A gravitációs hullámok felfedezésének (észlelésének) hivatalos napja 2016. február 11. Ekkor jelentették be egy washingtoni sajtótájékoztatón a LIGO együttműködés vezetői, hogy egy kutatócsoportnak az emberiség történetében először sikerült rögzítenie ezt a jelenséget.
A nagy Einstein próféciái
Albert Einstein még a múlt század elején (1916) felvetette, hogy a gravitációs hullámok az általa megfogalmazott általános relativitáselmélet (GR) keretein belül léteznek. Csak ámulni lehet a híres fizikus ragyogó képességein, aki minimális valós adatok birtokában ilyen messzemenő következtetéseket tudott levonni. A következő évszázadban beigazolódott sok egyéb előrejelzett fizikai jelenség (az idő lefutásának lassítása, az elektromágneses sugárzás irányának megváltoztatása a gravitációs mezőben stb.) mellett gyakorlatilag nem lehetett kimutatni az ilyen típusú hullám jelenlétét. testek kölcsönhatása egészen a közelmúltig.
A gravitáció illúzió?
Általában, a fénybenA relativitáselmélet aligha nevezheti erőnek a gravitációt. Ez a tér-idő kontinuum perturbációjának vagy görbületének a következménye. Jó példa erre a posztulátumra egy kifeszített ruhadarab. Egy ilyen felületre helyezett masszív tárgy súlya alatt mélyedés keletkezik. Az anomália közelében mozgó többi objektum megváltoztatja mozgásuk pályáját, mintha "vonná őket". És minél nagyobb a tárgy súlya (minél nagyobb a görbület átmérője és mélysége), annál nagyobb a "vonzóerő". Amikor áthalad az anyagon, megfigyelheti egy eltérő "fodrozódás" megjelenését.
Valami hasonló történik a világűrben. Minden gyorsan mozgó tömeges anyag a tér- és idősűrűség ingadozásainak forrása. Jelentős amplitúdójú gravitációs hullám, amelyet rendkívül nagy tömegű vagy hatalmas gyorsulásokkal mozgó testek alkotnak.
Fizikai jellemzők
A tér-idő metrika ingadozása a gravitációs tér változásaiként nyilvánul meg. Ezt a jelenséget más néven tér-idő hullámzásnak nevezik. A gravitációs hullám a talált testekre és tárgyakra hat, összenyomja és megnyújtja azokat. Az alakváltozási értékek nagyon kicsik - körülbelül 10-21 az eredeti mérethez képest. A jelenség felderítésének teljes nehézsége az volt, hogy a kutatóknak meg kellett tanulniuk az ilyen változások mérését és rögzítését megfelelő eszközök segítségével. A gravitációs sugárzás ereje is rendkívül kicsi - az egész naprendszerre nézvenéhány kilowatt.
A gravitációs hullámok terjedési sebessége kis mértékben függ a vezető közeg tulajdonságaitól. Az oszcilláció amplitúdója a forrástól való távolsággal fokozatosan csökken, de soha nem éri el a nullát. A frekvencia több tíz és több száz hertz közötti tartományban van. A gravitációs hullámok sebessége a csillagközi közegben megközelíti a fénysebességet.
Közvetlen bizonyítékok
A gravitációs hullámok létezésének elméleti megerősítését először Joseph Taylor amerikai csillagász és asszisztense, Russell Hulse szerezte meg 1974-ben. Az Univerzum kiterjedéseit az Arecibo Obszervatórium (Puerto Rico) rádióteleszkópjával tanulmányozva a kutatók felfedezték a PSR B1913 + 16 pulzárt, amely egy közös tömegközéppont körül állandó szögsebességgel forgó neutroncsillagok kettős rendszere (meglehetősen ritka eset). Minden évben 70 ms-mal csökken az eredetileg 3,75 órás forgási idő. Ez az érték teljesen összhangban van a GR-egyenletek következtetéseivel, amelyek az ilyen rendszerek forgási sebességének növekedését jósolják a gravitációs hullámok generálására fordított energia miatt. Ezt követően több hasonló viselkedésű kettős pulzárt és fehér törpét fedeztek fel. D. Taylor és R. Hulse rádiócsillagászok 1993-ban fizikai Nobel-díjat kaptak, mert új lehetőségeket fedeztek fel a gravitációs terek tanulmányozásában.
Menekült gravitációs hullám
Első nyilatkozat arrólA gravitációs hullámok észlelését a Marylandi Egyetem tudósa, Joseph Weber (USA) végezte 1969-ben. E célokra két saját tervezésű gravitációs antennát használt, amelyeket két kilométeres távolság választ el egymástól. A rezonanciadetektor egy jól rezgő egyrészes, kétméteres alumínium henger volt, érzékeny piezoelektromos érzékelőkkel. A Weber által állítólag rögzített ingadozások amplitúdója a várt érték több mint egymilliószorosának bizonyult. Más tudósok ilyen berendezésekkel tett kísérletei az amerikai fizikus "sikerének" megismétlésére nem hoztak pozitív eredményeket. Néhány évvel később Weber ezen a területen végzett munkáját tarthatatlannak minősítették, de lendületet adott a "gravitációs fellendülés" kialakulásának, amely sok szakembert vonzott erre a kutatási területre. Egyébként maga Joseph Weber napjai végéig biztos volt abban, hogy gravitációs hullámokat kap.
