Слова як гравітаційні хвилі. Гравітаційні хвилі – відкриті! Питання про поєднання квантової теорії та теорії гравітації – одне з фундаментальних питань створення єдиної теорії поля

Гравітаційні хвилі, теоретично передбачені Ейнштейном ще в 1917 році, все ще чекають свого першовідкривача.

Наприкінці 1969 року професор фізики Мерілендського університету Джозеф Вебер зробив сенсаційну заяву. Він оголосив, що виявив хвилі тяжіння, що прийшли на Землю із глибин космосу. До того часу жоден учений не виступав із подібними претензіями, та й сама можливість детектування таких хвиль вважалася далеко не очевидною. Проте Вебер мав славу авторитетом у своїй галузі, і тому колеги сприйняли його повідомлення з повною серйозністю.

Однак незабаром настало розчарування. Амплітуди хвиль, нібито зареєстрованих Вебером, у мільйони разів перевищували теоретичну величину. Вебер стверджував, що ці хвилі прийшли із закритого пиловими хмарами центру нашої Галактики, про який тоді мало що відомо. Астрофізики припустили, що там ховається гігантська чорна діра, яка щороку пожирає тисячі зірок і викидає частину поглиненої енергії у вигляді гравітаційного випромінювання, а астрономи зайнялися марним пошуком виразніших слідів цього космічного канібалізму (зараз доведено, що чорна діра там себе цілком пристойно). Фізики зі США, СРСР, Франції, Німеччини, Англії та Італії приступили до експериментів на детекторах того ж типу - і не досягли нічого.

Вчені й досі не знають, чому приписати дивні свідчення приладів Вебера. Однак його зусилля не пропали даремно, хоча гравітаційні хвилі досі так і не виявлені. Декілька установок для їх пошуку вже побудовані або будуються, а років через десять такі детектори будуть виведені і в космос. Цілком можливо, що в не такому віддаленому майбутньому гравітаційне випромінювання стане такою ж фізичною реальністю, що спостерігається, як і електромагнітні коливання. На жаль, Джозеф Вебер цього вже не дізнається – він помер у вересні 2000 року.

Що таке хвилі тяжіння

Часто кажуть, що гравітаційні хвилі - це обурення поля тяжіння, що поширюються в просторі. Таке визначення правильне, але неповно. Відповідно до загальної теорії відносності, тяжіння виникає через викривлення просторово-часового континууму. Хвилі тяжіння - це флуктуації просторово-часової метрики, які виявляють себе як коливання гравітаційного поля, тому їх часто образно називають просторово-часовою брижами. Гравітаційні хвилі були 1917 року теоретично передбачені Альбертом Ейнштейном. В існуванні їх ніхто не сумнівається, але гравітаційні хвилі все ще чекають свого першовідкривача.

Джерелом гравітаційних хвиль є будь-які рухи матеріальних тіл, що призводять до неоднорідної зміни сили тяжіння в навколишньому просторі. Тіло, що рухається з постійною швидкістю, нічого не випромінює, оскільки характер його поля тяжіння не змінюється. Для випромінювання хвиль тяжіння потрібні прискорення, але не будь-які. Циліндр, який обертається навколо своєї осі симетрії, зазнає прискорення, проте його гравітаційне поле залишається однорідним, і хвилі тяжіння не виникають. А от якщо розкрутити цей циліндр навколо іншої осі, поле стане осциллювати, і від циліндра на всі боки побіжать гравітаційні хвилі.

Цей висновок стосується будь-якого тіла (або системи тіл), несиметричного щодо осі обертання (у таких випадках говорять, що тіло має квадрупольний момент). Система мас, квадрупольний момент якої змінюється згодом, завжди випромінює гравітаційні хвилі.

Основні властивості гравітаційних хвиль

Астрофізики припускають, що випромінювання гравітаційних хвиль, відбираючи енергію, обмежує швидкість обертання масивного пульсара при поглинанні речовини сусідньої зірки.

Гравітаційні маяки космосу

Гравітаційне випромінювання земних джерел надзвичайно слабке. Сталева колона масою 10 000 тонн, підвішена за центр горизонтальній площині і розкручена навколо вертикальної осі до 600 об./хв, випромінює потужність приблизно 10 -24 Вт. Тому єдина надія виявити хвилі тяжіння – знайти космічне джерело гравітаційного випромінювання.

У цьому плані дуже перспективні тісні подвійні зірки. Причина проста: потужність гравітаційного випромінювання такої системи зростає у зворотній пропорції до п'ятого ступеня її діаметра. Ще краще, якщо траєкторії зірок сильно витягнуті, тому що при цьому зростає швидкість зміни квадрупольного моменту. Дуже добре, якщо подвійна система складається з нейтронних зірок або чорних дірок. Такі системи подібні до гравітаційних маяків у космосі - їх випромінювання має періодичний характер.

У космосі існують і «імпульсні» джерела, що породжують короткі, але надзвичайно потужні гравітаційні сплески. Подібне відбувається при колапсі масивної зірки, що передує вибуху наднової. Однак деформація зірки має бути асиметричною, інакше випромінювання не виникне. Під час колапсу гравітаційні хвилі можуть забрати з собою до 10% повної енергії світила! Потужність гравітаційного випромінювання у разі становить близько 10 50 Вт. Ще більше енергії виділяється при злитті нейтронних зірок, тут пікова потужність досягає 1052 Вт. Чудове джерело випромінювання – зіткнення чорних дірок: їх маси можуть перевищувати маси нейтронних зірок у мільярди разів.

