Mikä on painovoima-aalto?

Painovoimaisten aaltojen virallinen avauspäivä (havaitseminen) on 11. helmikuuta 2016. Vasta sitten Washingtonissa pidetyssä lehdistötilaisuudessa LIGO-yhteistyön johtajat ilmoittivat, että tutkimusryhmä pystyi kirjaamaan tämän ilmiön ensimmäistä kertaa ihmiskunnan historiassa.

Einsteinin suuri profetiat

Albert Einstein ehdotti, että gravitaatio-aallot ovat olemassa viime vuosisadan alussa (1916) hänen käsittelemänsä yleisen suhteellisuuden (GRT) puitteissa. Jäljelle jää vain hämmästyttää kuuluisan fyysikon genius-kykyjä, jotka pystyivät tekemään niin kauaskantoisia johtopäätöksiä, joilla on vähiten todellisia tietoja. Monien muiden ennustettujen fysikaalisten ilmiöiden joukossa, jotka on vahvistettu seuraavana vuosisadana (hidastaen ajan virtausta, muuttamalla sähkömagneettisen säteilyn suunnan painovoimakentillä jne.), Ei ole ollut mahdollista havaita käytännössä tällaisten aivojen vuorovaikutuksen esiintymistä äskettäin.

Painovoima on illuusio?

Yleensä suhteellisen teorian valossa painovoimaa on vaikea kutsua voimaksi. Tämä on seurausta avaruus-ajan jatkuvuuden häiriöstä tai kaarevuudesta. Hyvä esimerkki, joka havainnollistaa tätä postulaa, voi toimia venytetyksi kudospalaksi. Tällaiselle pinnalle sijoitetun massiivisen esineen painon alla muodostuu masennus. Muut anomalia lähellä olevat kohteet muuttavat liikkeen liikerataa, ikään kuin "houkuttelevat". Ja mitä enemmän kohteen paino (sitä suurempi halkaisija ja kaarevuuden syvyys), sitä korkeampi on "vetovoima". Kun se liikkuu pitkin kangasta, voidaan havaita erilainen "ripple".

Jotain samanlaista tapahtuu maailman tilassa. Jokainen nopeutettu liikkuva massiivinen aine on vaihtelun lähde tilan ja ajan tiheydeltään. Gravitational aalto, jolla on merkittävä amplitudi, muodostuu äärimmäisen suuria massoja tai suuria kiihdytyksiä liikuttaessa.

Fyysiset ominaisuudet

Avaruus-aikamittauksen värähtelyt ilmenevät gravitaatiokentän muutoksina. Tätä ilmiötä kutsutaan myös avaruudellisiksi väreiksi. Painovoimainen aalto vaikuttaa kohdistuviin ruuveihin ja esineisiin, puristaa niitä ja venyttää ne. Deformation arvot ovat hyvin merkityksettömiä - alkuperäisen koon 10 - ^{21 kpl} . Koko ilmiön havaitsemisen vaikeus oli, että tutkijat tarvitsevat oppia mittaamaan ja tallentamaan tällaisia muutoksia sopivan välineen avulla. Myös gravitaatiosäteilyn voimakkuus on äärimmäisen pieni - koko aurinkosähköjärjestelmälle on useita kilowatteja.

Painovoimaisten aaltojen etenemisnopeus on merkityksettömästi riippuvainen johtavan väliaineen ominaisuuksista. Värähtelyjen amplitudi etäisyydellä lähteestä vähenee asteittain, mutta ei koskaan nollaa. Taajuus on välillä muutamia kymmeniä satoja hertsiä. Gravitational aaltojen nopeus tähtienvälisessä välineessä lähestyy valon nopeutta.

