Službeni dan otkrića (detekcije) gravitacionih talasa je 11. februar 2016. godine. Tada su, na konferenciji za novinare u Washingtonu, čelnici LIGO kolaboracije objavili da je tim istraživača uspio zabilježiti ovaj fenomen po prvi put u istoriji čovječanstva.
Proročanstva velikog Einsteina
Još početkom prošlog veka (1916.), Albert Ajnštajn je sugerisao da gravitacioni talasi postoje u okviru Opšte teorije relativnosti (GR) koju je on formulisao. Može se samo čuditi briljantnim sposobnostima slavnog fizičara, koji je uz minimum stvarnih podataka uspio izvući tako dalekosežne zaključke. Među mnogim drugim predviđenim fizičkim pojavama koje su potvrđene u narednom veku (usporavanje protoka vremena, promena smera elektromagnetnog zračenja u gravitacionim poljima, itd.), nije bilo moguće praktično detektovati prisustvo ove vrste talasa. interakcija tijela donedavno.
Gravitacija je iluzija?
Općenito, na svjetluTeorija relativnosti teško može nazvati gravitaciju silom. Ovo je posljedica perturbacije ili zakrivljenosti prostorno-vremenskog kontinuuma. Dobar primjer koji ilustruje ovaj postulat je rastegnuti komad tkanine. Pod težinom masivnog predmeta postavljenog na takvu površinu formira se udubljenje. Drugi objekti koji se kreću u blizini ove anomalije će promijeniti putanju svog kretanja, kao da su "privučeni". I što je veća težina predmeta (što je veći prečnik i dubina zakrivljenosti), to je veća "sila privlačenja". Kada se kreće kroz tkaninu, možete uočiti pojavu divergentnog "mreškanja".
Nešto slično se dešava u svjetskom prostoru. Svaka masivna materija koja se brzo kreće izvor je fluktuacija u gustini prostora i vremena. Gravitacioni talas sa značajnom amplitudom, formiran od tela sa izuzetno velikim masama ili kada se kreću velikim ubrzanjima.
Fizičke karakteristike
Fluktuacije prostorno-vremenske metrike se manifestuju kao promene u gravitacionom polju. Ovaj fenomen se inače naziva prostorno-vremenskim talasima. Gravitacijski val djeluje na nailazi na tijela i objekte, sabijajući ih i rastežući ih. Vrijednosti deformacije su vrlo male - oko 10-21 od originalne veličine. Čitava poteškoća u otkrivanju ovog fenomena bila je u tome što su istraživači morali naučiti kako da mjere i zabilježe takve promjene uz pomoć odgovarajuće opreme. Snaga gravitacionog zračenja je takođe izuzetno mala - za ceo Sunčev sistem jestenekoliko kilovata.
Brzina širenja gravitacionih talasa neznatno zavisi od svojstava provodnog medija. Amplituda oscilacija postepeno opada sa udaljenosti od izvora, ali nikada ne dostiže nulu. Frekvencija se kreće u rasponu od nekoliko desetina do stotina herca. Brzina gravitacionih talasa u međuzvjezdanom mediju približava se brzini svjetlosti.
indirektni dokazi
Po prvi put, teorijsku potvrdu postojanja gravitacionih talasa dobili su američki astronom Džozef Tejlor i njegov pomoćnik Russell Hulse 1974. godine. Proučavajući prostranstva svemira pomoću radio teleskopa opservatorije Arecibo (Portoriko), istraživači su otkrili pulsar PSR B1913 + 16, koji je binarni sistem neutronskih zvijezda koje rotiraju oko zajedničkog centra mase sa konstantnom ugaonom brzinom (prilično rijedak slučaj). Svake godine se period okretanja, koji je prvobitno iznosio 3,75 sati, smanjuje za 70 ms. Ova vrijednost je prilično konzistentna sa zaključcima iz GR jednačina koji predviđaju povećanje brzine rotacije takvih sistema zbog utroška energije za stvaranje gravitacionih talasa. Kasnije je otkriveno nekoliko dvostrukih pulsara i bijelih patuljaka sličnog ponašanja. Radio astronomi D. Taylor i R. Hulse dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 1993. godine za otkrivanje novih mogućnosti za proučavanje gravitacijskih polja.
Izbjegli gravitacijski val
Prva izjava ootkrivanje gravitacionih talasa došao je od naučnika sa Univerziteta Merilend Džozefa Vebera (SAD) 1969. godine. U te svrhe koristio je dvije gravitacijske antene vlastitog dizajna, razdvojene na udaljenosti od dva kilometra. Rezonantni detektor je bio dobro vibriran jednodijelni dvometarski aluminijski cilindar opremljen osjetljivim piezoelektričnim senzorima. Pokazalo se da je amplituda fluktuacija koje je navodno zabilježio Weber više od milion puta veća od očekivane vrijednosti. Pokušaji drugih naučnika koji koriste takvu opremu da ponove "uspjeh" američkog fizičara nisu donijeli pozitivne rezultate. Nekoliko godina kasnije, Weberov rad u ovoj oblasti prepoznat je kao neodrživ, ali je dao poticaj razvoju "gravitacijskog buma" koji je privukao mnoge stručnjake u ovu oblast istraživanja. Inače, i sam Joseph Weber je do kraja svojih dana bio siguran da prima gravitacione talase.
