Svārstības telpā-laikā tika atklātas gadsimtu pēc tam, kad tās bija paredzējis Einšteins. Sākas jauna ēra astronomijā.
Zinātniekiem izdevās atklāt laika un laika svārstības, ko izraisīja melno caurumu saplūšana. Tas notika simts gadus pēc tam, kad Alberts Einšteins paredzēja šos "gravitācijas viļņus" savā vispārējā relativitātes teorijā un simts gadus pēc tam, kad fiziķi sāka tos meklēt.
Par šo ievērojamo atklājumu šodien ziņoja LIGO lāzera interferometriskā gravitācijas viļņu observatorijas pētnieki. Viņi apstiprināja baumas, kas bija saistītas ar mēnešu laikā apkopotā pirmā datu kopuma analīzi. Astrofiziķi saka, ka gravitācijas viļņu atklāšana ļauj no jauna paskatīties uz Visumu un ļauj atpazīt tālu notikumus, kurus nevar redzēt ar optiskiem teleskopiem, taču jūs varat sajust un pat dzirdēt viņu vājos trīces, kas mūs sasniedz caur kosmosu.
“Mēs esam atklājuši gravitācijas viļņus. Mēs to izdarījām! paziņoja 1000 locekļu pētniecības grupas izpilddirektors Deivids Reitze, uzstājoties šodien preses konferencē Vašingtonā Nacionālajā zinātnes fondā.
Gravitācijas viļņi, iespējams, ir visnenotveramākā parādība no Einšteina prognozēm, zinātnieks gadu desmitiem ilgi apsprieda šo tēmu ar saviem laikabiedriem. Saskaņā ar viņa teoriju telpa un laiks veido stiepjošu vielu, kas liekas smagu priekšmetu ietekmē. Sajūt gravitāciju nozīmē iekļūt šīs lietas līkumos. Bet vai šis telpas laiks var trīcēt kā bungas āda? Einšteins bija neizpratnē, viņš nezināja, ko nozīmē viņa vienādojumi. Un viņš vairākkārt mainīja savu viedokli. Bet pat pārliecinātākie viņa teorijas atbalstītāji uzskatīja, ka gravitācijas viļņi ir pārāk vāji, lai tos tomēr varētu novērot. Pēc noteiktām kataklizmām tie kaskādē uz āru, kustoties pārmaiņus stiepjas un saraujas laiktelpā. Bet līdz brīdim, kad šie viļņi sasniedz Zemi,tie stiepjas un saspiež katru kosmosa kilometru par niecīgu daļu no atoma kodola diametra.
LIGO observatorijas detektors Hanfordā, Vašingtonā
Foto: REUTERS, Hangout sesija
Reklāmas video:
Lai atklātu šos viļņus, bija nepieciešama pacietība un piesardzība. Observatorija LIGO uzsāka lāzera starus uz priekšu un atpakaļ pa četru kilometru gariem taisna leņķa divu detektoru līkumiem - vienu Hanfordā, Vašingtonā un otru Livingstonā, Luiziānā. Tas tika darīts, meklējot šo sistēmu sakritīgus paplašinājumus un kontrakcijas gravitācijas viļņu pārejas laikā. Izmantojot vismodernākos stabilizatorus, vakuuma instrumentus un tūkstošiem sensoru, zinātnieki izmēra šo sistēmu garuma izmaiņas, sasniedzot tikai vienu tūkstošdaļu no protona lieluma. Šāda instrumentu jutība nebija iedomājama pirms simts gadiem. Tas šķita neticami arī 1968. gadā, kad Rainers Veiss no Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta uzsāka eksperimentu ar nosaukumu LIGO.
"Tas ir liels brīnums, ka beigās viņiem tas izdevās. Viņi spēja noteikt šīs sīkās vibrācijas! " - teica Arkanzasas universitātes teorētiskais fiziķis Daniels Kenefiks, kurš 2007. gadā uzrakstīja grāmatu Ceļošana domu ātrumā: Einšteins un gravitācijas viļņu meklējumi (Ceļošana ar domas ātrumu. Einšteins un gravitācijas viļņu meklēšana).
