Βαρυτικά κύματα: το πιο σημαντικό πράγμα για μια κολοσσιαία ανακάλυψη. Τι είναι το βαρυτικό κύμα

Στις 11 Φεβρουαρίου 2016, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων, συμπεριλαμβανομένης της Ρωσίας, σε συνέντευξη Τύπου στην Ουάσιγκτον ανακοίνωσε μια ανακάλυψη που αργά ή γρήγορα θα αλλάξει την ανάπτυξη του πολιτισμού. Ήταν δυνατό να αποδειχθούν στην πράξη βαρυτικά κύματα ή κύματα χωροχρόνου. Η ύπαρξή τους είχε προβλεφθεί πριν από 100 χρόνια από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν στο δικό του.

Κανείς δεν αμφιβάλλει ότι αυτή η ανακάλυψη θα βραβευτεί βραβείο Νόμπελ. Οι επιστήμονες δεν βιάζονται να μιλήσουν για την πρακτική εφαρμογή του. Μας υπενθυμίζουν όμως ότι μέχρι πολύ πρόσφατα, η ανθρωπότητα δεν ήξερε επίσης τι να κάνει με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, κάτι που τελικά οδήγησε σε μια πραγματική επιστημονική και τεχνολογική επανάσταση.

Τι είναι τα βαρυτικά κύματα με απλά λόγια

Η βαρύτητα και η παγκόσμια βαρύτητα είναι ένα και το αυτό πράγμα. Τα βαρυτικά κύματα είναι μια από τις λύσεις για το GPV. Πρέπει να εξαπλωθούν με την ταχύτητα του φωτός. Εκπέμπεται από οποιοδήποτε σώμα κινείται με μεταβλητή επιτάχυνση.

Για παράδειγμα, περιστρέφεται στην τροχιά του με μεταβλητή επιτάχυνση κατευθυνόμενη προς το αστέρι. Και αυτή η επιτάχυνση αλλάζει συνεχώς. Το ηλιακό σύστημα εκπέμπει ενέργεια της τάξης των αρκετών κιλοβάτ ανά βαρυτικά κύματαΩ. Πρόκειται για ένα ασήμαντο ποσό, συγκρίσιμο με 3 παλιές έγχρωμες τηλεοράσεις.

Ένα άλλο πράγμα είναι δύο πάλσαρ (άστρα νετρονίων) που περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο. Περιστρέφονται σε πολύ κοντινές τροχιές. Ένα τέτοιο «ζεύγος» ανακαλύφθηκε από αστροφυσικούς και παρατηρήθηκε για πολύ καιρό. Τα αντικείμενα ήταν έτοιμα να πέσουν το ένα πάνω στο άλλο, γεγονός που έδειχνε έμμεσα ότι τα πάλσαρ εκπέμπουν χωροχρονικά κύματα, δηλαδή ενέργεια στο πεδίο τους.

Η βαρύτητα είναι η δύναμη της βαρύτητας. Μας ελκύει η γη. Και η ουσία ενός βαρυτικού κύματος είναι μια αλλαγή σε αυτό το πεδίο, το οποίο είναι εξαιρετικά αδύναμο όταν φτάνει σε εμάς. Για παράδειγμα, πάρτε τη στάθμη του νερού σε μια δεξαμενή. Η ένταση του βαρυτικού πεδίου είναι η επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης σε ένα συγκεκριμένο σημείο. Ένα κύμα διασχίζει τη λίμνη μας και ξαφνικά η επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης αλλάζει, λίγο.

Τέτοια πειράματα ξεκίνησαν τη δεκαετία του '60 του περασμένου αιώνα. Εκείνη την εποχή, κατέληξαν σε αυτό: κρέμασαν έναν τεράστιο κύλινδρο από αλουμίνιο, που ψύχθηκε για να αποφύγουν τις εσωτερικές θερμικές διακυμάνσεις. Και περίμεναν να φτάσει ξαφνικά ένα κύμα από μια σύγκρουση, για παράδειγμα, δύο τεράστιων μαύρων τρυπών. Οι ερευνητές ήταν γεμάτοι ενθουσιασμό και είπαν ότι όλα Γημπορεί να βιώσουν τις επιπτώσεις ενός βαρυτικού κύματος που φθάνει από το διάστημα. Ο πλανήτης θα αρχίσει να δονείται και αυτά τα σεισμικά κύματα (συμπίεση, διάτμηση και επιφανειακά κύματα) μπορούν να μελετηθούν.

Σημαντικό άρθρο για τη συσκευή σε απλή γλώσσακαι πώς οι Αμερικανοί και το LIGO έκλεψαν την ιδέα των Σοβιετικών επιστημόνων και κατασκεύασαν ενδοφερόμετρα που κατέστησαν δυνατή την ανακάλυψη. Κανείς δεν το μιλάει, όλοι σιωπούν!

Παρεμπιπτόντως, η βαρυτική ακτινοβολία είναι πιο ενδιαφέρουσα από τη θέση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων, την οποία προσπαθούν να βρουν αλλάζοντας το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Λείψανο και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολίαεμφανίστηκε 700 χιλιάδες χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, στη συνέχεια κατά τη διάρκεια της διαστολής του σύμπαντος, γεμάτο με ζεστό αέριο με κινούμενα ωστικά κύματα, τα οποία αργότερα μετατράπηκαν σε γαλαξίες. Σε αυτή την περίπτωση, φυσικά, ένας γιγαντιαίος, συγκλονιστικός αριθμός κυμάτων χωροχρόνου θα έπρεπε να είχε εκπέμπεται, επηρεάζοντας το μήκος κύματος της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, η οποία εκείνη την εποχή ήταν ακόμα οπτική. Ο Ρώσος αστροφυσικός Sazhin γράφει και δημοσιεύει τακτικά άρθρα σχετικά με αυτό το θέμα.

Λανθασμένη ερμηνεία της ανακάλυψης βαρυτικών κυμάτων

«Ένας καθρέφτης κρέμεται, ένα βαρυτικό κύμα δρα πάνω του και αρχίζει να ταλαντώνεται. Και ακόμη και οι πιο ασήμαντες διακυμάνσεις στο πλάτος μικρότερο μέγεθοςο ατομικός πυρήνας παρατηρείται από τα όργανα» - μια τέτοια εσφαλμένη ερμηνεία, για παράδειγμα, χρησιμοποιείται στο άρθρο της Wikipedia. Μην είστε τεμπέλης, βρείτε ένα άρθρο σοβιετικών επιστημόνων από το 1962.

Πρώτον, ο καθρέφτης πρέπει να είναι ογκώδης για να αισθάνεστε τους «κυματισμούς». Δεύτερον, πρέπει να ψύχεται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν (Kelvin) για να αποφύγει τις δικές του θερμικές διακυμάνσεις. Πιθανότατα, όχι μόνο στον 21ο αιώνα, αλλά γενικά δεν θα είναι ποτέ δυνατό να ανιχνευθεί ένα στοιχειώδες σωματίδιο - ο φορέας των βαρυτικών κυμάτων:

Τι σημαίνει για εμάς η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων;

Νομίζω ότι όλοι γνωρίζουν ήδη ότι πριν από μερικές μέρες επιστήμονες ανακοίνωσαν την ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων για πρώτη φορά. Υπήρχαν πολλά νέα σχετικά με αυτό, στην τηλεόραση, στα ειδησεογραφικά sites και παντού. Ωστόσο, κανείς δεν μπήκε στον κόπο να εξηγήσει προσιτή γλώσσα, τι μας δίνει αυτή η ανακάλυψη σε πρακτικούς όρους.

Στην πραγματικότητα, όλα είναι απλά, απλώς σχεδιάστε μια αναλογία με ένα υποβρύχιο:

Πηγή:

Η ανίχνευση υποβρυχίων είναι το πρώτο και κύριο καθήκον κατά την καταπολέμησή τους. Όπως κάθε αντικείμενο, έτσι και ένα σκάφος επηρεάζει το περιβάλλον με την παρουσία του. Με άλλα λόγια, το σκάφος έχει τα δικά του φυσικά πεδία. Τα πιο γνωστά φυσικά πεδία ενός υποβρυχίου περιλαμβάνουν τα υδροακουστικά, μαγνητικά, υδροδυναμικά, ηλεκτρικά, ηλεκτρομαγνητικά χαμηλής συχνότητας, καθώς και θερμικά και οπτικά. Η απομόνωση των φυσικών πεδίων ενός σκάφους στο φόντο των πεδίων του ωκεανού (θάλασσα) αποτελεί τη βάση των βασικών μεθόδων ανίχνευσης.
Οι μέθοδοι ανίχνευσης υποβρυχίων χωρίζονται ανάλογα με τον τύπο των φυσικών πεδίων: Ακουστικό, Μαγνητομετρικό, Ραντάρ, Αέριο, Θερμικό κ.λπ.

Το ίδιο και ο χώρος. Κοιτάμε τα αστέρια μέσα από τηλεσκόπια, φωτογραφίζουμε τον Άρη, πιάνουμε ακτινοβολία και γενικά προσπαθούμε να κατανοήσουμε τους ουρανούς με όλους προσβάσιμους τρόπους. Και τώρα, αφού καταγράφηκαν αυτά τα κύματα, προστέθηκε μια άλλη μέθοδος μελέτης - η βαρυτική. Θα είμαστε σε θέση να δούμε το χώρο με βάση αυτές τις δονήσεις.

Δηλαδή, όπως ένα υποβρύχιο πέρασε από τη θάλασσα και άφησε πίσω του ένα «ίχνος» με το οποίο μπορεί να αναγνωριστεί, με τον ίδιο τρόπο μπορούν πλέον να μελετηθούν τα ουράνια σώματα από διαφορετική οπτική γωνία για μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα. Στο μέλλον, θα μπορούμε να δούμε πώς τα βαρυτικά κύματα κάμπτονται γύρω από διαφορετικά σώματα, γαλαξίες, πλανήτες, θα μάθουμε να υπολογίζουμε καλύτερα τις κοσμικές τροχιές των αντικειμένων (Και ίσως ακόμη και να αναγνωρίσουμε και να προβλέψουμε την προσέγγιση των μετεωριτών εκ των προτέρων), θα δείτε τη συμπεριφορά των κυμάτων κάτω από ειδικές συνθήκες, και ούτω καθεξής.

