Астрофізики підтвердили існування гравітаційних хвиль, існування яких пророкував ще Альберт Ейнштейн близько 100 років тому. Їх вдалося зафіксувати за допомогою детекторів гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO, яка знаходиться у США.
Вперше в історії людство зафіксувало гравітаційні хвилі — коливання простору-часу, що прийшли на Землю від зіткнення двох чорних дірок, що сталися далеко у Всесвіті. Внесок у це відкриття є і російські вчені. У четвер дослідники розповідають про своє відкриття у всьому світі — у Вашингтоні, Лондоні, Парижі, Берліні та інших містах, у тому числі й у Москві.
На фото імітація зіткнення чорних дірок
На прес-конференції в офісі компанії Rambler&Co Валерій Митрофанов, керівнику російської частини колаборації LIGO оголосив про відкриття гравітаційних хвиль:
«Нам випала честь брати участь у цьому проекті та подати результати вам. Розповім тепер сенс відкриття російською. Ми бачили чудові картинки із зображенням детекторів LIGO у США. Відстань між ними – 3000 км. Під дією гравітаційної хвилі відбулося зрушення одного з детекторів, після чого ми їх і виявили. Спочатку на комп'ютері ми побачили просто шум, а потім почалося розгойдування маси детекторів Хемфорда. Після розрахунків даних ми змогли визначити, що саме чорні діри зіткнулися на відстані 1,3 млдр. світлових років звідси. Сигнал був дуже чіткий, він виліз із шуму дуже явно. Багато хто нам сказав, що нам пощастило, але природа зробила нам такий подарунок. Гравітаційні хвилі відкриті – це безперечно.»
Астрофізики підтвердили чутки про те, що за допомогою детекторів гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO їм удалося зафіксувати гравітаційні хвилі. Це відкриття дозволить людству значно просунутися у розумінні того, як влаштований Всесвіт.
Відкриття відбулося ще 14 вересня 2015 року одночасно двома детекторами у Вашингтоні та Луїзіані. Сигнал надійшов на детектори внаслідок зіткнення двох чорних дірок. Стільки часу знадобилося вченим, щоб переконатися, що саме гравітаційні хвилі були продуктом зіткнення.
Зіткнення дірок сталося зі швидкістю близько половини швидкості світла, а це приблизно 150 792 458 м/с.
«Ньютонівська гравітація описувалася в плоскому просторі, а Ейнштейн перевів його в площину часу і припустив, що його викривляє. Гравітаційна взаємодія дуже слабка. На Землі досвід створення гравітаційних хвиль неможливий. Виявити їх змогли лише після злиття чорних дірок. Зміщення детектора відбулося, тільки уявіть, на 10 -19 метра. Руками це не помацати. Лише за допомогою дуже точних приладів. Як це зробити? Лазерний промінь, за допомогою якого було зафіксовано зрушення, унікальне за своєю природою. Лазерна гравітаційна антена другого покоління LIGO вступила в дію у 2015 році. Чутливість дозволяє реєструвати гравітаційні збурення приблизно раз на місяць. Це передова світова та американська наука, нічого точнішого у світі немає. Ми сподіваємося, що він зможе подолати Стандартну квантову межу чутливості», – пояснив відкриття. Сергій Вятчанін, співробітник фізфаку МДУ та колаборації LIGO.
Стандартна квантова межа (СКП) у квантовій механіці - обмеження, що накладається на точність безперервного або багаторазово повторюваного виміру будь-якої величини, що описується оператором, який не комутує сам із собою в різні моменти часу. Передбачено у 1967 році В. Б. Брагінським, а сам термін Стандартна квантова межа (англ. Standard Quantum Limit, SQL) був запропонований пізніше Торном. СКП був із співвідношенням невизначеностей Гейзенберга.
Підбиваючи підсумки Валерій Митрофанов розповів про плани подальших досліджень:
«Це відкриття – початок нової гравітаційно-хвильової астрономії. По каналу гравітаційних хвиль ми розраховуємо дізнатися більше про Всесвіт. Нам відомий склад лише 5% матерії, решта – загадка. Гравітаційні детектори дозволять побачити небо у «гравітаційних хвилях». У майбутньому ми сподіваємося побачити початок всього, тобто реліктове випромінювання Великого вибуху та зрозуміти, що саме було тоді».
Вперше гравітаційні хвилі було запропоновано Альбертом Ейнштейном в 1916 році, тобто майже рівно 100 років тому. Рівняння для хвиль є наслідком рівнянь теорії відносності та виводяться не найпростішим чином.
