Virpesiai erdvėlaikyje buvo aptikti praėjus šimtmečiui po to, kai juos prognozavo Einšteinas. Prasideda nauja astronomijos era.
Mokslininkams pavyko nustatyti erdvės ir laiko svyravimus, kuriuos sukėlė juodųjų skylių susiliejimas. Tai įvyko šimtą metų po to, kai Albertas Einšteinas numatė šias „gravitacines bangas“savo bendrojoje reliatyvumo teorijoje ir po šimto metų, kai fizikai pradėjo jų ieškoti.
Apie šį reikšmingą atradimą šiandien pranešė LIGO lazerinės interferometrinės gravitacijos bangų observatorijos tyrėjai. Jie patvirtino gandus, apimančius pirmųjų mėnesių rinktų duomenų rinkinį. Astrofizikai sako, kad gravitacinių bangų atradimas leidžia iš naujo pažvelgti į visatą ir leidžia atpažinti tolimus įvykius, kurių nematyti optiniais teleskopais, tačiau jūs galite pajusti ir net girdėti jų silpnus drebulius, pasiekiančius mus per kosmosą.
„Mes aptikome gravitacines bangas. Mes tai padarėme! pranešė spaudos konferencijoje Vašingtone, Nacionaliniame mokslo fonde, pranešęs 1000 narių tyrimų grupės vykdantysis direktorius Davidas Reitze.
Gravitacijos bangos yra bene sunkiausiai pastebimas reiškinys iš Einšteino prognozių; mokslininkas dešimtmečius diskutavo šia tema su savo amžininkais. Pagal jo teoriją, erdvė ir laikas sudaro tempiančią medžiagą, kuri lenkiasi veikiama sunkių daiktų. Pajusti sunkumą reiškia patekti į šio dalyko vingius. Bet ar šis erdvėlaikis gali drebėti kaip būgno oda? Einšteinas buvo sutrikęs, jis nežinojo, ką reiškia jo lygtys. Ir jis ne kartą pakeitė savo požiūrį. Tačiau net ir patys tvirtiausi jo teorijos šalininkai manė, kad gravitacijos bangos yra per silpnos, kad jos vis tiek būtų pastebėtos. Po tam tikrų kataklizmų jie pakyla į išorę, o judėdami pakaitomis tempiasi ir susitraukia erdvėlaikį. Bet kol šios bangos pasieks Žemę,jie ištempia ir suspaudžia kiekvieną kosmoso kilometrą maža dalele atominio branduolio skersmens.
LIGO observatorijos detektorius Hanforde, Vašingtone
Nuotrauka: „REUTERS“, „Hangout“
Reklaminis vaizdo įrašas:
Norint aptikti šias bangas, reikėjo kantrybės ir atsargumo. LIGO observatorija paleido lazerio spindulius pirmyn ir atgal išilgai keturių kilometrų ilgio stačių kampų dviejų detektorių posūkių, vieno - Hanforde, Vašingtone, o kito - Livingstone, Luizianoje. Tai buvo padaryta ieškant sutampančių šių sistemų išsiplėtimų ir susitraukimų per gravitacines bangas. Naudodami pažangiausius stabilizatorius, vakuuminius prietaisus ir tūkstančius jutiklių, mokslininkai išmatavo šių sistemų ilgio pokyčius - vos tūkstantąją protono dydžio dalį. Toks instrumentų jautrumas buvo neįsivaizduojamas prieš šimtą metų. Tai taip pat atrodė neįtikėtina 1968 m., Kai Raineris Weissas iš Masačusetso technologijos instituto sumanė eksperimentą, pavadintą LIGO.
„Tai puikus stebuklas, kad galiausiai jiems tai pavyko. Jie sugebėjo aptikti šias mažas vibracijas! - sakė teorinis Arkanzaso universiteto fizikas Danielis Kennefickas, 2007 m. parašęs knygą „Kelionė minties greičiu: Einšteinas ir gravitacinių bangų ieškojimas“.