Τι θα δώσει;

Δεν είναι ξεκάθαρο ακόμα. Αλλά με την πάροδο του χρόνου, ο εξοπλισμός θα γίνει πιο ακριβής και ευαίσθητος και θα συγκεντρωθεί πληθώρα υλικού για τα βαρυτικά κύματα. Με βάση αυτά τα υλικά, θα αρχίσουν να βρίσκουν τα περίεργα μυαλά διάφορα είδηανωμαλίες, μυστήρια και μοτίβα. Αυτά τα πρότυπα και οι ανωμαλίες, με τη σειρά τους, θα χρησιμεύσουν είτε ως διάψευση είτε ως επιβεβαίωση παλιών θεωριών. Θα δημιουργηθούν επιπλέον μαθηματικοί τύποι, ενδιαφέρουσες υποθέσεις (Βρετανοί επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα περιστέρια βρίσκουν το δρόμο για το σπίτι χρησιμοποιώντας βαρυτικά κύματα!) και πολλά άλλα. Και ο κίτρινος Τύπος σίγουρα θα εκτοξεύσει κάποιο μύθο, όπως το «βαρυτικό τσουνάμι», που μια μέρα θα έρθει και θα μας καλύψει ηλιακό σύστημακαι όλα τα ζωντανά θα λάβουν kidyk. Και η Βάνγκα θα συρθεί κι άλλο. Με λίγα λόγια, θα είναι διασκεδαστικό:]

Ποιο είναι λοιπόν το αποτέλεσμα;

Ως αποτέλεσμα, θα έχουμε ένα πιο προηγμένο πεδίο επιστήμης που θα είναι σε θέση να παρέχει μια πιο ακριβή και ευρύτερη εικόνα του κόσμου μας. Και αν είστε τυχεροί και οι επιστήμονες συναντήσουν κάποιο εκπληκτικό αποτέλεσμα... (Όπως, αν δύο βαρυτικά κύματα σε μια πανσέληνο «συντρίψουν» μεταξύ τους σε μια συγκεκριμένη γωνία με την απαιτούμενη ταχύτητα, τότε εμφανίζεται μια τοπική πηγή αντιβαρύτητας, ω -πα!)... τότε μπορούμε να ελπίζουμε σε σοβαρή επιστημονική πρόοδο.

Την Πέμπτη, 11 Φεβρουαρίου, μια ομάδα επιστημόνων από το διεθνές έργο LIGO Scientific Collaboration ανακοίνωσε ότι τα κατάφερε, την ύπαρξη του οποίου είχε προβλέψει ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1916. Σύμφωνα με τους ερευνητές, στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, κατέγραψαν ένα βαρυτικό κύμα που προκλήθηκε από τη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών με βάρος 29 και 36 φορές τη μάζα του Ήλιου, μετά την οποία συγχωνεύτηκαν σε μια μεγάλη μαύρη τρύπα. Σύμφωνα με αυτούς, αυτό υποτίθεται ότι συνέβη πριν από 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια σε απόσταση 410 Megaparsecs από τον γαλαξία μας.

Το LIGA.net μίλησε αναλυτικά για τα βαρυτικά κύματα και τη μεγάλης κλίμακας ανακάλυψη Bogdan Hnatyk, Ουκρανός επιστήμονας, αστροφυσικός, Διδάκτωρ Φυσικών και Μαθηματικών Επιστημών, κορυφαίος ερευνητής στο Αστρονομικό Παρατηρητήριο του Κιέβου εθνικό πανεπιστήμιοπήρε το όνομά του από τον Taras Shevchenko, ο οποίος ήταν επικεφαλής του αστεροσκοπείου από το 2001 έως το 2004.

Θεωρία με απλά λόγια

Η Φυσική μελετά την αλληλεπίδραση μεταξύ των σωμάτων. Έχει διαπιστωθεί ότι υπάρχουν τέσσερις τύποι αλληλεπίδρασης μεταξύ των σωμάτων: ηλεκτρομαγνητική, ισχυρή και ασθενής πυρηνική αλληλεπίδραση και βαρυτική αλληλεπίδραση, που όλοι αισθανόμαστε. Λόγω της βαρυτικής αλληλεπίδρασης, οι πλανήτες περιστρέφονται γύρω από τον Ήλιο, τα σώματα έχουν βάρος και πέφτουν στο έδαφος. Οι άνθρωποι βρίσκονται συνεχώς αντιμέτωποι με βαρυτική αλληλεπίδραση.

Το 1916, πριν από 100 χρόνια, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν έχτισε μια θεωρία της βαρύτητας που βελτίωσε τη θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα, την έκανε μαθηματικά σωστή: άρχισε να πληροί όλες τις απαιτήσεις της φυσικής και άρχισε να λαμβάνει υπόψη το γεγονός ότι η βαρύτητα διαδίδεται με πολύ υψηλή, αλλά πεπερασμένη ταχύτητα. Αυτό είναι δικαίως ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα του Αϊνστάιν, αφού έχτισε μια θεωρία της βαρύτητας που αντιστοιχεί σε όλα τα φαινόμενα της φυσικής που παρατηρούμε σήμερα.

Αυτή η θεωρία πρότεινε επίσης την ύπαρξη βαρυτικά κύματα. Η βάση αυτής της πρόβλεψης ήταν ότι τα βαρυτικά κύματα υπάρχουν ως αποτέλεσμα της βαρυτικής αλληλεπίδρασης που συμβαίνει λόγω της συγχώνευσης δύο μαζικών σωμάτων.

Τι είναι το βαρυτικό κύμα

Δύσκολη γλώσσααυτό είναι μια διέγερση της χωροχρονικής μέτρησης. «Ας πούμε, το διάστημα έχει μια ορισμένη ελαστικότητα και τα κύματα μπορούν να διατρέξουν αυτό είναι παρόμοιο με όταν ρίχνουμε ένα βότσαλο στο νερό και τα κύματα διασκορπίζονται από αυτό», είπε ο διδάκτορας των φυσικών και μαθηματικών επιστημών στο LIGA.net.

Οι επιστήμονες μπόρεσαν να αποδείξουν πειραματικά ότι μια παρόμοια ταλάντωση έλαβε χώρα στο Σύμπαν και ένα βαρυτικό κύμα έτρεχε προς όλες τις κατευθύνσεις. «Αστροφυσικά, για πρώτη φορά, καταγράφηκε το φαινόμενο μιας τέτοιας καταστροφικής εξέλιξης ενός δυαδικού συστήματος, όταν δύο αντικείμενα συγχωνεύονται σε ένα, και αυτή η συγχώνευση οδηγεί σε μια πολύ έντονη απελευθέρωση βαρυτικής ενέργειας, η οποία στη συνέχεια εξαπλώνεται στο διάστημα με τη μορφή των βαρυτικών κυμάτων», εξήγησε ο επιστήμονας.

Αυτά τα βαρυτικά κύματα είναι πολύ αδύναμα και για να ταρακουνήσουν τον χωροχρόνο είναι απαραίτητη η αλληλεπίδραση πολύ μεγάλων και ογκωδών σωμάτων ώστε η ένταση του βαρυτικού πεδίου να είναι υψηλή στο σημείο δημιουργίας. Όμως, παρά την αδυναμία τους, ο παρατηρητής μετά από ορισμένο χρόνο (ίσο με την απόσταση από την αλληλεπίδραση διαιρούμενη με την ταχύτητα του σήματος) θα καταγράψει αυτό το βαρυτικό κύμα.

Ας δώσουμε ένα παράδειγμα: εάν η Γη έπεφτε στον Ήλιο, τότε θα συνέβαινε βαρυτική αλληλεπίδραση: θα απελευθερωνόταν η βαρυτική ενέργεια, θα σχηματιζόταν ένα βαρυτικό σφαιρικά συμμετρικό κύμα και ο παρατηρητής θα μπορούσε να το καταγράψει. "Ένα παρόμοιο, αλλά μοναδικό, από την άποψη της αστροφυσικής, φαινόμενο συνέβη εδώ: δύο ογκώδη σώματα συγκρούστηκαν - δύο μαύρες τρύπες", σημείωσε ο Gnatyk.

Ας επιστρέψουμε στη θεωρία

Μια μαύρη τρύπα είναι μια άλλη πρόβλεψη της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία προβλέπει ότι ένα σώμα που έχει τεράστια μάζα, αλλά αυτή η μάζα συγκεντρώνεται σε μικρό όγκο, είναι ικανό να παραμορφώσει σημαντικά τον χώρο γύρω του, μέχρι το κλείσιμό του. Δηλαδή, υποτέθηκε ότι όταν επιτευχθεί μια κρίσιμη συγκέντρωση της μάζας αυτού του σώματος - τέτοια ώστε το μέγεθος του σώματος να είναι μικρότερο από τη λεγόμενη ακτίνα βαρύτητας, τότε ο χώρος γύρω από αυτό το σώμα θα είναι κλειστός και η τοπολογία του θα είναι τέτοιο που κανένα σήμα από αυτό πέρα περιορισμένος χώροςδεν θα μπορέσει να εξαπλωθεί.

«Δηλαδή μια μαύρη τρύπα, με απλά λόγια, είναι ένα τεράστιο αντικείμενο που είναι τόσο βαρύ που κλείνει τον χωροχρόνο γύρω του», λέει ο επιστήμονας.

Και εμείς, σύμφωνα με τον ίδιο, μπορούμε να στείλουμε οποιαδήποτε σήματα σε αυτό το αντικείμενο, αλλά δεν μπορεί να τα στείλει σε εμάς. Δηλαδή, κανένα σήμα δεν μπορεί να πάει πέρα ​​από τη μαύρη τρύπα.

Μια μαύρη τρύπα ζει σύμφωνα με τους συνηθισμένους φυσικούς νόμους, αλλά ως αποτέλεσμα της ισχυρής βαρύτητας, ούτε ένα υλικό σώμα, ούτε καν ένα φωτόνιο, δεν μπορεί να υπερβεί αυτή την κρίσιμη επιφάνεια. Οι μαύρες τρύπες σχηματίζονται κατά την εξέλιξη των συνηθισμένων άστρων, όταν ο κεντρικός πυρήνας καταρρέει και μέρος της ύλης του αστεριού, καταρρέοντας, μετατρέπεται σε μαύρη τρύπα και το άλλο μέρος του άστρου εκτινάσσεται με τη μορφή κελύφους Supernova, μετατρέποντας σε το λεγόμενο «ξέσπασμα» ενός Supernova.

Πώς είδαμε το βαρυτικό κύμα

Ας δώσουμε ένα παράδειγμα. Όταν έχουμε δύο πλωτήρες στην επιφάνεια του νερού και το νερό είναι ήρεμο, η απόσταση μεταξύ τους είναι σταθερή. Όταν φθάνει ένα κύμα, μετατοπίζει αυτούς τους πλωτήρες και η απόσταση μεταξύ των πλωτών θα αλλάξει. Το κύμα έχει περάσει - και οι πλωτήρες επιστρέφουν στις προηγούμενες θέσεις τους και η απόσταση μεταξύ τους αποκαθίσταται.

Ένα βαρυτικό κύμα διαδίδεται στον χωροχρόνο με παρόμοιο τρόπο: συμπιέζει και τεντώνει σώματα και αντικείμενα που συναντώνται στην πορεία του. «Όταν ένα συγκεκριμένο αντικείμενο συναντά στην πορεία ενός κύματος, παραμορφώνεται στους άξονές του και μετά το πέρασμά του επιστρέφει στο ίδια μορφή. Υπό την επίδραση ενός βαρυτικού κύματος, όλα τα σώματα παραμορφώνονται, αλλά αυτές οι παραμορφώσεις είναι πολύ ασήμαντες», λέει ο Gnatyk.

Όταν το κύμα που κατέγραψαν οι επιστήμονες πέρασε, το σχετικό μέγεθος των σωμάτων στο διάστημα άλλαξε κατά ένα ποσό της τάξης του 1 επί 10 στη μείον 21η δύναμη. Για παράδειγμα, αν πάρετε έναν μετρητή χάρακα, τότε έχει συρρικνωθεί κατά ένα ποσό που είναι το μέγεθός του πολλαπλασιασμένο επί 10 στη μείον 21η δύναμη. Αυτή είναι μια πολύ μικρή ποσότητα. Και το πρόβλημα ήταν ότι οι επιστήμονες έπρεπε να μάθουν πώς να μετρούν αυτή την απόσταση. Οι συμβατικές μέθοδοι έδωσαν ακρίβεια της τάξης του 1 στα 10 στην 9η δύναμη των εκατομμυρίων, αλλά εδώ χρειάζονται πολύ περισσότερα υψηλή ακρίβεια. Για το σκοπό αυτό δημιουργήθηκαν οι λεγόμενες βαρυτικές κεραίες (βαρυτικοί ανιχνευτές κυμάτων).

Η κεραία που κατέγραψε τα βαρυτικά κύματα είναι κατασκευασμένη με αυτόν τον τρόπο: υπάρχουν δύο σωλήνες, μήκους περίπου 4 χιλιομέτρων, που βρίσκονται στο σχήμα του γράμματος «L», αλλά με τους ίδιους βραχίονες και σε ορθή γωνία. Όταν ένα βαρυτικό κύμα χτυπά ένα σύστημα, παραμορφώνει τα φτερά της κεραίας, αλλά ανάλογα με τον προσανατολισμό του, παραμορφώνεται το ένα περισσότερο και το άλλο λιγότερο. Και τότε προκύπτει μια διαφορά διαδρομής, το μοτίβο παρεμβολής του σήματος αλλάζει - εμφανίζεται ένα συνολικό θετικό ή αρνητικό πλάτος.

«Δηλαδή, η διέλευση ενός βαρυτικού κύματος είναι παρόμοια με ένα κύμα στο νερό που διέρχεται από δύο πλωτήρες: αν μετρούσαμε την απόσταση μεταξύ τους κατά τη διάρκεια και μετά τη διέλευση του κύματος, θα βλέπαμε ότι η απόσταση θα άλλαζε και στη συνέχεια θα γινόταν το ίδιο πάλι», είπε ο Gnatyk.

Εδώ μετράται η σχετική μεταβολή της απόστασης των δύο πτερυγίων του συμβολόμετρου, καθένα από τα οποία έχει μήκος περίπου 4 χιλιόμετρα. Και μόνο πολύ ακριβείς τεχνολογίες και συστήματα μπορούν να μετρήσουν μια τέτοια μικροσκοπική μετατόπιση των φτερών που προκαλείται από ένα βαρυτικό κύμα.

Στην άκρη του Σύμπαντος: από πού προήλθε το κύμα;

Οι επιστήμονες κατέγραψαν το σήμα χρησιμοποιώντας δύο ανιχνευτές, οι οποίοι βρίσκονται σε δύο πολιτείες των Ηνωμένων Πολιτειών: τη Λουιζιάνα και την Ουάσιγκτον, σε απόσταση περίπου 3 χιλιομέτρων. Οι επιστήμονες ήταν σε θέση να υπολογίσουν πού και από ποια απόσταση ήρθε αυτό το σήμα. Οι εκτιμήσεις δείχνουν ότι το σήμα ήρθε από απόσταση 410 Megaparsecs. Ένα megaparsec είναι η απόσταση που διανύει το φως σε τρία εκατομμύρια χρόνια.

Για να είναι πιο εύκολο να φανταστούμε: ο πλησιέστερος ενεργός γαλαξίας σε εμάς με μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο είναι ο Κένταυρος Α, ο οποίος βρίσκεται σε απόσταση τεσσάρων Megaparsecs από τον δικό μας, ενώ το Νεφέλωμα της Ανδρομέδας βρίσκεται σε απόσταση 0,7 Megaparsecs. «Δηλαδή, η απόσταση από την οποία προήλθε το σήμα του βαρυτικού κύματος είναι τόσο μεγάλη που το σήμα ταξίδεψε στη Γη για περίπου 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτές είναι κοσμολογικές αποστάσεις που φτάνουν περίπου το 10% του ορίζοντα του Σύμπαντος μας».

Σε αυτή την απόσταση, σε κάποιον μακρινό γαλαξία, δύο μαύρες τρύπες ενώθηκαν. Αυτές οι τρύπες, αφενός, ήταν σχετικά μικρές σε μέγεθος, και αφετέρου, το μεγάλο πλάτος του σήματος δείχνει ότι ήταν πολύ βαριές. Διαπιστώθηκε ότι οι μάζες τους ήταν 36 και 29 ηλιακές μάζες, αντίστοιχα. Η μάζα του Ήλιου, όπως είναι γνωστό, είναι ίση με 2 φορές το 10 προς την 30η δύναμη ενός κιλού. Μετά τη συγχώνευση, αυτά τα δύο σώματα συγχωνεύτηκαν και τώρα στη θέση τους έχει σχηματιστεί μια ενιαία μαύρη τρύπα, η οποία έχει μάζα ίση με 62 ηλιακές μάζες. Την ίδια στιγμή, περίπου τρεις μάζες του Ήλιου εκτοξεύτηκαν με τη μορφή ενέργειας βαρυτικών κυμάτων.

Ποιος έκανε την ανακάλυψη και πότε

Επιστήμονες από το διεθνές έργο LIGO κατάφεραν να ανιχνεύσουν ένα βαρυτικό κύμα στις 14 Σεπτεμβρίου 2015. LIGO (Παρατηρητήριο βαρύτητας συμβολομετρίας λέιζερ)είναι ένα διεθνές έργο στο οποίο συμμετέχουν πολλά κράτη, με κάποια οικονομική και επιστημονική συνεισφορά, ιδίως οι ΗΠΑ, η Ιταλία, η Ιαπωνία, που έχουν προχωρήσει στον τομέα αυτής της έρευνας.

Καταγράφηκε η ακόλουθη εικόνα: τα φτερά του βαρυτικού ανιχνευτή μετατοπίστηκαν ως αποτέλεσμα της πραγματικής διέλευσης ενός βαρυτικού κύματος μέσω του πλανήτη μας και μέσω αυτής της εγκατάστασης. Αυτό δεν αναφέρθηκε τότε, γιατί το σήμα έπρεπε να υποβληθεί σε επεξεργασία, να «καθαριστεί», να βρεθεί και να ελεγχθεί το πλάτος του. Αυτή είναι μια τυπική διαδικασία: από την πραγματική ανακάλυψη μέχρι την ανακοίνωση της ανακάλυψης, χρειάζονται αρκετοί μήνες για να εκδοθεί μια τεκμηριωμένη δήλωση. "Κανείς δεν θέλει να χαλάσει τη φήμη τους, όλα αυτά είναι μυστικά δεδομένα, πριν από τη δημοσίευση των οποίων κανείς δεν γνώριζε, υπήρχαν μόνο φήμες", σημείωσε ο Hnatyk.

Ιστορία

Τα βαρυτικά κύματα έχουν μελετηθεί από τη δεκαετία του '70 του περασμένου αιώνα. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, δημιουργήθηκαν ένας αριθμός ανιχνευτών και πραγματοποιήθηκαν ορισμένες θεμελιώδεις μελέτες. Στη δεκαετία του '80, ο Αμερικανός επιστήμονας Τζόζεφ Βέμπερ κατασκεύασε την πρώτη βαρυτική κεραία με τη μορφή κυλίνδρου αλουμινίου, με μέγεθος περίπου πολλών μέτρων, εξοπλισμένο με πιεζοαισθητήρες που υποτίθεται ότι καταγράφουν τη διέλευση ενός βαρυτικού κύματος.

Η ευαισθησία αυτής της συσκευής ήταν ένα εκατομμύριο φορές χειρότερη από τους ανιχνευτές ρεύματος. Και, φυσικά, δεν μπορούσε πραγματικά να ανιχνεύσει το κύμα τότε, αν και ο Βέμπερ δήλωσε ότι το είχε κάνει: ο Τύπος έγραψε γι 'αυτό και σημειώθηκε μια «βαρυτική έκρηξη» - ο κόσμος άρχισε αμέσως να κατασκευάζει βαρυτικές κεραίες. Ο Weber ενθάρρυνε άλλους επιστήμονες να πάρουν βαρυτικά κύματα και να συνεχίσουν τα πειράματα σε αυτό το φαινόμενο, το οποίο κατέστησε δυνατή την αύξηση της ευαισθησίας των ανιχνευτών εκατομμύριο φορές.

Ωστόσο, το ίδιο το φαινόμενο των βαρυτικών κυμάτων καταγράφηκε τον περασμένο αιώνα, όταν οι επιστήμονες ανακάλυψαν ένα διπλό πάλσαρ. Αυτή ήταν μια έμμεση καταγραφή του γεγονότος ότι υπάρχουν βαρυτικά κύματα, που αποδείχθηκε μέσω αστρονομικών παρατηρήσεων. Το πάλσαρ ανακαλύφθηκε από τους Russell Hulse και Joseph Taylor το 1974 κατά τη διάρκεια παρατηρήσεων με το ραδιοτηλεσκόπιο του Αστεροσκοπείου Arecibo. Στους επιστήμονες απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ το 1993 «για την ανακάλυψη ενός νέου τύπου πάλσαρ, που παρείχε νέες ευκαιρίες στη μελέτη της βαρύτητας».

