Die amptelike dag van ontdekking (opsporing) van gravitasiegolwe is 11 Februarie 2016. Dit was toe, op 'n perskonferensie in Washington, dat die leiers van die LIGO-samewerking aangekondig het dat 'n span navorsers daarin geslaag het om hierdie verskynsel vir die eerste keer in die geskiedenis van die mensdom op te teken.
Profesieë van die groot Einstein
Selfs aan die begin van die vorige eeu (1916) het Albert Einstein voorgestel dat gravitasiegolwe bestaan binne die raamwerk van die Algemene Relatiwiteitsteorie (GR) wat deur hom geformuleer is. Mens kan net verwonderd wees oor die briljante vermoëns van die beroemde fisikus, wat met 'n minimum van werklike data sulke verreikende gevolgtrekkings kon maak. Onder die vele ander voorspelde fisiese verskynsels wat in die volgende eeu bevestig is (vertraag die vloei van tyd, die verandering van die rigting van elektromagnetiese straling in gravitasievelde, ens.), was dit nie moontlik om die teenwoordigheid van hierdie tipe golf prakties op te spoor nie. interaksie van liggame tot onlangs.
Swaartekrag is 'n illusie?
Oor die algemeen, in die ligDie relatiwiteitsteorie kan swaartekrag kwalik 'n krag noem. Dit is 'n gevolg van versteuring of kromming van die ruimte-tyd kontinuum. 'n Goeie voorbeeld wat hierdie postulaat illustreer, is 'n uitgerekte stuk lap. Onder die gewig van 'n massiewe voorwerp wat op so 'n oppervlak geplaas word, word 'n uitsparing gevorm. Ander voorwerpe wat naby hierdie anomalie beweeg, sal die trajek van hul beweging verander, asof dit "aangetrek" is. En hoe groter die gewig van die voorwerp (hoe groter die deursnee en diepte van die kromming), hoe hoër is die "aantrekkingskrag". Wanneer dit deur die stof beweeg, kan jy die voorkoms van 'n uiteenlopende "rimpeling" waarneem.
Iets soortgelyks gebeur in die wêreldruimte. Enige vinnig bewegende massiewe materie is 'n bron van fluktuasies in die digtheid van ruimte en tyd. 'n Gravitasiegolf met 'n beduidende amplitude, gevorm deur liggame met uiters groot massas of wanneer dit met groot versnellings beweeg.
Fisiese kenmerke
Die fluktuasies van die ruimte-tyd-metriek manifesteer hulself as veranderinge in die gravitasieveld. Hierdie verskynsel word andersins ruimte-tyd-rimpelings genoem. Die gravitasiegolf werk op die teëgekome liggame en voorwerpe in en druk hulle saam en rek. Die vervormingswaardes is baie klein - ongeveer 10-21 vanaf die oorspronklike grootte. Die hele moeilikheid om hierdie verskynsel op te spoor was dat die navorsers moes leer hoe om sulke veranderinge met behulp van toepaslike toerusting te meet en op te teken. Die krag van gravitasiebestraling is ook uiters klein – vir die hele sonnestelsel is dit'n paar kilowatt.
Die spoed van voortplanting van gravitasiegolwe hang effens af van die eienskappe van die geleidende medium. Die ossillasie-amplitude neem geleidelik af met afstand vanaf die bron, maar bereik nooit nul nie. Die frekwensie lê in die reeks van etlike tiene tot honderde hertz. Die spoed van gravitasiegolwe in die interstellêre medium nader die spoed van lig.
