Službeni dan otkrića (detekcije) gravitacijskih valova je 11. veljače 2016. Tada su, na konferenciji za novinare u Washingtonu, čelnici LIGO kolaboracije objavili da je tim istraživača uspio zabilježiti ovaj fenomen po prvi put u povijesti čovječanstva.
Proročanstva velikog Einsteina
Još početkom prošlog stoljeća (1916.), Albert Einstein je sugerirao da gravitacijski valovi postoje u okviru Opće teorije relativnosti (GR) koju je on formulirao. Može se samo čuditi briljantnim sposobnostima slavnog fizičara, koji je uz minimum stvarnih podataka uspio izvući tako dalekosežne zaključke. Među mnogim drugim predviđenim fizikalnim pojavama koje su potvrđene u sljedećem stoljeću (usporavanje protoka vremena, promjena smjera elektromagnetskog zračenja u gravitacijskim poljima, itd.), nije bilo moguće praktički detektirati prisutnost ove vrste valova. interakcija tijela donedavno.
Gravitacija je iluzija?
Općenito, na svjetluTeorija relativnosti teško može nazvati gravitaciju silom. To je posljedica perturbacije ili zakrivljenosti prostorno-vremenskog kontinuuma. Dobar primjer koji ilustrira ovaj postulat je rastegnuti komad tkanine. Pod težinom masivnog predmeta postavljenog na takvu površinu, formira se udubljenje. Drugi objekti koji se kreću u blizini ove anomalije će promijeniti putanju svog kretanja, kao da su "privučeni". I što je veća težina predmeta (što je veći promjer i dubina zakrivljenosti), to je veća "sila privlačenja". Kada se kreće kroz tkaninu, možete uočiti pojavu divergentnog "mreškanja".
Nešto slično događa se u svjetskom prostoru. Svaka masivna tvar koja se brzo kreće izvor je fluktuacija u gustoći prostora i vremena. Gravitacijski val sa značajnom amplitudom, formiran od tijela s iznimno velikim masama ili kada se kreću velikim ubrzanjima.
Fizičke karakteristike
Fluktuacije prostorno-vremenske metrike očituju se kao promjene u gravitacijskom polju. Taj se fenomen inače naziva prostorno-vremenskim mreškanjem. Gravitacijski val djeluje na nailazi na tijela i predmete, sabijajući ih i rastežući ih. Vrijednosti deformacije su vrlo male - oko 10-21 od originalne veličine. Cijela poteškoća otkrivanja ovog fenomena bila je u tome što su istraživači morali naučiti kako mjeriti i bilježiti takve promjene uz pomoć odgovarajuće opreme. Snaga gravitacijskog zračenja također je iznimno mala – za cijeli Sunčev sustav jestnekoliko kilovata.
Brzina širenja gravitacijskih valova neznatno ovisi o svojstvima vodljivog medija. Amplituda titranja postupno opada s udaljenosti od izvora, ali nikada ne doseže nulu. Frekvencija je u rasponu od nekoliko desetaka do stotina herca. Brzina gravitacijskih valova u međuzvjezdanom mediju približava se brzini svjetlosti.
Uslovni dokazi
Po prvi put, teorijsku potvrdu postojanja gravitacijskih valova dobili su američki astronom Joseph Taylor i njegov pomoćnik Russell Hulse 1974. godine. Proučavajući prostranstva svemira pomoću radioteleskopa opservatorija Arecibo (Puerto Rico), istraživači su otkrili pulsar PSR B1913 + 16, koji je binarni sustav neutronskih zvijezda koje rotiraju oko zajedničkog središta mase s konstantnom kutnom brzinom (prilično rijedak slučaj). Svake godine period okretanja, koji je izvorno iznosio 3,75 sati, smanjuje se za 70 ms. Ova vrijednost je sasvim u skladu sa zaključcima iz GR jednadžbi koji predviđaju povećanje brzine rotacije takvih sustava zbog utroška energije za generiranje gravitacijskih valova. Nakon toga je otkriveno nekoliko dvostrukih pulsara i bijelih patuljaka sličnog ponašanja. Radio astronomi D. Taylor i R. Hulse dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 1993. za otkrivanje novih mogućnosti za proučavanje gravitacijskih polja.
Izbjegli gravitacijski val
Prva izjava ootkrivanje gravitacijskih valova došao je od znanstvenika sa Sveučilišta Maryland Josepha Webera (SAD) 1969. godine. U te svrhe koristio je dvije gravitacijske antene vlastitog dizajna, razdvojene udaljenosti od dva kilometra. Rezonantni detektor bio je dobro vibrirani jednodijelni dvometarski aluminijski cilindar opremljen osjetljivim piezoelektričnim senzorima. Amplituda fluktuacija koje je navodno zabilježio Weber pokazala se više od milijun puta većom od očekivane vrijednosti. Pokušaji drugih znanstvenika koji koriste takvu opremu da ponove "uspjeh" američkog fizičara nisu donijeli pozitivne rezultate. Nekoliko godina kasnije, Weberov rad na ovom području prepoznat je kao neodrživ, ali je dao poticaj razvoju "gravitacijskog buma" koji je privukao mnoge stručnjake u ovo područje istraživanja. Inače, i sam Joseph Weber je do kraja svojih dana bio siguran da prima gravitacijske valove.