Ще одне джерело гравітаційних хвиль – космологічна інфляція. Відразу після Великого вибуху Всесвіт почав надзвичайно швидко розширюватися, і менше ніж за 10 -34 секунди його діаметр збільшився з 10 -33 см до макроскопічного розміру. Цей процес незмірно посилив гравітаційні хвилі, що існували до його початку, та його нащадки збереглися досі.

Непрямі підтвердження

Перший доказ існування хвиль тяжіння пов'язаний із роботами американського радіоастронома Джозефа Тейлора та його студента Расселла Халса. У 1974 році вони виявили пару нейтронних зірок, що звертаються один навколо одного (випромінює в радіодіапазоні пульсар з мовчазним компаньйоном). Пульсар обертався навколо своєї осі зі стабільною кутовою швидкістю (що буває далеко не завжди) і тому служив виключно точним годинником. Ця особливість дозволила виміряти маси обох зірок та з'ясувати характер їхнього орбітального руху. Виявилося, що період обігу цієї подвійної системи (близько 3 год. 45 хв) щорічно скорочується на 70 мкс. Ця величина добре узгоджується з рішеннями рівнянь загальної теорії відносності, що описують втрату енергії зоряної пари, зумовлену гравітаційним випромінюванням (втім, зіткнення цих зірок станеться нескоро через 300 млн років). В 1993 Тейлор і Халс були удостоєні за це відкриття Нобелівської премії.

Гравітаційно-хвильові антени

Як виявити гравітаційні хвилі експериментально? Вебер використовував як детектори суцільні алюмінієві циліндри метрової довжини з п'єзодатчиками на торцях. Їх максимально ретельно ізолювали від зовнішніх механічних впливів у вакуумній камері. Два таких циліндри Вебер встановив у бункері під полем для гольфу Мерілендського університету, і один – в Аргоннській національній лабораторії.

Ідея експерименту проста. Простір під впливом гравітаційних хвиль стискається і розтягується. Завдяки цьому циліндр вібрує в поздовжньому напрямку, виступаючи як гравітаційно-хвильова антена, а п'єзоелектричні кристали переводять вібрації в електричні сигнали. Будь-яке проходження космічних хвиль тяжіння практично одночасно діє на детектори, рознесені на тисячу кілометрів, що дозволяє відфільтрувати гравітаційні імпульси від різноманітних шумів.

Веберівські датчики були в змозі помітити усунення торців циліндра, рівні всього 10 -15 його довжини - в даному випадку 10 -13 см. Саме такі коливання Вебер вдалося виявити, про що він вперше і повідомив у 1959 році на сторінках Physical Review Letters. Усі спроби повторити ці результати виявилися марними. Дані Вебера до того ж суперечать теорії, яка практично не дозволяє очікувати відносних зсувів вище 10-18 (причому набагато вірогідніше значення менше 10-20). Не виключено, що Вебер наплутав під час статистичної обробки результатів. Перша спроба експериментально виявити гравітаційне випромінювання закінчилася невдачею.

Надалі гравітаційно-хвильові антени значно удосконалили. У 1967 році американський фізик Білл Фейрбанк запропонував охолоджувати їх у рідкому гелії. Це не тільки дозволило позбавитися більшої частини теплових шумів, але й відкрило можливість застосування сквідів (надпровідних квантових інтерферометрів), точних надчутливих магнітометрів. Реалізація цієї ідеї була пов'язана з безліччю технічних труднощів, і сам Фейрбанк до неї не дожив. На початку 1980-х років фізики зі Стенфордського університету збудували установку з чутливістю 10 -18, проте хвиль не зареєстрували. Зараз у низці країн діють ультракріогенні вібраційні детектори хвиль тяжіння, що працюють при температурах лише на десяті та соті частки градуса вище за абсолютного нуля. Така, наприклад, установка AURIGA у Падуї. Антенною для неї служить триметровий циліндр з алюмінієво-магнієвого сплаву, діаметр якого становить 60 см, а вага - 2,3 т. Він підвішений у вакуумній камері, що охолоджується до 0,1 К. Його струси (з частотою близько 1000 Гц) передаються на допоміжний резонатор масою в 1 кг, який коливається з такою самою частотою, але набагато більшою амплітудою. Ці вібрації реєструються вимірювальною апаратурою та аналізуються за допомогою комп'ютера. Чутливість комплексу AURIGA - близько 10-20-10-21.

Інтерферометри

Ще один спосіб детектування хвиль тяжіння заснований на відмові від масивних резонаторів на користь світлових променів. Першими у 1962 році його запропонували радянські фізики Михайло Герценштейн та Владислав Пустовойт, а двома роками пізніше і Вебер. На початку 1970-х співробітник дослідницької лабораторії корпорації Hughes AircraftРоберт Форвард (у минулому аспірант Вебера, надалі вельми відомий письменник-фантаст) побудував перший такий детектор із пристойною чутливістю. Тоді ж професор Массачусетського технологічного інституту (MIT) Райнер Вайс виконав дуже глибокий теоретичний аналіз можливостей реєстрації гравітаційних хвиль за допомогою оптичних методів.

Ці методи припускають використання аналогів приладу, за допомогою якого фізик Альберт Майкельсон 125 років тому довів, що швидкість світла строго однакова в усіх напрямках. У цій установці, інтерферометрі Майкельсона, пучок світла потрапляє на напівпрозору пластинку і поділяється на два взаємно перпендикулярні промені, які відбиваються від дзеркал, розташованих на однаковій відстані від пластинки. Потім пучки знову зливаються і падають на екран, де виникає інтерференційна картина (світлі та темні смуги та лінії). Якщо швидкість світла залежить від його напрямку, то при повороті всієї установки ця картинка повинна змінитися, якщо ні - залишитися такою ж, що раніше.