Έρευνα στον κόσμο και την Ουκρανία

Στην Ιταλία, ένα παρόμοιο έργο που ονομάζεται Virgo πλησιάζει στην ολοκλήρωσή του. Η Ιαπωνία σκοπεύει επίσης να ξεκινήσει έναν παρόμοιο ανιχνευτή σε ένα χρόνο και η Ινδία προετοιμάζει επίσης ένα τέτοιο πείραμα. Δηλαδή, παρόμοιοι ανιχνευτές υπάρχουν σε πολλά μέρη του κόσμου, αλλά δεν έχουν φτάσει ακόμα στον τρόπο ευαισθησίας ώστε να μπορούμε να μιλάμε για ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων.

«Επίσημα, η Ουκρανία δεν είναι μέρος του LIGO και επίσης δεν συμμετέχει στα έργα της Ιταλίας και της Ιαπωνίας Μεταξύ τέτοιων θεμελιωδών περιοχών, η Ουκρανία συμμετέχει τώρα στο έργο LHC (Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων) και στο CERN (θα γίνουμε επίσημα μόνο συμμετέχων. αφού πλήρωσε το αντίτιμο εισόδου)», δήλωσε στο LIGA.net ο Διδάκτωρ Φυσικών και Μαθηματικών Επιστημών Bohdan Gnatyk.

Σύμφωνα με τον ίδιο, από το 2015 η Ουκρανία είναι πλήρες μέλος της διεθνούς συνεργασίας CTA (Cerenkov Telescope Array), η οποία κατασκευάζει ένα σύγχρονο πολυτελεσκόπιο TeVμεγάλη περιοχή γάμμα (με ενέργειες φωτονίων έως 1014 eV). «Οι κύριες πηγές τέτοιων φωτονίων είναι ακριβώς η γειτνίαση με υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, η βαρυτική ακτινοβολία των οποίων καταγράφηκε για πρώτη φορά από τον ανιχνευτή LIGO, επομένως, το άνοιγμα νέων παραθύρων στην αστρονομία - βαρυτικά κύμα και πολλαπλές TeV«Η ηλεκτρομαγνητική τεχνολογία nogo μας υπόσχεται πολλές περισσότερες ανακαλύψεις στο μέλλον», προσθέτει ο επιστήμονας.

Τι ακολουθεί και πώς η νέα γνώση θα βοηθήσει τους ανθρώπους; Οι επιστήμονες διαφωνούν. Κάποιοι λένε ότι αυτό είναι απλώς το επόμενο βήμα για την κατανόηση των μηχανισμών του Σύμπαντος. Άλλοι βλέπουν αυτό ως τα πρώτα βήματα προς τις νέες τεχνολογίες για τη μετάβαση στο χρόνο και το χώρο. Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, αυτή η ανακάλυψη για άλλη μια φορά απέδειξε πόσο λίγα καταλαβαίνουμε και πόσα πολλά μένουν να μάθουμε.

Εκατό χρόνια μετά τη θεωρητική πρόβλεψη που έκανε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν στο πλαίσιο της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, οι επιστήμονες μπόρεσαν να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων. Ξεκινά η εποχή μιας θεμελιωδώς νέας μεθόδου για τη μελέτη του βαθέως διαστήματος - της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων.

Υπάρχουν διαφορετικές ανακαλύψεις. Υπάρχουν τυχαίες, είναι κοινές στην αστρονομία. Δεν υπάρχουν εντελώς τυχαία, που έγιναν ως αποτέλεσμα ενός ενδελεχούς «χτενίσματος της περιοχής», όπως η ανακάλυψη του Ουρανού από τον William Herschel. Υπάρχουν σερέντιπαλοι - όταν έψαχναν ένα πράγμα και έβρισκαν άλλο: για παράδειγμα, ανακάλυψαν την Αμερική. Αλλά ιδιαίτερο μέροςΣτην επιστήμη, οι προγραμματισμένες ανακαλύψεις καταλαμβάνουν το προσκήνιο. Βασίζονται σε μια σαφή θεωρητική πρόβλεψη. Τα όσα προβλέπονται αναζητούνται πρωτίστως για να επιβεβαιωθεί η θεωρία. Τέτοιες ανακαλύψεις περιλαμβάνουν την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων και την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων χρησιμοποιώντας το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων συμβολόμετρο λέιζερ LIGO. Αλλά για να καταγράψετε κάποιο φαινόμενο που προβλέπεται από τη θεωρία, πρέπει να έχετε μια αρκετά καλή κατανόηση του τι ακριβώς και πού να κοιτάξετε, καθώς και ποια εργαλεία χρειάζονται για αυτό.

Τα βαρυτικά κύματα ονομάζονται παραδοσιακά πρόβλεψη της γενικής θεωρίας της σχετικότητας (GTR), και αυτό είναι πράγματι έτσι (αν και τώρα τέτοια κύματα υπάρχουν σε όλα τα μοντέλα που είναι εναλλακτικά ή συμπληρωματικά του GTR). Η εμφάνιση των κυμάτων προκαλείται από το πεπερασμένο της ταχύτητας διάδοσης της βαρυτικής αλληλεπίδρασης (στη γενική σχετικότητα αυτή η ταχύτητα είναι ακριβώς ίση με την ταχύτητα του φωτός). Τέτοια κύματα είναι διαταραχές του χωροχρόνου που διαδίδονται από μια πηγή. Για να εμφανιστούν βαρυτικά κύματα, η πηγή πρέπει να πάλλεται ή να κινείται με επιταχυνόμενο ρυθμό, αλλά με συγκεκριμένο τρόπο. Ας πούμε ότι κινήσεις με τέλεια σφαιρική ή κυλινδρική συμμετρία δεν είναι κατάλληλες. Υπάρχουν πολλές τέτοιες πηγές, αλλά συχνά έχουν μικρή μάζα, ανεπαρκή για τη δημιουργία ισχυρού σήματος. Άλλωστε, η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, επομένως είναι πολύ δύσκολο να καταχωρηθεί ένα βαρυτικό σήμα. Επιπλέον, για την εγγραφή είναι απαραίτητο το σήμα να αλλάζει γρήγορα με την πάροδο του χρόνου, δηλαδή να έχει αρκετά υψηλή συχνότητα. Διαφορετικά, δεν θα μπορούμε να το καταχωρήσουμε, καθώς οι αλλαγές θα είναι πολύ αργές. Αυτό σημαίνει ότι τα αντικείμενα πρέπει επίσης να είναι συμπαγή.

Αρχικά, μεγάλος ενθουσιασμός προκλήθηκε από εκρήξεις σουπερνόβα που συμβαίνουν σε γαλαξίες σαν τον δικό μας κάθε μερικές δεκαετίες. Αυτό σημαίνει ότι εάν μπορούμε να επιτύχουμε μια ευαισθησία που μας επιτρέπει να δούμε ένα σήμα από απόσταση πολλών εκατομμυρίων ετών φωτός, μπορούμε να υπολογίζουμε σε πολλά σήματα ανά έτος. Αλλά αργότερα αποδείχθηκε ότι οι αρχικές εκτιμήσεις για τη δύναμη της απελευθέρωσης ενέργειας με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων κατά τη διάρκεια μιας έκρηξης σουπερνόβα ήταν υπερβολικά αισιόδοξες και ένα τόσο αδύναμο σήμα θα μπορούσε να ανιχνευθεί μόνο αν είχε ξεσπάσει ένας σουπερνόβα στον Γαλαξία μας.

Μια άλλη επιλογή για τεράστια συμπαγή αντικείμενα που κινούνται γρήγορα είναι τα αστέρια νετρονίων ή οι μαύρες τρύπες. Μπορούμε να δούμε είτε τη διαδικασία σχηματισμού τους, είτε τη διαδικασία αλληλεπίδρασης μεταξύ τους. Τα τελευταία στάδια της κατάρρευσης των αστρικών πυρήνων, που οδηγούν στο σχηματισμό συμπαγών αντικειμένων, καθώς και τα τελευταία στάδια της συγχώνευσης άστρων νετρονίων και μαύρων οπών, έχουν διάρκεια της τάξης πολλών χιλιοστών του δευτερολέπτου (που αντιστοιχεί σε συχνότητα εκατοντάδες hertz) - ακριβώς αυτό που χρειάζεται. Σε αυτή την περίπτωση, απελευθερώνεται πολλή ενέργεια, συμπεριλαμβανομένης (και μερικές φορές κυρίως) με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων, καθώς τα ογκώδη συμπαγή σώματα κάνουν ορισμένες γρήγορες κινήσεις. Αυτές είναι οι ιδανικές μας πηγές.

Είναι αλήθεια ότι οι σουπερνόβα εκρήγνυνται στον Γαλαξία μία φορά κάθε μερικές δεκαετίες, οι συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων συμβαίνουν μία φορά κάθε δύο δεκάδες χιλιάδες χρόνια και οι μαύρες τρύπες συγχωνεύονται μεταξύ τους ακόμη λιγότερο συχνά. Αλλά το σήμα είναι πολύ πιο ισχυρό και τα χαρακτηριστικά του μπορούν να υπολογιστούν με μεγάλη ακρίβεια. Αλλά τώρα πρέπει να είμαστε σε θέση να δούμε το σήμα από απόσταση πολλών εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών φωτός για να καλύψουμε αρκετές δεκάδες χιλιάδες γαλαξίες και να ανιχνεύσουμε πολλά σήματα σε ένα χρόνο.

Έχοντας αποφασίσει για τις πηγές, θα αρχίσουμε να σχεδιάζουμε τον ανιχνευτή. Για να γίνει αυτό, πρέπει να καταλάβετε τι κάνει ένα βαρυτικό κύμα. Χωρίς να υπεισέλθουμε σε λεπτομέρειες, μπορούμε να πούμε ότι η διέλευση ενός βαρυτικού κύματος προκαλεί μια παλιρροιακή δύναμη (οι συνηθισμένες σεληνιακές ή ηλιακές παλίρροιες είναι ένα ξεχωριστό φαινόμενο και τα βαρυτικά κύματα δεν έχουν καμία σχέση με αυτό). Έτσι, μπορείτε να πάρετε, για παράδειγμα, έναν μεταλλικό κύλινδρο, να τον εξοπλίσετε με αισθητήρες και να μελετήσετε τους κραδασμούς του. Αυτό δεν είναι δύσκολο, γι' αυτό και τέτοιες εγκαταστάσεις άρχισαν να γίνονται πριν από μισό αιώνα (διατίθενται επίσης στη Ρωσία· τώρα εγκαθίσταται στο υπόγειο εργαστήριο Baksan ένας βελτιωμένος ανιχνευτής που αναπτύχθηκε από την ομάδα του Valentin Rudenko από το SAI MSU). Το πρόβλημα είναι ότι μια τέτοια συσκευή θα δει το σήμα χωρίς βαρυτικά κύματα. Υπάρχουν πολλοί θόρυβοι που είναι δύσκολο να αντιμετωπιστούν. Είναι δυνατό (και έχει γίνει!) να εγκαταστήσετε τον ανιχνευτή υπόγεια, προσπαθήστε να τον απομονώσετε, να τον ψύξετε σε χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά χρειάζεστε ακόμα ένα πολύ ισχυρό σήμα βαρυτικού κύματος για να υπερβείτε το επίπεδο θορύβου. Αλλά ισχυρά σήματα έρχονται σπάνια.

