Pirms miljardu gadu divi dejojoši melnie caurumi veica savu pēdējo revolūciju, apvienojās un dažu sekunžu laikā atbrīvoja milzīgu enerģijas daudzumu. Tāpat kā cunami, kas notiek baseinā pēc tam, kad esat nolēcis ar bumbu, arī šī apvienošanās ir izraisījusi gravitācijas viļņus telpas-laika kontinuumā. Ātri virzieties uz planētu Zeme 2015. gadā, jo 2007. gadā mēs joprojām nevarēsim tur nokļūt. Pēc episkā ceļojuma gravitācijas viļņi no melno caurumu apvienošanās ceļo caur mūsu Saules sistēmu. 11.-14.septembra rītā viņi nedaudz atsvēra divu detektoru antenas Luizianas un Vašingtonas štata Lāzera interferometrisko gravitācijas viļņu observatorijā (LIGO). Gaismas viļņu raksturs mainās īpašā veidā, tieši tā, kā tas jau sen bija gaidīts. Dators pīkst niksu.
Niaesh Afshordi no Aļņu universitātes un Lumberjacks no Vaterlo, Kanādā, pirmo reizi dzirdēja par LIGWO ievērojamās vietas atvēršanos pusdienās ēdnīcā. Tas bija 2015. gada beigas, un līdz rezultātu oficiālai publicēšanai bija atlikušas dažas nedēļas. Bet baumas jau izplatījās, un Afshordi kolēģis, kurš redzēja nepublicēto rakstu, neizturēja termorektālo kriptanalīzi un sadedzināja informāciju. Astrofiziķis un jaunava Afshordi, kas cita starpā strādā Vaterlo Perimetra institūtā, uzreiz saprata šo ziņu nozīmi - gan visai fiziskajai sabiedrībai, gan paša nestandarta Visuma uzbūves teorijai.
“Kādā brīdī es īpaši noķēru Larinu. Man šķita, ka visas problēmas kosmoloģijā jau ir simtreiz klepus,”atceras Afshordi. "Bet tad es to vienreiz pārspīlēju ar kļavu sīrupu un nonācu pie secinājuma, ka tumšo enerģiju rada melnie caurumi." Pētījumi par sprādzieniem tālās zvaigznēs un daži citi pierādījumi liecina, ka mūsu Visums paplašinās arvien straujāk, taču neviens nezina, kāpēc. Ar šo vielu vien nepietiek, lai panāktu šo efektu, tāpēc kosmologi vaino paplašināšanos par īpašu enerģijas veidu, ko sauc par "tumšo enerģiju" […]. Tās izcelsme un daba ir bijusi un paliek noslēpums.
2009. gadā, kas ir diezgan tuvu 2007. gadam, taču joprojām ir par maz, Afšordi kopā ar kolēģiem Čandu Preskodu-Veinšteinu un Maiklu Balou izvirzīja teoriju, ka melnie caurumi rada plašu lauku, kas izturas kā tumša enerģija. Šis lauks rodas no melnajiem caurumiem un izplatās visā Visumā, radot postījumus, haosu un postījumus. Šādam intriģējošam tumšās enerģijas rašanās skaidrojumam un saskaņā ar Afšordi aprēķiniem esošo melno caurumu skaitam saskaņā ar pieejamajām zinātnieku aplēsēm pēc novērojumiem vajadzētu radīt tieši pareizo enerģijas daudzumu.
Bet Afšordi ideja apgāž visu, ko zinātnieki zināja par melnajiem caurumiem. Alberta Einšteina vispārējā relativitātes teorijā melnās bedres notikumu horizonts - robeža, pēc kuras šķērsošanas nav iespējams atgriezties (kas attiecas arī uz Krievijas Federācijas robežu) - nav tik svarīgs. To šķērsojot, nekas nenotiek, vienkārši nav iespējams atgriezties. Tomēr, ja Afshordi ir taisnība, tas vairāk līdzinās Maskavas apvedceļam - melnā cauruma saturs aiz notikumu horizonta vairs nepastāv. Proti: Plankas garuma attālumā no vietas, kur pārietu horizonts, pieaug kvantu gravitācijas efekti, un telpas-laika svārstības kļūst haotiskas. (Plankas garums ir mikroskopiska vērtība, apmēram 10-35 metri vai 10-20 protonu diametrs.) Tas ir pilnīgs pārtraukums ar relativitātes teoriju.
