Nyní žijeme ve vesmíru plném gravitačních vln.

Až do čtvrtečního ranního historického oznámení ze schůzky National Science Foundation (NSF) ve Washingtonu se jen zvěsti, že Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) objevila klíčovou součást Obecné teorie relativity Alberta Einsteina, ale nyní víme, realita je hlubší, než jsme si mysleli.

S úžasnou jasností bylo LIGO schopno „slyšet“ okamžik předtím, než se binární systém (dvě černé díry obíhající kolem sebe) sloučil do jediného celku a vytvořil signál gravitační vlny tak jasný v souladu s teoretickým modelem, že nevyžadoval diskusi. . LIGO bylo svědkem „znovuzrození“ mocné černé díry, ke kterému došlo asi před 1,3 miliardami let.

Gravitační vlny vždy procházely a vždy procházejí naší planetou (ostatně procházejí námi), ale teprve nyní víme, jak je najít. Nyní jsme otevřeli oči různým kosmickým signálům, vibracím způsobeným známými energetickými událostmi a jsme svědky zrodu zcela nového oboru astronomie.

Zvuk splynutí dvou černých děr:

"Teď můžeme slyšet vesmír," řekla Gabriela Gonzalez, fyzička a mluvčí LIGO, během čtvrtečního triumfálního setkání "Objev znamená začátek nové éry: pole gravitační astronomie je nyní realitou."

Naše místo ve vesmíru se velmi mění a tento objev by mohl být stejně zásadní jako objev rádiových vln a pochopení, že se vesmír rozpíná.

Teorie relativity se stává hodnotnější

Pokoušet se vysvětlit, co jsou gravitační vlny a proč jsou tak důležité, je stejně složité jako rovnice, které je popisují, ale jejich objev nejen posiluje Einsteinovy ​​teorie o povaze časoprostoru, ale nyní máme nástroj pro zkoumání částí vesmíru. které byly pro nás neviditelné. Nyní můžeme studovat kosmické vlny vytvořené nejenergetickejšími událostmi ve vesmíru a možná použít gravitační vlny k novým fyzikálním objevům a zkoumání nových astronomických jevů.

„Nyní musíme dokázat, že máme technologii, abychom překročili hranice objevů gravitační vlny"Otevírá to spoustu možností," řekl Lewis Lehner z Institutu teoretické fyziky v Ontariu v rozhovoru po čtvrtečním oznámení.

Lehnerův výzkum se zaměřuje na husté objekty (jako jsou černé díry), které vytvářejí silné gravitační vlny. Přestože Lehner nebyl spojen se spoluprací LIGO, rychle si uvědomil důležitost tohoto historického objevu. "Neexistují lepší signály," řekl.

Objev je založen na třech cestách, vysvětluje. Za prvé, nyní víme, že existují gravitační vlny, a víme, jak je detekovat. Za druhé, signál detekovaný stanicemi LIGO 14. září 2015 je silným důkazem existence binárního systému černých děr a každá černá díra váží několik desítek slunečních hmot. Signál je přesně takový, jaký jsme očekávali od násilného spojení dvou černých děr, z nichž jedna váží 29krát Slunce a druhá 36krát. Za třetí, a možná nejdůležitější, „schopnost být poslán do černé díry“ je zdaleka nejsilnějším důkazem existence černých děr.

Kosmická intuice

Tuto událost provázelo štěstí, jako mnoho jiných vědeckých objevů. LIGO je největší projekt financovaný National Science Foundation, který původně začal v roce 2002. Ukázalo se, že po mnoha letech hledání nepolapitelného signálu gravitačních vln nebylo LIGO dostatečně citlivé a v roce 2010 byly observatoře zmrazeny, zatímco probíhala mezinárodní spolupráce na zvýšení jejich citlivosti. O pět let později, v září 2015, se zrodilo „vylepšené LIGO“.

V té době byl spoluzakladatel LIGO a těžká váha teoretické fyziky Kip Thorne přesvědčen o úspěchu LIGO a řekl BBC: „Jsme tady. Jsme na hřišti velké hry. A je zcela jasné, že poodhalíme závoj tajemství.“ - A měl pravdu, pár dní po rekonstrukci se naší planetou přehnala vlna gravitačních vln a LIGO bylo dostatečně citlivé, aby je detekovalo.

Tato sloučení černých děr se nepovažují za nic zvláštního; Odhaduje se, že k takovým událostem dochází každých 15 minut někde ve vesmíru. K tomuto konkrétnímu sloučení však došlo na správném místě (1,3 miliardy světelných let daleko) ve správný čas (před 1,3 miliardami let), aby observatoře LIGO zachytily jeho signál. Byl to čistý signál z vesmíru a Einstein to předpověděl a jeho gravitační vlny se ukázaly jako skutečné, popisující kosmickou událost 50krát silnější, než je síla všech hvězd ve vesmíru dohromady. Tento obrovský výbuch gravitačních vln zaznamenalo LIGO jako vysokofrekvenční signál s lineární frekvenční modulací, když se černé díry spirálově spojily a spojily v jednu.

Pro potvrzení šíření gravitačních vln se LIGO skládá ze dvou pozorovacích stanic, jedné v Louisianě a druhé ve Washingtonu. Pro eliminaci falešných poplachů musí být signál gravitační vlny detekován na obou stanicích. 14. září byl výsledek získán nejprve v Louisianě a o 7 milisekund později ve Washingtonu. Signály se shodovaly a pomocí triangulace se fyzikům podařilo zjistit, že pocházejí z nebeského prostoru jižní polokoule.

Gravitační vlny: jak mohou být užitečné?

Takže máme potvrzení signálu o spojení černé díry, ale co s tím? Tento historický objev, což je celkem pochopitelné – před 100 lety Einstein nemohl ani ve snu objevit tyto vlny, ale přesto se tak stalo.

Obecná teorie relativity byla jedním z nejhlubších vědeckých a filozofických poznatků 20. století a tvoří základ některých z nejinteligentnějších výzkumů ve skutečnosti. V astronomii jsou aplikace obecné teorie relativity jasné: od gravitační čočky po měření rozpínání vesmíru. Ale praktická aplikace Einsteinových teorií není vůbec jasná, ale většina moderní technologie používat poučení z teorie relativity v některých věcech, které jsou považovány za jednoduché. Vezměme například globální družice pro určování polohy, nebudou dostatečně přesné, pokud se nepoužije jednoduchá úprava dilatace času (předpovězená relativitou).

Je jasné, že obecná teorie relativity má uplatnění reálný svět, ale když Einstein představil svou teorii v roce 1916, její aplikace byla velmi sporná, což se zdálo zřejmé. Jednoduše propojil Vesmír, jak ho viděl, a tak vznikla obecná teorie relativity. A nyní byla prokázána další složka teorie relativity, ale jak lze použít gravitační vlny? Astrofyziky a kosmology to rozhodně zajímá.

"Jakmile shromáždíme data z párů černých děr, které budou fungovat jako majáky rozptýlené po celém vesmíru," řekl ve čtvrtek během videoprezentace teoretický fyzik Neil Turok, ředitel Institutu pro teoretickou fyziku rychlost." expanze vesmíru nebo množství temné energie s extrémní přesností, mnohem přesněji než dnes."

„Einstein rozvinul svou teorii na základě některých vodítek z přírody, ale na základě logické konzistence. Po 100 letech vidíte velmi přesné potvrzení jeho předpovědí."

Kromě toho má událost 14. září některé fyzikální vlastnosti, které je třeba ještě prozkoumat. Lehner například poznamenal, že z analýzy signálu gravitačních vln je možné změřit „rotaci“ neboli moment hybnosti splývající černé díry. "Pokud na teorii pracujete dlouhou dobu, budete vědět, že černá díra má velmi, velmi zvláštní rotaci," řekl.

Vznik gravitačních vln při sloučení dvou černých děr:

Z nějakého důvodu je konečná rotace černé díry pomalejší, než se očekávalo, což naznačuje, že se černé díry srazily nízkou rychlostí nebo byly v takové srážce, která způsobila společný úhlový moment hybnosti proti sobě. "Je to velmi zajímavé, proč to příroda udělala?"

Tato nedávná záhada může přinést zpět některé základní fyziky, které byly opomenuty, ale co je zajímavější, může odhalit „novou“, neobvyklou fyziku, která nezapadá do obecné teorie relativity. A to zdůrazňuje další využití gravitačních vln: protože jsou vytvářeny silnými gravitačními jevy, máme možnost zkoumat toto prostředí z dálky s možnými překvapeními na cestě. Navíc bychom mohli spojit pozorování astrofyzikálních jevů s elektromagnetickými silami, abychom lépe porozuměli struktuře Vesmíru.

Aplikace?

Přirozeně, po obrovských oznámeních ze souboru vědeckých objevů se mnoho lidí mimo vědeckou komunitu ptá, jak by je to mohlo ovlivnit. Hloubka objevu se může ztratit, což jistě platí pro gravitační vlny. Vezměme si však jiný případ, kdy Wilhelm Roentgen objevil rentgenové záření v roce 1895, během experimentů s katodovými trubicemi, málokdo ví, že jen o několik let později se tyto elektromagnetické vlny stanou klíčovou součástí každodenní medicíny od diagnózy po léčbu. Stejně tak Heinrich Hertz s prvním experimentálním vytvořením rádiových vln v roce 1887 potvrdil slavné elektromagnetické rovnice Jamese Clerka Maxwella. Teprve po chvíli v 90. letech 20. století prokázal jejich praktické uplatnění Guglielmo Marconi, který vytvořil rádiový vysílač a rádiový přijímač. Také Schrödingerovy rovnice, které popisují komplexní svět kvantové dynamiky, se nyní používají při vývoji ultrarychlých kvantových výpočtů.

Všechny vědecké objevy jsou užitečné a mnohé z nich mají nakonec každodenní aplikace, které považujeme za samozřejmé. V současné době jsou praktické aplikace gravitačních vln omezeny na astrofyziku a kosmologii – nyní máme okno do „temného vesmíru“, neviditelného pro elektromagnetické záření. Vědci a inženýři bezpochyby najdou pro tyto kosmické pulsace kromě zkoumání vesmíru i další využití. K detekci těchto vln však musí existovat dobrý pokrok v optickém inženýrství na LIGO, ve kterém se postupem času objeví nové technologie.

Mávněte rukou a gravitační vlny proběhnou vesmírem.
S. Popov, M. Prochorov. Fantomové vlny vesmíru

V astrofyzice došlo k události, na kterou se čekalo desítky let. Po půlstoletí hledání byly konečně objeveny gravitační vlny, vibrace samotného časoprostoru, které před sto lety předpověděl Einstein. 14. září 2015 modernizovaná observatoř LIGO detekovala výbuch gravitační vlny generovaný sloučením dvou černých děr o hmotnostech 29 a 36 hmotností Slunce ve vzdálené galaxii vzdálené přibližně 1,3 miliardy světelných let. Astronomie gravitačních vln se stala plnohodnotným odvětvím fyziky; otevřela se nám nová cesta pozorovat Vesmír a umožní nám studovat dříve nedostupné účinky silné gravitace.

Gravitační vlny

Můžete přijít s různými teoriemi gravitace. Všechny budou popisovat náš svět stejně dobře, pokud se omezíme na jediný jeho projev – Newtonův zákon univerzální gravitace. Existují však další, jemnější gravitační efekty, které byly experimentálně testovány v měřítku sluneční soustavy, a ukazují na jednu konkrétní teorii: obecnou relativitu (GR).

Obecná teorie relativity není jen soubor vzorců, je to základní pohled na podstatu gravitace. Jestliže v běžné fyzice prostor slouží pouze jako pozadí, nádoba pro fyzikální jevy, pak se v GTR sám stává fenoménem, ​​dynamickou veličinou, která se mění v souladu se zákony GTR. Právě tyto deformace časoprostoru ve vztahu k hladkému pozadí – nebo v řeči geometrie – deformace časoprostorové metriky – jsou pociťovány jako gravitace. Stručně řečeno, obecná teorie relativity odhaluje geometrický původ gravitace.

Obecná teorie relativity má zásadní předpověď: gravitační vlny. Jedná se o deformace časoprostoru, které jsou schopny „odtrhnout se od zdroje“ a samo se udržet a odletět pryč. Toto je gravitace sama o sobě, nikomu vlastní, jemu vlastní. Albert Einstein konečně formuloval obecnou relativitu v roce 1915 a téměř okamžitě si uvědomil, že rovnice, které odvodil, umožňují existenci takových vln.

Jako u každé poctivé teorie, i takto jasná předpověď obecné teorie relativity musí být ověřena experimentálně. Jakékoli pohybující se těleso může vysílat gravitační vlny: planety, kámen vržený vzhůru nebo mávnutí ruky. Problém je však v tom, že gravitační interakce je tak slabá, že žádné experimentální zařízení nedokáže detekovat emisi gravitačních vln z běžných „zářičů“.

Chcete-li „pronásledovat“ silnou vlnu, musíte značně deformovat časoprostor. Ideální variantou jsou dvě černé díry rotující kolem sebe v těsném tanci, ve vzdálenosti řádově jejich gravitačního poloměru (obr. 2). Zkreslení metriky bude tak silné, že znatelná část energie této dvojice bude vyzařována do gravitačních vln. Při ztrátě energie se dvojice bude přibližovat k sobě, bude se otáčet rychleji a rychleji, čím dál více deformovat metriku a generovat ještě silnější gravitační vlny – až nakonec dojde k radikální restrukturalizaci celého gravitačního pole této dvojice a dvě černé díry se spojí do jeden.

Takové spojení černých děr je explozí ohromné ​​síly, ale pouze veškerá tato vyzařovaná energie nejde do světla, ne do částic, ale do vibrací vesmíru. Emitovaná energie bude tvořit znatelnou část původní hmoty černých děr a toto záření se rozstříkne ve zlomku sekundy. Podobné oscilace budou generovat sloučení neutronových hvězd. O něco slabší uvolnění energie gravitační vlnou doprovází i další procesy, jako je kolaps jádra supernovy.

Výbuch gravitační vlny ze sloučení dvou kompaktních objektů má velmi specifický, dobře vypočítaný profil, znázorněný na Obr. 3. Periodu kmitání určuje oběžný pohyb dvou objektů kolem sebe. Gravitační vlny odnášejí energii; v důsledku toho se předměty k sobě přibližují a rotují rychleji – a je to vidět jak na zrychlení kmitů, tak na nárůstu amplitudy. V určitém okamžiku dojde ke sloučení, vydá se poslední silná vlna a poté následuje vysokofrekvenční „zazvonění“ ( vyzvánění) - chvění vzniklé černé díry, která „odhazuje“ všechna nekulová zkreslení (tato fáze není na obrázku znázorněna). Znalost tohoto charakteristického profilu pomáhá fyzikům hledat slabý signál z takového spojení ve vysoce zašuměných datech detektoru.

Kolísání časoprostorové metriky – ozvěna gravitačních vln grandiózní exploze – se rozptýlí po celém vesmíru všemi směry od zdroje. Jejich amplituda slábne se vzdáleností, podobně jako jas bodového zdroje klesá se vzdáleností od něj. Když se k Zemi dostane výbuch ze vzdálené galaxie, metrické fluktuace budou řádově 10 −22 nebo ještě méně. Jinými slovy, vzdálenost mezi objekty, které spolu fyzicky nesouvisí, se bude periodicky zvětšovat a zmenšovat o takovou relativní hodnotu.

Řádovou velikost tohoto čísla lze snadno získat z úvah o měřítku (viz článek V. M. Lipunova). V okamžiku sloučení neutronových hvězd nebo černých děr o hvězdných hmotnostech jsou zkreslení metriky hned vedle nich velmi velké – řádově 0,1, proto je gravitace silná. Takto silné zkreslení ovlivňuje oblast řádově o velikosti těchto objektů, to znamená několik kilometrů. Jak se vzdalujete od zdroje, amplituda kmitání klesá nepřímo úměrně ke vzdálenosti. To znamená, že ve vzdálenosti 100 Mpc = 3·10 21 km klesne amplituda kmitů o 21 řádů a stane se asi 10 -22.

Samozřejmě, pokud ke sloučení dojde v naší domovské galaxii, otřesy časoprostoru, které dosáhnou Země, budou mnohem silnější. Ale k takovým událostem dochází jednou za několik tisíc let. Počítejte proto opravdu jen s detektorem, který bude schopen vnímat sloučení neutronových hvězd či černých děr na vzdálenost desítek až stovek megaparseků, což znamená, že pokryje mnoho tisíc a milionů galaxií.

Zde je nutno dodat, že nepřímý náznak existence gravitačních vln již byl objeven a za rok 1993 byl dokonce oceněn Nobelovou cenou za fyziku. Dlouhodobá pozorování pulsaru ve dvojhvězdném systému PSR B1913+16 ukázala, že doba oběhu klesá přesně stejnou rychlostí, jakou předpovídá obecná teorie relativity, s přihlédnutím ke ztrátám energie v důsledku gravitačního záření. Z tohoto důvodu téměř nikdo z vědců nepochybuje o realitě gravitačních vln; jedinou otázkou je, jak je chytit.

Historie vyhledávání

Hledání gravitačních vln začalo asi před půl stoletím - a téměř okamžitě se změnilo v senzaci. Joseph Weber z University of Maryland navrhl první rezonanční detektor: pevný dvoumetrový hliníkový válec s citlivými piezoelektrickými senzory po stranách a dobrou izolací vibrací od cizích vibrací (obr. 4). Když projde gravitační vlna, válec rezonuje v čase s deformacemi časoprostoru, což by senzory měly registrovat. Weber sestrojil několik takových detektorů a v roce 1969 po analýze jejich naměřených hodnot během jednoho ze sezení přímo uvedl, že zaregistroval „zvuk gravitačních vln“ v několika detektorech najednou, vzdálených od sebe dva kilometry (J. Weber, 1969 Důkazy pro objev gravitačního záření). Amplituda oscilací, kterou deklaroval, se ukázala být neuvěřitelně velká, řádově 10-16, tedy milionkrát větší než typická očekávaná hodnota. Weberovo poselství se setkalo s velkou skepsí vědecké komunity; Navíc další experimentální skupiny, vyzbrojené podobnými detektory, nebyly schopny následně zachytit jediný podobný signál.