Канадський фізик-теоретик Кліффорд Берджесс раніше опублікував листа, в якому йдеться, що обсерваторія зафіксувала гравітаційне випромінювання, викликане злиттям подвійної системи чорних дірок з масами 36 і 29 сонячних мас в об'єкт масою 62 маси Сонця. Зіткнення та несиметричний гравітаційний колапс тривають частки секунди, і за цей час у гравітаційне випромінювання — бриж простору-часу — сягає енергія, що становить, до 50 відсотків від маси системи.
Гравітаційна хвиля - хвиля гравітації, що породжується в більшості теорій тяжіння рухом тіл, що гравітують, зі змінним прискоренням. Зважаючи на відносну слабкість гравітаційних сил (у порівнянні з іншими) ці хвилі повинні мати дуже малу величину, що важко піддається реєстрації. Їхнє існування було передбачено близько століття тому Альбертом Ейнштейном.
Гравітаційні хвилі – зображення художника
Гравітаційні хвилі - обурення метрики простору-часу, що відриваються від джерела і поширюються подібно до хвиль (так звана «брижі простору-часу»).
У загальній теорії відносності та більшості інших сучасних теорій гравітації гравітаційні хвилі породжуються рухом масивних тіл зі змінним прискоренням. Гравітаційні хвилі вільно поширюються у просторі зі швидкістю світла. Зважаючи на відносну слабкість гравітаційних сил (в порівнянні з іншими) ці хвилі мають дуже малу величину, що важко піддається реєстрації.
Поляризована гравітаційна хвиля
Гравітаційні хвилі пророкуються загальною теорією відносності (ОТО), багатьма іншими. Вперше вони були безпосередньо виявлені у вересні 2015 року двома детекторами-близнюками, на яких були зареєстровані гравітаційні хвилі, що виникли, ймовірно, в результаті злиття двох і утворення однієї більш масивної чорної діри, що обертається. Непрямі свідчення їх існування були відомі з 1970-х років - ОТО передбачає збіги зі спостереженнями темпи зближення тісних систем за рахунок втрати енергії на випромінювання гравітаційних хвиль. Пряма реєстрація гравітаційних хвиль та їх використання для визначення параметрів астрофізичних процесів є важливим завданням сучасної фізики та астрономії.
У рамках ОТО гравітаційні хвилі описуються рішеннями рівнянь Ейнштейна хвильового типу, що є рухоме зі швидкістю світла (у лінійному наближенні) обурення метрики простору-часу. Проявом цього обурення має бути, зокрема, періодична зміна відстані між двома вільно падаючими (тобто не зазнають впливу жодних сил) пробними масами. Амплітудою hгравітаційною хвилею є безрозмірна величина - відносна зміна відстані. Передбачувані максимальні амплітуди гравітаційних хвиль від астрофізичних об'єктів (наприклад, компактних подвійних систем) і явищ (вибухів, злиття, захоплення чорними дірками і т. п.) при вимірюваннях в дуже малі ( h=10 -18 -10 -23). Слабка (лінійна) гравітаційна хвиля згідно з загальною теорією відносності переносить енергію та імпульс, рухається зі швидкістю світла, є поперечною, квадрупольною і описується двома незалежними компонентами, розташованими під кутом 45° один до одного (має два напрями поляризації).
Різні теорії по-різному пророкують швидкість поширення гравітаційних хвиль. У загальній теорії відносності вона дорівнює швидкості світла (у лінійному наближенні). В інших теоріях гравітації вона може набувати будь-яких значень, у тому числі до нескінченності. За даними першої реєстрації гравітаційних хвиль їхня дисперсія виявилася сумісною з безмасовим гравітоном, а швидкість оцінена як рівна швидкості світла.
Генерація гравітаційних хвиль
Система з двох нейтронних зірок породжує бриж простору-часу
Гравітаційну хвилю випромінює будь-яка матерія, що рухається з асиметричним прискоренням. Для виникнення хвилі суттєвої амплітуди необхідні надзвичайно велика маса випромінювача або величезні прискорення, амплітуда гравітаційної хвилі прямо пропорційна першої похідної прискореннята масі генератора, тобто ~ . Однак якщо об'єкт рухається прискорено, це означає, що у нього діє деяка сила із боку іншого об'єкта. У свою чергу, цей інший об'єкт зазнає зворотної дії (за 3-м законом Ньютона), при цьому виявляється, що m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Виходить, що два об'єкти випромінюють гравітаційні хвилі тільки в парі, причому в результаті інтерференції вони гасяться взаємно майже повністю. Тому гравітаційне випромінювання у загальній теорії відносності завжди має по мультипольності характер як мінімум квадрупольного випромінювання. Крім того, для нерелятивістських випромінювачів у вираженні для інтенсивності випромінювання є малий параметр де - гравітаційний радіус випромінювача, r- Його характерний розмір, T- характерний період руху, c- Швидкість світла у вакуумі.
