të gjitha këto dukuri (drita, zëri dhe graviteti) mund të përshkruhen me të njëjtat ekuacione dhe terma të fizikës valore.

Pra, çdo valë ka një frekuencë lëkundjeje, e matur në herc (Hz). Dëgjimi i njeriut është në gjendje të perceptojë tingujt në një frekuencë prej 20 herc - 20 kilohertz. Frekuenca e valës gravitacionale hyrëse ishte 150 Hz, por kjo nuk do të thotë se mund të dëgjohet nëse dëgjoni me shumë kujdes. Në një konferencë shtypi në Uashington, shkencëtarët madje ndezën tingullin shqetësues nga kjo përplasje diku në mënyrë të paimagjinueshme larg, por ishte thjesht një interpretim i bukur i asaj që do të ndodhte nëse studiuesit nuk regjistronin një valë gravitacionale, por saktësisht të njëjtë në të gjithë parametrat ( frekuenca, amplituda, forma) valë zanore.

Është e njëjta gjë me shkëlqimin. Ky është vetëm një term për intensitetin e fluksit të rrezatimit, i aplikuar në një kontekst të pazakontë, por korrekt. Për shembull, në rastin e llambave: sa më intensive të lëshojnë, aq më shumë shkëlqejnë dhe aq më i madh është shkëlqimi i tyre. Për përplasjen e vrimave të zeza: sa më e madhe të jetë masa e tyre dhe sa më i mprehtë të jetë nxitimi, aq më të fuqishme valët gravitacionale do të lëshojnë në hapësirë. Pse, atëherë, kjo ngjarje e 50 shkëlqimeve të Universit nuk e ngjeshi të gjithë planetin Tokë në një fizarmonikë, por vetëm shkundi pasqyrat e renditura në mënyrë të ndërlikuar me një fllad të botës tjetër? Por për shkak se ndërveprimi gravitacional është shumë më i dobët se ai elektromagnetik (kjo është arsyeja pse është kaq e vështirë për ta zbuluar atë) - aq shumë sa ne vërejmë tërheqjen tonë vetëm nga Toka, por, për shembull, jo nga lisi shekullor. pemë, sado që i afrohemi.

Dhe kjo nuk mund të jetë një gabim?

Shkencëtarët janë 100% të sigurt për gjetjet e tyre. Në të njëjtën kohë, ata tashmë kishin pozitive false më parë, por të huajt nuk e morën vesh kurrë për këtë, kështu që për sa i përket saktësisë, atyre patjetër mund t'u besohet.

"Së pari, kjo është një metodë e drejtpërdrejtë për regjistrimin e valëve gravitacionale," thotë Valery Mitrofanov. - Dhe së dyti, rezultatet përkonin me parashikimet e teoricienëve. Ne kishim një model sinjali të valës gravitacionale nga bashkimi i dy vrimave të zeza, të llogaritur duke përdorur fizikën kuantike. Sinjali u regjistrua vetëm nëse binte në këtë model - kjo ndodhi më 14 shtator, dhe është falë këtij modeli që ne mund të rivendosim masat e vrimave.

Nga rruga, rrjedhja e informacionit në lidhje me shpalljen e afërt të rezultateve u shfaq në mes të shtatorit. Pastaj shumë diskutuan se, ndër të tjera, sinjali thjesht mund të përzihet në të dhëna nga shkencëtarët që kontrollojnë projektin për të kontrolluar gatishmërinë e tij. Tani të gjithë pjesëmarrësit e bashkëpunimit mohojnë pa mëdyshje një mundësi të tillë: ngjarja nuk ndodhi gjatë një nisje pune të sistemit, por gjatë një testi inxhinierik, në të cilin nuk priten "injeksione" të rreme sipas udhëzimeve.

A mori pjesë Rusia?

Po. Siç u përmend tashmë, dy laboratorë nga Moska dhe Nizhny Novgorod marrin pjesë në bashkëpunimin LIGO nga Rusia. Ata zhvilluan dizajnin e teleskopit (për shembull, ishin fizikanët rusë që propozuan varjen e pasqyrave në filamente kuarci në vend të çelikut, gjë që reduktonte zhurmën e jashtme në sistem) dhe luftuan efektet kuantike që shtrembërojnë sinjalet e antenave ultrasensitive.

"Ne kemi marrë një pajisje kuantike me dimensione makroskopike," thotë Sergey Vyatchanin, profesor në Universitetin Shtetëror të Moskës. - Kjo është arritja përfundimtare e qytetërimit për momentin: LIGO pothuajse ka arritur kufirin kuantik të matjeve. Ne ishim në gjendje të regjistronim zhvendosjen e dy objekteve makroskopike që peshonin disa kilogramë dhe të ndara me disa kilometra, me një saktësi të parashikuar nga pasiguria kuantike e Heisenberg.