Weberovo úsilí však dalo impuls celé této oblasti výzkumu a zahájilo hon na vlny. Od 70. let 20. století díky úsilí Vladimíra Braginského a jeho kolegů z Moskevské státní univerzity do tohoto závodu vstoupil i SSSR (viz absence signálů gravitačních vln). Zajímavý příběh o těch časech je v eseji Spadne-li dívka do díry... . Braginskij je mimochodem jedním z klasiků celé teorie kvantově optických měření; byl první, kdo přišel s konceptem standardní kvantové meze měření – klíčového omezení v optických měřeních – a ukázal, jak je lze v principu překonat. Weberův rezonanční obvod byl vylepšen a díky hlubokému chlazení instalace se dramaticky snížil hluk (viz seznam a historie těchto projektů). Přesnost takových celokovových detektorů však byla stále nedostatečná ke spolehlivé detekci očekávaných událostí a kromě toho byly naladěny tak, aby rezonovaly pouze ve velmi úzkém frekvenčním rozsahu kolem kilohertzů.

Mnohem slibnější se zdály detektory, které využívaly více než jeden rezonující objekt, ale sledovaly vzdálenost mezi dvěma nesouvisejícími, nezávisle zavěšenými tělesy, jako jsou dvě zrcadla. Vlivem vibrací prostoru způsobeného gravitační vlnou bude vzdálenost mezi zrcadly buď o něco větší, nebo o něco menší. Navíc, čím delší je rameno, tím větší absolutní posunutí bude způsobeno gravitační vlnou dané amplitudy. Tyto vibrace lze pociťovat laserovým paprskem probíhajícím mezi zrcadly. Takové schéma je schopno detekovat oscilace v širokém rozsahu frekvencí, od 10 hertzů do 10 kilohertzů, a to je přesně rozsah, ve kterém budou emitovat splývající páry neutronových hvězd nebo černých děr s hvězdnou hmotností.

Moderní realizace této myšlenky na základě Michelsonova interferometru vypadá takto (obr. 5). Zrcadla jsou zavěšena ve dvou dlouhých, několik kilometrů dlouhých, navzájem kolmých vakuových komorách. Při vstupu do instalace se laserový paprsek rozdělí, prochází oběma komorami, odráží se od zrcadel, vrací se zpět a je znovu sjednocen v průsvitném zrcadle. Faktor kvality optického systému je extrémně vysoký, takže laserový paprsek neprochází jen jednou tam a zpět, ale setrvává v tomto optickém rezonátoru dlouhou dobu. V „tichém“ stavu jsou délky voleny tak, aby se dva paprsky po opětovném spojení navzájem zrušily ve směru k senzoru a fotodetektor byl v úplném stínu. Jakmile se ale zrcadla pod vlivem gravitačních vln posunou o mikroskopickou vzdálenost, kompenzace dvou paprsků se stane neúplnou a fotodetektor zachytí světlo. A čím silnější je offset, tím jasnější světlo fotosenzor uvidí.

Slova „mikroskopický posun“ ani zdaleka nevyjadřují jemnost efektu. Posun zrcadel vlnovou délkou světla, tedy mikrony, lze snadno postřehnout i bez jakýchkoliv triků. Ale při délce ramene 4 km to odpovídá oscilacím časoprostoru s amplitudou 10 −10. Všimnout si posunutí zrcadel o průměr atomu také není problém – stačí vypálit laserový paprsek, který se tisíckrát rozběhne tam a zpět a získá požadovaný fázový posun. Ale to také dává maximum 10 −14. A musíme sejít ještě milionkrát dolů na stupnici posunu, to znamená naučit se registrovat zrcadlový posun ani ne o jeden atom, ale o tisíciny atomového jádra!

Na cestě k této skutečně úžasné technologii museli fyzici překonat mnoho obtíží. Některé z nich jsou čistě mechanické: musíte zavěsit masivní zrcadla na závěs, který visí na jiném závěsu, ten na třetím závěsu a tak dále - a to vše proto, abyste se co nejvíce zbavili cizích vibrací. Další problémy jsou také instrumentální, ale optické. Například, čím silnější paprsek cirkuluje v optickém systému, tím slabší posun zrcadel dokáže fotosenzor detekovat. Příliš silný paprsek však nerovnoměrně zahřeje optické prvky, což bude mít škodlivý vliv na vlastnosti samotného paprsku. Tento efekt musí být nějakým způsobem kompenzován, a proto byl v roce 2000 na toto téma zahájen celý výzkumný program (příběh o tomto výzkumu naleznete v novince Překážka překonána na cestě k vysoce citlivému detektoru gravitačních vln „Elements“ , 27.06.2006). Nakonec existují ryze základní fyzická omezení související s kvantovým chováním fotonů v dutině a principem neurčitosti. Omezují citlivost senzoru na hodnotu nazývanou standardní kvantový limit. Fyzici se však pomocí chytře připraveného kvantového stavu laserového světla již naučili jej překonávat (J. Aasi et al., 2013. Zvýšená citlivost detektoru gravitačních vln LIGO pomocí stlačených stavů světla).

Účastní se závodu o gravitační vlny celý seznam země; Rusko má svou vlastní instalaci na observatoři Baksan a mimochodem je popsána v dokumentárním populárně vědeckém filmu Dmitrije Zavilgelského „Čekání na vlny a částice“. Vedoucími této rasy jsou nyní dvě laboratoře – americký projekt LIGO a italský detektor Virgo. LIGO obsahuje dva identické detektory umístěné v Hanfordu (stát Washington) a Livingstonu (Louisiana) a jsou od sebe vzdáleny 3000 km. Mít dvě nastavení je důležité ze dvou důvodů. Za prvé, signál bude považován za zaregistrovaný pouze v případě, že jej uvidí oba detektory současně. A za druhé, rozdílem v příchodu gravitační vlny na dvě instalace - a může dosáhnout 10 milisekund - lze přibližně určit, ze které části oblohy tento signál přišel. Pravda, se dvěma detektory bude chyba velmi velká, ale když se Panna dostane do provozu, přesnost se znatelně zvýší.

Přísně vzato byla poprvé navržena myšlenka interferometrické detekce gravitačních vln sovětští fyzici M.E. Herzenstein a V.I. Pustovoit v roce 1962. V té době byl právě vynalezen laser a Weber začal vytvářet své rezonanční detektory. Tento článek však nebyl na Západě zaznamenán a popravdě řečeno neovlivnil vývoj skutečných projektů (viz historický přehled Fyziky detekce gravitačních vln: rezonanční a interferometrické detektory).

Vytvoření gravitační observatoře LIGO bylo iniciativou tří vědců z Massachusetts Institute of Technology (MIT) a California Institute of Technology (Caltech). Těmi jsou Rainer Weiss, který realizoval myšlenku interferometrického detektoru gravitačních vln, Ronald Drever, který dosáhl stability laserového světla dostatečné pro detekci, a Kip Thorne, teoretik za projektem, nyní dobře známý široké veřejnosti. jako vědecký konzultant film "Interstellar". O rané historii LIGO si můžete přečíst v nedávném rozhovoru s Rainerem Weissem a ve vzpomínkách Johna Preskilla.

Aktivity spojené s projektem interferometrické detekce gravitačních vln začaly na konci 70. let 20. století a řada lidí zpočátku také pochybovala o proveditelnosti tohoto počinu. Po předvedení řady prototypů byl však napsán a schválen současný design LIGO. Bylo postaveno po celou dobu poslední dekáda XX století.

Přestože prvotní impuls k projektu přišel ze Spojených států, LIGO je skutečně mezinárodní projekt. Finančně i intelektuálně do něj investovalo 15 zemí a členy spolupráce je přes tisíc lidí. Při realizaci projektu sehráli důležitou roli sovětští a ruští fyzici. Na realizaci projektu LIGO se od počátku aktivně podílela již zmíněná skupina Vladimira Braginského z Moskevské státní univerzity a později se ke spolupráci připojil i Ústav aplikované fyziky z Nižního Novgorodu.

Observatoř LIGO zahájila provoz v roce 2002 a do roku 2010 hostila šest vědeckých pozorovacích zasedání. Žádné výbuchy gravitačních vln nebyly spolehlivě detekovány a fyzici byli schopni nastavit pouze horní limity frekvence takových událostí. To je však příliš nepřekvapilo: odhady ukázaly, že v té části vesmíru, kterou detektor tehdy „poslouchal“, byla pravděpodobnost dostatečně silného kataklyzmatu nízká: přibližně jednou za několik desetiletí.