Інтерференційний детектор хвиль тяжіння працює подібним чином. хвиля, Що Проходить, деформує простір і змінює довжину кожного плеча інтерферометра (шляхи, по якому світло йде від дільника до дзеркала), розтягуючи одне плече і стискаючи інше. Інтерференційне зображення змінюється, і це можна зареєструвати. Але це непросто: якщо очікувана відносна зміна довжини плечей інтерферометра становить 10 -20 , то при настільних розмірах приладу (як у Майкельсона) воно обертається коливаннями амплітудою порядку 10 -18 см. Для порівняння: хвилі видимого світла в 10 трлн разів довгий Можна збільшити довжину плечей до кількох кілометрів, проте проблеми все одно залишаться. Лазерне джерело світла має бути і потужним, і стабільним за частотою, дзеркала - ідеально плоскими і ідеально відбивають, вакуум у трубах, якими поширюється світло, - максимально глибоким, механічна стабілізація всієї системи - воістину досконалої. Коротше кажучи, інтерференційний детектор гравітаційних хвиль – прилад дорогий та громіздкий.

Сьогодні найбільша установка такого роду – американський комплекс LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Він складається з двох обсерваторій, одна з яких знаходиться на тихоокеанському узбережжі США, а інша неподалік від Мексиканської затоки. Вимірювання виробляють за допомогою трьох інтерферометрів (два у штаті Вашингтон, один у Луїзіані) з плечима чотирикілометрової довжини. Установка має дзеркальні накопичувачі світла, які збільшують її чутливість. «З листопада 2005 року всі три наші інтерферометри працюють у нормальному режимі, – розповів «Популярній механіці» представник комплексу LIGO Пітер Солсон, професор фізики Сіракузького університету. - Ми постійно обмінюємося даними з іншими обсерваторіями, які намагаються виявити гравітаційні хвилі частотою в десятки і сотні герц, що виникли при найпотужніших вибухах наднових та злитті нейтронних зірок та чорних дірок. Зараз у строю знаходиться німецький інтерферометр GEO 600 (довжина плечей – 600 м), розташований за 25 км від Ганновера. 300-метровий японський прилад TAMA зараз модернізується. Трикілометровий детектор Virgo на околицях Пізи підключиться до загальних зусиль на початку 2007-го, причому на частотах менше 50 Гц він зможе перевершити LIGO. Установки з ультракріогенними резонаторами діють із зростаючою ефективністю, хоча їхня чутливість все ж таки дещо менша за нашу».

Перспективи

Що ж очікує на методи виявлення гравітаційних хвиль у найближчому майбутньому? Про це «Популярній механіці» розповів професор Райнер Вайсс. Зараз вона становить 10-21 (на частотах близько 100 Гц), а після модернізації перевищить 10-22. Модернізований комплекс Advanced LIGO в 15 разів збільшить глибину проникнення в космос. У цьому проекті бере активну участь професор МДУ Володимир Брагінський, один з піонерів вивчення гравітаційних хвиль.

На середину наступного десятиліття заплановано запуск космічного інтерферометра LISA ( Laser Interferometer Space Antenna) з довжиною плечей у 5 мільйонів кілометрів, це спільний проект NASA та Європейського космічного агентства. Чутливість цієї обсерваторії буде у сотні разів вищою, ніж можливості наземних інструментів. Вона в першу чергу призначена для пошуку низькочастотних (10 -4 -10 -1 Гц) гравітаційних хвиль, які неможливо вловити на поверхні Землі через атмосферні та сейсмічні перешкоди. Такі хвилі випромінюють подвійні зіркові системи, цілком типові мешканці Космосу. LISA також зможе реєструвати хвилі тяжіння, що виникли під час поглинання чорними дірками звичайних зірок. А ось для детектування реліктових гравітаційних хвиль, що несуть інформацію про стан матерії в перші миті після Великого вибуху, швидше за все, будуть потрібні більш просунуті космічні інструменти. Така установка, Big Bang Observer, зараз обговорюється, проте навряд чи її вдасться створити та запустити раніше ніж через 30-40 років».

У четвер, 11 лютого, група вчених із міжнародного проекту LIGO Scientific Collaboration заявили, що їм вдалося, існування яких ще в 1916 році передбачив Альберт Ейнштейн. За твердженням дослідників, 14 вересня 2015 року вони зафіксували гравітаційну хвилю, яка була викликана зіткненням двох чорних дірок масою у 29 та 36 разів більше за масу Сонця, після чого вони злилися в одну велику чорну діру. За їхніми словами, це сталося приблизно 1,3 мільярда років тому на відстані 410 мегапарсеків від нашої галактики.

Детально про гравітаційні хвилі та масштабне відкриття ЛІГА.net розповів Богдан Гнатик, український вчений, астрофізик, доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Астрономічної обсерваторії Київського національного університету імені Тараса Шевченка, який очолював обсерваторію з 2001 по 2004 рік.

Теорія простою мовою

Фізика вивчає взаємодію між тілами. Встановлено, що між тілами існує чотири види взаємодії: електромагнітна, сильна та слабка ядерна взаємодія та гравітаційна взаємодія, яку ми всі відчуваємо. Внаслідок гравітаційної взаємодії планети обертаються навколо Сонця, тіла мають вагу та падають на землю. З гравітаційною взаємодією людина стикається постійно.

