Gravitatsioonilainete avastamise (avastamise) ametlik päev on 11. veebruar 2016. Just siis teatasid LIGO koostöö juhid Washingtonis toimunud pressikonverentsil, et teadlaste rühmal õnnestus see nähtus esimest korda inimkonna ajaloos salvestada.
Suure Einsteini ennustused
Isegi eelmise sajandi alguses (1916. aastal) väitis Albert Einstein, et gravitatsioonilained eksisteerivad tema sõnastatud üldise relatiivsusteooria (GR) raames. Võib vaid imestada kuulsa füüsiku hiilgavaid võimeid, kes suutis minimaalsete tegelike andmetega teha nii kaugeleulatuvaid järeldusi. Paljude teiste ennustatud füüsikaliste nähtuste hulgas, mis said kinnitust järgmisel sajandil (aja voolu aeglustumine, elektromagnetkiirguse suuna muutmine gravitatsiooniväljades jne), ei olnud seda tüüpi lainetust praktiliselt võimalik tuvastada. kehade vastasmõju kuni viimase ajani.
Gravitatsioon on illusioon?
Üldiselt valgusesVaev alt saab relatiivsusteooria gravitatsiooni jõuks nimetada. See on aegruumi kontiinumi häirimise või kõveruse tagajärg. Hea näide selle postulaadi illustreerimiseks on venitatud riidetükk. Sellisele pinnale asetatud massiivse eseme raskuse all moodustub süvend. Teised selle anomaalia lähedal liikuvad objektid muudavad oma liikumise trajektoori, justkui "tõmbuksid ligi". Ja mida suurem on objekti kaal (seda suurem on kõveruse läbimõõt ja sügavus), seda suurem on "tõmbejõud". Kui see liigub läbi kanga, võite jälgida lahkneva "lainetuse" ilmumist.
Midagi sarnast juhtub maailmaruumis. Iga kiiresti liikuv massiivne aine on ruumi ja aja tiheduse kõikumiste allikas. Märkimisväärse amplituudiga gravitatsioonilaine, mille moodustavad ülisuure massiga kehad või kui nad liiguvad suure kiirendusega.
Füüsilised omadused
Aegruumi meetrika kõikumised avalduvad muutustena gravitatsiooniväljas. Seda nähtust nimetatakse muidu aegruumi lainetuseks. Gravitatsioonilaine mõjub kohatud kehadele ja objektidele, surudes ja venitades neid. Deformatsiooni väärtused on väga väikesed - umbes 10-21 algsest suurusest. Kogu selle nähtuse tuvastamise raskus seisnes selles, et teadlased pidid õppima, kuidas selliseid muutusi sobiva varustuse abil mõõta ja registreerida. Ka gravitatsioonikiirguse võimsus on üliväike – kogu päikesesüsteemi kohta seda onpaar kilovatti.
Gravitatsioonilainete levimise kiirus sõltub veidi juhtiva keskkonna omadustest. Võnkumise amplituud väheneb järk-järgult koos kaugusega allikast, kuid ei jõua kunagi nullini. Sagedus jääb vahemikku mitmekümnest kuni sadade hertsini. Gravitatsioonilainete kiirus tähtedevahelises keskkonnas läheneb valguse kiirusele.
Kaudsed tõendid
Esimest korda said teoreetilise kinnituse gravitatsioonilainete olemasolule Ameerika astronoom Joseph Taylor ja tema assistent Russell Hulse 1974. aastal. Arecibo observatooriumi (Puerto Rico) raadioteleskoobi abil universumi avarusi uurides avastasid teadlased pulsari PSR B1913 + 16, mis on neutrontähtede kaksiksüsteem, mis pöörleb ümber ühise massikeskme konstantse nurkkiirusega (üsna harv juhtum). Igal aastal vähendatakse pöördeperioodi, mis oli algselt 3,75 tundi, 70 ms võrra. See väärtus on üsna kooskõlas GR võrrandite järeldustega, mis ennustavad selliste süsteemide pöörlemiskiiruse suurenemist, mis on tingitud energiakulust gravitatsioonilainete tekitamiseks. Seejärel avastati mitu sarnase käitumisega topeltpulsarit ja valgeid kääbusi. Raadioastronoomid D. Taylor ja R. Hulse said 1993. aastal Nobeli füüsikaauhinna gravitatsiooniväljade uurimise uute võimaluste avastamise eest.
Põgenenud gravitatsioonilaine
Esimene väide selle kohtagravitatsioonilainete tuvastamise tegi Marylandi ülikooli teadlane Joseph Weber (USA) 1969. aastal. Nendel eesmärkidel kasutas ta kahte enda disainitud gravitatsiooniantenni, mida eraldas kaks kilomeetrit. Resonantsdetektoriks oli hästi vibreeritud ühes tükis kahemeetrine alumiiniumsilinder, mis oli varustatud tundlike piesoelektriliste anduritega. Weberi väidetav alt fikseeritud kõikumiste amplituud osutus enam kui miljon korda oodatust suuremaks. Teiste teadlaste katsed selliseid seadmeid kasutades korrata Ameerika füüsiku "edu" ei toonud positiivseid tulemusi. Paar aastat hiljem tunnistati Weberi töö selles valdkonnas vastuvõetamatuks, kuid see andis tõuke "gravitatsioonibuumi" arengule, mis meelitas sellesse uurimisvaldkonda palju spetsialiste. Muide, Joseph Weber ise oli oma päevade lõpuni kindel, et saab gravitatsioonilaineid.