Cílová čára

V letech 2010 až 2015 kolaborace LIGO a Virgo radikálně modernizovaly zařízení (Virgo je však stále v procesu přípravy). A nyní byl dlouho očekávaný cíl v přímém dohledu. LIGO - nebo spíše aLIGO ( Pokročilé LIGO) - byl nyní připraven zachytit výbuchy generované neutronovými hvězdami ve vzdálenosti 60 megaparseků a černé díry - ve vzdálenosti stovek megaparseků. Hlasitost Vesmíru otevřeného naslouchání gravitačním vlnám se ve srovnání s předchozími sezeními zdesetinásobila.

Samozřejmě je nemožné předvídat, kdy a kde dojde k dalšímu boomu gravitačních vln. Citlivost aktualizovaných detektorů však umožnila počítat s několika sloučeními neutronových hvězd za rok, takže první výbuch se dal očekávat již během prvního čtyřměsíčního pozorování. Pokud se budeme bavit o celém projektu aLIGO, který trval několik let, pak byl verdikt nadmíru jasný: buď budou padat výbuchy jedna za druhou, nebo něco v obecné relativitě zásadně nefunguje. Obojí bude velkým objevem.

Od 18. září 2015 do 12. ledna 2016 proběhlo první pozorování aLIGO. Po celou tu dobu kolovaly po internetu zvěsti o registraci gravitačních vln, ale spolupráce mlčela: „Sbíráme a analyzujeme data a ještě nejsme připraveni oznámit výsledky.“ Další intriku vyvolal fakt, že během procesu analýzy si členové kolaborace sami nemohou být zcela jisti, že vidí skutečný výbuch gravitační vlny. Faktem je, že v LIGO je počítačově generovaný burst občas uměle zaveden do proudu skutečných dat. Říká se tomu „slepá injekce“ a z celé skupiny mají pouze tři lidé (!) přístup k systému, který ji provádí v libovolném okamžiku. Tým musí tento nárůst sledovat, zodpovědně analyzovat, a to maximálně poslední fáze analýza „karty jsou odhaleny“ a členové spolupráce zjistí, zda se jednalo o skutečnou událost, nebo o zkoušku bdělosti. Mimochodem, v jednom takovém případě v roce 2010 došlo dokonce k napsání článku, ale tehdy objevený signál se ukázal být jen „slepou náplní“.

Lyrická odbočka

Abych znovu pocítil vážnost okamžiku, navrhuji podívat se na tento příběh z druhé strany, z nitra vědy. Když složitý, nepřístupný vědecký úkol zůstává nezodpovědný několik let, je to normální pracovní okamžik. Když nedává více než jednu generaci, je to vnímáno úplně jinak.

Jako školák čtete populárně naučné knihy a poznáváte tuto těžko řešitelnou, ale strašně zajímavou vědeckou hádanku. Jako student studujete fyziku, podáváte zprávy a občas vám její existenci, ať už je to vhodné nebo ne, připomenou lidé kolem vás. Pak sami děláte vědu, pracujete v jiné oblasti fyziky, ale pravidelně slyšíte o neúspěšných pokusech o vyřešení. Vy samozřejmě chápete, že někde se aktivně snaží to vyřešit, ale konečný výsledek pro vás jako outsidera zůstává nezměněn. Problém je vnímán jako statické pozadí, jako dekorace, jako věčný a téměř nezměněný prvek fyziky v měřítku vašeho vědeckého života. Jako úkol, který vždy byl a bude.

A pak – řeší to. A najednou, v měřítku několika dnů, cítíte, že se fyzický obraz světa změnil a že nyní musí být formulován jinak a klást si jiné otázky.

Pro lidi přímo pracující na hledání gravitačních vln tento úkol samozřejmě nezůstal beze změny. Vidí cíl, vědí, čeho je třeba dosáhnout. Samozřejmě doufají, že se s nimi na půli cesty setká i příroda a vrhne mocný šplouch do nějaké blízké galaxie, ale zároveň chápou, že i když příroda nebude tak vstřícná, už se nebude moci před vědci skrývat . Jedinou otázkou je, kdy přesně budou schopni dosáhnout svých technických cílů. Příběh o této senzaci od člověka, který několik desítek let hledal gravitační vlny, zazní v již zmíněném filmu „Čekání na vlny a částice“.

Otevírací

Na Obr. Obrázek 7 ukazuje hlavní výsledek: profil signálu zaznamenaného oběma detektory. Je vidět, že na pozadí šumu se oscilace požadovaného tvaru nejprve objeví slabě a poté se zvýší amplituda a frekvence. Porovnání s výsledky numerických simulací umožnilo objasnit, které objekty jsme pozorovali splývající: šlo o černé díry o hmotnostech přibližně 36 a 29 hmotností Slunce, které se spojily v jednu černou díru o hmotnosti 62 hmotností Slunce (chyba ve všech tato čísla, odpovídající 90% intervalu spolehlivosti, jsou 4 hmotnosti Slunce). Autoři mimochodem poznamenávají, že výsledná černá díra je nejtěžší černou dírou o hvězdné hmotnosti, jaká kdy byla pozorována. Rozdíl mezi celkovou hmotností dvou počátečních objektů a konečné černé díry je 3 ± 0,5 hmotnosti Slunce. Tento gravitační hmotnostní defekt byl zcela přeměněn na energii emitovaných gravitačních vln během asi 20 milisekund. Výpočty ukázaly, že maximální výkon gravitačních vln dosáhl 3,6 10 56 erg/s, neboli hmotnostně přibližně 200 hmotností Slunce za sekundu.

Statistická významnost detekovaného signálu je 5,1σ. Jinými slovy, pokud předpokládáme, že se tyto statistické fluktuace navzájem překrývaly a čistě náhodou způsobily takový výbuch, taková událost by musela čekat 200 tisíc let. To nám umožňuje s jistotou prohlásit, že detekovaný signál není kolísání.

Časová prodleva mezi dvěma detektory byla přibližně 7 milisekund. To umožnilo odhadnout směr příchodu signálu (obr. 9). Protože jsou zde pouze dva detektory, lokalizace se ukázala jako velmi přibližná: parametricky vhodná oblast nebeské sféry je 600 čtverečních stupňů.

Spolupráce LIGO se neomezila na pouhé konstatování faktu zaznamenávání gravitačních vln, ale provedla také první analýzu důsledků, které toto pozorování má pro astrofyziku. V článku Astrophysical implications of the binary black hole merger GW150914, publikovaném ve stejný den v časopise The Astrophysical Journal Letters, autoři odhadli frekvenci, s jakou k takovým sloučením černých děr dochází. Výsledkem byla alespoň jedna fúze na kubický gigaparsek za rok, což je v tomto ohledu v souladu s predikcemi nejoptimističtějších modelů.

Co nám říkají gravitační vlny

Objev nového fenoménu po desetiletích hledání není konec, ale pouze začátek nového odvětví fyziky. Samozřejmě, registrace gravitačních vln ze spojení dvou černochů je sama o sobě důležitá. Toto je přímý důkaz existence černých děr a existence dvojitých černých děr a reality gravitačních vln a obecně řečeno důkaz správnosti geometrického přístupu ke gravitaci, na kterém je založena obecná teorie relativity. Pro fyziky je ale neméně cenné, že se gravitační vlnová astronomie stává novým výzkumným nástrojem, který umožňuje studovat to, co bylo dříve nedostupné.

Za prvé, je to nový způsob, jak nahlížet na vesmír a studovat kosmické kataklyzmata. Pro gravitační vlny neexistují žádné překážky, bez problémů projdou vším ve Vesmíru. Jsou soběstační: jejich profil nese informace o procesu, který je zrodil. Konečně, pokud jedna velká exploze vygeneruje optický, neutrinový a gravitační záblesk, pak se můžeme pokusit zachytit všechny, porovnat je mezi sebou a porozumět dříve nepřístupným detailům toho, co se tam stalo. Aby bylo možné zachytit a porovnat takové různé signály z jedné události - hlavním cílem všesignální astronomie.

Až se detektory gravitačních vln stanou ještě citlivějšími, budou schopny detekovat otřesy časoprostoru ne v okamžiku splynutí, ale pár sekund před ním. Automaticky pošlou svůj varovný signál do obecné sítě pozorovacích stanic a družice astrofyzikálního dalekohledu, které vypočítaly souřadnice navrhovaného sloučení, budou mít v těchto sekundách čas otočit se požadovaným směrem a začít fotografovat oblohu před optickým výbuchem. začíná.

Za druhé, výbuch gravitační vlny nám umožní dozvědět se nové věci o neutronových hvězdách. Sloučení neutronových hvězd je ve skutečnosti nejnovějším a nejextrémnějším experimentem na neutronových hvězdách, který nám příroda může provést, a my jako diváci budeme muset jen pozorovat výsledky. Pozorovací důsledky takového sloučení se mohou lišit (obrázek 10) a sběrem jejich statistik můžeme lépe porozumět chování neutronových hvězd v tak exotických prostředích. Přehled současného stavu věcí v tomto směru lze nalézt v nedávné publikaci S. Rosswoga, 2015. Multi-messenger obraz kompaktních binárních fúzí.