У 1916 році, 100 років тому, Альберт Ейнштейн побудував теорію гравітації, яка покращувала ньютонівську теорію гравітації, зробила її математично правильною: вона стала відповідати всім вимогам фізики, почала враховувати те, що гравітація поширюється з дуже великою, але кінцевою швидкістю. Це по праву одне з найграндіозніших досягнень Ейнштейна, оскільки він побудував теорію гравітації, яка відповідає всім явищам фізики, які ми сьогодні спостерігаємо.

Ця теорія також передбачала існування гравітаційних хвиль. Основою цього передбачення було те, що гравітаційні хвилі існують у результаті гравітаційної взаємодії, що виникає внаслідок злиття двох масивних тіл.

Що таке гравітаційна хвиля

Складною мовою це збудження метрики простору-часу. "Скажімо, простір має певну пружність і ним можуть бігти хвилі. Це схоже на те, коли ми у воду кидаємо камінчиків і від нього розбігаються хвилі", - розповів ЛІГА.net доктор фізико-математичних наук.

Вченим вдалося експериментально довести, що подібне коливання мало місце у Всесвіті та у всіх напрямках пробігла гравітаційна хвиля. "Астрофізичним способом вперше було зафіксовано явище такої катастрофічної еволюції подвійної системи, коли зливаються два об'єкти в один, а це злиття призводить до дуже інтенсивного виділення гравітаційної енергії, яка потім у вигляді гравітаційних хвиль поширюється у просторі", - пояснив учений.

Ці гравітаційні хвилі дуже слабкі і щоб вони похитнули простір-час, потрібна взаємодія дуже великих і масивних тіл, щоб напруженість гравітаційного поля була великою в місці генерування. Але, незважаючи на їхню слабкість, спостерігач через певний час (рівний відстані до взаємодії розділеного на швидкість проходження сигналу) зареєструє цю гравітаційну хвилю.

Наведемо приклад: якби Земля впала на Сонце, то сталася б гравітаційна взаємодія: виділилася б гравітаційна енергія, утворилася б гравітаційна сферично-симетрична хвиля і спостерігач міг би її зареєструвати. "Тут сталося аналогічне, але унікальне, з погляду астрофізики, явище: зіткнулися два масивні тіла - дві чорні дірки", - зазначив Гнатик.

Повернемося до теорії

Чорна діра - це ще одне пророцтво загальної теорії відносності Ейнштейна, яке передбачає, що тіло, яке має величезну масу, але ця маса сконцентрована в малому обсязі, здатне суттєво спотворювати простір навколо себе, аж до його замикання. Тобто передбачалося, що коли досягається критична концентрація маси цього тіла - така, що розмір тіла буде меншим, ніж так званий гравітаційний радіус, то навколо цього тіла простір замкнеться і топологія його буде такою, що ніякий сигнал з нього за межі замкнутого простору поширитися не зможе.

"Тобто чорна діра, простими словами, це масивний об'єкт, який настільки важкий, що замикає навколо себе простір-час", - каже вчений.

І ми, за його словами, можемо надсилати будь-які сигнали цьому об'єкту, а він нам – ні. Тобто ніякі сигнали не можуть виходити за межі чорної діри.

Чорна діра живе за звичайними фізичними законами, але внаслідок сильної гравітації, жодне матеріальне тіло, навіть фотон, не здатне вийти за межі цієї критичної поверхні. Чорні діри утворюються в ході еволюції звичайних зірок, коли відбувається колапс центрального ядра і частина речовини зірки, колапсуючи, перетворюється на чорну дірку, а інша частина зірки викидається у вигляді оболонки Наднової зірки, перетворюючись на так званий "спалах" Наднової зірки.

Як ми побачили гравітаційну хвилю

Наведемо приклад. Коли на поверхні води у нас є два поплавці і вода спокійна – то відстань між ними постійна. Коли приходить хвиля, вона зміщує ці поплавці і відстань між поплавцями зміниться. Хвиля пройшла – і поплавці повертаються на свої колишні позиції, а відстань між ними відновлюється.

Аналогічним чином поширюється і гравітаційна хвиля у просторі-часі: вона стискає та розтягує тіла та об'єкти, що зустрічаються на її шляху. "Коли на шляху хвилі зустрічається якийсь об'єкт – він деформується вздовж своїх осей, а після її проходження – повертається до колишньої форми. Під дією гравітаційної хвилі всі тіла деформуються, але ці деформації – дуже незначні", – каже Гнатик.

Коли пройшла хвиля, яку зафіксували вчені, то відносний розмір тіл у просторі змінився на величину порядку 1 помножити на 10 мінус 21-го ступеня. Наприклад, якщо взяти метрову лінійку, то вона стиснулася на таку величину, яка становила її розмір, помножений на 10 мінус 21-го ступеня. Це дуже мізерна величина. І проблема полягала в тому, що вченим треба було навчитися виміряти цю відстань. Звичайні методи давали точність порядку 1 до 10 9 ступеня мільйонам, а тут необхідна набагато більш висока точність. І тому створили звані гравітаційні антени (детектори гравітаційних хвиль).

Антена, яка зафіксувала гравітаційні хвилі, побудована таким чином: існує дві труби приблизно по 4 кілометри в довжину, розташовані у формі літери "Г", але з однаковими плечима і під прямим кутом. Коли на систему падає гравітаційна хвиля, вона деформує крила антени, але в залежності від її орієнтації вона деформує одне більше, а друге - менше. І тоді виникає різниця ходу, інтерференційна картина сигналу змінюється – виникає сумарна позитивна чи негативна амплітуда.

"Тобто проходження гравітаційної хвилі аналогічне хвилі на воді, що проходить між двома поплавцями: якби ми міряли відстань між ними під час і після проходження хвилі, то ми б побачили, що відстань змінилася б, а потім знову стала колишньою", - розповів Гнатик.