Kontributi i fizikantëve tanë në kërkime dhe një prej iniciatorëve të projektit, Profesor Nderi i Institutit të Teknologjisë në Kaliforni, Kip Thorne, është veçanërisht i theksuar. Sipas tij, ishte Vladimir Braginsky, një ekspert i njohur botëror në fushën e gravitetit kuantik, i cili i pari sugjeroi kërkimin e valëve gravitacionale nga vrimat e zeza dhe ishte i pari që tërhoqi vëmendjen për nevojën për të marrë parasysh efektet kuantike në matje.

Le të shkojmë në ngjitje. Së pari, shkencëtarët shpresojnë të marrin një teleskop të tretë gravitacional për sistemin e tyre, i cili nuk do të jetë më në Tokë, por në hapësirë. Më pas, duke përdorur vonesat karakteristike të sinjaleve të valëve gravitacionale, studiuesit do të jenë në gjendje të rivendosin pozicionin e saktë të burimeve - ashtu si tani ju mund të zbuloni pozicionin tuaj të saktë në Tokë duke shkëmbyer sinjale me tre satelitë GPS.

"Ky është fillimi i një astronomie të re, me valë gravitacionale," thotë Valery Mitrofanov. - Njerëzit e lashtë vëzhguan Universin vetëm në dritën e dukshme. Pastaj u shfaqën teleskopët me rreze X, teleskopët radio, teleskopët me rreze gama, vëzhgimet e neutrinove, dhe tani do të shohim qiellin në valë gravitacionale, të cilat, meqë ra fjala, nuk kontrollohen nga asgjë.

“Këto valë nuk mund të ndalen nga asnjë materie dhe me to do të jemi në gjendje të kuptojmë shumë më tepër për Universin sesa tani. Dhe ka shumë mistere - për shembull, misteri i materies së errët.

Për më tepër, një teleskop gravitacional mund të skanojë të gjithë qiellin menjëherë: nuk ka nevojë të akordohet në një pikë specifike në hapësirë ose në një frekuencë. Prandaj, në të ardhmen, shumë ngjarje unike astrofizike do të jenë të parat që do të regjistrohen saktësisht në një teleskop gravitacional - do të jetë në gjendje të përcaktojë vendndodhjen e saktë të objekteve, dhe më pas mjetet e tjera të vëzhgimit do të akordohen duke përdorur këto të dhëna.

Jo pa të. Tani shkencëtarët shpresojnë të shohin valë gravitacionale relike - të njëjtat që filluan të përhapen nëpër univers pothuajse menjëherë pas Big Bengut.
"Kjo do t'ju lejojë të shikoni në fillimin e kohës," thotë Farit Khalili, profesor në Universitetin Shtetëror të Moskës. "Ndërveprimi gravitacional ishte i pari që ndaloi bashkëveprimin me materien, dhe për këtë arsye vëzhgimi i sfondit kozmik të mikrovalës mund të na lejojë të martojmë ndërveprimet gravitacionale dhe elektromagnetike."

Profesori flet për ëndrrën e gjatë të fizikantëve - zhvillimin e një teorie koherente të gravitetit kuantik, në të cilën ndërveprimet elektromagnetike dhe gravitacionale përshkruhen në terma dhe ekuacione të përbashkëta. Detyra maksimale në këtë rrugë është "teoria e gjithçkaje" ose, siç quhet ndryshe, teoria e bashkimit të madh. Të katër ndërveprimet fizike të njohura tashmë bashkohen në të (përveç gravitacionale dhe elektromagnetike, ka edhe ndërveprime të dobëta dhe të forta që shpjegojnë ekzistencën e grimcave elementare).

Teoria e relativitetit të Ajnshtajnit gjithashtu duhet të bëhet pjesë e një teorie të tillë. "Ne do të jemi në gjendje të shikojmë në zonën ku përfundon relativiteti i përgjithshëm, sepse në një vrimë të zezë ai parashikon një singularitet," thotë Igor Bilenko, profesor në Universitetin Shtetëror të Moskës. "Ndoshta do të shohim një fizikë të re që përfshin teorinë e përgjithshme të relativitetit si një nga komponentët e saj, një nga rastet e veçanta."

Më në fund, diçka nga kjo festë mund të na bjerë, njerëzve të thjeshtë që nuk e ëndërrojmë teorinë e madhe të bashkimit. “Kur Hertz zbuloi valët elektromagnetike, ai nuk e dinte se kjo do të çonte në linjat e energjisë, telefonat celularë dhe internetin”, thotë Sergei Strygin, profesor i asociuar në Universitetin Shtetëror të Moskës. "Ndoshta njerëzimi një ditë do të mësojë jo vetëm të zbulojë valët gravitacionale, por edhe t'i përdorë ato për qëllimet e veta."

