Einstein avea dreptate: astronomie cu valuri gravitaționale

Einstein avea dreptate: astronomie cu valuri gravitaționale

Serghei Popov
"Mecanica populară" №5, 2016

La o sută de ani după predicția teoretică, pe care Albert Einstein a făcut-o în cadrul teoriei generale a relativității, oamenii de știință au reușit să confirme existența undelor gravitaționale. Epoca unei metode fundamentale noi de a studia spațiul îndepărtat – astronomia valurilor gravitaționale începe.

Descoperirile sunt diferite. Se întâmplă întâmplător, în astronomie sunt comune. Nu sunt întru totul aleatorii, făcute ca urmare a unei "profunzime a teritoriului", cum ar fi descoperirea lui Uranus de William Herschel. Există serendipic – când au căutat un lucru și au găsit un altul: de exemplu, au descoperit America. Dar un loc special în știință este ocupat de descoperiri planificate. Ele se bazează pe o predicție teoretică clară. Predicțiile sunt căutate în primul rând pentru a confirma teoria. Astfel de descoperiri includ detectarea bosonului Higgs la Large Hadron Collider și înregistrarea undelor gravitaționale folosind observatorul LIGO cu laser-interferometric gravitațional. Dar pentru a înregistra un fenomen predicat de teorie, este necesar să înțelegem bine ce anume și unde să căutăm, precum și ce instrumente sunt necesare pentru aceasta.

Ce căutăm?

Undele gravitaționale sunt denumite în mod tradițional predicția teoriei generale a relativității (GTR), și acesta este într-adevăr cazul (deși acum există astfel de valuri în toate modelele, alternativă la GTR sau complementară acesteia). Apariția undelor este cauzată de finiteitatea vitezei de propagare a interacțiunii gravitaționale (în GR, această viteză este exact egală cu viteza luminii). Astfel de valuri sunt perturbări ale spațiului-timp, propagând din sursă. Pentru apariția undelor gravitaționale, este necesar ca sursa să pulseze sau să accelereze, dar într-un anumit fel. Spuneți că mișcările cu simetrie perfectă sferică sau cilindrică nu sunt potrivite. Există o mulțime de astfel de surse, dar adesea au o masă mică, care nu este suficientă pentru a genera un semnal puternic. Până la urmă, gravitatea este cea mai slabă dintre cele patru interacțiuni fundamentale, deci este foarte dificil să înregistrați semnalul gravitațional. În plus, pentru înregistrare este necesar ca semnalul să se schimbe rapid în timp, adică are o frecvență suficient de mare. În caz contrar, nu vom putea să-l înregistrăm, deoarece modificările vor fi prea letale. Prin urmare, obiectele trebuie să fie de asemenea compacte.

Inițial, focarele de supernovă care apar în galaxii ca ale noastre la fiecare câteva decenii au provocat un mare entuziasm. Deci, dacă puteți obține o sensibilitate care vă permite să vedeți un semnal de la o distanță de câțiva milioane de ani lumină, puteți conta pe mai multe semnale pe an. Dar, mai târziu, s-a dovedit că estimările inițiale ale puterii de eliberare a energiei sub formă de valuri gravitaționale în timpul unei explozii supernovate erau prea optimiste și ar fi posibil să se înregistreze un semnal slab doar dacă supernova a izbucnit în galaxia noastră.

O altă variantă a obiectelor masive compacte care fac mișcări rapide sunt stelele neutronice sau găurile negre. Putem vedea fie procesul de formare a acestora, fie procesul de interacțiune unul cu celălalt. Ultimele etape ale prăbușirii nucleelor ​​stelare, care conduc la formarea de obiecte compacte, precum și ultimele etape ale fuziunii dintre stelele neutronice și găurile negre au o durată de ordinul mai multor milisecunde (ceea ce corespunde unei frecvențe de sute de hertzi) – ceea ce este necesar. În același timp, se eliberează o mulțime de energie, inclusiv (și uneori în principal) sub formă de valuri gravitaționale, deoarece corpurile masive compacte fac anumite mișcări rapide. Aici sunt – sursele noastre ideale.

Este adevărat că supernovele se aprind în Galaxie la fiecare câteva decenii, fuziunile cu stele neutronice apar odată cu fiecare cuplu de zeci de mii de ani, iar găurile negre se îmbină între ele chiar mai rar. Dar semnalul este mult mai puternic, iar caracteristicile sale pot fi calculate destul de precis. Dar acum trebuie să învățăm să vedem un semnal de la câteva sute de milioane de ani-lumină pentru a cuprinde câteva zeci de mii de galaxii și pentru a detecta mai multe semnale într-un an.

Ce căutăm?

După ce am determinat sursele, vom începe proiectarea detectorului. Pentru a face acest lucru, trebuie să înțelegeți ce face valul gravitațional. Fără a intra în detalii, se poate spune că trecerea unei valuri gravitaționale determină forța mareelor ​​(valurile obișnuite sau lunare obișnuite sunt un fenomen separat, iar undele gravitaționale nu au nimic de-a face cu ea). Deci, puteți să luați, de exemplu, un cilindru metalic, să oferiți senzori și să îi studiați vibrațiile. Nu este greu, deci instalațiile au început să se facă acum o jumătate de secol (se află în Rusia, acum un detector îmbunătățit, dezvoltat de echipa lui Valentin Rudenko din SAU MSU) fiind instalat în laboratorul subteran din Baksan.Problema este că un astfel de dispozitiv va vedea semnalul fără valuri gravitaționale. Există o mulțime de zgomote greu de luptat. Este posibil (și acest lucru a fost făcut!). Pentru a instala detectorul sub pământ, încercați să-l izolați, răciți-l la temperaturi scăzute, dar totuși pentru a depăși nivelul de zgomot, veți avea nevoie de un semnal de undă gravitațional foarte puternic. Și semnale puternice vin rareori.

Prin urmare, alegerea sa făcut în favoarea unui alt sistem, care în 1962 a fost propus de Vladislav Pustovoit și Mikhail Gertsenshteyn. Într-un articol publicat în Jurnalul de Fizică Experimentală și Teoretică (ZhETF), au propus utilizarea unui interferometru Michelson pentru a înregistra undele gravitaționale. Fasciculul laser rulează între oglinzile din cele două brațe ale interferometrului și apoi razele de la brațele diferite. Analizând rezultatul interferenței razele, este posibil să se măsoare modificarea relativă a lungimii umerilor. Acestea sunt măsurători foarte precise, deci dacă bateți zgomotele, puteți obține o senzație fantastică.

La începutul anilor 1990, sa decis construirea mai multor detectoare în conformitate cu această schemă. Instalațiile relativ mici, GEO600 în Europa și TAMA300 în Japonia (numerele corespund lungimii umărului în metri) pentru funcționarea în tehnologie, ar fi primul care urmează să fie comandat.Dar principalii jucatori urmau sa fie instalarea LIGO in SUA si VIRGO in Europa. Dimensiunea acestor dispozitive este deja măsurată în kilometri, iar sensibilitatea finală planificată ar fi permis să vadă zeci, dacă nu sute de evenimente pe an.

De ce avem nevoie de mai multe dispozitive? În primul rând pentru verificarea încrucișată, deoarece există zgomote locale (de exemplu, seismice). Înregistrarea simultană a semnalelor în nord-vestul Statelor Unite și în Italia ar fi o dovadă excelentă a originii sale externe. Dar există un al doilea motiv: detectoarele cu unde gravitaționale determină foarte puțin direcția spre sursă. Dar dacă există mai mulți detectori separați, puteți specifica direcția în mod corect.