Šis atradimas žymėjo naujos gravitacinių bangų astronomijos eros pradžią. Tikimasi, kad turėsime tikslesnių idėjų apie juodųjų skylių susidarymą, kompoziciją ir galaktinį vaidmenį - šie itin tankūs masės kamuoliai, kurie taip smarkiai iškraipo erdvės laiką, kad net šviesa negali iš ten pabėgti. Kai juodosios skylės priartėja viena prie kitos ir susijungia, jos sukuria impulsinį signalą - erdvės ir laiko svyravimus, kurie padidina amplitudę ir toną, o po to staigiai baigiasi. Signalai, kuriuos gali įrašyti observatorija, yra garso diapazone, tačiau jie yra per silpni, kad juos būtų galima išgirsti plika ausimi. Šį garsą galite atkurti perbraukdami pirštais per fortepijono klavišus. "Pradėkite nuo žemiausios natos ir dirbkite iki trečiosios oktavos", - sakė Weissas. - Tai mes girdime.
Fizikus jau stebina šiuo metu užfiksuotų signalų skaičius ir stiprumas. Tai reiškia, kad pasaulyje yra daugiau juodųjų skylių, nei manyta anksčiau. "Mums pasisekė, bet aš visada tikėjausi tokios sėkmės", - sakė "Caltech" astrofizikas Kipas Thorne'as, sukūręs LIGO kartu su Weissu ir Ronaldu Dreveriu, kurie taip pat yra iš Caltecho. - Paprastai tai atsitinka, kai visatoje atsiveria visiškai naujas langas.
Pasiklausę gravitacinių bangų, galime suformuoti visiškai kitokias idėjas apie kosmosą ir galbūt atrasime neįsivaizduojamų kosminių reiškinių.
"Galiu tai palyginti su momentu, kai pirmą kartą nukreipėme teleskopą į dangų", - sakė teoretinė astrofizikė Janna Levin iš Barnardo koledžo, Kolumbijos universiteto. Žmonės suprato, kad kažkas čia yra, ir jūs galite tai pamatyti, tačiau jie negalėjo numatyti neįtikėtino visatos egzistuojančių galimybių rinkinio “. Panašiai, pažymėjo Levinas, gravitacinių bangų atradimas gali parodyti, kad visata yra „pilna tamsiosios materijos, kurios negalime aptikti tik teleskopu“.
Pirmosios gravitacinės bangos atradimo istorija prasidėjo rugsėjo pirmadienio rytą ir prasidėjo plojimu. Signalas buvo toks aiškus ir garsus, kad Weissas pagalvojo: „Ne, tai nesąmonė, nieko neišeis“.
Emocijų intensyvumas
Ši pirmoji gravitacinė banga nubėgo per patobulintus LIGO detektorius - pirmiausia Livingstone ir septynias milisekundes vėliau - Hanforde, imituojant bėgimą ankstyvą rugsėjo 14 d. Rytą, likus dviem dienoms iki oficialaus duomenų rinkimo pradžios.
Detektoriai buvo „paleisti“po penkerių metų atnaujinimo, kainavusio 200 mln. Juose įrengti nauji triukšmo slopinimo veidrodžiai ir aktyvi grįžtamojo ryšio sistema pašalinei vibracijai slopinti realiu laiku. Atnaujinimas suteikė atnaujintai observatorijai didesnį jautrumo lygį nei senoji LIGO, kur 2002–2010 m. Nustatyta „absoliutus ir grynas nulis“, kaip sakė Weissas.
Kai rugsėjį pasigirdo stiprus signalas, mokslininkai Europoje, kur tuo metu buvo rytas, pradėjo skubiai bombarduoti savo kolegas amerikiečius elektroniniais laiškais. Kai likusi grupė pabudo, žinia pasklido labai greitai. Beveik visi tai skeptiškai vertino, sakė Weissas, ypač pamačiusi signalą. Tai buvo tikra vadovėlių klasika, todėl kai kurie žmonės manė, kad tai netikras.
Klaidingos nuomonės ieškant gravitacinių bangų buvo daug kartų kartojamos nuo 1960-ųjų pabaigos, kai Josephas Weberis iš Merilando universiteto manė, kad aliuminio cilindre su jutikliais rado rezonansines vibracijas, reaguodamas į bangas. 2014 m. Įvyko eksperimentas, vadinamas BICEP2, kurio rezultatais buvo paskelbta, kad aptiktos pradinės gravitacinės bangos - erdvės – laiko svyravimai iš Didžiojo sprogimo, kurie iki šiol išsitiesė ir visam laikui sustingo visatos geometrijoje. BICEP2 komandos mokslininkai apie savo atradimą paskelbė labai stipriai, tačiau tada jų rezultatai buvo nepriklausomai patikrinti, per kuriuos paaiškėjo, kad jie klydo ir kad šį signalą skleidė kosminės dulkės.
