Ang mga salita ay parang gravitational waves. Gravitational waves - natuklasan! Ang tanong ng pinag-isang teorya ng quantum at ang teorya ng gravity ay isa sa mga pangunahing katanungan ng paglikha ng isang pinag-isang teorya ng larangan.

Ang mga gravitational wave, ayon sa teoryang hinulaang ni Einstein noong 1917, ay naghihintay pa rin sa kanilang pagtuklas.

Sa pagtatapos ng 1969, ang propesor sa pisika ng Unibersidad ng Maryland na si Joseph Weber ay gumawa ng isang kahindik-hindik na pahayag. Inihayag niya na natuklasan niya ang mga gravitational wave na dumarating sa Earth mula sa kailaliman ng kalawakan. Hanggang sa panahong iyon, walang siyentipikong gumawa ng gayong mga pag-aangkin, at ang mismong posibilidad ng pag-detect ng gayong mga alon ay itinuturing na malayo sa halata. Gayunpaman, si Weber ay kilala bilang isang awtoridad sa kanyang larangan, at samakatuwid ang kanyang mga kasamahan ay kinuha ang kanyang mensahe nang buong kaseryosohan.

Gayunpaman, hindi nagtagal ay dumating ang pagkabigo. Ang amplitudes ng mga alon na sinasabing naitala ni Weber ay milyon-milyong beses na mas mataas kaysa sa teoretikal na halaga. Nagtalo si Weber na ang mga alon na ito ay nagmula sa gitna ng ating Galaxy, na natatakpan ng mga alabok na ulap, na kakaunti ang nalalaman noon. Iminungkahi ng mga astrophysicist na ang isang napakalaking black hole ay nagtatago doon, na taun-taon ay lumalamon ng libu-libong bituin at nagtatapon ng bahagi ng hinihigop na enerhiya sa anyo ng gravitational radiation, at sinimulan ng mga astronomo ang isang walang kwentang paghahanap para sa mas malinaw na mga bakas ng cosmic cannibalism na ito (ito ay may ngayon ay napatunayan na talagang mayroong isang itim na butas doon, ngunit ito ay humahantong kumilos nang medyo disente). Ang mga physicist mula sa USA, USSR, France, Germany, England at Italy ay nagsimulang mag-eksperimento sa mga detector ng parehong uri - at walang nakamit.

Hindi pa rin alam ng mga siyentipiko kung ano ang ipatungkol sa mga kakaibang pagbabasa mula sa mga instrumento ni Weber. Gayunpaman, ang kanyang mga pagsisikap ay hindi walang kabuluhan, bagaman ang mga gravitational wave ay hindi pa rin natukoy. Ang ilang mga instalasyon upang hanapin ang mga ito ay naitayo na o itinatayo na, at sa loob ng sampung taon ang mga naturang detector ay ilulunsad sa kalawakan. Ito ay lubos na posible na sa hindi masyadong malayong hinaharap, ang gravitational radiation ay magiging isang kapansin-pansing pisikal na katotohanan bilang electromagnetic oscillations. Sa kasamaang palad, hindi na ito malalaman ni Joseph Weber - namatay siya noong Setyembre 2000.

Ano ang mga gravitational wave

Madalas na sinasabi na ang mga gravitational wave ay mga kaguluhan ng gravitational field na nagpapalaganap sa kalawakan. Ang kahulugan na ito ay tama, ngunit hindi kumpleto. Ayon sa pangkalahatang teorya ng relativity, ang gravity ay lumitaw dahil sa curvature ng space-time continuum. Ang mga gravity wave ay mga pagbabagu-bago ng sukatan ng espasyo-oras, na nagpapakita ng kanilang mga sarili bilang mga pagbabagu-bago sa larangan ng gravitational, kaya madalas silang matalinghagang tinatawag na space-time ripples. Ang mga gravitational wave ay theoretically hinulaang noong 1917 ni Albert Einstein. Walang sinuman ang nagdududa sa kanilang pag-iral, ngunit ang mga gravitational wave ay naghihintay pa rin para sa kanilang natuklasan.

Ang pinagmulan ng gravitational waves ay anumang paggalaw ng mga materyal na katawan na humahantong sa isang hindi pare-parehong pagbabago sa puwersa ng gravity sa nakapalibot na espasyo. Ang isang katawan na gumagalaw sa isang pare-pareho ang bilis ay hindi nagpapalabas ng anuman, dahil ang likas na katangian ng gravitational field nito ay hindi nagbabago. Upang maglabas ng mga gravitational wave, kinakailangan ang mga acceleration, ngunit hindi ang anumang acceleration. Ang isang cylinder na umiikot sa paligid ng axis ng symmetry nito ay nakakaranas ng acceleration, ngunit ang gravitational field nito ay nananatiling pare-pareho at ang gravitational waves ay hindi lumabas. Ngunit kung paikutin mo ang cylinder na ito sa paligid ng ibang axis, magsisimulang mag-oscillate ang field, at ang mga gravitational wave ay tatakbo mula sa cylinder sa lahat ng direksyon.

Nalalapat ang konklusyong ito sa anumang katawan (o sistema ng mga katawan) na walang simetriko tungkol sa axis ng pag-ikot (sa mga ganitong kaso ang katawan ay sinasabing may quadrupole moment). Isang mass system na ang quadrupole moment ay nagbabago sa oras ay palaging naglalabas ng gravitational waves.

Mga pangunahing katangian ng gravitational waves

Iminumungkahi ng mga astrophysicist na ito ay ang radiation ng gravitational waves, na nag-aalis ng enerhiya, na naglilimita sa bilis ng pag-ikot ng isang napakalaking pulsar kapag sumisipsip ng bagay mula sa isang kalapit na bituin.

Gravity beacon ng kalawakan

Napakahina ng gravitational radiation mula sa terrestrial sources. Ang isang haligi ng bakal na tumitimbang ng 10,000 tonelada, na sinuspinde mula sa gitna sa isang pahalang na eroplano at umiikot sa isang vertical axis hanggang 600 rpm, ay naglalabas ng lakas na humigit-kumulang 10 -24 W. Samakatuwid, ang tanging pag-asa ng pag-detect ng mga gravitational wave ay ang paghahanap ng cosmic source ng gravitational radiation.

Sa bagay na ito, ang malapit na double star ay napaka-promising. Ang dahilan ay simple: ang kapangyarihan ng gravitational radiation ng naturang sistema ay lumalaki sa kabaligtaran na proporsyon sa ikalimang kapangyarihan ng diameter nito. Mas mabuti pa kung ang mga trajectory ng mga bituin ay napakahaba, dahil pinapataas nito ang rate ng pagbabago ng quadrupole moment. Ito ay medyo mabuti kung ang binary system ay binubuo ng mga neutron star o black hole. Ang ganitong mga sistema ay katulad ng mga gravitational beacon sa kalawakan - ang kanilang radiation ay pana-panahon.

Mayroon ding mga pinagmumulan ng "pulso" sa kalawakan na bumubuo ng maikli ngunit napakalakas na pagsabog ng gravitational. Nangyayari ito kapag bumagsak ang isang napakalaking bituin bago ang pagsabog ng supernova. Gayunpaman, ang pagpapapangit ng bituin ay dapat na walang simetriko, kung hindi man ay hindi magaganap ang radiation. Sa panahon ng pagbagsak, ang mga gravitational wave ay maaaring magdala ng hanggang 10% ng kabuuang enerhiya ng bituin! Ang kapangyarihan ng gravitational radiation sa kasong ito ay tungkol sa 10 50 W. Mas maraming enerhiya ang inilabas sa panahon ng pagsasama ng mga neutron na bituin, dito ang pinakamataas na lakas ay umabot sa 10 52 W. Ang isang mahusay na mapagkukunan ng radiation ay ang banggaan ng mga itim na butas: ang kanilang mga masa ay maaaring lumampas sa masa ng mga neutron na bituin nang bilyun-bilyong beses.

Ang isa pang pinagmumulan ng gravitational waves ay cosmological inflation. Kaagad pagkatapos ng Big Bang, ang Uniberso ay nagsimulang lumawak nang napakabilis, at sa mas mababa sa 10 -34 segundo ang diameter nito ay tumaas mula 10 -33 cm hanggang sa macroscopic na laki nito. Ang prosesong ito ay hindi masusukat na pinalakas ang mga gravitational wave na umiral bago ito nagsimula, at ang kanilang mga inapo ay nananatili hanggang sa araw na ito.

Mga hindi direktang pagkumpirma

Ang unang katibayan ng pagkakaroon ng gravitational waves ay mula sa gawain ng American radio astronomer na si Joseph Taylor at ng kanyang estudyanteng si Russell Hulse. Noong 1974, natuklasan nila ang isang pares ng mga neutron na bituin na umiikot sa isa't isa (isang radio-emitting pulsar na may kasamang tahimik). Ang pulsar ay umiikot sa paligid ng axis nito na may matatag na angular velocity (na hindi palaging nangyayari) at samakatuwid ay nagsilbing isang napakatumpak na orasan. Ang tampok na ito ay naging posible upang sukatin ang mga masa ng parehong mga bituin at matukoy ang likas na katangian ng kanilang orbital motion. Lumalabas na ang orbital period ng binary system na ito (mga 3 oras 45 minuto) ay nababawasan ng 70 μs taun-taon. Ang halagang ito ay sumasang-ayon nang mabuti sa mga solusyon ng mga equation ng pangkalahatang teorya ng relativity, na naglalarawan ng pagkawala ng enerhiya ng isang pares ng bituin dahil sa gravitational radiation (gayunpaman, ang banggaan ng mga bituin na ito ay hindi mangyayari sa lalong madaling panahon, pagkatapos ng 300 milyong taon). Noong 1993, iginawad sina Taylor at Hulse ng Nobel Prize para sa pagtuklas na ito.

Mga antenna ng gravity wave

Paano matukoy ang mga gravitational wave sa eksperimento? Gumamit si Weber ng mga solidong aluminum cylinder na may metrong haba na may mga piezoelectric sensor sa mga dulo bilang mga detektor. Nahiwalay sila nang may pinakamataas na pangangalaga mula sa mga panlabas na mekanikal na impluwensya sa isang silid ng vacuum. Inilagay ni Weber ang dalawa sa mga cylinder na ito sa isang bunker sa ilalim ng golf course ng University of Maryland, at isa sa Argonne National Laboratory.

Ang ideya ng eksperimento ay simple. Ang espasyo ay naka-compress at nakaunat sa ilalim ng impluwensya ng gravitational waves. Dahil dito, ang silindro ay nag-vibrate sa longitudinal na direksyon, na kumikilos bilang isang gravitational wave antenna, at ang piezoelectric crystals ay nagko-convert ng mga vibrations sa mga electrical signal. Ang anumang pagpasa ng mga cosmic gravitational wave ay halos sabay-sabay na nakakaapekto sa mga detector na pinaghihiwalay ng isang libong kilometro, na ginagawang posible na i-filter ang mga gravitational impulses mula sa iba't ibang uri ng ingay.

Natuklasan ng mga sensor ng Weber ang mga displacement ng mga dulo ng silindro na katumbas lamang ng 10 -15 ng haba nito - sa kasong ito ay 10 -13 cm ang eksaktong mga pagbabago na nakita ni Weber, na una niyang iniulat noong 1959. ang mga pahina Mga Liham ng Pagsusuri sa Pisikal. Ang lahat ng mga pagtatangka na ulitin ang mga resultang ito ay walang saysay. Ang data ng Weber ay sumasalungat din sa teorya, na halos hindi nagpapahintulot sa amin na umasa ng mga kamag-anak na displacement sa itaas 10 -18 (at ang mga halaga ay mas mababa sa 10 -20 ay mas malamang). Posibleng nagkamali si Weber sa pagpoproseso ng mga resulta sa istatistika. Ang unang pagtatangka na mag-eksperimentong makakita ng gravitational radiation ay natapos sa kabiguan.

Kasunod nito, ang mga gravitational wave antenna ay makabuluhang napabuti. Noong 1967, iminungkahi ng Amerikanong pisiko na si Bill Fairbank na palamigin sila sa likidong helium. Hindi lamang nito ginawang posible na mapupuksa ang karamihan sa mga thermal noise, ngunit binuksan din ang posibilidad ng paggamit ng SQUIDs (superconducting quantum interferometers), ang pinakatumpak na ultra-sensitive magnetometers. Ang pagpapatupad ng ideyang ito ay naging puno ng maraming mga teknikal na paghihirap, at ang Fairbank mismo ay hindi nabuhay upang makita ito. Noong unang bahagi ng 1980s, ang mga physicist mula sa Stanford University ay nagtayo ng isang installation na may sensitivity na 10 -18, ngunit walang nakitang mga alon. Ngayon sa isang bilang ng mga bansa mayroong mga ultra-cryogenic vibration detector ng mga gravitational wave na tumatakbo sa mga temperatura lamang ng ikasampu at daan-daang degree sa itaas ng absolute zero. Ito ay, halimbawa, ang pag-install ng AURIGA sa Padua. Ang antena para dito ay isang tatlong-metro na silindro na gawa sa aluminyo-magnesium na haluang metal, ang diameter nito ay 60 cm at ang bigat ay 2.3 tonelada Ito ay sinuspinde sa isang silid ng vacuum na pinalamig sa 0.1 K. Ang mga shocks nito (na may dalas na. tungkol sa 1000 Hz) ay ipinadala sa isang auxiliary resonator na tumitimbang ng 1 kg, na nag-vibrate sa parehong dalas, ngunit may mas malaking amplitude. Ang mga vibrations na ito ay naitala sa pamamagitan ng pagsukat ng kagamitan at sinusuri gamit ang isang computer. Ang sensitivity ng AURIGA complex ay tungkol sa 10 -20 -10 -21.

Mga interferometer

Ang isa pang paraan para sa pag-detect ng mga gravitational wave ay batay sa pag-abandona ng napakalaking resonator na pabor sa mga light ray. Una itong iminungkahi ng mga physicist ng Sobyet na sina Mikhail Herzenstein at Vladislav Pustovoit noong 1962, at makalipas ang dalawang taon ni Weber. Noong unang bahagi ng 1970s, isang empleyado ng laboratoryo ng pananaliksik ng korporasyon Hughes Sasakyang Panghimpapawid Si Robert Forward (isang dating mag-aaral na nagtapos sa Weber, kalaunan ay isang napaka sikat na manunulat ng science fiction) ang nagtayo ng unang naturang detector na may medyo disenteng sensitivity. Kasabay nito, ang propesor ng Massachusetts Institute of Technology (MIT) na si Rainer Weiss ay nagsagawa ng napakalalim na teoretikal na pagsusuri ng mga posibilidad ng pag-record ng mga gravitational wave gamit ang mga optical na pamamaraan.

Ang mga pamamaraang ito ay nagsasangkot ng paggamit ng mga analogue ng aparato kung saan pinatunayan ng physicist na si Albert Michelson 125 taon na ang nakalilipas na ang bilis ng liwanag ay mahigpit na pareho sa lahat ng direksyon. Sa pag-install na ito, ang isang Michelson interferometer, isang sinag ng liwanag ay tumama sa isang translucent na plato at nahahati sa dalawang magkaparehong patayo na mga sinag, na makikita mula sa mga salamin na matatagpuan sa parehong distansya mula sa plato. Pagkatapos ay muling nagsanib ang mga beam at bumagsak sa screen, kung saan lumilitaw ang isang pattern ng interference (liwanag at madilim na mga guhit at linya). Kung ang bilis ng liwanag ay nakasalalay sa direksyon nito, kung gayon kapag ang buong pag-install ay pinaikot, ang larawang ito ay dapat magbago kung hindi, dapat itong manatiling katulad ng dati.

Gumagana ang gravitational wave interference detector sa katulad na paraan. Ang isang dumaraan na alon ay nagpapabago sa espasyo at nagbabago sa haba ng bawat braso ng interferometer (ang landas kung saan ang liwanag ay naglalakbay mula sa splitter patungo sa salamin), na iniuunat ang isang braso at pinipiga ang isa pa. Nagbabago ang pattern ng interference, at maaari itong mairehistro. Ngunit hindi ito madali: kung ang inaasahang kamag-anak na pagbabago sa haba ng mga braso ng interferometer ay 10 -20, kung gayon sa laki ng tabletop ng aparato (tulad ng kay Michelson) nagreresulta ito sa mga oscillations na may amplitude ng pagkakasunud-sunod na 10 - 18 cm Para sa paghahambing: ang visible light waves ay 10 trilyong beses na mas mahaba! Maaari mong dagdagan ang haba ng mga balikat sa ilang kilometro, ngunit mananatili pa rin ang mga problema. Ang pinagmumulan ng ilaw ng laser ay dapat na parehong malakas at matatag sa dalas, ang mga salamin ay dapat na perpektong flat at perpektong sumasalamin, ang vacuum sa mga tubo kung saan ang liwanag ay naglalakbay ay dapat na mas malalim hangga't maaari, at ang mekanikal na pag-stabilize ng buong sistema ay dapat na talagang perpekto. Sa madaling salita, ang isang gravitational wave interference detector ay isang mahal at napakalaking device.