Найбільш сильними джерелами гравітаційних хвиль є:
- стикаються (гігантські маси, дуже невеликі прискорення),
- гравітаційний колапс подвійної системи компактних об'єктів (колосальні прискорення за досить великої маси). Як окремий і найцікавіший випадок - злиття нейтронних зірок. Така система гравітаційно-хвильова світність близька до максимально можливої в природі планківської світності.
Гравітаційні хвилі, що випромінюються системою двох тіл
Два тіла, що рухаються круговими орбітами навколо загального центру мас
Два гравітаційно пов'язані тіла з масами m 1 та m 2 , що рухаються нерелятивістськи ( v << c) за круговими орбітами навколо їхнього загального центру мас на відстані rодин від одного, випромінюють гравітаційні хвилі наступної енергії, в середньому за період:
Внаслідок цього система втрачає енергію, що призводить до зближення тіл, тобто зменшення відстані між ними. Швидкість зближення тел:
Для Сонячної системи, наприклад, найбільше гравітаційне випромінювання виробляє підсистема та . Потужність цього випромінювання приблизно 5 кіловат. Таким чином, енергія, що втрачається Сонячною системою на гравітаційне випромінювання за рік, зовсім незначна порівняно з характерною кінетичною енергією тіл.
Гравітаційний колапс подвійної системи
Будь-яка подвійна зірка при обертанні її компонент навколо загального центру мас втрачає енергію (як передбачається - рахунок випромінювання гравітаційних хвиль) і, зрештою, зливається воєдино. Але для звичайних, некомпактних, подвійних зірок цей процес займає дуже багато часу, набагато більше справжнього віку. Якщо подвійна компактна система складається з пари нейтронних зірок, чорних дірок або їх комбінації, то злиття може статися за кілька мільйонів років. Спочатку об'єкти зближуються, які період звернення зменшується. Потім на заключному етапі відбувається зіткнення та несиметричний гравітаційний колапс. Цей процес триває частки секунди, і за цей час гравітаційне випромінювання сягає енергія, що становить за деякими оцінками більше 50% від маси системи.
Основні точні розв'язки рівнянь Ейнштейна для гравітаційних хвиль
Об'ємні хвилі Бонді - Пірані - Робінсона
Ці хвилі описуються метрикою виду. Якщо ввести змінну та функцію, то з рівнянь ОТО отримаємо рівняння
Метрика Такено
має вигляд -функції, задовольняють тому ж рівнянню.
Метрика Розена
Де задовольняють
Метрика Переса
При цьому
Циліндричні хвилі Ейнштейна - Розена
У циліндричних координатах такі хвилі мають вигляд і виконуються.
Реєстрація гравітаційних хвиль
Реєстрація гравітаційних хвиль досить складна через слабкість останніх (малого спотворення метрики). Приладами їх реєстрації є детектори гравітаційних хвиль. Спроби виявлення гравітаційних хвиль робляться з кінця 1960-х років. Гравітаційні хвилі амплітуди, що детектується, народжуються при колапсі подвійного. Подібні події відбуваються на околицях орієнтовно раз на десятиліття.
З іншого боку, загальна теорія відносності передбачає прискорення взаємного обертання подвійних зірок через втрату енергії на випромінювання гравітаційних хвиль, і цей ефект надійно зафіксований у кількох відомих системах подвійних компактних об'єктів (зокрема, пульсарів із компактними компаньйонами). У 1993 році «за відкриття нового типу пульсарів, що дало нові можливості у вивченні гравітації» відкривачам першого подвійного пульсара PSR B1913+16 Рассел Халс і Джозефу Тейлору мл. було присуджено Нобелівську премію з фізики. Прискорення обертання, що спостерігається у цій системі, повністю збігається з передбаченнями ОТО на випромінювання гравітаційних хвиль. Таке ж явище зафіксовано ще в кількох випадках: для пульсарів PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (зазвичай скорочено J0651) та системи подвійних RX J0806. Наприклад, відстань між двома компонентами A і B першої подвійної зірки з двох пульсарів PSR J0737-3039 зменшується приблизно на 2,5 дюйма (6,35 см) на день через втрату енергії на гравітаційні хвилі, причому це відбувається у згоді з ОТО . Всі ці дані інтерпретуються як непрямі докази існування гравітаційних хвиль.
За оцінками найбільш сильними та досить частими джерелами гравітаційних хвиль для гравітаційних телескопів та антен є катастрофи, пов'язані з колапсами подвійних систем у найближчих галактиках. Очікується, що в найближчому майбутньому на вдосконалених гравітаційних детекторах реєструватиметься кілька подібних подій на рік, що спотворюють метрику на околиці на 10 −21 -10 −23 . Перші спостереження сигналу оптико-метричного параметричного резонансу, що дозволяє виявити вплив гравітаційних хвиль від періодичних джерел типу тісної подвійної на випромінювання космічних мазерів, можливо, були отримані на радіоастрономічній обсерваторії РАН Пущино.
