Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Гравитационная революция

27.03.2013 Наука и жизнь

Гравитационные волны, зарегистрированные коллаборацией LIGO при столкновении двух чёрных дыр, дают начало гравитационной астрономии.

Вчерашний сутки можно считать началом новой эры в изучении космоса – гравитационной астрономии. Со времён Кепплера и Галилея, замечавших небесные светила через окуляры собственных телескопов, астрологи обучились строить радио- и рентгеновские телескопы, детекторы космических элементарных частиц и лучей. И вот пришло время для детектирования волн самого привычного и, не обращая внимания на это, самого сложного явления – гравитации.

Впредь до начала XX века физики оперировали понятиями закона и массы притяжения. Но великий Эйнштейн внес предложение «мало» второй подход к объяснению гравитации.

 

Слияние двух чёрных дыр в представлении живописца. Фото: public domain/Wikimedia commons Рукав детектора LIGO в Хэнфорде (штат Вашингтон) Фото: Tobin/Flickr.com Гравитационный сигнал от слияния двух чёрных дыр. Иллюстрация из Physical Review Letters (doi 10.1103/PhysRevLett.116.061102) Схема опыта LIGO.Гравитационная революция Иллюстрация из Physical Review Letters (doi 10.1103/PhysRevLett.116.061102)‹ ›

В соответствии с выведенным им правилам Неспециализированной теорией относительности (ОТО), гравитационные эффекты появляются не из-за силы, действующей на объекты с массой, а из-за искривления пространства-времени, которое вызывает любой объект, владеющий массой. Это искривление порождает занимательные явления, к примеру, вблизи массивных объектов время течёт медленнее, чем на удалении от них. Действительно, масса объекта для этого должна быть вправду большой.

 

В случае если забрать спутники навигационной совокупности, каковые вращаются около Почвы на орбите на высоте 20 тысяч километров, то, в соответствии с ОТО, время на них должно течь стремительнее, чем на Земле, на 46 микросекунд в сутки. Если не учитывать эту поправку, то за весь год суммарная накопленная неточность составила бы 0.016 секунд.

За такое время самый стремительный бегун на планете Усейн Болт имел возможность переместиться на 20 сантиметров, а навигационный спутник, скорость перемещения которого в 300 с лишним раза больше, чем может «разогнаться» Болт,  пролетел бы приблизительно 60 метров. Но возвратимся к гравитационным волнам.

Что необходимо сделать, дабы заметить гравитационную волну? Для этого необходимо обучиться регистрировать искажения пространства-времени. К примеру, зафиксировать каким-нибудь образом, что некоторый объект иногда изменяет собственные размеры.

Но, если вы заберёте линейку и станете пробовать поймать изменение размеров некого тела, то вам ожидает разочарование: во-первых, гравитационные волны такие слабые, что они приводят к порядка размера одного атома, а во-вторых, даже если бы существовала линейка ядерной точности, она бы претерпевала совершенно верно такие же трансформации, как и измеряемый объект – так как гравитационные волны искажают само пространство вместе с объектом, линейкой, и тем, кто эту линейку держит. Исходя из этого тут нужен второй инструмент большой точности, и он у физиков имеется – это ветхий хороший интерферометр Майкельсона, благодаря которому физики более века назад доказали отсутствие мирового эфира. Как он трудится и как устроены гравитационные детекторы проекта LIGO?

Луч лазера расщепляется на два перпендикулярных отдельных пучка, каковые отправляются на два зеркала, находящиеся на громадном, порядка нескольких километров, расстоянии от исходной точки. Отразившись от зеркал, лучи возвращаются «к себе» и взаимодействуют между собой – мы видим интерференционную картину – чередующиеся чёрные и яркие области.

В случае если совокупность из зеркал не подвергается никаким трансформациям, то интерференционная картина на детекторе остаётся постоянной, а вот в случае если одно из зеркал чуть-чуть сдвинулось, то детектор сможет это «заметить».  Как мы уже знаем, в случае если мы желаем заметить гравитационную волну, то это «чуть-чуть» должно быть порядка размеров одного атома. Это значит, что расстояние от детектора до зеркала должно быть зафиксировано с атомарной точностью.

Вероятно ли это?

Выяснилось что да, вероятно. Действительно, от экспериментаторов это потребовало титанических решения и усилий непростых задач. Так как, помимо этого, дабы выстроить два вакуумных туннеля, где будет проходить луч лазера, необходимо ещё так закрепить зеркало, дабы на него не влияли ни колебания температуры, ни сейсмические волны, ни колебания земли, скажем, от проезжающего рядом товарного поезда.

