Открыты гравитационные волны. Что дальше?

futuraptor
13-02-2016
Открыты гравитационные волны. Что дальше?
146

Дэвид Ритц(David Reitze), исполнительный директор Лаборатории LIGO, поднялся на трибуну в Национальном Пресс-центре в Вашингтоне, округ Колумбия, и сказал слова, которые мы все так ждали". Мы ]]>обнаружили]]> гравитационные волны" И заполненный до отказа зрительный зал в Калифорнийском технологическом институте, Пасадена, где люди собрались, чтобы наблюдать в живую это событие, разразился бурными аплодисментами.

Подобные сцены повторились в MIT, в Ливингстоне, штат Луизиана, в Ханфорде, штат Вашингтон, и в Европе, потому что LIGO является результатом международного сотрудничества сотен ученых. К этому моменту шли 100 лет. Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в его общей теории относительности в 1915 году, и физики обнаружили косвенные доказательства в 1970-х и 1980-х годах. Но прямого свидетельства до сих пор не было. И теперь, история гравитационных волн и что они могут нам рассказать, только начинается.

Детектированный сигнал LIGO из лабораторий Хандворда и Ливингстона и предсказанныйВот как это происходило. 14 сентября 2015 г., 5:51 AM EST, детекторы LIGO в Ливингстоне и Ханфорде зафиксировали сигналы. Строение этих сигналов близко соответствовало предсказаниям моделирования (см. рисунок слева).

Это больше похоже на аудио "отпечатки пальцев" рисунка распада, который физики используют для идентификации субатомных частиц, рождающихся при столкновениях на Большом адронном коллайдере. И это именно то, что можно было бы ожидать увидить, если бы две черные дыры, около 30 солнечных масс каждая, двигались по спирали внутрь навстречу друг другу и затем слились в массивном столкновении, распространяя мощные взрывные волны, идущие через пространство-время, примерно 1,3 миллиарда лет назад.

На самом деле, выглядело все слишком гладко, поэтому Ритц опасался, что где-то была ошибка. Так же чувствовал себя и Алан Вайнштейн, возглавляющий LIGO в Калифорнийском технологическом институте. Сомнения имели под собой основания: в самом начале работы LIGO, руководители проекта намеренно добавили ложных сигналов в данные для проверки строгости анализа. Даже когда его коллеги заверили его, что этот новый сигнал не был так называемой "слепой инъекцией" для проверки, Вайнштейн не мог в это поверить. Он даже предполагал, что это была работа недовольного члена команды LIGO, который добавил ложный сигнал в данные из-за мести.

Или, возможно, это была работа злого гения. "Мы не можем исключать гипотезу о злом гении", невозмутимо заявил он в ходе пресс-конференции в Калтеке. "Мы делаем все возможное, чтобы исключить эту гипотезу. Но мне больше нравится думать, что это двойное столкновение черных дыр."

Лаборатория LIGO

Имея всего один сигнал, физики смогли вывести массы обеих черных дыр, изучая его частоту (одна была 29 солнечных масс, другая - 36 солнечных масс). После слияния, вновь образованная черная дыра не досчиталась около 3 солнечных масс, которые были излучены мощным всплеском гравитационных волн. Представьте, три наших Солнца вдруг уничтожаются, и вы получите представление о том, сколько энергии было выделено. Изучение амплитуды сказало им, что столкновение произошло около 1,3 миллиардов световых лет от Земли в южном полушарии небесной сферы.

Принципиальная схема работы лазерного интерферометра

Так что, это не только первое прямое обнаружение гравитационных волн, это также первое доказательство того, что двойные системы черных дыр действительно существуют. И все это было получено из данных во время инженерной проверки системы, сразу после запуска модернизированного Advanced LIGO. Система по-прежнему не работает на полную мощность. Когда это произойдет, физики ожидают увидеть еще много таких событий, давая им новое представление того, как работает Вселенная. Вайнштейн сказал, что еще 12 публикаций, связанных с работой LIGO будут размещены в ближайшее время.

"Во-первых, данное обнаружение очень важно с точки зрения фундаментальной физики — затрагивается сама суть гравитации, но оно также открывает окно в то, что было раньше для нас темной Вселенной", сказал Эвери Бродерик, физик из Университета Ватерлоо в Канаде. "В течение многих столетий астрономы смотрели на ночное небо и думали о светлой стороне Вселенной. Теперь мы собираемся, впервые, заглянуть на темную сторону."

Альтернативное отображение обнаружения сигнала LIGO

Революционный потенциал открытия можно описать следующим образом: каждый раз, когда астрономы смотрели на нашу Вселенную в разных длинах волн света – в рентгене, в инфракрасных, в радио, или гамма спектре - они находили что-то новое. Гравитационные волны не должны сильно в этом отличаться, только они более похожи на звук, чем на свет. Теперь, в дополнение к визуальному исследованию нашей Вселенной, мы можем слушать ее.

Ключевым отличием является то, что в то время, как для звука требуется среда распространения, гравитационные волны перемещают среду - в данном случае, само пространство-время. "Они буквально сжимают и растягивают ткань пространства-времени," сказал Кьяра Мингарелли, астрофизик из Калифорнийского технологического института. Для наших ушей, волны, обнаруженные LIGO будут звучать как чирикание ( "Ву-УУП").

Как это все было получено? LIGO, в настоящее время имеет два детектора, действующих как "уши" для ученых, добавить больше детекторов планируется в скором в будущем. И хотя, LIGO был первым в обнаружении прямого свидетельства существования гравитационных волн, это всего лишь часть целой картины - данный проект содержит множество групп ученных, которые охотятся за остальным спектром этих волн, Да, существует больше, чем один вид гравитационной волны. На самом деле, их целый спектр, так же, как существует множество различных видов света различной длины волны в электромагнитном спектре. Поэтому исследования ведутся сразу по четырем диапазонам.

Четыре диапазона исследования гравитационных волн 


Мингарелли работает с NanoGRAV (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves - Североамериканской обсерватории для обнаружения гравитационных волн), частью более крупного международного консорциума, который также включает в себя European Pulsar Timing Array и Parkes Pulsar Timing Array в Австралии. Как следует из названия, ученые NanoGRAV охотятся за низкочастотными гравитационными волнами в диапазоне от 1 до 10 наногерц; чувствительность LIGO находится в килогерцовой (слышимой) части спектра. Это очень длинные волны.

Исследователи, которые опираются на данные о пульсарах, объединились вокруг обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико и Green Bank Telescope в Западной Вирджинии. Пульсары, по сути - быстро вращающиеся нейтронные звезды, образовавшиеся, когда звезда более массивныя, чем Солнце взорвется и обрушится вовнутрь самой себя. Они начинают вращаться все быстрее и быстрее, так как они сжимаются - такой же эффект, когда тяжелый вес на конце троса будет качаться быстрее и быстрее, чем короче будет веревка становится.

Они также испускают мощные импульсы излучения, когда вращаются, подобно лучу маяка, которые потом будут обнаружены в виде импульсов света на Земле. И эти периодические обороты - удивительно точные, до недавнего времени - точные, как атомные часы. Это делает их идеальными космическими детекторами гравитационных волн. На самом деле, первым косвенным доказательством был результат изучения пульсаров в 1974 году, когда Джозеф Тейлор и Рассел Халс обнаружили, что пульсар, вращающийся по орбите вокруг нейтронной звезды медленно сокращается с течением времени – данный эффект можно было бы объяснить, если бы он преобразовывал часть своей массы в энергию в виде гравитационных волн.

Гравитационная волна, проходя через пространство, сжимает его в одном направлении и растягивает в другом

Анимация прохождения гравитационной волны через пространство В случае NanoGRAV, маркером присутствия гравитационных волн будет своего рода мерцающий эффект. Импульсы должны прибыть в одно и то же время, но если они пострадали от гравитационной волны, они прибудут чуть раньше или позже, потому что пространство сожмется или растянется от проходящей через него волны.

Системы слежения за пульсарами(ССП) особенно чувствительны к гравитационным волнам, произведенных путем слияния сверхмассивных черных дыр в миллиард или десять миллиардов раз больше массы нашего Солнца, которые как полагают, скрываются в центре самых массивных галактик. Должны две таких галактики столкнуться, тогда черные дыры в их центрах будут излучать гравитационные волны. "LIGO видит самый конец слияния, когда пара очень близко друг к другу," сказал Мингарелли. "С ССП мы сможем видеть их в начале фазы спирального входа, когда они только начинают выходить на орбиту друг друга."

Есть еще такая система, как LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Привязанная к земле LIGO отлично подходит для обнаружения гравитационных волн, эквивалентных звуковой части человеческого спектра – именно этот вид волн был открыт. Но много интересных источников этих волн находятся на низких частотах. Поэтому физики должны идти в космос, чтобы обнаружить их. Основная цель нынешней миссии LISA Pathfinder (запущен в декабре) является обоснование технологии детектора. "С LIGO, вы можете выключить прибор, открыть крышку, и исправить поломку," сказал Скотт Хьюз из MIT. "Если вы испортите что-то в космосе - вы мертвы. " Мэдди Стоун написал в Gizmodo еще в декабре:. Цель [Лизы] проста: с помощью лазерных интерферометров, космический аппарат будет пытаться точно измерить относительные положения двух 5-ти сантиметровых золото-платиновых кубов в свободном падении. Размещенный в отдельных коробках всего в 40 сантиметрах друг от друга, тестовые объекты будут защищены от солнечного ветра и всех других внешних сил. В итоге - крошечные движения, вызванные гравитационными волнами (надеюсь) будут обнаружены.

Наконец, есть еще два эксперимента, направленные на исследование «отпечатков», оставленные первичными гравитационными волнами в реликтовом излучении (послесвечение Большого взрыва): BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) и спутниковой миссии Планка( Planck satellite mission). BICEP2 уже заявлял, что обнаружил такие доказательства в 2014 году, только все надежды на нобелевку сдулись, когда эти сигналы оказались вызваны космической пылью.

Источники сигналов для гравитационных детекторов

Но обе исследовательские миссии продолжают свою охоту, в надежде пролить свет на раннюю историю нашей Вселенной и надеются подтвердить ключевые предсказания инфляционной теории. Эта теория предполагает, что вскоре после своего рождения, Вселенная претерпела быстрое расширение, что должно было привести к мощным гравитационным волнам, оставляя их отпечаток в фоновом реликтовом излучении в виде специально ориентированных световых волн (поляризованных).
Каждый из этих четырех гравитационных волновых диапазонов даст астрономам четыре новые окна во вселенную.

Но мы все знаем, что на самом деле ожидаем от этого открытия – "Пора заводить подпространственный двигатель"! Означает ли открытие LIGO, что можно будет подать заявку в команду Star Fleet на следующей неделе? "Я думаю, что ответ на этот вопрос - однозначно "нет "," сказал Бродерик. "Но чем лучше мы понимаем гравитацию, тем лучше мы можем представить себе, как мы можем осуществить подобную вещь. Мы выяснили, как работает Вселенная, таким образом, мы можем оптимизировать нашу способность подчинять ее своей воле в рамках заданных правил. "

Шанс на путешествие к далеким галактикам у нас снова появился. Осталось дело за малым — использовать его.

futuraptor.com - интернет-журнал, публикующий новости науки и технологий,  об их влиянии на различные сферы жизни человека.

Человек построил вокруг себя собственный мир - мир в котором даже его творцу теперь непросто ориентироваться. Проявления технологий различно - это и IT, и робототехника, био- и генная инженерия, огромное культурологическое влияние - в музыке, кино, книгах, телевидение. Поток информации просто ошеломляет - достаточно лишь подписаться на десяток околонаучных твиттеров и новостная лента будет обновляться быстрее, чем вы ее сможете прочесть. Столько всего нового и так мало времени. Наша скромная миссия - предоставить на нашем сайте возможность прочесть самое интересное, а иногда и полезное, что может появиться в сети. Вместо множества источников - выберите один, наш сайт(у нас есть твиттер @futuraptorr, а также страницы в социальных сетях) и обеспечьте себя интересным чтением в минуты досуга. 

Современные достижения науки и техники, новые технологии, электроника, компьютеры, роботы, гаджеты, мобильные устройства, интересные разработки известных корпораций, средства коммуникаций, футуристические концепты, космические исследования, интересное и полезное в сети, изобретения - все это и многое другое в новостях и обзорах на этом сайте. А также о вещах смежных(скорее субъективно, нежели объективно). 

Мы всегда готовы поведать о чем-то новом, о том что на самом краю. И если у вас есть идея для нас, просто оставьте комментарий к статье. Мы всегда читаем комментарии. Или напишите нам на story@futuraptor.com

Остались вопросы? Отправьте форму на странице обратной связи

Новые статьи

Квадрокоптер Walkera Voyager 4 позволяет делать снимки с километра

Данная модель является одной из первых в потребительском сегменте, которая может быть укомплектована камерой с оптическим 16X зумом.

Walkera F210 3D – гоночный квадрокоптер для состязаний и не только

Сравнительно недорогой FPV-беспилотник с хорошей управляемостью и прочной конструкцией.