Epäsuorat todisteet

Ensimmäistä kertaa amerikkalaisen tähtitieteilijä Joseph Taylorin ja hänen avustajansa Russell Hulsin teoreettinen vahvistus gravitaation aaltojen olemassaolosta sai vuonna 1974. Tutkijat löysivät pulssi-PSR B1913 + 16: n, joka on kaksinkertainen neutronien tähtimekanismi, joka kiertää yhteisen massakeskuksen ympärillä jatkuvalla kulmaverkolla (melko harvinainen tapaus), kun tutkitaan Universumin laajennuksia Arecibo Observatorion radioteleskoopilla (Puerto Rico). Vuosittain laskukausi, joka on aluksi 3,75 tuntia, vähenee 70 ms: lla. Tämä arvo vastaa täysin yleisen suhteellisuuden yhtälöistä johtuvia johtopäätöksiä, jotka ennustavat tällaisten järjestelmien pyörimisnopeuden lisääntymisen energian menojen vuoksi gravitaation aaltojen syntymisessä. Myöhemmin havaittiin useita kaksinkertaisia pulkkareita ja valkoisia kääpiä, joilla oli samanlainen käyttäytyminen. Radioastronomioille D. Taylor ja R. Hals vuonna 1993 sai Nobel-palkinnon fysiikasta löytääkseen uusia mahdollisuuksia tutkia painovoimaisia kenttiä.

Poistuva gravitaatio aalto

Ensimmäinen lausuma gravitaation aaltojen havaitsemisesta tuli Marylandin yliopiston tutkijasta, Joseph Weber (USA) vuonna 1969. Tätä tarkoitusta varten hän käytti kahta erillisen gravitaation antennia, jotka olivat kahden kilometrin päässä toisistaan. Resonanssinilmaisin oli hyvin vibro-eristetty yhden metrin kahden metrin sylinteri, joka on valmistettu alumiinista, jossa on herkkiä pietsosähköisiä antureita. Weberin värähtelyjen väitetyllä amplitudi oli yli miljoona kertaa suurempi kuin odotettu arvo. Muiden tutkijoiden, jotka käyttävät vastaavia laitteita, yrittävät toistaa amerikkalaisen fyysikon "menestystä", eivät tuoneet myönteisiä tuloksia. Muutaman vuoden kuluttua Weberin tämän alan työtä pidettiin kestämätöntä, mutta se johti "gravitaatiomallin" kehittämiseen, joka houkutteli monia asiantuntijoita tähän tutkimusalaan. Muuten, Joseph Weber itseään päiviensa loppuun asti oli varma, että hän otti painovoimaisia aaltoja.

Vastaanottavien laitteiden parantaminen

70-luvulla tutkija Bill Fairbank (USA) kehitti nestemäisen heliumin jäähdyttävän aaltoantennin suunnittelun käyttäen SQUID - ultrasensitiivisiä magnetometrejä. Nykyinen teknologia tuolloin ei sallinut keksijää näkemään tuotteensa "metallissa".

Tällä periaatteella Aurigan gravitaationilmaisin valmistetaan National Lloyary Laboratory -laboratoriossa (Padova, Italia). Suunnittelu perustuu alumiinimagnesiumsylinteriin, jonka halkaisija on 3 metriä ja halkaisija 0,6 m. Vastaanottolaite, joka painaa 2,3 tonnia, on ripustettu eristettyyn tyhjökammioon, joka on jäähdytetty lähes absoluuttiseen nollaan. Jitterien kiinnittämiseen ja havaitsemiseen käytetään ylimääräistä kilogramman resonaattoria ja tietokonepohjaista mittausjärjestelmää. Laitteen ilmoitettu herkkyys on 10-20.

interferometrien

Perustana häiriöilmaisimien toimintaan gravitaatio-aaltoja varten on sama kuin Michelsonin interferometrin käyttämät periaatteet. Lähteen lähettämä lasersäde jaetaan kahteen virtaan. Useiden heijastusten jälkeen ja kulkee pitkin laitteen hartioita, virtaukset yhdistetään uudelleen, ja tuloksena olevan interferenssikuvan perusteella arvioidaan, vaikuttiko häiriöitä (esimerkiksi gravitaatio aalto) säteiden reittiin. Vastaavia laitteita on luotu monissa maissa:

• GEO 600 (Hannover, Saksa). Tyhjiötunneleiden pituus on 600 metriä.
• TAMA (Japani), hartioilla 300 m.
• VIRGO (Pisa, Italia) on vuonna 2007 käynnistynyt yhteinen ranskalais-italialainen hanke, jossa on kolme kilometriä tunneleita.
• LIGO (USA, Tyynenmeren rannikko), joka on johtanut painovoima-aaltojen metsästykseen vuodesta 2002 lähtien.