Ngayon ang pinakamalaking pag-install ng ganitong uri ay ang American LIGO complex (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Binubuo ito ng dalawang obserbatoryo, ang isa ay matatagpuan sa baybayin ng Pasipiko ng Estados Unidos, at ang isa pa ay malapit sa Gulpo ng Mexico. Ginagawa ang mga pagsukat gamit ang tatlong interferometer (dalawa sa estado ng Washington, isa sa Louisiana) na may apat na kilometrong haba ng mga armas. Ang pag-install ay nilagyan ng mirror light accumulators, na nagpapataas ng sensitivity nito. "Mula noong Nobyembre 2005, lahat ng tatlo sa aming mga interferometer ay gumagana nang normal," sinabi ng LIGO complex na kinatawan na si Peter Solson, isang propesor ng physics sa Syracuse University, sa Popular Mechanics. - Patuloy kaming nakikipagpalitan ng data sa iba pang mga obserbatoryo na sumusubok na tumukoy ng mga gravitational wave na may dalas na sampu at daan-daang hertz, na lumitaw sa panahon ng pinakamalakas na pagsabog ng supernova at pagsasama ng mga neutron star at black hole. Kasalukuyang gumagana ang German GEO 600 interferometer (haba ng braso - 600 m), na matatagpuan 25 km mula sa Hannover. Ang 300-meter Japanese TAMA instrument ay kasalukuyang ina-upgrade. Ang tatlong kilometrong Virgo detector malapit sa Pisa ay sasama sa pagsisikap sa unang bahagi ng 2007, at sa mga frequency na mas mababa sa 50 Hz ay ​​magagawa nitong malampasan ang LIGO. Ang mga pag-install na may ultracryogenic resonator ay gumagana nang may pagtaas ng kahusayan, kahit na ang kanilang pagiging sensitibo ay medyo mas mababa pa rin kaysa sa atin."

Mga prospect

Ano ang nasa malapit na hinaharap para sa mga pamamaraan ng pagtuklas ng gravitational wave? Sinabi ni Propesor Rainer Weiss sa Popular Mechanics tungkol dito: "Sa ilang taon, mas makapangyarihang mga laser at mas advanced na mga detektor ang mai-install sa mga obserbatoryo ng LIGO complex, na hahantong sa 15-tiklop na pagtaas ng sensitivity. Ngayon ito ay 10 -21 (sa mga frequency na halos 100 Hz), at pagkatapos ng modernisasyon ito ay lalampas sa 10 -22. Ang na-upgrade na complex, Advanced LIGO, ay magpapataas ng lalim ng pagtagos sa kalawakan ng 15 beses. Ang propesor ng Moscow State University na si Vladimir Braginsky, isa sa mga pioneer sa pag-aaral ng gravitational waves, ay aktibong kasangkot sa proyektong ito.

Ang paglulunsad ng LISA space interferometer ay binalak para sa kalagitnaan ng susunod na dekada ( Laser Interferometer Space Antenna) na may haba ng braso na 5 milyong kilometro, ito ay pinagsamang proyekto ng NASA at ng European Space Agency. Ang sensitivity ng obserbatoryong ito ay magiging daan-daang beses na mas mataas kaysa sa mga kakayahan ng mga instrumentong nakabatay sa lupa. Pangunahing idinisenyo ito upang maghanap ng mga low-frequency (10 -4 -10 -1 Hz) gravitational waves, na hindi matukoy sa ibabaw ng Earth dahil sa atmospheric at seismic interference. Ang ganitong mga alon ay ibinubuga ng double star system, medyo tipikal na mga naninirahan sa Cosmos. Magagawa ring makita ng LISA ang mga gravitational wave na nabuo kapag ang mga ordinaryong bituin ay hinihigop ng mga black hole. Ngunit upang matukoy ang mga relict gravitational wave na nagdadala ng impormasyon tungkol sa estado ng bagay sa mga unang sandali pagkatapos ng Big Bang, malamang na kakailanganin ang mas advanced na mga instrumento sa espasyo. Ang ganitong pag-install Big Bang Observer, ay kasalukuyang tinatalakay, ngunit malamang na hindi ito malikha at mailunsad nang mas maaga kaysa sa 30-40 taon.

Noong Huwebes, Pebrero 11, isang grupo ng mga siyentipiko mula sa internasyonal na proyektong LIGO Scientific Collaboration ang nag-anunsyo na sila ay nagtagumpay, ang pagkakaroon nito ay hinulaang ni Albert Einstein noong 1916. Ayon sa mga mananaliksik, noong Setyembre 14, 2015, nagtala sila ng gravitational wave na dulot ng banggaan ng dalawang black hole na tumitimbang ng 29 at 36 na beses ang mass ng Araw, pagkatapos ay nagsanib sila sa isang malaking black hole. Ayon sa kanila, nangyari raw ito 1.3 billion years ago sa layo na 410 Megaparsecs mula sa ating kalawakan.

Ang LIGA.net ay nagsalita nang detalyado tungkol sa mga gravitational wave at ang malawakang pagtuklas Bogdan Hnatyk, Ukrainian scientist, astrophysicist, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, nangungunang researcher sa Astronomical Observatory ng Taras Shevchenko National University of Kyiv, na namuno sa observatory mula 2001 hanggang 2004.

Teorya sa simpleng salita

Pinag-aaralan ng pisika ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga katawan. Ito ay itinatag na mayroong apat na uri ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga katawan: electromagnetic, malakas at mahina na pakikipag-ugnayang nuklear at pakikipag-ugnayan ng gravitational, na nararamdaman nating lahat. Dahil sa pakikipag-ugnayan ng gravitational, ang mga planeta ay umiikot sa Araw, ang mga katawan ay may bigat at nahuhulog sa lupa. Ang mga tao ay patuloy na nahaharap sa gravitational interaction.

Noong 1916, 100 taon na ang nakalilipas, si Albert Einstein ay nagtayo ng isang teorya ng gravity na nagpabuti sa teorya ng gravity ni Newton, ginawa itong tama sa matematika: sinimulan nitong matugunan ang lahat ng mga kinakailangan ng pisika, at nagsimulang isaalang-alang ang katotohanan na ang gravity ay nagpapalaganap sa isang napaka mataas, ngunit may hangganan na bilis. Ito ay nararapat na isa sa mga pinakadakilang tagumpay ni Einstein, dahil siya ay bumuo ng isang teorya ng gravity na tumutugma sa lahat ng mga phenomena ng pisika na naobserbahan natin ngayon.

Iminungkahi din ng teoryang ito ang pagkakaroon gravitational waves. Ang batayan ng hulang ito ay ang mga gravitational wave ay umiiral bilang resulta ng gravitational interaction na nangyayari dahil sa pagsasama ng dalawang malalaking katawan.

Ano ang gravitational wave

Sa kumplikadong wika ito ang excitement ng space-time metric. "Sabihin, ang espasyo ay may isang tiyak na pagkalastiko at ang mga alon ay maaaring dumaan dito ay katulad ng kapag itinapon natin ang isang maliit na bato sa tubig at ang mga alon ay nakakalat mula dito," sinabi ng doktor ng mga pisikal at matematikal na agham sa LIGA.net.

Ang mga siyentipiko ay nakapag-eksperimentong patunayan na ang isang katulad na oscillation ay naganap sa Uniberso at isang gravitational wave ang tumakbo sa lahat ng direksyon. "Sa astrophysically, sa unang pagkakataon, ang kababalaghan ng tulad ng isang sakuna na ebolusyon ng isang binary system ay naitala, kapag ang dalawang bagay ay nagsanib sa isa, at ang pagsasama na ito ay humantong sa isang napakatindi na paglabas ng gravitational energy, na pagkatapos ay kumakalat sa espasyo sa anyo. ng gravitational waves,” paliwanag ng siyentipiko.

Ang mga gravitational wave na ito ay napakahina at upang ang mga ito ay magkalog space-time, ang interaksyon ng napakalaki at napakalaking katawan ay kinakailangan upang ang intensity ng gravitational field ay mataas sa punto ng henerasyon. Ngunit, sa kabila ng kanilang kahinaan, ang tagamasid pagkatapos ng isang tiyak na oras (katumbas ng distansya sa pakikipag-ugnayan na hinati sa bilis ng signal) ay irerehistro ang gravitational wave na ito.