Omstandigheidsbewyse
Vir die eerste keer is die teoretiese bevestiging van die bestaan van swaartekraggolwe in 1974 deur die Amerikaanse sterrekundige Joseph Taylor en sy assistent Russell Hulse verkry. Deur die uitspansels van die heelal met behulp van die radioteleskoop van die Arecibo-sterrewag (Puerto Rico) te bestudeer, het die navorsers die pulsar PSR B1913 + 16 ontdek, wat 'n binêre stelsel neutronsterre is wat om 'n gemeenskaplike massamiddelpunt met 'n konstante hoeksnelheid roteer ('n taamlik seldsame geval). Elke jaar word die omwentelingstydperk, wat oorspronklik 3,75 uur was, met 70 ms verminder. Hierdie waarde stem baie ooreen met die gevolgtrekkings van die GR-vergelykings wat 'n toename in die rotasiespoed van sulke stelsels voorspel as gevolg van die verbruik van energie vir die opwekking van gravitasiegolwe. Daarna is verskeie dubbelpulsars en witdwerge met soortgelyke gedrag ontdek. Radio-sterrekundiges D. Taylor en R. Hulse is in 1993 met die Nobelprys in Fisika bekroon vir die ontdekking van nuwe moontlikhede vir die bestudering van gravitasievelde.
Onsnapte swaartekraggolf
Eerste stelling ooropsporing van swaartekraggolwe het in 1969 van die Universiteit van Maryland-wetenskaplike Joseph Weber (VSA) gekom. Vir hierdie doeleindes het hy twee gravitasie-antennas van sy eie ontwerp gebruik, geskei deur 'n afstand van twee kilometer. Die resonante detektor was 'n goed-vibreerde een-stuk twee-meter aluminium silinder toegerus met sensitiewe piëso-elektriese sensors. Die amplitude van die skommelinge wat na bewering deur Weber aangeteken is, was meer as 'n miljoen keer hoër as die verwagte waarde. Pogings deur ander wetenskaplikes wat sulke toerusting gebruik om die Amerikaanse fisikus se "sukses" te herhaal, het nie positiewe resultate gebring nie. 'n Paar jaar later is Weber se werk op hierdie gebied as onhoudbaar erken, maar het stukrag gegee aan die ontwikkeling van 'n "gravitasie-oplewing" wat baie spesialiste na hierdie gebied van navorsing gelok het. Terloops, Joseph Weber was self tot aan die einde van sy dae seker dat hy gravitasiegolwe ontvang het.
Verbetering van ontvangstoerusting
In die 70's het wetenskaplike Bill Fairbank (VSA) die ontwerp ontwikkel van 'n gravitasiegolfantenna wat deur vloeibare helium afgekoel is deur gebruik te maak van SQUIDs - supersensitiewe magnetometers. Die tegnologieë wat op daardie stadium bestaan het, het nie die uitvinder toegelaat om sy produk, gerealiseer in "metaal" te sien, Die gravitasiedetektor Auriga is op hierdie manier by die Nasionale Legnard-laboratorium (Padua, Italië) gemaak. Die ontwerp is gebaseer op 'n aluminium-magnesium silinder, 3 meter lank en 0,6 m in deursnee. 'n Ontvangtoestel wat 2,3 ton weegopgeskort in 'n geïsoleerde vakuumkamer wat amper tot absolute nul afgekoel is. 'n Hulpkilogramresonator en 'n rekenaargebaseerde meetkompleks word gebruik om vibrasies vas te stel en op te spoor. Verklaarde toerustingsensitiwiteit 10-20.
Interferometers
Die werking van interferensiedetektors van gravitasiegolwe is op dieselfde beginsels as die Michelson-interferometer gebaseer. Die laserstraal wat deur die bron uitgestraal word, word in twee strome verdeel. Na veelvuldige refleksies en bewegings langs die skouers van die toestel, word die strome weer bymekaar gebring, en die finale interferensiebeeld word gebruik om te oordeel of enige versteurings (byvoorbeeld 'n gravitasiegolf) die verloop van die strale beïnvloed het. Soortgelyke toerusting is in baie lande geskep:
- GEO 600 (Hanover, Duitsland). Die lengte van die vakuumtonnels is 600 meter.
- TAMA (Japan) 300 m-skouers
- VIRGO (Pisa, Italië) is 'n gesamentlike Frans-Italiaanse projek wat in 2007 van stapel gestuur is met tonnels van 3 km.
- LIGO (VSA, Stille Oseaankus), op soek na swaartekraggolwe sedert 2002.
Die laaste een is die moeite werd om in meer besonderhede te oorweeg.
LIGO Advanced
Die projek is geïnisieer deur wetenskaplikes van die Massachusetts Institute of Technology en die California Institute of Technology. Sluit twee sterrewagte in wat 3 duisend km geskei is, in die state Louisiana en Washington (die stede Livingston en Hanford) met drie identiese interferometers. Lengte van loodregte vakuumtonnels is 4 duisend meter. Dit is die grootste sulke strukture wat tans in werking is. Tot 2011 het talle pogings om swaartekraggolwe op te spoor geen resultate opgelewer nie. Die beduidende modernisering wat uitgevoer is (Advanced LIGO) het die sensitiwiteit van die toerusting in die reeks van 300-500 Hz met meer as vyf keer verhoog, en in die lae-frekwensiegebied (tot 60 Hz) met byna 'n orde van grootte, en bereik so 'n gesogte waarde van 10-21. Die bygewerkte projek het in September 2015 begin, en die pogings van meer as duisend medewerkers is met resultate beloon.
Swaartekraggolwe bespeur
Op 14 September 2015 het gevorderde LIGO-detektors met 'n interval van 7 ms gravitasiegolwe aangeteken wat ons planeet bereik het vanaf die grootste verskynsel wat aan die buitewyke van die waarneembare Heelal plaasgevind het - die samesmelting van twee groot swart gate met massas 29 en 36 keer die massa van die Son. Tydens die proses, wat meer as 1,3 miljard jaar gelede plaasgevind het, is sowat drie sonmassas materie binne 'n breukdeel van 'n sekonde aan die bestraling van swaartekraggolwe bestee. Die aanvanklike frekwensie van gravitasiegolwe is as 35 Hz aangeteken, en die maksimum piekwaarde het 250 Hz bereik.
Die resultate wat verkry is, is herhaaldelik aan omvattende verifikasie en verwerking onderwerp, alternatiewe interpretasies van die data wat verkry is, is versigtig afgesny. Uiteindelik, op 11 Februarie verlede jaar, is die direkte registrasie van die verskynsel wat deur Einstein voorspel is aan die wêreldgemeenskap aangekondig.
Feit wat die titaniese werk van navorsers illustreer: die amplitude van fluktuasies in die dimensies van die interferometer-arms was 10-19m - hierdie waarde is soveel kleiner as die deursnee van 'n atoom aangesien dit kleiner as 'n lemoen is.
Verdere vooruitsigte
Die ontdekking bevestig weereens dat die Algemene Relatiwiteitsteorie nie net 'n stel abstrakte formules is nie, maar 'n fundamenteel nuwe blik op die essensie van gravitasiegolwe en swaartekrag in die algemeen.
In verdere navorsing het wetenskaplikes groot verwagtinge vir die ELSA-projek: die skepping van 'n reuse-orbitale interferometer met arms van ongeveer 5 miljoen km, wat in staat is om selfs geringe versteurings van gravitasievelde op te spoor. Die intensivering van werk in hierdie rigting kan baie vertel oor die hoofstadia in die ontwikkeling van die heelal, oor prosesse wat moeilik of onmoontlik is om in tradisionele bands waar te neem. Daar is geen twyfel dat swart gate, waarvan die gravitasiegolwe in die toekoms vasgestel sal word, baie oor hul aard sal vertel.
Om die oorblyfsel gravitasiebestraling te bestudeer, wat kan vertel van die eerste oomblikke van ons wêreld ná die Oerknal, sal meer sensitiewe ruimte-instrumente benodig word. So 'n projek bestaan (Big Bang Observer), maar die implementering daarvan, volgens kenners, is moontlik nie vroeër as oor 30-40 jaar nie.