Тут же вимірюється відносна зміна відстані двох крил інтерферометра, кожне з яких має близько 4 кілометрів у довжину. І лише дуже точні технології та системи дозволяють виміряти таке мікроскопічне зміщення крил, викликане гравітаційною хвилею.

На межі Всесвіту: звідки прийшла хвиля

Вчені зафіксували сигнал за допомогою двох детекторів, які у США розташовані у двох штатах: Луїзіані та Вашингтон на відстані близько 3 тис кілометрів. Вченим вдалося оцінити, звідки і з якої відстані прийшов цей сигнал. Оцінки показують, що сигнал прийшов з відстані 410 мегапарсеків. Мегапарсек – це відстань, яка світло проходить за три мільйони років.

Щоб було легше уявити: найближча до нас активна галактика із надмасивною чорною діркою в центрі - Центавр А, яка знаходиться від нашої на відстані чотири Мегапарсеки, водночас Туманність Андромеди знаходиться на відстані 0,7 Мегапарсеків. "Тобто відстань, з якої прийшов сигнал гравітаційної хвилі настільки велика, що сигнал йшов до Землі приблизно 1,3 млрд. років. Це космологічні відстані, які досягають близько 10% горизонту нашого Всесвіту", - розповів учений.

На такій відстані в якійсь далекій галактиці відбулося злиття двох чорних дірок. Ці дірки, з одного боку, були відносно малими за розмірами, а з іншого боку, велика сила сигналу амплітуди свідчить, що вони були дуже важкі. Встановлено, що їх маси були відповідно 36 і 29 мас Сонця. Маса Сонця, як відомо, становить величину, яка дорівнює 2 помножити на 10 до 30 ступеня кілограм. Після злиття ці два тіла злилися і тепер на їх місці утворилася одна чорна діра, яка має масу, що дорівнює 62 мас Сонця. При цьому приблизно три маси Сонця виплеснулися у вигляді енергії гравітаційної хвилі.

Хто і коли зробив відкриття

Виявити гравітаційну хвилю вдалося вченим із міжнародного проекту LIGO 14 вересня 2015 року. LIGO (Laser Interferometry Gravitation Observatory)- це міжнародний проект, в якому беруть участь низка держав, які здійснили певний фінансовий та науковий внесок, зокрема США, Італія, Японія, які є передовими у сфері цих досліджень.

Була зафіксована наступна картина: відбулося усунення крил гравітаційного детектора, внаслідок реального проходження гравітаційної хвилі через нашу планету та через цю установку. Про це не повідомили тоді, бо сигнал потрібно було обробити, "почистити", знайти його амплітуду та перевірити. Це стандартна процедура: від реального відкриття до оголошення про відкриття – проходить кілька місяців для того, щоб видати обґрунтовану заяву. "Ніхто не хоче псувати свою репутацію. Це все секретні дані, до оприлюднення яких – про них ніхто не знав, ходили лише чутки", – зазначив Гнатик.

Історія

Гравітаційні хвилі досліджуються з 70-х років минулого століття. За цей час було створено низку детекторів та проведено низку фундаментальних досліджень. У 80-х роках американський вчений Джозеф Вебер побудував першу гравітаційну антену у вигляді алюмінієвого циліндра, який мав розмір близько кількох метрів, оснащений п'єзо-датчиками, які мали зафіксувати проходження гравітаційної хвилі.

Чутливість цього приладу була в мільйон разів гірша, ніж нинішні детектори. І, звичайно, він тоді реально зафіксувати хвилю не міг, хоч і Вебер заявив, що він це зробив: преса про це написала і стався "гравітаційний бум" - у світі одразу почали будувати гравітаційні антени. Вебер стимулював інших учених зайнятися гравітаційними хвилями та продовжувати експерименти над цим явищем, завдяки чому вдалося в мільйон разів підняти чутливість детекторів.

Проте саме явище гравітаційних хвиль було зареєстровано ще минулого століття, коли вчені виявили подвійний пульсар. Це була непряма реєстрація факту, що гравітаційні хвилі існують, доведені завдяки астрономічним спостереженням. Пульсар був відкритий Расселом Халсом та Джозефом Тейлором у 1974 році, під час проведення спостережень на радіотелескопі обсерваторії Аресібо. Вчені були удостоєні Нобелівської премії у 1993 році "за відкриття нового типу пульсарів, що дало нові можливості у вивченні гравітації".

Дослідження у світі та Україні

На території Італії близький до завершення аналогічний проект, який має назву Virgo. Японія також має намір за рік запустити аналогічний детектор, Індія також готує такий експеримент. Тобто у багатьох точках світу існують подібні детектори, але вони ще не вийшли на той режим чутливості, щоб можна було говорити про фіксацію гравітаційних хвиль.

"Офіційно Україна не входить до LIGO і також не бере участі в італійському та японському проектах. Серед таких фундаментальних напрямів Україна зараз бере участь у проекті LHC (БАК - Великий адронний колайдер) та в CERN" (офіційно станемо учасником тільки після сплати вступного внеску) ", – розповів ЛІГА.net доктор фізико-математичних наук Богдан Гнатик.

За його словами, Україна з 2015 року є повноправним членом міжнародної колаборації CTA (МЧТ-масив черенківських телескопів), яка будує сучасний телескоп мульти ТеВного гамма діапазону (з енергіями фотонів до 1014 еВ). "Основними джерелами таких фотонів якраз і є околиці надмасивних чорних дірок, гравітаційне випромінювання яких вперше зафіксував детектор LIGO. Тому відкриття нових вікон в астрономії - гравітаційно-хвильового та мульти ТеВного електромагнітного обіцяє нам ще багато відкриттів у майбутньому", - додає вчений.