Šis atklājums iezīmēja gravitācijas viļņu astronomijas jaunas ēras sākumu. Cerams, ka mums būs precīzākas idejas par melno caurumu veidošanos, sastāvu un galaktisko lomu - šīs superblīvās masas bumbiņas, kas tik dramatiski sagroza laiktelpu, ka pat gaisma no turienes nevar izkļūt. Kad melnie caurumi tuvojas viens otram un saplūst, tie rada impulsa signālu - telpas-laika svārstības, kas palielina amplitūdu un toņu, un pēc tam pēkšņi beidzas. Signāli, kurus var ierakstīt observatorija, atrodas audio diapazonā - tomēr tie ir pārāk vāji, lai tos varētu dzirdēt ar neapbruņotu ausu. Šo skaņu var atjaunot, pavirzot pirkstus virs klavieru taustiņiem. "Sāciet ar zemāko noti un strādājiet līdz trešajai oktāvai," sacīja Veiss. "To mēs dzirdam."
Fiziķi jau ir pārsteigti par signālu skaitu un stiprumu, kas šobrīd ir ierakstīti. Tas nozīmē, ka pasaulē ir vairāk melno caurumu, nekā tika domāts iepriekš. "Mums ir paveicies, bet es vienmēr esmu rēķinājies ar tādu veiksmi," sacīja Caltech astrofiziķis Kips Torne, kurš izveidoja LIGO kopā ar Veisu un Ronaldu Dreveriem, kuri arī ir no Caltech. "Tas parasti notiek, kad Visumā atveras pilnīgi jauns logs."
Noklausījušies uz gravitācijas viļņiem, mēs varam veidot pilnīgi atšķirīgas idejas par kosmosu, un, iespējams, mēs atklāsim neiedomājamas kosmiskas parādības.
"Es to varu salīdzināt ar brīdi, kad mēs pirmo reizi vērsām teleskopu uz augšu debesīs," sacīja teorētiskā astrofiziķe Janna Levina no Barnard koledžas, Kolumbijas universitātes. "Cilvēki saprata, ka tur kaut kas ir, un jūs to varat redzēt, taču viņi nevarēja paredzēt neticamo iespēju kopumu, kas pastāv Visumā." Tāpat Levins atzīmēja, ka gravitācijas viļņu atklāšana varētu parādīt, ka Visums ir "pilns ar tumšo matēriju, ko mēs nevaram noteikt tikai ar teleskopu".
Stāsts par pirmā gravitācijas viļņa atklāšanu sākās septembra pirmdienas rītā, un tas sākās ar aplaudēšanu. Signāls bija tik skaidrs un skaļš, ka Veiss domāja: "Nē, tas ir absurds, no tā nekas neiznāks."
Emociju intensitāte
Šis pirmais gravitācijas vilnis pārņēma modernizētos LIGO detektorus - vispirms Livingstonā un septiņas milisekundes vēlāk Hanfordā - simulēta skrējiena laikā 14. septembra agrā rītā, divas dienas pirms oficiālās datu vākšanas sākuma.
Pēc piecu gadu modernizācijas, kas maksāja 200 miljonus ASV dolāru, detektori tika "iespiesti". Tie ir aprīkoti ar jauniem spoguļiem trokšņu slāpēšanai un aktīvo atgriezeniskās saites sistēmu, lai reālā laikā nomāktu svešas vibrācijas. Jaunināšana deva modernizētajai observatorijai lielāku jutības līmeni nekā vecā LIGO, kas laika posmā no 2002. līdz 2010. gadam atrada “absolūtu un tīru nulli”, kā izteicās Veiss.
Kad septembrī nāca spēcīgais signāls, zinātnieki Eiropā, kur tajā brīdī bija rīts, sāka steidzami bombardēt savus amerikāņu kolēģus ar e-pastiem. Kad pārējā grupa pamodās, ziņas izplatījās ļoti ātri. Gandrīz visi bija skeptiski par to, sacīja Veiss, it īpaši, kad viņi redzēja signālu. Tā bija īsta mācību grāmatu klasika, un tāpēc daži cilvēki domāja, ka tas ir viltojums.