Magbigay tayo ng isang halimbawa: kung ang Earth ay nahulog sa Araw, pagkatapos ay ang gravitational interaction ay magaganap: ang gravitational energy ay ilalabas, ang isang gravitational spherically symmetrical wave ay mabubuo, at ang observer ay maaaring irehistro ito. "Isang katulad, ngunit kakaiba, mula sa punto ng view ng astrophysics, ang kababalaghan ay naganap dito: dalawang malalaking katawan ang nagbanggaan - dalawang itim na butas," sabi ni Gnatyk.

Balik tayo sa teorya

Ang black hole ay isa pang hula ng pangkalahatang teorya ng relativity ni Einstein, na nagbibigay na ang isang katawan na may napakalaking masa, ngunit ang masa na ito ay puro sa isang maliit na volume, ay may kakayahang makabuluhang baluktot ang espasyo sa paligid nito, hanggang sa pagsasara nito. Iyon ay, ipinapalagay na kapag ang isang kritikal na konsentrasyon ng masa ng katawan na ito ay naabot - na ang laki ng katawan ay magiging mas mababa kaysa sa tinatawag na gravitational radius, kung gayon ang espasyo sa paligid ng katawan na ito ay isasara at ang topology nito. ay magiging tulad na walang signal mula dito ay kumalat sa kabila ng saradong espasyo ay hindi maaaring.

"Iyon ay, ang isang black hole, sa simpleng salita, ay isang napakalaking bagay na napakabigat na nagsasara ng space-time sa paligid nito," sabi ng siyentipiko.

At kami, ayon sa kanya, ay maaaring magpadala ng anumang mga senyales sa bagay na ito, ngunit hindi niya ito maipadala sa amin. Ibig sabihin, walang signal ang maaaring lumampas sa black hole.

Ang isang black hole ay nabubuhay ayon sa mga ordinaryong pisikal na batas, ngunit bilang isang resulta ng malakas na grabidad, walang isang materyal na katawan, kahit isang photon, ang makakalampas sa kritikal na ibabaw na ito. Ang mga itim na butas ay nabuo sa panahon ng ebolusyon ng mga ordinaryong bituin, kapag ang gitnang core ay bumagsak at ang bahagi ng bagay ng bituin, gumuho, nagiging isang itim na butas, at ang iba pang bahagi ng bituin ay pinalabas sa anyo ng isang Supernova shell, na nagiging ang tinatawag na "outburst" ng isang Supernova.

Paano natin nakita ang gravitational wave

Magbigay tayo ng halimbawa. Kapag mayroon tayong dalawang float sa ibabaw ng tubig at ang tubig ay kalmado, ang distansya sa pagitan ng mga ito ay pare-pareho. Kapag dumating ang isang alon, pinaalis nito ang mga float na ito at magbabago ang distansya sa pagitan ng mga float. Ang alon ay lumipas - at ang mga float ay bumalik sa kanilang mga dating posisyon, at ang distansya sa pagitan nila ay naibalik.

Ang isang gravitational wave ay kumakalat sa space-time sa katulad na paraan: ito ay pumipilit at nag-uunat ng mga katawan at bagay na nagsasalubong sa landas nito. "Kapag ang isang bagay ay nakatagpo sa landas ng isang alon, ito ay nababago sa mga palakol nito, at pagkatapos ng pagpasa nito ay bumalik ito sa dati nitong hugis Sa ilalim ng impluwensya ng isang gravitational wave, ang lahat ng mga katawan ay deformed, ngunit ang mga deformation na ito ay napaka hindi gaanong mahalaga," sabi ni Gnatyk.

Nang lumipas ang alon na naitala ng mga siyentipiko, ang kamag-anak na laki ng mga katawan sa kalawakan ay nagbago sa dami ng pagkakasunud-sunod ng 1 beses 10 hanggang sa minus na ika-21 na kapangyarihan. Halimbawa, kung kukuha ka ng isang meter ruler, pagkatapos ay lumiit ito ng isang halaga na ang laki nito ay pinarami ng 10 hanggang sa minus na ika-21 na kapangyarihan. Ito ay isang napakaliit na halaga. At ang problema ay kailangang matutunan ng mga siyentipiko kung paano sukatin ang distansyang ito. Ang mga maginoo na pamamaraan ay nagbigay ng katumpakan ng pagkakasunud-sunod ng 1 sa 10 hanggang sa ika-9 na kapangyarihan ng milyun-milyon, ngunit dito kinakailangan ang mas mataas na katumpakan. Para sa layuning ito, ang tinatawag na gravitational antennas (gravitational wave detector) ay nilikha.

Ang antenna na nagtala ng mga gravitational wave ay itinayo sa ganitong paraan: mayroong dalawang tubo, humigit-kumulang 4 na kilometro ang haba, na matatagpuan sa hugis ng titik na "L", ngunit may parehong mga braso at nasa tamang mga anggulo. Kapag ang isang gravitational wave ay tumama sa isang sistema, ito ay nagpapa-deform sa mga pakpak ng antenna, ngunit depende sa oryentasyon nito, ito ay nagpapa-deform ng isa pa at ang isa ay mas mababa. At pagkatapos ay lumitaw ang pagkakaiba sa landas, nagbabago ang pattern ng interference ng signal - lumilitaw ang isang kabuuang positibo o negatibong amplitude.

"Iyon ay, ang pagdaan ng isang gravitational wave ay katulad ng isang alon sa tubig na dumadaan sa pagitan ng dalawang float: kung susukatin natin ang distansya sa pagitan ng mga ito habang at pagkatapos ng pagdaan ng alon, makikita natin na magbabago ang distansya, at pagkatapos ay magiging the same again,” sabi niya kay Gnatyk.

Dito, sinusukat ang kamag-anak na pagbabago sa distansya ng dalawang pakpak ng interferometer, na ang bawat isa ay halos 4 na kilometro ang haba. At ang mga napakatumpak na teknolohiya at sistema lamang ang makakasukat ng gayong mikroskopikong pag-aalis ng mga pakpak na dulot ng isang gravitational wave.

Sa gilid ng Uniberso: saan nagmula ang alon?

Naitala ng mga siyentipiko ang signal gamit ang dalawang detektor, na matatagpuan sa dalawang estado sa Estados Unidos: Louisiana at Washington, sa layo na halos 3 libong kilometro. Natantya ng mga siyentipiko kung saan at mula sa anong distansya dumating ang signal na ito. Ipinapakita ng mga pagtatantya na ang signal ay nagmula sa layong 410 Megaparsecs. Ang megaparsec ay ang distansyang dinadaanan ng liwanag sa loob ng tatlong milyong taon.

Para mas madaling isipin: ang pinakamalapit na aktibong galaxy sa amin na may napakalaking black hole sa gitna ay ang Centaurus A, na matatagpuan sa layong apat na Megaparsec mula sa amin, habang ang Andromeda Nebula ay nasa layo na 0.7 Megaparsecs. "Iyon ay, ang distansya kung saan nagmula ang signal ng gravitational wave ay napakahusay na ang signal ay naglakbay sa Earth sa humigit-kumulang 1.3 bilyong taon.

Sa ganitong kalayuan, sa ilang malayong kalawakan, dalawang black hole ang nagsanib. Ang mga butas na ito, sa isang banda, ay medyo maliit sa laki, at sa kabilang banda, ang malaking signal amplitude ay nagpapahiwatig na sila ay napakabigat. Ito ay itinatag na ang kanilang mga masa ay 36 at 29 solar masa, ayon sa pagkakabanggit. Ang masa ng Araw, gaya ng nalalaman, ay katumbas ng 2 beses 10 hanggang ika-30 na kapangyarihan ng isang kilo. Matapos ang pagsasanib, ang dalawang katawan na ito ay nagsanib at ngayon sa kanilang lugar ay nabuo ang isang solong black hole, na may mass na katumbas ng 62 solar mass. Kasabay nito, humigit-kumulang tatlong masa ng Araw ang tumalsik sa anyo ng gravitational wave energy.

Sino ang nakatuklas at kailan

Nagawa ng mga siyentipiko mula sa internasyonal na proyekto ng LIGO na makakita ng gravitational wave noong Setyembre 14, 2015. LIGO (Laser Interferometry Gravitation Observatory) ay isang internasyonal na proyekto kung saan ang ilang mga estado ay nakikilahok, na gumagawa ng isang tiyak na pinansiyal at pang-agham na kontribusyon, lalo na ang USA, Italy, Japan, na mga advanced sa larangan ng pananaliksik na ito.

