De officiële dag van ontdekking (detectie) van zwaartekrachtsgolven is 11 februari 2016. Het was toen, op een persconferentie in Washington, dat de leiders van de LIGO-samenwerking aankondigden dat een team van onderzoekers erin was geslaagd dit fenomeen voor het eerst in de geschiedenis van de mensheid vast te leggen.
Profetieën van de grote Einstein
Zelfs aan het begin van de vorige eeuw (1916) suggereerde Albert Einstein dat er zwaartekrachtsgolven bestaan in het kader van de door hem geformuleerde algemene relativiteitstheorie (GR). Men kan zich alleen maar verbazen over de briljante capaciteiten van de beroemde natuurkundige, die met een minimum aan echte gegevens zulke verreikende conclusies kon trekken. Van de vele andere voorspelde fysieke verschijnselen die in de volgende eeuw werden bevestigd (het vertragen van de tijdsstroom, het veranderen van de richting van elektromagnetische straling in zwaartekrachtsvelden, enz.), was het niet mogelijk om de aanwezigheid van dit type golf praktisch te detecteren interactie van lichamen tot voor kort.
Zwaartekracht is een illusie?
In het algemeen, in het lichtDe relativiteitstheorie kan zwaartekracht moeilijk een kracht noemen. Dit is een gevolg van verstoring of kromming van het ruimte-tijd continuüm. Een goed voorbeeld dat dit postulaat illustreert, is een uitgerekt stuk stof. Onder het gewicht van een massief object dat op een dergelijk oppervlak wordt geplaatst, wordt een uitsparing gevormd. Andere objecten die zich in de buurt van deze anomalie bewegen, zullen het traject van hun beweging veranderen, alsof ze "aangetrokken" zijn. En hoe groter het gewicht van het object (hoe groter de diameter en diepte van de kromming), hoe groter de "aantrekkingskracht". Wanneer het door de stof beweegt, kun je het uiterlijk van een afwijkende "rimpeling" waarnemen.
Iets soortgelijks gebeurt in de wereldruimte. Elke snel bewegende massieve materie is een bron van fluctuaties in de dichtheid van ruimte en tijd. Een zwaartekrachtgolf met een aanzienlijke amplitude, gevormd door lichamen met extreem grote massa's of wanneer ze met enorme versnellingen bewegen.
Fysieke kenmerken
De fluctuaties van de ruimte-tijdmetriek manifesteren zich als veranderingen in het zwaartekrachtsveld. Dit fenomeen wordt ook wel ruimte-tijdrimpelingen genoemd. De zwaartekrachtsgolf werkt op de aangetroffen lichamen en objecten, comprimeert en rekt ze uit. De vervormingswaarden zijn erg klein - ongeveer 10-21 van de oorspronkelijke grootte. De hele moeilijkheid om dit fenomeen op te sporen was dat de onderzoekers moesten leren hoe dergelijke veranderingen te meten en vast te leggen met behulp van geschikte apparatuur. De kracht van zwaartekrachtstraling is ook extreem klein - voor het hele zonnestelsel is heteen paar kilowatt.
De voortplantingssnelheid van zwaartekrachtsgolven hangt enigszins af van de eigenschappen van het geleidende medium. De trillingsamplitude neemt geleidelijk af met de afstand tot de bron, maar bereikt nooit nul. De frequentie ligt in het bereik van enkele tientallen tot honderden hertz. De snelheid van zwaartekrachtsgolven in het interstellaire medium nadert de lichtsnelheid.
Circumstantieel bewijs
Voor de eerste keer werd de theoretische bevestiging van het bestaan van zwaartekrachtgolven verkregen door de Amerikaanse astronoom Joseph Taylor en zijn assistent Russell Hulse in 1974. Bij het bestuderen van de uitgestrektheid van het heelal met behulp van de radiotelescoop van het Arecibo Observatorium (Puerto Rico), ontdekten de onderzoekers de pulsar PSR B1913 + 16, een binair systeem van neutronensterren die rond een gemeenschappelijk zwaartepunt roteren met een constante hoeksnelheid (een vrij zeldzaam geval). Elk jaar wordt de omwentelingstijd, die oorspronkelijk 3,75 uur bedroeg, met 70 ms verkort. Deze waarde komt redelijk overeen met de conclusies van de GR-vergelijkingen die een toename van de rotatiesnelheid van dergelijke systemen voorspellen als gevolg van het energieverbruik voor het genereren van zwaartekrachtsgolven. Vervolgens werden verschillende dubbele pulsars en witte dwergen met vergelijkbaar gedrag ontdekt. De radioastronomen D. Taylor en R. Hulse kregen in 1993 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor het ontdekken van nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen van zwaartekrachtsvelden.
Ontsnapte zwaartekrachtgolf
Eerste uitspraak overdetectie van zwaartekrachtgolven kwam van de University of Maryland wetenschapper Joseph Weber (VS) in 1969. Voor deze doeleinden gebruikte hij twee zwaartekrachtantennes van zijn eigen ontwerp, gescheiden door een afstand van twee kilometer. De resonantiedetector was een goed getrilde eendelige aluminium cilinder van twee meter lang, uitgerust met gevoelige piëzo-elektrische sensoren. De amplitude van de door Weber naar verluidt geregistreerde fluctuaties bleek meer dan een miljoen keer hoger te zijn dan de verwachte waarde. Pogingen van andere wetenschappers om dergelijke apparatuur te gebruiken om het "succes" van de Amerikaanse natuurkundige te herhalen, leverden geen positieve resultaten op. Een paar jaar later werd het werk van Weber op dit gebied als onhoudbaar erkend, maar gaf het een impuls aan de ontwikkeling van een "zwaartekrachtboom" die veel specialisten naar dit onderzoeksgebied trok. Trouwens, Joseph Weber zelf was er tot het einde van zijn leven zeker van dat hij zwaartekrachtgolven ontving.
