Istota fal grawitacyjnych w prostych słowach. Einstein miał rację: fale grawitacyjne istnieją Jaki efekt fizyczny umożliwił wykrycie fal grawitacyjnych

Fale grawitacyjne i ogólna teoria względności Einsteina

Fale grawitacyjne zostały po raz pierwszy przewidziane w ogólnej teorii względności Einsteina opublikowanej w 1916 roku. Teoria ta przeszła wszystkie testy fizyczne, jednak istnieją pewne aspekty, których naukowcom nie udało się jeszcze zbadać w prawdziwym świecie, ponieważ wymagają one wyjątkowo ekstremalnych warunków. Jednym z takich aspektów jest ekstremalna krzywizna czasoprzestrzeni. Kip Thorne z Caltech, jeden z założycieli grupy LIGO stwierdził, że wcześniej widzieliśmy krzywiznę czasoprzestrzeni tylko w stanie spokojnym, można to porównać do powierzchni oceanu w bardzo spokojny dzień, kiedy powierzchnia wydaje się szklista. Nigdy nie widziałem burzy, w której fale rozbijają się o brzeg. Wszystko zmieniło się 14 września, kiedy zderzenie i połączenie dwóch czarnych dziur spowodowało burzę w strukturze czasoprzestrzeni. Obserwacje te są doskonałym potwierdzeniem ogólnej teorii i oczywiście potwierdzają poprawność i sukces Einsteina.

Badanie ogólnej teorii względności za pomocą fal grawitacyjnych jest dalekie od ukończenia. Pozostają pytania dotyczące natury grawitonu, cząstki przenoszącej oddziaływanie grawitacyjne bez ładunku elektrycznego (na przykład foton to cząstka przenosząca promieniowanie elektromagnetyczne). Naukowcy mają wiele pytań dotyczących wewnętrznego działania czarnych dziur, na które mogą pomóc fale grawitacyjne. Informacje te będą jednak pojawiać się stopniowo w miarę LIGO i powiązane z nim narzędzia będą zbierać dane o różnych zdarzeniach.

Przyszły LIGO

W ciągu najbliższych trzech lat wysiłki skupią się na zwiększeniu czułości, aby osiągnąć pełny potencjał, powiedział Reitz. Dzięki temu obserwatorium, które składa się z dwóch dużych detektorów w stanie Luizjana i Waszyngton, będzie bardziej wrażliwe na fale grawitacyjne. Naukowcy nie wiedzą jednak, ile zdarzeń będzie w stanie obserwować obserwatorium, ponieważ nie wiadomo, ile takich zdarzeń ma miejsce we Wszechświecie.

Obserwatorium wykryło połączenie układu podwójnego czarnych dziur jeszcze zanim instrument rozpoczął swoje pierwsze formalne obserwacje po niedawnej modernizacji, ale równie dobrze mógł to być przypadek. Aby uzyskać więcej informacji na temat fal grawitacyjnych, obserwatorium potrzebuje więcej danych.

Na pytanie, jaki wpływ może mieć otwarcie i praca LIGO do codziennego życia, Reitz odpowiedział po prostu: „Kto wie?” Przecież teoria względności Einsteina wkroczyła już w nasze codzienne życie za pomocą telefonów komórkowych, ogólna teoria względności pozwala zrozumieć, jak grawitacja wpływa na upływ czasu, a ta informacja jest niezbędna technologii GPS, który wykorzystuje satelity znajdujące się dalej od przyciągania grawitacyjnego Ziemi niż ludzie na powierzchni.

Dzwonił Reitz LIGO najczulszego instrumentu, jaki kiedykolwiek stworzono, a postęp technologiczny może zostać wykorzystany w technologiach, których nie jesteśmy jeszcze w stanie przewidzieć. Kip Thorne porównał naszą epokę do renesansu; jeśli za najważniejsze osiągnięcia renesansu można uznać sztukę, architekturę i muzykę, to dla naszych czasów może to być zrozumienie podstawowych praw Wszechświata i badanie Wszechświata. Obserwatorium jest tego częścią i Thorne wierzy, że będzie to kulturalny dar dla przyszłych pokoleń, który będzie znaczyć więcej niż jakikolwiek rozwój technologiczny.

Astrofizycy potwierdzili istnienie fal grawitacyjnych, których istnienie przepowiedział Albert Einstein około 100 lat temu. Wykryto je za pomocą detektorów w obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO, które znajduje się w Stanach Zjednoczonych.

Po raz pierwszy w historii ludzkość zarejestrowała fale grawitacyjne – wibracje czasoprzestrzeni, które przybyły na Ziemię w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur, które miało miejsce daleko we Wszechświecie. Do tego odkrycia przyczynili się także rosyjscy naukowcy. W czwartek o swoim odkryciu naukowcy opowiadają na całym świecie – w Waszyngtonie, Londynie, Paryżu, Berlinie i innych miastach, m.in. w Moskwie.

Zdjęcie przedstawia symulację zderzenia czarnej dziury

Na konferencji prasowej w biurze Rambler&Co Valery Mitrofanov, szef rosyjskiej części współpracy LIGO, ogłosił odkrycie fal grawitacyjnych:

„Byliśmy zaszczyceni, że mogliśmy wziąć udział w tym projekcie i zaprezentować Państwu jego rezultaty. Powiem wam teraz znaczenie odkrycia w języku rosyjskim. Widzieliśmy piękne zdjęcia detektorów LIGO w USA. Odległość między nimi wynosi 3000 km. Pod wpływem fali grawitacyjnej jeden z detektorów przesunął się, po czym je odkryliśmy. Na początku na komputerze widzieliśmy tylko szum, a potem masa detektorów Hamforda zaczęła się kołysać. Po obliczeniu uzyskanych danych udało nam się ustalić, że to czarne dziury zderzyły się w odległości 1,3 miliarda. lata świetlne stąd. Sygnał był bardzo wyraźny, wydobywał się z szumu bardzo wyraźnie. Wiele osób mówiło nam, że mamy szczęście, ale natura dała nam taki dar. Fale grawitacyjne zostały odkryte, to pewne.”

Astrofizycy potwierdzili pogłoski, że udało im się wykryć fale grawitacyjne za pomocą detektorów w obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO. To odkrycie pozwoli ludzkości poczynić znaczne postępy w zrozumieniu działania Wszechświata.

Do odkrycia doszło 14 września 2015 roku jednocześnie z dwoma detektorami w Waszyngtonie i Luizjanie. Sygnał dotarł do detektorów w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur. Naukowcom zajęło tyle czasu sprawdzenie, czy to fale grawitacyjne były produktem zderzenia.

Zderzenie dziur nastąpiło przy prędkości około połowy prędkości światła, czyli około 150 792 458 m/s.

„Grawitacja Newtona została opisana w płaskiej przestrzeni, a Einstein przeniósł ją na płaszczyznę czasu i założył, że ją zagina. Oddziaływanie grawitacyjne jest bardzo słabe. Na Ziemi eksperymenty mające na celu wytworzenie fal grawitacyjnych są niemożliwe. Odkryto je dopiero po połączeniu czarnych dziur. Wyobraź sobie, że detektor przesunął się o 10 do -19 metrów. Nie poczujesz tego rękami. Tylko za pomocą bardzo precyzyjnych instrumentów. Jak to zrobić? Wiązka laserowa, za pomocą której zarejestrowano przesunięcie, miała unikalny charakter. Laserowa antena grawitacyjna drugiej generacji LIGO została uruchomiona w 2015 roku. Czułość pozwala wykryć zaburzenia grawitacyjne mniej więcej raz w miesiącu. To zaawansowana nauka światowa i amerykańska, nie ma nic dokładniejszego na świecie. Mamy nadzieję, że uda mu się przekroczyć standardową granicę czułości kwantowej” – wyjaśnia odkrycie Siergiej Wiatczanin, pracownik Wydziału Fizyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego i współpracy LIGO.

Standardowa granica kwantowa (SQL) w mechanice kwantowej to ograniczenie nałożone na dokładność ciągłego lub wielokrotnie powtarzanego pomiaru dowolnej wielkości opisanej przez operator, który nie dojeżdża sam do siebie w różnych momentach. Przewidziany w 1967 roku przez VB Braginsky'ego, a termin Standard Quantum Limit (SQL) został zaproponowany później przez Thorne'a. SKP jest ściśle powiązana z relacją niepewności Heisenberga.