Kļūdaini gravitācijas viļņu meklējumi ir atkārtoti daudzkārt kopš pagājušā gadsimta 60. gadu beigām, kad Džozefs Vēbers no Merilendas Universitātes uzskatīja, ka, reaģējot uz viļņiem, viņš alumīnija cilindrā ar sensoriem ir atradis rezonanses vibrācijas. 2014. gadā notika eksperiments ar nosaukumu BICEP2, saskaņā ar kura rezultātiem tika paziņots, ka tika atklāti sākotnējie gravitācijas viļņi - telpas un laika svārstības no Lielā sprādziena, kas tagad ir izstieptas un pastāvīgi sastingušas Visuma ģeometrijā. BICEP2 komandas zinātnieki par lielu atklāšanu paziņoja par savu atklājumu, bet pēc tam viņu rezultāti tika neatkarīgi pārbaudīti, kuru laikā izrādījās, ka viņi ir kļūdījušies un ka šis signāls nāk no kosmiskiem putekļiem.
Kad Arizonas štata universitātes kosmologs Lorenss Krauss dzirdēja par LIGO komandas atklāšanu, viņš vispirms domāja, ka tā ir "akla lieta". Vecās observatorijas darbības laikā simulēti signāli tika slepeni ievietoti datu plūsmās, lai pārbaudītu reakciju, un lielākā daļa komandas par to nezināja. Kad Krauss no zinoša avota uzzināja, ka šoreiz tā nav "aklo pildīšana", viņš diez vai spēja ierobežot savu priecīgo satraukumu.
25. septembrī viņš tvītoja saviem 200 000 sekotājiem: “Baumas par gravitācijas viļņu, kas atklāts uz LIGO detektora. Pārsteidzoši, ja taisnība. Es jums sniegšu sīkāku informāciju, ja tā nav liepa. " Pēc tam seko 11. janvāra ieraksts: “Agrākas baumas par LIGO ir apstiprinājušas neatkarīgi avoti. Sekojiet jaunumiem. Varbūt tiek atklāti gravitācijas viļņi!"
Oficiālā zinātnieku nostāja bija šāda: neizplatieties par saņemto signālu, kamēr nav simtprocentīgas noteiktības. Torns, kuru saistība ar slepenību ir saistīta ar roku un kāju, sievai pat neko neteica. "Es svinēju viens," viņš teica. Vispirms zinātnieki nolēma atgriezties pašā sākumā un analizēt visu līdz sīkākajām detaļām, lai uzzinātu, kā signāls izplatījās pa tūkstošiem dažādu detektoru mērīšanas kanālu, un lai saprastu, vai signāla uztveršanas brīdī bija kaut kas dīvains. Viņi neatrada neko neparastu. Viņi arī izslēdza hakerus, kuriem eksperimenta laikā vislabāk bija jāzina par tūkstošiem datu plūsmu. "Pat tad, kad komanda iemet, viņi nav pietiekami perfekti un atstāj daudz pēdu savā nomodā," sacīja Torns. - Un šeit nebija nekādu pēdu.
Nākamajās nedēļās viņi dzirdēja vēl vienu, vājāku signālu.
Zinātnieki analizēja pirmos divus signālus, un viņi saņēma arvien vairāk. Janvārī viņi iepazīstināja ar pētniecības materiāliem Physical Review Letters. Šis jautājums šodien ir internetā. Saskaņā ar viņu aplēsēm pirmā, visspēcīgākā signāla statistiskā nozīmība pārsniedz "5-sigmu", kas nozīmē, ka pētnieki ir par 99,9999% pārliecināti par tā autentiskumu.
Klausoties gravitācijā
Einšteina vispārējās relativitātes vienādojumi ir tik sarežģīti, ka lielākajai daļai fiziķu bija nepieciešami 40 gadi, lai vienotos: jā, gravitācijas viļņi pastāv un tos var noteikt - pat teorētiski.
Sākumā Einšteins domāja, ka objekti nevar atbrīvot enerģiju gravitācijas starojuma veidā, bet pēc tam viņš mainīja savu viedokli. Savā vēsturiskajā darbā, kas rakstīts 1918. gadā, viņš parādīja, kādi objekti to var izdarīt: hanteles formas sistēmas, kas vienlaikus rotē ap divām asīm, piemēram, bināros un supernovas, kas eksplodē kā petardes. Tieši viņi var radīt viļņus telpā-laikā.