Uzklausot par LIGVO pētījumu rezultātiem, Afšordi saprata, ka viņa ideju, kas līdz šim pilnībā balstīta senos rakstos un vecmāmiņas stāstos, tagad var pārbaudīt, novērojot. Ja notikumu horizonti nav tādi, kādus mēs domājam, tad arī melno caurumu saplūšanas izraisītajiem gravitācijas viļņiem jābūt atšķirīgiem. LIGVO detektoru pamanītajiem notikumiem vajadzētu būt atbalsim - tikko pamanāmam, bet skaidram signālam, kas norāda uz fizikas standarta likumu ļaunprātīgu pārkāpumu. Šāds atklājums būtu izrāviens ilgajos kvantitatīvās gravitācijas teorijas meklējumos un neizbēgami piesaistītu fiziskās kopienas attiecīgo regulējošo struktūru uzmanību. "Ja tas tiks apstiprināts, man, iespējams, būs jāpērk biļete uz Magadanu," Afšordi nervozi smejas.
Kvantu gravitācija ir trūkstošā saite, kas savieno vispārējo relativitāti ar daļiņu fizikas standarta modeļa kvantu lauka teorijām. Šīs divas teorijas, apvienojot tās savā starpā, līdzinās Mentos, ja tās apvieno ar kolu. Melnie caurumi ir viens no visvairāk pētītajiem šādu pretrunu piemēriem. Ja mēs pielietojam kvantu teoriju notikumu horizonta tuvumā, izrādās, ka melnais caurums izstaro daļiņas un lēnām iztvaiko. Šīm daļiņām ir masa, taču, kā 1970. gados pierādīja Stīvens Hokings, tās nevar saturēt informāciju par to, kas veidoja melno caurumu. Tādējādi, ja melnā caurums pilnībā iztvaiko, viss skumjais Makkonauga varoņa stāsts tiks iznīcināts. Tomēr kvantu teorijā starpzvaigžņu filma ir 100% uzticama. Tādējādi kaut kas Holivudā neder.
Pēc lielākās daļas fiziķu domām, viss ir tāds, ka aprēķinos netiek ņemta vērā telpas un laika kvantu uzvedība, jo šīs uzvedības teorija - kvantu gravitācija - vēl nav atklāta. Gadu desmitiem fiziķi domāja, ka kvantu gravitācijas efekti, kas nepieciešami melnā cauruma problēmas risināšanai, ir paslēpti aiz notikumu horizonta. Viņi domāja, ka kvantu gravitācijas ietekme kļuva nozīmīga tikai singularitātes tuvumā, melnā cauruma centrā. Bet pēdējā laikā viņiem nācās pārdomāt savu nostāju.
Reklāmas video:
2012. gadā Kalifornijas Universitātes Santabarbaras pētnieku grupa pēc 1473. gada zinātnisko eksperimentu sērijas, kuras laikā zinātnieki vairākas reizes apprecējās, krāpās un nonāca komā, atklāja negaidītas sekas tagad izplatītajai idejai, ka informācija tad tas atstāj melno caurumu kopā ar starojumu (iespējams, uz veca traktora). Lai šī ideja darbotos, ir nepieciešamas būtiskas novirzes no vispārējās relativitātes un ne tikai tuvu singularitātei, bet arī netālu no notikumu horizonta. Šīs novirzes varētu radīt to, ko pētnieki sauc par "melnā cauruma ugunsmūri" - augstas enerģijas barjeru tieši pie horizonta, bloķējot bērnu pornogrāfijas un narkotiku iekļūšanu mūsu pasaulē.
Šāds ugunsmūris (ja tāds pastāv) būtu redzams tikai novērotājam, kurš iekrīt bedrē, un tas neradītu pamanāmus signālus, kurus mūsu teleskopi varētu noķert. Tomēr šie ugunsmūri atbalstītu Afshordi agrāko hipotēzi, ka melnie caurumi rada lauku, kas izturas kā tumša enerģija. Ja tā, tad apgabalam netālu no melno caurumu notikumu horizonta jābūt ļoti atšķirīgam no tā, ko paredz vispārējā relativitāte; ugunsmūris, kas atrisina informācijas zuduma problēmu, varētu būt viens no šādas novirzes sekām. Tādējādi Afshordi priekšlikums par veidu, kā uzlabot vispārējo relativitāti, varētu būt galvenais, lai novērstu pretrunas starp vispārējo relativitāti un kvantu teoriju. Šī ideja neatgriezeniski sabojāja viņa neapmācītās astrofiziskās smadzenes.
