Mokslininkai patvirtina gravitacinių bangų egzistavimą

Beveik prieš šimtmetį fizikas Albertas Einšteinas iškėlė teoriją apie jo egzistavimą erdvėlaikį raibuliuojančias gravitacines bangas, tačiau jam trūko reikalingos technologijos savo argumentams pagrįsti tikri, neapdoroti duomenys. Na, šiandien visa tai keičiasi kaip lazerinio interferometro gravitacinės bangos mokslininkų komanda Observatorija (LIGO) patvirtino tiesioginį gravitacinių bangų aptikimą bangos. Be to, mokslininkai ne tik aptiko bangavimą, bet ir galėjo patvirtinti Aktualus pačių bangų šaltinis – prieš maždaug 1,3 milijardo metų įvykusio didžiulio susidūrimo tarp dviejų masyvių juodųjų skylių rezultatas. Jei kada nors buvo proga pasakyti „protas išpūstas“, tai neabejotinai dabar.

Maždaug 1915 ir 1916 m. Einšteinas sugriovė tuomet žinomas mūsų visatos taisykles, teigdamas, kad erdvė nėra tokia statiška, kaip buvo verčiama manyti mokslo bendruomenė. Atvirkščiai, vokiečių fizikas pareiškė, kad visatos geometriją nuolat lenkia ir kreipia ją supanti energija ir materija. Iš esmės ši teorija egzistavo kaip jo darbo pagrindas

bendrasis reliatyvumas Tai paaiškina, kaip stebimas gravitacinis traukos tarp masių yra šių masių erdvėlaikio deformacijos rezultatas. Šiandien Einšteino darbas, susijęs su bendruoju reliatyvumu, išlieka vienu iš svarbiausių astrofizikos informacijos ramsčių.

Nepaisant bendrosios reliatyvumo teorijos pažangos, Einšteinui labai trūko priemonių ieškoti gravitacinių bangų ir netgi manė, kad jų beveik neįmanoma aptikti. Tačiau šiandien mokslininkai iš Caltech ir MIT naudoja dviejų detektorių LIGO įrenginį, galintį aptikti nedideles vibracijas, atsirandančias dėl sklindančių gravitacinių bangų. 2015 m. rugsėjį LIGO prietaisas užfiksavo energijos signalą, 50 kartų didesnį nei visos visatos žvaigždės kartu (!) ir viršijo statistikos „penkių sigmų“ standartą reikšmę. Penkis mėnesius LIGO komanda naikino signalą konvertuoti jį į garsą ir klausydamas, kaip susiduria dvi didžiulės juodosios skylės.

„Iš tikrųjų girdime, kaip jie trankosi naktį“, – sako MIT fizikos docentas. Matthew Evans. „Mes gauname signalą, kuris ateina į Žemę, galime įdėti jį į garsiakalbį ir girdime, kaip šios juodosios skylės skamba: „Oho“. Su šiuo pastebėjimu susijęs labai visceralinis ryšys. Jūs tikrai klausotės šių dalykų, kurie anksčiau buvo kažkaip fantastiški.

1992 m. įkūrė fizikai Kipas Tornas (su kuriuo Christopheris Nolanas garsiai konsultavosi Tarpžvaigždinis), Ronaldas Dreveris Caltech ir MIT Raineris WeissasLIGO eksperimentas buvo sukurtas tik gravitacinių bangų aptikimo tikslu. Per pirmuosius aštuonerius savo gyvavimo metus (2002–2010 m.) jam nepavyko aptikti nė vienos gravitacinės bangos, todėl eksperimentas laikinai buvo sustabdytas, kad būtų įdiegti patobulinti detektoriai. Po penkerius metus trukusio 200 milijonų dolerių pertvarkymo, kurį daugiausia finansavo Nacionalinis mokslo fondas (NSF), kuris iš tikrųjų kainavo 620 milijonų dolerių – Livingstone, Luizianoje ir Hanforde pradėjo veikti nauji ir patobulinti LIGO įrenginiai, Vašingtonas.

Kalbant apie patį prietaisą, kiekviena LIGO svetainė gali pasigirti L formos interferometru, kurio ilgis yra maždaug 4 kilometrai ir kuriame naudojama padalinto spindulio lazerio šviesa, kuri juda aukštyn ir žemyn kiekviena ranka. Kai lazeriai juda rankomis, jie šokinėja tarp tiksliai išdėstytų veidrodžių serijos ir nuolat stebi tikslų ilgį, kurį jis nukeliauja tarp kiekvieno veidrodžio. Jei ir šiuo atveju, kai gravitacinė banga praeina per instrumentą, atstumas, kurį lazeriai nukeliauja tarp veidrodžių, pasikeis taip mažai, kad beveik nepastebima.

„Galite įsivaizduoti tai taip, lyg numestų akmenį ant tvenkinio paviršiaus, o bangavimas užgęsta“, – sako MIT astrofizikos profesorius Curtis ir Kathleen Marble Nergis Malvalvala. „[Tai] kažkas, kas iškreipia aplink jį esantį erdvėlaikį, ir tas iškraipymas plinta į išorę ir pasiekia mus Žemėje po šimtų milijonų šviesmečių.