Poboljšanje opreme za prijem
U 70-im godinama, naučnik Bill Fairbank (SAD) razvio je dizajn antene za gravitacioni talas hlađenu tečnim helijumom koristeći SQUID - supersenzitivne magnetometre. Tehnologije koje su postojale u to vreme nisu dozvoljavale pronalazaču da vidi svoj proizvod, realizovan u "metal".
Gravitacijski detektor Auriga napravljen je na ovaj način u Nacionalnoj laboratoriji Legnard (Padova, Italija). Dizajn je zasnovan na aluminijumsko-magnezijumskom cilindru, dužine 3 metra i prečnika 0,6 m. Prihvatni uređaj težine 2,3 tonesuspendovan u izolovanoj vakuum komori ohlađenoj skoro na apsolutnu nulu. Za fiksiranje i detekciju vibracija koriste se pomoćni kilogramski rezonator i kompjuterski baziran mjerni kompleks. Deklarisana osjetljivost opreme 10-20.
Interferometri
Rad detektora interferencije gravitacionih talasa zasniva se na istim principima kao i Michelsonov interferometar. Laserski snop koji emituje izvor se deli na dva toka. Nakon višestrukih refleksija i putovanja duž ramena uređaja, tokovi se ponovo spajaju, a konačna interferencijska slika se koristi za procjenu da li su bilo kakve perturbacije (na primjer, gravitacijski val) utjecale na tok zraka. Slična oprema je kreirana u mnogim zemljama:
- GEO 600 (Hanover, Njemačka). Dužina vakuumskih tunela je 600 metara.
- TAMA (Japan) 300m ramena
- VIRGO (Pisa, Italija) je zajednički francusko-italijanski projekat pokrenut 2007. godine sa tunelima od 3km.
- LIGO (SAD, obala Pacifika), lov na gravitacione talase od 2002.
Posljednji vrijedi razmotriti detaljnije.
LIGO Advanced
Projekat su pokrenuli naučnici sa Massachusetts Institute of Technology i California Institute of Technology. Uključuje dvije opservatorije razdvojene 3 hiljade km, u državama Louisiana i Washington (gradovi Livingston i Hanford) sa tri identična interferometra. Dužina okomitog vakuumatunela je 4 hiljade metara. Ovo su najveće takve strukture koje su trenutno u funkciji. Sve do 2011. brojni pokušaji otkrivanja gravitacijskih valova nisu donijeli nikakve rezultate. Izvršena značajna modernizacija (Advanced LIGO) povećala je osjetljivost opreme u rasponu od 300-500 Hz za više od pet puta, au niskofrekventnom području (do 60 Hz) gotovo za red veličine, dostižući tako željena vrijednost od 10-21. Ažurirani projekat je započeo u septembru 2015. godine, a trud više od hiljadu saradnika nagrađen je rezultatima.
Otkriveni gravitacijski talasi
Napredni LIGO detektori sa intervalom od 7 ms snimili su 14. septembra 2015. gravitacione talase koji su stigli do naše planete od najveće pojave koja se dogodila na periferiji vidljivog Univerzuma - spajanja dve velike crne rupe sa masama 29 i 36 puta veća od mase Sunca. Tokom procesa, koji se odigrao prije više od 1,3 milijarde godina, oko tri solarne mase materije potrošene su na zračenje gravitacijskih valova u djelićima sekunde. Početna frekvencija gravitacionih talasa zabeležena je kao 35 Hz, a maksimalna vršna vrednost dostigla je 250 Hz.
Dobijeni rezultati su više puta podvrgnuti sveobuhvatnoj provjeri i obradi, alternativna tumačenja dobijenih podataka pažljivo su prekinuta. Konačno, 11. februara prošle godine, svjetskoj zajednici je objavljena direktna registracija fenomena koji je predvidio Ajnštajn.
Činjenica koja ilustruje titanski rad istraživača: amplituda fluktuacija u dimenzijama krakova interferometra bila je 10-19m - ova vrijednost je toliko manja od prečnika atom jer je manji od narandže.
Dalji izgledi
Otkriće još jednom potvrđuje da Opća teorija relativnosti nije samo skup apstraktnih formula, već fundamentalno novi pogled na suštinu gravitacijskih valova i gravitacije općenito.
U daljim istraživanjima, naučnici polažu velike nade u ELSA projekat: stvaranje džinovskog orbitalnog interferometra sa krakovima od oko 5 miliona km, sposobnog da detektuje čak i manje perturbacije gravitacionih polja. Intenziviranje rada u ovom pravcu može mnogo reći o glavnim fazama razvoja Univerzuma, o procesima koje je teško ili nemoguće posmatrati u tradicionalnim bendovima. Nema sumnje da će crne rupe, čiji će gravitacijski talasi biti fiksirani u budućnosti, mnogo reći o njihovoj prirodi.
Za proučavanje reliktnog gravitacionog zračenja, koje može reći o prvim trenucima našeg svijeta nakon Velikog praska, bit će potrebni osjetljiviji svemirski instrumenti. Takav projekat postoji (Big Bang Observer), ali je njegova realizacija, prema mišljenju stručnjaka, moguća tek za 30-40 godina.
