Virallinen gravitaatioa altojen löytämis- (havaitsemis)päivä on 11. helmikuuta 2016. Juuri silloin Washingtonissa pidetyssä lehdistötilaisuudessa LIGO-yhteistyön johtajat ilmoittivat, että tutkijaryhmä oli onnistunut tallentamaan tämän ilmiön ensimmäistä kertaa ihmiskunnan historiassa.
Suuren Einsteinin profetiat
Jopa viime vuosisadan alussa (1916), Albert Einstein ehdotti, että gravitaatioa altoja on olemassa hänen laatimansa yleisen suhteellisuusteorian (GR) puitteissa. Voidaan vain ihmetellä kuuluisan fyysikon loistavia kykyjä, sillä hän pystyi tekemään niin kauaskantoisia johtopäätöksiä vähimmäismäärällä todellisia tietoja. Monien muiden ennustettujen fysikaalisten ilmiöiden joukossa, jotka vahvistettiin seuraavalla vuosisadalla (ajan kulumisen hidastuminen, sähkömagneettisen säteilyn suunnan muuttaminen gravitaatiokentissä jne.), tämän tyyppisen aallon läsnäoloa ei ollut käytännössä mahdollista havaita. ruumiiden vuorovaikutus viime aikoihin asti.
Painovoima on illuusio?
Yleensä valossaSuhteellisuusteoria tuskin voi kutsua painovoimaa voimaksi. Tämä on seurausta aika-avaruuden jatkumon häiriöstä tai kaarevuudesta. Hyvä esimerkki tästä postulaattista on venytetty kangaspala. Tällaiselle pinnalle asetetun massiivisen esineen painon alle muodostuu syvennys. Muut tämän poikkeavuuden lähellä liikkuvat esineet muuttavat liikkeensä lentorataa, ikään kuin "venyttyvät". Ja mitä suurempi esineen paino (mitä suurempi kaarevuuden halkaisija ja syvyys), sitä suurempi "vetovoima". Kun se liikkuu kankaan läpi, voit havaita poikkeavan "a altoilun".
Jotain samanlaista tapahtuu maailmanavaruudessa. Mikä tahansa nopeasti liikkuva massiivinen aine on lähde tilan ja ajan tiheyden vaihteluille. Gravitaatioa alto, jolla on merkittävä amplitudi ja jonka muodostavat kappaleet, joilla on erittäin suuri massa tai kun ne liikkuvat v altavilla kiihtyvyyksillä.
Fyysiset ominaisuudet
Avaruus-aikametriikan vaihtelut ilmenevät muutoksina gravitaatiokentässä. Tätä ilmiötä kutsutaan muuten aika-avaruuden väreilyksi. Gravitaatioa alto vaikuttaa kohtaamiin kappaleisiin ja esineisiin puristaen ja venyttäen niitä. Muodonmuutosarvot ovat hyvin pieniä - noin 10-21 alkuperäisestä koosta. Koko ilmiön havaitsemisen vaikeus oli se, että tutkijoiden oli opittava mittaamaan ja tallentamaan tällaisia muutoksia asianmukaisten laitteiden avulla. Gravitaatiosäteilyn teho on myös erittäin pieni - koko aurinkokunnassa se onmuutama kilowatti.
Gravitaatioa altojen etenemisnopeus riippuu hieman johtavan väliaineen ominaisuuksista. Värähtelyn amplitudi pienenee vähitellen etäisyyden mukaan lähteestä, mutta ei koskaan saavuta nollaa. Taajuus vaihtelee useista kymmenistä satoihin hertseihin. Gravitaatioa altojen nopeus tähtienvälisessä väliaineessa lähestyy valon nopeutta.