Cka do te jete? Transmetimi i informacionit në kohë, si në filmin "Interstellar", konsulenti shkencor i të cilit ishte vetëm Kip Thorne? Koha e udhëtimit? Diçka e çmendur e paimagjinueshme? Ndërsa ne nuk mund të parashikojmë asgjë - thjesht prisni dhe shikoni.

Valentin Nikolaevich Rudenko ndan historinë e vizitës së tij në qytetin e Kashina (Itali), ku ai kaloi një javë në "antenën gravitacionale" të sapondërtuar - interferometrin optik të Michelson. Rrugës për në destinacion, taksisti interesohet se për çfarë është ndërtuar instalimi. "Njerëzit këtu mendojnë se është për të folur me Zotin," pranon shoferi.

– Çfarë janë valët gravitacionale?

– Vala gravitacionale është një nga “bartësit e informacionit astrofizik”. Ka kanale të dukshme të informacionit astrofizik, një rol të veçantë në "vizionin e largët" i takon teleskopëve. Astronomët kanë zotëruar gjithashtu kanalet me frekuencë të ulët - mikrovalë dhe infra të kuqe, dhe me frekuencë të lartë - rreze X dhe gama. Përveç rrezatimit elektromagnetik, ne mund të regjistrojmë rrjedhat e grimcave nga Kozmosi. Për këtë, përdoren teleskopë neutrino - detektorë me madhësi të madhe të neutrinos kozmike - grimca që ndërveprojnë dobët me materien dhe për këtë arsye janë të vështira për t'u regjistruar. Pothuajse të gjitha llojet e parashikuara teorikisht dhe të studiuara në laborator të "bartësve të informacionit astrofizik" zotërohen në mënyrë të besueshme në praktikë. Përjashtim ishte graviteti - ndërveprimi më i dobët në mikrokozmos dhe forca më e fuqishme në makrokozmos.

Graviteti është gjeometri. Valët gravitacionale janë valë gjeometrike, domethënë valë që ndryshojnë karakteristikat gjeometrike të hapësirës ndërsa udhëtojnë nëpër atë hapësirë. Përafërsisht, këto janë valë që deformojnë hapësirën. Deformimi është ndryshimi relativ në distancën ndërmjet dy pikave. Rrezatimi gravitacional ndryshon nga të gjitha llojet e tjera të rrezatimit pikërisht në atë që ato janë gjeometrike.

A i parashikoi Ajnshtajni valët gravitacionale?

- Formalisht, besohet se valët gravitacionale u parashikuan nga Ajnshtajni si një nga pasojat e teorisë së tij të përgjithshme të relativitetit, por në fakt ekzistenca e tyre bëhet e dukshme tashmë në teorinë speciale të relativitetit.

Teoria e relativitetit sugjeron që për shkak të tërheqjes gravitacionale, kolapsi gravitacional është i mundur, domethënë tkurrja e një objekti si rezultat i kolapsit, përafërsisht, në një pikë. Atëherë graviteti është aq i fortë sa drita as nuk mund t'i ikë, kështu që një objekt i tillë në mënyrë figurative quhet vrimë e zezë.

- Cila është veçoria e bashkëveprimit gravitacional?

Një tipar i ndërveprimit gravitacional është parimi i ekuivalencës. Sipas tij, reagimi dinamik i një trupi testues në një fushë gravitacionale nuk varet nga masa e këtij trupi. E thënë thjesht, të gjithë trupat bien me të njëjtin nxitim.

Forca gravitacionale është më e dobëta që njohim sot.

- Kush ishte i pari që u përpoq të kapte një valë gravitacionale?

– Eksperimenti i valëve gravitacionale u krye për herë të parë nga Joseph Weber nga Universiteti i Maryland (SHBA). Ai krijoi detektorin gravitacional, i cili tani ruhet në Muzeun Smithsonian në Uashington. Në 1968-1972, Joe Weber bëri një seri vëzhgimesh me një palë detektorë të ndarë në një përpjekje për të izoluar rastet e "rastësisë". Pritja e rastësive është huazuar nga fizika bërthamore. Rëndësia e ulët statistikore e sinjaleve gravitacionale të marra nga Weber shkaktoi një qëndrim kritik ndaj rezultateve të eksperimentit: nuk kishte siguri që valët gravitacionale mund të zbuloheshin. Në të ardhmen, shkencëtarët u përpoqën të rrisin ndjeshmërinë e detektorëve të tipit Weber. U deshën 45 vjet për të zhvilluar një detektor, ndjeshmëria e të cilit ishte adekuate për parashikimin astrofizik.