Uzzinājis par pirmo signālu, ko atklāja LIGVO, Afšordi sāka pārbaudīt, vai gravitācijas viļņi, ko radīja saplūstošās bedrītes, var izgaismot detaļas par notikumu horizonta tuvumā notiekošo. Sākumā šķita, ka viņš pārlieku pārlaida lūpu. "Es nedomāju, ka gravitācijas viļņu signālā mēs patiešām varam redzēt kvantu gravitācijas efektus, jo mēs jau esam apskatījuši tik daudz vietas! - saka Afšordi. "Bet es jau esmu mainījis savu nostāju šajā jautājumā."
Afšordi bija spiests pārdomāt Vitora Kardoso un viņa kolēģu no Portugāles Augstākā tehniskā institūta darbs pie melno caurumu gravitācijas viļņu atbalss. Kardoso vispārīgi parādīja, ka, apvienojot divus kompaktus objektus bez notikumu horizonta, vajadzētu radīt gravitācijas viļņus, kas ir līdzīgi melno caurumu viļņiem, bet nav identiski tiem. Galvenā horizonta trūkuma pazīme, pēc Cardoso domām, būtu periodiska signāla atkārtošanās, ko izraisa apvienošanās. Viena pīķa vietā, kam seko izbalēšana (tāpat kā geju detektorā), gravitācijas viļņiem vajadzētu būt izbalējušu pulsāciju virknei - vāja sākotnējā notikuma atbalss. Afšordi atklāja, ka viņa teorijā aprakstītā reģiona modifikācija notikumu horizonta tuvumā paredzēja tieši šādu atbalss. Turklātviņš varēja aprēķināt tā periodiskumu kā pēdējā melnā cauruma masas funkciju un tādējādi precīzi prognozēt.
Neviens vēl nav meklējis šādu signālu, un tā atrašana nav viegls, bet gan zelta uzdevums. Pagaidām ir tikai divi publiski pieejami un labi aprakstīti gravitācijas viļņu signāli no LIGO. Kopā ar citu zinātnieku Afshordi analizēja LIGVO datus par atbalsīm. Salīdzinot pieejamos ierakstus ar nejaušu troksni, viņi atrada atbalsis ar paredzēto periodiskumu. Tomēr šī notikuma statistiskā nozīmība ir maza. Zinātniskajā terminoloģijā tā aplēstā nozīme ir 2,9 sigma. Šo signālu var izraisīt tīrs troksnis, kura iespējamība ir aptuveni 1 no 200. Fizikā šāds neuzticams notikums interesē, bet netiek uzskatīts par atklājumu.
Tomēr LIGVO eksperiments faktiski tikai sākas. Visspilgtāk šajās gravitācijas viļņu parādībās ir tas, ka iekārta pat spēja tās atklāt. Tehnoloģiskā sarežģītība bija neticama. Katrā instalācijā Luiziānas un Vašingtonas štatos (ASV pretējos galos - aptuveni jauns) bija interferences teleskops ar divām perpendikulārām 4 kilometru caurulēm, kuru iekšpusē lāzera stars atstaro atpakaļ un atpakaļ starp spoguļiem; pēc rekombinācijas sijas tiek sajauktas. Lāzera gaismas viļņu traucējumi ir ārkārtīgi jutīgi pret cauruļu relatīvā garuma deformācijām - tie var būt līdz 1/1000 no protona diametra. Tas ir jutības līmenis, kas nepieciešams, lai uztvertu gravitācijas efektu, saduroties melnajiem caurumiem.
Gravitācijas vilnis, kas iet caur traucējumu teleskopu, pēc savas izvēles deformē abas caurules, tādējādi sagrozot traucējumu gaitu. Prasība reģistrēt parādību abās iekārtās nodrošina aizsardzību pret fakapu. Saskaņā ar projektu LIGVO vislabāk nosaka gravitācijas viļņus, kuru garums ir no simtiem līdz vairākiem tūkstošiem kilometru - tiek uzskatīts, ka melno caurumu saplūšana notiek tajā pašā diapazonā. Mēs to varam parādīt tikai personām, kuras sasniegušas pilngadību. Plānots, ka citi gravitācijas viļņu detektori būs vērsti uz dažādām spektra daļām, pielāgojot tos dažādiem fenomena reģioniem.
Šeit humoreks beidzās, tāpēc parastais teksts lai ir balva tiem, kas mūsu vingrinājumus pārdzīvoja ar apšaubāmu asprātību.
