Den officielle dag for opdagelse (detektion) af gravitationsbølger er den 11. februar 2016. Det var dengang, på en pressekonference i Washington, at lederne af LIGO-samarbejdet annoncerede, at det var lykkedes et hold forskere at registrere dette fænomen for første gang i menneskehedens historie.
Profetier om den store Einstein
Selv i begyndelsen af forrige århundrede (1916) foreslog Albert Einstein, at gravitationsbølger eksisterer inden for rammerne af den generelle relativitetsteori (GR), som han formulerede. Man kan kun undre sig over den berømte fysikers strålende evner, som med et minimum af reelle data var i stand til at drage så vidtrækkende konklusioner. Blandt de mange andre forudsagte fysiske fænomener, der blev bekræftet i det næste århundrede (sænkning af tidens flow, ændring af retningen af elektromagnetisk stråling i gravitationsfelter osv.), var det ikke muligt praktisk at detektere tilstedeværelsen af denne type bølger interaktion mellem kroppe indtil for nylig.
Tyngekraft er en illusion?
Generelt i lysetRelativitetsteorien kan næppe kalde tyngdekraften for en kraft. Dette er en konsekvens af forstyrrelse eller krumning af rum-tid kontinuum. Et godt eksempel, der illustrerer dette postulat, er et strakt stykke stof. Under vægten af en massiv genstand placeret på en sådan overflade dannes en fordybning. Andre objekter, der bevæger sig i nærheden af denne anomali, vil ændre deres bevægelsesbane, som om de "tiltrukket". Og jo større vægten af objektet er (jo større diameter og dybde af krumningen), jo højere er "tiltrækningskraften". Når den bevæger sig gennem stoffet, kan du se udseendet af en divergerende "krusning".
Noget lignende sker i verdensrummet. Ethvert hurtigt bevægende massivt stof er en kilde til fluktuationer i tætheden af rum og tid. En gravitationsbølge med en betydelig amplitude, dannet af legemer med ekstremt store masser, eller når de bevæger sig med enorme accelerationer.
Fysiske karakteristika
Udsvingene i rum-tid-metrikken manifesterer sig som ændringer i gravitationsfeltet. Dette fænomen kaldes ellers rum-tid krusninger. Tyngdebølgen virker på de stødte kroppe og genstande og komprimerer og strækker dem. Deformationsværdierne er meget små - omkring 10-21 fra den originale størrelse. Hele vanskeligheden ved at opdage dette fænomen var, at forskerne skulle lære at måle og registrere sådanne ændringer ved hjælp af passende udstyr. Kraften af gravitationsstråling er også ekstrem lille - for hele solsystemet er detet par kilowatt.
Hastigheden for udbredelse af gravitationsbølger afhænger lidt af det ledende mediums egenskaber. Oscillationsamplituden falder gradvist med afstanden fra kilden, men når aldrig nul. Frekvensen ligger i området fra flere tiere til hundredvis af hertz. Hastigheden af gravitationsbølger i det interstellare medium nærmer sig lysets hastighed.
Industrielle beviser
For første gang blev den teoretiske bekræftelse af eksistensen af tyngdekraftsbølger opnået af den amerikanske astronom Joseph Taylor og hans assistent Russell Hulse i 1974. Ved at studere universets vidder ved hjælp af radioteleskopet fra Arecibo Observatory (Puerto Rico), opdagede forskerne pulsaren PSR B1913 + 16, som er et binært system af neutronstjerner, der roterer omkring et fælles massecenter med en konstant vinkelhastighed (et ret sjældent tilfælde). Hvert år reduceres omdrejningsperioden, som oprindeligt var 3,75 timer, med 70 ms. Denne værdi er helt i overensstemmelse med konklusionerne fra GR-ligningerne, der forudsiger en stigning i rotationshastigheden af sådanne systemer på grund af energiforbruget til generering af gravitationsbølger. Efterfølgende blev flere dobbeltpulsarer og hvide dværge med lignende adfærd opdaget. Radioastronomerne D. Taylor og R. Hulse blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1993 for at opdage nye muligheder for at studere gravitationsfelter.
Undsluppet tyngdekraftsbølge
Første udtalelse ompåvisning af tyngdekraftsbølger kom fra University of Maryland-forskeren Joseph Weber (USA) i 1969. Til disse formål brugte han to gravitationsantenner af sit eget design, adskilt af en afstand på to kilometer. Resonansdetektoren var en velvibreret to-meter aluminiumscylinder i ét stykke udstyret med følsomme piezoelektriske sensorer. Amplituden af de udsving, der angiveligt blev registreret af Weber, viste sig at være mere end en million gange højere end den forventede værdi. Forsøg fra andre videnskabsmænd, der brugte sådant udstyr til at gentage den amerikanske fysikers "succes" gav ikke positive resultater. Et par år senere blev Webers arbejde på dette område anerkendt som uholdbart, men gav skub i udviklingen af et "gravitationsboom", der tiltrak mange specialister til dette forskningsområde. Joseph Weber var i øvrigt selv sikker på, indtil sine dages ende, at han modtog gravitationsbølger.
