Co je gravitační vlna?

Oficiálním dnem objevení (detekce) gravitačních vln je 11. února 2016. Právě na tiskové konferenci ve Washingtonu, vedoucím pracovníků LIGO, bylo oznámeno, že se výzkumnému týmu podařilo zaznamenat tento jev poprvé v dějinách lidstva.

Proroctví velkého Einsteina

Skutečnost, že gravitační vlny existují, a to i na začátku minulého století (1916) navrhl Albert Einstein formuloval v rámci obecné relativity (GR). Jeden může obdivovat pouze na důmyslné schopnosti známého fyzika, který byl schopen provést takové dalekosáhlé závěry s minimem skutečných dat. Mezi mnoho dalších fyzikálních jevů předpověděl, že nalézt potvrzení v příštím století (zpomaluje průchod času, změny elektromagnetického záření ve směru gravitační pole, atd.), Téměř zjistit přítomnost tohoto typu interakce vlnové těles, až do nedávné doby nebylo možné.

Gravitace je iluze?

Obecně platí, že ve světle Teorie relativity je gravitačně těžké volat sílu. To je důsledek perturbace nebo zakřivení prostorově-časového kontinua. Dobrý příklad ilustrující tento postulát může sloužit jako protáhlý kus látky. Pod váhou masivního předmětu umístěného na takovém povrchu se vytvoří prohloubení. Jiné objekty, které se pohybují v blízkosti této anomálie, změní trajektorii svého pohybu, jako kdyby "přitahovaly". A čím více hmotnosti objektu (čím větší je průměr a hloubka zakřivení), tím vyšší je "síla přitažlivosti". Když se pohybuje textilií, můžete pozorovat vznik rozporuplných "vlnobití".

Něco podobného se děje ve světovém prostoru. Jakákoli zrychlená pohyblivá hmota je zdrojem kolísání hustoty prostoru a času. Gravitační vlna s výraznou amplitudou je tvořena těly s extrémně velkými hmotami nebo při pohybu s obrovským zrychlením.

Fyzikální charakteristiky

Oscilace metrického časoprostoru se projevují jako změny v gravitačním poli. Tento jev se také nazývá zvlnění časoprostoru. Gravitační vlna ovlivňuje těla a objekty, které se vyskytují, stlačí a protahuje je. Deformační hodnoty jsou velmi malé - asi 10^-21 původní velikosti. Celá obtížnost objevování tohoto jevu spočívala v tom, že se vědci museli naučit měřit a zaznamenávat takové změny pomocí vhodného vybavení. Síla gravitačního záření je také extrémně malá - pro celou solární soustavu je několik kilowattů.

Rychlost šíření gravitačních vln je zanedbatelně závislá na vlastnostech vodivého média. Amplituda kmitů se vzdáleností od zdroje postupně klesá, ale nikdy nedosahuje nuly. Frekvence leží v rozmezí od několika desítek do stovek hertzů. Rychlost gravitačních vln v mezihvězdném médiu se blíží rychlosti světla.

Nepřímé důkazy

Poprvé teoretický potvrzení existence gravitačních vln se podařilo získat americký astronom Joseph Taylor a Russell Hulse jeho asistent v roce 1974. Studují vesmír pomocí dalekohledu observatoře Arecibo (Puerto Rico), výzkumníci objevili pulsar PSR B1913 + 16 reprezentující binární systém neutronových hvězd, které rotují kolem společného těžiště s konstantní úhlovou rychlostí (vzácný případ). Každoročně je doba oběhu, která je zpočátku 3,75 hodiny, snížena o 70 ms. Tato hodnota je v souladu se závěry GTR rovnic, které předpovídají zvýšení rychlosti otáčení těchto systémů v důsledku spotřeby energie pro generování gravitačních vln. Později bylo zjištěno několik dvojitých pulsarů a bílých trpaslíků s podobným chováním. Radioastronomie D. Taylor a R. Hulse Nobelova cena za fyziku za objev nových možnostech studia gravitačních polí byl udělen v roce 1993.

Úniková gravitační vlna

První prohlášení o detekci gravitačních vln dostal z University of Maryland vědec Joseph Weber (USA) v roce 1969. Pro tento účel použil dvě gravitační antény svého vlastního designu, rozmístěné dva kilometry od sebe. Rezonančním detektorem byl dobře osvětlený 1-metrový dvoumetrový válec z hliníku vybavený citlivými piezoelektrickými snímači. Amplituda údajně fixovaná Weberovými kmity byla více než miliónkrát vyšší než očekávaná hodnota. Pokusy jinými výzkumníky, jež používají podobné zařízení opakovat „úspěch“ na americký fyzik pozitivní výsledky nepřinesly. Po několika letech práce Webera v této oblasti byly uznány v úpadku, ale dala impuls k rozvoji „gravitační boom“ pro volání v této oblasti studia mnoha odborníků. Mimochodem, Joseph Weber sám do konce svých dnů byl přesvědčen, že používá gravitační vlny.

