Ученые раскрыли секрет гравитационных волн

Спустя сто лет после того как Альберт Эйнштейн переписал наше понимание пространства и времени, физики подтвердили одно из самых недоказуемых предсказаний великого физика из его общей теории относительности.

К примеру, в другой галактике, находящейся на расстоянии миллиардов световых лет, или около того, столкновение двух черных дыр встряхивает ткань пространства-времени, свидетельства чего мы можем наблюдать с Земли.

Здесь, на нашей планете, два гигантских детектора на противоположных сторонах США фиксируют гравитационные волны – последствия столкновения этих самых черных дыр. После десятилетий попыток непосредственно обнаружить волны, новый лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории, ныне известный как Advanced LIGO, открыл ученным двери в новую эру астрономии.

Какие они на самом деле, гравитационные волны?

Колоссальные космические столкновения и взрывы звезд могут сотрясать само пространство. Общая теория относительности предсказывает, что рябь на ткани пространства-времени способна передать энергию таких катастроф. Волны практически неуловимы — к тому времени, когда они достигают Земли, некоторые из них сжимают пространство-время всего лишь на одну десятитысячную ширины протона.

Как их засекают?

Для обнаружения сигнала, LIGO использует специальное зеркало для разбития лазерного луча, потом посылает получившиеся лучи на четырехкилометровую глубину, под углом 90 градусов друг к другу. После отскакивания, каждый луч направляется на полуторакилометровую глубину туда-обратно, после чего луч вновь собирается вблизи источника.

Эксперимент разработан таким образом, что в нормальных условиях световые волны гасят друг друга, когда собираются заново. При этом детектором блокируются все не световые сигналы.

Гравитационные волны вытягивают одну трубку при сдавливании другой. Изменяя расстояние, два луча путешествуют относительно друг к другу. Из-за разницы в расстоянии, рекомбинирующие волны больше не идеально ровны и поэтому не компенсируют друг друга. Детектор улавливает слабое свечение, анализируя проходящую волну.

Один детектор LIGO находиться в Луизиане, другой в Вашингтоне. Это сделано для определения, что источник не является локальным явлением.

Какие другие источники гравитационных волн?

Изучая компьютерное моделирование астрофизических явлений, ученые могут выяснить, какой специфический тип гравитационных волн идет от конкретных источников.

Вращающиеся нейтронные звезды

Каждая вращающаяся нейтронная звезда имеет ядро, оставленное после взрыва ее внешних слоев. Такая звезда способна встряхнуть пространство на частотах, похожих на те, что получаются при столкновении черных дыр.

Сверхновые

Мощные взрывы, известные как сверхновые, происходят когда массивная звезда умирает. Они могут встряхнуть пространство высокочастотными гравитационными волнами.

Супермассивные черные дыры

Эти черные дыры в миллионы раз массивнее Солнца и больше, чем те, которые LIGO находит по диапазону длинных волн. Хотя Advanced LIGO не может обнаружить волны на этой частоте, ученые могли бы определить их по методике анализа пульсаров.

Большой взрыв

Большой взрыв образовал вселенную и породил гравитационные волны 13,8 миллиардов лет назад. Эти волны оставили свой первый отпечаток в космос 380000 лет после взрыва, и теперь изучаются сегодня в космическом микроволновом фоне.

Как еще находят гравитационные волны?

LIGO не единственный охотник в округе, когда дело доходит до выслеживания гравитационных волн. Ниже приведены текущие и будущие проекты:

Наземные интерферометры

Несколько других детекторов, подобных LIGO, есть в Европе. Детектор Virgo, что в Пизе, Италия, в настоящее время модернизируется и объединит усилия с LIGO в конце этого года. Также есть функционирующий интерферометр GEO600, недалеко от Ганновера, Германия. Он был в эксплуатации пока Virgo и LIGO проходили модернизацию. Третий детектор LIGO находится в Индии, и присоединится к охоте за волнами в 2019 году.

Космические интерферометры

Как гласит слоган фильма Чужой: «В космосе никто не услышит ваш крик». Другое дело – гравитационные волны. Исследователи из Европейского космического агентства планируют запустить в космос аналог LIGO — космическую антенну с лазерным интерферометром, что произойдет где-то в 2030-х годах. В преддверии стартовала миссия LISA Pathfinder для проверки технологии, необходимой полноценному космическому детектору гравитационных волн.

Синхронизация пульсаров

Чтобы поймать относительно низкочастотный гул встречных сверхмассивных черных дыр, исследователи обращаются к пульсарам. Эти быстро вращающиеся нейтронные звезды (ядра, оставленных после массивного взрыва) посылают устойчивые импульсы радиоволн. С тем, как гравитационная волна сжимает и растягивает пространство между Землей и пульсарами, ритм ускоряется или замедляется. Три программы: Parkes Pulsar Timing Array в Австралии, NANOGrav в Северной Америке и European Pulsar Timing Array в Европе — анализируют десятки пульсаров, которые могут выявить не только одиночные столкновения, но и столкновения гигантских черных дыр.

Космическая микроволновая поляризация

Гравитационные волны, появившиеся в результате Большого взрыва, оставили отпечаток на космическом микроволновом фоне, именуемым реликтовым излучением. Это излучение заполняет вселенную и является реликтом из времен, когда космос обрел свой теперешний вид, около 380 000 лет после своего рождения. Ученые выяснили, как растягивается и сжимается пространство после феноменального расширения триллионной триллионной триллионной секунды после Большого взрыва. Многие телескопы ищут этот маркер, фиксируя параллельные световые волны. Это нелегко, но с новым проектом BICEP2 Млечный Путь предстает как на ладони.

В чем суть поисков?

Успех программа LIGO сродни успеху Галилео Галилея, впервые повернувшего телескоп к небу. До этого момента мы знали немного о звездах и планетах. Мы не знали, что есть и другие галактики, не имели никакого понятия о необъятности вселенной. Гравитационные волны представляют собой новый способ видения космоса. Они являются ярким подтверждением катастрофических взрывов и столкновений во вселенной. Как и телескоп Галилея, гравитационные волны представляют абсолютно новое видение космоса, поэтому требуют внушительных исследований.

UkrLenta.net: Лента новостей Украина