Што такое гравітацыйная хваля?

Афіцыйным днём адкрыцця (дэтэктавання) гравітацыйных хваль лічыцца 11 лютага 2016 года. Менавіта тады, на якая адбылася ў Вашынгтоне прэс-канферэнцыі, кіраўнікамі калабарацыі LIGO было абвешчана, што калектыву даследнікаў атрымалася ўпершыню ў гісторыі чалавецтва зафіксаваць гэта з'ява.

Прароцтва вялікага Эйнштэйна

Пра тое, што гравітацыйныя хвалі існуюць, яшчэ ў пачатку мінулага стагоддзя (1916 г.) выказаў здагадку Альберт Эйнштэйн у рамках сфармуляванай ім Агульнай тэорыі адноснасці (АТА). Застаецца толькі дзівіцца геніяльным здольнасцях знакамітага фізіка, які пры мінімуме рэальных дадзеных змог зрабіць такія далёкасяжныя высновы. Сярод мноства іншых прадказаны фізічных з'яў, якія знайшлі пацверджанне ў наступнае стагоддзе (запаволенне плыні часу, змяненне напрамкі электрамагнітнага выпраменьвання ў гравітацыйных палях і інш.) Практычна выявіць наяўнасць гэтага тыпу хвалевага ўзаемадзеяння тэл да апошняга часу не ўдавалася.

Гравітацыя - ілюзія?

Наогул, у святле Тэорыі адноснасці гравітацыю складана назваць сілай. Гэта следства абурэння ці скрыўлення прасторава-часавага кантынууму. Добрым прыкладам, які ілюструе дадзены пастулат, можа служыць нацягнуты кавалак тканіны. Пад цяжарам размешчанага на такой паверхні масіўнага прадмета ўтворыцца паглыбленне. Іншыя аб'екты пры руху паблізу гэтай анамаліі будуць змяняць траекторыю свайго руху, як бы "прыцягваючы". І чым больш вага прадмета (больш дыяметр і глыбіня скрыўлення), тым вышэй "сіла прыцягнення". Пры яго руху па тканіны, можна назіраць ўзнікненне разбежнай "рабізны".

Нешта падобнае адбываецца і ў сусветнай прасторы. Любая паскорана рухаецца масіўная матэрыя з'яўляецца крыніцай флуктуацый шчыльнасці прасторы і часу. Гравітацыйная хваля з істотнай амплітудай, утворыцца целамі з надзвычай вялікімі масамі або пры руху з вялізнымі паскарэннямі.

фізічныя характарыстыкі

Ваганні метрыкі прастора-час праяўляюць сябе, як змены поля прыцягнення. Гэта з'ява інакш называюць прасторава-часовай рабізной. Гравітацыйная хваля ўздзейнічае на сустрэтыя цела і аб'екты, сціскаючы і расцягваючы іх. Велічыні дэфармацыі вельмі нязначныя - каля 10 ^-21 ад першапачатковага памеру. Уся цяжкасць выяўлення гэтай з'явы заключалася ў тым, што даследчыкам неабходна было навучыцца вымяраць і фіксаваць падобныя змены з дапамогай адпаведнай апаратуры. Магутнасць гравітацыйнага выпраменьвання таксама надзвычай малая - для ўсёй Сонечнай сістэмы яна складае некалькі кілават.

Хуткасць распаўсюджвання гравітацыйных хваляў нязначна залежыць ад уласцівасцяў праводзіць асяроддзя. Амплітуда ваганняў з выдаленнем ад крыніцы паступова памяншаецца, але ніколі не дасягае нулявога значэння. Частата ляжыць у дыяпазоне ад некалькіх дзесяткаў да соцень герц. Хуткасць гравітацыйных хваль у міжзоркавай асяроддзі набліжаецца да хуткасці святла.

ускосныя доказы

Упершыню тэарэтычнае пацверджанне існавання хваляў прыцягнення ўдалося атрымаць амерыканскаму астраному Джозафу Тэйлару і яго асістэнту Расэл Халса ў 1974 годзе. Вывучаючы прасторы Сусвету з дапамогай радыётэлескопа абсерваторыі Арэсіба (Пуэрта-Рыка), даследчыкі адкрылі пульсар PSR B1913 + 16, які ўяўляе сабой двайную сістэму нейтронных зорак, якія верцяцца вакол агульнага цэнтра мас з пастаяннай кутняй хуткасцю (даволі рэдкі выпадак). Штогод перыяд звароту, першапачаткова які складае 3,75 гадзіны, скарачаецца на 70 мс. Гэта значэнне цалкам адпавядае высноў з раўнанняў АМАіК, прадказвалыя павелічэнне хуткасці кручэння падобных сістэм з прычыны выдаткоўвання энергіі на генерацыю гравітацыйных хваль. У далейшым было выяўлена некалькі падвойных пульсараў і белых карлікаў з аналагічным паводзінамі. Радыёастраноміі Д. Тэйлару і Р. Халса ў 1993 годзе была прысуджана Нобелеўская прэмія па фізіцы за адкрыццё новых магчымасцяў вывучэння палёў прыцягнення.

Выслізгвалая гравітацыйная хваля

Першая заява аб дэтэктаванні хваляў прыцягнення паступіла ад вучонага Мэрылендскага універсітэта Джозэфа Вебера (ЗША) у 1969 годзе. Для гэтых мэтаў ён выкарыстаў дзве гравітацыйныя антэны уласнай канструкцыі, разнесеныя на адлегласць у два кіламетры. Рэзанансны дэтэктар ўяўляў сабой добра виброизолированный суцэльны двухметровы цыліндр з алюмінія, абсталяваны адчувальнымі пьезодатчиками. Амплітуда, нібыта зафіксаваных Вэберам ваганняў аказалася больш чым у мільён разоў вышэй чаканага значэння. Спробы іншых навукоўцаў з дапамогай падобнага абсталявання паўтарыць "поспех" амерыканскага фізіка станоўчых вынікаў не прынеслі. Праз некалькі гадоў працы Вебера ў дадзенай вобласці былі прызнаныя незаможнымі, але далі штуршок развіцця "гравітацыйным буму", якія прыцягнулі ў гэтую вобласць даследаванняў многіх спецыялістаў. Дарэчы, сам Джозэф Вэбер да канца сваіх дзён быў упэўнены, што прымаў гравітацыйныя хвалі.

Удасканаленне прыёмнага абсталявання

У 70-х гадах вучоны Біл Фэйрбанк (ЗША) распрацаваў канструкцыю гравітацыйна-хвалевай антэны, охлаждаемой вадкім геліем з ужываннем сквидов - звышадчувальных магнитомеров. Існуючыя на той момант тэхналогіі не дазволілі ўбачыць вынаходніку свой выраб, рэалізаванае ў "метале".

Па такім прынцыпе выкананы гравітацыйны дэтэктар Auriga ў Нацыянальнай леньярской лабараторыі (Падуя, Італія). У аснове канструкцыі алюмініева-магніевы цыліндр, даўжынёй 3 метра і дыяметрам 0,6 м. Прыёмнае прылада масай 2,3 тоны падвешанае ў ізаляванай, астуджанай амаль да абсалютнага нуля вакуумнай камеры. Для фіксацыі і дэтэктавання скалынанняў выкарыстоўваецца дапаможны кілаграмовы рэзанатар і вымяральны комплекс на аснове ЭВМ. Заяўленая адчувальнасць абсталявання 10 ^-20.

інтэрфераметрыя

У аснову функцыянавання інтэрферэнцыйных дэтэктараў гравітацыйных хваляў закладзены тыя ж прынцыпы, па якіх працуе інтэрфераметрыі Майкельсона. Выпусканых крыніцай лазерны прамень дзеліцца на два патокі. Пасля шматразовых адлюстраванняў і падарожжаў па плячах прылады патокі зноў зводзяцца разам, і па выніковым інтэрферэнцыйнай малюнку судзяць аб тым, ўздзейнічалі на ход прамянёў якія-небудзь абурэння (напрыклад, гравітацыйная хваля). Падобнае абсталяванне створана ў многіх краінах:

• GEO 600 (Гановер, Германія). Даўжыня вакуумных тунэляў 600 метраў.
• Тама (Японія) з плячыма ў 300 м.
• VIRGO (Піза, Італія) - сумесны франка-італьянскі праект, запушчаны ў 2007 годзе з трохкіламетровай тунэлямі.
• LIGO (ЗША, Ціхаакіянскае ўзбярэжжа), вядучы паляванне за хвалямі прыцягнення з 2002 года.