Ang sumusunod na larawan ay naitala: ang mga pakpak ng gravitational detector ay lumipat bilang isang resulta ng aktwal na pagpasa ng isang gravitational wave sa ating planeta at sa pamamagitan ng pag-install na ito. Hindi ito naiulat noon, dahil kailangang iproseso ang signal, "linisin", natagpuan at suriin ang amplitude nito. Ito ay isang karaniwang pamamaraan: mula sa aktwal na pagtuklas hanggang sa pag-anunsyo ng pagtuklas, tumatagal ng ilang buwan upang maglabas ng isang matibay na pahayag. "Walang gustong sirain ang kanilang reputasyon, lahat ito ay lihim na data, bago ang paglalathala kung saan walang nakakaalam tungkol dito, mayroon lamang mga alingawngaw," sabi ni Hnatyk.

Kwento

Ang mga gravitational wave ay pinag-aralan mula noong 70s ng huling siglo. Sa panahong ito, isang bilang ng mga detektor ang nilikha at isang bilang ng mga pangunahing pag-aaral ang isinagawa. Noong dekada 80, itinayo ng Amerikanong siyentipiko na si Joseph Weber ang unang gravitational antenna sa anyo ng isang silindro ng aluminyo, na halos ilang metro ang laki, na nilagyan ng mga sensor ng piezo na dapat mag-record ng pagpasa ng isang gravitational wave.

Ang sensitivity ng device na ito ay isang milyong beses na mas masahol kaysa sa mga kasalukuyang detector. At, siyempre, hindi niya talaga makita ang alon noon, kahit na ipinahayag ni Weber na nagawa niya ito: isinulat ito ng press at isang "gravitational boom" ang naganap - agad na nagsimula ang mundo na bumuo ng mga gravitational antenna. Hinikayat ni Weber ang iba pang mga siyentipiko na kumuha ng mga gravitational wave at magpatuloy sa mga eksperimento sa hindi pangkaraniwang bagay na ito, na naging posible upang mapataas ang sensitivity ng mga detector ng isang milyong beses.

Gayunpaman, ang kababalaghan ng gravitational waves mismo ay naitala noong huling siglo, nang natuklasan ng mga siyentipiko ang isang dobleng pulsar. Ito ay isang hindi direktang pag-record ng katotohanan na ang mga gravitational wave ay umiiral, na napatunayan sa pamamagitan ng astronomical na mga obserbasyon. Ang pulsar ay natuklasan nina Russell Hulse at Joseph Taylor noong 1974 sa panahon ng mga obserbasyon gamit ang Arecibo Observatory radio telescope. Ang mga siyentipiko ay iginawad sa Nobel Prize noong 1993 "para sa pagtuklas ng isang bagong uri ng pulsar, na nagbigay ng mga bagong pagkakataon sa pag-aaral ng gravity."

Pananaliksik sa mundo at Ukraine

Sa Italy, malapit nang matapos ang isang katulad na proyekto na tinatawag na Virgo. Balak din ng Japan na maglunsad ng katulad na detector sa isang taon, at inihahanda din ng India ang naturang eksperimento. Iyon ay, ang mga katulad na detector ay umiiral sa maraming bahagi ng mundo, ngunit hindi pa nila naabot ang sensitivity mode upang mapag-usapan natin ang pag-detect ng mga gravitational wave.

"Opisyal, ang Ukraine ay hindi bahagi ng LIGO at hindi rin nakikilahok sa mga proyekto ng Italyano at Hapon, kabilang sa mga pangunahing lugar, ang Ukraine ay nakikilahok na ngayon sa proyekto ng LHC (Large Hadron Collider) at sa CERN (opisyal na tayo ay magiging kalahok lamang. pagkatapos bayaran ang entrance fee) ", sinabi ng Doctor of Physical and Mathematical Sciences Bohdan Gnatyk sa LIGA.net.

Ayon sa kanya, mula noong 2015 ang Ukraine ay naging ganap na miyembro ng international collaboration CTA (Cerenkov Telescope Array), na nagtatayo ng modernong multi teleskopyo TeV mahabang hanay ng gamma (na may mga enerhiya ng photon hanggang 1014 eV). "Ang pangunahing pinagmumulan ng naturang mga photon ay tiyak ang paligid ng supermassive black hole, ang gravitational radiation na unang naitala ng LIGO detector. Samakatuwid, ang pagbubukas ng mga bagong bintana sa astronomiya - gravitational wave at multi TeV"Ang teknolohiya ng electromagnetic ng nogo ay nangangako sa amin ng marami pang mga pagtuklas sa hinaharap," dagdag ng siyentipiko.

Ano ang susunod at paano makakatulong ang bagong kaalaman sa mga tao? Hindi sumasang-ayon ang mga siyentipiko. Sinasabi ng ilan na ito ang susunod na hakbang sa pag-unawa sa mga mekanismo ng Uniberso. Nakikita ito ng iba bilang mga unang hakbang patungo sa mga bagong teknolohiya para sa paglipat sa oras at espasyo. Sa isang paraan o iba pa, ang pagtuklas na ito ay muling pinatunayan kung gaano kaunti ang ating naiintindihan at kung gaano karami ang dapat matutunan.

Kinumpirma ng mga astrophysicist ang pagkakaroon ng gravitational waves, ang pagkakaroon nito ay hinulaan ni Albert Einstein mga 100 taon na ang nakalilipas. Natukoy ang mga ito gamit ang mga detector sa LIGO gravitational wave observatory, na matatagpuan sa United States.

Sa unang pagkakataon sa kasaysayan, naitala ng sangkatauhan ang mga gravitational wave - mga vibrations ng space-time na dumating sa Earth mula sa banggaan ng dalawang black hole na naganap sa malayong bahagi ng Uniberso. Nag-ambag din ang mga siyentipikong Ruso sa pagtuklas na ito. Sa Huwebes, pinag-uusapan ng mga mananaliksik ang kanilang pagtuklas sa buong mundo - sa Washington, London, Paris, Berlin at iba pang mga lungsod, kabilang ang Moscow.

Ang larawan ay nagpapakita ng isang simulation ng isang black hole collision

Sa isang press conference sa opisina ng Rambler&Co, si Valery Mitrofanov, pinuno ng Russian na bahagi ng pakikipagtulungan ng LIGO, ay inihayag ang pagtuklas ng mga gravitational wave:

"Kami ay pinarangalan na lumahok sa proyektong ito at ipakita ang mga resulta sa iyo. Sasabihin ko na ngayon sa iyo ang kahulugan ng pagtuklas sa Russian. Nakakita kami ng magagandang larawan ng mga LIGO detector sa US. Ang distansya sa pagitan nila ay 3000 km. Sa ilalim ng impluwensya ng isang gravitational wave, lumipat ang isa sa mga detector, pagkatapos ay natuklasan namin ang mga ito. Sa una nakita lang namin ang ingay sa computer, at pagkatapos ay ang masa ng mga detektor ng Hamford ay nagsimulang mag-rock. Matapos kalkulahin ang data na nakuha, natukoy namin na ito ay ang mga black hole na bumangga sa layo na 1.3 bilyon. light years ang layo. Napakalinaw ng signal, napakalinaw na lumabas sa ingay. Maraming tao ang nagsabi sa amin na kami ay masuwerte, ngunit ang kalikasan ay nagbigay sa amin ng gayong regalo. Natuklasan na ang mga gravitational wave, sigurado iyon."

Kinumpirma ng mga astrophysicist ang mga alingawngaw na na-detect nila ang mga gravitational wave gamit ang mga detector sa LIGO gravitational wave observatory. Ang pagtuklas na ito ay magpapahintulot sa sangkatauhan na gumawa ng makabuluhang pag-unlad sa pag-unawa kung paano gumagana ang Uniberso.

Naganap ang pagtuklas noong Setyembre 14, 2015 nang sabay-sabay sa dalawang detector sa Washington at Louisiana. Dumating ang signal sa mga detector bilang resulta ng banggaan ng dalawang black hole. Napakatagal ng pag-verify ng mga siyentipiko na ito ang mga gravitational wave na produkto ng banggaan.

Ang banggaan ng mga butas ay naganap sa bilis na halos kalahati ng bilis ng liwanag, na humigit-kumulang 150,792,458 m/s.