Kai Arizonos valstijos universiteto kosmologas Lawrence'as Kraussas išgirdo apie LIGO komandos atradimą, jis pirmiausia pamanė, kad tai „aklas dalykas“. Veikiant senajai observatorijai, imituoti signalai buvo slapta įterpiami į duomenų srautus, siekiant patikrinti atsakymą, ir dauguma komandos apie tai nežinojo. Kai Kraussas iš žinomo šaltinio sužinojo, kad šį kartą tai nebuvo „aklas įdaras“, jis vargu ar galėjo sulaikyti džiaugsmingą jaudulį.
Rugsėjo 25 d. Jis tweeted savo 200 000 sekėjų: „Gandai apie gravitacinę bangą, aptiktą ant LIGO detektoriaus. Nuostabu, jei tiesa. Pateiksiu jums išsamią informaciją, jei tai ne liepa “. Po to seka sausio 11 dienos įrašas: „Ankstesnius gandus apie LIGO patvirtino nepriklausomi šaltiniai. Sekite naujienas. Galbūt atrandamos gravitacinės bangos!"
Oficiali mokslininkų pozicija buvo tokia: neskleiskite apie gautą signalą, kol nėra šimto procentų tikrumo. Thorne'as, susietas rankomis ir kojomis dėl šio įsipareigojimo slaptumui, net nieko nesakė savo žmonai. "Aš šventiau vienas", - sakė jis. Pirmiausia mokslininkai nusprendė grįžti į pačią pradžią ir viską išanalizuoti iki menkiausių detalių, norėdami sužinoti, kaip signalas sklido tūkstančiais įvairių detektorių matavimo kanalų, ir suprasti, ar tuo metu, kai signalas buvo aptiktas, buvo kažkas keisto. Jie nerado nieko neįprasto. Jie taip pat pašalino įsilaužėlius, kurie eksperimento metu turėjo geriausiai žinoti apie tūkstančius duomenų srautų. "Net kai komanda meta, jie nėra pakankamai tobuli ir palieka daug pėdsakų", - sakė Thorne'as. - O takelių čia nebuvo.
Vėlesnėmis savaitėmis jie išgirdo kitą, silpnesnį signalą.
Mokslininkai išanalizavo du pirmuosius signalus ir jų sulaukė vis daugiau. Sausio mėnesį jie pristatė savo mokslinius straipsnius „Physical Review Letters“. Ši problema šiandien yra internete. Remiantis jų vertinimais, statistinis pirmo, galingiausio signalo reikšmingumas viršija „5 sigmą“, o tai reiškia, kad tyrėjai 99,9999% yra įsitikinę savo autentiškumu.
Klausa gravitacijos
Einšteino bendrojo reliatyvumo lygtys yra tokios sudėtingos, kad daugumai fizikų prireikė 40 metų sutikti: taip, gravitacinės bangos egzistuoja ir jas galima aptikti - net teoriškai.
Iš pradžių Einšteinas manė, kad objektai negali išlaisvinti energijos gravitacinės spinduliuotės pavidalu, bet tada jis pakeitė savo požiūrį. Savo istoriniame darbe, parašytame 1918 m., Jis parodė, kokie objektai gali tai padaryti: hantelio formos sistemos, kurios tuo pačiu metu sukasi aplink dvi ašis, pavyzdžiui, binarijos ir supernovos, kurios sprogsta kaip petardos. Tai jie gali generuoti bangas erdvėlaikyje.
Kompiuterinis modelis, iliustruojantis gravitacinių bangų pobūdį Saulės sistemoje
Nuotrauka: REUTERS, dalomoji medžiaga
Tačiau Einšteinas ir jo kolegos ir toliau dvejojo. Kai kurie fizikai teigė, kad net jei ir yra bangos, pasaulis jomis virpės ir jų pajusti bus neįmanoma. Tik 1957 m. Richardas Feynmanas uždarė klausimą, minties eksperimente parodydamas, kad jei egzistuoja gravitacinės bangos, teoriškai jas galima aptikti. Tačiau niekas nežinojo, kaip dažnai šios hantelių sistemos yra kosminėje erdvėje, ar kokios stiprios ar silpnos buvo bangos. "Galų gale kilo klausimas: ar galime juos kada nors rasti?" Kennefickas pasakė.
1968 m. Raineris Weissas buvo jaunas profesorius Masačusetso technologijos institute ir buvo paskirtas dėstyti bendrojo reliatyvumo kursą. Kaip eksperimentatorius jis apie tai mažai žinojo, tačiau staiga pasirodė žinia apie Weberio atradimą gravitacines bangas. Weberis iš aliuminio pastatė tris stalo dydžio rezonanso detektorius ir juos išdėstė skirtingose Amerikos valstijose. Dabar jis sakė, kad visi trys detektoriai įrašė „gravitacinių bangų garsą“.
Weiss studentai buvo paprašyti paaiškinti gravitacijos bangų pobūdį ir išsakyti savo nuomonę apie skambėjusį pranešimą. Studijuodamas detales, jis stebėjosi matematinių skaičiavimų sudėtingumu. „Negalėjau suprasti, ką, po velnių, daro Weberis, kaip jutikliai sąveikauja su gravitacine banga. Ilgai sėdėjau ir klausiau savęs: „Kas yra pats primityviausias dalykas, kurį galiu sugalvoti aptikti gravitacines bangas?“Ir tada man kilo mintis, kurią aš vadinu konceptualuoju LIGO pagrindu. “
Įsivaizduokite tris erdvės-laiko objektus, tarkime, veidrodžius trikampio kampuose. "Siųsk šviesos signalą iš vieno į kitą", - sakė Weberis. "Pažiūrėkite, kiek laiko reikia pereiti iš vienos mišios į kitą, ir patikrinkite, ar laikas nepasikeitė." Pasirodo, pažymėjo mokslininkas, kad tai galima padaryti greitai. „Tai patikėjau savo studentams kaip mokslinę užduotį. Žodžiu, visa grupė sugebėjo atlikti šiuos skaičiavimus “.
Vėlesniais metais, kai kiti tyrėjai bandė pakartoti Weberio eksperimento su rezonanso detektoriumi rezultatus, tačiau nuolat žlugo (neaišku, ką jis pastebėjo, bet tai nebuvo gravitacinės bangos), Weissas pradėjo rengti daug tikslesnį ir ambicingesnį eksperimentą: gravitacinių bangų interferometrą. Lazerio spindulys atsimuša iš trijų L formos veidrodžių ir sudaro du spindulius. Šviesos bangų smailių ir lovių tarpai tiksliai nurodo „G“kelių, sukuriančių erdvėlaikio X ir Y ašis, ilgį. Kai svarstyklės nejudės, dvi šviesos bangos atsimuša į kampus ir panaikina viena kitą. Detektoriaus signalas lygus nuliui. Bet jei gravitacinė banga eina per Žemę, ji ištempia „G“raidės vieno peties ilgį, o kito paeiliui suglaudina ilgį. Dviejų šviesos pluoštų neatitikimas detektoriuje sukuria signalą, rodantį nedidelius erdvėlaikio svyravimus.
Iš pradžių kolegos fizikai buvo skeptiški, tačiau netrukus eksperimentas atrado Thorne'o asmenį, kurio teoretikų grupė iš Caltech tyrė juodąsias skyles ir kitus galimus gravitacinių bangų šaltinius bei jų generuojamus signalus. Thorne'ą įkvėpė Weberio eksperimentas ir panašios Rusijos mokslininkų pastangos. Po to, kai 1975 m. Kalbėjau konferencijoje su Weissu, „ėmiau tikėti, kad gravitacines bangas pavyks aptikti sėkmingai“, - sakė Thorne'as. - Ir aš norėjau, kad ir „Caltech“būtų įtrauktas į tai. Jis su institutu susitarė samdyti škotų eksperimentatorių Ronaldą Drieverį, kuris taip pat paskelbė, kad pastatys gravitacinių bangų interferometrą. Laikui bėgant, Thorne'as, Driveris ir Weissas pradėjo dirbti kaip viena komanda. Kiekvienas iš jų išsprendė savo nesuskaičiuojamų problemų dalį, ruošdamasis praktiniam eksperimentui. Ši trijulė LIGO įkūrė 1984 m., O kai buvo sukurti prototipai ir auganti komanda pradėjo bendradarbiauti, dešimtojo dešimtmečio pradžioje jie gavo 100 milijonų dolerių finansavimą iš Nacionalinio mokslo fondo. Buvo parengti projektai, skirti porai milžiniškų L formos detektorių pastatyti. Po dešimtmečio detektoriai pradėjo veikti.
Hanforde ir Livingstone kiekvieno iš keturių kilometrų detektorių vingių centre yra vakuumas, kurio dėka lazeris, jo spindulys ir veidrodžiai yra maksimaliai izoliuoti nuo nuolatinių planetos virpesių. Norėdami dar labiau apsidrausti, LIGO mokslininkai stebi jų detektorius, kai jie veikia tūkstančiais prietaisų, matuodami viską, ką gali: seisminį aktyvumą, atmosferos slėgį, žaibus, kosminius spindulius, įrangos vibraciją, garsus lazerio spindulio srityje ir t. Tada jie pašalina šį pašalinį foninį triukšmą iš savo duomenų. Galbūt svarbiausia yra tai, kad jie turi du detektorius, ir tai leidžia palyginti gautus duomenis, tikrinant, ar nėra sutampančių signalų.
Sukurto vakuumo viduje, net kai lazeriai ir veidrodžiai yra visiškai izoliuoti ir stabilizuoti, „visą laiką vyksta keisti dalykai“, - sako Marco Cavaglià, LIGO projekto atstovas spaudai. Mokslininkai privalo sekti šias „auksines žuveles“, „vaiduoklius“, „nesuprantamus jūros monstrus“ir kitus pašalinius vibracijos reiškinius, išsiaiškinti jų šaltinį, kad jį pašalintų. Vienas sunkus atvejis įvyko patvirtinimo etape, sakė LIGO komandos mokslininkė Jessica McIver, tirianti tokius pašalinius signalus ir trukdžius. Duomenyse dažnai pasirodė periodiškų vieno dažnio triukšmų serija. Kai ji ir jos kolegos veidrodžių vibracijas pavertė garso failais, „telefonas skambėjo aiškiai“, - sakė McIver. Tai paaiškėjokad lazerių salės viduje telefonu skambino ryšių reklamuotojai “.
Per ateinančius dvejus metus mokslininkai ir toliau tobulins modernizuotos lazerinės interferometrinės gravitacijos bangos observatorijos LIGO detektorių jautrumą. O Italijoje pradės veikti trečiasis interferometras, pavadintas „Advanced Virgo“. Vienas atsakymas, kurį padės gauti duomenys, yra tai, kaip susidaro juodosios skylės. Ar jie yra ankstyviausių masyvių žvaigždžių žlugimo rezultatas, ar susidūrimų tankiose žvaigždžių grupėse rezultatas? „Tai tik dvi prielaidos, manau, kad jų bus daugiau, kai visi nusiramins“, - sako Weissas. Kai LIGO savo būsimo darbo metu pradeda kaupti naują statistiką, mokslininkai pradės klausytis istorijų apie juodųjų skylių kilmę, kurias jiems šnabždės kosmosas.
Pagal savo formą ir dydį pirmasis, garsiausiai pulsuojantis signalas kilo 1,3 milijardo šviesmečių, iš kur po amžinojo lėtojo šokio, veikiant abipusiai gravitacinei traukai, galiausiai susijungė dvi juodosios skylės, kiekviena maždaug 30 kartų didesnė už saulės masę. Juodosios skylės rėžėsi vis greičiau, tarsi sūkurinė vonia, palaipsniui artėjant. Tada įvyko susijungimas ir akies mirksniu jie išleido gravitacines bangas, kurių energija buvo panaši į trijų Saulių energiją. Ši sintezė tapo galingiausiu kada nors užfiksuotu energetiniu reiškiniu.
"Tarsi mes niekada nematėme vandenyno audros metu", - sakė Thorne'as. Šios audros erdvėje jis laukė nuo 1960-ųjų. Jausmas, kurį Thorne patyrė bangoms slenkant, nebuvo jaudulys, sako jis. Tai buvo kažkas kita: giliausio pasitenkinimo jausmas.