Gjatë fillimit të eksperimentit para fiksimit, u bënë shumë eksperimente të tjera, u regjistruan impulse gjatë kësaj periudhe, por ato kishin shumë pak intensitet.

- Pse nuk u njoftua menjëherë rregullimi i sinjalit?

– Valët gravitacionale u regjistruan në shtator 2015. Por edhe nëse është regjistruar një rastësi, është e nevojshme të provohet para se të deklarohet se nuk është e rastësishme. Në sinjalin e marrë nga çdo antenë, ka gjithmonë breshëri zhurmash (shpërthime afatshkurtra), dhe njëra prej tyre mund të ndodhë aksidentalisht njëkohësisht me një shpërthim zhurme në një antenë tjetër. Është e mundur të vërtetohet se rastësia nuk ka ndodhur rastësisht vetëm me ndihmën e vlerësimeve statistikore.

– Pse janë kaq të rëndësishme zbulimet në fushën e valëve gravitacionale?

– Aftësia për të regjistruar sfondin gravitacional relikt dhe për të matur karakteristikat e tij, si dendësia, temperatura, etj., na lejon t'i afrohemi fillimit të universit.

Gjëja tërheqëse është se rrezatimi gravitacional është i vështirë për t'u zbuluar sepse ndërvepron shumë dobët me materien. Por, në sajë të së njëjtës veti, ai kalon pa përthithje nga objektet më të largëta prej nesh me vetitë më misterioze, nga pikëpamja e materies.

Mund të themi se rrezatimet gravitacionale kalojnë pa shtrembërim. Qëllimi më ambicioz është të hetojë rrezatimin gravitacional që u nda nga lënda parësore në Teorinë e Big Bengut, e cila u krijua në momentin që u krijua Universi.

– A e përjashton teorinë kuantike zbulimi i valëve gravitacionale?

Teoria e gravitetit supozon ekzistencën e kolapsit gravitacional, domethënë tkurrjen e objekteve masive në një pikë. Në të njëjtën kohë, teoria kuantike e zhvilluar nga Shkolla e Kopenhagës sugjeron se, falë parimit të pasigurisë, është e pamundur të specifikohen saktësisht parametra të tillë si pozicioni, shpejtësia dhe momenti i një trupi në të njëjtën kohë. Këtu ekziston një parim i pasigurisë, është e pamundur të përcaktohet saktësisht trajektorja, sepse trajektorja është njëkohësisht një koordinatë dhe një shpejtësi, etj. Brenda këtij gabimi mund të përcaktoni vetëm një korridor të caktuar besimi të kushtëzuar, i cili shoqërohet me parimet e pasigurisë. . Teoria kuantike mohon kategorikisht mundësinë e objekteve pika, por i përshkruan ato në një mënyrë statistikisht probabiliste: ajo nuk tregon në mënyrë specifike koordinatat, por tregon probabilitetin që ajo të ketë koordinata të caktuara.

Çështja e unifikimit të teorisë kuantike dhe teorisë së gravitetit është një nga çështjet themelore të krijimit të një teorie të unifikuar të fushës.

Ata vazhdojnë të punojnë për të tani, dhe fjalët "gravitet kuantik" nënkuptojnë një zonë krejtësisht të avancuar të shkencës, kufirin e dijes dhe injorancës, ku tani punojnë të gjithë teoricienët e botës.

– Çfarë mund të japë zbulimi në të ardhmen?

Valët gravitacionale duhet të formojnë në mënyrë të pashmangshme themelin e shkencës moderne si një nga komponentët e njohurive tona. Atyre u është caktuar një rol domethënës në evolucionin e Universit dhe me ndihmën e këtyre valëve duhet studiuar Universi. Zbulimi kontribuon në zhvillimin e përgjithshëm të shkencës dhe kulturës.

Nëse dikush vendos të shkojë përtej fushëveprimit të shkencës së sotme, atëherë lejohet të imagjinohet linja komunikimi gravitacionale telekomunikuese, aparate reaktive në rrezatim gravitacional, pajisje për introskopinë e valëve gravitacionale.

- A kanë valët gravitacionale ndonjë lidhje me perceptimin jashtëshqisor dhe telepatinë?

Nuk Ka. Efektet e përshkruara janë efektet e botës kuantike, efektet e optikës.

Intervistoi Anna Utkina

Artikulli i mëparshëm: Sa është shpejtësia e dritës Artikulli vijues: Karakteristikat e elementit të karbonit dhe vetitë kimike

Zbulimi i valëve gravitacionale. Valët gravitacionale nga Big Bengu