"Ang Newtonian gravity ay inilarawan sa flat space, at inilipat ito ni Einstein sa eroplano ng oras at ipinapalagay na ito ay yumuko. Napakahina ng pakikipag-ugnayan ng gravitational. Sa Earth, imposible ang mga eksperimento upang lumikha ng mga gravitational wave. Natuklasan lamang sila pagkatapos ng pagsasama ng mga black hole. Ang detektor ay lumipat, isipin lamang, ng 10 hanggang -19 metro. Hindi mo ito maramdaman gamit ang iyong mga kamay. Sa tulong lamang ng napaka-tumpak na mga instrumento. Paano ito gagawin? Ang laser beam kung saan naitala ang shift ay kakaiba sa kalikasan. Ang ikalawang henerasyon ng laser gravity antenna ng LIGO ay naging operational noong 2015. Ginagawang posible ng pagiging sensitibo na matukoy ang mga kaguluhan sa gravitational humigit-kumulang isang beses sa isang buwan. Ito ay maunlad na mundo at agham ng Amerika, wala nang mas tumpak sa mundo. Umaasa kami na malalampasan nito ang Standard Quantum Sensitivity Limit,” paliwanag ng pagtuklas Sergei Vyatchanin, empleyado ng Physics Department ng Moscow State University at ang pakikipagtulungan ng LIGO.

Ang standard quantum limit (SQL) sa quantum mechanics ay isang limitasyong ipinapataw sa katumpakan ng tuluy-tuloy o paulit-ulit na pagsukat ng anumang dami na inilarawan ng isang operator na hindi nagko-commute sa sarili nito sa iba't ibang oras. Hinulaan noong 1967 ni V.B Braginsky, at ang terminong Standard Quantum Limit (SQL) ay iminungkahi ni Thorne. Ang SKP ay malapit na nauugnay sa Heisenberg uncertainty relation.

Sa kabuuan, nagsalita si Valery Mitrofanov tungkol sa mga plano para sa karagdagang pananaliksik:

"Ang pagtuklas na ito ay ang simula ng isang bagong gravitational wave astronomy. Sa pamamagitan ng channel ng gravitational waves inaasahan naming matuto pa tungkol sa Uniberso. Alam natin ang komposisyon ng 5% lamang ng bagay, ang natitira ay isang misteryo. Ang mga gravity detector ay magbibigay-daan sa iyo na makita ang kalangitan sa "gravitational waves." Sa hinaharap, inaasahan naming makita ang simula ng lahat, iyon ay, ang relic radiation ng Big Bang, at maunawaan kung ano ang eksaktong nangyari noon."

Ang mga gravitational wave ay unang iminungkahi ni Albert Einstein noong 1916, halos eksaktong 100 taon na ang nakalilipas. Ang equation para sa mga alon ay bunga ng mga equation ng teorya ng relativity at hindi hinango sa pinakasimpleng paraan.

Nauna nang naglathala ang Canadian theoretical physicist na si Clifford Burgess ng isang liham na nagsasabing ang obserbatoryo ay nakakita ng gravitational radiation na dulot ng pagsasama ng isang binary system ng mga black hole na may masa na 36 at 29 solar mass sa isang bagay na may mass na 62 solar masa. Ang banggaan at asymmetrical gravitational collapse ay tumatagal ng isang bahagi ng isang segundo, at sa panahong ito ang enerhiya na umaabot sa 50 porsiyento ng masa ng system ay nawala sa gravitational radiation - mga ripples sa space-time.

Ang gravitational wave ay isang wave ng gravity na nabuo sa karamihan ng mga teorya ng gravitation sa pamamagitan ng paggalaw ng mga gravitational body na may variable acceleration. Dahil sa kamag-anak na kahinaan ng mga puwersa ng gravitational (kumpara sa iba), ang mga alon na ito ay dapat magkaroon ng napakaliit na magnitude, mahirap irehistro. Ang kanilang pag-iral ay hinulaan ni Albert Einstein mga isang siglo na ang nakalilipas.

Ang opisyal na araw ng pagtuklas (detection) ng gravitational waves ay Pebrero 11, 2016. Noon, sa isang press conference na ginanap sa Washington, na ang mga pinuno ng LIGO collaboration ay nag-anunsyo na ang isang pangkat ng mga mananaliksik ay nakapagtala ng hindi pangkaraniwang bagay na ito sa unang pagkakataon sa kasaysayan ng tao.

Mga propesiya ng dakilang Einstein

Ang katotohanang umiral ang mga gravitational wave ay iminungkahi ni Albert Einstein sa simula ng huling siglo (1916) sa loob ng balangkas ng kanyang General Theory of Relativity (GTR). Ang isang tao ay maaari lamang humanga sa napakatalino na kakayahan ng sikat na pisiko, na, na may pinakamababang tunay na data, ay nakagawa ng napakalawak na mga konklusyon. Sa maraming iba pang hinulaang pisikal na phenomena na nakumpirma sa susunod na siglo (pagpapabagal ng daloy ng oras, pagbabago ng direksyon ng electromagnetic radiation sa mga gravitational field, atbp.), hindi posible na praktikal na makita ang pagkakaroon ng ganitong uri ng pakikipag-ugnayan ng alon. ng mga katawan hanggang kamakailan.

Ang gravity ba ay isang ilusyon?

Sa pangkalahatan, sa liwanag ng Teorya ng Relativity, ang gravity ay halos hindi matatawag na puwersa. mga kaguluhan o curvature ng space-time continuum. Ang isang magandang halimbawa upang ilarawan ang postulate na ito ay isang nakaunat na piraso ng tela. Sa ilalim ng bigat ng isang napakalaking bagay na inilagay sa naturang ibabaw, nabuo ang isang depresyon. Ang iba pang mga bagay, kapag lumilipat malapit sa anomalyang ito, ay magbabago sa tilapon ng kanilang paggalaw, na parang "naaakit". At mas malaki ang bigat ng bagay (mas malaki ang diameter at lalim ng curvature), mas mataas ang "force of attraction". Habang gumagalaw ito sa tela, makikita ng isa ang hitsura ng mga diverging "ripples".

May katulad na nangyayari sa outer space. Ang anumang mabilis na gumagalaw na malalaking bagay ay pinagmumulan ng pagbabagu-bago sa density ng espasyo at oras. Ang isang gravitational wave na may makabuluhang amplitude ay nabuo ng mga katawan na may napakalaking masa o kapag gumagalaw nang may napakalaking acceleration.

pisikal na katangian

Ang mga pagbabagu-bago sa sukatan ng space-time ay nagpapakita ng kanilang mga sarili bilang mga pagbabago sa gravitational field. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay tinatawag na space-time ripples. Ang gravitational wave ay nakakaapekto sa mga nakatagpo na katawan at bagay, pinipiga at iniuunat ang mga ito. Ang magnitude ng pagpapapangit ay napakaliit - mga 10 -21 mula sa orihinal na sukat. Ang buong kahirapan sa pagtuklas ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay kailangan ng mga mananaliksik na matutunan kung paano sukatin at itala ang mga naturang pagbabago gamit ang naaangkop na kagamitan. Ang kapangyarihan ng gravitational radiation ay napakaliit din - para sa buong solar system ito ay ilang kilowatts.

Ang bilis ng pagpapalaganap ng mga gravitational wave ay bahagyang nakasalalay sa mga katangian ng conducting medium. Ang amplitude ng mga oscillation ay unti-unting bumababa sa distansya mula sa pinagmulan, ngunit hindi umabot sa zero. Ang dalas ay mula sa ilang sampu hanggang daan-daang hertz. Ang bilis ng gravitational waves sa interstellar medium ay lumalapit sa bilis ng liwanag.

Kritikal na ebidensya

Ang unang teoretikal na kumpirmasyon ng pagkakaroon ng gravitational waves ay nakuha ng American astronomer na si Joseph Taylor at ng kanyang assistant na si Russell Hulse noong 1974. Sa pag-aaral ng kalawakan ng Uniberso gamit ang Arecibo Observatory radio telescope (Puerto Rico), natuklasan ng mga mananaliksik ang pulsar PSR B1913+16, na isang binary system ng mga neutron star na umiikot sa isang karaniwang sentro ng masa na may pare-pareho ang angular velocity (isang medyo bihira. kaso). Bawat taon ang panahon ng sirkulasyon, na orihinal na 3.75 oras, ay nababawasan ng 70 ms. Ang halagang ito ay ganap na naaayon sa mga konklusyon mula sa pangkalahatang mga equation ng relativity, na hinuhulaan ang pagtaas ng bilis ng pag-ikot ng mga naturang sistema dahil sa paggasta ng enerhiya sa pagbuo ng mga gravitational wave. Kasunod nito, natuklasan ang ilang double pulsar at white dwarf na may katulad na pag-uugali. Ang mga astronomo sa radyo na sina D. Taylor at R. Hulse ay ginawaran ng Nobel Prize sa Physics noong 1993 para sa pagtuklas ng mga bagong posibilidad para sa pag-aaral ng mga larangan ng gravitational.

