.
Дата 12.02.16

Вчені розкрили секрет гравітаційних хвиль





Через сто років після того, як Альберт Ейнштейн переписав наше розуміння простору і часу, фізики підтвердили одне з найбільш недоказових пророкувань великого фізика з загальної теорії відносності.

Приміром, в іншій галактиці, що знаходиться на відстані мільярдів світлових років, чи близько того, зіткнення двох чорних дір струшує тканину простору-часу, свідчення чого ми можемо спостерігати із Землі.

Тут, на нашій планеті, два гігантських детектора на протилежних сторонах США фіксують гравітаційні хвилі – наслідки зіткнення цих самих чорних дір. Після десятиліть спроб безпосередньо виявити хвилі, новий лазерний інтерферометр гравітаційно-хвильової обсерваторії, нині відомий як Advanced LIGO, відкрив вченим двері в нову еру астрономії.

gwaves_feat-new_500x192

Які вони насправді, гравітаційні хвилі?

Колосальні космічні зіткнення і вибухи зірок можуть коливати сам простір. Загальна теорія відносності пророкує, що брижі на тканині простору-часу здатні передати енергію таких катастроф. Хвилі практично невловимі – до того часу, коли вони досягають Землі, деякі з них стискають простір-час усього лише на одну десятитисячну ширини протона.

Як їх засікають?

Для виявлення сигналу, LIGO використовує спеціальне дзеркало для розбиття лазерного променя, потім посилає промені утворені на чотирикілометрову глибину, під кутом 90 градусів один до одного. Після відскакування, кожен промінь прямує на півторакілометрову глибину туди-назад, після чого промінь знову збирається поблизу джерела.

Експеримент розроблений таким чином, що в нормальних умовах світлові хвилі гасять одна одну, коли збираються заново. При цьому детектором блокуються не світлові сигнали.





Гравітаційні хвилі витягують одну трубку при здавлюванні іншої. Змінюючи відстань, два променя подорожують відносно один до одного. З-за різниці у відстані, рекомбінуючі хвилі більше не ідеально рівні і тому не компенсують одна одну. Детектор вловлює слабке світіння, аналізуючи хвилю, що проходить.

Один детектор LIGO перебуває в Луїзіані, інший у Вашингтоні. Це зроблено для визначення, що джерело не є локальним явищем.

Які інші джерела гравітаційних хвиль?

Вивчаючи комп’ютерне моделювання астрофізичних явищ, вчені можуть з’ясувати, який специфічний тип гравітаційних хвиль йде від конкретних джерел.

Обертові нейтронні зірки

Кожна нейтронна зірка, що обертається має ядро, залишене після вибуху її зовнішніх шарів. Така зірка здатна струсити простір на частотах, схожих на ті, що виходять при зіткненні чорних дір.

Наднові

Потужні вибухи, відомі як наднові, які відбуваються коли масивна зірка вмирає. Вони можуть струсити простір високочастотними гравітаційними хвилями.

Супермасивні чорні діри

Ці чорні діри в мільйони разів масивніше Сонця і більше, ніж ті, які LIGO знаходить по діапазону довгих хвиль. Хоча Advanced LIGO не може виявити хвилі на цій частоті, вчені могли б визначити їх за методикою аналізу пульсарів.

Великий вибух

Великий вибух утворив всесвіт і породив гравітаційні хвилі 13,8 мільярдів років тому. Ці хвилі залишили свій перший відбиток у космосі 380000 років після вибуху, і тепер вивчаються сьогодні у космічному мікрохвильовому фоні.

Як ще знаходять гравітаційні хвилі?

LIGO не єдиний мисливець в окрузі, коли справа доходить до вистежування гравітаційних хвиль. Нижче наведено поточні та майбутні проекти:

Наземні інтерферометри

Кілька інших детекторів, подібних LIGO, є в Європі. Детектор Virgo, що в Пізі, Італія, в даний час модернізується і об’єднає зусилля з LIGO в кінці цього року. Також є функціонуючий інтерферометр GEO600, недалеко від Ганновера, Німеччина. Він був в експлуатації поки Virgo і LIGO проходили модернізацію. Третій детектор LIGO знаходиться в Індії, і приєднається до полювання за хвилями в 2019 році.

Космічні інтерферометри

Як свідчить слоган фільму Чужий: «У космосі ніхто не почує ваш крик». Інша справа – гравітаційні хвилі. Дослідники з Європейського космічного агентства планують запустити в космос аналог LIGO – космічну антену з лазерним інтерферометром, що станеться десь у 2030-х роках. Напередодні стартувала місія LISA Pathfinder для перевірки технології, необхідної повноцінному космічному детектору гравітаційних хвиль.

Синхронізація пульсарів

Щоб зловити низькочастотний гул зустрічних надмасивних чорних дір, дослідники звертаються до пульсарів. Ці нейтронні зірки, що швидко обертаються (ядра, залишених після масивного вибуху) посилають стійкі імпульси радіохвиль. З тим, як гравітаційна хвиля стискає і розтягує простір між Землею і пульсарами, ритм прискорюється або сповільнюється. Три програми: Parkes Pulsar Timing Array в Австралії, NANOGrav в Північній Америці і European Pulsar Timing Array в Європі – аналізують десятки пульсарів, які можуть виявити не лише поодинокі зіткнення, але і зіткнення гігантських чорних дір.

Космічна мікрохвильова поляризація

Гравітаційні хвилі, що з’явилися в результаті Великого вибуху, залишили відбиток на космічному мікрохвильовому фоні, іменованим реліктовим випромінюванням. Це випромінювання, що заповнює всесвіт і є реліктом з часів, коли космос знайшов свій теперішній вигляд, близько 380 000 років після свого народження. Вчені з’ясували, як розтягується і стискається простір після феноменального розширення трильйонної трильйонної трильйонної секунди після Великого вибуху. Багато телескопів шукають цей маркер, фіксуючи паралельні світлові хвилі. Це нелегко, але з новим проектом BICEP2 Чумацький Шлях постає як на долоні.

В чому суть пошуків?

Успіх програма LIGO схоже успіху Галілео Галілея, вперше повернувшего телескоп до неба. До цього моменту ми знали небагато про зірки і планети. Ми не знали, що є і інші галактики, не мали ніякого поняття про неосяжності всесвіту. Гравітаційні хвилі являють собою новий спосіб бачення космосу. Вони є яскравим підтвердженням катастрофічних вибухів і зіткнень у всесвіті. Як і телескоп Галілея, гравітаційні хвилі представляють абсолютно нове бачення космосу, тому вимагають значних досліджень.