Oficiali gravitacinių bangų atradimo (aptikimo) diena yra 2016 m. vasario 11 d. Būtent tada spaudos konferencijoje Vašingtone LIGO bendradarbiavimo lyderiai paskelbė, kad tyrėjų komandai pirmą kartą žmonijos istorijoje pavyko užfiksuoti šį reiškinį.
Didžiojo Einšteino pranašystės
Net praėjusio amžiaus pradžioje (1916 m.) Albertas Einšteinas teigė, kad gravitacinės bangos egzistuoja pagal jo suformuluotą Bendrąją reliatyvumo teoriją (GR). Galima tik stebėtis puikiais garsaus fiziko sugebėjimais, kuris, turėdamas minimalų realių duomenų, sugebėjo padaryti tokias toli siekiančias išvadas. Tarp daugelio kitų prognozuojamų fizikinių reiškinių, kurie pasitvirtino kitame amžiuje (laiko tėkmės lėtėjimas, elektromagnetinės spinduliuotės krypties keitimas gravitaciniuose laukuose ir kt.), praktiškai nebuvo įmanoma aptikti tokio tipo bangų buvimo. kūnų sąveika iki šiol.
Gravitacija yra iliuzija?
Apskritai, šviesojeReliatyvumo teorija vargu ar gali vadinti gravitaciją jėga. Tai yra erdvės ir laiko kontinuumo sutrikimo arba kreivumo pasekmė. Geras pavyzdys, iliustruojantis šį postulatą, yra ištemptas audinio gabalas. Pagal ant tokio paviršiaus padėto masyvaus objekto svorį susidaro įduba. Kiti objektai, judantys šalia šios anomalijos, keis savo judėjimo trajektoriją, tarsi „pritrauktų“. Ir kuo didesnis objekto svoris (kuo didesnis kreivumo skersmuo ir gylis), tuo didesnė „traukos jėga“. Kai jis juda per audinį, galite pastebėti skirtingą „burbuliavimą“.
Kažkas panašaus vyksta pasaulio erdvėje. Bet kuri greitai judanti masyvi medžiaga yra erdvės ir laiko tankio svyravimų š altinis. Didelės amplitudės gravitacinė banga, kurią sudaro itin didelės masės kūnai arba judant dideliais pagreičiais.
Fizinės savybės
Erdvės ir laiko metrikos svyravimai pasireiškia kaip gravitacinio lauko pokyčiai. Šis reiškinys kitaip vadinamas erdvės ir laiko bangavimu. Gravitacinė banga veikia sutiktus kūnus ir objektus, juos suspaudžia ir tempia. Deformacijos vertės yra labai mažos - apie 10-21 nuo pradinio dydžio. Visas šio reiškinio aptikimo sunkumas buvo tas, kad mokslininkai turėjo išmokti išmatuoti ir užfiksuoti tokius pokyčius naudojant atitinkamą įrangą. Gravitacinės spinduliuotės galia taip pat itin maža – visai Saulės sistemai ji yrakeli kilovatai.
Gravitacinių bangų sklidimo greitis šiek tiek priklauso nuo laidžios terpės savybių. Virpesių amplitudė palaipsniui mažėja tolstant nuo š altinio, bet niekada nepasiekia nulio. Dažnis svyruoja nuo kelių dešimčių iki šimtų hercų. Gravitacinių bangų greitis tarpžvaigždinėje terpėje artėja prie šviesos greičio.
Netiesioginiai įrodymai
Pirmą kartą teorinį gravitacijos bangų egzistavimo patvirtinimą 1974 m. gavo amerikiečių astronomas Josephas Tayloras ir jo padėjėjas Russellas Hulse'as. Tyrinėdami Visatos platybes naudodamiesi Arecibo observatorijos (Puerto Rikas) radijo teleskopu, mokslininkai atrado pulsarą PSR B1913 + 16, kuris yra dvejetainė neutroninių žvaigždžių sistema, besisukanti aplink bendrą masės centrą pastoviu kampiniu greičiu (gana retas atvejis). Kiekvienais metais apsisukimo laikotarpis, kuris iš pradžių buvo 3,75 valandos, sumažinamas 70 ms. Ši vertė visiškai atitinka GR lygčių išvadas, prognozuojančias tokių sistemų sukimosi greičio padidėjimą dėl energijos sąnaudų gravitacinėms bangoms generuoti. Vėliau buvo aptikti keli panašaus elgesio dvigubi pulsarai ir b altosios nykštukės. Radijo astronomai D. Taylor ir R. Hulse 1993 m. buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija už naujų galimybių tyrinėti gravitacinius laukus atradimą.
Pabėgusi gravitacijos banga
Pirmasis pareiškimas apiegravitacijos bangų aptikimas atėjo iš Merilendo universiteto mokslininko Josepho Weberio (JAV) 1969 m. Šiems tikslams jis panaudojo dvi savos konstrukcijos gravitacines antenas, atskirtas dviejų kilometrų atstumu. Rezonansinis detektorius buvo gerai vibruojamas vientisas dviejų metrų aliuminio cilindras su jautriais pjezoelektriniais jutikliais. Neva Weberio užfiksuotų svyravimų amplitudė pasirodė daugiau nei milijoną kartų didesnė nei tikėtasi. Kitų mokslininkų bandymai, naudojant tokią įrangą, pakartoti amerikiečių fiziko „sėkmę“, teigiamų rezultatų nedavė. Po kelerių metų Weberio darbas šioje srityje buvo pripažintas nepagrįstu, tačiau paskatino „gravitacinio bumo“vystymąsi, kuris pritraukė daug specialistų į šią tyrimų sritį. Beje, pats Josephas Weberis iki savo dienų pabaigos buvo tikras, kad gavo gravitacines bangas.
Priėmimo įrangos tobulinimas
Aštuntajame dešimtmetyje mokslininkas Billas Fairbankas (JAV) sukūrė gravitacinių bangų anteną, aušinamą skystu heliu, naudodamas SQUID – itin jautrius magnetometrus. Tuo metu egzistavusios technologijos neleido išradėjui pamatyti savo gaminio, pagaminto „metalo“.
Gravitacinis detektorius Auriga buvo pagamintas tokiu būdu Nacionalinėje Legnard laboratorijoje (Paduja, Italija). Konstrukcija paremta 3 metrų ilgio ir 0,6 m skersmens aliuminio-magnio cilindru, 2,3 tonos sveriančiu priėmimo įtaisupakabintas izoliuotoje vakuuminėje kameroje, atšaldytoje beveik iki absoliutaus nulio. Virpesių fiksavimui ir aptikimui naudojamas pagalbinis kilogramo rezonatorius ir kompiuterinis matavimo kompleksas. Deklaruojamas įrangos jautrumas 10-20.
Interferometrai
Gravitacinių bangų trukdžių detektorių veikimas grindžiamas tais pačiais principais kaip ir Michelsono interferometras. Š altinio skleidžiamas lazerio spindulys yra padalintas į du srautus. Po daugybės atspindžių ir keliaujant palei įrenginio pečius, srautai vėl sujungiami, o galutinis trukdžių vaizdas naudojamas siekiant įvertinti, ar spindulių eigai paveikė kokie nors trukdžiai (pavyzdžiui, gravitacinė banga). Panaši įranga buvo sukurta daugelyje šalių:
- GEO 600 (Hanoveris, Vokietija). Vakuuminių tunelių ilgis yra 600 metrų.
- TAMA (Japonija) 300 m pečiais
- VIRGO (Pisa, Italija) yra bendras Prancūzijos ir Italijos projektas, pradėtas 2007 m. su 3 km tuneliais.
- LIGO (JAV, Ramiojo vandenyno pakrantė), gravitacijos bangų medžioklė nuo 2002 m.