Ще однією можливістю детектування фону гравітаційних хвиль, що заповнюють Всесвіт, є високоточний таймінг віддалених пульсарів - аналіз часу приходу їх імпульсів, який характерним чином змінюється під дією проходять через простір між Землею і пульсаром гравітаційних хвиль. За оцінками на 2013 рік, точність таймінгу необхідно підняти приблизно на один порядок, щоб можна було задетектувати фонові хвилі від безлічі джерел у нашому Всесвіті, і це завдання може бути вирішене до кінця десятиліття.
Згідно з сучасними уявленнями, наш Всесвіт заповнюють реліктові гравітаційні хвилі, що з'явилися в перші моменти після . Їхня реєстрація дозволить отримати інформацію про процеси на початку народження Всесвіту. 17 березня 2014 року о 20:00 за московським часом у Гарвард-Смітсонівському центрі астрофізики американською групою дослідників, що працює над проектом BICEP 2, було оголошено про детектування з поляризації реліктового випромінювання ненульових тензорних обурень у ранньому Всесвіті. . Однак майже відразу цей результат був оскаржений, оскільки, як з'ясувалося, не було належним чином враховано внесок. Один із авторів, Дж. М. Ковац ( Kovac J. M.), визнав, що «з інтерпретацією та висвітленням даних експерименту BICEP2 учасники експерименту та наукові журналісти трохи поквапилися».
Експериментальне підтвердження існування
Перший зафіксований гравітаційно-хвильовий сигнал. Зліва дані з детектора в Хенфорді (H1), праворуч – у Лівінгстоні (L1). Час відраховується від 14 вересня 2015, 09:50:45 UTC. Для візуалізації сигналу він відфільтрований частотним фільтром зі смугою пропускання 35-350 Герц для пригнічення великих флуктуацій поза діапазоном високої чутливості детекторів, також були застосовані смугові фільтри для придушення шуму самих установок. Верхній ряд: напруги в детекторах. GW150914 спочатку прибув L1 і через 6 9 +0 5 −0 4 мс на H1; для візуального порівняння дані з H1 показані на графіку L1 у зверненому і зсунутому за часом вигляді (щоб врахувати відносну орієнтацію детекторів). Другий ряд: напруги h від гравітаційно-хвильового сигналу, пропущені через такий самий смуговий фільтр 35-350 Гц. Суцільна лінія - результат чисельної відносності системи з параметрами, сумісними з знайденими з урахуванням вивчення сигналу GW150914, отриманий двома незалежними кодами з результуючим збігом 99,9. Сірі товсті лінії - області 90% довірчої ймовірності форми сигналу, відновлені з цих детекторів двома різними методами. Темно-сіра лінія моделює очікувані сигнали від злиття чорних дірок, світло-сіра не використовує астрофізичних моделей, а представляє сигнал лінійною комбінацією синусоїдально-гаусових вейвлетів. Реконструкції перекриваються на 94%. Третій ряд: Залишкові помилки після вилучення фільтрованого передбачення сигналу чисельної відносності з фільтрованого сигналу детекторів. Нижній ряд: подання частотної карти напруги, що показує зростання домінуючої частоти сигналу з часом.
11 лютого 2016 року колабораціями LIGO та VIRGO. Сигнал злиття двох чорних дірок з амплітудою в максимумі близько 10 −21 був зареєстрований 14 вересня 2015 року о 9:51 UTC двома детекторами LIGO в Хенфорді та Лівінгстоні через 7 мілісекунд один від одного, в області максимальної амплітуди сигналу (0,2 секунди) відношення сигнал-шум становило 24:1. Сигнал був позначений GW150914. Форма сигналу збігається з прогнозом загальної теорії відносності для злиття двох чорних дірок масами 36 і 29 сонячних; чорна діра, що виникла, повинна мати масу 62 сонячні і параметр обертання a= 0,67. Відстань до джерела близько 1,3 мільярда, випромінювана за десяті частки секунди в злитті енергія – еквівалент близько 3 сонячних мас.
Історія
Історія самого терміна «гравітаційна хвиля», теоретичного та експериментального пошуку цих хвиль, а також їх використання для досліджень явищ недоступних іншими методами.