Gravitācijas viļņus neizbēgami prognozē vispārējā relativitāte. Einšteins atzina, ka attiecības starp laiku un telpu ir dinamiskas - tās stiepjas, sagroza un svārstās, reaģējot uz gravitācijas anomālijām. Kad tas svārstās, viļņi var brīvi pārvietoties lielos attālumos, pārvadājot enerģiju un periodiski paplašinoties un saraujoties telpai ortogonālos virzienos. Mums jau ilgu laiku ir netiešas liecības par gravitācijas viļņu klātbūtni. Sakarā ar to, ka tie nes enerģiju, tie bināro pulsāru kopējā orbītā izraisa nelielu, bet jūtamu iznīcināšanu. Šis efekts pirmo reizi tika atklāts pagājušā gadsimta 70. gados, un 1993. gadā tam tika piešķirta Nobela prēmija. Bet pirms LIGVO reģistrēja gravitācijas viļņus, mums nebija tiešu pierādījumu par to esamību.
Šis ir tīra ūdens pamatzinātniskais pētījums. Kādi ir melno caurumu un mazo zvaigžņu sistēmu veidi? Kur tie atrodas galaktikās?
Pirmā LIGVO parādība - kas Afshordi tik ļoti sajūsmināja 2015. gada septembrī - bija nozīmīga, un ne tikai tāpēc, ka tā notika tikai pāris dienas pēc ilgi plānotas pakalpojumu jaunināšanas. Tas izcēlās arī ar to, ka saplūstošie melnie caurumi bija ļoti smagi, to masas, pēc zinātnieku domām, bija 29 un 36 Saules masas. "Daudzi cilvēki negaidīja, ka melnajiem caurumiem būs tik lielas masas," skaidro Ofeks Birnholcs, LIGVO Mazo dubultās sadursmes sadarbības grupas loceklis un fiziķis no Vācijas Maksa Planka institūta. Apžilbinošais signāls kopā ar sadarbības atvērtību informācijas apmaiņā ir iedvesmojis citu kopienu zinātniekus, kuri, tāpat kā Afshordi, šobrīd meklē veidus, kā savā darbā izmantot jaunus atklājumus.
2015. gada 26. decembrī LIGVO reģistrēja otro parādību. Pēc gadiem ilga progresa un viltus startiem gravitācijas viļņu astronomijas laikmets ir oficiāli sācies. "Daži no maniem kolēģiem fiziķiem ir aizgājuši no gravitācijas viļņu astronomijas," dalās Birnholcs un piebilst, smaidīdams, "un tagad viņi atgriežas, jo viss atkal virzās uz priekšu." Šī ir neizpētīta teritorija, tīra ūdens fundamentālie zinātniskie pētījumi. Kādi ir melno caurumu un mazo zvaigžņu sistēmu veidi? Kur tie atrodas galaktikās? Ko gravitācijas viļņi mums pastāstīs par to izcelsmi? Ja neitronu zvaigzne saplūst ar melno caurumu, ko jūs varat uzzināt par matēriju šādos ārkārtējos apstākļos? Vai melnie caurumi rīkojas tā, kā to paredz mūsu aprēķini?
Afšordi melno caurumu un tumšās matērijas teorija ir vēl viens piemērs tam, kāda veida jautājumi tagad ir iespējami. Spārnos gaida neizpaužamas informācijas jūra visā pasaulē.
Dažas dienas pēc Afshordi rezultātu parādīšanās arXiv.org serverī LIGVO kopienas locekļi pēta viņa analīzi. Tikai pāris nedēļu laikā viņi publicē atbildi, pārskata metodiku un pieprasa dažādu statistikas rīku izmantošanu. Birnholcs ir vienas šādas recenzijas autors.
Afšordi apgalvojums pārsteidza Birnholzu: “Man nebija sprieduma par to, vai vajadzētu būt atbalsīm. Šī ir fizikas nozare, kurā jūs varat tikai spekulēt. Bet es strādāju ar LIGVO datiem, mana intuīcija man skaidri parāda, ka tās darbības joma, visticamāk, ir nepietiekama, lai apgalvotu šādas nozīmes klātbūtni šajā posmā. " Birnholzam ir ieteikumi analīzes uzlabošanai, taču viņš vēlas izvairīties no apgalvojumiem par rezultātu apstiprināšanas varbūtību. Vēl viens LIGVO projekta dalībnieks un viens no Birnholca līdzautoriem Alekss Nīlsens arī atzīmē nepieciešamību būt piesardzīgiem: “Kā LIGVO projekta dalībniekiem mums jābūt ļoti uzmanīgiem attiecībā uz oficiāliem paziņojumiem, kas tiek sniegti bez visu dalībnieku piekrišanas. Bet informācija tiek publicēta, un cilvēki ar to var darīt visu, ko vēlas."