Tumatakas sa gravitational wave

Ang unang anunsyo tungkol sa pagtuklas ng mga gravitational wave ay nagmula sa University of Maryland scientist na si Joseph Weber (USA) noong 1969. Para sa mga layuning ito, gumamit siya ng dalawang gravitational antenna ng kanyang sariling disenyo, na pinaghihiwalay ng layo na dalawang kilometro. Ang resonant detector ay isang well-vibration-insulated solid two-meter aluminum cylinder na nilagyan ng mga sensitibong piezoelectric sensor. Ang amplitude ng mga oscillations na sinasabing naitala ni Weber ay naging higit sa isang milyong beses na mas mataas kaysa sa inaasahang halaga. Ang mga pagtatangka ng ibang mga siyentipiko na ulitin ang "tagumpay" ng American physicist gamit ang mga katulad na kagamitan ay hindi nagdala ng mga positibong resulta. Pagkalipas ng ilang taon, ang gawain ni Weber sa lugar na ito ay kinikilala bilang hindi mapanghawakan, ngunit nagbigay ng lakas sa pag-unlad ng "gravitational boom", na nakakaakit ng maraming mga espesyalista sa lugar na ito ng pananaliksik. Sa pamamagitan ng paraan, si Joseph Weber mismo ay sigurado hanggang sa katapusan ng kanyang mga araw na nakatanggap siya ng mga gravitational wave.

Pagpapabuti ng kagamitan sa pagtanggap

Noong dekada 70, binuo ng scientist na si Bill Fairbank (USA) ang disenyo ng gravitational wave antenna, pinalamig gamit ang SQUIDS - ultra-sensitive magnetometers. Ang mga teknolohiyang umiiral sa oras na iyon ay hindi nagpapahintulot sa imbentor na makita ang kanyang produkto na natanto sa "metal".

Ang Auriga gravitational detector sa National Legnar Laboratory (Padua, Italy) ay idinisenyo gamit ang prinsipyong ito. Ang disenyo ay batay sa isang aluminum-magnesium cylinder, 3 metro ang haba at 0.6 m ang lapad Ang receiving device na tumitimbang ng 2.3 tonelada ay sinuspinde sa isang insulated vacuum chamber na pinalamig halos sa absolute zero. Upang maitala at matukoy ang mga pagkabigla, ginagamit ang isang auxiliary kilo resonator at isang computing-based na pagsukat na complex. Ang nakasaad na sensitivity ng kagamitan ay 10 -20.

Mga interferometer

Ang operasyon ng mga interference detector ng gravitational waves ay batay sa parehong mga prinsipyo kung saan gumagana ang Michelson interferometer. Ang laser beam na ibinubuga ng pinagmulan ay nahahati sa dalawang stream. Pagkatapos ng maraming pagmuni-muni at paglalakbay kasama ang mga braso ng aparato, ang mga daloy ay muling pinagsasama-sama, at batay sa pangwakas na ito ay hinuhusgahan kung ang anumang mga kaguluhan (halimbawa, isang gravitational wave) ay nakakaapekto sa kurso ng mga sinag. Ang mga katulad na kagamitan ay nilikha sa maraming bansa:

• GEO 600 (Hannover, Germany). Ang haba ng mga vacuum tunnel ay 600 metro.
• TAMA (Japan) na may mga balikat na 300 m.
• Ang VIRGO (Pisa, Italy) ay isang pinagsamang proyektong French-Italian na inilunsad noong 2007 na may tatlong kilometrong tunnel.
• LIGO (USA, Pacific Coast), na naghahanap ng mga gravitational wave mula noong 2002.

Ang huli ay nagkakahalaga ng pagsasaalang-alang nang mas detalyado.

LIGO Advanced

Ang proyekto ay nilikha sa inisyatiba ng mga siyentipiko mula sa Massachusetts at California Institutes of Technology. Kabilang dito ang dalawang obserbatoryo, na pinaghihiwalay ng 3 libong km, sa at Washington (ang mga lungsod ng Livingston at Hanford) na may tatlong magkaparehong interferometer. Ang haba ng perpendicular vacuum tunnels ay 4 na libong metro. Ito ang pinakamalalaking istrukturang kasalukuyang gumagana. Hanggang sa 2011, maraming mga pagtatangka upang makita ang mga gravitational wave ay hindi nagdala ng anumang mga resulta. Ang makabuluhang modernisasyon na isinagawa (Advanced LIGO) ay nadagdagan ang sensitivity ng kagamitan sa hanay ng 300-500 Hz ng higit sa limang beses, at sa mababang-dalas na rehiyon (hanggang sa 60 Hz) ng halos isang order ng magnitude, na umaabot sa ang hinahangad na halaga ng 10 -21. Nagsimula ang na-update na proyekto noong Setyembre 2015, at ang mga pagsusumikap ng higit sa isang libong empleyado ng pakikipagtulungan ay ginantimpalaan ng mga resultang nakuha.

Nakita ang mga gravitational wave

Noong Setyembre 14, 2015, ang mga advanced na detektor ng LIGO, na may pagitan na 7 ms, ay nagtala ng mga gravitational wave na umaabot sa ating planeta mula sa pinakamalaking kaganapan na naganap sa labas ng nakikitang Uniberso - ang pagsasama ng dalawang malalaking black hole na may masa na 29 at 36 na beses mas malaki kaysa sa masa ng Araw. Sa panahon ng proseso, na naganap higit sa 1.3 bilyong taon na ang nakalilipas, humigit-kumulang tatlong solar masa ng bagay ang natupok sa isang bagay ng mga fraction ng isang segundo sa pamamagitan ng paglabas ng mga gravitational wave. Ang naitala na paunang dalas ng gravitational wave ay 35 Hz, at ang pinakamataas na peak value ay umabot sa 250 Hz.

Ang mga resulta na nakuha ay paulit-ulit na sumailalim sa komprehensibong pag-verify at pagproseso, at ang mga alternatibong interpretasyon ng data na nakuha ay maingat na inalis. Sa wakas, noong nakaraang taon ang direktang pagpaparehistro ng hindi pangkaraniwang bagay na hinulaang ni Einstein ay inihayag sa komunidad ng mundo.

Isang katotohanan na naglalarawan ng titanic na gawain ng mga mananaliksik: ang amplitude ng mga pagbabago sa laki ng mga interferometer arm ay 10 -19 m - ang halagang ito ay parehong bilang ng beses na mas maliit kaysa sa diameter ng isang atom, dahil ang atom mismo ay mas maliit kaysa sa isang kahel.

Mga hinaharap na prospect

Ang pagtuklas ay muling nagpapatunay na ang Pangkalahatang Teorya ng Relativity ay hindi lamang isang hanay ng mga abstract na formula, ngunit isang panimula na bagong pagtingin sa kakanyahan ng gravitational waves at gravity sa pangkalahatan.

Sa karagdagang pananaliksik, ang mga siyentipiko ay may mataas na pag-asa para sa proyekto ng ELSA: ang paglikha ng isang higanteng orbital interferometer na may mga armas na humigit-kumulang 5 milyong km, na may kakayahang makakita ng kahit na maliliit na kaguluhan sa mga larangan ng gravitational. Ang pag-activate ng trabaho sa direksyon na ito ay maaaring magsabi ng maraming mga bagong bagay tungkol sa mga pangunahing yugto ng pag-unlad ng Uniberso, tungkol sa mga proseso na mahirap o imposibleng obserbahan sa mga tradisyonal na hanay. Walang alinlangan na ang mga black hole, na ang mga gravitational wave ay makikita sa hinaharap, ay magsasabi ng maraming tungkol sa kanilang kalikasan.

Upang pag-aralan ang cosmic microwave background radiation, na makapagsasabi sa atin tungkol sa mga unang sandali ng ating mundo pagkatapos ng Big Bang, kakailanganin ang mas sensitibong mga instrumento sa espasyo. May ganitong proyekto ( Big Bang Observer), ngunit ang pagpapatupad nito, ayon sa mga eksperto, ay posible nang hindi mas maaga kaysa sa 30-40 taon.

Ang libreng ibabaw ng isang likido sa ekwilibriyo sa isang gravitational field ay patag. Kung, sa ilalim ng impluwensya ng ilang panlabas na impluwensya, ang ibabaw ng isang likido sa ilang lugar ay tinanggal mula sa posisyon ng balanse nito, kung gayon ang paggalaw ay nangyayari sa likido. Ang paggalaw na ito ay magpapalaganap sa buong ibabaw ng likido sa anyo ng mga alon, na tinatawag na gravitational waves, dahil ang mga ito ay sanhi ng pagkilos ng gravitational field. Ang mga gravitational wave ay nangyayari pangunahin sa ibabaw ng likido, na kumukuha ng mga panloob na layer nito nang mas kaunti, mas malalim ang mga layer na ito ay matatagpuan.

Isasaalang-alang natin dito ang mga gravitational wave kung saan ang bilis ng paggalaw ng mga particle ng fluid ay napakaliit na ang termino sa equation ni Euler ay maaaring mapabayaan kumpara sa Madaling malaman kung ano ang ibig sabihin ng kondisyong ito sa pisikal. Sa isang yugto ng panahon sa pagkakasunud-sunod ng panahon ng mga oscillations na ginagawa ng mga likidong particle sa isang alon, ang mga particle na ito ay naglalakbay ng isang distansya sa pagkakasunud-sunod ng amplitude a ng wave, samakatuwid ang bilis ng kanilang paggalaw ay nasa pagkakasunud-sunod ng Bilis ​Kapansin-pansing nagbabago ang v sa mga agwat ng oras sa pagkakasunud-sunod ng magnitude at sa paglipas ng mga distansya sa pagkakasunud-sunod ng magnitude sa direksyon ng pagpapalaganap ng alon (- mga haba ng alon). Samakatuwid, ang derivative ng bilis na may paggalang sa oras ay nasa pagkakasunud-sunod ng magnitude at may kinalaman sa mga coordinate ay nasa pagkakasunud-sunod ng Kaya, ang kondisyon ay katumbas ng kinakailangan

ibig sabihin, ang amplitude ng mga oscillations sa wave ay dapat maliit kumpara sa wavelength. Sa § 9 nakita namin na kung ang termino sa equation ng paggalaw ay maaaring mapabayaan, kung gayon ang paggalaw ng likido ay potensyal. Kung ipagpalagay na ang likido ay hindi mapipigil, maaari nating gamitin ang mga equation (10.6) at (10.7). Sa equation (10.7) maaari na nating pabayaan ang terminong naglalaman ng parisukat ng bilis; paglalagay at pagpapasok ng termino sa gravity field na nakukuha natin:

(12,2)

Pinipili namin ang axis, gaya ng dati, patayo pataas, at bilang x, y plane pipiliin namin ang equilibrium flat surface ng likido.

Ipapahiwatig namin - ang coordinate ng mga punto sa ibabaw ng likido sa pamamagitan ng ; ay isang function ng mga coordinate x, y at oras t. Sa equilibrium, mayroong patayong pag-aalis ng likidong ibabaw habang ito ay nag-o-oscillate.

Hayaang kumilos ang patuloy na presyon sa ibabaw ng likido Pagkatapos, ayon sa (12.2), mayroon tayo sa ibabaw

Ang pare-pareho ay maaaring alisin sa pamamagitan ng muling pagtukoy sa potensyal (sa pamamagitan ng pagdaragdag dito ng isang dami na independiyente sa mga coordinate. Pagkatapos ay ang kondisyon sa ibabaw ng likido ay kumukuha ng anyo

Ang maliit na amplitude ng mga oscillations sa wave ay nangangahulugan na ang displacement ay maliit. Samakatuwid, maaari nating ipagpalagay, sa parehong pagtatantya, na ang patayong bahagi ng bilis ng paggalaw ng mga punto sa ibabaw ay tumutugma sa derivative ng oras ng displacement.

Dahil sa liit ng mga oscillations, posible sa kondisyong ito na kunin ang mga halaga ng mga derivatives sa halip, sa wakas ay nakuha natin ang sumusunod na sistema ng mga equation na tumutukoy sa paggalaw sa isang gravitational wave:

Isasaalang-alang namin ang mga alon sa ibabaw ng isang likido, isinasaalang-alang ang ibabaw na ito na walang hangganan. Ipagpalagay din natin na ang wavelength ay maliit kumpara sa lalim ng likido; ang likido ay maaaring ituring na walang hanggan na malalim. Samakatuwid, hindi kami nagsusulat ng mga kondisyon ng hangganan sa mga gilid na hangganan at sa ilalim ng likido.

Isaalang-alang natin ang isang gravitational wave na kumakalat sa kahabaan ng axis at uniporme sa kahabaan ng axis; Maghahanap kami ng solusyon na isang simpleng periodic function ng oras at coordinate x:

kung saan ( ay ang cyclic frequency (pag-uusapan natin ito bilang isang frequency lamang), k ay ang wave vector ng wave, ay ang wavelength. Ang pagpapalit ng expression na ito sa equation, makuha natin ang equation para sa function

Ang solusyon nito, nabubulok sa lalim ng likido (i.e. sa ):

Dapat din nating matugunan ang kundisyon ng hangganan (12.5) Ang pagpapalit (12.5) dito, makikita natin ang koneksyon sa pagitan ng frequency b at wave vector (o, gaya ng sinasabi nila, ang wave dispersion law):

Ang pamamahagi ng mga bilis sa isang likido ay nakuha sa pamamagitan ng pagkakaiba-iba ng potensyal kasama ang mga coordinate:

Nakita namin na ang bilis ay bumababa nang exponentially patungo sa lalim ng likido. Sa bawat ibinigay na punto sa espasyo (i.e., para sa ibinigay na x, z), ang velocity vector ay umiikot nang pantay sa x plane, na nananatiling pare-pareho sa magnitude.

Alamin din natin ang tilapon ng mga likidong particle sa alon. Pansamantala nating tukuyin sa pamamagitan ng x, z ang mga coordinate ng isang gumagalaw na particle ng likido (at hindi ang mga coordinate ng isang nakapirming punto sa espasyo), at ng - ang mga halaga ng x para sa posisyon ng equilibrium ng particle. Pagkatapos at sa kanang bahagi ng (12.8) ay maaaring humigit-kumulang na nakasulat sa halip na , sinasamantala ang kaliit ng mga oscillation. Ang pagsasama sa paglipas ng panahon ay nagbibigay ng:

Kaya, ang mga particle ng likido ay naglalarawan ng mga bilog sa paligid ng mga punto na may radius na mabilis na bumababa patungo sa lalim ng likido.

Ang bilis ng U ng pagpapalaganap ng alon ay pantay, tulad ng ipapakita sa § 67. Ang pagpapalit dito ay makikita natin na ang bilis ng pagpapalaganap ng mga gravitational wave sa isang walang limitasyong ibabaw ng isang walang katapusang malalim na likido ay katumbas ng

Tumataas ito sa pagtaas ng wavelength.

Mahabang gravitational wave

Ang pagkakaroon ng pagsasaalang-alang ng mga gravitational wave, ang haba nito ay maliit kumpara sa lalim ng likido, naninirahan na tayo ngayon sa kabaligtaran na naglilimita sa kaso ng mga alon, ang haba nito ay malaki kumpara sa lalim ng likido.

Ang mga naturang alon ay tinatawag na mahaba.

Isaalang-alang muna natin ang pagpapalaganap ng mahabang alon sa channel. Isasaalang-alang namin ang haba ng channel (nakadirekta sa x axis) na walang limitasyon Ang cross section ng channel ay maaaring magkaroon ng arbitrary na hugis at maaaring mag-iba sa haba nito. Ang cross-sectional area ng likido sa channel ay tinutukoy ng Ang lalim at lapad ng channel ay ipinapalagay na maliit kumpara sa wavelength.

Isasaalang-alang namin dito ang mga longitudinal long wave kung saan gumagalaw ang likido sa kahabaan ng channel. Sa ganitong mga alon, ang bahagi ng bilis sa haba ng channel ay malaki kumpara sa mga bahagi

Ang pagtukoy lamang ng v at pag-alis ng maliliit na termino, maaari nating isulat ang -component ng Euler's equation bilang

a-component - sa anyo

(inaalis namin ang mga terminong quadratic sa bilis, dahil ang amplitude ng alon ay itinuturing na maliit pa rin). Mula sa pangalawang equation na mayroon kami, tandaan na sa libreng ibabaw ) ay dapat na

Ang pagpapalit ng expression na ito sa unang equation, nakukuha natin:

Ang pangalawang equation para sa pagtukoy ng dalawang hindi alam ay maaaring makuha gamit ang isang paraan na katulad ng pagkuha ng continuity equation. Ang equation na ito ay mahalagang continuity equation na inilapat sa kaso na isinasaalang-alang. Isaalang-alang natin ang dami ng likido na nakapaloob sa pagitan ng dalawang cross-sectional na eroplano ng channel na matatagpuan sa layo mula sa bawat isa. Sa isang yunit ng oras, ang dami ng likido na katumbas ng ay papasok sa isang eroplano at ang isang volume ay lalabas sa kabilang eroplano Samakatuwid, ang dami ng likido sa pagitan ng dalawang eroplano ay magbabago