- 1900 - Лоренц припустив, що гравітація "...може поширяться зі швидкістю, не більшою за швидкість світла";
- 1905 - Пуанкаревперше запровадив термін гравітаційна хвиля (onde gravifique). Пуанкаре, на якісному рівні, зняв заперечення Лапласа і показав, що пов'язані з гравітаційними хвилями поправки до загальноприйнятих законів тяжіння Ньютона порядку скорочуються, таким чином, припущення про існування гравітаційних хвиль не суперечить спостереженням;
- 1916 - Ейнштейн показав, що в рамках ОТО механічна система передаватиме енергію гравітаційним хвилям і, грубо кажучи, будь-яке обертання щодо нерухомих зірок має рано чи пізно зупинитися, хоча, звичайно, у звичайних умовах втрати енергії порядку мізерні і практично не піддаються виміру (в цій роботі він помилково вважав, що механічна система, постійно зберігає сферичну симетрію, може випромінювати гравітаційні хвилі);
- 1918 - Ейнштейнвивів квадрупольну формулу, в якій випромінювання гравітаційних хвиль виявляється ефектом порядку, тим самим виправивши помилку у своїй попередній роботі (залишилася помилка в коефіцієнті, енергія хвилі в 2 рази менша);
- 1923 – Еддінгтон – поставив під сумнів фізичну реальність гравітаційних хвиль «…розповсюджуються… зі швидкістю думки». У 1934 році, при підготовці російського перекладу своєї монографії «Теорія відносності», Еддінгтон додав кілька розділів, включаючи розділи з двома варіантами розрахунків втрат енергії стрижнем, що обертається, але зазначив, що використані методи наближених розрахунків ОТО, на його думку, незастосовні до грамітаційно тому сумніви залишаються;
- 1937 - Ейнштейн спільно з Розеном досліджував циліндричні хвильові розв'язки точних рівнянь гравітаційного поля. У ході цих досліджень у них виникли сумніви, що гравітаційні хвилі, можливо, є артефактом наближених рішень рівнянь ОТО (відоме листування щодо рецензії на статтю Ейнштейна та Розена «Чи існують гравітаційні хвилі?»). Пізніше він знайшов помилку в міркуваннях, остаточний варіант статті з фундаментальними правками було опубліковано вже в Journal of the Franklin Institute;
- 1957 - Герман Бонді та Річард Фейнман запропонували уявний експеримент «тростину з бусинками» в якому обґрунтували існування фізичних наслідків гравітаційних хвиль у ВТО;
- 1962 - Владислав Пустовойт та Михайло Герценштейн описали принципи використання інтерферометрів для виявлення довгохвильових гравітаційних хвиль;
- 1964 - Філіп Петерс і Джон Метью теоретично описали гравітаційні хвилі, випромінювані подвійними системами;
- 1969 – Джозеф Вебер, засновник гравітаційно-хвильової астрономії, повідомляє про виявлення гравітаційних хвиль за допомогою резонансного детектора – механічної гравітаційної антени. Ці повідомлення породжують бурхливе зростання робіт у цьому напрямі, зокрема, Реньє Вайс, один із засновників проекту LIGO, розпочав експерименти на той час. На даний момент (2015) нікому так і не вдалося отримати надійні підтвердження цих подій;
- 1978 - Джозеф Тейлорповідомив про виявлення гравітаційного випромінювання у подвійній системі пульсара PSR B1913+16. Дослідження Джозефа Тейлора та Рассела Халса заслужили Нобелівську премію з фізики за 1993 рік. На початок 2015 року три пост-кеплерівські параметри, що включають зменшення періоду внаслідок випромінювання гравітаційних хвиль, було виміряно як мінімум для 8 подібних систем;
- 2002 - Сергій Копєйкін і Едвард Фомалонт виробили за допомогою радіохвильної інтерферометрії з наддовгою базою вимірювання відхилення світла в гравітаційному полі Юпітера в динаміці, що для деякого класу гіпотетичних розширень ОТО дозволяє оцінити швидкість гравітації - відмінність від швидкості світла не повинна перевищувати загальноприйнята);
- 2006 - міжнародна команда Марти Бургей (Обсерваторія Паркса, Австралія) повідомила про суттєво точніші підтвердження ОТО та відповідність їй величини випромінювання гравітаційних хвиль у системі двох пульсарів PSR J0737-3039A/B;
- 2014 – астрономи Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики (BICEP) повідомили про виявлення первинних гравітаційних хвиль при вимірах флуктуацій реліктового випромінювання. На даний момент (2016) виявлені флуктуації вважаються такими, що не мають реліктового походження, а пояснюються випромінюванням пилу в Галактиці;
- 2016 – міжнародна команда LIGOповідомила про виявлення події проходження гравітаційних хвиль GW150914. Вперше повідомлено про пряме спостереження взаємодіючих масивних тіл у надсильних гравітаційних полях із надвисокими відносними швидкостями (< 1,2 × R s , v/c >0.5), що дозволило перевірити коректність ОТО з точністю до кількох постньютонівських членів високих порядків. Виміряна дисперсія гравітаційних хвиль не суперечить зробленим раніше вимірюванням дисперсії та верхньої межі маси гіпотетичного гравітону (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.