Epätodisteet
Yhdysv altalainen tähtitieteilijä Joseph Taylor ja hänen avustajansa Russell Hulse saivat ensimmäistä kertaa teoreettisen vahvistuksen painovoimaa altojen olemassaololle vuonna 1974. Tutkiessaan maailmankaikkeuden avaruutta käyttämällä Arecibon observatorion (Puerto Rico) radioteleskooppia, tutkijat löysivät pulsarin PSR B1913 + 16, joka on neutronitähtien binäärijärjestelmä, joka pyörii yhteisen massakeskuksen ympäri vakiokulmanopeudella (melko harvinainen tapaus). Joka vuosi kierrosjaksoa, joka alun perin oli 3,75 tuntia, lyhennetään 70 ms:lla. Tämä arvo on täysin yhdenmukainen GR-yhtälöiden päätelmien kanssa, jotka ennustavat tällaisten järjestelmien pyörimisnopeuden lisääntymistä, koska painovoima-a altojen synnyttämiseen kuluu energia. Myöhemmin löydettiin useita kaksoispulsareja ja valkoisia kääpiöitä, joilla oli samanlainen käyttäytyminen. Radioastronomit D. Taylor ja R. Hulse saivat fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1993 uusien mahdollisuuksien löytämisestä gravitaatiokenttien tutkimiseen.
Paennut painovoimaa alto
Ensimmäinen lausunto aiheestaGravitaatioa altojen havaitseminen tuli Marylandin yliopiston tiedemieheltä Joseph Weberiltä (USA) vuonna 1969. Näihin tarkoituksiin hän käytti kahta omaa suunnittelemaansa gravitaatioantennia, joita erottaa kahden kilometrin etäisyys. Resonanssitunnistin oli hyvin värähtelevä yksiosainen kaksimetrinen alumiinisylinteri, joka oli varustettu herkillä pietsosähköisillä antureilla. Weberin väittämien vaihteluiden amplitudi osoittautui yli miljoona kertaa odotettua arvoa suuremmiksi. Muiden tutkijoiden yritykset käyttää tällaisia laitteita toistaa amerikkalaisen fyysikon "menestys" eivät tuottaneet myönteisiä tuloksia. Muutamaa vuotta myöhemmin Weberin työ tällä alalla tunnustettiin kestämättömäksi, mutta se antoi sysäyksen "gravitaatiobuumin" kehitykselle, joka houkutteli monia asiantuntijoita tälle tutkimusalueelle. Muuten, Joseph Weber itse oli päiviensä loppuun asti varma vastaanottavansa gravitaatioa altoja.
Vastaanottolaitteiden parantaminen
70-luvulla tiedemies Bill Fairbank (USA) kehitti nestemäisellä heliumilla jäähdytetyn gravitaatioa altoantennin suunnittelun käyttämällä SQUIDeja eli yliherkkiä magnetometrejä. Tuolloin olemassa olleet tekniikat eivät antaneet keksijälle mahdollisuuden nähdä tuotettaan "metallina".
Gravitaatioilmaisin Auriga valmistettiin tällä tavalla National Legnard Laboratoryssa (Padova, Italia). Suunnittelu perustuu alumiini-magnesium-sylinteriin, jonka pituus on 3 metriä ja halkaisija 0,6 m. Vastaanottolaite painaa 2,3 tonniaripustettu eristettyyn tyhjiökammioon, joka on jäähdytetty lähes absoluuttiseen nollaan. Värähtelyn kiinnittämiseen ja havaitsemiseen käytetään apukiloresonaattoria ja tietokonepohjaista mittauskompleksia. Ilmoitettu laitteen herkkyys 10-20.
Interferometrit
Gravitaatioa altojen häiriöilmaisimien toiminta perustuu samoihin periaatteisiin kuin Michelsonin interferometri. Lähteen lähettämä lasersäde on jaettu kahteen virtaan. Useiden heijastusten ja laitteen olkapäitä pitkin kulkemisen jälkeen virrat tuodaan jälleen yhteen, ja lopullisen interferenssikuvan perusteella arvioidaan, vaikuttiko säteiden kulkuun jokin häiriö (esimerkiksi gravitaatioa alto). Samanlaisia laitteita on luotu monissa maissa:
- GEO 600 (Hannover, Saksa). Tyhjiötunnelien pituus on 600 metriä.
- TAMA (Japani) 300 m olkapäät
- VIRGO (Pisa, Italia) on ranskalais-italialainen yhteishanke, joka käynnistettiin vuonna 2007 3 km tunneleilla.