Що далі та як нові знання допоможуть людям? Вчені розходяться у думках. Одні кажуть, що це лише черговий щабель у розумінні механізмів Всесвіту. Інші бачать у цьому перші кроки на шляху до нових технологій переміщення крізь час та простір. Так чи інакше - це відкриття вкотре довело, як мало ми розуміємо і як багато ще доведеться дізнатися.

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 представити 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.

Офіційним днем ​​відкриття (детектування) гравітаційних хвиль вважається 11 лютого 2016 року. Саме тоді, на прес-конференції, що відбулася у Вашингтоні, керівниками колаборації LIGO було оголошено, що колективу дослідників вдалося вперше в історії людства зафіксувати це явище.

Пророцтва великого Ейнштейна

Про те, що гравітаційні хвилі існують, ще на початку минулого століття (1916) припустив Альберт Ейнштейн в рамках сформульованої ним Загальної теорії відносності (ОТО). Залишається тільки дивуватися геніальним здібностям знаменитого фізика, який при мінімумі реальних даних зміг зробити такі далекосяжні висновки. Серед безлічі інших передбачуваних фізичних явищ, що знайшли підтвердження в наступне століття (уповільнення перебігу часу, зміна напряму електромагнітного випромінювання в гравітаційних полях тощо) практично виявити наявність цього хвильової взаємодії тіл до останнього часу не вдавалося.

Гравітація – ілюзія?

Взагалі, у світлі Теорії відносності гравітацію важко назвати силою. обурення чи викривлення просторово-часового континууму Хорошим прикладом, що ілюструє цей постулат, може бути натягнутий шматок тканини. Під вагою розміщеного на такій поверхні масивного предмета утворюється поглиблення. Інші об'єкти під час руху поблизу цієї аномалії змінюватимуть траєкторію свого руху, як би "притягуючись". І що більше вага предмета (більше діаметр і глибина викривлення), то вище " сила тяжіння " . При його русі по тканині, можна спостерігати виникнення розбіжної "брижі".

Щось подібне відбувається і у світовому просторі. Будь-яка прискорено рухається масивна матерія є джерелом флуктуацій щільності простору та часу. Гравітаційна хвиля з істотною амплітудою, утворюється тілами з надзвичайно великими масами або під час руху з величезними прискореннями.

Фізичні характеристики

Коливання метрики простір-час проявляють себе як зміни поля тяжіння. Це явище інакше називають просторово-часовою брижами. Гравітаційна хвиля впливає на зустрінуті тіла та об'єкти, стискаючи та розтягуючи їх. Величини деформації дуже незначні - близько 10 -21 від первісного розміру. Вся труднощі виявлення цього полягала в тому, що дослідникам необхідно було навчитися вимірювати і фіксувати подібні зміни за допомогою відповідної апаратури. Потужність гравітаційного випромінювання також надзвичайно мала - для всієї Сонячної системи вона становить кілька кіловат.

Швидкість поширення гравітаційних хвиль трохи залежить від властивостей провідного середовища. Амплітуда коливань з віддаленням від джерела поступово зменшується, але ніколи не досягає нульового значення. Частота лежить у діапазоні від кількох десятків до сотень герц. Швидкість гравітаційних хвиль у міжзоряному середовищі наближається до швидкості світла.

Непрямі докази

Вперше теоретичне підтвердження існування хвиль тяжіння вдалося отримати американському астроному Джозефу Тейлору та його помічнику Расселу Халсу в 1974 році. Вивчаючи простори Всесвіту за допомогою радіотелескопа обсерваторії Аресібо (Пуерто-Ріко), дослідники відкрили пульсар PSR B1913+16, що є подвійною системою нейтронних зірок, що обертаються навколо загального центру мас з постійною кутовою швидкістю (досить рідкісний випадок). Щорічно період звернення, що спочатку становить 3,75 години, скорочується на 70 мс. Це значення цілком відповідає висновкам із рівнянь ОТО, що передбачають збільшення швидкості обертання подібних систем внаслідок витрачання енергії на генерацію гравітаційних хвиль. Надалі було виявлено кілька подвійних пульсарів та білих карликів з аналогічною поведінкою. Радіоастрономам Д. Тейлору та Р. Халсу у 1993 році було присуджено Нобелівську премію з фізики за відкриття нових можливостей вивчення полів тяжіння.

Гравітаційна хвиля, що вислизає

Перша заява про детектування хвиль тяжіння надійшла від вченого Мерілендського університету Джозефа Вебера (США) у 1969 році. Для цього він використовував дві гравітаційні антени власної конструкції, рознесені на відстань у два кілометри. Резонансний детектор був добре віброізольованим цілісним двометровим циліндром з алюмінію, оснащений чутливими п'єзодатчиками. Амплітуда, нібито зафіксованих Вебером коливань виявилася більш ніж у мільйон разів вищою за очікуване значення. Спроби інших вчених за допомогою такого обладнання повторити "успіх" американського фізика позитивних результатів не дали. Через кілька років роботи Вебера в цій галузі були визнані неспроможними, але дали поштовх розвитку "гравітаційному буму", що залучив до цієї галузі досліджень багатьох фахівців. До речі, сам Джозеф Вебер до кінця своїх днів був певен, що приймав гравітаційні хвилі.