Forbedring af modtageudstyr
I 70'erne udviklede videnskabsmanden Bill Fairbank (USA) designet af en gravitationsbølgeantenne, der blev afkølet af flydende helium ved hjælp af SQUID'er - superfølsomme magnetometre. De teknologier, der eksisterede på det tidspunkt, tillod ikke opfinderen at se sit produkt, realiseret i "metal".
Gravitationsdetektoren Auriga blev fremstillet på denne måde ved National Legnard Laboratory (Padua, Italien). Designet er baseret på en aluminium-magnesiumcylinder, 3 meter lang og 0,6 m i diameter. En modtageanordning på 2,3 tonssuspenderet i et isoleret vakuumkammer afkølet næsten til det absolutte nulpunkt. En ekstra kilogram resonator og et computerbaseret målekompleks bruges til at fiksere og detektere vibrationer. Angivet udstyrsfølsomhed 10-20.
Interferometre
Betjening af interferensdetektorer for gravitationsbølger er baseret på de samme principper som Michelson-interferometeret. Laserstrålen, der udsendes af kilden, er opdelt i to strømme. Efter flere refleksioner og rejser langs enhedens skuldre bringes strømmene igen sammen, og det endelige interferensbillede bruges til at bedømme, om nogen forstyrrelser (for eksempel en gravitationsbølge) har påvirket strålernes forløb. Lignende udstyr er blevet skabt i mange lande:
- GEO 600 (Hanover, Tyskland). Længden af vakuumtunnelerne er 600 meter.
- TAMA (Japan) 300 m skuldre
- VIRGO (Pisa, Italien) er et fælles fransk-italiensk projekt, der blev lanceret i 2007 med 3 km lange tunneler.
- LIGO (USA, Stillehavskysten), på jagt efter tyngdekraftsbølger siden 2002.
Den sidste er værd at overveje mere detaljeret.
LIGO Advanced
Projektet blev initieret af forskere fra Massachusetts Institute of Technology og California Institute of Technology. Indeholder to observatorier adskilt af 3 tusinde km i staterne Louisiana og Washington (byerne Livingston og Hanford) med tre identiske interferometre. Længde af vinkelret vakuumtunneler er 4 tusinde meter. Disse er de største sådanne strukturer, der i øjeblikket er i drift. Indtil 2011 gav adskillige forsøg på at opdage tyngdekraftsbølger ingen resultater. Den betydelige modernisering, der blev gennemført (Advanced LIGO) øgede udstyrets følsomhed i området 300-500 Hz med mere end fem gange, og i lavfrekvente regionen (op til 60 Hz) med næsten en størrelsesorden og nåede sådan en eftertragtet værdi på 10-21. Det opdaterede projekt startede i september 2015, og indsatsen fra mere end tusinde samarbejdspartnere blev belønnet med resultater.
Gravity-bølger registreret
Den 14. september 2015 registrerede avancerede LIGO-detektorer med et interval på 7 ms gravitationsbølger, der nåede vores planet fra det største fænomen, der fandt sted i udkanten af det observerbare univers - sammensmeltningen af to store sorte huller med masser 29 og 36 gange Solens masse. Under processen, som fandt sted for mere end 1,3 milliarder år siden, blev omkring tre solmasser af stof brugt på stråling fra tyngdekraftsbølger i løbet af brøkdele af et sekund. Den indledende frekvens af gravitationsbølger blev registreret som 35 Hz, og den maksimale spidsværdi nåede 250 Hz.
De opnåede resultater blev gentagne gange udsat for omfattende verifikation og behandling, alternative fortolkninger af de opnåede data blev omhyggeligt afskåret. Endelig, den 11. februar sidste år, blev den direkte registrering af fænomenet forudsagt af Einstein annonceret til verdenssamfundet.
Fakta, der illustrerer forskernes titaniske arbejde: amplituden af fluktuationer i dimensionerne af interferometerarmene var 10-19m - denne værdi er lige så meget mindre end diameteren af et atom, da det er mindre end en appelsin.
Yderligere udsigter
Opdagelsen bekræfter endnu en gang, at den generelle relativitetsteori ikke blot er et sæt abstrakte formler, men et fundament alt nyt blik på essensen af gravitationsbølger og tyngdekraften generelt.
I yderligere forskning har forskerne store forhåbninger til ELSA-projektet: skabelsen af et gigantisk orbit alt interferometer med arme på omkring 5 millioner km, der er i stand til at detektere selv mindre forstyrrelser af gravitationsfelter. Intensiveringen af arbejdet i denne retning kan fortælle meget om hovedstadierne i universets udvikling, om processer, der er svære eller umulige at observere i traditionelle bands. Der er ingen tvivl om, at sorte huller, hvis gravitationsbølger vil blive fikseret i fremtiden, vil fortælle meget om deres natur.
For at studere relikvien gravitationsstråling, som kan fortælle om de første øjeblikke af vores verden efter Big Bang, vil der være behov for mere følsomme ruminstrumenter. Et sådant projekt eksisterer (Big Bang Observer), men dets implementering er ifølge eksperter ikke mulig tidligere end om 30-40 år.