Апошні варта разгледзець больш падрабязна.

LIGO Advanced

Праект быў створаны па ініцыятыве навукоўцаў Масачусецкага і Каліфарнійскага тэхналагічных інстытутаў. Ўключае ў сябе дзве абсерваторыі, разнесеныя на 3 тыс. Км, у штатах Луізіяна і Вашынгтон (горада Лівінгстан і Хэнфорд) з трыма ідэнтычнымі інтэрфераметрыі. Даўжыня перпендыкулярных вакуумных тунэляў складае 4 тыс. Метраў. Гэта самыя вялікія на сённяшні момант дзейсныя падобныя збудаванні. Да 2011 года шматлікія спробы выяўлення хваляў прыцягнення ніякіх вынікаў не прынеслі. Праведзеная істотная мадэрнізацыя (Advanced LIGO) падвысіла адчувальнасць абсталявання ў дыяпазоне 300-500 Гц больш чым у пяць разоў, а ў нізкачашчыннай вобласці (да 60 Гц) амаль на парадак, дасягнуўшы гэтак жаданай велічыні ў 10 ^-21. Абноўлены праект стартаваў у верасні 2015 года, і намаганні больш чым тысячы супрацоўнікаў калабарацыі былі ўзнагароджаныя атрыманымі вынікамі.

Гравітацыйныя хвалі выяўленыя

14 верасня 2015 года ўдасканаленыя дэтэктары LIGO з інтэрвалам у 7 мс зафіксавалі якія дайшлі да нашай планеты гравітацыйныя хвалі ад найбуйнейшага з'явы, што адбыўся на ўскраінах назіранай Сусвету - зліцця двух буйных чорных дзюр з масамі ў 29 і 36 разоў перавышаюць масу Сонца. У ходзе працэсу, які адбыўся больш за 1,3 млрд гадоў назад, за лічаныя долі секунды на выпраменьванне хваляў прыцягнення было выдаткавана каля трох сонечных мас рэчывы. Зафіксаваная пачатковая частата гравітацыйных хваль складала 35 Гц, а максімальнае пікавае значэнне дасягнула адзнакі ў 250 Гц.

Атрыманыя вынікі неаднаразова падвяргаліся ўсебаковай праверцы і апрацоўцы, старанна адсякаецца альтэрнатыўныя інтэрпрэтацыі атрыманых дадзеных. Нарэшце, 11 лютага мінулага года аб прамой рэгістрацыі прадказанага Эйнштэйнам з'явы было абвешчана сусветнай супольнасці.

Факт, які ілюструе тытанічную працу даследнікаў: амплітуда ваганняў памераў плячэй інтэрфераметрыі склала 10 ^-19 м - гэта велічыня ў гэтулькі жа раз менш дыяметра атама, у колькі ён сам менш апельсіна.

далейшыя перспектывы

Зробленае адкрыццё яшчэ раз пацвярджае, што Агульная тэорыя адноснасці - не проста набор абстрактных формул, а прынцыпова новы погляд на сутнасць гравітацыйных хваль і гравітацыі ў цэлым.

У далейшых даследаваннях навукоўцы вялікія надзеі ўскладаюць на праект ELSA: стварэнне гіганцкага арбітальнага інтэрфераметрыі з плячыма каля 5 млн км, здольнага выявіць нават нязначныя абурэння палёў прыцягнення. Актывізацыя работ у гэтым кірунку здольная распавесці шмат новага пра асноўныя этапы развіцця Сусвету, аб працэсах, назіранне якіх у традыцыйных дыяпазонах абцяжарана або немагчыма. Несумненна, што і чорныя дзіркі, гравітацыйныя хвалі якіх будуць зафіксаваныя ў будучыні, многае раскажуць пра сваю прыродзе.

Для вывучэння рэліктавага гравітацыйнага выпраменьвання, здольнага распавесці аб першых імгненнях нашага свету пасля Вялікага Выбуху, спатрэбяцца больш адчувальныя касмічныя інструменты. ), но его реализация, по заверениям специалистов, возможна не ранее, чем через 30-40 лет. Такі праект існуе (Big Bang Observer), але яго рэалізацыя, па запэўненнях спецыялістаў, магчымая не раней, чым праз 30-40 гадоў.