Za třetí, záznam výbuchu, který pocházel ze supernovy, a jeho porovnání s optickými pozorováními konečně umožní detailně porozumět tomu, co se děje uvnitř, na samém začátku kolapsu. Nyní mají fyzici stále potíže s numerickým modelováním tohoto procesu.

Za čtvrté, fyzici zabývající se teorií gravitace mají kýženou „laboratoř“ pro studium účinků silné gravitace. Až dosud všechny účinky obecné teorie relativity, které jsme mohli přímo pozorovat, souvisely s gravitací ve slabých polích. Co se stane v podmínkách silné gravitace, kdy deformace časoprostoru začnou silně interagovat sami se sebou, jsme mohli hádat pouze z nepřímých projevů, přes optickou ozvěnu kosmických katastrof.

Za páté, zdá se novou příležitost testovat exotické teorie gravitace. Takových teorií je v moderní fyzice již mnoho, viz např. jim věnovaná kapitola z oblíbené knihy A. N. Petrova „Gravitace“. Některé z těchto teorií se podobají konvenční obecné teorii relativity v limitu slabých polí, ale mohou být velmi odlišné, když se gravitace stane velmi silnou. Jiní připouštějí existenci nového typu polarizace pro gravitační vlny a předpovídají rychlost mírně odlišnou od rychlosti světla. Konečně existují teorie, které zahrnují další prostorové dimenze. Co se o nich dá říci na základě gravitačních vln, je otevřená otázka, ale je jasné, že z některých informací se zde dá vytěžit. Doporučujeme také přečíst si názor samotných astrofyziků na to, co se změní s objevem gravitačních vln, ve výběru na Postnauce.

Plány do budoucna

Vyhlídky pro astronomii gravitačních vln jsou velmi vzrušující. Nyní je dokončeno pouze první, nejkratší pozorování detektoru aLIGO - a již pro toto krátký čas byl přijat jasný signál. Přesnější by bylo říci toto: první signál byl zachycen ještě před oficiálním zahájením a spolupráce zatím nehlásila všechny čtyři měsíce práce. Kdo ví, možná už tam je několik dalších špiček? Tak či onak, ale dále, jak se bude zvyšovat citlivost detektorů a rozšiřovat se část vesmíru dostupná pro pozorování gravitačních vln, počet zaznamenaných událostí poroste jako lavina.

Očekávaný rozvrh relace pro síť LIGO-Virgo je znázorněn na Obr. 11. Druhé, šestiměsíční sezení začne na konci tohoto roku, třetí sezení potrvá téměř celý rok 2018 a v každé fázi se bude zvyšovat citlivost detektoru. Kolem roku 2020 by mělo aLIGO dosáhnout své plánované citlivosti, která umožní detektoru sondovat vesmír na sloučení neutronových hvězd vzdálených od nás ve vzdálenostech až 200 Mpc. Pro ještě energetičtější události sloučení černých děr může citlivost dosáhnout téměř gigaparsec. Tak či onak, objem vesmíru, který je k dispozici pro pozorování, se ve srovnání s prvním sezením desetinásobně zvětší.

Později v tomto roce vstoupí do hry také přepracovaná italská laboratoř Virgo. Jeho citlivost je o něco menší než u LIGO, ale stále docela slušná. Díky triangulační metodě umožní trojice detektorů rozmístěných v prostoru mnohem lépe rekonstruovat polohu zdrojů na nebeské sféře. Pokud nyní se dvěma detektory oblast lokalizace dosahuje stovek čtverečních stupňů, pak ji tři detektory zmenší na desítky. Kromě toho se v současnosti staví podobná gravitační vlnová anténa KAGRA v Japonsku, která zahájí provoz za dva až tři roky a v Indii se kolem roku 2022 plánuje spuštění detektoru LIGO-India. Výsledkem je, že po několika letech bude fungovat celá síť detektorů gravitačních vln, které budou pravidelně zaznamenávat signály (obr. 13).

A konečně existují plány na vypuštění gravitačních vln do vesmíru, zejména projekt eLISA. Před dvěma měsíci byla na oběžnou dráhu vypuštěna první testovací družice, jejímž úkolem bude testování technologií. Skutečná detekce gravitačních vln je ještě daleko. Ale když tato skupina satelitů začne shromažďovat data, otevře další okno do vesmíru - prostřednictvím nízkofrekvenčních gravitačních vln. Tento celovlnový přístup ke gravitačním vlnám je hlavním dlouhodobým cílem oboru.

Paralely

Objev gravitačních vln byl potřetí v historii minulé roky případ, kdy fyzici konečně prolomili všechny překážky a dostali se k dříve neznámým jemnostem struktury našeho světa. V roce 2012 byl objeven Higgsův boson, částice předpovězená téměř před půl stoletím. V roce 2013 detektor neutrin IceCube prokázal realitu astrofyzikálních neutrin a začal se „dívat na vesmír“ zcela novým, dříve nepřístupným způsobem – prostřednictvím vysokoenergetických neutrin. A nyní příroda opět podlehla člověku: otevřelo se gravitační vlnové „okno“ pro pozorování vesmíru a zároveň se účinky silné gravitace staly dostupnými pro přímé studium.

Nutno říci, že zde nikde nebyla žádná „volno“ z přírody. Hledání probíhalo velmi dlouho, ale nepřineslo žádné výsledky, protože tehdy, před desítkami let, zařízení nedosáhlo výsledku, pokud jde o energii, měřítko nebo citlivost. K cíli vedl neustálý, cílený vývoj technologií, vývoj, který nezastavily ani technické potíže, ani negativní výsledky minulých let.

A ve všech třech případech samotný fakt objevování nebyl koncem, ale naopak začátkem nového směru bádání, stal se novým nástrojem pro sondování našeho světa. Vlastnosti Higgsova bosonu se staly dostupnými pro měření – a v těchto datech se fyzici snaží rozeznat účinky Nové fyziky. Díky zvýšené statistice vysokoenergetických neutrin podniká neutrinová astrofyzika své první kroky. Přinejmenším totéž se nyní očekává od astronomie gravitačních vln a existují všechny důvody k optimismu.

Prameny:
1) LIGO Scientific Coll. a Panna Coll. Pozorování gravitačních vln ze sloučení binárních černých děr // Phys. Rev. Lett. Publikováno 11. února 2016.
2) Detection Papers – seznam technických článků doprovázejících hlavní objevný článek.
3) E. Berti. Pohled: První zvuky sloučení černých děr // Fyzika. 2016. V. 9. N. 17.

Zkontrolovat materiály:
1) David Blair a kol. Astronomie gravitačních vln: současný stav // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott a LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration. Vyhlídky na pozorování a lokalizaci přechodných jevů gravitačních vln pomocí Advanced LIGO a Advanced Virgo // Living Rev. Relativita. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Minulost, současnost a budoucnost detektorů rezonančních gravitačních vln // Res. Astron. Astrophys. 2011. V. 11. N. 1.
4) Hledání gravitačních vln - výběr materiálů na webu časopisu Věda na hledání gravitačních vln.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Detekce gravitačních vln pomocí interferometrie (země a vesmír) // arXiv:1102.3355.
6) V. B. Braginskij. Gravitační vlnová astronomie: nové metody měření // UFN. 2000. T. 170. s. 743–752.
7) Peter R. Saulson.

Účastníci vědeckého experimentu LIGO, kterého se účastní i ruští fyzici, oznámili, že americké observatoře zachytily gravitační vlny generované srážkou dvou černých děr.

Gravitační vlny byly zaznamenány 14. září 2015, o čemž informovali 11. února 2016 na speciální tiskové konferenci zástupci LIGO ve Washingtonu. Zpracování a ověření výsledků vědcům trvalo šest měsíců. To lze zvážit oficiální otevření gravitační vlny, protože byly poprvé přímo zaznamenány na Zemi. Výsledky práce byly publikovány v časopise Physical Review Letters.

Fyzici z Moskevské státní univerzity na tiskové konferenci. Foto Maxim Abaev.

Schéma interferometrů a jejich umístění na schematické mapě Spojených států. Hmotnosti zkušebního zrcátka na obrázku se nazývají zkušební hmotnost.

Testovací hmoty, známé také jako interferometrová zrcadla, jsou vyrobeny z taveného křemene. Foto: www.ligo.caltech.edu

Numerická simulace gravitačních vln z přibližujících se černých děr. Obrázek: Physical Review Letters http://physics.aps.org/articles/v9/17

Observatoř LIGO poblíž Livingstonu v Louisianě. Foto: www.ligo.caltech.edu

Tím byl vyřešen jeden z nejdůležitějších problémů, kterým fyzikové čelili za posledních 100 let. Existenci gravitačních vln předpovídá obecná teorie relativity (GTR), kterou v letech 1915-1916 vypracoval Albert Einstein, základní fyzikální teorie, která popisuje strukturu a vývoj našeho světa. Obecná teorie relativity je v podstatě teorií gravitace, která prokazuje její spojení s vlastnostmi časoprostoru. Masivní tělesa v něm produkují změny, které se běžně nazývají zakřivení časoprostoru. Pokud se tato tělesa pohybují s proměnným zrychlením, pak vznikají šířící se změny v časoprostoru, které se nazývají gravitační vlny.

Problém s jejich registrací je, že gravitační vlny jsou velmi slabé a jejich detekce z jakéhokoli pozemského zdroje je téměř nemožná. V průběhu let nebyly detekovány ani z většiny vesmírných objektů. Naděje zbývaly jen pro gravitační vlny z velkých kosmických katastrof, jako jsou výbuchy supernov, srážky neutronových hvězd nebo černé díry. Tyto naděje se naplnily. V této práci byly gravitační vlny objeveny právě ze spojení dvou černých děr.

Pro detekci gravitačních vln byl v roce 1992 navržen grandiózní projekt nazvaný LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Technologie pro něj se vyvíjela téměř dvacet let. A realizovala ho dvě z největších výzkumných center ve Spojených státech – California a Massachusetts Institute of Technology. Celkový vědecký tým, spolupráce LIGO, zahrnuje asi 1000 vědců z 16 zemí. Rusko v něm zastupuje Moskva Státní univerzita a Ústav aplikované fyziky RAS (Nižnij Novgorod)

LIGO zahrnuje observatoře ve státech Washington a Louisiana, které se nacházejí ve vzdálenosti 3000 km, což je Michelsonův interferometr ve tvaru L se dvěma rameny dlouhými 4 km. Laserový paprsek, procházející soustavou zrcadel, je rozdělen na dva paprsky, z nichž každý se šíří ve vlastním rameni. Odrážejí se od zrcadel a vracejí se zpět. Poté se tyto dvě světelné vlny pohybující se po různých drahách v detektoru sečtou. Zpočátku je systém nakonfigurován tak, aby se vlny vzájemně rušily a detektor nic nezasáhlo. Gravitační vlny mění vzdálenosti mezi testovacími hmotami, které zároveň slouží jako zrcadla interferometru, což vede k tomu, že součet vln již není roven nule a intenzita signálu na fotodetektoru bude úměrná těmto změnám. Tento signál se používá k registraci gravitační vlny.

První, počáteční, etapa měření probíhala v letech 2002-2010 a neumožňovala detekci gravitačních vln. Citlivost přístrojů nestačila (sledovaly směny do 4x10 -18 m). Poté bylo v roce 2010 rozhodnuto zastavit práce a modernizovat zařízení, přičemž se citlivost zvýšila více než 10krát. Vylepšené zařízení, které začalo pracovat ve druhé polovině roku 2015, dokázalo detekovat posun o rekordních 10 -19 m a už během zkušebního provozu vědci čekali na objev z události , který byl po dlouhém studiu identifikován jako sloučení dvou černých děr o hmotnostech 29 a 36 hmotností Slunce.

Souběžně s Washingtonem se v Moskvě konala tisková konference. Na něm účastníci experimentu zastupující Fyzikální fakultu Moskevské státní univerzity hovořili o svém příspěvku k jeho realizaci. Skupina V.B. Braginského se podílela na práci od samého počátku projektu. Fyzici z Moskevské státní univerzity zajistili sestavení složité konstrukce, která se skládá z interferometrových zrcadel, která zároveň slouží jako testovací hmoty.

Kromě toho mezi jejich úkoly patřilo potírání vnějších vibrací (hluků), které by mohly rušit detekci gravitačních vln. Byli to specialisté Moskevské státní univerzity, kteří dokázali, že zařízení by mělo být vyrobeno z taveného křemene, který bude při provozních teplotách vydávat méně hluku než safír navrhovaný jinými výzkumníky. Zejména pro snížení tepelného šumu bylo nutné zajistit, aby oscilace zkušebních hmot zavěšených jako kyvadla na velmi dlouhou dobu neutichly. Fyzici z Moskevské státní univerzity dosáhli doby rozkladu 5 let!

Úspěch měření dá vzniknout nové astronomii gravitačních vln a umožní nám dozvědět se mnoho nového o vesmíru. Snad se fyzikům podaří odhalit některá tajemství temné hmoty a raných fází vývoje Vesmíru a také nahlédnout do oblastí, kde je porušována obecná teorie relativity.

Na základě materiálů z tiskové konference spolupráce LIGO.

11. února 2016 oznámila mezinárodní skupina vědců, mimo jiné z Ruska, na tiskové konferenci ve Washingtonu objev, který dříve nebo později změní vývoj civilizace. Podařilo se v praxi prokázat gravitační vlny nebo vlny časoprostoru. Jejich existenci před 100 lety předpověděl Albert Einstein ve svém.

Nikdo nepochybuje, že tento objev bude oceněn Nobelova cena. Vědci nespěchají mluvit o jeho praktické aplikaci. Připomínají nám ale, že donedávna lidstvo také nevědělo, co dělat s elektromagnetickými vlnami, což nakonec vedlo ke skutečné vědecké a technologické revoluci.

Co jsou to gravitační vlny zjednodušeně

Gravitace a univerzální gravitace- To je to samé. Gravitační vlny jsou jedním z řešení GPV. Musí se šířit rychlostí světla. Vyzařuje ho jakékoli těleso pohybující se s proměnným zrychlením.

Například rotuje na své oběžné dráze s proměnným zrychlením směřujícím ke hvězdě. A toto zrychlení se neustále mění. Sluneční soustava vyzařuje energii v řádu několika kilowattů v gravitačních vlnách. To je zanedbatelné množství, srovnatelné se 3 starými barevnými televizory.

Další věcí jsou dva pulsary (neutronové hvězdy) obíhající kolem sebe. Otáčejí se po velmi blízkých drahách. Takový „pár“ byl objeven astrofyziky a pozorován na dlouhou dobu. Objekty byly připraveny na sebe padat, což nepřímo naznačovalo, že pulsary vyzařují časoprostorové vlny, tedy energii ve svém poli.

Gravitace je gravitační síla. Jsme přitahováni k zemi. A podstatou gravitační vlny je změna tohoto pole, které je extrémně slabé, když k nám dorazí. Vezměte například hladinu vody v nádrži. Síla gravitačního pole je zrychlení volného pádu v určitém bodě. Přes náš rybník běží vlna a najednou se zrychlení volného pádu změní, jen trochu.

Takové experimenty začaly v 60. letech minulého století. Tehdy přišli s tímto: zavěsili obrovský hliníkový válec, chlazený, aby nedocházelo k vnitřním teplotním výkyvům. A čekali, až k nám náhle dorazí vlna ze srážky například dvou masivních černých děr. Výzkumníci byli plní nadšení a řekli, že všechno Země může zažít účinky gravitační vlny přicházející z vesmíru. Planeta začne vibrovat a tyto seismické vlny (kompresní, smykové a povrchové vlny) lze studovat.

Důležitý článek o zařízení jednoduchým jazykem a jak Američané a LIGO ukradli myšlenku sovětských vědců a postavili introferometry, které umožnily objev. Nikdo o tom nemluví, všichni mlčí!

Mimochodem gravitační záření je zajímavější z pozice kosmického mikrovlnného záření pozadí, které se snaží najít změnou spektra elektromagnetického záření. CMB a elektromagnetické záření se objevilo 700 tisíc let po Velkém třesku, tehdy během rozpínání vesmíru, naplněné horkým plynem s putujícími rázovými vlnami, které se později změnily v galaxie. V tomto případě přirozeně mělo být emitováno obrovské množství časoprostorových vln, které ovlivňují vlnovou délku kosmického mikrovlnného záření pozadí, které bylo v té době ještě optické. Ruský astrofyzik Sazhin píše a pravidelně publikuje články na toto téma.

Špatná interpretace objevu gravitačních vln

„Zrcadlo visí, působí na něj gravitační vlna a začíná kmitat. A přístroje zaznamenají i ty nejnepatrnější výkyvy s amplitudou menší než velikost atomového jádra“ – takový nesprávný výklad je například použit v článku na Wikipedii. Nebuďte líní, najděte si článek sovětských vědců z roku 1962.

Za prvé, zrcadlo musí být masivní, aby bylo cítit "vlnění". Za druhé, musí být ochlazen téměř na absolutní nulu (Kelvin), aby se zabránilo jeho vlastním teplotním výkyvům. S největší pravděpodobností nejen v 21. století, ale obecně nikdy nebude možné detekovat elementární částici - nositele gravitačních vln:

, USA
© REUTERS, Prospekt

Gravitační vlny konečně objeveny

Populární věda

Oscilace v časoprostoru jsou objeveny století poté, co je Einstein předpověděl. Začíná nová éra v astronomii.

Vědci objevili kolísání časoprostoru způsobené sloučením černých děr. Stalo se tak sto let poté, co Albert Einstein předpověděl tyto „gravitační vlny“ ve své obecné teorii relativity, a sto let poté, co je fyzici začali hledat.

Tento přelomový objev dnes oznámili vědci z Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Potvrdili fámy, které obklopovaly analýzu prvního souboru dat, které sbírali měsíce. Astrofyzici tvrdí, že objev gravitačních vln poskytuje nový pohled na vesmír a schopnost rozpoznat vzdálené události, které nelze vidět optickými dalekohledy, ale lze je cítit a dokonce i slyšet, když se k nám jejich slabé vibrace dostávají vesmírem.

„Zaznamenali jsme gravitační vlny. Dokázali jsme to!" "David Reitze, výkonný ředitel výzkumného týmu o 1000 lidech, dnes oznámil na tiskové konferenci ve Washingtonu v National Science Foundation.

Gravitační vlny jsou možná nejpolapitelnějším jevem Einsteinových předpovědí a vědec na toto téma debatoval se svými současníky po celá desetiletí. Podle jeho teorie tvoří prostor a čas roztažitelnou hmotu, která se vlivem těžkých předmětů ohýbá. Cítit gravitaci znamená spadnout do záhybů této hmoty. Ale může se tento časoprostor chvět jako kůže bubnu? Einstein byl zmatený, nevěděl, co jeho rovnice znamenají. A několikrát změnil svůj úhel pohledu. Ale i ti nejzarytější zastánci jeho teorie věřili, že gravitační vlny jsou v každém případě příliš slabé na to, aby je bylo možné pozorovat. Po určitých kataklyzmatech se řítí ven a jak se pohybují, střídavě se natahují a stlačují časoprostor. Ale než tyto vlny dosáhnou Země, protáhly a stlačily každý kilometr vesmíru o nepatrný zlomek průměru atomového jádra.

© REUTERS, Hangout LIGO Observatory detektor v Hanfordu, Washington

Detekce těchto vln vyžadovala trpělivost a opatrnost. Observatoř LIGO vystřelovala laserové paprsky sem a tam podél čtyřkilometrových (4kilometrových) úhlových ramen dvou detektorů, jednoho v Hanfordu ve Washingtonu a druhého v Livingstonu v Louisianě. To bylo provedeno při hledání shodných expanzí a kontrakcí těchto systémů během průchodu gravitačních vln. Pomocí nejmodernějších stabilizátorů, vakuových přístrojů a tisíců senzorů vědci měřili změny v délce těchto systémů, které dosahovaly velikosti jedné tisíciny protonu. Taková citlivost přístrojů byla před sto lety nemyslitelná. Neuvěřitelné se to zdálo také v roce 1968, kdy Rainer Weiss z Massachusetts Institute of Technology vymyslel experiment nazvaný LIGO.

„Je to velký zázrak, že se jim to nakonec povedlo. Dokázali detekovat tyto drobné vibrace!“ řekl teoretický fyzik Daniel Kennefick z University of Arkansas, který v roce 2007 napsal knihu Traveling at the Speed ​​of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves.

Tento objev znamenal začátek nové éry astronomie gravitačních vln. Doufáme, že lépe porozumíme vzniku, složení a galaktické roli černých děr – těch superhustých koulí hmoty, které ohýbají časoprostor tak dramaticky, že ani světlo nemůže uniknout. Když se černé díry přiblíží k sobě a spojí se, produkují pulzní signál – časoprostorové oscilace, jejichž amplituda a tón se zvětší, než náhle skončí. Signály, které může observatoř zaznamenat, jsou v audio dosahu – jsou však příliš slabé na to, aby je bylo možné slyšet pouhým uchem. Tento zvuk můžete znovu vytvořit přejížděním prsty po klávesách klavíru. "Začněte od nejnižšího tónu a postupujte až ke třetí oktávě," řekl Weiss. "To je to, co slyšíme."

Fyzici jsou již nyní překvapeni množstvím a silou signálů, které byly dosud zaznamenány. To znamená, že na světě je více černých děr, než se dříve myslelo. "Měli jsme štěstí, ale s takovým štěstím jsem vždy počítal," řekl astrofyzik Kip Thorne, který pracuje na Kalifornském technologickém institutu a vytvořil LIGO s Weissem a Ronaldem Dreverem, také ve společnosti Caltech. "To se obvykle stává, když se ve vesmíru otevře úplně nové okno."

Posloucháním gravitačních vln si můžeme vytvořit úplně jiné představy o vesmíru a možná objevit nepředstavitelné vesmírné jevy.

"Mohu to přirovnat k tomu, když jsme poprvé namířili dalekohled na oblohu," řekla teoretická astrofyzička Janna Levinová z Barnard College na Kolumbijské univerzitě. "Lidé si uvědomili, že tam něco je a že to lze vidět, ale nedokázali předpovědět neuvěřitelnou škálu možností, které ve vesmíru existují." Stejně tak, poznamenal Levine, objev gravitačních vln by mohl ukázat, že vesmír je „plný temné hmoty, kterou nemůžeme snadno detekovat teleskopem“.

Příběh o objevu první gravitační vlny začal v pondělí ráno v září a začal třeskem. Signál byl tak jasný a hlasitý, že si Weiss pomyslel: "Ne, to je nesmysl, nic z toho nebude."

Intenzita emocí

Tato první gravitační vlna se prohnala vylepšenými detektory LIGO – nejprve v Livingstonu a o sedm milisekund později v Hanfordu – během simulace počátkem 14. září, dva dny před oficiální začátek sběr dat.

Detektory byly testovány po modernizaci, která trvala pět let a stála 200 milionů dolarů. Jsou vybaveny novými závěsy zrcátek pro snížení hluku a systémem aktivní zpětné vazby pro potlačení cizích vibrací v reálném čase. Modernizace dala vylepšené hvězdárně více vysoká úroveň citlivost ve srovnání se starým LIGO, které v letech 2002 až 2010 nacházelo „absolutní a čistou nulu“, jak řekl Weiss.

Když v září dorazil silný signál, vědci v Evropě, kde v tu chvíli bylo ráno, začali spěšně bombardovat své americké kolegy zprávami e-mailem. Když se zbytek skupiny probral, zpráva se šířila velmi rychle. Podle Weisse byli téměř všichni skeptičtí, zvláště když viděli signál. Byla to opravdová učebnicová klasika, a proto si někteří lidé mysleli, že jde o padělek.

Nepravdivá tvrzení při hledání gravitačních vln se opakovaně objevují od konce 60. let, kdy si Joseph Weber z Marylandské univerzity myslel, že objevil rezonanční vibrace v hliníkovém válci obsahujícím senzory v reakci na vlny. V roce 2014 experiment nazvaný BICEP2 oznámil objev prvotních gravitačních vln – časoprostorových vln z Velkého třesku, které se nyní protáhly a trvale zamrzly v geometrii vesmíru. Vědci z týmu BICEP2 svůj objev s velkou pompou oznámili, poté však byly jejich výsledky podrobeny nezávislému ověření, při kterém se ukázalo, že se spletli a signál pochází z kosmického prachu.

Když se kosmolog Lawrence Krauss z Arizonské státní univerzity doslechl o objevu týmu LIGO, zpočátku si myslel, že jde o „slepý podvod“. Během provozu staré observatoře byly simulované signály tajně vloženy do datových toků, aby se otestovala odezva, aniž by o tom většina týmu věděla. Když se Krauss od znalého zdroje dozvěděl, že tentokrát nešlo o „vhození naslepo“, jen stěží ovládl radostné vzrušení.

25. září řekl svým 200 000 příznivcům na Twitteru: „Pověsti o tom, že detektor LIGO zachytil gravitační vlnu. Úžasné, pokud je to pravda. Dám ti podrobnosti, jestli to není padělek." Následuje zápis z 11. ledna: „Předchozí fámy o LIGO byly potvrzeny nezávislými zdroji. Sledujte novinky. Možná byly objeveny gravitační vlny!“

Oficiální stanovisko vědců bylo toto: nemluvte o přijímaném signálu, dokud není stoprocentní jistota. Thorne, spoutaný touto povinností mlčenlivosti, nic neřekl ani své ženě. "Slavil jsem sám," řekl. Pro začátek se vědci rozhodli vrátit na úplný začátek a analyzovat vše do nejmenších detailů, aby zjistili, jak se signál šíří tisíci měřicích kanálů různých detektorů, a pochopili, zda na nich není něco divného. v okamžiku, kdy byl signál detekován. Nenašli nic neobvyklého. Vyloučili také hackery, kteří by měli nejlepší znalosti o tisících datových toků v experimentu. "I když tým provádí slepé vhazování, nejsou dostatečně dokonalé a zanechávají spoustu stop," řekl Thorne. "Ale nebyly tu žádné stopy."

V následujících týdnech slyšeli další, slabší signál.