Учасники наукового експерименту LIGO, в якому беруть участь і російські фізики, оголосили про реєстрацію американськими обсерваторіями гравітаційних хвиль, породжених зіткненням двох чорних дірок.
Гравітаційні хвилі було зафіксовано 14 вересня 2015 року, про що було повідомлено 11 лютого 2016 року на спеціальній прес-конференції представників LIGO у Вашингтоні. Півроку знадобилося вченим на обробку та перевірку отриманих результатів. Це можна вважати офіційним відкриттям гравітаційних хвиль, оскільки вперше зроблено їхню безпосередню реєстрацію на Землі. Результати роботи опубліковані в журналі Physical Review Letters.
Фізики МДУ на прес-конференції Фото Максима Абаєва.
Схема інтерферометрів та їх місцезнаходження на схематичній карті США. Пробні маси-дзеркала на малюнку названі Test Mass.
Пробні маси, вони ж дзеркала інтерферометра з плавленого кварцу. Фото: www.ligo.caltech.edu
Чисельне моделювання гравітаційних хвиль від чорних дір, що зближуються. Малюнок: Physical Review Letters http://physics.aps.org/articles/v9/17
Обсерваторія LIGO поблизу Лівінгстона (штат Луїзіана). Фото: www.ligo.caltech.edu
Таким чином, вирішено одне з найважливіших завдань, яке стояло перед фізиками протягом останніх 100 років. Існування гравітаційних хвиль передбачено розробленої в 1915-1916 роках Альбертом Ейнштейном загальної теорії відносності (ОТО) - основною фізичною теорією, що описує будову та еволюцію нашого світу. ОТО, по суті, це теорія гравітації, що встановлює її зв'язок із властивостями простору-часу. Масивні тіла роблять у ньому зміни, які прийнято називати викривленням простору-часу. Якщо ці тіла рухаються зі змінним прискоренням, то виникають зміни простору-часу, що поширюються, які отримали назву гравітаційних хвиль.
Проблема їх реєстрації полягає в тому, що гравітаційні хвилі дуже слабкі, і їхнє виявлення від будь-якого земного джерела практично неможливе. За довгі роки не вдалося виявити їх і від більшості космічних об'єктів. Надії залишалися лише на гравітаційні хвилі від великих космічних катастроф подібних до спалахів наднових, зіткнень нейтронних зірок або чорних дірок. Ці надії справдилися. У цій роботі виявлено гравітаційні хвилі саме від злиття двох чорних дірок.
Для виявлення гравітаційних хвиль у 1992 році запал запалений запропонований грандіозний проект, який отримав назву LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія). Технологія йому розроблялася майже двадцять років. А реалізували його два найбільші наукові центри США – Каліфорнійський та Массачусетський технологічні інститути. До загального наукового колективу – колаборації LIGO входять близько 1000 учених із 16 країн. Росію у ньому представляють Московський державний університет та Інститут прикладної фізики РАН (Нижній Новгород)
До складу LIGO входять обсерваторії в штатах Вашингтон і Луїзіана, розташовані на відстані 3000 км, що представляють собою Г-подібний інтерферометр Майкельсона з двома плечима довжиною 4 км. Лазерний промінь, пройшовши через систему дзеркал, поділяється на два промені, кожен з яких поширюється у плечі. Вони відбиваються від дзеркал і повертаються назад. Потім ці дві світлові хвилі, що пройшли різними шляхами, складаються в детекторі. Спочатку система налаштована так, щоб хвилі гасили одна одну, і на детектор нічого не потрапляло. Гравітаційні хвилі змінюють відстані між пробними масами, які одночасно є дзеркалами інтерферометра, що призводить до того, що сума хвиль вже не дорівнює нулю і інтенсивність сигналу на фотодетекторі буде пропорційна цим змінам. За цим сигналом і реєструють гравітаційну хвилю.
Перший, початковий етап вимірів пройшов у 2002-2010 роках і не дозволив виявити гравітаційних хвиль. Забракло чутливості пристроїв (відслідковувалися зрушення до 4x10 -18 м). Тоді було вирішено у 2010 році зупинити роботу і провести модернізацію обладнання, підвищивши чутливість більш ніж у 10 разів. Удосконалене обладнання, що почало роботу в другій половині 2015 року, стало здатне помітити зрушення на рекордні 10 -19 м. І вже на тестовому прогоні вчених чекало відкриття, вони зафіксували гравітаційний сплеск від події, яка після тривалого дослідження була пізнана, як злиття двох чорних дірок з мас в 29 та 36 мас Сонця.