- LIGO (USA, Tyynenmeren rannikko), metsästänyt painovoimaa altoja vuodesta 2002.
Viimeistä kannattaa harkita tarkemmin.
LIGO Advanced
Projektin aloittivat Massachusetts Institute of Technologyn ja California Institute of Technologyn tutkijat. Sisältää kaksi observatoriota, joita erottaa 3 tuhatta km, Louisianan ja Washingtonin osav altioissa (Livingstonin ja Hanfordin kaupungit) kolmella identtisellä interferometrillä. Pystysuoran tyhjiön pituustunneli on 4 tuhatta metriä. Nämä ovat suurimmat tällä hetkellä käytössä olevat rakenteet. Vuoteen 2011 asti lukuisat yritykset havaita painovoima-a altoja eivät tuottaneet tuloksia. Toteutettu merkittävä modernisointi (Advanced LIGO) lisäsi laitteiden herkkyyttä alueella 300-500 Hz yli viisinkertaiseksi ja matalataajuisella alueella (jopa 60 Hz) lähes suuruusluokkaa saavuttaen laitteiden herkkyyden. niin haluttu arvo 10-21. Päivitetty projekti käynnistyi syyskuussa 2015, ja yli tuhannen yhteistyökumppanin työ palkittiin tuloksilla.
Painovoimaaallot havaittu
14. syyskuuta 2015 edistyneet LIGO-ilmaisimet tallensivat 7 ms:n välein gravitaatioa altoja, jotka saavuttivat planeetallemme suurimmasta havaittavan maailmankaikkeuden laitamilla tapahtuneesta ilmiöstä - kahden suuren mustan aukon ja massojen yhdistämisestä 29 ja 36 kertaa Auringon massa. Yli 1,3 miljardia vuotta sitten tapahtuneen prosessin aikana painovoimaa altojen säteilyyn kului sekunnin murto-osissa noin kolme auringon massaa. Gravitaatioa altojen alkutaajuudeksi kirjattiin 35 Hz, ja huippuarvo saavutti 250 Hz.
Saaduille tuloksille tehtiin toistuvasti kattava tarkastus ja käsittely, saatujen tietojen vaihtoehtoiset tulkinnat leikattiin huolellisesti pois. Viime vuoden helmikuun 11. päivänä Einsteinin ennustaman ilmiön suora rekisteröinti ilmoitettiin maailman yhteisölle.
Tutkijoiden titaanista työtä kuvaava fakta: interferometrin varsien mittojen vaihteluiden amplitudi oli 10-19m - tämä arvo on yhtä paljon pienempi kuin atomi, koska se on pienempi kuin oranssi.
Lisänäkymät
Löytö vahvistaa jälleen kerran, että yleinen suhteellisuusteoria ei ole vain joukko abstrakteja kaavoja, vaan pohjimmiltaan uusi näkemys gravitaatioa altojen ja painovoiman olemuksesta yleensä.
Jatkotutkimuksessa tiedemiehet odottavat suuria ELSA-projektia: noin 5 miljoonan kilometrin käsivarrella olevan jättimäisen kiertoradan interferometrin luomista, joka pystyy havaitsemaan pienetkin gravitaatiokenttien häiriöt. Työn tehostuminen tähän suuntaan voi kertoa paljon maailmankaikkeuden kehityksen päävaiheista, prosesseista, joita on vaikea tai mahdoton havaita perinteisissä vyöhykkeissä. Ei ole epäilystäkään siitä, että mustat aukot, joiden gravitaatioaallot tullaan korjaamaan tulevaisuudessa, kertovat paljon niiden luonteesta.
Jos haluat tutkia gravitaatiosäteilyä, joka voi kertoa maailmamme ensimmäisistä hetkistä alkuräjähdyksen jälkeen, tarvitaan herkempiä avaruusinstrumentteja. Tällainen projekti on olemassa (Big Bang Observer), mutta sen toteuttaminen on asiantuntijoiden mukaan mahdollista aikaisintaan 30-40 vuoden kuluttua.