Ως εκ τούτου, η επιλογή έγινε υπέρ ενός άλλου σχεδίου, το οποίο προτάθηκε το 1962 από τους Vladislav Pustovoit και Mikhail Herzenstein. Σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στο JETP (Journal of Experimental and Theoretical Physics), πρότειναν τη χρήση ενός συμβολόμετρου Michelson για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Η δέσμη λέιζερ περνά μεταξύ των κατόπτρων στους δύο βραχίονες του συμβολόμετρου και στη συνέχεια προστίθενται οι ακτίνες από διαφορετικούς βραχίονες. Αναλύοντας το αποτέλεσμα της παρεμβολής δέσμης, μπορεί να μετρηθεί η σχετική αλλαγή στα μήκη των βραχιόνων. Αυτές είναι πολύ ακριβείς μετρήσεις, οπότε αν ξεπεράσετε τον θόρυβο, μπορείτε να επιτύχετε φανταστική ευαισθησία.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1990, αποφασίστηκε να κατασκευαστούν αρκετοί ανιχνευτές χρησιμοποιώντας αυτό το σχέδιο. Οι πρώτες που τέθηκαν σε λειτουργία ήταν σχετικά μικρές εγκαταστάσεις, το GEO600 στην Ευρώπη και το TAMA300 στην Ιαπωνία (οι αριθμοί αντιστοιχούν στο μήκος των βραχιόνων σε μέτρα) για τη δοκιμή της τεχνολογίας. Αλλά οι κύριοι παίκτες επρόκειτο να είναι οι εγκαταστάσεις LIGO στις ΗΠΑ και η VIRGO στην Ευρώπη. Το μέγεθος αυτών των οργάνων μετριέται ήδη σε χιλιόμετρα και η τελική προγραμματισμένη ευαισθησία θα πρέπει να επιτρέπει την παρακολούθηση δεκάδων, αν όχι εκατοντάδων γεγονότων ετησίως.

Γιατί χρειάζονται πολλές συσκευές; Κυρίως για διασταυρούμενη επικύρωση, καθώς υπάρχουν τοπικοί θόρυβοι (π.χ. σεισμικοί). Η ταυτόχρονη εγγραφή του σήματος στις βορειοδυτικές Ηνωμένες Πολιτείες και την Ιταλία θα ήταν εξαιρετική απόδειξη εξωτερική προέλευση. Αλλά υπάρχει ένας δεύτερος λόγος: οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων είναι πολύ φτωχοί στον προσδιορισμό της κατεύθυνσης προς την πηγή. Αλλά εάν υπάρχουν αρκετοί ανιχνευτές σε απόσταση μεταξύ τους, θα είναι δυνατό να υποδειχθεί η κατεύθυνση με μεγάλη ακρίβεια.

Γίγαντες λέιζερ

Στο δικό του αρχική μορφήΟι ανιχνευτές LIGO κατασκευάστηκαν το 2002 και η VIRGO το 2003. Σύμφωνα με το σχέδιο, αυτό ήταν μόνο το πρώτο στάδιο. Όλες οι εγκαταστάσεις λειτούργησαν για αρκετά χρόνια και το 2010-2011 σταμάτησαν για τροποποιήσεις, ώστε στη συνέχεια να φτάσουν στην προβλεπόμενη υψηλή ευαισθησία. Οι ανιχνευτές LIGO ήταν οι πρώτοι που λειτούργησαν τον Σεπτέμβριο του 2015, η VIRGO θα πρέπει να ενταχθεί το δεύτερο εξάμηνο του 2016 και από αυτό το στάδιο η ευαισθησία μας επιτρέπει να ελπίζουμε στην καταγραφή τουλάχιστον πολλών γεγονότων ετησίως.

Μετά την έναρξη λειτουργίας του LIGO, ο αναμενόμενος ρυθμός έκρηξης ήταν περίπου ένα συμβάν ανά μήνα. Οι αστροφυσικοί υπολόγισαν εκ των προτέρων ότι τα πρώτα αναμενόμενα γεγονότα θα ήταν οι συγχωνεύσεις μαύρων οπών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι μαύρες τρύπες είναι συνήθως δέκα φορές βαρύτερες από τα αστέρια νετρονίων, το σήμα είναι πιο ισχυρό και είναι «ορατό» από μεγάλες αποστάσεις, κάτι που αντισταθμίζει περισσότερο τον χαμηλότερο ρυθμό γεγονότων ανά γαλαξία. Ευτυχώς, δεν χρειάστηκε να περιμένουμε πολύ. Στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, και οι δύο εγκαταστάσεις κατέγραψαν ένα σχεδόν πανομοιότυπο σήμα, με το όνομα GW150914.

Με αρκετά απλή ανάλυση, μπορούν να ληφθούν δεδομένα όπως οι μάζες των μαύρων τρυπών, η ισχύς του σήματος και η απόσταση από την πηγή. Η μάζα και το μέγεθος των μαύρων οπών σχετίζονται με έναν πολύ απλό και πολύ γνωστό τρόπο και από τη συχνότητα του σήματος μπορεί κανείς να εκτιμήσει αμέσως το μέγεθος της περιοχής απελευθέρωσης ενέργειας. Σε αυτή την περίπτωση, το μέγεθος έδειχνε ότι από δύο τρύπες με μάζα 25-30 και 35-40 ηλιακές μάζες, σχηματίστηκε μια μαύρη τρύπα με μάζα μεγαλύτερη από 60 ηλιακές μάζες. Γνωρίζοντας αυτά τα δεδομένα, μπορεί κανείς να λάβει τη συνολική ενέργεια της έκρηξης. Σχεδόν τρεις ηλιακές μάζες μετατράπηκαν σε βαρυτική ακτινοβολία. Αυτό αντιστοιχεί στη φωτεινότητα 1023 ηλιακών φωτεινοτήτων - περίπου το ίδιο ποσό με αυτό που εκπέμπουν όλα τα αστέρια στο ορατό μέρος του Σύμπαντος κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου (εκατό του δευτερολέπτου). Και από τη γνωστή ενέργεια και το μέγεθος του μετρούμενου σήματος, προκύπτει η απόσταση. Η μεγάλη μάζα των συγχωνευμένων σωμάτων κατέστησε δυνατή την καταγραφή ενός γεγονότος που συνέβη σε έναν μακρινό γαλαξία: το σήμα χρειάστηκε περίπου 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια για να φτάσει σε εμάς.

Μια πιο λεπτομερής ανάλυση καθιστά δυνατή την αποσαφήνιση της αναλογίας μάζας των μαύρων οπών και την κατανόηση του τρόπου περιστροφής τους γύρω από τον άξονά τους, καθώς και τον προσδιορισμό ορισμένων άλλων παραμέτρων. Επιπλέον, το σήμα από δύο εγκαταστάσεις καθιστά δυνατό τον κατά προσέγγιση προσδιορισμό της κατεύθυνσης της έκρηξης. Δυστυχώς, η ακρίβεια εδώ δεν είναι ακόμη πολύ υψηλή, αλλά με την έναρξη λειτουργίας του ενημερωμένου VIRGO θα αυξηθεί. Και σε λίγα χρόνια, ο ιαπωνικός ανιχνευτής KAGRA θα αρχίσει να λαμβάνει σήματα. Στη συνέχεια, ένας από τους ανιχνευτές LIGO (αρχικά ήταν τρεις, μια από τις εγκαταστάσεις ήταν διπλή) θα συναρμολογηθεί στην Ινδία και αναμένεται να καταγράφονται πολλές δεκάδες συμβάντα ετησίως.

Η εποχή της νέας αστρονομίας

Αυτή τη στιγμή, το πιο σημαντικό αποτέλεσμα της δουλειάς του LIGO είναι η επιβεβαίωση της ύπαρξης βαρυτικών κυμάτων. Επιπλέον, η πρώτη έκρηξη κατέστησε δυνατή τη βελτίωση των περιορισμών στη μάζα του βαρυτονίου (στη γενική σχετικότητα έχει μηδενική μάζα), καθώς και τον πιο ισχυρό περιορισμό της διαφοράς μεταξύ της ταχύτητας διάδοσης της βαρύτητας και της ταχύτητας φως. Αλλά οι επιστήμονες ελπίζουν ότι ήδη το 2016 θα μπορέσουν να αποκτήσουν πολλά νέα αστροφυσικά δεδομένα χρησιμοποιώντας το LIGO και το VIRGO.

Πρώτον, τα δεδομένα από τα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων παρέχουν μια νέα οδό για τη μελέτη των μαύρων τρυπών. Εάν προηγουμένως ήταν δυνατή μόνο η παρατήρηση των ροών της ύλης κοντά σε αυτά τα αντικείμενα, τώρα μπορείτε να «δείτε» άμεσα τη διαδικασία συγχώνευσης και «ηρεμίας» της προκύπτουσας μαύρης τρύπας, πώς ο ορίζοντας της κυμαίνεται, παίρνοντας το τελικό της σχήμα ( καθορίζεται με περιστροφή). Πιθανώς, μέχρι την ανακάλυψη της εξάτμισης των μαύρων τρυπών του Hawking (προς το παρόν αυτή η διαδικασία παραμένει υπόθεση), η μελέτη των συγχωνεύσεων θα παρέχει καλύτερες άμεσες πληροφορίες για αυτές.

Ας θυμηθούμε ότι τις προάλλες οι επιστήμονες του LIGO ανακοίνωσαν μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα της φυσικής, της αστροφυσικής και της μελέτης μας για το Σύμπαν: την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων, που είχε προβλεφθεί από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν πριν από 100 χρόνια. Το Gizmodo επικοινώνησε με την Δρ. Amber Staver του Παρατηρητηρίου Livingston στη Λουιζιάνα, μια συνεργασία του LIGO, για να ρωτήσει περισσότερα για το τι σημαίνει αυτό για τη φυσική. Κατανοούμε ότι σε λίγα μόνο άρθρα θα είναι δύσκολο να επιτευχθεί μια παγκόσμια κατανόηση ενός νέου τρόπου κατανόησης του κόσμου μας, αλλά θα προσπαθήσουμε.

Μέχρι στιγμής έχει γίνει τεράστιος όγκος εργασίας για την ανίχνευση ενός μόνο βαρυτικού κύματος και ήταν μια σημαντική ανακάλυψη. Φαίνεται ότι ανοίγονται πολλές νέες δυνατότητες για την αστρονομία - αλλά είναι αυτή η πρώτη ανίχνευση απλώς «απλή» απόδειξη ότι η ανίχνευση είναι εφικτή από μόνη της ή μπορείτε ήδη να μάθετε περισσότερα από αυτήν; επιστημονικά επιτεύγματα? Τι ελπίζετε να κερδίσετε από αυτό στο μέλλον; Θα υπάρξουν απλούστερες μέθοδοι για την ανίχνευση αυτών των κυμάτων στο μέλλον;

Αυτή είναι πραγματικά μια πρώτη ανακάλυψη, μια σημαντική ανακάλυψη, αλλά ο στόχος ήταν πάντα η χρήση βαρυτικών κυμάτων για να κάνουμε νέα αστρονομία. Αντί να ψάχνουμε στο σύμπαν για ορατό φως, μπορούμε τώρα να αντιληφθούμε ανεπαίσθητες αλλαγές στη βαρύτητα που προκαλούνται από τις μεγαλύτερες, ισχυρότερες και (κατά τη γνώμη μου) τις περισσότερες ενδιαφέροντα πράγματαστο Σύμπαν - συμπεριλαμβανομένων εκείνων για τα οποία δεν μπορέσαμε ποτέ να λάβουμε πληροφορίες χρησιμοποιώντας το φως.

Μπορέσαμε να το εφαρμόσουμε αυτό νέου τύπουαστρονομία στα κύματα της πρώτης ανίχνευσης. Χρησιμοποιώντας όσα γνωρίζουμε ήδη για το GTR (γενική σχετικότητα), μπορέσαμε να προβλέψουμε πώς είναι τα βαρυτικά κύματα από αντικείμενα όπως οι μαύρες τρύπες ή τα αστέρια νετρονίων. Το σήμα που βρήκαμε αντιστοιχεί σε ένα ζευγάρι μαύρων τρυπών, η μία 36 και η άλλη 29 φορές μεγαλύτερης μάζας από τον Ήλιο, που στροβιλίζονται καθώς πλησιάζουν η μία την άλλη. Τέλος, συγχωνεύονται σε μια μαύρη τρύπα. Αυτή λοιπόν δεν είναι μόνο η πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, αλλά και η πρώτη άμεση παρατήρηση μαύρων οπών, αφού δεν μπορούν να παρατηρηθούν χρησιμοποιώντας φως (μόνο από την ύλη που περιφέρεται γύρω τους).

Γιατί είστε σίγουροι ότι τα εξωτερικά εφέ (όπως η δόνηση) δεν επηρεάζουν τα αποτελέσματα;

Στο LIGO, καταγράφουμε πολύ περισσότερα δεδομένα που σχετίζονται με το περιβάλλον και τον εξοπλισμό μας από τα δεδομένα που ενδέχεται να περιέχουν σήμα βαρυτικού κύματος. Ο λόγος για αυτό είναι ότι θέλουμε να είμαστε όσο το δυνατόν πιο σίγουροι ότι δεν μας ξεγελούν εξωτερικά φαινόμενα ή δεν μας παραπλανούν ώστε να ανιχνεύσουμε ένα βαρυτικό κύμα. Εάν αντιληφθούμε μη φυσιολογικό έδαφος όταν ανιχνεύεται σήμα βαρυτικού κύματος, πιθανότατα θα απορρίψουμε αυτόν τον υποψήφιο.

Βίντεο: Βαρυτικά κύματα με λίγα λόγια

Ένα άλλο μέτρο που λαμβάνουμε για να βεβαιωθούμε ότι δεν βλέπουμε κάτι τυχαίο είναι να βλέπουν και οι δύο ανιχνευτές LIGO το ίδιο σήμα εντός του χρόνου που χρειάζεται για να ταξιδέψει το βαρυτικό κύμα μεταξύ των δύο αντικειμένων. Μέγιστος χρόνοςγια ένα τέτοιο ταξίδι - περίπου 10 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Για να είμαστε σίγουροι για πιθανή ανίχνευση, πρέπει να βλέπουμε σήματα του ίδιου σχήματος, σχεδόν την ίδια στιγμή, και τα δεδομένα που συλλέγουμε για το περιβάλλον μας πρέπει να είναι απαλλαγμένα από ανωμαλίες.

Υπάρχουν πολλά άλλα τεστ που κάνει ένας υποψήφιος, αλλά αυτά είναι τα κύρια.

Υπάρχει πρακτικός τρόπος δημιουργίας βαρυτικών κυμάτων που μπορούν να ανιχνευθούν χρησιμοποιώντας παρόμοιες συσκευές? Θα μπορέσουμε να κατασκευάσουμε ένα βαρυτικό ραδιόφωνο ή λέιζερ;

Προτείνετε αυτό που έκανε ο Heinrich Hertz στα τέλη της δεκαετίας του 1880 για να ανιχνεύσει ηλεκτρομαγνητικά κύματα με τη μορφή ραδιοκυμάτων. Αλλά η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις που συγκρατούν το Σύμπαν ενωμένο. Για το λόγο αυτό, η κίνηση της μάζας σε ένα εργαστήριο ή άλλη εγκατάσταση για τη δημιουργία βαρυτικών κυμάτων θα είναι πολύ αδύναμη για να ανιχνευθεί ακόμη και από έναν ανιχνευτή όπως το LIGO. Για να δημιουργήσουμε αρκετά δυνατά κύματα, θα πρέπει να περιστρέψουμε τον αλτήρα τόσο γρήγορα που θα σπάσει οποιοδήποτε διάσημο υλικό. Αλλά υπάρχουν πολλοί μεγάλοι όγκοι μάζας στο Σύμπαν που κινούνται εξαιρετικά γρήγορα, έτσι κατασκευάζουμε ανιχνευτές που θα τους αναζητήσουν.

Αυτή η επιβεβαίωση θα αλλάξει το μέλλον μας; Θα μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε τη δύναμη αυτών των κυμάτων για να εξερευνήσουμε το διάστημα; Θα είναι δυνατή η επικοινωνία χρησιμοποιώντας αυτά τα κύματα;

Λόγω της ποσότητας μάζας που πρέπει να κινηθεί με ακραίες ταχύτητες για να παράγει βαρυτικά κύματα που μπορούν να ανιχνεύσουν ανιχνευτές όπως το LIGO, ο μόνος γνωστός μηχανισμός για αυτό είναι ζεύγη άστρων νετρονίων ή μαύρων οπών που περιστρέφονται πριν συγχωνευθούν (μπορεί να υπάρχουν άλλες πηγές). Οι πιθανότητες να είναι κάποιος προηγμένος πολιτισμός που χειρίζεται την ύλη είναι εξαιρετικά μικρές. Προσωπικά, δεν νομίζω ότι θα ήταν υπέροχο να ανακαλύψουμε έναν πολιτισμό ικανό να χρησιμοποιεί τα βαρυτικά κύματα ως μέσο επικοινωνίας, αφού θα μπορούσαν εύκολα να μας σκοτώσουν.

Είναι τα βαρυτικά κύματα συνεκτικά; Είναι δυνατόν να γίνουν συνεκτικά; Είναι δυνατόν να τα εστιάσουμε; Τι θα συμβεί σε ένα τεράστιο αντικείμενο που επηρεάζεται από μια εστιασμένη δέσμη βαρύτητας; Θα μπορούσε αυτό το φαινόμενο να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των επιταχυντών σωματιδίων;

Μερικοί τύποι βαρυτικών κυμάτων μπορεί να είναι συνεκτικοί. Ας φανταστούμε ένα αστέρι νετρονίων που είναι σχεδόν τέλεια σφαιρικό. Εάν περιστρέφεται γρήγορα, μικρές παραμορφώσεις μικρότερες από μια ίντσα θα παράγουν βαρυτικά κύματα ορισμένης συχνότητας, γεγονός που θα τα κάνει συνεκτικά. Αλλά η εστίαση των βαρυτικών κυμάτων είναι πολύ δύσκολη επειδή το Σύμπαν είναι διαφανές σε αυτά. Τα βαρυτικά κύματα ταξιδεύουν μέσα στην ύλη και βγαίνουν αμετάβλητα. Πρέπει να αλλάξετε τη διαδρομή τουλάχιστον μερικών από τα βαρυτικά κύματα για να τα εστιάσετε. Είναι πιθανό ότι μια εξωτική μορφή βαρυτικού φακού θα μπορούσε τουλάχιστον εν μέρει να εστιάσει τα βαρυτικά κύματα, αλλά θα ήταν δύσκολο, αν όχι αδύνατο, να τα αξιοποιήσουμε. Εάν μπορούν να είναι συγκεντρωμένοι, θα είναι ακόμα τόσο αδύναμοι που δεν μπορώ να φανταστώ καμία πρακτική χρήση τους. Αλλά έχουν επίσης μιλήσει για λέιζερ, τα οποία είναι ουσιαστικά απλώς εστιασμένο συνεκτικό φως, οπότε ποιος ξέρει.

Ποια είναι η ταχύτητα ενός βαρυτικού κύματος; Έχει μάζα; Αν όχι, μπορεί να ταξιδέψει πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός;

Τα βαρυτικά κύματα πιστεύεται ότι ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός. Αυτή είναι η ταχύτητα που περιορίζεται από τη γενική σχετικότητα. Αλλά πειράματα όπως το LIGO θα πρέπει να το δοκιμάσουν αυτό. Ίσως κινούνται λίγο πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός. Αν ναι, τότε το θεωρητικό σωματίδιο που σχετίζεται με τη βαρύτητα, το γκραβιτόν, θα έχει μάζα. Εφόσον η ίδια η βαρύτητα δρα μεταξύ μαζών, αυτό θα προσθέσει πολυπλοκότητα στη θεωρία. Όχι όμως και αδυναμία. Χρησιμοποιούμε το ξυράφι του Occam: η πιο απλή εξήγηση είναι συνήθως η πιο σωστή.

Πόσο μακριά πρέπει να είστε από μια συγχώνευση μαύρης τρύπας για να μπορέσετε να μιλήσετε για αυτές;

Στην περίπτωση των δυαδικών μαύρων τρυπών μας, τις οποίες ανιχνεύσαμε από βαρυτικά κύματα, προκάλεσαν μια μέγιστη αλλαγή στο μήκος των βραχιόνων μας μήκους 4 χιλιομέτρων 1 x 10 -18 μέτρα (δηλαδή 1/1000 της διαμέτρου ενός πρωτονίου). Πιστεύουμε επίσης ότι αυτές οι μαύρες τρύπες απέχουν 1,3 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη.

Τώρα ας υποθέσουμε ότι έχουμε ύψος δύο μέτρα και επιπλέουμε στην απόσταση της Γης από τον Ήλιο από τη μαύρη τρύπα. Νομίζω ότι θα είχατε εναλλακτικό στρίμωγμα και τέντωμα περίπου 165 νανόμετρων (το ύψος σας αλλάζει κατά υψηλότερη τιμήκατά τη διάρκεια της ημέρας). Αυτό μπορεί να επιβιώσει.

Εάν χρησιμοποιείτε νέος τρόποςακούστε το διάστημα, τι ενδιαφέρει περισσότερο τους επιστήμονες;

Οι δυνατότητες δεν είναι πλήρως γνωστές, με την έννοια ότι μπορεί να υπάρχουν πολλά περισσότερα μέρη από όσα πιστεύαμε. Όσο περισσότερα μαθαίνουμε για το Σύμπαν, τόσο καλύτερα θα είμαστε σε θέση να απαντήσουμε στις ερωτήσεις του χρησιμοποιώντας βαρυτικά κύματα. Για παράδειγμα, αυτά:

• Τι προκαλεί τις εκρήξεις ακτίνων γάμμα;
• Πώς συμπεριφέρεται μια ουσία μέσα ακραίες συνθήκεςαστέρι που καταρρέει;
• Ποιες ήταν οι πρώτες στιγμές μετά το Big Bang;
• Πώς συμπεριφέρεται η ύλη στους αστέρες νετρονίων;

Αλλά με ενδιαφέρει περισσότερο ποια απροσδόκητα πράγματα μπορούν να ανακαλυφθούν χρησιμοποιώντας βαρυτικά κύματα. Κάθε φορά που οι άνθρωποι παρατηρούσαν το Σύμπαν με έναν νέο τρόπο, ανακαλύπταμε πολλά απροσδόκητα πράγματα που ανέτρεψαν την κατανόησή μας για το Σύμπαν. Θέλω να βρω αυτά τα βαρυτικά κύματα και να ανακαλύψω κάτι για το οποίο δεν είχαμε ιδέα πριν.

Θα μας βοηθήσει αυτό να δημιουργήσουμε μια πραγματική μονάδα warp;

Δεδομένου ότι τα βαρυτικά κύματα αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη, δύσκολα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μετακίνηση αυτής της ύλης. Αλλά ακόμα κι αν μπορούσατε, ένα βαρυτικό κύμα ταξιδεύει μόνο με την ταχύτητα του φωτός. Δεν ενδείκνυνται για στρέβλωμα κίνησης. Θα ήταν ωραίο όμως.

Τι γίνεται με τις συσκευές κατά της βαρύτητας;

Για να δημιουργήσουμε μια συσκευή κατά της βαρύτητας, πρέπει να μετατρέψουμε τη δύναμη της έλξης σε δύναμη απώθησης. Και παρόλο που ένα βαρυτικό κύμα διαδίδει αλλαγές στη βαρύτητα, η αλλαγή δεν θα είναι ποτέ απωθητική (ή αρνητική).

Η βαρύτητα έλκει πάντα επειδή η αρνητική μάζα δεν φαίνεται να υπάρχει. Άλλωστε, υπάρχει θετικό και αρνητικό φορτίο, βόρειος και νότιος μαγνητικός πόλος, αλλά μόνο θετική μάζα. Γιατί; Εάν υπήρχε αρνητική μάζα, η σφαίρα της ύλης θα έπεφτε προς τα πάνω αντί να κάτω. Θα την απωθούσε η θετική μάζα της Γης.

Τι σημαίνει αυτό για τη δυνατότητα ταξιδιού στο χρόνο και τηλεμεταφοράς; Μπορούμε να βρούμε πρακτική χρήσηαυτό το φαινόμενο, εκτός από τη μελέτη του Σύμπαντος μας;

Τώρα Ο καλύτερος τρόποςταξίδι στο χρόνο (και μόνο στο μέλλον) σημαίνει ταξίδι με ταχύτητα σχεδόν φωτός (θυμηθείτε το δίδυμο παράδοξο στη Γενική Σχετικότητα) ή μετάβαση σε μια περιοχή με αυξημένη βαρύτητα (αυτό το είδος ταξιδιού στο χρόνο αποδείχθηκε στο Interstellar). Επειδή ένα βαρυτικό κύμα διαδίδει αλλαγές στη βαρύτητα, θα δημιουργηθούν πολύ μικρές διακυμάνσεις στην ταχύτητα του χρόνου, αλλά εφόσον τα βαρυτικά κύματα είναι εγγενώς αδύναμα, το ίδιο συμβαίνει και με τις διακυμάνσεις του χρόνου. Και ενώ δεν νομίζω ότι αυτό μπορεί να εφαρμοστεί σε ταξίδια στο χρόνο (ή τηλεμεταφορά), ποτέ μην λες ποτέ (στοίχημα ότι σου έκοψε την ανάσα).

Θα έρθει μια μέρα που θα σταματήσουμε να επικυρώνουμε τον Αϊνστάιν και θα αρχίσουμε να ψάχνουμε ξανά περίεργα πράγματα;

Σίγουρα! Δεδομένου ότι η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις δυνάμεις, είναι επίσης δύσκολο να πειραματιστούμε. Μέχρι τώρα, κάθε φορά που οι επιστήμονες δοκίμαζαν τη γενική σχετικότητα, λάμβαναν ακριβώς προβλεπόμενα αποτελέσματα. Ακόμη και η ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων επιβεβαίωσε για άλλη μια φορά τη θεωρία του Αϊνστάιν. Αλλά πιστεύω ότι όταν αρχίσουμε να δοκιμάζουμε τις πιο μικρές λεπτομέρειες της θεωρίας (ίσως με βαρυτικά κύματα, ίσως με κάτι άλλο), θα βρούμε «αστεία» πράγματα, όπως το πειραματικό αποτέλεσμα να μην ταιριάζει ακριβώς με την πρόβλεψη. Αυτό δεν σημαίνει ότι το GTR είναι λάθος, μόνο η ανάγκη να διευκρινιστούν οι λεπτομέρειες του.

Βίντεο: Πώς τα βαρυτικά κύματα ανατίναξαν το Διαδίκτυο;

Κάθε φορά που απαντάμε σε μια ερώτηση για τη φύση, προκύπτουν νέες. Τελικά θα έχουμε ερωτήσεις που θα είναι πιο ψυχρές από τις απαντήσεις που μπορεί να επιτρέψει η γενική σχετικότητα.

Μπορείτε να εξηγήσετε πώς αυτή η ανακάλυψη μπορεί να σχετίζεται ή να επηρεάζει την ενοποιημένη θεωρία πεδίου; Είμαστε πιο κοντά στο να το επιβεβαιώσουμε ή να το απομυθοποιήσουμε;

Τώρα τα αποτελέσματα της ανακάλυψής μας είναι αφιερωμένα κυρίως στον έλεγχο και την επιβεβαίωση της γενικής σχετικότητας. Η ενοποιημένη θεωρία πεδίου επιδιώκει να δημιουργήσει μια θεωρία που εξηγεί τη φυσική των πολύ μικρών ( κβαντική μηχανική) και πολύ μεγάλο (γενική σχετικότητα). Τώρα αυτές οι δύο θεωρίες μπορούν να γενικευτούν για να εξηγήσουν την κλίμακα του κόσμου στον οποίο ζούμε, αλλά όχι περισσότερο. Επειδή η ανακάλυψή μας επικεντρώνεται στη φυσική του πολύ μεγάλου, από μόνη της δεν θα μας οδηγήσει σε μια ενοποιημένη θεωρία. Αλλά δεν είναι αυτό το ζητούμενο. Το πεδίο της φυσικής των βαρυτικών κυμάτων μόλις γεννήθηκε. Καθώς μαθαίνουμε περισσότερα, σίγουρα θα επεκτείνουμε τα αποτελέσματά μας στη σφαίρα της ενοποιημένης θεωρίας. Αλλά πριν τρέξετε, πρέπει να περπατήσετε.

Τώρα που ακούμε βαρυτικά κύματα, τι πρέπει να ακούσουν οι επιστήμονες για να φυσήξουν κυριολεκτικά ένα τούβλο; 1) Αφύσικα μοτίβα/δομές; 2) Πηγές βαρυτικών κυμάτων από περιοχές που νομίζαμε ότι ήταν κενές; 3) Rick Astley - Δεν θα σε παρατήσω ποτέ;

Όταν διάβασα την ερώτησή σας, σκέφτηκα αμέσως τη σκηνή από την Επαφή στην οποία το ραδιοτηλεσκόπιο συλλαμβάνει μοτίβα πρώτων αριθμών. Αυτό είναι απίθανο να βρεθεί στη φύση (από όσο γνωρίζουμε). Έτσι, η επιλογή σας με αφύσικο μοτίβο ή δομή θα ήταν πολύ πιθανή.

Δεν νομίζω ότι θα είμαστε ποτέ σίγουροι ότι υπάρχει κενό σε μια συγκεκριμένη περιοχή του διαστήματος. Στο τέλος, το σύστημα μαύρης τρύπας που ανακαλύψαμε ήταν απομονωμένο και δεν ερχόταν φως από την περιοχή, αλλά και πάλι εντοπίσαμε βαρυτικά κύματα εκεί.

Σχετικά με τη μουσική... ειδικεύομαι στο διαχωρισμό των σημάτων βαρυτικών κυμάτων από τον στατικό θόρυβο που μετράμε συνεχώς στο παρασκήνιο περιβάλλον. Αν έβρισκα μουσική σε ένα βαρυτικό κύμα, ειδικά μουσική που είχα ακούσει πριν, θα ήταν φάρσα. Αλλά μουσική που δεν έχει ακουστεί ποτέ στη Γη... Θα ήταν όπως με απλές θήκες από το “Επικοινωνία”.

Εφόσον το πείραμα ανιχνεύει κύματα αλλάζοντας την απόσταση μεταξύ δύο αντικειμένων, είναι το πλάτος της μιας κατεύθυνσης μεγαλύτερο από την άλλη; Διαφορετικά, τα δεδομένα που διαβάζονται δεν θα σημαίνουν ότι το Σύμπαν αλλάζει σε μέγεθος; Και αν ναι, αυτό επιβεβαιώνει την επέκταση ή κάτι απροσδόκητο;

Πρέπει να δούμε πολλά βαρυτικά κύματα που προέρχονται από πολλούς διαφορετικές κατευθύνσειςστο Σύμπαν προτού μπορέσουμε να απαντήσουμε σε αυτή την ερώτηση. Στην αστρονομία, αυτό δημιουργεί ένα μοντέλο πληθυσμού. Πόσο διάφοροι τύποιυπάρχουν πράγματα; Αυτό είναι το κύριο ερώτημα. Μόλις έχουμε πολλές παρατηρήσεις και αρχίσουμε να βλέπουμε απροσδόκητα μοτίβα, για παράδειγμα ότι βαρυτικά κύματα συγκεκριμένου τύπου προέρχονται από ένα συγκεκριμένο μέρος του Σύμπαντος και πουθενά αλλού, αυτό θα είναι ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον αποτέλεσμα. Ορισμένα μοτίβα θα μπορούσαν να επιβεβαιώσουν την επέκταση (για την οποία είμαστε πολύ σίγουροι) ή άλλα φαινόμενα που δεν γνωρίζουμε ακόμη. Αλλά πρώτα πρέπει να δούμε πολύ περισσότερα βαρυτικά κύματα.

Μου είναι εντελώς ακατανόητο πώς οι επιστήμονες προσδιόρισαν ότι τα κύματα που μέτρησαν ανήκουν σε δύο υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Πώς μπορεί κανείς να προσδιορίσει την πηγή των κυμάτων με τέτοια ακρίβεια;

Οι μέθοδοι ανάλυσης δεδομένων χρησιμοποιούν έναν κατάλογο προβλεπόμενων σημάτων βαρυτικών κυμάτων για σύγκριση με τα δεδομένα μας. Εάν υπάρχει ισχυρή συσχέτιση με μία από αυτές τις προβλέψεις, ή μοτίβα, τότε όχι μόνο γνωρίζουμε ότι είναι ένα βαρυτικό κύμα, αλλά γνωρίζουμε επίσης ποιο σύστημα το παρήγαγε.

Με κάθε τρόπο με τον οποίο δημιουργείται ένα βαρυτικό κύμα, είτε μέσω συγχωνεύσεων μαύρης τρύπας, περιστροφής ή θανάτου των άστρων, όλα τα κύματα έχουν διαφορετικά σχήματα. Όταν ανιχνεύουμε ένα βαρυτικό κύμα, χρησιμοποιούμε αυτά τα σχήματα, όπως προβλέπεται από τη γενική σχετικότητα, για να προσδιορίσουμε την αιτία τους.

Πώς ξέρουμε ότι αυτά τα κύματα προήλθαν από τη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών και όχι από κάποιο άλλο γεγονός; Είναι δυνατόν να προβλεφθεί πού ή πότε συνέβη ένα τέτοιο γεγονός με οποιονδήποτε βαθμό ακρίβειας;

Μόλις μάθουμε ποιο σύστημα παρήγαγε το βαρυτικό κύμα, μπορούμε να προβλέψουμε πόσο ισχυρό ήταν το βαρυτικό κύμα κοντά στο σημείο που προήλθε. Μετρώντας τη δύναμή του καθώς φτάνει στη Γη και συγκρίνοντας τις μετρήσεις μας με την προβλεπόμενη ισχύ της πηγής, μπορούμε να υπολογίσουμε πόσο μακριά είναι η πηγή. Δεδομένου ότι τα βαρυτικά κύματα ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, μπορούμε επίσης να υπολογίσουμε πόσο χρόνο χρειάστηκαν τα βαρυτικά κύματα για να ταξιδέψουν προς τη Γη.

Στην περίπτωση του συστήματος μαύρης τρύπας που ανακαλύψαμε, μετρήσαμε τη μέγιστη αλλαγή στο μήκος των βραχιόνων LIGO ανά 1/1000ο της διαμέτρου του πρωτονίου. Αυτό το σύστημα βρίσκεται 1,3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Το βαρυτικό κύμα, που ανακαλύφθηκε τον Σεπτέμβριο και ανακοινώθηκε πρόσφατα, κινείται προς εμάς εδώ και 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό συνέβη πριν σχηματιστεί η ζωή των ζώων στη Γη, αλλά μετά την εμφάνιση πολυκύτταρων οργανισμών.

Την ώρα της ανακοίνωσης, δηλώθηκε ότι άλλοι ανιχνευτές θα αναζητούσαν κύματα με μεγαλύτερες περιόδους - μερικοί από αυτούς ακόμη και κοσμικοί. Τι μπορείτε να μας πείτε για αυτούς τους μεγάλους ανιχνευτές;

Υπάρχει πράγματι ένας ανιχνευτής διαστήματος σε εξέλιξη. Ονομάζεται LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Δεδομένου ότι θα βρίσκεται στο διάστημα, θα είναι αρκετά ευαίσθητο σε βαρυτικά κύματα χαμηλής συχνότητας, σε αντίθεση με τους ανιχνευτές που βασίζονται στη γη, λόγω των φυσικών δονήσεων της Γης. Θα είναι δύσκολο γιατί οι δορυφόροι θα πρέπει να τοποθετηθούν πιο μακριά από τη Γη από ό,τι οι άνθρωποι ποτέ. Αν κάτι πάει στραβά, δεν θα μπορούμε να στείλουμε αστροναύτες για επισκευές όπως κάναμε με το Hubble τη δεκαετία του 1990. Να ελέγξω απαραίτητες τεχνολογίες, ξεκίνησε την αποστολή LISA Pathfinder τον Δεκέμβριο. Μέχρι στιγμής έχει ολοκληρώσει όλα τα καθήκοντά της, αλλά η αποστολή κάθε άλλο παρά έχει τελειώσει.

Είναι δυνατή η μετατροπή των βαρυτικών κυμάτων σε ηχητικά κύματα; Και αν ναι, πώς θα μοιάζουν;

Μπορώ. Φυσικά, δεν θα ακούσετε μόνο ένα βαρυτικό κύμα. Αλλά αν πάρετε το σήμα και το περάσετε από τα ηχεία, μπορείτε να το ακούσετε.

Τι πρέπει να κάνουμε με αυτές τις πληροφορίες; Άλλα αστρονομικά αντικείμενα με σημαντική μάζα εκπέμπουν αυτά τα κύματα; Μπορούν τα κύματα να χρησιμοποιηθούν για να βρουν πλανήτες ή απλές μαύρες τρύπες;

Όταν αναζητάτε βαρυτικές τιμές, σημασία δεν έχει μόνο η μάζα. Επίσης η επιτάχυνση που είναι εγγενής σε ένα αντικείμενο. Οι μαύρες τρύπες που ανακαλύψαμε περιστρέφονταν η μία γύρω από την άλλη με 60% την ταχύτητα του φωτός όταν συγχωνεύτηκαν. Γι' αυτό μπορέσαμε να τα εντοπίσουμε κατά τη συγχώνευση. Αλλά τώρα δεν υπάρχουν πλέον βαρυτικά κύματα που προέρχονται από αυτά, αφού έχουν συγχωνευθεί σε μια ανενεργή μάζα.

Έτσι, οτιδήποτε έχει μεγάλη μάζα και κινείται πολύ γρήγορα δημιουργεί βαρυτικά κύματα που μπορούν να ανιχνευθούν.

Οι εξωπλανήτες είναι απίθανο να έχουν επαρκή μάζα ή επιτάχυνση για να παράγουν ανιχνεύσιμα βαρυτικά κύματα. (Δεν λέω ότι δεν τα δημιουργούν καθόλου, μόνο ότι δεν θα είναι αρκετά δυνατά ή σε διαφορετική συχνότητα). Ακόμα κι αν ο εξωπλανήτης ήταν αρκετά μεγάλος για να παράγει τα απαραίτητα κύματα, η επιτάχυνση θα τον χώριζε. Μην ξεχνάτε ότι οι πιο ογκώδεις πλανήτες τείνουν να είναι γίγαντες αερίων.

Πόσο αληθινή είναι η αναλογία των κυμάτων στο νερό; Μπορούμε να καβαλήσουμε αυτά τα κύματα; Υπάρχουν βαρυτικές «κορυφές», όπως τα ήδη γνωστά «πηγάδια»;

Δεδομένου ότι τα βαρυτικά κύματα μπορούν να κινηθούν μέσα στην ύλη, δεν υπάρχει τρόπος να τα οδηγήσετε ή να τα αξιοποιήσετε για πρόωση. Άρα δεν υπάρχει σερφ με βαρυτικά κύματα.

Οι «κορυφές» και τα «πηγάδια» είναι υπέροχα. Η βαρύτητα έλκει πάντα επειδή δεν υπάρχει αρνητική μάζα. Δεν ξέρουμε γιατί, αλλά δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ στο εργαστήριο ή στο σύμπαν. Επομένως, η βαρύτητα συνήθως αναπαρίσταται ως «πηγάδι». Η μάζα που κινείται κατά μήκος αυτού του "πηγάδι" θα πέσει βαθύτερα. Έτσι λειτουργεί η έλξη. Εάν έχετε αρνητική μάζα, τότε θα έχετε απώθηση και μαζί της μια "αιχμή". Μια μάζα που κινείται στην «κορυφή» θα λυγίσει μακριά της. Άρα «πηγάδια» υπάρχουν, αλλά «κορυφές» όχι.

Η αναλογία με το νερό είναι μια χαρά, αρκεί να μιλάμε για το γεγονός ότι η ισχύς του κύματος μειώνεται με την απόσταση που διανύεται από την πηγή. Το κύμα του νερού θα γίνεται όλο και μικρότερο και το κύμα βαρύτητας θα γίνεται όλο και πιο αδύναμο.

Πώς θα επηρεάσει αυτή η ανακάλυψη την περιγραφή μας για την πληθωριστική περίοδο του Big Bang;

Προς το παρόν, αυτή η ανακάλυψη δεν έχει ουσιαστικά καμία επίδραση στον πληθωρισμό. Για να κάνει κανείς δηλώσεις όπως αυτή, πρέπει να παρατηρήσει τα λείψανα βαρυτικά κύματα της Μεγάλης Έκρηξης. Το έργο BICEP2 νόμιζε ότι είχε παρατηρήσει έμμεσα αυτά τα βαρυτικά κύματα, αλλά αποδείχθηκε ότι έφταιγε η κοσμική σκόνη. Αν πάρει τα σωστά στοιχεία, θα επιβεβαιώσει και την ύπαρξη μιας μικρής περιόδου πληθωρισμού λίγο μετά το Big Bang.

Το LIGO θα μπορεί να δει αυτά τα βαρυτικά κύματα απευθείας (αυτός θα είναι επίσης ο πιο αδύναμος τύπος βαρυτικών κυμάτων που ελπίζουμε να ανιχνεύσουμε). Αν τα δούμε, θα μπορέσουμε να κοιτάξουμε βαθιά στο παρελθόν του Σύμπαντος, όπως δεν το έχουμε ξανακοιτάξει, και να κρίνουμε τον πληθωρισμό από τα δεδομένα που αποκτήθηκαν.