Удосконалення приймального обладнання

У 70-х роках вчений Білл Фейрбанк (США) розробив конструкцію гравітаційно-хвильової антени, що охолоджується із застосуванням сквідів – надчутливих магнітомірів. Існуючі на той момент технології не дозволили побачити винахіднику свій виріб, реалізований у "металі".

За таким принципом виконано гравітаційний детектор Auriga у Національній леньярській лабораторії (Падуя, Італія). В основі конструкції алюмінієво-магнієвий циліндр, довжиною 3 метри та діаметром 0,6 м. Приймальний пристрій масою 2,3 тонни підвішено в ізольованій, охолодженій майже до абсолютного нуля вакуумній камері. Для фіксації та детектування струсів використовується допоміжний кілограмовий резонатор та вимірювальний комплекс на основі ЕОМ. Заявлена ​​чутливість обладнання 10-20.

Інтерферометри

В основу функціонування інтерференційних детекторів гравітаційних хвиль закладені ті самі принципи, за якими працює інтерферометр Майкельсона. Лазерний промінь, що випускається джерелом, ділиться на два потоки. Після багаторазових відбиття і подорожей по плечах пристрою потоки знову зводяться воєдино, і за підсумками судять про те, чи впливали на хід променів будь-які обурення (наприклад, гравітаційна хвиля). Подібне обладнання створено у багатьох країнах:

• GEO 600 (Ганновер, Німеччина). Довжина вакуумних тунелів 600 метрів.
• ТАМА (Японія) із плечима в 300 м.
• VIRGO (Піза, Італія) – спільний франко-італійський проект, запущений у 2007 році з трикілометровими тунелями.
• LIGO (США, Тихоокеанське узбережжя), що веде полювання за хвилями тяжіння з 2002 року.

Останній варто розглянути докладніше.

LIGO Advanced

Проект було створено з ініціативи вчених Массачусетського та Каліфорнійського технологічних інститутів. Включає дві обсерваторії, рознесені на 3 тис. км, і Вашингтон (міста Лівінгстон і Хенфорд) з трьома ідентичними інтерферометрами. Довжина перпендикулярних вакуумних тунелів сягає 4 тис. метрів. Це найбільші на сьогоднішній момент подібні споруди, що діють. До 2011 року численні спроби виявлення хвиль тяжіння жодних результатів не дали. Проведена істотна модернізація (Advanced LIGO) підвищила чутливість обладнання в діапазоні 300-500 Гц більш ніж у п'ять разів, а в низькочастотній області (до 60 Гц) майже на порядок, досягнувши такої омріяної величини в 10-21. Оновлений проект стартував у вересні 2015 року, і зусилля понад тисячі співробітників колаборації були винагороджені отриманими результатами.

Гравітаційні хвилі виявлено

14 вересня 2015 року вдосконалені детектори LIGO з інтервалом в 7 мс зафіксували гравітаційні хвилі, що дійшли до нашої планети, від найбільшого явища, що сталося на околицях спостережуваного Всесвіту - злиття двох великих чорних дірок з масами в 29 і 36 разів вище. У ході процесу, що відбувся понад 1,3 млрд років тому, за лічені частки секунди на випромінювання хвиль тяжіння було витрачено близько трьох сонячних мас речовини. Зафіксована початкова частота гравітаційних хвиль становила 35 Гц, а максимальне пікове значення досягло позначки 250 Гц.

Отримані результати неодноразово зазнавали всебічної перевірки та обробки, ретельно відсікалися альтернативні інтерпретації отриманих даних. Нарешті, минулого року про пряму реєстрацію передбачуваного Ейнштейном явища було оголошено світовій спільноті.

Факт, що ілюструє титанічну роботу дослідників: амплітуда коливань розмірів плечей інтерферометрів становила 10 -19 м - ця величина в стільки ж разів менше діаметра атома, скільки він сам менше апельсина.

Подальші перспективи

Зроблене відкриття ще раз підтверджує, що Загальна теорія відносності – не просто набір абстрактних формул, а принципово новий погляд на суть гравітаційних хвиль та гравітації загалом.

У подальших дослідженнях вчені великі надії покладають на проект ELSA: створення гігантського орбітального інтерферометра з плечима близько 5 млн км, здатного виявити навіть незначні збурення полів тяжіння. Активізація робіт у цьому напрямі здатна розповісти багато нового про основні етапи розвитку Всесвіту, про процеси, спостереження яких у традиційних діапазонах утруднено чи неможливо. Безперечно, що й чорні дірки, гравітаційні хвилі яких будуть зафіксовані в майбутньому, багато розкажуть про свою природу.

Для вивчення реліктового гравітаційного випромінювання, здатного розповісти про перші миті нашого світу після Великого Вибуху, будуть потрібні чутливіші космічні інструменти. Такий проект існує ( Big Bang Observer), але його реалізація, як запевняють фахівці, можлива не раніше, ніж через 30-40 років.

Вільна поверхня рідини, що знаходиться в рівновазі в полі тяжкості, - пласка. Якщо під впливом будь-якого зовнішнього впливу поверхню рідини у якомусь місці виводиться з її рівноважного становища, то рідини виникає рух. Цей рух буде поширюватися вздовж усієї поверхні рідини у вигляді хвиль, які називають гравітаційними, оскільки вони обумовлюються дією поля тяжіння. Гравітаційні хвилі відбуваються в основному на поверхні рідини, захоплюючи її внутрішні шари тим менше, чим глибше ці шари розташовані.

