НОВИНИ


ЗВУКЪТ ОТ ВЪЛНИТЕ НА ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЕТО
12.02.2016

Снимка: LIGO Laboratory

Първото директно регистриране на гравитационни вълни от сливането на две черни дупки бе обявено вчера 11 февруари на специална пресконференция от учени от колаборацията (международно сътрудничество) на обсерваторията LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory).
 
Откритието е публикувано в списание Physical Review Letters. Констатацията е със стандартно отклонение 5.1σ, т.е. вероятността за грешка е около 0.00005%. Първо нека ги чуем Тъй като сигналът на гравитационните вълни, уловени от детектора LIGO, са в акустичния обхват, учените са успели да преобразуват директно вибрациите в звук и ги пуснаха на пресконференцията.

Какво се колебае в гравитационните вълни? Когато говорим за звукови вълни, ние говорим за колебания на въздушните частици. При гравитационните вълни по-сложно. Всъщност дори не се колебае самото пространство, а неговата геометрия. В теорията на относителността гравитацията се описва като кривина на пространство. За геометрията в тази теория отговаря метриката: грубо казано, това е нещо, което за всяка точка в пространство-времето присвоява числа, написани под формата на симетрична 4 х 4 матрица (4-тензор). Числата варират от точка до точка и описват геометрията, а също се променят и с времето. А колебанията в геометрията означават, че в пространството периодично ще се променят разстоянията между обектите и ъглите им. Както другите ни познати вълни (звукови, светлинни), гравитационните вълни се откъсват от източник на гравитация (масивно тяло), който се движи с ускорение, и свободно да се разпространяват в пространството, при което създават изменение, смущение на гравитационното поле в околното пространство. Това са вълнички в тъканта на пространство-времето, защото, както знаем, от Общата теория на относителността на Айнщайн, гравитацията и пространство-времето са неразривно свързани. Гравитационната сила в сравнение с другите фундаментални сили е изключително слаба (дори дребен магнит може да откъсне малък предмет от гравитацията на огромната Земя). Затова тези вълни са толкова незабележими и потрябваха 100 години, изключително прецизна апаратура и да се появи подводящ източник - сливането на две масивни черни дупки, за да бъдат регистрирани. Гравитационните вълни са предсказани от Общата теория на относителността (ОТО) Гравитационните вълни са описани в рамките на ОТО от решенията на вълновите уравнения на Айнщайн, представлящи движещи се със скоростта на светлината вълни (смущения) в пространство-времето. Амплитудата h на гравитационната вълна е безразмерна величина - тя представлява относителната промяна на разстоянието. Прогнозираните максимални амплитуди на гравитационни вълни от астрофизични обекти, например, двойки масивни системи, и събития (експлозии на свръхнови, сливания на неутронни звезди, черни дупки, поглъщане на звезди от последните и т. н. са изключително малки - h = 10-18 ÷ 10-23. Слабата линейна гравитационна вълна според Общата теория на относителността носи енергия и импулс, движейки се със скоростта на светлината е напречна и се описва от две независими компоненти, разположени под ъгъл от 45° един към друг, тоест има две посоки на поляризация. Гравитационните вълни могат да се излъчват от двойка въртящи се около общ масов център тела, а излъчването е механизъм за загуба на енергия на такава система. Какво се случи На 14 септември 2015 в 09:50:45 UTC (11:51 бълг. време) са засечени гравитационни вълни от гравитационната обсерватория LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) - от датчиците, разположени в Ливингстън, Луизиана и Ханфорд, Вашингтон, САЩ. Регистрированият от детекторите сигнал, наречен "събитие GW150914", съвпада с прогнозите на Общата теория на относителността за сливането на две черни дупки. Първоначално две дупки са изключително близо една до друга - на разстояние от 350 км (радиусът на Шварцшилд за които около 210 км). За 0.2 секунди двете въртящи се една около друга черни дупки се сближават поради загубата на енергия на въртене, дължащо се на гравитационното излъчване и се сливат в един черна дупка. Едната черна дупка е 29 пъти масата на Слънцето, а другата черна дупка - 36 пъти. Общата маса на новата черна дупка (62 пъти слънчеви маси) е с 3 слънчеви маси по-малка от сумата на двете стари, а енергията е била излъчена като гравитационни вълни. Симулация на сливането на две черни дупки: Анализирайки на моментите на пристигане на сигнала (детекторът в Ливингстън записва събитието 7 милисекунди преди детектора в Ханфорд), учените предполагат, че източникът се намира в южното полукълбона разстояние 410 Mpc (мегапарсека) или 1,3 млрд св. години. Регистрираният сигнал е с честота 35-250 Hz с пик на групата гравитационни вълни h = 1.0 × 10-21. Сигналът отговаря на предвижданията на Общата теория на относителността за сливането на две черни дупки с посочените параметри. Сигналът е засечен с много висока надеждност: съотношението сигнал/шум 24 и със стандартно отклонение 5.1σ , съответстващо на един фалшив сигнал за 203 000 години или вероятността за грешка е под 0.00005%. Проведени са многобройни проверки са фалшив сигнал или умишлена намеса, но констатацията издържа всички проверки. Как ги засякога От времето на прогнозата за съществуването на гравитационни вълни на Айнщайн от 1916 г. са правени много опити за наблюдаването им. От средата на 70-те години учените са работили на твърдотелни детектори. Изследователите предполагали, че масивни парчета метал ще резонират с гравитационните вълни, променяйки дължината си и това ще може да бъде регистринрано с достатъчно чувствителни устройства. Но се оказало, че заради прекаленото много смущения не може да се постигне необходимата чувствителност. И от 70-те години нататък започва да се разработват интерферометрични детектори.
 


Двата детектора на LIGO са разположени в Ливингстън, Луизиана и Ханфорд, Вашингтон. Принципът на действие на LIGO се основава на явлението интерференция. Полупрозрачно диагонално огледало разделя лазерен лъч на два, единията, например, по очакваното развитие на вълната, а другият - в перпендикулярна посока. Тези лъчи се отразяват стотици пъти на набор от поставени едно срещу друго огледала и след това отново се комбинират с помощта на полупрозрачното огледало. При застъпването им електромагнитните вълни могат да засилят, да намалят или дори напълно да се угасят взаимно в зависимост от фазовата разлика, а тази разлика зависи от дължината на пътя, измината от всеки лъч.

Под въздействието на гравитационните вълни, първо едното рамо на устройство ще стане малко по-късо, а другото - по-дълго, след това - обратно. Наблюденията на интерференцията на лъчите ще позволяват да се забележат малки премествания на огледалата на нищожна част от дължината на лазерната вълна. Откриването на тези промени и ще бъде доказателство за съществуването на гравитационни вълни.

По-чувствителният Advanced LIGO или aLIGO, започва да събира данни на 18 септември 2015 година. Новият експеримент използва по-силни и по-добри лазерни огледала в двата детектора. За да се увеличи чувствителността на детектора оптичната сила на огледалата достига 100 кВт, самите огледала са с тегло 40 кг и са снабдена с допълнителна система за изолация от сеизмичен шум.
 

Интенферометърът LIGO

Какво ще се случи след това?

Учените ще продължат да изследват събитие GW150914. Вероятно скоро ще бъдат представени още резултати - анализи на данните, проверки.

Ще продължи усъвършенстването на самия детектор за гравитационни вълни, което ще позволи да се засекат още събития. Очаква се да се увеличи чувствителността няколко пъти. В същото време детекторите Advanced VIRGO в Италия и KAGRA в Япония скоро ще започнат да работят, а учените вече планират изграждането на нови детектори за развитието на гравитационно-вълновата астрономия - десеткилометровия Einstein Telescope в Европа и космическия телескоп LISA с дължина на раменете от 5 милиона километра.
 
източник: nauka.offnews.bg

 


 
767156