Vételi berendezések fejlesztése
A 70-es években Bill Fairbank (USA) tudós SQUID-ok – szuperérzékeny magnetométerek – segítségével folyékony héliummal hűtött gravitációs hullámantennát fejlesztett ki. Az akkoriban létező technológiák nem tették lehetővé, hogy a feltaláló lássa a "fémben" megvalósított termékét.
Az Auriga gravitációs detektor a National Legnard Laboratory-ban (Padova, Olaszország) készült ilyen módon. A kialakítás alapja egy 3 méter hosszú és 0,6 m átmérőjű alumínium-magnézium henger, egy 2,3 tonna tömegű vevőkészülékcsaknem abszolút nullára hűtött izolált vákuumkamrában felfüggesztve. A rezgések rögzítésére és érzékelésére segédkilós rezonátort és számítógépes mérőkomplexumot használnak. A berendezés bejelentett érzékenysége 10-20.
Interferométerek
A gravitációs hullámok interferencia-detektorainak működése ugyanazon az elven alapul, mint a Michelson-interferométer. A forrás által kibocsátott lézersugár két áramra oszlik. Többszöri visszaverődés és az eszköz vállai mentén történő utazás után a folyamokat ismét összehozzák, és a végső interferencia-kép alapján ítélik meg, hogy bármilyen perturbáció (például gravitációs hullám) befolyásolta-e a sugarak lefutását. Hasonló berendezéseket számos országban készítettek:
- GEO 600 (Hanover, Németország). A vákuum alagutak hossza 600 méter.
- TAMA (Japán) 300 m váll
- VIRGO (Pisa, Olaszország) egy közös francia-olasz projekt, amelyet 2007-ben indítottak el 3 km-es alagutakkal.
- LIGO (USA, Csendes-óceán partvidéke), 2002 óta vadászik a gravitációs hullámokra.
A
Az utolsót érdemes részletesebben megfontolni.
LIGO Advanced
A projektet a Massachusetts Institute of Technology és a California Institute of Technology tudósai kezdeményezték. Tartalmaz két, 3 ezer km-re elválasztott obszervatóriumot Louisiana és Washington államban (Livingston és Hanford városaiban), három egyforma interferométerrel. A merőleges vákuum hosszaalagutak 4 ezer méter. Ezek a jelenleg működő legnagyobb ilyen építmények. 2011-ig a gravitációs hullámok kimutatására tett számos kísérlet nem hozott eredményt. Az elvégzett jelentős korszerűsítés (Advanced LIGO) a 300-500 Hz-es tartományban több mint ötszörösére, a kisfrekvenciás tartományban (60 Hz-ig) közel nagyságrenddel növelte a berendezések érzékenységét, elérve ilyen áhított érték 10-21. A frissített projekt 2015 szeptemberében indult, és több mint ezer együttműködő erőfeszítése megjutalmazta az eredményt.
Gravitációs hullámok észlelve
2015. szeptember 14-én a fejlett LIGO detektorok 7 ms-os intervallummal rögzítették a bolygónkat elérő gravitációs hullámokat a megfigyelhető Univerzum peremén előforduló legnagyobb jelenségből - két nagy fekete lyuk tömegekkel való egyesüléséből. 29 és 36-szorosa a Nap tömegének. A több mint 1,3 milliárd éve lezajlott folyamat során mintegy három naptömegnyi anyag költött a gravitációs hullámok kisugárzására a másodperc töredéke alatt. A gravitációs hullámok kezdeti frekvenciája 35 Hz, a maximális csúcsérték pedig elérte a 250 Hz-et.
A kapott eredményeket ismételten átfogó ellenőrzésnek és feldolgozásnak vetették alá, a kapott adatok alternatív értelmezéseit gondosan elvágták. Végül tavaly február 11-én bejelentették a világközösségnek az Einstein által megjósolt jelenség közvetlen bejegyzését.
A kutatók titáni munkáját illusztráló tény: az interferométer karjainak méretei ingadozásának amplitúdója 10-19m volt - ez az érték annyival kisebb, mint az interferométer karjainak átmérője. atom, mivel kisebb, mint egy narancs.
További kilátások
A felfedezés ismét megerősíti, hogy az általános relativitáselmélet nem csupán absztrakt képletek halmaza, hanem a gravitációs hullámok és általában a gravitáció lényegének alapvetően új pillantása.
További kutatások során a tudósok nagy reményeket fűznek az ELSA-projekthez: egy körülbelül 5 millió km-es karokkal rendelkező óriási orbitális interferométer létrehozásához, amely képes a gravitációs mezők kisebb perturbációinak észlelésére is. Az ilyen irányú munka felerősödése sokat elárulhat az Univerzum fejlődésének főbb állomásairól, a hagyományos sávokban nehezen vagy egyáltalán nem megfigyelhető folyamatokról. Kétségtelen, hogy azok a fekete lyukak, amelyek gravitációs hullámait a jövőben rögzítik, sokat elárulnak természetükről.
Az ereklyeszerű gravitációs sugárzás tanulmányozásához, amely világunk első pillanatairól árulkodik az Ősrobbanás után, érzékenyebb űrműszerekre lesz szükség. Létezik ilyen projekt (Big Bang Observer), de megvalósítása a szakértők szerint legkorábban 30-40 év múlva lehetséges.
