Какво представляват гравитационните вълни?

Мъж в бяло палто и маска, работещ на огромна машина с метална рамка и стъклени тръби.

Изследователи от обсерваторията за гравитационно-вълнови лазерни интерферометри (LIGO) направиха първото по рода си откриване на гравитационни вълни на 14 септември 2015 г. Тук един техник работи върху някои от оптиките за детектор LIGO. Изображение чрез LIGO.


Гравитационните вълни са вълнички в структурата накосмическо време. Точно както кораб, пътуващ по повърхността на спокойно море, оставя след себе си следа, така че движещите се обекти във Вселената създават гравитационни вълни. „Корабите“ в случай на гравитационни вълни са изключително насилствени и катаклизмични събития далеч в космоса: сливания на черна дупка, сблъсъци на неутронни звезди, свръхнови. Всички те генерират вълни в структурата на пространството -време, разтягайки я и я притискайки, докато вълните се движат из Вселената.

Тъй като гравитационните вълни са изключително слаби, наблюдавани от нашата земна гледна точка, технологията за тяхното откриване стана достъпна едва през последните години. Подобно на всички вълни, гравитационните вълни намаляват с разстоянието си, свивайки се до слаби ехота на онези далечни „корабокрушения“ - тези далечни насилствени събития в космоса - докато стигнат до нас. От нашето местоположение, многосветлинни годиниот сливане на черна дупка или сблъсък на неутронна звезда, вълните се компресират и разтягат пространството и всичко в него, с хилядна част от диаметъра напротондокато преминават през Земята. Това е милиардна част от милиардна част от метър. Наистина се нуждаем от много напреднали технологии, за да видим тази промяна. Това е като да видите разстоянието между слънцето и най -близкия му съсед сред звездите -Алфа Кентавър, На разстояние 4,3 светлинни години - промяна отдебелина на човешка коса.


БешеАлберт Айнщайнкойто в неговияОбща теория на относителносттаот 1915 г., първо постулира съществуването на гравитационни вълни. Предложението му, че гравитацията се движи във вълни, изглеждаше логично: всеки вид светлина върхуелектромагнитен спектър, от ултравиолетово до видимо за радио, пътува на вълни. Звукът се движи във вълни. Защо гравитацията не трябва да се разпространява по същия начин? Айнщайн изчислява, че изключително насилствените събития в космоса биха причинили пространствотозвъни като камбана. Това беше различно от идеята за статичните, непроменящи се гравитационни полета, генерирани от всеки обект с маса, като звезда или планета.

В продължение на десетилетия след 1915 г. самият Айнщайн бешенеубеденза съществуването на гравитационни вълни. През 1936 г. той и колегата Нейтън Розен публикуватхартияс правоСъществуват ли гравитационни вълни?който първоначално беше отхвърлен от едно списание поради математическа грешка.

Грешката беше причината авторите да заключат, че гравитационните вълни не съществуват. Когато Айнщайн коригира грешката, заключението на вестника стана точно обратното! Въпреки че сега доказателствата сочат тяхното съществуване, Айнщайн остава неубеден и смята, че дори и да съществуват гравитационни вълни, те ще бъдат толкова много слаби, че хората никога не биха могли да разработят технологията за тяхното откриване.




Тъмнокос млад мъж с мустаци и достойно изражение, в костюм.

Алберт Айнщайн през 1912 г. Общата му теория за относителността е фундаментална за съвременната космология. Алберт Айнщайн в своята Обща теория на относителността от 1915 г. първо постулира съществуването на гравитационни вълни.

Трябва да се отбележи, че Айнщайн не е единственият теоретик, който работи върху гравитационните вълни. Важен принос са направили и други известни учени, сред тяхРобърт Опенхаймер,Роджър Пенроуз,Карл Шварцшилд,Артър Едингтън,Кип ТорниРичард Фейнман. Но именно Фейнман, през януари 1957 г., най -накрая убеди съмняващите се, че гравитационните вълни не само съществуват, но те също могат да носят енергия, обяснявайки това с помощта на нещо, което той нарече неговАргумент за лепкаво мънисто.

Работата на Фейнман директно проправи пътя за днешните детектори на гравитационни вълни.

И все пак ще минат още 50 години, преди да бъдат открити първите гравитационни вълни. Разработването на концепциите и технологиите за това отне десетилетия упорита работа от много учени. Накрая,LIGO, обсерваторията за лазерна интерферометрична гравитационна вълна, разположена надва сайтав Съединените щати, започна да наблюдава през 2002 г. Бяха необходими няколко подобрения на LIGO, между 2002 и 2015 г., за да му се даде чувствителността да направи своето историческо първо откриване.


Първото откриване на две черни дупки, сливащи се на около 1,3 милиарда светлинни години, е през септември 2015 г. и е билообявено на светапрез февруари 2016 г. след месеци работа, проверяваща дали сигналът, продължил едва десета от секундата в перфектно съгласие с прогнозите на Айнщайн, е реален. Невероятно е, че LIGO все още не беше започнал официалното си наблюдение, когато дойде откриването: след последното му от поредица подобрения за подобряване на обхвата и чувствителността, LIGO беше включен за инженерни тестове. Сливането на черна дупка беше открито почти веднага, когато детекторът заработи.

Друго ключово предсказание на Айнщайн е, че гравитационните вълни ще се движат със скоростта на светлината. Чрез измерване на разликата във времето, когато сигналът на гравитационната вълна пристигна в двете обсерватории LIGO - в Ханфорд, Вашингтон и Ливингстън, Луизиана, разделени от близо 2000 мили (3000 км) - учените успяха да установят, че предсказанието на Айнщайн е напълно вярно . Гравитационните вълни наистина се разпространяват със скоростта на светлината.

Към LIGO се присъединиха през 2018 г. европейцитеДетектор за Девав Италия, което значително подобри способността на учените да определят точно местоположението на небето, откъдето произлизат гравитационните вълни. Оттогава LIGO/Деваса открилиоколо 50 сливания на черна дупка, но също така и осем сблъсъка на неутронни звезди и шест сблъсъка на неутронна звезда-черна дупка. Някои от тях може да се дължат на така наречените „наземни смущения“: вибрациите от преминаващия трафик и дори далечните океански вълни могат да причинят фалшиви положителни резултати.

На 14 януари 2020 г. LIGO също открисъбитие с напълно неизвестен произход, което не се вписва в никакви модели или предсказания, може би, вълнуващо, показващо съществуването на непознат досега космически феномен.


Много скоро японцитеКАГРАобсерваторията ще се присъедини към Дева и LIGO при откриването на гравитационни вълни. През 2030 г. Европейската космическа агенция ще стартираЛИЗА, космически детектор на гравитационни вълни, който трябва да даде възможност за откриване на нискочестотни гравитационни вълни, излъчвани от свръхмасивни черни дупки и от експлозии на свръхнови. Китай имазапочна работапри изграждането на три обсерватории за гравитационни вълни, убеденото му намерение да стане световен лидер в откриването на гравитационни вълни на Земята и в космоса.

Всички събития на гравитационните вълни, открити досегасъгласен перфектнос предсказанията на Айнщайн и с компютърни симулации, получени от неговите изчисления. Айнщайн със сигурност би се учудил, че греши, че човешкият интелект и изобретателност наистина са триумфирали и са създали технологията, която е смятал за невъзможна. Вероятно също щеше да съжалява, че се съмнява в собствената си работа при прогнозиране на съществуването на гравитационни вълни. Но той също със сигурност би бил щастлив, че откриването на гравитационни вълни също е потвърждение на неговата теория на относителността. Сега остават малко места за бягане за тези, които се съмняват в най -големия триумф на Айнщайн.

Астрономията с гравитационни вълни е aнапълно нова наукаи такъв, който обещава да отключи много от загадките на Вселената. Без преувеличение може да се каже, че революцията в нашия възглед за Вселената тече. В бъдеще може дори да е възможно да се открият гравитационни вълниот самия Голям взрив, за да чуете звука на Сътворението, който звъни през милиарди години.

Ако искате да сте в крак с последните събития на гравитационните вълни, Университетът в Бирмингам във Великобритания създадетази страница,която е база данни с открития на LIGO и Дева по време на текущото им наблюдение. Базата данни е достъпна и като безплатно приложение за телефони с Android/Apple, което може да се изтегли от съответните им магазини.

Ярко двойно петно ​​с крила на гравитационни вълни във фалшив цвят, всяко по -интензивно в центъра.

Компютърна симулация на две слети черни дупки, произвеждащи гравитационни вълни. Изображение чрез Werner Benger/Уикимедия Commons.

В крайна сметка: Първо постулирано от Алберт Айнщайн през 1916 г., но наблюдавано директно едва през септември 2015 г., гравитационните вълни са вълни в пространството -време.

Прочетете повече и гледайте видео обяснител: Какво представляват гравитационните вълни?