Jälkimmäistä olisi tarkasteltava yksityiskohtaisemmin.

LIGO Advanced

Hanke luotiin Massachusettsin ja Kalifornian teknologiakeskusten tutkijoiden aloitteesta. Sisältää kaksi 3 000 kilometrin erillistä observatoriota Louisianan ja Washingtonin osavaltioissa (Livingstonin ja Hanfordin kaupungit), joissa on kolme identtistä interferometriä. Kohtisuuntaisten tyhjiötunneleiden pituus on 4 tuhatta metriä. Nämä ovat tällä hetkellä suurimpia olemassa olevia rakenteita. Vuoteen 2011 asti lukuisat yritykset painovoima-aaltojen havaitsemiseksi eivät tuottaneet tuloksia. Suoritetut merkittävät uudistukset (Advanced LIGO) kasvattivat laitteiden herkkyyttä 300-500 Hz: n alueella yli viisi kertaa ja matalataajuusalueella (jopa 60 Hz) lähes suuruusluokalla saavuttaen niin kovaa arvoa ^10-21 . Päivitetty hanke alkoi syyskuussa 2015, ja tulosten ansiosta palkittiin yli tuhat yhteistyökumppanin työtä.

Gravitational aaltoja havaitaan

Syyskuun 14. päivänä 2015 parannetut LIGO-ilmaisimet, joiden välein oli 7 ms, tallentivat planeettamme suurimmat ilmiöt, joita esiintyi havaitun maailmankaikkeuden laitamilla - kahden suuren mustan reiän fuusio massojen 29 ja 36 kertaa Auringon massan kanssa. Prosessin aikana, joka tapahtui yli 1,3 miljardia vuotta sitten, noin kolmen auringon massan kulutettiin painovoiman aallon säteilyyn sekunnin murto-osalla. Kiinteä alustava taajuus gravitaatio aaltojen oli 35 Hz, ja suurin huippuarvo saavutti 250 Hz.

Saadut tulokset tehtiin toistuvasti perusteellisen tarkastuksen ja käsittelyn kautta, ja saadut tiedot vaihtoehtoisia tulkintoja katkaistiin huolellisesti. Lopuksi viime vuoden 11. helmikuuta ilmoitettiin Einsteinin ennakoiman ilmiön suorasta rekisteröinnistä maailman yhteisöön.

Se tosiseikka, joka havainnollistaa tutkijoiden titaaninen työtä: interferometrien käsien oskillaatioiden amplitudi oli ^10-19 m - tämä arvo on niin paljon pienempi kuin atomin halkaisija, kun se on pienempi kuin oranssin itsensä.

Muita näkökulmia

Tämä keksintö vahvistaa jälleen kerran, että suhteellisuuden yleinen teoria ei ole vain kokoelma abstraktisia kaavoja vaan pohjimmiltaan uusi näkemys gravitaation aaltojen ja painovoiman olemuksesta kokonaisuutena.

Lisätutkimuksessa tiedemiehet nauttivat suuria toiveita ELSA-hankkeesta: suunnilleen 5 miljoonan kilometrin mittainen jättimäisen orbitaalisen interferometrin luominen, joka pystyy havaitsemaan jopa pieniä häiriöitä gravitaatiokentillä. Teosten aktivointi tähän suuntaan pystyy kertomaan paljon maailmankaikkeuden kehityksen päävaiheista, prosesseista, joiden havainnointi perinteisissä alueissa on vaikeaa tai mahdotonta. Epäilemättä mustat reiät, joiden gravitaatiovauhdit vahvistetaan tulevaisuudessa, kertovat paljon luonteestaan.

Jotta tutkittaisiin reliivisen gravitaation säteilyä, joka kertoo maailmamme ensimmäisistä hetkistä Big Bangin jälkeen, tarvitaan herkempiä avaruusmittareita. ), но его реализация, по заверениям специалистов, возможна не ранее, чем через 30-40 лет. Tällainen hanke on olemassa ( Big Bang Observer ), mutta sen toteuttaminen asiantuntijoiden mukaan on mahdollista aikaisintaan 30-40 vuoteen.