Официалният ден на откриване (откриване) на гравитационни вълни е 11 февруари 2016 г. Тогава, на пресконференция във Вашингтон, лидерите на сътрудничеството LIGO обявиха, че екип от изследователи е успял да запише това явление за първи път в историята на човечеството.
Пророчества на великия Айнщайн
Още в началото на миналия век (1916 г.) Алберт Айнщайн предполага, че гравитационните вълни съществуват в рамките на формулираната от него Обща теория на относителността (ОТО). Човек може само да се чуди на блестящите способности на известния физик, който с минимум реални данни успя да направи толкова далечни заключения. Сред многото други предсказани физически явления, които бяха потвърдени през следващия век (забавяне на хода на времето, промяна на посоката на електромагнитното излъчване в гравитационни полета и т.н.), не беше възможно на практика да се открие наличието на този тип вълни взаимодействие на телата доскоро.
Гравитацията е илюзия?
Общо взето на светлоТеорията на относителността трудно може да нарече гравитацията сила. Това е следствие от смущение или кривина на пространствено-времевия континуум. Добър пример, илюстриращ този постулат, е разтегнато парче плат. Под тежестта на масивен предмет, поставен върху такава повърхност, се образува вдлъбнатина. Други обекти, движещи се близо до тази аномалия, ще променят траекторията на своето движение, сякаш са „привлечени“. И колкото по-голямо е теглото на обекта (колкото по-голям е диаметърът и дълбочината на кривината), толкова по-висока е "силата на привличане". Когато се движи през тъканта, можете да наблюдавате появата на разнопосочни "пулсации".
Нещо подобно се случва в световното пространство. Всяка бързо движеща се масивна материя е източник на флуктуации в плътността на пространството и времето. Гравитационна вълна със значителна амплитуда, образувана от тела с изключително големи маси или при движение с огромни ускорения.
Физически характеристики
Флуктуациите на метриката пространство-време се проявяват като промени в гравитационното поле. Това явление се нарича иначе пространствено-времеви вълни. Гравитационната вълна действа върху срещаните тела и обекти, като ги притиска и разтяга. Стойностите на деформация са много малки - около 10-21 от оригиналния размер. Цялата трудност при откриването на този феномен беше, че изследователите трябваше да се научат как да измерват и записват такива промени с помощта на подходящо оборудване. Силата на гравитационното излъчване също е изключително малка – за цялата Слънчева система е такаваняколко киловата.
Скоростта на разпространение на гравитационните вълни леко зависи от свойствата на проводящата среда. Амплитудата на трептене постепенно намалява с разстоянието от източника, но никога не достига нула. Честотата е в диапазона от няколко десетки до стотици херца. Скоростта на гравитационните вълни в междузвездната среда се доближава до скоростта на светлината.
Косвени доказателства
За първи път теоретичното потвърждение за съществуването на гравитационни вълни е получено от американския астроном Джоузеф Тейлър и неговия асистент Ръсел Хълс през 1974 г. Изучавайки просторите на Вселената с помощта на радиотелескопа на обсерваторията Аресибо (Пуерто Рико), изследователите откриха пулсара PSR B1913 + 16, който е двоична система от неутронни звезди, въртящи се около общ център на масата с постоянна ъглова скорост (доста рядък случай). Всяка година периодът на въртене, който първоначално е бил 3,75 часа, се намалява със 70 ms. Тази стойност е напълно съвместима с изводите от уравненията на GR, предвиждащи увеличаване на скоростта на въртене на такива системи поради разхода на енергия за генериране на гравитационни вълни. Впоследствие бяха открити няколко двойни пулсара и бели джуджета с подобно поведение. Радиоастрономите Д. Тейлър и Р. Хълс са удостоени с Нобелова награда по физика през 1993 г. за откриване на нови възможности за изучаване на гравитационни полета.
Избягала гравитационна вълна
Първо изявление заоткриването на гравитационни вълни идва от учения от Университета на Мериленд Джоузеф Вебер (САЩ) през 1969 г. За тези цели той използва две гравитационни антени по свой собствен дизайн, разделени на разстояние от два километра. Резонансният детектор представляваше добре вибриран двуметров алуминиев цилиндър от една част, оборудван с чувствителни пиезоелектрични сензори. Амплитудата на колебанията, за които се твърди, че е регистриран от Вебер, се оказва повече от милион пъти по-висока от очакваната стойност. Опитите на други учени, използващи такова оборудване, да повторят "успеха" на американския физик, не донесоха положителни резултати. Няколко години по-късно работата на Вебер в тази област беше призната за несъстоятелна, но даде тласък за развитието на "гравитационен бум", който привлече много специалисти в тази област на изследване. Между другото, самият Джоузеф Вебер беше сигурен до края на дните си, че получава гравитационни вълни.