Vastuvõtuseadmete täiustamine
70ndatel töötas teadlane Bill Fairbank (USA) välja vedela heeliumiga jahutatava gravitatsioonilaine antenni disaini, kasutades ülitundlikke magnetomeetreid SQUID. Tol ajal eksisteerinud tehnoloogiad ei võimaldanud leiutajal näha oma toodet, mis oli realiseeritud "metallis".
Gravitatsioonidetektor Auriga valmistati sel viisil riiklikus Legnardi laboris (Padova, Itaalia). Disain põhineb alumiinium-magneesiumi silindril, pikkusega 3 meetrit ja läbimõõduga 0,6 m Vastuvõtuseade kaalub 2,3 tonniriputatud isoleeritud vaakumkambrisse, mis on jahutatud peaaegu absoluutse nullini. Vibratsiooni fikseerimiseks ja tuvastamiseks kasutatakse abikilogrammi resonaatorit ja arvutipõhist mõõtekompleksi. Seadme deklareeritud tundlikkus 10-20.
Interferomeetrid
Gravitatsioonilainete interferentsidetektorite töö põhineb samadel põhimõtetel nagu Michelsoni interferomeeter. Allika poolt kiiratav laserkiir jaguneb kaheks vooks. Pärast korduvat peegeldust ja seadme õlgadel liikumist koondatakse vood uuesti kokku ja lõpliku interferentsi kujutise põhjal otsustatakse, kas kiirte kulgu mõjutasid häired (näiteks gravitatsioonilaine). Sarnased seadmed on loodud paljudes riikides:
- GEO 600 (Hanover, Saksamaa). Vaakumtunnelite pikkus on 600 meetrit.
- TAMA (Jaapan) 300 m õlad
- VIRGO (Pisa, Itaalia) on Prantsuse-Itaalia ühisprojekt, mis käivitati 2007. aastal 3 km pikkuste tunnelitega.
- LIGO (USA, Vaikse ookeani rannik), jahtinud gravitatsioonilaineid alates 2002. aastast.
Viimast tasub lähem alt kaaluda.
LIGO Advanced
Projekti algatasid Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi ja California Tehnoloogiainstituudi teadlased. Sisaldab kahte 3 tuhande km kaugusel eraldatud vaatluskeskust Louisiana ja Washingtoni osariikides (Livingstoni ja Hanfordi linnad) kolme identse interferomeetriga. Perpendikulaarse vaakumi pikkustunnelid on 4 tuhat meetrit. Need on suurimad praegu töötavad sellised struktuurid. Kuni 2011. aastani ei andnud arvukad katsed tuvastada gravitatsioonilaineid. Läbiviidud oluline moderniseerimine (Advanced LIGO) suurendas seadmete tundlikkust vahemikus 300-500 Hz enam kui viis korda ning madalsagedusalas (kuni 60 Hz) peaaegu suurusjärgu võrra, saavutades selline ihaldatud väärtus 10-21. Uuendatud projekt algas 2015. aasta septembris ja enam kui tuhande koostööpartneri pingutused said tasutud tulemustega.
Tuvastati gravitatsioonilained
14. septembril 2015 registreerisid täiustatud LIGO detektorid intervalliga 7 ms gravitatsioonilaineid, mis jõudsid meie planeedile vaadeldava universumi äärealadel aset leidnud suurimast nähtusest – kahe suure musta augu ühinemisest massidega. 29 ja 36 korda suurem kui Päikese mass. Enam kui 1,3 miljardit aastat tagasi toimunud protsessi käigus kulutati gravitatsioonilainete kiirgusele sekundi murdosa jooksul umbes kolm päikesemassi ainet. Gravitatsioonilainete algsagedus registreeriti 35 Hz ja maksimaalne tippväärtus jõudis 250 Hz.
Saadud tulemusi kontrolliti ja töödeldi korduv alt, saadud andmete alternatiivsed tõlgendused lõigati hoolik alt välja. Lõpuks, eelmise aasta 11. veebruaril, teatati maailma üldsusele Einsteini ennustatud nähtuse otsesest registreerimisest.
Teadlaste titaanlikku tööd illustreeriv fakt: interferomeetri õlavarre mõõtmete kõikumise amplituud oli 10-19m – see väärtus on sama palju väiksem kui läbimõõt aatom, kuna see on väiksem kui oranž.
Edasised väljavaated
Avastus kinnitab veel kord, et üldine relatiivsusteooria ei ole ainult abstraktsete valemite kogum, vaid põhimõtteliselt uus pilk gravitatsioonilainete olemusele ja gravitatsioonile üldiselt.
Edasistes uuringutes panevad teadlased suuri lootusi ELSA projektile: umbes 5 miljoni km pikkuste harudega hiiglasliku orbitaalse interferomeetri loomisele, mis suudab tuvastada isegi väiksemaid gravitatsiooniväljade häireid. Sellesuunalise töö intensiivistumine võib palju rääkida Universumi arengu põhietappidest, protsessidest, mida traditsioonilistes vööndites on raske või võimatu jälgida. Pole kahtlust, et mustad augud, mille gravitatsioonilained tulevikus fikseeritakse, räägivad nende olemusest palju.
Reliktse gravitatsioonikiirguse uurimiseks, mis võib rääkida meie maailma esimestest hetkedest pärast Suurt Pauku, on vaja tundlikumaid kosmoseinstrumente. Selline projekt on olemas (Big Bang Observer), kuid selle rakendamine on ekspertide sõnul võimalik mitte varem kui 30-40 aasta pärast.