Verbetering van ontvangstapparatuur
In de jaren 70 ontwikkelde wetenschapper Bill Fairbank (VS) het ontwerp van een zwaartekrachtgolfantenne gekoeld door vloeibaar helium met behulp van SQUID's - supergevoelige magnetometers. De technologieën die op dat moment bestonden, lieten de uitvinder niet toe om zijn product te zien, gerealiseerd in "metaal".
De zwaartekrachtdetector Auriga is op deze manier gemaakt in het National Legnard Laboratory (Padua, Italië). Het ontwerp is gebaseerd op een aluminium-magnesiumcilinder met een lengte van 3 meter en een diameter van 0,6 m. Een opvanginrichting met een gewicht van 2,3 tongesuspendeerd in een geïsoleerde vacuümkamer, afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt. Een extra kilogramresonator en een computergebaseerd meetcomplex worden gebruikt voor het vastleggen en detecteren van trillingen. Aangegeven gevoeligheid apparatuur 10-20.
Interferometers
De werking van interferentiedetectoren van zwaartekrachtgolven is gebaseerd op dezelfde principes als de Michelson-interferometer. De laserstraal die door de bron wordt uitgezonden, wordt in twee stromen verdeeld. Na meerdere reflecties en reizen langs de schouders van het apparaat, worden de stromen opnieuw samengebracht en wordt het uiteindelijke interferentiebeeld gebruikt om te beoordelen of eventuele verstoringen (bijvoorbeeld een zwaartekrachtgolf) de loop van de stralen hebben beïnvloed. Soortgelijke apparatuur is in veel landen gemaakt:
- GEO 600 (Hannover, Duitsland). De lengte van de vacuümtunnels is 600 meter.
- TAMA (Japan) 300m schouders
- VIRGO (Pisa, Italië) is een gezamenlijk Frans-Italiaans project dat in 2007 werd gelanceerd met tunnels van 3 km.
- LIGO (VS, Pacifische kust), op jacht naar zwaartekrachtgolven sinds 2002.
De laatste is het overwegen waard in meer detail.
LIGO Advanced
Het project is geïnitieerd door wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology en het California Institute of Technology. Omvat twee observatoria, gescheiden door 3000 km, in de staten Louisiana en Washington (de steden Livingston en Hanford) met drie identieke interferometers. Lengte van loodrecht vacuümtunnels is 4.000 meter. Dit zijn de grootste van dergelijke structuren die momenteel in bedrijf zijn. Tot 2011 leverden talloze pogingen om zwaartekrachtgolven te detecteren geen resultaat op. De aanzienlijke modernisering die is uitgevoerd (Advanced LIGO) verhoogde de gevoeligheid van de apparatuur in het bereik van 300-500 Hz met meer dan vijf keer, en in het laagfrequente gebied (tot 60 Hz) met bijna een orde van grootte, zo'n felbegeerde waarde van 10-21. Het vernieuwde project ging in september 2015 van start en de inspanningen van meer dan duizend medewerkers werden beloond met resultaat.
Zwaartekrachtgolven gedetecteerd
Op 14 september 2015 registreerden geavanceerde LIGO-detectoren met een interval van 7 ms zwaartekrachtsgolven die onze planeet bereikten vanaf het grootste fenomeen dat plaatsvond aan de rand van het waarneembare heelal - de samensmelting van twee grote zwarte gaten met massa's 29 en 36 keer de massa van de zon. Tijdens het proces, dat meer dan 1,3 miljard jaar geleden plaatsvond, werden in fracties van een seconde ongeveer drie zonnemassa's aan materie besteed aan de straling van zwaartekrachtgolven. De initiële frequentie van zwaartekrachtsgolven werd geregistreerd als 35 Hz en de maximale piekwaarde bereikte 250 Hz.
De verkregen resultaten werden herhaaldelijk onderworpen aan uitgebreide verificatie en verwerking, alternatieve interpretaties van de verkregen gegevens werden zorgvuldig afgesneden. Eindelijk, op 11 februari vorig jaar, werd de directe registratie van het door Einstein voorspelde fenomeen aangekondigd aan de wereldgemeenschap.
Feit dat het gigantische werk van onderzoekers illustreert: de amplitude van fluctuaties in de afmetingen van de interferometerarmen was 10-19m - deze waarde is even veel kleiner dan de diameter van een atoom omdat het kleiner is dan een sinaasappel.
Verdere vooruitzichten
De ontdekking bevestigt nogmaals dat de algemene relativiteitstheorie niet alleen een reeks abstracte formules is, maar een fundamenteel nieuwe kijk op de essentie van zwaartekrachtsgolven en zwaartekracht in het algemeen.
In verder onderzoek hebben wetenschappers hoge verwachtingen van het ELSA-project: de creatie van een gigantische orbitale interferometer met armen van ongeveer 5 miljoen km, die zelfs kleine verstoringen van zwaartekrachtvelden kan detecteren. De intensivering van het werk in deze richting kan veel vertellen over de belangrijkste stadia in de ontwikkeling van het heelal, over processen die moeilijk of onmogelijk zijn waar te nemen in traditionele banden. Het lijdt geen twijfel dat zwarte gaten, waarvan de zwaartekrachtsgolven in de toekomst gefixeerd zullen worden, veel zullen vertellen over hun aard.
Om de relikwie-zwaartekrachtstraling te bestuderen, die iets kan vertellen over de eerste momenten van onze wereld na de oerknal, zijn meer gevoelige ruimte-instrumenten nodig. Zo'n project bestaat (Big Bang Observer), maar de uitvoering ervan is volgens experts niet eerder mogelijk dan in 30-40 jaar.