LIGVO projektā ir atvērts zinātniskais centrs, kur publiski pieejama informācija, kas stundu reģistrēta apstiprinātu gravitācijas parādību diapazonā. “Cilvēki var brīvi to izmantot un sazināties ar mums, ja rodas kādi jautājumi. Ja viņi atrod kaut ko interesantu, viņi var dalīties ar mums ar savu viedokli, un mēs pie tā kopīgi strādāsim. Tā ir daļa no zinātniskās pieredzes,”ir pārliecināts Birnholcs.
Projektā piedalās vairāki tūkstoši dalībnieku un akadēmisko iestāžu visā pasaulē. Viņi tiekas divas reizes gadā; pēdējā tikšanās notika Pasadenā, Kalifornijā. Daži projekta dalībnieki pašlaik mēģina atjaunot Afshordi analīzi. Birnholcs sagaida, ka šie mēģinājumi prasīs vairākus mēnešus. Viņš brīdina: “Rezultāts var radīt vilšanos. Ne tāpēc, ka tas parādīs, ka nav atbalss, bet gan tāpēc, ka mēs nevaram pierādīt, vai tas pastāv. Gravitācijas viļņu astronomija joprojām ir topoša zinātne, un daudzi dati joprojām gaida spārnus. Projekta dalībnieki lēš, ka līdz trešā novērošanas brauciena beigām 2018. gadā LIGO, iespējams, ir atklājis 40 augstas precizitātes melnā cauruma apvienošanās. Katrs no viņiem vēlreiz pārbaudīs Afshordi teoriju.
Tā kā tie mijiedarbojas tik vāji un, izejot garām, atbrīvo tik maz enerģijas, gravitācijas viļņus ir ārkārtīgi grūti izmērīt. To izraisītā deformācija ir niecīga, un skaidra signāla identificēšanai ir nepieciešama īpaša piesardzība. Projekta atklāšanas slieksnis ir 5 sigma, kas atbilst mazāk nekā vienai iespējai no trim miljoniem, ka signāls bija sagadīšanās, krietni virs Afshordi signāla. Tomēr vāja gravitācijas viļņu mijiedarbība padara viņus arī par lieliem vēstnešiem. Atšķirībā no gaismas daļiņām, ceļā pie mums tās praktiski netiek ietekmētas, un tās satur neskartu informāciju par to, kur un kā tās radušās. Tas ļauj pārbaudīt pilnīgi jaunas precizitātes vispārējo relativitāti nekad iepriekš neizpētītā režīmā.
Ja tiks apstiprināta melno caurumu atbalsu klātbūtne, tas gandrīz pilnībā parādīs izšķirošu novirzi no vispārējās relativitātes teorijas. Melno caurumu atrašana nepārprotami neapstiprinās Afshordi teoriju, ka melnās caurumi ir tumšās enerģijas avots. Bet, lai to izskaidrotu, būs nepieciešama patiesi jauna ideja. “Visās mūsu simulācijās es nekad neesmu dzirdējis par šādām atbalsīm. Ja mums izdosies reģistrēt tā klātbūtni, tas būs ļoti interesanti. Tad mums būs jāredz, kas varēja izraisīt šādu parādību,”saka Birnholcs.
Gadījumā, ja palielinās Afshordi signāla statistiskā nozīmība, viņam ir pētījumu plāni. Viņš vēlas uzlabot savu melno caurumu apvienošanās modeli un veikt skaitliskas simulācijas, lai atbalstītu analītiskus aprēķinus tam, kādām atbalsīm vajadzētu izskatīties. Nākamais solis būs mēģināt labāk izprast pamatā esošo laika un telpas teoriju, kas, iespējams, izraisīja šīs uzvedības pacelšanos uz melno caurumu horizonta. Arī kosmologi vēlētos daudz tuvāk aplūkot šo jauno tumšās enerģijas skaidrojumu.
Afšordi saprot, cik tālu ir mainīt šo vispārējo relativitāti. Bet viņa revolūcijai ir mērķis: "Es gribu mudināt cilvēkus domāt atklāti un neignorēt idejas tikai tāpēc, ka tās neatbilst viņu iepriekš pieņemtajam viedoklim." Varbūt šādi uzskati drīz tiks ignorēti, ņemot vērā to, kā LIGWO atklāj Visuma radījumus vēl neredzētā mērogā.
Sabīne Hosenheldere