Podsumowując, Valery Mitrofanov mówił o planach dalszych badań:

„To odkrycie jest początkiem nowej astronomii fal grawitacyjnych. Spodziewamy się, że poprzez kanał fal grawitacyjnych dowiemy się więcej o Wszechświecie. Znamy skład tylko 5% materii, reszta jest tajemnicą. Detektory grawitacyjne pozwolą Ci zobaczyć niebo w „falach grawitacyjnych”. Mamy nadzieję, że w przyszłości zobaczymy początek wszystkiego, czyli reliktowe promieniowanie Wielkiego Wybuchu i zrozumiemy, co dokładnie się wtedy wydarzyło.

Fale grawitacyjne zostały po raz pierwszy zaproponowane przez Alberta Einsteina w 1916 roku, prawie dokładnie 100 lat temu. Równanie dla fal jest konsekwencją równań teorii względności i nie jest wyprowadzane w najprostszy sposób.

Kanadyjski fizyk teoretyczny Clifford Burgess opublikował wcześniej list, w którym stwierdził, że obserwatorium wykryło promieniowanie grawitacyjne spowodowane połączeniem układu podwójnego czarnych dziur o masach 36 i 29 mas Słońca w obiekt o masie 62 mas Słońca. Zderzenie i asymetryczne zapadnięcie grawitacyjne trwa ułamek sekundy i w tym czasie energia sięgająca nawet 50 procent masy układu zostaje tracona na promieniowanie grawitacyjne – zmarszczki w czasoprzestrzeni.

Fala grawitacyjna to fala grawitacyjna powstająca w większości teorii grawitacji w wyniku ruchu ciał grawitacyjnych ze zmiennym przyspieszeniem. Ze względu na względną słabość sił grawitacyjnych (w porównaniu do innych) fale te powinny mieć bardzo małą wielkość, trudną do zarejestrowania. Ich istnienie przepowiedział około sto lat temu Albert Einstein.

Czym są fale grawitacyjne?

Fale grawitacyjne - zmiany pola grawitacyjnego, które przemieszczają się jak fale. Są emitowane przez poruszające się masy, jednak po wypromieniowaniu oddzielają się od nich i istnieją niezależnie od tych mas. Matematycznie powiązane z zaburzeniami metryk czasoprzestrzeni i można je opisać jako „fale czasoprzestrzeni”.

W ogólnej teorii względności oraz w większości innych współczesnych teorii grawitacji fale grawitacyjne powstają w wyniku ruchu masywnych ciał ze zmiennym przyspieszeniem. Fale grawitacyjne rozchodzą się swobodnie w przestrzeni z prędkością światła. Ze względu na względną słabość sił grawitacyjnych (w porównaniu do innych) fale te mają bardzo małą wielkość, która jest trudna do zarejestrowania.

Fale grawitacyjne przewiduje ogólna teoria względności (GR). Po raz pierwszy zostały bezpośrednio wykryte we wrześniu 2015 roku przez bliźniacze detektory LIGO, które wykryły fale grawitacyjne prawdopodobnie wytwarzane przez dwie czarne dziury łączące się w jedną, masywniejszą, wirującą czarną dziurę. Pośrednie dowody na ich istnienie znane są od lat 70. XX wieku - Ogólna teoria względności przewiduje współczynniki zbieżności bliskich układów gwiazd podwójnych, które pokrywają się z obserwacjami w wyniku utraty energii w wyniku emisji fal grawitacyjnych. Bezpośrednia rejestracja fal grawitacyjnych i wykorzystanie ich do wyznaczania parametrów procesów astrofizycznych jest ważnym zadaniem współczesnej fizyki i astronomii.

Jeśli pomyślimy o naszej czasoprzestrzeni jako o siatce współrzędnych, wówczas fale grawitacyjne są zakłóceniami, zmarszczkami, które biegną wzdłuż siatki, gdy masywne ciała (takie jak czarne dziury) zniekształcają otaczającą je przestrzeń.

Można to porównać do trzęsienia ziemi. Wyobraź sobie, że mieszkasz w mieście. Zawiera pewne znaczniki tworzące przestrzeń miejską: domy, drzewa i tak dalej. Są nieruchomi. Kiedy gdzieś w pobliżu miasta dochodzi do dużego trzęsienia ziemi, docierają do nas wibracje - nawet nieruchome domy i drzewa zaczynają wibrować. Te wibracje to fale grawitacyjne; a obiekty, które wibrują, to przestrzeń i czas.

Dlaczego naukowcom tak długo zajęło wykrycie fal grawitacyjnych?

Konkretne wysiłki mające na celu wykrycie fal grawitacyjnych rozpoczęły się w okresie powojennym za pomocą nieco naiwnych urządzeń, które oczywiście nie były wystarczająco czułe, aby wykryć takie oscylacje. Z biegiem czasu stało się jasne, że detektory poszukiwawcze muszą być bardzo duże i muszą wykorzystywać nowoczesną technologię laserową. Dopiero rozwój nowoczesnych technologii laserowych umożliwił kontrolę geometrii, której zaburzeniem jest fala grawitacyjna. Kluczową rolę w tym odkryciu odegrał ogromny rozwój technologii. Bez względu na to, jak genialni byli naukowcy, zaledwie 30–40 lat temu było to po prostu technicznie niemożliwe.

Dlaczego wykrywanie fal jest tak ważne dla fizyki?

Fale grawitacyjne zostały przewidziane przez Alberta Einsteina w jego ogólnej teorii względności około sto lat temu. Przez cały XX wiek fizycy kwestionowali tę teorię, chociaż pojawiało się coraz więcej dowodów. A obecność fal grawitacyjnych jest takim krytycznym potwierdzeniem teorii.

Ponadto przed zarejestrowaniem fal grawitacyjnych wiedzieliśmy, jak zachowuje się grawitacja, tylko na przykładzie mechaniki niebieskiej, interakcji ciał niebieskich. Było jednak jasne, że pole grawitacyjne ma fale, a czasoprzestrzeń może być deformowana w podobny sposób. Fakt, że nie widzieliśmy wcześniej fal grawitacyjnych, był martwym punktem współczesnej fizyki. Teraz ta biała plama została zamknięta i włożono kolejną cegłę w fundamenty współczesnej teorii fizycznej. To najbardziej fundamentalne odkrycie. W ostatnich latach nie było nic porównywalnego.

„Czekając na fale i cząstki” – dokument o poszukiwaniu fal grawitacyjnych(autor Dmitry Zavilgelskiy)

Rejestracja fal grawitacyjnych ma również aspekt praktyczny. Prawdopodobnie po dalszym rozwoju technologii będzie można mówić o astronomii grawitacyjnej – o obserwacji śladów najbardziej wysokoenergetycznych zdarzeń we Wszechświecie. Ale teraz jest za wcześnie, aby o tym mówić, mówimy tylko o samym fakcie rejestracji fal, a nie o poznaniu cech obiektów, które te fale generują.

Pomachaj ręką, a fale grawitacyjne rozejdą się po całym Wszechświecie.
S. Popow, M. Prochorow. Widmowe fale Wszechświata

W astrofizyce wydarzyło się wydarzenie, na które czekano od dziesięcioleci. Po pół wieku poszukiwań wreszcie odkryto fale grawitacyjne, czyli wibracje samej czasoprzestrzeni, przewidywane przez Einsteina sto lat temu. 14 września 2015 roku zmodernizowane obserwatorium LIGO zarejestrowało rozbłysk fali grawitacyjnej powstały w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur o masach 29 i 36 mas Słońca w odległej galaktyce oddalonej o około 1,3 miliarda lat świetlnych. Astronomia fal grawitacyjnych stała się pełnoprawną gałęzią fizyki; otworzyło przed nami nowy sposób obserwacji Wszechświata i pozwoli nam badać niedostępne wcześniej skutki silnej grawitacji.

Fale grawitacyjne

Można wymyślić różne teorie grawitacji. Wszystkie równie dobrze opisują nasz świat, o ile ograniczymy się do jednego jego przejawu – prawa powszechnego ciążenia Newtona. Istnieją jednak inne, bardziej subtelne efekty grawitacyjne, które zostały przetestowane eksperymentalnie w skali Układu Słonecznego i wskazują na jedną konkretną teorię: ogólną teorię względności (GR).

Ogólna teoria względności to nie tylko zbiór formuł, to fundamentalny pogląd na istotę grawitacji. Jeśli w zwykłej fizyce przestrzeń służy jedynie jako tło, pojemnik na zjawiska fizyczne, to w GTR sama staje się zjawiskiem, dynamiczną wielkością, która zmienia się zgodnie z prawami GTR. To właśnie te zniekształcenia czasoprzestrzeni względem gładkiego tła – lub, w języku geometrii, zniekształcenia metryki czasoprzestrzeni – odczuwane są jako grawitacja. Krótko mówiąc, ogólna teoria względności ujawnia geometryczne pochodzenie grawitacji.

Ogólna teoria względności ma kluczową prognozę: fale grawitacyjne. Są to zniekształcenia czasoprzestrzeni, które są zdolne do „oderwania się od źródła” i samopodtrzymującego się odlotu. To jest grawitacja sama w sobie, niczyja, własna. Albert Einstein ostatecznie sformułował ogólną teorię względności w 1915 roku i niemal natychmiast zdał sobie sprawę, że wyprowadzone przez niego równania dopuszczają istnienie takich fal.

Jak w przypadku każdej uczciwej teorii, tak jasne przewidywanie ogólnej teorii względności należy zweryfikować eksperymentalnie. Każde poruszające się ciało może emitować fale grawitacyjne: planety, kamień wyrzucony w górę lub fala ręki. Problem polega jednak na tym, że oddziaływanie grawitacyjne jest tak słabe, że żaden układ eksperymentalny nie jest w stanie wykryć emisji fal grawitacyjnych ze zwykłych „emiterów”.

Aby „gonić” potężną falę, trzeba znacznie zniekształcić czasoprzestrzeń. Idealną opcją są dwie czarne dziury obracające się wokół siebie w bliskim tańcu, w odległości rzędu ich promienia grawitacyjnego (ryc. 2). Zniekształcenia metryki będą na tyle duże, że zauważalna część energii tej pary zostanie wyemitowana w postaci fal grawitacyjnych. Tracąc energię, para będzie się do siebie zbliżać, wirując coraz szybciej, coraz bardziej zniekształcając metrykę i generując jeszcze silniejsze fale grawitacyjne – aż w końcu nastąpi radykalna przebudowa całego pola grawitacyjnego tej pary i dwie czarne dziury łączą się w jeden.

Takie połączenie czarnych dziur jest eksplozją o ogromnej mocy, ale tylko cała ta wyemitowana energia nie przechodzi w światło, nie w cząstki, ale w wibracje przestrzeni. Emitowana energia będzie stanowić zauważalną część początkowej masy czarnych dziur, a promieniowanie to rozpryśnie się w ułamku sekundy. Podobne oscylacje będą generowane w wyniku łączenia się gwiazd neutronowych. Nieco słabsze uwalnianie energii przez fale grawitacyjne towarzyszy także innym procesom, takim jak zapadnięcie się jądra supernowej.

Wybuch fali grawitacyjnej powstały w wyniku połączenia dwóch zwartych obiektów ma bardzo specyficzny, dobrze obliczony profil, pokazany na ryc. 3. Okres oscylacji jest określony przez ruch orbitalny dwóch obiektów wokół siebie. Fale grawitacyjne przenoszą energię; w rezultacie obiekty zbliżają się do siebie i wirują szybciej - i jest to widoczne zarówno w przyspieszeniu oscylacji, jak i wzroście amplitudy. W pewnym momencie następuje połączenie, wyemitowana zostaje ostatnia silna fala, a następnie następuje „po pierścieniu” o wysokiej częstotliwości ( dzwonek) - drżenie powstałej czarnej dziury, które „wyrzuca” wszelkie niesferyczne zniekształcenia (ten etap nie jest pokazany na zdjęciu). Znajomość tego charakterystycznego profilu pomaga fizykom szukać słabego sygnału z takiego połączenia w danych z detektora o dużym poziomie szumów.

Wahania metryki czasoprzestrzeni – echo fali grawitacyjnej potężnej eksplozji – rozproszą się po całym Wszechświecie we wszystkich kierunkach od źródła. Ich amplituda słabnie wraz z odległością, podobnie jak jasność źródła punktowego maleje wraz z odległością od niego. Kiedy rozbłysk z odległej galaktyki dotrze do Ziemi, wahania metryczne będą rzędu 10-22 lub nawet mniej. Innymi słowy, odległość między obiektami fizycznie niepowiązanymi ze sobą będzie okresowo zwiększać się i zmniejszać o taką względną wielkość.

Rząd wielkości tej liczby można łatwo wyznaczyć na podstawie rozważań dotyczących skalowania (patrz artykuł V. M. Lipunowa). W momencie łączenia się gwiazd neutronowych lub czarnych dziur o masach gwiazdowych zniekształcenia metryki tuż obok nich są bardzo duże – rzędu 0,1, dlatego grawitacja jest silna. Tak poważne zniekształcenie dotyczy obszaru rzędu wielkości tych obiektów, czyli kilku kilometrów. W miarę oddalania się od źródła amplituda oscylacji maleje odwrotnie proporcjonalnie do odległości. Oznacza to, że w odległości 100 Mpc = 3·10·21 km amplituda oscylacji spadnie o 21 rzędów wielkości i wyniesie około 10 −22.

Oczywiście, jeśli połączenie nastąpi w naszej macierzystej galaktyce, wstrząsy czasoprzestrzeni, które dotrą do Ziemi, będą znacznie silniejsze. Ale takie zdarzenia zdarzają się raz na kilka tysięcy lat. Dlatego tak naprawdę należy liczyć tylko na detektor, który będzie w stanie wyczuć łączenie się gwiazd neutronowych lub czarnych dziur w odległości od kilkudziesięciu do setek megaparseków, co oznacza, że ​​obejmie wiele tysięcy i milionów galaktyk.

W tym miejscu należy dodać, że odkryto już pośredni dowód na istnienie fal grawitacyjnych, który został nawet nagrodzony Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za rok 1993. Długoterminowe obserwacje pulsara w układzie podwójnym PSR B1913+16 wykazały, że okres orbitalny skraca się dokładnie w takim samym tempie, jak przewiduje ogólna teoria względności, biorąc pod uwagę straty energii na skutek promieniowania grawitacyjnego. Z tego powodu prawie żaden z naukowców nie wątpi w realność fal grawitacyjnych; pytanie tylko jak je złapać.

Historia wyszukiwania

Poszukiwania fal grawitacyjnych rozpoczęły się około pół wieku temu i niemal natychmiast stały się sensacją. Joseph Weber z Uniwersytetu Maryland zaprojektował pierwszy detektor rezonansowy: solidny dwumetrowy aluminiowy cylinder z czułymi czujnikami piezoelektrycznymi po bokach i dobrą izolacją wibracji od wibracji obcych (ryc. 4). Kiedy przechodzi fala grawitacyjna, cylinder rezonuje w czasie z zniekształceniami czasoprzestrzeni, co powinny zarejestrować czujniki. Weber zbudował kilka takich detektorów i w 1969 roku po przeanalizowaniu ich odczytów podczas jednej z sesji wprost stwierdził, że zarejestrował „dźwięk fal grawitacyjnych” w kilku detektorach oddalonych od siebie o dwa kilometry (J. Weber, 1969). Dowody na odkrycie promieniowania grawitacyjnego). Zadeklarowana przez niego amplituda oscylacji okazała się niewiarygodnie duża, rzędu 10–16, czyli milion razy większa od typowej wartości oczekiwanej. Przesłanie Webera spotkało się z wielkim sceptycyzmem społeczności naukowej; Co więcej, inne grupy eksperymentalne, wyposażone w podobne detektory, nie były w stanie później złapać ani jednego podobnego sygnału.

Jednak wysiłki Webera dały impuls całej tej dziedzinie badań i zapoczątkowały polowanie na fale. Od lat 70. XX w., dzięki wysiłkom Władimira Bragińskiego i jego kolegów z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, ZSRR również wziął udział w tym wyścigu (patrz: brak sygnałów fal grawitacyjnych). Ciekawą historię o tych czasach można znaleźć w eseju Jeśli dziewczyna wpadnie do dziury... . Nawiasem mówiąc, Braginsky jest jednym z klasyków całej teorii kwantowych pomiarów optycznych; jako pierwszy wpadł na koncepcję standardowej granicy pomiaru kwantowego – kluczowego ograniczenia w pomiarach optycznych – i pokazał, jak w zasadzie można je pokonać. Poprawiono obwód rezonansowy Webera, a dzięki głębokiemu ochłodzeniu instalacji radykalnie zmniejszono hałas (zobacz listę i historię tych projektów). Jednak dokładność takich wykrywaczy wykonanych w całości z metalu była nadal niewystarczająca, aby wiarygodnie wykryć oczekiwane zdarzenia, a poza tym były one dostrojone tak, aby rezonowały tylko w bardzo wąskim zakresie częstotliwości około kiloherca.

Detektory wykorzystujące więcej niż jeden obiekt rezonujący, ale śledzące odległość między dwoma niepowiązanymi, niezależnie zawieszonymi ciałami, takimi jak dwa lustra, wydawały się znacznie bardziej obiecujące. Ze względu na drgania przestrzeni wywołane falą grawitacyjną, odległość między zwierciadłami będzie albo nieco większa, albo trochę mniejsza. Co więcej, im dłuższe jest ramię, tym większe przemieszczenie bezwzględne wywoła fala grawitacyjna o danej amplitudzie. Wibracje te można wyczuć za pomocą wiązki lasera biegnącej pomiędzy zwierciadłami. Taki schemat jest w stanie wykryć oscylacje w szerokim zakresie częstotliwości, od 10 herców do 10 kiloherców, i jest to dokładnie zakres, w jakim będą emitować łączące się pary gwiazd neutronowych lub czarne dziury o masach gwiazdowych.

Współczesna realizacja tego pomysłu w oparciu o interferometr Michelsona wygląda następująco (rys. 5). Zwierciadła zawieszone są w dwóch długich, kilkukilometrowych, prostopadłych do siebie komorach próżniowych. Przy wejściu do instalacji wiązka lasera rozdziela się, przechodzi przez obie komory, odbija się od luster, wraca i ponownie łączy się w półprzezroczystym zwierciadle. Współczynnik jakości układu optycznego jest niezwykle wysoki, więc wiązka lasera nie przechodzi tylko raz tam i z powrotem, ale pozostaje w rezonatorze optycznym przez długi czas. W stanie „cichym” długości dobiera się tak, aby obie wiązki po ponownym zjednoczeniu znosiły się w kierunku czujnika, a fotodetektor znajdował się wówczas w całkowitym cieniu. Gdy jednak zwierciadła przesuną się na mikroskopijną odległość pod wpływem fal grawitacyjnych, kompensacja obu wiązek staje się niepełna i fotodetektor łapie światło. Im silniejsze przesunięcie, tym jaśniejsze światło zobaczy fotosensor.

Słowa „mikroskopijne przemieszczenie” nawet nie są w stanie oddać subtelności efektu. Przemieszczenie zwierciadeł o długość fali światła, czyli mikrony, można łatwo zauważyć nawet bez żadnych sztuczek. Ale przy długości ramienia 4 km odpowiada to oscylacjom czasoprzestrzeni o amplitudzie 10–10. Zauważenie przemieszczenia zwierciadeł o średnicę atomu również nie stanowi problemu – wystarczy wystrzelić wiązkę lasera, która będzie przebiegać tysiące razy tam i z powrotem i uzyska pożądane przesunięcie fazowe. Ale to również daje maksymalnie 10-14. I musimy jeszcze miliony razy zejść ze skali przemieszczeń, czyli nauczyć się rejestrować przesunięcie lustra nawet o jeden atom, ale o tysięczne części jądra atomowego!

W drodze do tej naprawdę niesamowitej technologii fizycy musieli pokonać wiele trudności. Niektóre z nich są czysto mechaniczne: trzeba zawiesić masywne lusterka na zawieszeniu, które wisi na innym zawieszeniu, to na trzecim zawieszeniu i tak dalej - a wszystko po to, aby jak najbardziej pozbyć się obcych wibracji. Inne problemy są również instrumentalne, ale optyczne. Przykładowo, im mocniejsza wiązka krążąca w układzie optycznym, tym słabsze przemieszczenie zwierciadeł może zostać wykryte przez fotosensor. Jednak zbyt mocna wiązka będzie nierównomiernie nagrzewać elementy optyczne, co będzie miało szkodliwy wpływ na właściwości samej wiązki. Efekt ten trzeba jakoś kompensować i w tym celu w latach 2000-tych uruchomiono cały program badawczy na ten temat (opowieść o tych badaniach można znaleźć w aktualnościach Pokonana przeszkoda na drodze do bardzo czułego detektora fal grawitacyjnych „Elementy” , 27.06.2006). Wreszcie istnieją czysto podstawowe ograniczenia fizyczne związane z kwantowym zachowaniem fotonów we wnęce i zasadą nieoznaczoności. Ograniczają czułość czujnika do wartości zwanej standardową granicą kwantową. Jednak fizycy, wykorzystując sprytnie przygotowany stan kwantowy światła lasera, nauczyli się już go pokonywać (J. Aasi i in., 2013. Zwiększona czułość detektora fal grawitacyjnych LIGO poprzez wykorzystanie ściśniętych stanów światła).

W wyścigu o fale grawitacyjne bierze udział cała lista krajów; Rosja ma swoją instalację w Obserwatorium Baksan i swoją drogą opisuje ją dokumentalny film popularnonaukowy Dmitrija Zavilgelsky'ego „W oczekiwaniu na fale i cząstki”. Liderami tego wyścigu są obecnie dwa laboratoria – amerykański projekt LIGO i włoski detektor Virgo. W skład LIGO wchodzą dwa identyczne detektory, zlokalizowane w Hanford (stan Waszyngton) i Livingston (Luizjana) i oddalone od siebie o 3000 km. Posiadanie dwóch ustawień jest ważne z dwóch powodów. Po pierwsze, sygnał zostanie uznany za zarejestrowany tylko wtedy, gdy zostanie zauważony przez oba detektory jednocześnie. Po drugie, na podstawie różnicy w przybyciu wybuchu fali grawitacyjnej w dwóch instalacjach - a może on osiągnąć 10 milisekund - można w przybliżeniu określić, z której części nieba pochodzi ten sygnał. Co prawda przy dwóch detektorach błąd będzie bardzo duży, ale kiedy Virgo zacznie działać, dokładność zauważalnie wzrośnie.

Ściśle mówiąc, pomysł interferometrycznego wykrywania fal grawitacyjnych został po raz pierwszy zaproponowany przez radzieckich fizyków M.E. Herzensteina i V.I. Pustovoita w 1962 roku. W tym czasie dopiero wynaleziono laser i Weber zaczął tworzyć swoje detektory rezonansowe. Artykuł ten nie został jednak dostrzeżony na Zachodzie i, prawdę mówiąc, nie wpłynął na rozwój realnych projektów (patrz przegląd historyczny Fizyki detekcji fal grawitacyjnych: detektory rezonansowe i interferometryczne).

Powstanie obserwatorium grawitacyjnego LIGO było inicjatywą trzech naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i California Institute of Technology (Caltech). Są to Rainer Weiss, który zrealizował pomysł interferometrycznego detektora fal grawitacyjnych, Ronald Drever, który osiągnął stabilność światła laserowego wystarczającą do detekcji, oraz Kip Thorne, teoretyk projektu, obecnie dobrze znany opinii publicznej jako konsultant naukowy filmu „Interstellar”. O początkach historii LIGO można przeczytać w niedawnym wywiadzie z Rainerem Weissem oraz we wspomnieniach Johna Preskilla.

Prace związane z projektem interferometrycznej detekcji fal grawitacyjnych rozpoczęły się pod koniec lat 70. XX wieku i początkowo wiele osób również wątpiło w wykonalność tego przedsięwzięcia. Jednakże po zademonstrowaniu szeregu prototypów napisano i zatwierdzono obecny projekt LIGO. Budowano ją przez całą ostatnią dekadę XX wieku.

Choć początkowy impuls do realizacji projektu pochodził ze Stanów Zjednoczonych, LIGO jest projektem prawdziwie międzynarodowym. Zainwestowało w nią 15 krajów finansowo i intelektualnie, a członkami współpracy jest ponad tysiąc osób. W realizacji projektu ważną rolę odegrali fizycy radzieccy i rosyjscy. Od samego początku w realizacji projektu LIGO brała czynny udział wspomniana już grupa Władimira Bragińskiego z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, a później do współpracy włączył się także Instytut Fizyki Stosowanej z Niżnego Nowogrodu.

Obserwatorium LIGO rozpoczęło działalność w 2002 roku i do 2010 roku odbyło się w nim sześć sesji obserwacji naukowych. Nie wykryto w sposób wiarygodny żadnych wybuchów fal grawitacyjnych, a fizycy byli w stanie jedynie ustalić górne limity częstotliwości takich zdarzeń. Nie zdziwiło ich to jednak zbytnio: szacunki wykazały, że w tej części Wszechświata, której wówczas „nasłuchiwał” detektor, prawdopodobieństwo wystąpienia wystarczająco potężnego kataklizmu było niskie: mniej więcej raz na kilka dekad.

Linia mety

W latach 2010-2015 współpraca LIGO i Virgo radykalnie zmodernizowała sprzęt (jednak Virgo jest wciąż w fazie przygotowań). A teraz długo oczekiwany cel był w zasięgu wzroku. LIGO - a raczej aLIGO ( Zaawansowane LIGO) - był teraz gotowy do wychwytywania rozbłysków generowanych przez gwiazdy neutronowe w odległości 60 megaparseków i czarne dziury - w odległości setek megaparseków. Objętość Wszechświata otwartego na nasłuch fal grawitacyjnych wzrosła dziesięciokrotnie w porównaniu z poprzednimi sesjami.

Oczywiście nie da się przewidzieć, kiedy i gdzie nastąpi kolejny wybuch fali grawitacyjnej. Jednak czułość zaktualizowanych detektorów pozwoliła liczyć na kilka fuzji gwiazd neutronowych rocznie, więc pierwszego rozbłysku można było spodziewać się już podczas pierwszej czteromiesięcznej sesji obserwacyjnej. Jeśli mówimy o całym projekcie aLIGO, który trwał kilka lat, to werdykt był niezwykle jednoznaczny: albo wybuchy będą padać jeden po drugim, albo coś w ogólnej teorii względności zasadniczo nie działa. Obydwa będą wielkimi odkryciami.

W dniach 18 września 2015 r. – 12 stycznia 2016 r. odbyła się pierwsza sesja obserwacyjna aLIGO. Przez cały ten czas w Internecie krążyły pogłoski o rejestracji fal grawitacyjnych, ale o współpracy milczano: „zbieramy i analizujemy dane i nie jesteśmy jeszcze gotowi, aby ogłosić wyniki”. Dodatkową intrygę wywołał fakt, że w trakcie analizy sami członkowie współpracy nie mogą być do końca pewni, czy widzą prawdziwy rozbłysk fali grawitacyjnej. Faktem jest, że w LIGO impuls generowany komputerowo jest czasami sztucznie wprowadzany do strumienia rzeczywistych danych. Nazywa się to „ślepym zastrzykiem” i z całej grupy tylko trzy osoby (!) mają dostęp do systemu, który przeprowadza go w dowolnym momencie. Zespół musi wyśledzić ten wzrost, odpowiedzialnie go przeanalizować i dopiero na ostatnim etapie analizy „odkrywają się karty”, a członkowie kolaboracji dowiadują się, czy było to prawdziwe wydarzenie, czy test czujności. Swoją drogą, w jednym z takich przypadków w 2010 roku doszło nawet do napisania artykułu, ale odkryty wówczas sygnał okazał się jedynie „ślepym farszem”.

Dygresja liryczna

Aby jeszcze raz poczuć powagę chwili, proponuję spojrzeć na tę historię od drugiej strony, od środka nauki. Kiedy złożone, niedostępne zadanie naukowe pozostaje bez rozwiązania przez kilka lat, jest to normalny moment pracy. Gdy nie owocuje przez więcej niż jedno pokolenie, jest postrzegane zupełnie inaczej.

Jako uczeń czytasz książki popularnonaukowe i poznajesz tę trudną do rozwiązania, ale niezwykle interesującą zagadkę naukową. Jako student studiujesz fizykę, składasz raporty i czasami, słusznie lub nie, ludzie wokół ciebie przypominają ci o jej istnieniu. Wtedy sam zajmujesz się nauką, pracujesz w innej dziedzinie fizyki, ale regularnie słyszysz o nieudanych próbach jej rozwiązania. Oczywiście rozumiesz, że gdzieś podejmowane są aktywne wysiłki, aby rozwiązać ten problem, ale ostateczny wynik dla ciebie, jako osoby z zewnątrz, pozostaje niezmieniony. Problem postrzegany jest jako statyczne tło, jako dekoracja, jako wieczny i niemal niezmienny element fizyki w skali Twojego życia naukowego. Jak zadanie, które zawsze było i będzie.

A potem - rozwiązują to. I nagle, w skali kilku dni, czujesz, że fizyczny obraz świata się zmienił i że teraz trzeba go inaczej sformułować i zadać inne pytania.

Dla osób bezpośrednio zajmujących się poszukiwaniem fal grawitacyjnych zadanie to oczywiście nie pozostało niezmienione. Widzą cel, wiedzą, co należy osiągnąć. Mają oczywiście nadzieję, że natura również spotka ich w połowie drogi i rzuci potężny plusk w jakąś pobliską galaktykę, ale jednocześnie rozumieją, że nawet jeśli natura nie będzie tak pomocna, nie będzie już w stanie ukrywać się przed naukowcami . Pytanie tylko, kiedy dokładnie uda im się osiągnąć swoje cele techniczne. Opowieść o tym odczuciu od osoby, która od kilkudziesięciu lat poszukuje fal grawitacyjnych, można usłyszeć we wspomnianym już filmie „W oczekiwaniu na fale i cząstki”.

Otwarcie

Na ryc. Rysunek 7 przedstawia główny wynik: profil sygnału rejestrowanego przez oba detektory. Można zauważyć, że na tle hałasu oscylacja pożądanego kształtu najpierw pojawia się słabo, a następnie zwiększa amplitudę i częstotliwość. Porównanie z wynikami symulacji numerycznych pozwoliło wyjaśnić, które obiekty zaobserwowaliśmy łącząc się: były to czarne dziury o masach około 36 i 29 mas Słońca, które połączyły się w jedną czarną dziurę o masie 62 mas Słońca (błąd we wszystkich liczby te, odpowiadające 90% przedziałowi ufności, wynoszą 4 masy Słońca). Autorzy zauważają mimochodem, że powstała w ten sposób czarna dziura jest najcięższą czarną dziurą o masie gwiazdowej, jaką kiedykolwiek zaobserwowano. Różnica między całkowitą masą dwóch początkowych obiektów a końcową czarną dziurą wynosi 3 ± 0,5 masy Słońca. Ten defekt masy grawitacyjnej został całkowicie przekształcony w energię emitowanych fal grawitacyjnych w ciągu około 20 milisekund. Obliczenia wykazały, że szczytowa moc fali grawitacyjnej osiągnęła 3,6·10 56 erg/s, czyli w przeliczeniu na masę około 200 mas Słońca na sekundę.

Istotność statystyczna wykrytego sygnału wynosi 5,1σ. Innymi słowy, jeśli założymy, że te statystyczne fluktuacje nakładają się na siebie i całkowicie przypadkowo spowodowały taki wybuch, na takie wydarzenie trzeba będzie poczekać 200 tysięcy lat. Pozwala to z całą pewnością stwierdzić, że wykryty sygnał nie jest fluktuacją.

Opóźnienie czasowe między dwoma detektorami wynosiło około 7 milisekund. Umożliwiło to oszacowanie kierunku dotarcia sygnału (rys. 9). Ponieważ detektorów są tylko dwa, lokalizacja okazała się bardzo przybliżona: odpowiedni pod względem parametrów obszar sfery niebieskiej wynosi 600 stopni kwadratowych.

Współpraca LIGO nie ograniczyła się jedynie do stwierdzenia faktu rejestracji fal grawitacyjnych, ale przeprowadziła także pierwszą analizę implikacji, jakie ta obserwacja ma dla astrofizyki. W artykule Astrofizyczne implikacje połączenia podwójnej czarnej dziury GW150914, opublikowanym tego samego dnia w czasopiśmie Listy z dziennika astrofizycznego autorzy oszacowali częstotliwość, z jaką zachodzą takie łączenia się czarnych dziur. Efektem była co najmniej jedna fuzja na gigaparsek sześcienny rocznie, co jest zgodne z przewidywaniami najbardziej optymistycznych modeli w tym zakresie.

Co mówią nam fale grawitacyjne

Odkrycie nowego zjawiska po kilkudziesięciu latach poszukiwań to nie koniec, a dopiero początek nowej gałęzi fizyki. Oczywiście rejestracja fal grawitacyjnych powstałych w wyniku połączenia dwóch czarnych jest ważna sama w sobie. Jest to bezpośredni dowód na istnienie czarnych dziur i podwójnych czarnych dziur, a także na realność fal grawitacyjnych i ogólnie mówiąc, dowód na poprawność geometrycznego podejścia do grawitacji, na którym opiera się ogólna teoria względności. Ale dla fizyków nie mniej cenne jest to, że astronomia fal grawitacyjnych staje się nowym narzędziem badawczym, umożliwiającym badanie tego, co wcześniej było niedostępne.

Po pierwsze, jest to nowy sposób patrzenia na Wszechświat i badania kosmicznych kataklizmów. Dla fal grawitacyjnych nie ma przeszkód, przenikają one przez wszystko we Wszechświecie bez żadnych problemów. Są samowystarczalni: na ich profilu znajdują się informacje o procesie, który ich zrodził. Wreszcie, jeśli jedna wielka eksplozja wygeneruje rozbłysk optyczny, neutrinowy i grawitacyjny, wówczas możemy spróbować uchwycić je wszystkie, porównać je ze sobą i zrozumieć niedostępne wcześniej szczegóły tego, co się tam wydarzyło. Możliwość wyłapania i porównania tak różnych sygnałów z jednego zdarzenia jest głównym celem astronomii obejmującej wszystkie sygnały.

Kiedy detektory fal grawitacyjnych staną się jeszcze bardziej czułe, będą w stanie wykryć drżenie czasoprzestrzeni nie w momencie połączenia, ale na kilka sekund przed nim. Automatycznie wyślą swój sygnał ostrzegawczy do ogólnej sieci stacji obserwacyjnych, a satelity teleskopów astrofizycznych, po obliczeniu współrzędnych proponowanego połączenia, będą miały czas w tych sekundach na obrót w pożądanym kierunku i rozpoczęcie fotografowania nieba przed rozbłyskiem optycznym zaczyna się.

Po drugie, wybuch fali grawitacyjnej pozwoli nam dowiedzieć się nowych rzeczy o gwiazdach neutronowych. Połączenie gwiazd neutronowych to tak naprawdę najnowszy i najbardziej ekstremalny eksperyment na gwiazdach neutronowych, jaki może przeprowadzić dla nas natura, a my, jako widzowie, będziemy musieli jedynie obserwować wyniki. Obserwacyjne konsekwencje takiego połączenia mogą być różne (Rysunek 10), a zbierając ich statystyki, możemy lepiej zrozumieć zachowanie gwiazd neutronowych w tak egzotycznych środowiskach. Przegląd aktualnego stanu rzeczy w tym kierunku można znaleźć w niedawnej publikacji S. Rosswog, 2015. Wieloprzesyłowy obraz kompaktowych fuzji binarnych.

Po trzecie, zarejestrowanie rozbłysku pochodzącego z supernowej i porównanie go z obserwacjami optycznymi pozwoli w końcu szczegółowo zrozumieć, co dzieje się wewnątrz, na samym początku zapadnięcia się. Obecnie fizycy nadal mają trudności z numerycznym modelowaniem tego procesu.

Po czwarte, fizycy zajmujący się teorią grawitacji mają pożądane „laboratorium” do badania skutków silnej grawitacji. Do tej pory wszystkie efekty ogólnej teorii względności, które mogliśmy bezpośrednio zaobserwować, dotyczyły grawitacji w słabych polach. Moglibyśmy się domyślić, co dzieje się w warunkach silnej grawitacji, kiedy zniekształcenia czasoprzestrzeni zaczynają ze sobą silnie oddziaływać, jedynie poprzez pośrednie przejawy, poprzez optyczne echo kosmicznych katastrof.

Po piąte, pojawiła się nowa możliwość przetestowania egzotycznych teorii grawitacji. We współczesnej fizyce istnieje już wiele takich teorii, patrz na przykład poświęcony im rozdział w popularnej książce „Grawitacja” A. N. Pietrowa. Niektóre z tych teorii przypominają konwencjonalną ogólną teorię względności w granicach słabych pól, ale mogą się znacznie różnić, gdy grawitacja staje się bardzo silna. Inni przyznają, że istnieje nowy rodzaj polaryzacji fal grawitacyjnych i przewidują prędkość nieco odmienną od prędkości światła. Wreszcie istnieją teorie, które uwzględniają dodatkowe wymiary przestrzenne. To, co można o nich powiedzieć na podstawie fal grawitacyjnych, jest kwestią otwartą, ale jasne jest, że można z tego wyciągnąć pewne informacje. Polecamy także zapoznać się z opinią samych astrofizyków na temat tego, co zmieni się wraz z odkryciem fal grawitacyjnych, w wyborze na Postnauka.

Przyszłe plany

Perspektywy astronomii fal grawitacyjnych są najbardziej ekscytujące. Teraz zakończyła się dopiero pierwsza, najkrótsza sesja obserwacyjna detektora aLIGO – i już w tak krótkim czasie wykryto wyraźny sygnał. Bardziej trafne byłoby powiedzenie tak: pierwszy sygnał został złapany jeszcze przed oficjalnym startem, a współpraca nie zdążyła jeszcze zgłosić wszystkich czterech miesięcy pracy. Kto wie, może jest tam już kilka dodatkowych kolców? Tak czy inaczej, ale dalej, w miarę zwiększania się czułości detektorów i powiększania się części Wszechświata dostępnej do obserwacji fal grawitacyjnych, liczba zarejestrowanych zdarzeń będzie rosła lawinowo.

Oczekiwany harmonogram sesji dla sieci LIGO-Virgo pokazano na rys. 11. Druga, sześciomiesięczna sesja rozpocznie się pod koniec tego roku, trzecia sesja zajmie prawie cały 2018 rok, a na każdym etapie czułość detektora będzie rosła. Około roku 2020 aLIGO powinien osiągnąć planowaną czułość, która umożliwi detektorowi badanie Wszechświata pod kątem łączenia się odległych od nas gwiazd neutronowych w odległościach dochodzących do 200 Mpc. W przypadku jeszcze bardziej energetycznych zdarzeń łączenia się czarnych dziur czułość może osiągnąć prawie gigaparsek. Tak czy inaczej, objętość Wszechświata dostępnego do obserwacji wzrośnie dziesiątki razy w porównaniu z pierwszą sesją.

Zmodernizowane włoskie laboratorium Virgo również zacznie działać jeszcze w tym roku. Jego czułość jest nieco mniejsza niż LIGO, ale wciąż całkiem przyzwoita. Dzięki zastosowaniu metody triangulacji trio detektorów rozmieszczonych w przestrzeni pozwoli znacznie lepiej zrekonstruować położenie źródeł na sferze niebieskiej. Jeśli teraz przy dwóch detektorach obszar lokalizacji osiągnie setki stopni kwadratowych, to trzy detektory zmniejszą go do kilkudziesięciu. Ponadto podobna antena na falę grawitacyjną KAGRA jest obecnie budowana w Japonii, która zacznie działać za dwa-trzy lata, a w Indiach około 2022 roku planowane jest uruchomienie detektora LIGO-India. W efekcie po kilku latach zacznie działać cała sieć detektorów fal grawitacyjnych, regularnie rejestrujących sygnały (rys. 13).

Wreszcie planuje się wystrzelenie w przestrzeń kosmiczną instrumentów wykorzystujących fale grawitacyjne, w szczególności w ramach projektu eLISA. Dwa miesiące temu na orbitę wystrzelono pierwszego satelitę testowego, którego zadaniem będzie testowanie technologii. Do prawdziwego wykrycia fal grawitacyjnych jeszcze daleka droga. Kiedy jednak ta grupa satelitów zacznie zbierać dane, otworzy się kolejne okno na Wszechświat – poprzez fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości. To wszechfalowe podejście do fal grawitacyjnych jest głównym długoterminowym celem tej dziedziny.

Podobieństwa

Odkrycie fal grawitacyjnych było już trzecim w ostatnich latach przypadkiem, kiedy fizycy w końcu przełamali wszelkie przeszkody i dotarli do nieznanych wcześniej subtelności budowy naszego świata. W 2012 roku odkryto bozon Higgsa, cząstkę przewidywaną prawie pół wieku temu. W 2013 roku detektor neutrin IceCube udowodnił realność neutrin astrofizycznych i zaczął „patrzeć na wszechświat” w zupełnie nowy, niedostępny wcześniej sposób – poprzez neutrina wysokoenergetyczne. A teraz przyroda po raz kolejny uległa człowiekowi: „okno” fal grawitacyjnych otworzyło się na obserwację wszechświata, a jednocześnie skutki silnej grawitacji stały się dostępne do bezpośredniego badania.

Trzeba powiedzieć, że nigdzie nie było tu „gratisa” od natury. Poszukiwania prowadzono bardzo długo, ale nie przyniosły rezultatu, bo wtedy, kilkadziesiąt lat temu, sprzęt nie osiągał rezultatu pod względem energii, skali czy czułości. Do celu doprowadził stały, ukierunkowany rozwój technologii, którego nie zatrzymały ani trudności techniczne, ani negatywne wyniki poprzednich lat.

I we wszystkich trzech przypadkach sam fakt odkrycia nie był końcem, a wręcz przeciwnie, początkiem nowego kierunku badań, stało się nowym narzędziem sondowania naszego świata. Właściwości bozonu Higgsa stały się dostępne do pomiarów i na podstawie tych danych fizycy próbują dostrzec wpływ Nowej Fizyki. Dzięki zwiększonym statystykom neutrin wysokoenergetycznych astrofizyka neutrin stawia pierwsze kroki. Przynajmniej tego samego oczekuje się obecnie od astronomii fal grawitacyjnych i istnieją podstawy do optymizmu.

Źródła:
1) LIGO Naukowy Coll. i Virgo Coll. Obserwacja fal grawitacyjnych z połączenia podwójnych czarnych dziur // Fiz. Obrót silnika. Łotysz. Opublikowano 11 lutego 2016 r.
2) Dokumenty detektywistyczne – lista artykułów technicznych towarzyszących głównemu artykułowi odkrywczemu.
3) E. Berti. Punkt widzenia: Pierwsze dźwięki łączenia się czarnych dziur // Fizyka. 2016. V. 9. N. 17.

Przegląd materiałów:
1) David Blair i in. Astronomia fal grawitacyjnych: stan obecny // arXiv:1602.02872.
2) Współpraca naukowa Benjamina P. Abbotta i LIGO oraz współpraca Virgo. Perspektywy obserwacji i lokalizacji stanów nieustalonych fal grawitacyjnych za pomocą zaawansowanych LIGO i Advanced Virgo // Żyjący ks. Względność. 2016. V. 19. N. 1.
3) OD Aguiar. Przeszłość, teraźniejszość i przyszłość detektorów rezonansowych fal grawitacyjnych // Rozdzielczość Astron. Astrofia. 2011. V. 11. N. 1.
4) Poszukiwanie fal grawitacyjnych – wybór materiałów na stronie internetowej magazynu Nauka w poszukiwaniu fal grawitacyjnych.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Wykrywanie fal grawitacyjnych metodą interferometrii (naziemna i kosmiczna) // arXiv:1102.3355.
6) V. B. Braginsky. Astronomia fal grawitacyjnych: nowe metody pomiarowe // UFN. 2000. T. 170. s. 743–752.
7) Petera R. Saulsona.

Wczoraj świat był zszokowany sensacją: naukowcy w końcu odkryli fale grawitacyjne, których istnienie przepowiadał Einstein sto lat temu. To przełom. Zakłócenie czasoprzestrzeni (są to fale grawitacyjne – teraz wyjaśnimy o co chodzi) odkryto w obserwatorium LIGO, a jednym z jego założycieli jest – jak myślicie? – Kip Thorne, autor książki.

Opowiadamy, dlaczego odkrycie fal grawitacyjnych jest tak ważne, co powiedział Mark Zuckerberg i oczywiście dzielimy się tą historią w pierwszej osobie. Kip Thorne jak nikt inny wie, jak działa projekt, co czyni go niezwykłym i jakie znaczenie ma LIGO dla ludzkości. Tak, tak, wszystko jest takie poważne.

Odkrycie fal grawitacyjnych

Świat naukowy na zawsze zapamięta datę 11 lutego 2016 r. Tego dnia uczestnicy projektu LIGO ogłosili: po wielu daremnych próbach odnaleziono fale grawitacyjne. To jest rzeczywistość. Tak naprawdę odkryto je nieco wcześniej: we wrześniu 2015 roku, ale wczoraj odkrycie zostało oficjalnie uznane. The Guardian wierzy, że naukowcy z pewnością otrzymają Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Przyczyną fal grawitacyjnych jest zderzenie dwóch czarnych dziur, które miało miejsce już... miliard lat świetlnych od Ziemi. Czy możesz sobie wyobrazić, jak ogromny jest nasz Wszechświat! Ponieważ czarne dziury są bardzo masywnymi ciałami, wysyłają zmarszczki w czasoprzestrzeni, lekko ją zniekształcając. Pojawiają się więc fale podobne do tych, które rozchodzą się od kamienia wrzuconego do wody.

Tak można sobie wyobrazić fale grawitacyjne docierające na Ziemię na przykład z tunelu czasoprzestrzennego. Rysunek z książki „Interstellar. Nauka za kulisami”

Powstałe wibracje zostały przekształcone w dźwięk. Co ciekawe, sygnał fal grawitacyjnych dociera z w przybliżeniu tą samą częstotliwością, co nasza mowa. Dzięki temu możemy na własne uszy usłyszeć, jak zderzają się czarne dziury. Posłuchaj, jak brzmią fale grawitacyjne.

I zgadnij co? Niedawno czarne dziury nie mają struktury, jak wcześniej sądzono. Ale nie było żadnych dowodów na to, że w zasadzie istnieją. A teraz jest. Czarne dziury naprawdę „żyją” we Wszechświecie.

Naukowcy uważają, że tak wygląda katastrofa – połączenie czarnych dziur.

11 lutego odbyła się wspaniała konferencja, w której wzięło udział ponad tysiąc naukowców z 15 krajów. Obecni byli także rosyjscy naukowcy. I oczywiście był Kip Thorne. „To odkrycie jest początkiem niesamowitych, wspaniałych poszukiwań ludzi: poszukiwania i eksploracji zakrzywionej strony Wszechświata – obiektów i zjawisk powstałych ze zniekształconej czasoprzestrzeni. Zderzenia czarnych dziur i fale grawitacyjne to nasze pierwsze niezwykłe przykłady” – powiedział Kip Thorne.

Poszukiwanie fal grawitacyjnych jest jednym z głównych problemów fizyki. Teraz je odnaleziono. Geniusz Einsteina został ponownie potwierdzony.

W październiku przeprowadziliśmy wywiad z Siergiejem Popowem, rosyjskim astrofizykiem i znanym popularyzatorem nauki. Wyglądał, jakby patrzył w wodę! Jesienią: „Wydaje mi się, że jesteśmy teraz u progu nowych odkryć, co wiąże się przede wszystkim z pracą detektorów fal grawitacyjnych LIGO i VIRGO (Kip Thorne wniósł duży wkład w powstanie projektu LIGO) .” Niesamowite, prawda?

Fale grawitacyjne, detektory fal i LIGO

Cóż, teraz trochę fizyki. Dla tych, którzy naprawdę chcą zrozumieć, czym są fale grawitacyjne. Oto artystyczne przedstawienie linii ścięgien dwóch czarnych dziur krążących wokół siebie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, a następnie zderzających się. Linie Tendex generują grawitację pływową. Zacząć robić. Linie, które wychodzą z dwóch najbardziej oddalonych od siebie punktów na powierzchni pary czarnych dziur, rozciągają wszystko na swojej drodze, łącznie z przyjacielem artysty na rysunku. Linie wychodzące z obszaru kolizji ściskają wszystko.

Gdy otwory obracają się wokół siebie, przenoszą się wzdłuż linii ścięgien, które przypominają strumienie wody z wirującego zraszacza na trawniku. Na zdjęciu z książki „Interstellar. Nauka za kulisami” – para zderzających się czarnych dziur, obracających się wokół siebie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, oraz ich linie ścięgien.

Czarne dziury łączą się w jedną dużą dziurę; jest zdeformowany i obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, ciągnąc za sobą linie ścięgien. Nieruchomy obserwator z dala od dziury odczuje wibracje, gdy linie ścięgien przechodzą przez niego: rozciąganie, potem ściskanie, wreszcie rozciąganie - linie ścięgien stały się falą grawitacyjną. W miarę rozprzestrzeniania się fal deformacja czarnej dziury stopniowo maleje, a fale również słabną.

Kiedy fale te docierają do Ziemi, wyglądają jak ta pokazana na górze poniższego rysunku. Rozciągają się w jednym kierunku i ściskają w drugim. Rozciągnięcia i zagęszczenia oscylują (od czerwonego w prawo-lewo, przez niebieskie prawo-lewo, do czerwonego prawo-lewo itp.), gdy fale przechodzą przez detektor na dole figury.

Fale grawitacyjne przechodzące przez detektor LIGO.

Detektor składa się z czterech dużych luster (40 kilogramów i średnicy 34 centymetrów), które są przymocowane do końców dwóch prostopadłych rur, zwanych ramionami detektora. Linie Tendex fal grawitacyjnych rozciągają jedno ramię, ściskając drugie, a następnie odwrotnie, ściskają pierwsze i rozciągają drugie. I tak w kółko. Ponieważ długość ramion zmienia się okresowo, zwierciadła przesuwają się względem siebie, a przemieszczenia te są śledzone za pomocą wiązek laserowych w sposób zwany interferometrią. Stąd nazwa LIGO: Obserwatorium Fal Grawitacyjnych z Interferometrem Laserowym.

Centrum sterowania LIGO, skąd wysyłają polecenia do detektora i monitorują odbierane sygnały. Detektory grawitacyjne LIGO znajdują się w Hanford w stanie Waszyngton i Livingston w Luizjanie. Zdjęcie z książki „Interstellar. Nauka za kulisami”

Obecnie LIGO to międzynarodowy projekt, w którym bierze udział 900 naukowców z różnych krajów, a jego siedziba znajduje się w California Institute of Technology.