Vědci analyzovali první dva signály a přicházely stále nové a nové. Svůj výzkum prezentovali v lednu v časopise Physical Review Letters. Toto číslo dnes vychází online. Podle jejich odhadů statistická významnost prvního, nejsilnějšího signálu přesahuje 5-sigma, což znamená, že výzkumníci jsou si na 99,9999 % jisti jeho pravostí.

Poslouchání gravitace

Einsteinovy ​​rovnice obecné relativity jsou tak složité, že většině fyziků trvalo 40 let, než se shodli: ano, gravitační vlny existují a lze je detekovat – dokonce i teoreticky.

Zpočátku si Einstein myslel, že objekty nemohou uvolňovat energii ve formě gravitačního záření, ale pak změnil svůj úhel pohledu. Ve své přelomové práci napsané v roce 1918 ukázal, které objekty to dokážou: systémy ve tvaru činky, které se současně otáčejí kolem dvou os, jako je dvojitá a supernovy, explodující jako petardy. Mohou generovat vlny v časoprostoru.

© REUTERS, Prospekt Počítačový model, ilustrující povahu gravitačních vln ve sluneční soustavě

Einstein a jeho kolegové ale nadále váhali. Někteří fyzici tvrdili, že i kdyby vlny existovaly, svět by vibroval spolu s nimi a nebylo by možné je vnímat. Až v roce 1957 Richard Feynman uvedl věc do klidu tím, že v myšlenkovém experimentu prokázal, že pokud gravitační vlny existují, teoreticky je lze detekovat. Ale nikdo nevěděl, jak běžné jsou tyto činkové systémy vesmír a jak silné nebo slabé jsou výsledné vlny. "Otázka nakonec zněla: Budeme je někdy schopni odhalit?" řekl Kennefick.

V roce 1968 byl Rainer Weiss mladým profesorem na MIT a byl pověřen vyučováním kurzu obecné teorie relativity. Jako experimentátor o tom věděl jen málo, ale najednou se objevily zprávy o Weberově objevu gravitačních vln. Weber postavil tři stolní rezonanční detektory z hliníku a umístil je do různých amerických států. Nyní oznámil, že všechny tři detektory zaznamenaly „zvuk gravitačních vln“.

Weissovi studenti byli požádáni, aby vysvětlili podstatu gravitačních vln a vyjádřili svůj názor na sdělení. Když studoval detaily, byl ohromen složitostí matematických výpočtů. „Nedokázal jsem přijít na to, co Weber sakra dělal, jak senzory interagovaly s gravitační vlnou. Dlouho jsem seděl a ptal se sám sebe: "Jaká je nejprimitivnější věc, kterou mohu vymyslet, která dokáže detekovat gravitační vlny?" A pak jsem přišel s nápadem, kterému říkám koncepční základ LIGO."

Představte si tři objekty v časoprostoru, řekněme zrcadla v rozích trojúhelníku. "Vyšlete světelný signál z jednoho do druhého," řekl Weber. "Podívejte se, jak dlouho trvá přesun z jedné hmoty do druhé, a zkontrolujte, zda se nezměnil čas." Ukázalo se, že to lze udělat rychle, poznamenal vědec. „Zadal jsem to svým studentům jako výzkumný úkol. Tyto výpočty byla schopna provést doslova celá skupina.

V následujících letech, když se jiní výzkumníci pokoušeli replikovat výsledky Weberova experimentu s rezonančním detektorem, ale neustále selhali (není jasné, co pozoroval, ale nebyly to gravitační vlny), začal Weiss připravovat mnohem přesnější a ambicióznější experiment: gravitační- vlnový interferometr. Laserový paprsek se odráží od tří zrcadel instalovaných ve tvaru písmene „L“ a tvoří dva paprsky. Interval mezi vrcholy a prohlubněmi světelných vln přesně udává délku ramen písmene „L“, které tvoří osy X a Y časoprostoru. Když je stupnice nehybná, dvě světelné vlny se odrážejí od rohů a vzájemně se ruší. Signál v detektoru je nulový. Pokud ale gravitační vlna prochází Zemí, natáhne délku jednoho ramene písmene „L“ a stlačí délku druhého (a naopak). Nesoulad dvou světelných paprsků vytváří v detektoru signál, indikující mírné kolísání časoprostoru.

Zpočátku kolegové fyzikové vyjadřovali skepsi, ale experiment brzy získal podporu od Thorna, jehož tým teoretiků na Caltechu studoval černé díry a další potenciální zdroje gravitačních vln, stejně jako signály, které generují. Thorne se inspiroval Weberovým experimentem a podobným úsilím ruských vědců. Po rozhovoru s Weissem na konferenci v roce 1975 jsem „začal věřit, že detekce gravitačních vln bude úspěšná,“ řekl Thorne. "A chtěl jsem, aby toho součástí byl i Caltech." Zařídil, aby institut najal skotského experimentátora Ronalda Dreavera, který také řekl, že postaví interferometr gravitačních vln. Postupem času začali Thorne, Driver a Weiss pracovat jako tým, přičemž každý řešil svůj díl nesčetných problémů v rámci přípravy na praktický experiment. Tato trojice vytvořila LIGO v roce 1984, a jakmile byly postaveny prototypy a začala spolupráce v rámci stále se rozšiřujícího týmu, dostali na začátku 90. let finanční prostředky ve výši 100 milionů dolarů od National Science Foundation. Byly vypracovány plány pro konstrukci dvojice obřích detektorů ve tvaru L. O deset let později začaly detektory fungovat.

V Hanfordu a Livingstonu je ve středu každého ze čtyřkilometrových ramen detektoru vakuum, díky kterému jsou laser, jeho paprsek a zrcadla maximálně izolovány od neustálých vibrací planety. Aby si vědci z LIGO ještě více zajistili své sázky, monitorují své detektory, protože pracují s tisíci přístrojů a měří vše, co mohou: seismickou aktivitu, barometrický tlak, blesky, kosmické záření, vibrace zařízení, zvuky v blízkosti laserového paprsku atd. na. Poté filtrují svá data z tohoto cizího šumu na pozadí. Možná hlavní věc je, že mají dva detektory, což jim umožňuje porovnávat přijatá data a kontrolovat je na přítomnost odpovídajících signálů.

Kontext

Gravitační vlny: dokončily to, co Einstein začal v Bernu

SwissInfo 13.02.2016

Jak umírají černé díry

Střední 19.10.2014
Uvnitř vytvořeného vakua, i když jsou lasery a zrcadla zcela izolované a stabilizované, „se neustále dějí podivné věci,“ říká Marco Cavaglià, zástupce mluvčího LIGO. Vědci musí sledovat tyto "zlaté rybky", "duchy", "obskurní mořské příšery" a další vnější vibrační jevy a zjistit jejich zdroj, aby je odstranili. Během testovací fáze došlo k jednomu obtížnému incidentu, řekla výzkumná pracovnice LIGO Jessica McIver, která takové vnější signály a interference studuje. Mezi údaji se často objevovala série periodických jednofrekvenčních šumů. Když ona a její kolegové převedli vibrace ze zrcadel na zvukové soubory, „bylo zřetelně slyšet zvonění telefonu,“ řekl McIver. "Ukázalo se, že to byli komunikační inzerenti, kteří telefonovali uvnitř laserové místnosti."

Během příštích dvou let budou vědci pokračovat ve zlepšování citlivosti vylepšených detektorů laserového interferometru Gravitational-Wave Observatory společnosti LIGO. A v Itálii začne fungovat třetí interferometr s názvem Advanced Virgo. Jednou z odpovědí, které data pomohou poskytnout, je, jak se tvoří černé díry. Jsou produktem kolapsu nejstarších hmotných hvězd, nebo jsou produkovány srážkami v hustých hvězdokupách? "To jsou jen dva dohady, věřím, že jich bude víc, až se všichni uklidní," říká Weiss. Když nadcházející práce LIGO začne shromažďovat nové statistiky, vědci začnou naslouchat příběhům, které jim kosmos našeptává o původu černých děr.

Soudě podle tvaru a velikosti, první, nejhlasitější pulzní signál pocházel 1,3 miliardy světelných let, odkud po věčnosti, pomalý tanec Pod vlivem vzájemné gravitační přitažlivosti se nakonec spojily dvě černé díry, každá o hmotnosti asi 30násobku hmotnosti Slunce. Černé díry kroužily stále rychleji, jako vír, postupně se přibližovaly. Pak došlo ke sloučení a mrknutím oka uvolnili gravitační vlny s energií srovnatelnou s energií tří Sluncí. Toto sloučení bylo nejsilnějším energetickým fenoménem, ​​jaký byl kdy zaznamenán.

"Je to, jako bychom nikdy neviděli oceán během bouře," řekl Thorne. Na tuto bouři v časoprostoru čekal od 60. let minulého století. Pocit, který Thorne cítil, když se ty vlny valily dovnitř, nebyl zrovna vzrušení, říká. Bylo to něco jiného: pocit hlubokého zadostiučinění.

Materiály InoSMI obsahují hodnocení výhradně zahraničních médií a neodrážejí postoj redakce InoSMI.