Фізики з міжнародного наукового проекту Advanced LIGO (лазерний інтерферометр Гравітаційно-хвильова обсерваторія) офіційно підтвердили експериментальне виявлення гравітаційних хвиль. Воно було отримано через 100 років після їх теоретичного передбачення, зробленого Альбертом Ейнштейном в рамках загальної теорії відносності. Завдяки цьому відкриттю астрономи отримали новий метод вивчення рідкісних космічних феноменів.
Згідно ОТО, пара масивних об'єктів при русі навколо загального центру мас поступово втрачає енергію, випускаючи гравітаційні хвилі. Об'єкти подвійної системи повільно зближуються мільйони і навіть мільярди років. У міру скорочення відстані між ними цей процес прискорюється. На заключному етапі своєї еволюції подвійна система в лічені хвилини ущільнюється з утворенням надмасивного тіла. При цьому випускає колосальну кількість енергії-маси, завдяки чому виникають особливо потужні гравітаційні хвилі, які, ймовірно, можна зареєструвати на Землі.
Гравітаційні хвилі при злитті подвійних зірок (чорних дір)
Найбільш потужними джерелами гравітаційних хвиль вважаються подвійні системи, що складаються з нейтронних зірок, пульсарів або чорних дір в будь-якому поєднанні. Протягом ста років ці припущення були лише гарною теорією, для підтвердження якої потрібно детектувати хоча б одну хвилю, яка викривляє саму тканину простору.
Існування гравітаційних хвиль побічно підтверджувалося в 1970-х і 1980-х американським фізиком Джозефом хотон Тейлором молодшим. Разом з Расселом Хулса він виявив в 1974 році подвійну систему, що складається з пульсара на орбіті навколо нейтронної зірки. Вони вирахували, що орбіта пульсара дуже повільно зменшується, після чого припустили, що це відбувається через втрату енергії в формі гравітаційних хвиль. За відкриття подвійної системи з Пульсаром і опис її еволюції вони отримали Нобелівську премію з фізики в 1993 році. Однак науковому співтовариству як і раніше були потрібні більш вагомі докази.
Якщо ви читали про фільм «Інтерстеллар», то напевно знаєте, що його сценарій частково ґрунтується на розрахунках Кіпа Торна - астрофізика, фахівця в області теорії гравітації і експерта по ОТО. Він був нагороджений медаллю Альберта Ейнштейна в 2009 році, коли закінчив свою роботу в Калтесі.
Саме ця людина надав ключовий вплив на проект будівництва лазерно-інтерферометричний гравітаційно-хвильових обсерваторій (LIGO), який був запропонований в 1968 році Рейнер Вайсом, викладачем фізики в MIT. Завдяки підтримці Кіпа Торна і Рональда Древера (колеги Торна по Калтеху) проект почав розвиватися в вісімдесятих роках і незабаром знайшов своїх інвесторів.
Усередині LIGO на етапі конструкції (фото: MIT).
«У 1992 році було затверджено початкове фінансування LIGO. Проект зажадав найбільших інвестицій, які ми коли-небудь робили, - каже астрофізик і директор NSF Франс Анна-Домінік Кордова. - Це був великий ризик, але Національний науковий фонд розуміє необхідність таких ризиків. Ми підтримуємо фундаментальну науку і фінансуємо новаторів».
Через десять років були побудовані дві обсерваторії і почалися перші спостереження. Довгий час гравітаційні хвилі не вдавалося виявити через їх ледве помітний вплив. За розрахунками хвиля середньої потужності може викривити ділянку простору кілометрових масштабів менше ніж на тисячну частку діаметра протона. Дослідники чекали астрономічної події, яке породить особливо потужні гравітаційні хвилі. Паралельно вони вдосконалювали обладнання, підвищуючи чутливість датчиків і систему їх стабілізації. Після чергового апгрейда в минулому році детектори LIGO стали здатні фіксувати зміну відносної різниці довжини плечей інтерферометра в межах 10-21 м.
Детектори LIGO віддалені один від одного на 3002 кілометри. Вони розташовані в Лівінгстоні (штат Луїзіана) і Хенфорді (штат Вашингтон). Кожен з них містить интерферометр Майкельсона всередині системи труб з глибоким вакуумом. У Лівінгстоні встановлений основний детектор. ЙОГО труби L-подібної форми діаметром 1,2 метра утворюють плечі інтерферометра довжиною 4000 м. У Хенфорді знаходиться допоміжний детектор вдвічі меншої довжини. Кожне з плечей обох інтерферометрів містить додаткові дзеркала, завдяки яким формується резонансна стояча оптична хвиля.
Схема двохпроменевого інтерферометра (зображення: MIT).
У проекті LIGO використовується безперервна оцінка інтерференційної картини. Промінь лазера спочатку розщеплюється надвоє напівпрозорим дзеркалом. Потім обидва променя відображаються кожен від свого додаткового дзеркала і потрапляють назад на дзеркало-дільник під однаковими кутами, але з різних сторін. Два променя знову збираються в один і направляються в фотодетектор, розташований перпендикулярно джерелу.
Коли обсерваторія знаходиться в початковому стані, лазерні промені після возз'єднання гасять один одного. Якщо будь-яке з дзеркал зміститься хоч на частки світлової хвилі, деструктивна інтерференція зникне, а фотодетектор зафіксує лазерний імпульс. Завдяки такій схемі досягається оптична реєстрація надмалих зрушень, які здатна викликати потужна гравітаційна хвиля.
Найменший зрушення будь-якого дзеркала припиняє деструктивну інтерференцію, і фотодетектор реєструє світло (зображення: MIT).
14 вересня 2015 о 13:51 За московським часом гравітаційні хвилі були виявлені на обох детекторах LIGO. Сто п'ятдесят днів знадобилося на аналіз зібраних даних і перевірку результатів спільно з фахівцями з аналогічного європейського проекту Діва. У масштабному дослідженні взяли участь більше тисячі вчених з 90 університетів 15 країн.
Крім ледь вловимих гравітаційних хвиль зміщення дзеркал в детекторі викликають і більш прозаїчні ефекти, наприклад - сейсмічна активність. Однак характер реєстрованого сигналу в цьому випадку буде іншим. Вельми трудомістким етапом експерименту була математична обробка результатів. Статистична достовірність відкриття на основному детекторі LIGO оцінюється як 5,1 σ.
Детектор в Лівінгстоні зафіксував гравітаційні хвилі на 7 мс раніше, ніж детектор в Хенфорді. На підставі цього був зроблений висновок, що їх джерело було розташовано в Південній півсфері неба. Астрофізики прийшли до висновку, що їм стали дві чорні діри в момент злиття. Такий сценарій еволюції подвійної системи був передбачений теоретично, але ніколи не спостерігався. Факт злиття підтверджує підвищення частоти гравітаційних хвиль за час їх реєстрації.
На основі отриманих даних експерти LIGO дали оцінку параметрів чорних дір, що породили гравітаційні хвилі. Їх маса склала 29 і 36 сонячних, а видалення від Землі в момент злиття - 1,3 мільярда світлових років. При цій події близько трьох сонячних мас було перетворено в гравітаційні хвилі за лічені секунди. Їх потужність на піку емісії перевищила сукупний фон гравітаційних хвиль у видимій частині Всесвіту в 50 разів.
«Наше спостереження за гравітаційними хвилями виконує амбітну мету безпосередньо виявити це невловиме явище. Воно допомагає нам краще зрозуміти Всесвіт і інтелектуальну спадщину Ейнштейна на сотій річниці Загальної теорії відносності », - говорить виконавчий директор Лабораторії LIGO Девід Х. Рейц (Девід Х. Reitze).
Обсерваторія LIGO (фото: caltech.edu).«Успіх команди проекту LIGO підтверджує не тільки існування гравітаційних хвиль і нашу можливість реєструвати їх, а й дозволяє створити нові інструменти для вивчення невидимих в оптичному діапазоні масивних космічних об'єктів. Будівництво детекторів гравітаційних хвиль може надати такий же вплив на астрономію, як свого часу мала поява радіотелескопів.
Ми сподіваємося, що перша реєстрація гравітаційних хвиль прискорить конструкцію глобальної мережі детекторів, яка дозволить визначати точне місце розташування їх джерел і відкриє нову еру астрономії», - говорить Девід Макклелленд (David McClelland), директор Центру гравітаційної Фізики в австралійському Національному університеті.
Андрій Васильків
Гравітаційні хвилі при злитті подвійних зірок (чорних дір)
Найбільш потужними джерелами гравітаційних хвиль вважаються подвійні системи, що складаються з нейтронних зірок, пульсарів або чорних дір в будь-якому поєднанні. Протягом ста років ці припущення були лише гарною теорією, для підтвердження якої потрібно детектувати хоча б одну хвилю, яка викривляє саму тканину простору.
Існування гравітаційних хвиль побічно підтверджувалося в 1970-х і 1980-х американським фізиком Джозефом хотон Тейлором молодшим. Разом з Расселом Хулса він виявив в 1974 році подвійну систему, що складається з пульсара на орбіті навколо нейтронної зірки. Вони вирахували, що орбіта пульсара дуже повільно зменшується, після чого припустили, що це відбувається через втрату енергії в формі гравітаційних хвиль. За відкриття подвійної системи з Пульсаром і опис її еволюції вони отримали Нобелівську премію з фізики в 1993 році. Однак науковому співтовариству як і раніше були потрібні більш вагомі докази.
Якщо ви читали про фільм «Інтерстеллар», то напевно знаєте, що його сценарій частково ґрунтується на розрахунках Кіпа Торна - астрофізика, фахівця в області теорії гравітації і експерта по ОТО. Він був нагороджений медаллю Альберта Ейнштейна в 2009 році, коли закінчив свою роботу в Калтесі.
Саме ця людина надав ключовий вплив на проект будівництва лазерно-інтерферометричний гравітаційно-хвильових обсерваторій (LIGO), який був запропонований в 1968 році Рейнер Вайсом, викладачем фізики в MIT. Завдяки підтримці Кіпа Торна і Рональда Древера (колеги Торна по Калтеху) проект почав розвиватися в вісімдесятих роках і незабаром знайшов своїх інвесторів.
Усередині LIGO на етапі конструкції (фото: MIT).
«У 1992 році було затверджено початкове фінансування LIGO. Проект зажадав найбільших інвестицій, які ми коли-небудь робили, - каже астрофізик і директор NSF Франс Анна-Домінік Кордова. - Це був великий ризик, але Національний науковий фонд розуміє необхідність таких ризиків. Ми підтримуємо фундаментальну науку і фінансуємо новаторів».
Через десять років були побудовані дві обсерваторії і почалися перші спостереження. Довгий час гравітаційні хвилі не вдавалося виявити через їх ледве помітний вплив. За розрахунками хвиля середньої потужності може викривити ділянку простору кілометрових масштабів менше ніж на тисячну частку діаметра протона. Дослідники чекали астрономічної події, яке породить особливо потужні гравітаційні хвилі. Паралельно вони вдосконалювали обладнання, підвищуючи чутливість датчиків і систему їх стабілізації. Після чергового апгрейда в минулому році детектори LIGO стали здатні фіксувати зміну відносної різниці довжини плечей інтерферометра в межах 10-21 м.
Детектори LIGO віддалені один від одного на 3002 кілометри. Вони розташовані в Лівінгстоні (штат Луїзіана) і Хенфорді (штат Вашингтон). Кожен з них містить интерферометр Майкельсона всередині системи труб з глибоким вакуумом. У Лівінгстоні встановлений основний детектор. ЙОГО труби L-подібної форми діаметром 1,2 метра утворюють плечі інтерферометра довжиною 4000 м. У Хенфорді знаходиться допоміжний детектор вдвічі меншої довжини. Кожне з плечей обох інтерферометрів містить додаткові дзеркала, завдяки яким формується резонансна стояча оптична хвиля.
Схема двохпроменевого інтерферометра (зображення: MIT).
У проекті LIGO використовується безперервна оцінка інтерференційної картини. Промінь лазера спочатку розщеплюється надвоє напівпрозорим дзеркалом. Потім обидва променя відображаються кожен від свого додаткового дзеркала і потрапляють назад на дзеркало-дільник під однаковими кутами, але з різних сторін. Два променя знову збираються в один і направляються в фотодетектор, розташований перпендикулярно джерелу.
Коли обсерваторія знаходиться в початковому стані, лазерні промені після возз'єднання гасять один одного. Якщо будь-яке з дзеркал зміститься хоч на частки світлової хвилі, деструктивна інтерференція зникне, а фотодетектор зафіксує лазерний імпульс. Завдяки такій схемі досягається оптична реєстрація надмалих зрушень, які здатна викликати потужна гравітаційна хвиля.
Найменший зрушення будь-якого дзеркала припиняє деструктивну інтерференцію, і фотодетектор реєструє світло (зображення: MIT).
14 вересня 2015 о 13:51 За московським часом гравітаційні хвилі були виявлені на обох детекторах LIGO. Сто п'ятдесят днів знадобилося на аналіз зібраних даних і перевірку результатів спільно з фахівцями з аналогічного європейського проекту Діва. У масштабному дослідженні взяли участь більше тисячі вчених з 90 університетів 15 країн.
Крім ледь вловимих гравітаційних хвиль зміщення дзеркал в детекторі викликають і більш прозаїчні ефекти, наприклад - сейсмічна активність. Однак характер реєстрованого сигналу в цьому випадку буде іншим. Вельми трудомістким етапом експерименту була математична обробка результатів. Статистична достовірність відкриття на основному детекторі LIGO оцінюється як 5,1 σ.
Детектор в Лівінгстоні зафіксував гравітаційні хвилі на 7 мс раніше, ніж детектор в Хенфорді. На підставі цього був зроблений висновок, що їх джерело було розташовано в Південній півсфері неба. Астрофізики прийшли до висновку, що їм стали дві чорні діри в момент злиття. Такий сценарій еволюції подвійної системи був передбачений теоретично, але ніколи не спостерігався. Факт злиття підтверджує підвищення частоти гравітаційних хвиль за час їх реєстрації.
На основі отриманих даних експерти LIGO дали оцінку параметрів чорних дір, що породили гравітаційні хвилі. Їх маса склала 29 і 36 сонячних, а видалення від Землі в момент злиття - 1,3 мільярда світлових років. При цій події близько трьох сонячних мас було перетворено в гравітаційні хвилі за лічені секунди. Їх потужність на піку емісії перевищила сукупний фон гравітаційних хвиль у видимій частині Всесвіту в 50 разів.
«Наше спостереження за гравітаційними хвилями виконує амбітну мету безпосередньо виявити це невловиме явище. Воно допомагає нам краще зрозуміти Всесвіт і інтелектуальну спадщину Ейнштейна на сотій річниці Загальної теорії відносності », - говорить виконавчий директор Лабораторії LIGO Девід Х. Рейц (Девід Х. Reitze).
Обсерваторія LIGO (фото: caltech.edu).«Успіх команди проекту LIGO підтверджує не тільки існування гравітаційних хвиль і нашу можливість реєструвати їх, а й дозволяє створити нові інструменти для вивчення невидимих в оптичному діапазоні масивних космічних об'єктів. Будівництво детекторів гравітаційних хвиль може надати такий же вплив на астрономію, як свого часу мала поява радіотелескопів.
Ми сподіваємося, що перша реєстрація гравітаційних хвиль прискорить конструкцію глобальної мережі детекторів, яка дозволить визначати точне місце розташування їх джерел і відкриє нову еру астрономії», - говорить Девід Макклелленд (David McClelland), директор Центру гравітаційної Фізики в австралійському Національному університеті.
Андрій Васильків
Немає коментарів:
Дописати коментар