Giganți cu laser

În forma sa originală, detectorii LIGO au fost construiți în 2002, iar VIRGO – în 2003. Conform planului, a fost doar prima etapă. Toate plantele au lucrat timp de mai mulți ani, iar în 2010-2011 au fost oprite pentru revizuire, pentru a atinge apoi sensibilitatea ridicată planificată. Primii detectori LIGO au fost câștigați în septembrie 2015, VIRGO ar trebui să se alăture în a doua jumătate a anului 2016 și, începând de la această etapă, sensibilitatea ne permite să sperăm să înregistrăm cel puțin câteva evenimente pe an.

După ce LIGO a început să lucreze, rata așteptată de valuri a fost de aproximativ un eveniment pe lună. Astrofizicienii au estimat în prealabil că primele evenimente așteptate ar trebui să fie îmbinarea găurilor negre. Acest lucru se datorează faptului că găurile negre sunt de obicei de zece ori mai grele decât stelele neutronice, semnalul este mai puternic și este "vizibil" de la distanțe lungi, ceea ce compensează mai mult rata scăzută de evenimente pe galaxie. Din fericire, nu a trebuit să aștept mult. La 14 septembrie 2015, ambele instalații au înregistrat un semnal aproape identic, numit GW150914.

În timpul spargerii tehnologiilor la LIGO și VIRGO, un grup de oameni de știință au lucrat asupra metodelor de combatere a zgomotului. Atât numărul estimat de evenimente, cât și forma de undă au fost calculate. Faptul este că, cu cât cunoaștem cu mai multă precizie forma de undă, cu atât este mai ușor să o recunoaștem printre zgomote. Acest lucru poate fi comparat cu recunoașterea cuvintelor la un volum redus – când vă sunt cunoscute cuvintele, nu există probleme și nu puteți face un cuvânt necunoscut. Pentru a testa algoritmii de detectare a semnalelor utile, managerii de proiect au aruncat un val fals în fluxul de date analizate, ceea ce a confirmat eficiența circuitelor.Imaginați-vă cât de stresant a fost pentru oamenii de știință să aflați că un eveniment detectat a fost doar un test, nu un rezultat real!

Cu o analiză destul de simplă, pot fi obținute date cum ar fi masele gaurilor negre, puterea semnalului și distanța față de sursă. Masa și dimensiunea găurilor negre sunt conectate într-o manieră foarte simplă și bine cunoscută, iar mărimea regiunii de eliberare a energiei poate fi estimată imediat din frecvența semnalului. În acest caz, mărimea a indicat că o gaură neagră cu o masă de peste 60 de mase solare, formată din două găuri cântărind 25-30 și 35-40 mase solare. Cunoscând aceste date, puteți obține toată energia izbucnirii. În radiația gravitațională (conform formulei E = mc2) au trecut aproape trei mase solare. Aceasta corespunde unei luminozități de 10.23 luminozitățile Soarelui – cam la fel ca și în acest timp (sute de secunde) emit toate stelele în partea vizibilă a Universului. Și din energia și magnitudinea cunoscută a semnalului măsurat, se obține distanța. O masă mare de organisme fuzionate ne-a permis să înregistrăm un eveniment care a avut loc într-o galaxie îndepărtată: semnalul ne-a fost dat de aproximativ 1,3 miliarde de ani.

O analiză mai detaliată ne permite să clarificăm raportul masic al găurilor negre și să înțelegem modul în care acestea se roteau în jurul axei sale, precum și pentru a determina alți parametri.În plus, semnalul de la cele două setări vă permite să determinați cu aproximație direcția izbucnirii. Din păcate, în timp ce precizia nu este foarte mare, dar cu punerea în funcțiune a VIRGO actualizat va crește. În câțiva ani, detectorul japonez KAGRA va începe să primească semnale. Apoi, unul dintre detectorii LIGO (inițial trei au fost, una dintre instalații a fost dublă) va fi asamblat în India și se așteaptă ca multe zeci de evenimente să fie înregistrate pe an.

Cum funcționează detectorul LIGO

La interferometrele laser LIGO și VIRGO, fasciculul laser este împărțit printr-o oglindă și cade în două brațe perpendiculare. După ce lumina în fiecare umăr se desfășoară de câteva sute de ori înainte și înapoi, razele se convertesc din nou și intervin.

Dispozitivul este configurat astfel încât maximul valului de la un braț să coincidă exact cu cel minim, iar rezultatul interferenței pe detector este zero. Iar dacă lungimea umerilor se schimbă, pe detector apare un semnal diferit de zero. Citește curentul de la detectorul foto. Acesta conține informații despre proprietățile semnalului gravitațional. Astfel, este posibil să se măsoare foarte precis parametrii unei unde, care pentru zeci de milisecunde schimbă oglinzile cu o frecvență înaltă. Schimbarea ar fi neglijabilă, mult mai mică decât dimensiunea protonului.Dar este important ca această lungime mică să nu fie măsurată direct, dar parametrii electrici bine definiți în centrala electrică, care returnează oglinda în locul ei.

Era noii astronomii

În prezent, cel mai important rezultat al lucrării LIGO este confirmarea existenței undelor gravitaționale. În plus, deja prima explozie a permis ameliorarea restricțiilor asupra masei gravitonului (în GR, are masa zero) și, de asemenea, limitează mai mult diferența dintre viteza propagării gravitației și viteza luminii. Dar oamenii de stiinta spera ca in 2016 ei vor putea primi multe date astrofizice noi folosind LIGO si VIRGO.

În primul rând, datele observatoarelor cu unde gravitaționale reprezintă un nou canal pentru studierea găurilor negre. Dacă în trecut a fost posibil doar observarea fluxurilor de materie în vecinătatea acestor obiecte, atunci acum puteți "vedea" în mod direct procesul de fuzionare și "calmare" a gaurii negre care rezultă, deoarece orizontul său oscilează, luând forma finală (determinată prin rotație). Probabil, chiar până la descoperirea evaporării Hawking a găurilor negre (până în prezent acest proces rămâne o ipoteză), studiul fuziunilor va oferi o mai bună informare directă despre ele.

În al doilea rând, observațiile privind fuziunile cu stele neutronice vor da o mulțime de informații noi, extrem de necesare despre aceste obiecte. Pentru prima dată, vom putea studia stelele neutronice în modul în care fizicienii studiază particulele: să observe coliziunile lor pentru a înțelege modul în care sunt aranjate în interior. Misterul structurii subsolului de stele neutroni se referă atât la astrofizicieni, cât și la fizicieni. Înțelegerea noastră despre fizica nucleară și comportamentul materiei la densitate superioară este incompletă fără a rezolva această problemă. Este probabil ca observațiile cu unde gravitaționale să joace un rol-cheie aici.

Se crede că fuziunile cu stele neutronice sunt responsabile de exploziile cosmologice scurte de gamma. În cazuri rare, va fi posibil să observați simultan un eveniment imediat, atât în ​​gama gamma, cât și pe detectoarele undei gravitaționale (o raritate datorită faptului că, în primul rând, semnalul gamma este concentrat într-un fascicul foarte îngust și nu este întotdeauna îndreptat spre noi, ci în al doilea rând, nu vom înregistra valuri gravitaționale de la evenimente foarte îndepărtate). Aparent, va fi nevoie de câțiva ani de observație pentru a putea fi văzut (deși, ca de obicei, poate avea noroc și se va întâmpla chiar astăzi).Apoi, printre altele, putem compara cu exactitate viteza gravitației cu viteza luminii.

Astfel, interferometrele laser vor lucra împreună ca un singur telescop gravitațional, care vor aduce noi cunoștințe atât astrofiziciștilor, cât și fizicienilor. Ei bine, pentru descoperirea primelor explozii și pentru analiza lor, mai devreme sau mai târziu, premiul Nobel meritat va fi premiat.

Autorul este cercetător principal la Institutul de Stat Astronomic. P. K. Sternberg (GAISH) MSU, autorul cărții "Superobjecte. Stele de mărimea unui oraș".


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: