Гравитациялық толқындардың ашылған (анықталған) ресми күні – 2016 жылдың 11 ақпаны. Дәл сол кезде Вашингтонда өткен баспасөз мәслихатында LIGO ынтымақтастығы жетекшілері зерттеушілер тобы адамзат тарихында алғаш рет бұл құбылысты жазып үлгергенін хабарлады.
Ұлы Эйнштейннің пайғамбарлықтары
Өткен ғасырдың басында (1916) Альберт Эйнштейн гравитациялық толқындардың өзі тұжырымдаған Жалпы салыстырмалылық теориясының (GR) шеңберінде бар екенін айтты. Ең аз нақты деректермен осындай алысты болжайтын қорытындылар жасай алған атақты физиктің тамаша қабілеттеріне таң қалуға болады. Келесі ғасырда расталған көптеген басқа болжамды физикалық құбылыстардың ішінде (уақыт ағынының баяулауы, гравитациялық өрістердегі электромагниттік сәулеленудің бағытын өзгерту және т.б.) толқынның бұл түрінің болуын іс жүзінде анықтау мүмкін болмады. соңғы уақытқа дейін денелердің өзара әрекеттесуі.
Гравитация елес пе?
Жалпы, жарықтаСалыстырмалылық теориясы ауырлықты күш деп атай алмайды. Бұл кеңістік-уақыт континуумының бұзылуының немесе қисаюының салдары. Бұл постулатты суреттейтін жақсы мысал - созылған матаның бір бөлігі. Мұндай бетке қойылған массивтік нысанның салмағы астында ойық пайда болады. Осы аномалияға жақын жерде қозғалатын басқа нысандар өздерінің қозғалыс траекториясын «тартылатын» сияқты өзгертеді. Ал нысанның салмағы неғұрлым көп болса (қисықтың диаметрі мен тереңдігі неғұрлым көп болса), соғұрлым «тартылу күші» жоғары болады. Ол матаның бойымен қозғалған кезде, дивергентті «толқынды» байқауға болады.
Ұқсас нәрсе әлемдік кеңістікте орын алады. Кез келген жылдам қозғалатын массивтік материя кеңістік пен уақыттың тығыздығының ауытқуының көзі болып табылады. Маңызды амплитудасы бар гравитациялық толқын, массасы өте үлкен денелерден немесе үлкен үдеумен қозғалғанда пайда болады.
Физикалық сипаттамалары
Кеңістік-уақыт метрикасының ауытқуы гравитациялық өрістегі өзгерістер ретінде көрінеді. Бұл құбылыс басқаша кеңістік-уақыт толқындары деп аталады. Гравитациялық толқын кездескен денелер мен заттарға әсер етіп, оларды қысып, созады. Деформация мәндері өте аз – бастапқы өлшемнен шамамен 10-21 . Бұл құбылысты анықтаудың барлық қиындығы зерттеушілерге тиісті жабдықтың көмегімен мұндай өзгерістерді өлшеуді және тіркеуді үйренуі керек болды. Гравитациялық сәулеленудің күші де өте аз - бұл бүкіл күн жүйесі үшінбірнеше киловатт.
Гравитациялық толқындардың таралу жылдамдығы аздап өткізгіш ортаның қасиеттеріне байланысты. Тербеліс амплитудасы көзден қашықтыққа қарай біртіндеп азаяды, бірақ ешқашан нөлге жетпейді. Жиілік бірнеше ондаған және жүздеген герц диапазонында жатыр. Жұлдызаралық ортадағы гравитациялық толқындардың жылдамдығы жарық жылдамдығына жақындап қалды.
Айналмалы дәлелдер
Алғаш рет гравитация толқындарының бар екендігін теориялық растауды американдық астроном Джозеф Тейлор және оның көмекшісі Рассел Хулс 1974 жылы алды. Аресибо обсерваториясының (Пуэрто-Рико) радиотелескопының көмегімен Ғаламның кеңістігін зерттей отырып, зерттеушілер тұрақты бұрыштық жылдамдықпен ортақ масса центрінің айналасында айналатын нейтрондық жұлдыздардың қос жүйесі болып табылатын PSR B1913 + 16 пульсарын тапты (өте сирек жағдай). Жыл сайын бастапқыда 3,75 сағат болатын революция кезеңі 70 мс қысқарады. Бұл мән гравитациялық толқындарды генерациялау үшін энергияны жұмсау есебінен мұндай жүйелердің айналу жылдамдығының жоғарылауын болжайтын GR теңдеулерінің қорытындыларына әбден сәйкес келеді. Кейіннен мінез-құлқы ұқсас бірнеше қос пульсарлар мен ақ ергежейлілер табылды. Радиоастрономдар Д. Тейлор мен Р. Хулс гравитациялық өрістерді зерттеудің жаңа мүмкіндіктерін ашқаны үшін 1993 жылы физика бойынша Нобель сыйлығымен марапатталды.
Қашылған ауырлық толқыны
Тақырып туралы бірінші мәлімдемеГравитациялық толқындарды анықтауды Мэриленд университетінің ғалымы Джозеф Вебер (АҚШ) 1969 жылы жасады. Осы мақсаттар үшін ол екі шақырым қашықтықта орналасқан өз дизайны бойынша екі гравитациялық антеннаны пайдаланды. Резонанстық детектор сезімтал пьезоэлектрлік сенсорлармен жабдықталған жақсы дірілдейтін бір бөліктен тұратын екі метрлік алюминий цилиндрі болды. Вебер жазған тербелістердің амплитудасы күтілген мәннен миллион есе артық болып шықты. Басқа ғалымдардың осындай жабдықты пайдаланып американдық физиктің «табыстығын» қайталау әрекеттері оң нәтиже бермеді. Бірнеше жылдан кейін Вебердің бұл саладағы жұмысы жарамсыз деп танылды, бірақ «гравитациялық бумның» дамуына серпін берді, бұл зерттеулердің осы саласына көптеген мамандарды тартты. Айтпақшы, Джозеф Вебердің өзі гравитациялық толқындарды алғанына өмірінің соңына дейін сенімді болды.
Қабылдау жабдықтарын жақсарту
70-ші жылдары ғалым Билл Фэйрбанк (АҚШ) SQUID – аса сезімтал магнитометрлердің көмегімен сұйық гелиймен салқындатылған гравитациялық толқын антеннасының дизайнын жасады. Сол кездегі технологиялар өнертапқышқа оның «металда» жасалған өнімін көруге мүмкіндік бермеді.
Гравитациялық детектор Аурига осылайша Ұлттық Легнард зертханасында (Падуа, Италия) жасалған. Дизайн ұзындығы 3 метр және диаметрі 0,6 м алюминий-магний цилиндріне негізделген Салмағы 2,3 тонна қабылдау құрылғысыабсолютті нөлге дейін салқындатылған оқшауланған вакуумдық камерада ілулі. Дірілдерді бекіту және анықтау үшін көмекші килограмм резонаторы және компьютерлік өлшеу кешені қолданылады. Жарияланған жабдық сезімталдығы 10-20.
Интерферометрлер
Гравитациялық толқындардың кедергі детекторларының жұмысы Мишельсон интерферометрімен бірдей принциптерге негізделген. Көзден шығарылатын лазер сәулесі екі ағынға бөлінеді. Құрылғының иығымен бірнеше рет шағылысқаннан және қозғалғаннан кейін ағындар қайтадан біріктіріліп, соңғы интерференциялық кескін сәулелердің жүруіне қандай да бір ауытқулардың (мысалы, гравитациялық толқын) әсер еткенін анықтау үшін қолданылады. Осыған ұқсас жабдық көптеген елдерде жасалған:
- GEO 600 (Ганновер, Германия). Вакуумдық туннельдердің ұзындығы 600 метр.
- TAMA (Жапония) 300 м иық
- VIRGO (Пиза, Италия) – 2007 жылы басталған 3 км туннельдері бар француз-итальяндық бірлескен жоба.
- LIGO (АҚШ, Тынық мұхиты жағалауы), 2002 жылдан бері гравитациялық толқындарды іздеуде.
Соңғысын толығырақ қарастырған жөн.
LIGO Advanced
Жобаға Массачусетс технологиялық институты мен Калифорния технологиялық институтының ғалымдары бастамашы болды. Бір-бірінен 3 мың км қашықтықта орналасқан екі обсерваторияны қамтиды, Луизиана және Вашингтон штаттарында (Ливингстон және Ханфорд қалалары) үш бірдей интерферометрі бар. Перпендикуляр вакуумның ұзындығытуннельдер 4 мың метрді құрайды. Бұл қазіргі уақытта жұмыс істеп тұрған осындай ең ірі құрылымдар. 2011 жылға дейін гравитациялық толқындарды анықтаудың көптеген әрекеттері нәтиже бермеді. Жүргізілген елеулі модернизация (Advanced LIGO) 300-500 Гц диапазонындағы жабдықтың сезімталдығын бес еседен астамға, ал төмен жиілікті аймақта (60 Гц-ке дейін) шамамен шама ретіне дейін арттырды. мұндай қалаған мән 10-21. Жаңартылған жоба 2015 жылдың қыркүйегінде басталды және мыңнан астам серіктестердің күш-жігері нәтижемен марапатталды.
Гравитация толқындары анықталды
2015 жылдың 14 қыркүйегінде 7 мс интервалы бар жетілдірілген LIGO детекторлары бақыланатын Әлемнің шетінде болған ең үлкен құбылыс - массалары бар екі үлкен қара тесіктердің қосылуы арқылы планетамызға жеткен гравитациялық толқындарды тіркеді. Күннің массасынан 29 және 36 есе үлкен. 1,3 миллиард жылдан астам уақыт бұрын орын алған процесс кезінде секундтың бірнеше бөлігінде тартылыс толқындарының сәулеленуіне шамамен үш күн массасы жұмсалды. Гравитациялық толқындардың бастапқы жиілігі 35 Гц болып тіркелді, ал ең жоғары шыңы 250 Гц-ке жетті.
Алынған нәтижелер бірнеше рет жан-жақты тексеруден және өңдеуден өтті, алынған деректердің балама интерпретациялары мұқият кесілді. Ақырында, өткен жылдың 11 ақпанында Эйнштейн болжаған құбылыстың тікелей тіркелгені әлем қауымдастығына жарияланды.
Зерттеушілердің титандық жұмысын суреттейтін факт: интерферометр қолдарының өлшемдеріндегі ауытқу амплитудасы 10-19m болды - бұл мән диаметрінен әлдеқайда аз. атом, өйткені ол қызғылт сарыдан кішірек.
Ары қарайғы перспективалар
Жаңа жаңалық жалпы салыстырмалылық теориясының жай ғана дерексіз формулалар жиынтығы емес, гравитациялық толқындар мен жалпы гравитацияның мәніне түбегейлі жаңа көзқарас екенін тағы да растайды.
Ары қарайғы зерттеулерде ғалымдар ELSA жобасына үлкен үміт артады: гравитациялық өрістердің тіпті болмашы ауытқуларын да анықтауға қабілетті қолдары шамамен 5 миллион км болатын алып орбиталық интерферометрді құру. Осы бағыттағы жұмыстарды күшейту Ғалам дамуының негізгі кезеңдері туралы, дәстүрлі жолақтарда байқау қиын немесе мүмкін емес процестер туралы көп нәрсе айта алады. Болашақта гравитациялық толқындары бекітілетін қара құрдымдардың табиғаты туралы көп мәлімет беретіні сөзсіз.
Үлкен жарылыстан кейінгі әлемнің алғашқы сәттері туралы айта алатын реликтік гравитациялық сәулеленуді зерттеу үшін аса сезімтал ғарыш құралдары қажет болады. Мұндай жоба бар (Big Bang Observer), бірақ оны жүзеге асыру, сарапшылардың пікірінше, 30-40 жылдан ерте емес.