Водночас із Вашингтоном прес-конференція проводилася і в Москві. На ній учасники експерименту, які представляють фізичний факультет МДУ, розповіли і свій внесок у його здійснення. Група В.Б.Брагінського брала участь у роботі від початку проекту. Фізики МДУ забезпечували складання складної конструкції, яку являють собою дзеркала інтерферометра, що є одночасно пробними масами.
Крім цього, у їх завдання входила боротьба зі сторонніми коливаннями (шумами), які могли перешкодити виявити гравітаційні хвилі. Саме фахівці МДУ довели, що пристрій треба виготовляти з плавленого кварцу, який за робочих температур шумітиме менше, ніж сапфір, пропонований іншими дослідниками. Зокрема зниження теплових шумів необхідно було домогтися, щоб коливання пробних мас, підвішених як маятники, не згасали дуже довго. Фізики МДУ досягли часу згасання 5 років!
Успіх проведених вимірів дасть початок новій гравітаційно-хвильовій астрономії та дозволить дізнатися багато нового про Всесвіт. Можливо, фізики зможуть розгадати деякі загадки темної матерії та ранніх етапів розвитку Всесвіту, а також заглянути до області, де порушується ОТО.
За матеріалами прес-конференції колаборації LIGO.
Перше пряме виявлення гравітаційних хвиль було відкрито світу 11 лютого 2016 року і породило заголовки по всьому світу. За це відкриття у 2017 році фізики здобули Нобелівську премію та офіційно запустили нову епоху гравітаційної астрономії. Але група фізиків з Інституту Нільса Бора в Копенгагені, Данія, ставлять це виявлення під сумнів, спираючись на власний незалежний аналіз даних, який проводився протягом останніх двох з половиною років.
Одні з найзагадковіших об'єктів, чорні дірки, регулярно привертають до себе увагу. Ми знаємо, що вони стикаються, зливаються, змінюють яскравість і навіть випаровуються. А ще, теоретично, чорні діри можуть пов'язувати між собою Всесвіт за допомогою . Проте, всі наші знання та припущення про ці масивні об'єкти можуть виявитися неточними. Нещодавно в науковому співтоваристві з'явилися чутки про те, що вчені отримали сигнал, що походить від чорної дірки, розмір і маса якої настільки величезні, що її існування фізично неможливе.
Перше пряме виявлення гравітаційних хвиль було відкрито світу 11 лютого 2016 року і породило заголовки по всьому світу. За це відкриття у 2017 році фізики здобули Нобелівську премію та офіційно запустили нову епоху гравітаційної астрономії. Але група фізиків з Інституту Нільса Бора в Копенгагені ставлять це виявлення під сумнів, ґрунтуючись на власному незалежному аналізі даних, який проводився протягом останніх двох з половиною років.
Валентин Миколайович Руденко ділиться історією свого візиту до міста Кашина (Італія), де він провів тиждень на тоді ще щойно побудованій «гравітаційній антені» – оптичному інтерферометрі Майкельсона. Дорогою до місця призначення таксист цікавиться, навіщо побудована установка. "Тут люди думають, що це для розмови з Богом", - зізнається водій.
– Що таке гравітаційні хвилі?
– Гравітаційна хвиля – один із «переносників астрофізичної інформації». Існують видимі канали астрофізичної інформації, особлива роль «далекому баченні» належить телескопам. Астрономи освоїли також низькочастотні канали – мікрохвильовий та інфрачервоний, і високочастотні – рентгенівські та гамма-. Крім електромагнітного випромінювання ми можемо реєструвати потоки частинок з Космосу. Для цього використовують нейтринні телескопи – великогабаритні детектори космічних нейтрино – частинок, які слабо взаємодіють із речовиною і тому важко реєструються. Майже всі теоретично передбачені та лабораторно-досліджені види «переносників астрофізичної інформації» надійно освоєні на практиці. Виняток становила гравітація - найслабша взаємодія в мікросвіті і найпотужніша сила в макросвіті.
Гравітація – це геометрія. Гравітаційні хвилі – геометричні хвилі, тобто хвилі, що змінюють геометричні характеристики простору, коли проходять по цьому простору. Грубо кажучи, це хвилі, що деформують простір. Деформація – це відносна зміна відстані між двома точками. Гравітаційне випромінювання відрізняється від інших типів випромінювань саме тим, що вони геометричні.
- Гравітаційні хвилі передбачив Ейнштейн?
– Формально вважається, що гравітаційні хвилі передбачив Ейнштейн, як один із наслідків його загальної теорії відносності, але фактично їхнє існування стає очевидним уже у спеціальній теорії відносності.