Datora modelis, kas ilustrē gravitācijas viļņu raksturu Saules sistēmā
Foto: REUTERS, izdales materiāls
Bet Einšteins un viņa kolēģi turpināja vilcināties. Daži fiziķi ir apgalvojuši, ka pat tad, ja viļņi pastāv, pasaule vibrēs ar tiem, un tos nebūs iespējams sajust. Tikai 1957. gadā Ričards Fainmans noslēdza jautājumu, domu eksperimentā parādot, ka, ja pastāv gravitācijas viļņi, teorētiski tos var noteikt. Bet neviens nezināja, cik izplatītas šīs hanteles sistēmas ir kosmosā, vai cik spēcīgi vai vāji ir radušies viļņi. "Galu galā jautājums bija: vai mēs kādreiz tos varam atrast?" Kenefiks teica.
1968. gadā Rainers Veiss bija jauns profesors Masačūsetsas Tehnoloģiskajā institūtā un tika norīkots pasniegt vispārējās relativitātes kursu. Kā eksperimentētājs viņš par to zināja maz, bet pēkšņi parādījās ziņas par Vēbera gravitācijas viļņu atklāšanu. Vēbers no alumīnija uzbūvēja trīs galda izmēra rezonanses detektorus un izvietoja tos dažādos Amerikas štatos. Tagad viņš teica, ka visi trīs detektori ierakstīja "gravitācijas viļņu skaņu".
Veisa skolēniem tika lūgts izskaidrot gravitācijas viļņu būtību un izteikt viedokli par skanošo vēstījumu. Pētot detaļas, viņš bija pārsteigts par matemātisko aprēķinu sarežģītību. "Es nevarēju saprast, ko ellē darīja Vēbers, kā sensori mijiedarbojas ar gravitācijas vilni. Es ilgi sēdēju un vaicāju sev: "Kas ir pats primitīvākais, ko es varu iedomāties, lai noteiktu gravitācijas viļņus?" Un tad man radās ideja, kuru es saucu par LIGO konceptuālo pamatu."
Iedomājieties trīs telpas-laika objektus, teiksim, spoguļus trīsstūra stūros. "Sūtiet gaismas signālu viens no otra," sacīja Vēbers. "Skatiet, cik ilgi nepieciešams, lai pārietu no vienas masas uz otru, un pārbaudiet, vai laiks ir mainījies." Izrādās, atzīmēja zinātnieks, ka to var izdarīt ātri. “Uzticēju to saviem studentiem kā zinātnisku uzdevumu. Burtiski visa grupa varēja veikt šos aprēķinus."
Turpmākajos gados, kad citi pētnieki mēģināja atkārtot Vēbera eksperimenta rezultātus ar rezonanses detektoru, taču pastāvīgi neizdevās (nav skaidrs, ko viņš novēroja, bet tie nebija gravitācijas viļņi), Veiss sāka gatavot daudz precīzāku un vērienīgāku eksperimentu: gravitācijas viļņu interferometru. Lāzera stars atstaro trīs L formas spoguļus, veidojot divus starus. Gaismas viļņu virsotņu un sileņu attālums precīzi norāda “G” ceļgalu garumu, kas rada telpas un laika X un Y asis. Kad skala ir nekustīga, abi gaismas viļņi atlec no stūriem un atceļ viens otru. Detektorā signāls ir nulle. Bet, ja gravitācijas vilnis iet cauri Zemei, tas izstiepj burta "G" viena pleca garumu un saspiež otra garumu (un otrādi pēc kārtas). Divu gaismas staru nesakritība detektorā rada signālu, parādot nelielas laika un laika svārstības.
Sākumā kolēģi fiziķi bija skeptiski, taču drīz eksperiments atrada atbalstu Torna personā, kuras teorētiķu grupa no Caltech pētīja melnos caurumus un citus potenciālos gravitācijas viļņu avotus, kā arī to radītos signālus. Tornu iedvesmoja Vēbera eksperiments un līdzīgi krievu zinātnieku centieni. Pēc uzstāšanās 1975. gadā konferencē ar Veisu: "Es sāku ticēt, ka gravitācijas viļņu noteikšana būs veiksmīga," sacīja Torns. - Un es gribēju, lai arī Caltech būtu tajā iesaistīts. Viņš ar institūtu vienojās nolīgt skotu eksperimentētāju Ronaldu Drieveru, kurš arī paziņoja, ka uzbūvēs gravitācijas viļņu interferometru. Laika gaitā Thorne, Driver un Weiss sāka strādāt komandā, katrs no viņiem, gatavojoties praktiskam eksperimentam, atrisināja savu daļu no neskaitāmajām problēmām. Trijotne izveidoja LIGO 1984. gadā, un, kad tika uzbūvēti prototipi un sākās arvien pieaugoša komanda, viņi 90. gadu sākumā saņēma Nacionālā zinātnes fonda finansējumu 100 miljonu ASV dolāru apmērā. Tika sastādīti projekti milzīgu L formas detektoru pāra izgatavošanai. Pēc desmit gadiem detektori sāka darboties.
Hanfordā un Livingstonā katra no četru kilometru detektoru līkumiem centrā ir vakuums, pateicoties kuru lāzers, tā stars un spoguļi ir maksimāli izolēti no planētas pastāvīgajām vibrācijām. Lai apdrošinātu vēl vairāk, LIGO zinātnieki to darbības laikā ar tūkstošiem instrumentu uzrauga savus detektorus, izmērot visu iespējamo: seismisko aktivitāti, atmosfēras spiedienu, zibens, kosmiskos starus, aprīkojuma vibrāciju, skaņas lāzera staru zonā utt. Pēc tam viņi filtrē šos svešos fona trokšņus no saviem datiem. Varbūt galvenais ir tas, ka viņiem ir divi detektori, un tas ļauj salīdzināt saņemtos datus, pārbaudot, vai nav sakritošu signālu.
Izveidotā vakuuma iekšienē pat tad, kad lāzeri un spoguļi ir pilnībā izolēti un stabilizējušies, "visu laiku notiek dīvainas lietas", saka LIGO projekta pārstāvja vietnieks Marko Kavagliā. Zinātniekiem ir jāseko šīm "zelta zivtiņām", "spokiem", "nesaprotamiem jūras briesmoņiem" un citām svešām vibrācijas parādībām, noskaidrojot to avotu, lai to novērstu. Viens grūts gadījums notika validācijas posmā, sacīja LIGO komandas pētniece Džesika Makvera, kas pēta šādus svešus signālus un traucējumus. Datos bieži parādījās periodisku vienas frekvences trokšņu sērija. Kad viņa un viņas kolēģi pārveidoja spoguļu vibrācijas audio failos, "tālrunis zvanīja skaidri," sacīja Makvers. "Tas izslēdzāska lāzera telpas iekšpusē pa tālruni zvanīja komunikāciju reklāmdevēji.
Nākamajos divos gados zinātnieki turpinās uzlabot modernizētās lāzera interferometriskās gravitācijas viļņu observatorijas LIGO detektoru jutīgumu. Un Itālijā sāks darboties trešais interferometrs ar nosaukumu Advanced Virgo. Viena atbilde, ko iegūtie dati palīdzēs sniegt, ir tas, kā veidojas melnie caurumi. Vai tie ir agrāko masīvo zvaigžņu sabrukšanas rezultāts, vai arī tie ir sadursmju rezultāts blīvu zvaigžņu kopās? "Šie ir tikai divi pieņēmumi, es domāju, ka to būs vairāk, kad visi nomierināsies," saka Veiss. Kad LIGO gaidāmā darba laikā sāk uzkrāt jaunu statistiku, zinātnieki sāks klausīties stāstus par melno caurumu izcelsmi, kurus viņiem kosmosa čuksti.
Pēc formas un lieluma pirmais, skaļākais pulsējošais signāls radās 1,3 miljardu gaismas gadu garumā, no kurienes pēc mūžīgas lēnas dejas savstarpējas gravitācijas pievilcības ietekmē beidzot apvienojās divi melnie caurumi, katrs apmēram 30 reizes lielāks par saules masu. Melnās bedrītes riņķoja arvien ātrāk, piemēram, virpuļvanna, pamazām tuvojoties. Tad notika apvienošanās, un ar vienu mirkli viņi izlaida gravitācijas viļņus ar enerģiju, kas salīdzināma ar trīs Saules enerģiju. Šī saplūšana kļuva par visspēcīgāko enerģētisko fenomenu, kāds jebkad reģistrēts.
"Tas ir tā, it kā mēs nekad nebūtu redzējuši okeānu vētras laikā," sacīja Torns. Šo vētru kosmosā viņš gaida kopš pagājušā gadsimta sešdesmitajiem gadiem. Sajūta, ko Torns piedzīvoja, viļņiem ritot, nebija sajūsma, viņš saka. Tas bija kaut kas cits: visdziļākā gandarījuma sajūta.