Подобряване на оборудването за приемане
През 70-те години ученият Бил Феърбанк (САЩ) разработи дизайна на антена за гравитационна вълна, охлаждана от течен хелий, използвайки SQUID - свръхчувствителни магнитометри. Технологиите, които съществуваха по това време, не позволяваха на изобретателя да види своя продукт, реализиран в "метал".
Гравитационният детектор Auriga е направен по този начин в Националната лаборатория Legnard (Падуа, Италия). Конструкцията е базирана на алуминиево-магнезиев цилиндър с дължина 3 метра и диаметър 0,6 м. Приемно устройство с тегло 2,3 тонасуспендиран в изолирана вакуумна камера, охладена почти до абсолютна нула. За фиксиране и откриване на вибрации се използват допълнителен килограмов резонатор и компютърно базиран измервателен комплекс. Декларирана чувствителност на оборудването 10-20.
Интерферометри
Работата на интерференционните детектори на гравитационни вълни се основава на същите принципи като интерферометъра на Майкелсън. Лазерният лъч, излъчван от източника, се разделя на два потока. След множество отражения и пътувания по протежение на раменете на устройството, потоците отново се събират заедно и окончателното интерференционно изображение се използва, за да се прецени дали някакви смущения (например гравитационна вълна) са повлияли на хода на лъчите. Подобно оборудване е създадено в много страни:
- GEO 600 (Хановер, Германия). Дължината на вакуумните тунели е 600 метра.
- TAMA (Япония) 300 м рамена
- VIRGO (Пиза, Италия) е съвместен френско-италиански проект, стартиран през 2007 г. с 3-километрови тунели.
- LIGO (САЩ, тихоокеанското крайбрежие), лов за гравитационни вълни от 2002 г.
Последното си струва да се разгледа по-подробно.
LIGO Advanced
Проектът е иницииран от учени от Масачузетския технологичен институт и Калифорнийския технологичен институт. Включва две обсерватории, разделени на 3 хиляди км, в щатите Луизиана и Вашингтон (градовете Ливингстън и Ханфорд) с три еднакви интерферометра. Дължина на перпендикулярния вакуумтунели е 4 хиляди метра. Това са най-големите подобни структури в експлоатация в момента. До 2011 г. многобройните опити за откриване на гравитационни вълни не доведоха до никакви резултати. Извършената значителна модернизация (Advanced LIGO) увеличи чувствителността на оборудването в диапазона 300-500 Hz с повече от пет пъти, а в нискочестотната област (до 60 Hz) почти с порядък, достигайки такава желана стойност от 10-21. Актуализираният проект стартира през септември 2015 г. и усилията на повече от хиляда сътрудници бяха възнаградени с резултати.
Открити са гравитационни вълни
На 14 септември 2015 г. усъвършенствани детектори LIGO с интервал от 7 ms записаха гравитационни вълни, достигнали нашата планета от най-голямото явление, случило се в покрайнините на видимата Вселена - сливането на две големи черни дупки с маси 29 и 36 пъти масата на Слънцето. По време на процеса, който се проведе преди повече от 1,3 милиарда години, около три слънчеви маси материя бяха изразходвани за излъчване на гравитационни вълни за части от секундата. Началната честота на гравитационните вълни е записана като 35 Hz, а максималната пикова стойност достига 250 Hz.
Получените резултати бяха многократно подлагани на цялостна проверка и обработка, алтернативните интерпретации на получените данни бяха внимателно отрязани. И накрая, на 11 февруари миналата година, директната регистрация на явлението, предсказано от Айнщайн, беше обявено на световната общност.
Факт, илюстриращ титаничната работа на изследователите: амплитудата на флуктуациите в размерите на рамената на интерферометъра е 10-19m - тази стойност е толкова по-малка от диаметъра на атом, тъй като е по-малък от портокал.
Допълнителни перспективи
Откритието още веднъж потвърждава, че Общата теория на относителността не е просто набор от абстрактни формули, а фундаментално нов поглед върху същността на гравитационните вълни и гравитацията като цяло.
В по-нататъшни изследвания учените възлагат големи надежди за проекта ELSA: създаването на гигантски орбитален интерферометър с рамена от около 5 милиона км, способен да открива дори незначителни смущения на гравитационните полета. Интензифицирането на работата в тази посока може да разкаже много за основните етапи в развитието на Вселената, за процеси, които е трудно или невъзможно да се наблюдават в традиционните ленти. Няма съмнение, че черните дупки, чиито гравитационни вълни ще бъдат фиксирани в бъдеще, ще разкажат много за тяхната природа.
За изследване на реликтната гравитационна радиация, която може да разкаже за първите моменти от нашия свят след Големия взрив, ще са необходими по-чувствителни космически инструменти. Такъв проект съществува (Big Bang Observer), но изпълнението му, според експерти, е възможно не по-рано от 30-40 години.