Проект по созданию таковой гравитационной антенны был предложен ещё в первой половине 90-ых годов двадцатого века тремя физиками: Райнером Вайссом, Рональдом Дривером и ставшим позже широко известным по фильму «Интерстеллар» Кипом Торном. Первая установка была запущена к 2002 году, но её чувствительности было не хватает, дабы регистрировать гравитационные волны, и исходя из этого она была модернизирована к началу осени 2015 года. И вот сейчас самое время сообщить о том, а для чего, фактически, потребовалось 20 с лишним лет строить пара огромных интерферометров и что нового физики планируют увидеть с их помощью.

Представьте себе, что на спокойную гладь озера вы кидаете одну песчинку. Разумеется, что никаких волн вы заметить не сможете – для этого необходимо кинуть что-нибудь посолиднее, к примеру, увесистый камень. Кроме этого и при с гравитационными волнами – в космосе должен быть массивный объект, что движется с переменным ускорением, тогда около него будет образовываться «рябь» пространства-времени, распространяющаяся во все стороны вселенной со скоростью света.

Под роль массивных объектов подходят совокупности из двойных черных дыр либо нейтронных звёзд. Как раз сигнал от таковой совокупности был пойман коллаборацией LIGO 14 сентября 2015 года на двух детекторах, расположенных на западном и восточном побережье США. В определённом смысле физикам поразительно повезло:  сигнал был пойман ещё до официального запуска модернизированного детектора на протяжении одного из его тестовых опробований.

Гравитационная антенна LIGO поймала сигнал от слияния двух чёрных дыр весами 36 и 29 солнечных, в следствии чего появилась одна массивная вращающаяся чёрная дыра.

Это достаточно редкое и броское событие, и, что самое основное, все параметры гравитационной волны в точности соответствовали предсказаниям Неспециализированной теории относительности Эйнштейна. В соответствии с теории, пара черных дыр, вращающихся около друг друга, теряет энергию на излучение гравитационных волн, что заставляет их неспешно сближаться в течении миллиардов лет, и значительно стремительнее – на последних секундах.

На протяжении последней доли секунды две черные дыры сталкиваются со скоростью практически в половину световой с образованием одной, более массивной черной дыры. Наряду с этим часть массы слившихся черных дыр преобразовывается в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc2. Эта энергия излучается в виде сильного всплеска гравитационных волн, каковые и наблюдались LIGO.

Ну, а сейчас о самом главном. Гравитационные волны открыты, неспециализированная теория относительности празднует собственную очередную победу, но что дальше? «Научное значение этого открытия огромно. Как и при электромагнитных волн, мы поймём его полностью через некое время», – говорит доктор наук физического факультета московского университета Валерий Митрофанов, начальник столичной группы коллаборации LIGO.

Гравитационные волны по собственной природе неповторимы – это колебания самого пространства, исходя из этого на пути их распространения нет никаких преград, а это значит, что астрофизики смогут «посмотреть» в те области Вселенной, из которых мы раньше не могли взять никакой других данных.

Раздельно стоит сообщить и о самой теории относительности. Она была поразительно верна в предсказании параметров гравитационных волн, каковые зафиксировал опыт LIGO, но у учёных всё равняется имеется к ней вопросы, один из которых – чёрные дыры. Да,  LIGO в первый раз «заметил» чёрную дыру, вернее сообщить, кроме того две чёрные дыры, но вот с позиций теории чёрная дыра – это сингулярность, точка, в которой один из параметров уходит в бесконечность, это как деление единицы на ноль.

Но у физиков имеется основания вычислять, что это не верно, и в природе должны быть кое-какие «ограничения», какие конкретно – ещё лишь предстоит узнать.

Помимо этого, гравитационные волны, возможно, разрешат определить больше о самом таинственном событии во Вселенной – Громадном взрыве, потому, что следы от него смогут остаться в виде волн пространства-времени. Да и чёрная материя, которая существует, но наряду с этим никак не видна, возможно, также покажет себя малоизвестным образом. В любом случае, мы стали свидетелями огромного по собственной важности открытия.

Кстати, в текущем году, не считая интриги, которая тревожит хорошую часть человечества: возьмёт ли Ди Каприо собственный долгожданный «Оскар», возможно смело добавить ещё одну: дадут ли Нобелевскую премию за открытие гравитационных волн.

Видео
Иллюстрации: из статьи авторов открытия  в Physical Review Letters  (в открытом доступе).

Создатель: Максим Абаев

Источник: nkj.ru

Случайные записи:

[Gravity Falls] Rise In Revolution


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , , ,