Uradni dan odkritja (detekcije) gravitacijskih valov je 11. februar 2016. Takrat so na tiskovni konferenci v Washingtonu vodje kolaboracije LIGO sporočili, da je skupini raziskovalcev prvič v zgodovini človeštva uspelo zabeležiti ta pojav.
Prerokbe velikega Einsteina
Še na začetku prejšnjega stoletja (1916) je Albert Einstein predlagal, da gravitacijski valovi obstajajo v okviru splošne teorije relativnosti (GR), ki jo je oblikoval. Človek se lahko samo čudi sijajnim sposobnostim slavnega fizika, ki je z najmanj resničnimi podatki uspel narediti tako daljnosežne zaključke. Med številnimi drugimi napovedanimi fizikalnimi pojavi, ki so bili potrjeni v naslednjem stoletju (upočasnitev toka časa, spreminjanje smeri elektromagnetnega sevanja v gravitacijskih poljih ipd.), ni bilo mogoče praktično zaznati prisotnosti te vrste valovanja. interakcija teles do nedavnega.
Gravitacija je iluzija?
Na splošno v lučiTeorija relativnosti gravitacije težko imenuje sila. To je posledica motenj ali ukrivljenosti prostorsko-časovnega kontinuuma. Dober primer, ki ponazarja ta postulat, je raztegnjen kos blaga. Pod težo masivnega predmeta, postavljenega na takšno površino, nastane vdolbina. Drugi predmeti, ki se gibljejo v bližini te anomalije, bodo spremenili pot svojega gibanja, kot da bi jih "pritegnili". In večja kot je teža predmeta (večji kot je premer in globina ukrivljenosti), večja je "privlačna sila". Ko se premika skozi tkanino, lahko opazite videz divergentnega "valovanja".
Nekaj podobnega se dogaja v svetovnem prostoru. Vsaka hitro premikajoča se masivna snov je vir nihanj v gostoti prostora in časa. Gravitacijski val s pomembno amplitudo, ki ga tvorijo telesa z izjemno veliko maso ali pri premikanju z velikimi pospeški.
fizične značilnosti
Nihanja metrike prostor-čas se kažejo kot spremembe v gravitacijskem polju. Ta pojav se sicer imenuje prostorsko-časovno valovanje. Gravitacijski val deluje na naletela telesa in predmete ter jih stisne in raztegne. Vrednosti deformacije so zelo majhne - približno 10-21 od prvotne velikosti. Celotna težava pri odkrivanju tega pojava je bila v tem, da so se raziskovalci morali naučiti meriti in beležiti takšne spremembe s pomočjo ustrezne opreme. Izredno majhna je tudi moč gravitacijskega sevanja – za celoten sončni sistem jenekaj kilovatov.
Hitrost širjenja gravitacijskih valov je nekoliko odvisna od lastnosti prevodnega medija. Amplituda nihanja se postopoma zmanjšuje z oddaljenostjo od vira, vendar nikoli ne doseže nič. Frekvenca je v območju od nekaj deset do sto hercev. Hitrost gravitacijskih valov v medzvezdnem mediju se približuje hitrosti svetlobe.
posredni dokazi
Prvič sta teoretično potrditev obstoja gravitacijskih valov dobila ameriški astronom Joseph Taylor in njegov pomočnik Russell Hulse leta 1974. Med preučevanjem vesolja z radijskim teleskopom Observatorija Arecibo (Puerto Rico) so raziskovalci odkrili pulsar PSR B1913 + 16, ki je dvojni sistem nevtronskih zvezd, ki se vrtijo okoli skupnega središča mase s konstantno kotno hitrostjo (precej redek primer). Vsako leto se obdobje vrtenja, ki je bilo prvotno 3,75 ure, zmanjša za 70 ms. Ta vrednost je povsem skladna s sklepi iz enačb GR, ki napovedujejo povečanje hitrosti vrtenja takšnih sistemov zaradi porabe energije za generiranje gravitacijskih valov. Kasneje je bilo odkritih več dvojnih pulsarjev in belih pritlikavk s podobnim obnašanjem. Radijska astronoma D. Taylor in R. Hulse sta bila leta 1993 nagrajena z Nobelovo nagrado za fiziko za odkrivanje novih možnosti za preučevanje gravitacijskih polj.
Ubežni gravitacijski val
Prva izjava oodkrivanje gravitacijskih valov je leta 1969 prišel od znanstvenika Univerze v Marylandu Josepha Webera (ZDA). Za te namene je uporabil dve gravitacijski anteni lastne zasnove, ločeni z razdaljo dveh kilometrov. Resonančni detektor je bil dobro vibriran enodelni dvometrski aluminijast cilinder, opremljen z občutljivimi piezoelektričnimi senzorji. Amplituda nihanj, ki naj bi jih zabeležil Weber, se je izkazala za več kot milijonkrat večjo od pričakovane vrednosti. Poskusi drugih znanstvenikov s takšno opremo, da bi ponovili "uspeh" ameriškega fizika, niso prinesli pozitivnih rezultatov. Nekaj let pozneje je bilo Webrovo delo na tem področju prepoznano kot nevzdržno, vendar je dalo zagon razvoju "gravitacijskega razcveta", ki je na to področje raziskav pritegnil številne strokovnjake. Mimogrede, sam Joseph Weber je bil do konca svojih dni prepričan, da je prejel gravitacijske valove.
Izboljšanje sprejemne opreme
V 70-ih letih je znanstvenik Bill Fairbank (ZDA) razvil zasnovo antene gravitacijskega valovanja, hlajene s tekočim helijem, z uporabo SQUID-ov - preobčutljivih magnetometrov. Tehnologije, ki so obstajale v tistem času, izumitelju niso omogočile, da bi videl svoj izdelek, realiziran v "kovini".
Gravitacijski detektor Auriga je bil izdelan na ta način v National Legnard Laboratory (Padova, Italija). Zasnova temelji na aluminijasto-magnezijevem cilindru, dolg 3 metre in premer 0,6 m. Sprejemna naprava, težka 2,3 tonesuspendirani v izolirani vakuumski komori, ohlajeni skoraj na absolutno nič. Za fiksiranje in zaznavanje tresljajev se uporabljata pomožni kilogramski resonator in računalniško podprt merilni kompleks. Deklarirana občutljivost opreme 10-20.
interferometri
Delovanje interferenčnih detektorjev gravitacijskih valov temelji na enakih principih kot Michelsonov interferometer. Laserski žarek, ki ga oddaja vir, je razdeljen na dva toka. Po večkratnih odbojih in potovanjih vzdolž ramen naprave se tokovi ponovno združijo, končna interferenčna slika pa se uporabi za presojo, ali so kakšne motnje (na primer gravitacijski val) vplivale na potek žarkov. Podobna oprema je bila ustvarjena v mnogih državah:
- GEO 600 (Hanover, Nemčija). Dolžina vakuumskih tunelov je 600 metrov.
- TAMA (Japonska) 300m ramena
- VIRGO (Pisa, Italija) je skupni francosko-italijanski projekt, ki se je začel leta 2007 s 3 km dolgimi predori.
- LIGO (ZDA, pacifiška obala), lovi gravitacijske valove od leta 2002.
Zadnjega je vredno podrobneje razmisliti.
LIGO Advanced
Projekt so začeli znanstveniki iz Massachusetts Institute of Technology in California Institute of Technology. Vključuje dva observatorija, ločena za 3 tisoč km, v zveznih državah Louisiana in Washington (mesti Livingston in Hanford) s tremi enakimi interferometri. Dolžina pravokotnega vakuumapredorov je 4 tisoč metrov. To so največje takšne strukture, ki trenutno delujejo. Do leta 2011 številni poskusi odkrivanja gravitacijskih valov niso prinesli nobenih rezultatov. Izvedena znatna posodobitev (Advanced LIGO) je povečala občutljivost opreme v območju 300-500 Hz za več kot petkrat, v nizkofrekvenčnem območju (do 60 Hz) pa skoraj za red velikosti in dosegla tako želena vrednost 10-21. Posodobljeni projekt se je začel septembra 2015 in trud več kot tisoč sodelavcev je bil poplačan z rezultati.
Zaznani gravitacijski valovi
Dne 14. septembra 2015 so napredni detektorji LIGO z intervalom 7 ms zabeležili gravitacijske valove, ki so dosegli naš planet iz največjega pojava, ki se je zgodil na obrobju opaznega vesolja - združitve dveh velikih črnih lukenj z masami. 29 in 36-kratna masa Sonca. Med procesom, ki se je zgodil pred več kot 1,3 milijarde let, so bile za sevanje gravitacijskih valov v delcih sekunde porabljene približno tri sončne mase snovi. Začetna frekvenca gravitacijskih valov je bila zabeležena kot 35 Hz, največja najvišja vrednost pa je dosegla 250 Hz.
Dobljeni rezultati so bili večkrat podvrženi celovitemu preverjanju in obdelavi, alternativne interpretacije pridobljenih podatkov so bile skrbno odrezane. Končno je bila 11. februarja lani svetovni skupnosti objavljena neposredna registracija fenomena, ki ga je napovedal Einstein.
Dejstvo, ki ponazarja titanično delo raziskovalcev: amplituda nihanj v dimenzijah krakov interferometra je bila 10-19m - ta vrednost je toliko manjša od premera atom, saj je manjši od pomaranče.
Nadaljnje možnosti
Odkritje še enkrat potrjuje, da splošna teorija relativnosti ni le niz abstraktnih formul, temveč bistveno nov pogled na bistvo gravitacijskih valov in gravitacije nasploh.
Pri nadaljnjih raziskavah si znanstveniki veliko obetajo na projekt ELSA: ustvarjanje orbitalnega orbitalnega interferometra z rokami približno 5 milijonov km, ki bi lahko zaznal tudi manjše motnje gravitacijskih polj. Intenziviranje dela v tej smeri lahko veliko pove o glavnih fazah razvoja vesolja, o procesih, ki jih je v tradicionalnih pasovih težko ali nemogoče opazovati. Ni dvoma, da bodo črne luknje, katerih gravitacijski valovi bodo v prihodnosti fiksirani, veliko povedale o njihovi naravi.
Za preučevanje reliktnega gravitacijskega sevanja, ki lahko pove o prvih trenutkih našega sveta po velikem poku, bodo potrebni bolj občutljivi vesoljski instrumenti. Tak projekt obstaja (Big Bang Observer), vendar je njegova izvedba po mnenju strokovnjakov možna šele čez 30-40 let.