Zlepšení přijímacího zařízení

V 70. letech vyvinul vědec Bill Fairbank (USA) návrh gravitační vlnové antény chlazené kapalné hélium s použitím supersenzitních magnetometrů SQUID. Stávající technologie v té době neumožnily vynálezci vidět jeho výrobek realizovaný v "kovu".

Tímto principem je gravitační detektor Auriga vytvořen v National Lloyary Laboratory (Padua, Itálie). Konstrukce je založena na hliníkovém hořčíkovém válci o délce 3 metry a o průměru 0,6 m. Příjemné zařízení o hmotnosti 2,3 tun je zavěšeno v izolované vakuové komoře, která byla chlazena téměř na absolutní nulu. Pomocný kilogramový rezonátor a počítačový měřicí systém se používají k fixaci a detekci rozhýbání. Deklarovaná citlivost zařízení 10^-20.

Interferometry

Základem pro provoz detektorů rušení gravitačních vln jsou stejné principy, na kterých působí interferometr Michelson. Laserový paprsek vyzařovaný zdrojem je rozdělen na dva proudy. Po více reflexích a cestách po ramenou zařízení jsou proudy znovu spojeny dohromady a celkem interferenční obraz posoudit, zda poruchy ovlivnily průběh paprsků (například gravitační vlna). Podobné zařízení bylo vytvořeno v mnoha zemích:

• GEO 600 (Hannover, Německo). Délka vakuových tunelů je 600 metrů.
• TAMA (Japonsko) s rameny ve vzdálenosti 300 m.
• VIRGO (Pisa, Itálie) je společný francouzsko-italský projekt zahájený v roce 2007 se třemi kilometrovými tunely.
• LIGO (USA, Pobřeží Tichého oceánu), které od roku 2002 vedou lov gravitačních vln.

Druhá část by měla být podrobněji posouzena.

LIGO Advanced

Projekt byl vytvořen z iniciativy vědců z technologických institutů v Massachusetts a Kalifornii. Zahrnuje dvě observatoře, oddělené o 3 tis. Km státy Louisiany a Washington (města Livingston a Hanford) se třemi identickými interferometry. Délka kolmých vakuových tunelů činí 4 000 metrů. Jedná se o největší existující takové struktury v současné době. Do roku 2011 nedošlo k řadě pokusů o zjištění gravitačních vln žádné výsledky. Podstatná modernizace (Advanced LIGO) se zvýšila citlivost zařízení v rozmezí 300-500 Hz více než pětkrát, a nízkofrekvenční regionu (až do 60 Hz), je téměř o řád, dosahuje hodnoty jako vyhledávaný 10^-21. Obnovený projekt byl zahájen v září 2015 a úsilí více než tisíce spolupracovníků bylo odměněno výsledky.

Gravitační vlny jsou detekovány

14.září 2015 postoupil LIGO detektory v 7 ms interval zaznamenaných sestoupil do gravitačních vln naší planety z největších akcí, které se konaly na okraji pozorovatelného vesmíru - sloučení dvou velkých černých děr s hmotnostmi 29 a 36 krát větší, než je sluneční hmoty. Během procesu, která se konala v průběhu 1,3 Ga před, během několika sekund do gravitačních vln vynaložil asi tři solární masy hmoty. Pevná počáteční frekvence gravitačních vln byla 35 Hz a maximální špičková hodnota dosáhla 250 Hz.

Získané výsledky byly opakovaně podrobeny komplexnímu ověření a zpracování, alternativní interpretace získaných dat byla pečlivě odříznuta. Konečně, 11. února V loňském roce byla přímá registrace fenoménu předpovězeného Einsteinem oznámena světové komunitě.

Skutečnost, která ilustruje titanickou práci výzkumníků: amplituda kmitů rozměrů ramen interferometrů byla 10^-19m - tato hodnota je mnohem menší než průměr atomu, když je menší než oranžová.

Další perspektivy

Tento objev opět potvrzuje, že obecná teorie relativity není jen sbírkou abstraktních vzorců, ale zásadně novým pohledem na podstatu gravitačních vln a gravitace jako celku.

V dalším výzkumu vědci věnují velké naději na projekt ELSA: vytvoření obřího orbitálního interferometru s rameny kolem 5 milionů km, schopných detekovat i menší nerovnosti gravitačních polí. Zintenzivnění prací v tomto směru je schopno říci hodně o hlavních fázích vývoje vesmíru, o procesech, které jsou obtížné nebo nemožné pozorovat v tradičních oblastech. Nepochybně budou černé díry, jejichž gravitační vlny budou v budoucnu fixovány, hodně vyprávět o jejich povaze.

Pro studium reliktního gravitačního záření, které může vyprávět o prvních okamžicích našeho světa po Velkém třesku, budou zapotřebí citlivější nástroje kosmického záření. Takový projekt existuje (Big Bang pozorovatel), ale její realizace podle odborníků je možná nejdříve ve 30-40 letech.