Paskutinįjį verta apsvarstyti išsamiau.
LIGO Advanced
Projektą inicijavo Masačusetso technologijos instituto ir Kalifornijos technologijos instituto mokslininkai. Apima dvi observatorijas, atskirtas 3 tūkst. km, Luizianos ir Vašingtono valstijose (Livingstono ir Hanfordo miestuose) su trimis vienodais interferometrais. Statmeno vakuumo ilgistuneliai yra 4 tūkst. metrų. Tai didžiausios šiuo metu veikiančios tokios struktūros. Iki 2011 m. daugybė bandymų aptikti gravitacijos bangas nedavė jokių rezultatų. Atliktas reikšmingas modernizavimas (Advanced LIGO) padidino įrangos jautrumą 300-500 Hz diapazone daugiau nei penkis kartus, o žemų dažnių srityje (iki 60 Hz) beveik eilės tvarka, tokia geidžiama 10-21vertė. Atnaujintas projektas prasidėjo 2015 m. rugsėjo mėn., o daugiau nei tūkstančio bendradarbių pastangos buvo apdovanotos rezultatais.
Aptiktos gravitacijos bangos
2015 m. rugsėjo 14 d. pažangūs LIGO detektoriai 7 ms intervalu užfiksavo gravitacines bangas, pasiekusias mūsų planetą iš didžiausio stebimos Visatos pakraščiuose įvykusio reiškinio – dviejų didelių juodųjų skylių susiliejimo su masėmis. 29 ir 36 kartus didesnė už Saulės masę. Proceso, kuris vyko daugiau nei prieš 1,3 milijardo metų, metu per sekundės dalis gravitacinių bangų spinduliuotei buvo išleistos maždaug trys Saulės medžiagos masės. Pradinis gravitacinių bangų dažnis buvo užfiksuotas kaip 35 Hz, o didžiausia didžiausia vertė siekė 250 Hz.
Gauti rezultatai buvo pakartotinai visapusiškai tikrinami ir apdorojami, alternatyvios gautų duomenų interpretacijos buvo kruopščiai nutrauktos. Galiausiai, praėjusių metų vasario 11 d., pasaulio bendruomenei buvo paskelbta tiesioginė Einšteino numatytų reiškinių registracija.
Faktas, iliustruojantis titanišką tyrinėtojų darbą: interferometro svirties matmenų svyravimų amplitudė buvo 10-19m – ši reikšmė yra tiek pat mažesnė nei atomas, nes jis yra mažesnis už oranžinį.
Tolimesnės perspektyvos
Atradimas dar kartą patvirtina, kad Bendroji reliatyvumo teorija yra ne tik abstrakčių formulių rinkinys, bet iš esmės naujas žvilgsnis į gravitacinių bangų ir apskritai gravitacijos esmę.
Tolimesniuose tyrimuose mokslininkai daug vilčių deda į ELSA projektą: milžiniško orbitinio interferometro su maždaug 5 milijonų km atstumo svirtimis, galinčio aptikti net nedidelius gravitacinių laukų sutrikimus, sukūrimą. Darbo šia kryptimi suaktyvėjimas gali daug pasakyti apie pagrindinius Visatos vystymosi etapus, apie procesus, kuriuos sunku arba neįmanoma stebėti tradicinėse juostose. Nėra jokių abejonių, kad juodosios skylės, kurių gravitacinės bangos bus fiksuotos ateityje, daug pasakys apie jų prigimtį.
Norint ištirti reliktinę gravitacinę spinduliuotę, kuri gali pasakyti apie pirmąsias mūsų pasaulio akimirkas po Didžiojo sprogimo, reikės jautresnių kosminių instrumentų. Toks projektas yra (Big Bang Observer), bet jo įgyvendinimas, ekspertų teigimu, įmanomas ne anksčiau kaip po 30-40 metų.