Zakrzywiona strona wszechświata

Czarne dziury, tunele czasoprzestrzenne, osobliwości, anomalie grawitacyjne i wymiary wyższego rzędu są powiązane z krzywiznami przestrzeni i czasu. Dlatego Kip Thorne nazywa je „pokręconą stroną wszechświata”. Ludzkość wciąż posiada bardzo mało danych eksperymentalnych i obserwacyjnych z zakrzywionej strony Wszechświata. Dlatego tak dużą wagę przywiązujemy do fal grawitacyjnych: składają się one z zakrzywionej przestrzeni i zapewniają nam najbardziej dostępny sposób badania zakrzywionej strony.

Wyobraź sobie, że widziałeś ocean tylko wtedy, gdy był spokojny. Nie miałbyś pojęcia o prądach, wirach i falach sztormowych. Przypomina to naszą obecną wiedzę o krzywiźnie przestrzeni i czasu.

Prawie nic nie wiemy o tym, jak zakrzywiona przestrzeń i zakrzywiony czas zachowują się „podczas burzy” – kiedy kształt przestrzeni ulega gwałtownym zmianom i kiedy zmienia się prędkość czasu. To niezwykle kusząca granica wiedzy. Naukowiec John Wheeler ukuł termin „geometrodynamika” dla określenia tych zmian.

Szczególnie interesujące w dziedzinie geometrii jest zderzenie dwóch czarnych dziur.

Zderzenie dwóch nierotujących czarnych dziur. Model z książki „Interstellar. Nauka za kulisami”

Powyższe zdjęcie pokazuje moment zderzenia dwóch czarnych dziur. Właśnie takie wydarzenie pozwoliło naukowcom zarejestrować fale grawitacyjne. Model ten jest zbudowany dla nierotujących czarnych dziur. U góry: orbity i cienie dziur widziane z naszego Wszechświata. Środek: zakrzywiona przestrzeń i czas widziane z masy (wielowymiarowa hiperprzestrzeń); Strzałki pokazują, jak przestrzeń jest zaangażowana w ruch, a zmieniające się kolory pokazują, jak zakrzywiony jest czas. U dołu: Kształt emitowanych fal grawitacyjnych.

Fale grawitacyjne z Wielkiego Wybuchu

Przejdźmy do Kipa Thorne’a. „W 1975 roku Leonid Grischuk, mój dobry znajomy z Rosji, wygłosił sensacyjną wypowiedź. Powiedział, że w momencie Wielkiego Wybuchu powstało wiele fal grawitacyjnych, a mechanizm ich powstawania (wcześniej nieznany) był następujący: fluktuacje kwantowe (losowe wahania – przyp. red.) pola grawitacyjne podczas Wielkiego Wybuchu zostały znacznie wzmocnione przez początkową ekspansję Wszechświata i w ten sposób stały się pierwotnymi falami grawitacyjnymi. Fale te, jeśli zostaną wykryte, mogą nam powiedzieć, co wydarzyło się podczas narodzin naszego Wszechświata.”

Jeśli naukowcy odnajdą pierwotne fale grawitacyjne, dowiemy się, jak powstał Wszechświat.

Ludzie rozwiązali już wszystkie tajemnice Wszechświata. Jeszcze wiele przed nami.

W kolejnych latach, w miarę jak poprawiało się nasze zrozumienie Wielkiego Wybuchu, stało się oczywiste, że te pierwotne fale muszą być silne na długości fal proporcjonalnych do rozmiaru widzialnego Wszechświata, czyli na długości miliardów lat świetlnych. Czy możesz sobie wyobrazić, ile to jest?.. A przy długościach fal, które pokrywają detektory LIGO (setki i tysiące kilometrów), fale będą najprawdopodobniej zbyt słabe, aby je rozpoznać.

Zespół Jamiego Bocka zbudował aparat BICEP2, za pomocą którego odkryto ślad pierwotnych fal grawitacyjnych. Urządzenie znajdujące się na biegunie północnym pokazane jest tutaj podczas zmierzchu, który występuje tam tylko dwa razy w roku.

Urządzenie BICEP2. Zdjęcie z książki Interstellar. Nauka za kulisami”

Jest otoczony tarczami, które chronią urządzenie przed promieniowaniem z otaczającej pokrywy lodowej. W prawym górnym rogu widoczny jest ślad odkrytego w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła - wzór polaryzacji. Linie pola elektrycznego są skierowane wzdłuż krótkich, lekkich uderzeń.

Ślad początku wszechświata

Na początku lat dziewięćdziesiątych kosmolodzy zdali sobie sprawę, że te fale grawitacyjne o długości miliardów lat świetlnych musiały pozostawić unikalny ślad w falach elektromagnetycznych wypełniających Wszechświat – tak zwane kosmiczne mikrofalowe tło, czyli kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła. To rozpoczęło poszukiwania Świętego Graala. Wszak jeśli wykryjemy ten ślad i wywnioskujemy z niego właściwości pierwotnych fal grawitacyjnych, możemy dowiedzieć się, jak narodził się Wszechświat.

W marcu 2014 roku, kiedy Kip Thorne pisał tę książkę, zespół Jamiego Boka, kosmologa z Caltech, którego biuro znajduje się obok biura Thorne'a, w końcu odkrył ten ślad w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła.

To absolutnie niesamowite odkrycie, ale jest jeden kontrowersyjny punkt: ślad znaleziony przez zespół Jamiego mógł być spowodowany czymś innym niż fale grawitacyjne.

Jeśli rzeczywiście odnaleziono ślad fal grawitacyjnych, które powstały podczas Wielkiego Wybuchu, oznacza to, że doszło do odkrycia kosmologicznego na poziomie, który zdarza się może raz na pół wieku. Daje szansę dotknięcia wydarzeń, które miały miejsce jedną bilionową bilionowej bilionowej sekundy po narodzinach Wszechświata.

Odkrycie to potwierdza teorie, że ekspansja Wszechświata w tamtym momencie była niezwykle szybka, w żargonie kosmologów – szybka inflacyjna. I zwiastuje nadejście nowej ery w kosmologii.

Fale grawitacyjne i międzygwiazdowe

Wczoraj na konferencji na temat odkrycia fal grawitacyjnych Walery Mitrofanow, szef moskiewskiej współpracy naukowców LIGO, w skład której wchodzi 8 naukowców z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, zauważył, że fabuła filmu „Interstellar”, choć fantastyczna, nie jest taka dalekie od rzeczywistości. A wszystko dlatego, że konsultantem naukowym był Kip Thorne. Sam Thorne wyraził nadzieję, że wierzy w przyszłe załogowe loty do czarnej dziury. Być może nie nastąpią one tak szybko, jak byśmy tego chcieli, ale dziś jest to o wiele bardziej realne niż wcześniej.

Niedaleki jest dzień, w którym ludzie opuszczą granice naszej galaktyki.

To wydarzenie poruszyło umysły milionów ludzi. Osławiony Mark Zuckerberg napisał: „Odkrycie fal grawitacyjnych jest największym odkryciem współczesnej nauki. Albert Einstein jest jednym z moich bohaterów, dlatego tak osobiście przyjąłem to odkrycie. Sto lat temu w ramach Ogólnej Teorii Względności (GTR) przewidział istnienie fal grawitacyjnych. Są jednak tak małe, że można je wykryć, że zaczęto ich szukać w źródłach takich wydarzeń, jak Wielki Wybuch, eksplozje gwiazd i zderzenia czarnych dziur. Gdy naukowcy przeanalizują uzyskane dane, otworzy się przed nami zupełnie nowe spojrzenie na przestrzeń kosmiczną. Być może rzuci to światło na pochodzenie Wszechświata, narodziny i rozwój czarnych dziur. Bardzo inspirująca jest myśl o tym, ile istnień ludzkich i wysiłków włożono w odkrycie tej tajemnicy Wszechświata. Ten przełom był możliwy dzięki talentowi genialnych naukowców i inżynierów, ludzi różnych narodowości, a także najnowszym technologiom komputerowym, które pojawiły się dopiero niedawno. Gratulacje dla wszystkich zaangażowanych. Einstein byłby z ciebie dumny.”

To jest przemówienie. A to jest osoba, która po prostu interesuje się nauką. Można sobie wyobrazić, jaka burza emocji ogarnęła naukowców, którzy przyczynili się do odkrycia. Wydaje się, że jesteśmy świadkami nowej ery, przyjaciele. To jest niesamowite.

P.S. Podobało Ci się? Zapisz się do naszego newslettera na temat horyzontów. Raz w tygodniu wysyłamy listy edukacyjne i udzielamy rabatów na książki MIT.