Atlikus kompiuterinį bangų modeliavimą, buvo nustatyta, kad energija gaunama iš objektų, kurių masė yra maždaug 29 ir 36 kartus didesnė už saulę. Prieš susidūrimą anapusiniame pasaulyje abu objektai spirale skriejo vos 130 mylių vienas nuo kito, kol galiausiai susijungė – dar vadinami trenksmu vienas į kitą. Pasak LIGO nario Bruce'o Alleno, tik juodosios skylės gali išlaikyti tiek daug masės uždara erdvė ir toliau pridūrė: „Prieš iš esmės ginčydamasis, ar juodosios skylės egzistuoja, ar ne; dabar tu negali“.

Nors LIGO mokslininkai gali pranešti apie susidūrimo sunkumą, įvyko nematomas sprogimas, galintis sukelti Atominės bombos sprogimas atrodė kaip tik kibirkštis, jis praleido didesnę penkių mėnesių dalį, įsitikinęs, kad pradinis rodmuo buvo faktas, tikras. Kai iš aptikto gravitacinio signalo lėtai sklinda žodis, mokslininkai dirbo dieną ir naktį, kad nustatytų, ar jis tikras, ar ne. Galimos alternatyvos svyravo nuo pačios laboratorijos klaidingų signalų (arba „aklų injekcijų“) iki visiškos, žmogaus sukurtos apgaulės. Šios galimybės netrukus buvo atmestos, kai komanda suprato, kad iš tikrųjų neatliko jokių aklųjų injekcijų testų ir kad sugalvotas signalas yra labai mažai tikėtinas.

„Manėme, kad tai bus didžiulis iššūkis įrodyti sau ir kitiems, kad pirmieji signalai, kuriuos matėme, nebuvo tik svyravimai ir atsitiktiniai garsai“, – sako MIT LIGO laboratorijos direktorius Davidas Batsiuvys. „Tačiau gamta buvo tiesiog neįtikėtinai maloni, pateikdama mums signalą, kuris yra labai didelis, nepaprastai lengvai suprantamas ir visiškai, nuostabiai atitinkantis Einšteino teoriją.

Dabar, kai komanda veiksmingai įrodė gravitacinių bangų egzistavimą, į patį astrofizikos, bendrosios reliatyvumo teorijos ir visos visatos struktūrą reikia žiūrėti kitaip. Kaip „Science Mag“ užrašai, Johnso Hopkinso universiteto fizikas Marcas Kamionkowskis pripažįsta, kad šios išvados atveria duris mokslininkams. bendroji reliatyvumo teorija ekstremaliomis sąlygomis, t. y. atvejais, kai kūno gravitacinis laukas sudaro beveik visą jo dalį masė. MIT taip pat pripažįsta, kad LIGO įrenginio aptiktas gravitacinis laukas yra tik ledkalnio viršūnė, kalbant apie pagrindinę mūsų visatos fiziką.

„Tai tikrai atveria visiškai naują sritį astrofizikams“, - priduria Matthew Evans. „Mes visada žiūrime į dangų su teleskopais ir ieškome elektromagnetinės spinduliuotės, tokios kaip šviesa, radijo bangos ar rentgeno spinduliai. Dabar gravitacinės bangos yra visiškai naujas būdas pažinti mus supančią visatą.

Judant į priekį, LIGO komanda ketina ir toliau nagrinėti duomenis, surinktus per pastarąjį stebėjimą, kuris baigėsi praėjusį mėnesį – pirmą kartą naudojant atnaujintus įrangos jutiklius. Ieškodama kitų gravitacinių bangų signalų iš daugybės duomenų, laboratorija teigė, kad taip pat ruošiasi pradėti duomenų įrašymą šių metų liepą. Kaip rodo Davido Shoemakerio komentarai, laboratorija neketina ilsėtis ant gravitacinių bangų laurų.

„Po kelerių metų, kai jis bus visiškai pradėtas naudoti, turėtume matyti įvykius iš daugybės objektų: juodųjų skylių, neutroninių žvaigždžių, supernovų, taip pat dalykų, kurių dar neįsivaizdavome, kartą per dieną arba kartą per savaitę, priklausomai nuo to, kiek netikėtumų yra“, – „Shoemaker“ sako. „Tai mūsų svajonė, ir kol kas neturime jokios priežasties žinoti, kad tai netiesa.

Vasario 11 d. „Physical Review Letters“ paskelbta išsami komandos išvadų santrauka, kurioje toliau paaiškinama, kaip LIGO detektoriai juto gravitacines bangas. Neįmanoma vadinti rezultatus revoliuciniais, nes atradimas drastiškai pakeičia net patį pagrindinį mūsų visatos supratimą. Koks absoliučiai žavingas laikas būti gyvam, tiesa?

Redaktorių rekomendacijos

• Kūdikių juodosios skylės čiulba gimdamos, kaip numatė Einšteinas