Poboljšanje opreme za primanje
70-ih godina, znanstvenik Bill Fairbank (SAD) razvio je dizajn antene za gravitacijski val hlađene tekućim helijem pomoću SQUID-a - superosjetljivih magnetometara. Tehnologije koje su postojale u to vrijeme nisu dopuštale izumitelju da vidi svoj proizvod, realiziran u "metal".
Gravitacijski detektor Auriga napravljen je na ovaj način u Nacionalnom Legnard laboratoriju (Padova, Italija). Dizajn se temelji na aluminijsko-magnezijskom cilindru, dužine 3 metra i promjera 0,6 m. Prihvatni uređaj težine 2,3 tonesuspendiran u izoliranoj vakuumskoj komori ohlađenoj gotovo na apsolutnu nulu. Za fiksiranje i detekciju vibracija koriste se pomoćni kilogramski rezonator i računalni mjerni kompleks. Deklarirana osjetljivost opreme 10-20.
Interferometri
Rad detektora interferencije gravitacijskih valova temelji se na istim principima kao i Michelsonov interferometar. Laserska zraka koju emitira izvor podijeljena je u dva toka. Nakon višestrukih refleksija i putovanja duž ramena uređaja, potoci se ponovno spajaju, a konačna interferencijska slika se koristi za procjenu jesu li bilo kakve perturbacije (na primjer, gravitacijski val) utjecale na tijek zraka. Slična oprema stvorena je u mnogim zemljama:
- GEO 600 (Hanover, Njemačka). Duljina vakuumskih tunela je 600 metara.
- TAMA (Japan) 300m ramena
- VIRGO (Pisa, Italija) zajednički je francusko-talijanski projekt pokrenut 2007. s tunelima od 3 km.
- LIGO (SAD, obala Pacifika), lov na gravitacijske valove od 2002.
Zadnje vrijedi razmotriti detaljnije.
LIGO Advanced
Projekt su pokrenuli znanstvenici s Massachusetts Institute of Technology i California Institute of Technology. Uključuje dvije zvjezdarnice razdvojene 3 tisuće km, u državama Louisiana i Washington (gradovi Livingston i Hanford) s tri identična interferometra. Duljina okomitog vakuumatunela je 4 tisuće metara. Ovo su najveće takve strukture koje su trenutno u funkciji. Sve do 2011. brojni pokušaji otkrivanja gravitacijskih valova nisu donijeli nikakve rezultate. Provedena značajna modernizacija (Advanced LIGO) povećala je osjetljivost opreme u rasponu od 300-500 Hz za više od pet puta, a u području niskih frekvencija (do 60 Hz) gotovo za red veličine, dosegnuvši tako željena vrijednost od 10-21. Ažurirani projekt započeo je u rujnu 2015., a trud više od tisuću suradnika nagrađen je rezultatima.
Otkriveni gravitacijski valovi
Dana 14. rujna 2015., napredni LIGO detektori s intervalom od 7 ms zabilježili su gravitacijske valove koji su stigli do našeg planeta od najveće pojave koja se dogodila na periferiji vidljivog svemira - spajanja dvije velike crne rupe s masama 29 i 36 puta veća od mase Sunca. Tijekom procesa, koji se dogodio prije više od 1,3 milijarde godina, oko tri solarne mase materije potrošene su na zračenje gravitacijskih valova u djeliću sekunde. Početna frekvencija gravitacijskih valova zabilježena je kao 35 Hz, a maksimalna vršna vrijednost dosegnula je 250 Hz.
Dobiveni rezultati su više puta podvrgnuti sveobuhvatnoj provjeri i obradi, alternativna tumačenja dobivenih podataka pažljivo su prekinuta. Konačno, 11. veljače prošle godine, svjetskoj zajednici je objavljena izravna registracija fenomena koji je predvidio Einstein.
Činjenica koja ilustrira titanski rad istraživača: amplituda fluktuacija u dimenzijama krakova interferometra bila je 10-19m - ova vrijednost je toliko manja od promjera atom jer je manji od naranče.
Daljnji izgledi
Otkriće još jednom potvrđuje da Opća teorija relativnosti nije samo skup apstraktnih formula, već temeljno novi pogled na bit gravitacijskih valova i gravitacije općenito.
U daljnjim istraživanjima, znanstvenici polažu velike nade u projekt ELSA: stvaranje divovskog orbitalnog interferometra s krakovima od oko 5 milijuna km, sposobnog detektirati čak i manje perturbacije gravitacijskih polja. Intenziviranje rada u tom smjeru može puno reći o glavnim fazama razvoja Svemira, o procesima koje je teško ili nemoguće promatrati u tradicionalnim bendovima. Nema sumnje da će crne rupe, čiji će gravitacijski valovi biti fiksirani u budućnosti, puno reći o njihovoj prirodi.
Za proučavanje reliktnog gravitacijskog zračenja, koje može reći o prvim trenucima našeg svijeta nakon Velikog praska, bit će potrebni osjetljiviji svemirski instrumenti. Takav projekt postoji (Big Bang Observer), ali je njegova provedba, prema mišljenju stručnjaka, moguća tek za 30-40 godina.