Ми будемо розглядати тут такі гравітаційні хвилі, в яких швидкість частинок рідини, що рухаються, настільки мала, що в рівнянні Ейлера можна знехтувати членом порівняно з Легко з'ясувати, що означає ця умова фізично. Протягом проміжку часу порядку періоду коливань, що здійснюються частинками рідини в хвилі, ці частинки проходять відстань порядку амплітуди а хвилі, тому швидкість їх руху - порядку Швидкість v помітно змінюється протягом інтервалів часу порядку і протягом відстаней порядку вздовж напрямку поширення хвилі ( - довжина хвилі). Тому похідна від швидкості за часом - порядку а за координатами - порядку Таким чином, умова еквівалентна вимогі

т. е. амплітуда коливань у хвилі має бути мала порівняно з довжиною хвилі. У § 9 ми бачили, що якщо в рівнянні руху можна знехтувати членом, то рух рідини потенційно. Припускаючи рідину несжимаемой, ми можемо скористатися рівняннями (10,6) і (10,7). У рівнянні (10,7) ми можемо тепер знехтувати членом, що містить квадрат швидкості; поклавши і ввівши в поле тяжкості член отримаємо:

(12,2)

Ось вибираємо, як завжди, вертикально вгору, а як площину х, у вибираємо рівноважну плоску поверхню рідини.

Будемо позначати - координату точок поверхні рідини за допомогою; є функцією координат х, у та часу t. У рівновазі так що є вертикальне усунення рідкої поверхні при її коливаннях.

Нехай на поверхню рідини діє постійний тиск. Тоді маємо на поверхні згідно (12,2)

Постійну можна усунути перевизначенням потенціалу (додаванням до нього незалежної від координат величини. Тоді умова на поверхні рідини набуде вигляду

Трохи амплітуди коливань у хвилі означає, що зміщення мало. Тому можна вважати, у тому ж наближенні, що вертикальна компонента швидкості руху точок поверхні збігається з похідною за часом від зміщення. Але так що маємо:

Таким чином, отримуємо остаточно наступну систему рівнянь, що визначають рух у гравітаційній хвилі:

Розглянемо хвилі на поверхні рідини, вважаючи цю поверхню необмеженою. Будемо також вважати, що довжина хвилі мала порівняно з глибиною рідини; тоді можна розглядати рідину як нескінченно глибоку. Тому ми не пишемо граничних умов на бічних кордонах та на дні рідини.

Розглянемо гравітаційну хвилю, що поширюється вздовж осі і однорідну вздовж осі у такій хвилі всі величини не залежать від координати у. Будемо шукати рішення, яке є простою періодичною функцією часу та координати х:

де ( - циклічна частота (ми говоритимемо про неї просто як про частоту), k - хвильовий вектор хвилі, - довжина хвилі. Підставивши цей вираз у рівняння отримаємо для функції рівняння

Його рішення, що загасає в глиб рідини (тобто при):

Ми повинні ще задовольнити граничну умову (12,5), підставивши в неї (12,5), знайдемо зв'язок між частотою b хвильовим вектором (або, як кажуть, закон дисперсії хвиль):

Розподіл швидкостей у рідині виходить диференціюванням потенціалу за координатами:

Ми бачимо, що швидкість експоненційно падає у напрямку в глиб рідини. У кожній заданій точці простору (тобто при заданих x, z) вектор швидкості рівномірно обертається в площині x, залишаючись постійним за своєю величиною.

Визначимо ще траєкторію частинок рідини у хвилі. Позначимо тимчасово за допомогою х, z координати частинки рідини, що рухається (а не координати нерухомої точки в просторі), а за допомогою - значення х, для рівноважного положення частинки. Тоді а в правій частині (12,8) можна приблизно написати замість , скориставшись дещицею коливань. Інтегрування за часом дає:

Таким чином, частинки рідини описують кола навколо точок з радіусом, що експоненційно убуває в напрямку в глиб рідини.

Швидкість U поширення хвилі дорівнює, як буде показано в § 67, Підставивши сюди знаходимо, що швидкість поширення гравітаційних хвиль на необмеженій поверхні нескінченно глибокої рідини дорівнює

Вона зростає зі збільшенням довжини хвилі.

Довгі гравітаційні хвилі

Розглянувши гравітаційні хвилі, довжина яких мала проти глибиною рідини, зупинимося тепер у протилежному граничному випадку хвиль, довжина яких велика проти глибиною рідини.

Такі хвилі називаються довгими.

Розглянемо спочатку поширення довгих хвиль у каналі. Довжину каналу (спрямовану вздовж осі х) вважатимемо необмеженою Перетин каналу може мати довільну форму і може змінюватися вздовж його довжини. Площа поперечного перерізу рідини в каналі позначимо за допомогою Глибина та ширина каналу передбачаються малими порівняно з довжиною хвилі.

Ми розглядатимемо тут довгі довгі хвилі, в яких рідина рухається вздовж каналу. У таких хвилях компонента швидкості вздовж довжини каналу велика порівняно з компонентами

Позначивши просто як і опускаючи малі члени, ми можемо написати -компоненту рівняння Ейлера у вигляді

а -компоненту - у вигляді

(квадратичні за швидкістю члени опускаємо, оскільки амплітуда хвилі, як і раніше, вважається малою). З другого рівняння маємо, зауважуючи, що на вільній поверхні ) має бути

Підставляючи цей вислів у перше рівняння, отримуємо:

Друге рівняння визначення двох невідомих можна вивести методом, аналогічним висновку рівняння безперервності. Це рівняння є по суті рівняння безперервності стосовно даного випадку. Розглянемо обсяг рідини, укладений між двома площинами поперечного перерізу каналу, що знаходяться на відстані один від одного. За одиницю часу через одну площину увійде об'єм рідини, рівний а через іншу площину вийде об'єм. Тому об'єм рідини між обома площинами зміниться на