Теорія відносності передбачає, що через гравітаційне тяжіння можливий гравітаційний колапс, тобто стягування об'єкта в результаті колапсування, грубо кажучи, в крапку. Тоді гравітація така сильна, що навіть не може вийти світло, тому такий об'єкт образно називається чорною діркою.
– У чому полягає особливість гравітаційної взаємодії?
Особливістю гравітаційної взаємодії є принцип еквівалентності. Відповідно до нього динамічна реакція пробного тіла в гравітаційному полі не залежить від маси цього тіла. Простіше кажучи, всі тіла падають із однаковим прискоренням.
Гравітаційна взаємодія – найслабша з відомих нам сьогодні.
– Хто першим намагався зловити гравітаційну хвилю?
– Гравітаційно-хвильовий експеримент першим провів Джозеф Вебер із Мерілендського університету (США). Він створив гравітаційний детектор, який тепер зберігається у Смітсонівському музеї у Вашингтоні. 1968-1972 року Джо Вебер провів серію спостережень на парі просторово рознесених детекторів, намагаючись виділити випадки «збігів». Прийом збігів запозичений із ядерної фізики. Невисока статистична значимість гравітаційних сигналів, отриманих Вебером, викликала критичне ставлення до результатів експерименту: був впевненості у тому, що вдалося зафіксувати гравітаційні хвилі. Надалі вчені намагалися збільшити чутливість детекторів вебєрівського типу. На розробку детектора, чутливість якого була адекватна астрофізичному прогнозу, пішло 45 років.
За час початку експерименту до фіксації пройшло багато інших експериментів, були зафіксовані імпульси за цей період, але вони мали дуже маленьку інтенсивність.
– Чому про фіксацію сигналу оголосили не одразу?
– Гравітаційні хвилі було зафіксовано ще у вересні 2015 року. Але навіть якщо збіг був зафіксований, треба перш ніж оголошувати, довести, що він не є випадковим. У сигналі, що знімається з будь-якої антени, завжди є шумові викиди (короткочасні сплески), і один з них випадково може статися одночасно з шумовим сплеском на іншій антені. Довести, що збіг стався невипадково можна лише з допомогою статистичних оцінок.
– Чому відкриття в галузі гравітаційних хвиль такі важливі?
– Можливість зареєструвати реліктове гравітаційне тло та виміряти його характеристики, такі як щільність, температура тощо, дозволяє підійти до початку світобудови.
Привабливим є те, що гравітаційне випромінювання важко виявити, тому що воно дуже слабко взаємодіє із речовиною. Але, завдяки цій же властивості, воно і проходить без поглинань з найдальших від нас об'єктів з найтаємничішими, з погляду матерії, властивостями.
Можна сміливо сказати, що гравітаційні випромінювання проходять без спотворення. Найбільш амбітна мета – дослідити те гравітаційне випромінювання, яке відокремлено від первинної матерії в Теорії Великого Вибуху, яке створилося в момент створення Всесвіту.
- Чи виключає відкриття гравітаційних хвиль квантову теорію?
Теорія гравітації передбачає існування гравітаційного колапсу, тобто стягування потужних об'єктів у крапку. У той же час квантова теорія, яку розвивала Копенгагенська школа передбачає, що завдяки принципу невизначеності не можна одночасно вказати точно такі параметри як координата, швидкість та імпульс тіла. Тут є принцип невизначеності, не можна визначити точно траєкторію, тому що траєкторія - це і координата, і швидкість і т. д. Можна визначити лише умовний довірчий коридор в межах цієї помилки, яка пов'язана з принципами невизначеності. Квантова теорія категорично заперечує можливість точкових об'єктів, але визначає їх статистично вероятностным чином: конкретно вказує координати, а показує можливість, що вона має певні координати.
Питання про поєднання квантової теорії та теорії гравітації – одне з фундаментальних питань створення єдиної теорії поля.
Над ним зараз продовжують працювати, і слова "квантова гравітація" означають абсолютно передову галузь науки, межу знань та незнань, де зараз працюють усі теоретики світу.
– Що може дати відкриття у майбутньому?
Гравітаційні хвилі неминуче повинні лягти у фундамент сучасної науки як один із складових нашого знання. Їм відводиться істотна роль еволюції Всесвіту і з допомогою цих хвиль Всесвіт слід вивчати. Відкриття сприяє загальному розвитку науки та культури.
Якщо зважитися вийти за рамки сьогоднішньої науки, то припустимо уявити лінії телекомунікаційного гравітаційного зв'язку, реактивні апарати на гравітаційній радіації, гравітаційно-хвильові прилади інтроскопії.
– Чи мають відношення гравітаційні хвилі до екстрасенсорики та телепатії?
Не мають. Описані ефекти – ефекти квантового світу, ефекти оптики.
Розмовляла Ганна Уткіна
