ПопулярноеРедакцияСвежее
ЛучшееОбсуждаемое

Екстра подкаст: Пошук гравітаційних хвиль

До 150 річниці журналу Nature (2019), нам слід згадати одну з найвизначніших подій сучасної науки.

У 2015 році, Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO), чиї потужності знаходяться на території США, зафіксувала збурення простору-часу, які називають гравітаційними хвилями. Ці хвилі були наслідком злиття двох чорних дір, які обертались одна навколо одної та після об`єднання збурили простір-час навколо.

В цьому Екстра подкасті Бенджамін Томпсон бере інтерв’ю у Коула Міллера з Мерилендського Університету. Головна тема – пошук гравітаційних хвиль, про гіпотетичне існування яких, говорив Альберт Ейнштейн ще у 1916.

Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO)

Стенограма

Історія пошуку гравітаційних хвиль.

Інтерв’юер: Бенджамін Томпсон

У 2019  Nature 150 років. У зв`язку з цим журнал публікує серію матеріалів про минуле, сучасне та майбутнє науки. Один з них про перший зафіксований випадок існування гравітаційних хвиль, — визначну подію, що сталась у 2015 році. Кульмінація космічного танцю двох чорних дір, які обертались все ближче та ближче одна до одної й раптово злились. Ця катастрофічна подія збурила простір-час по всьому Всесвіту та дозволила LIGO зафіксувати перші гравітаційні хвилі. Ця подія стала кульмінацією історії, яка почалася понад 100 років тому, коли Альберт Ейнштейн припустив можливість існування гравітаційних хвиль.

Коул Міллер з Мерилендського Університету в США пояснює: Чому історія, що почалась так давно стала успішною лише нещодавно?

Респондент: Коул Міллер

Ейнштейн завершив свою загальну теорію відносності лише у 1915 році та вже наступного року презентував гіпотезу, де припустив існування хвиль, що пов’язані з гравітацією. Цікавий факт, Ейнштейн припустився значної математичної помилки у першій роботі та навіть у виправленому варіанті від 1918 були знайдені інші помилки, крім того, він зіштовхнувся з концептуальними проблемами у запропонованій гіпотезі. В одних своїх роботах він стверджував, що гравітаційні хвилі не можуть існувати, в інших доводив, що вони мають бути. Така тяганина продовжилась до 1950-х, коли наукове суспільство остаточно сприйняло ідею існування гравітаційних хвиль, втім полювання за ними це окрема історія.

Інтерв’юер: Бенджамін Томпсон

Згідно із загальною теорією відносності Ейнштейна, коли два об’єкти обертаються один навколо одного, то ця система поступово втрачає енергію, яка випромінюється у вигляді гравітаційних хвиль. Вивільнення цієї енергії трохи зближує об`єкти та незначною мірою прискорює їх орбітальний рух. Гравітаційні хвилі дуже делікатно впливають на простір-час, тому їх важко зафіксувати напряму. Першим непрямим доказом їх існування стало відкриття подвійної системи з нейтронних зірок. Цю систему виявили у 1974 Рассер Галс та Джосеф Тейлор, які потім розділили Нобелівську премію за свою роботу. Однією с зірок у парі виявився пульсар, — тип нейтронної зірки, що викидає (випромінює) електромагнітні імпульси з годинниковою точністю.

Респондент: Коул Міллер

Пульсари, як надзвичайно точні годинники з якими можна виміряти втрати орбіти з точністю до міліметрів на день. Попри те, що злиття цих систем може трапитись через мільйони, а іноді мільярди років, така точність дозволяє визначити зменшення орбіти після декількох років або десятиліть спостережень.

Інтерв’юер: Бенджамін Томпсон

Точні вимірювання орбіт цих зірок показують, що вони поступово наближаються одна до одної, що і повинно бути, якщо гравітаційні хвилі існують. Проте це непрямий доказ. Отримання прямих доказів існування гравітаційних хвиль вже зовсім інший рівень для фізиків. Щоб виявити таке делікатне явище знадобився детектор з феноменальною точністю.

Респондент: Коул Міллер

Визначні особистості від Джозефа Вебера, який був професором в Мерилендському Університеті до Райнера Вайса з Массачусетського технологічного інституту, осмислювали перспективи та методи на основі використання лазеру.

Інтерв’юер: Бенджамін Томпсон

Тією обсерваторією, що мала фіксувати гравітаційні хвилі, які б надходили до Землі, стала Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія, яка більш відома під назвою LIGO, чиї потужності знаходяться на території США. Вона стала першою сходинкою глобальної системи інтерферометрів, серед яких потужності -VIRGO в Італії та майже введений в експлуатацію KAGRA детектор в Японії. Зараз LIGO – пара детекторів L-подібної форми з парою «рук» 4 кілометри завдовжки. Лазер стріляє в L частину. Де промінь розбивається на дві половини та рухається вздовж рукавів, а потім відбивається назад від дзеркал туди, звідки був випущений. Зазвичай, обом лазерним променям достатньо часу, щоб досягти кінців рукавів та повернутись в початкову точку, де вони гасять один одного. Проте в той час, як гравітаційні хвилі проходять крізь LIGO, вони розтягують простір-час та змінюють довжину цих рук. Це збиває синхронізацію лазерних променів, які більше не гасять один одного та продукують сигнал, який можна виявити. Створення LIGO – один з найдорожчих проектів, який профінансував Національний науковий фонд США. Обсерваторія почала шукати гравітаційні хвилі у 2002. Але видатних результатів дослідники досягли лише, коли обсерваторію оновили, щоб зробити її ще більш чутливою.

Респондент: Коул Міллер

14 вересня 2015 року нарешті вдалося зафіксувати сигнал, що тривав декілька десятих секунди, проте він чітко продемонстрував коливання простору-часу. Його відстежили одразу два детектори LIGO, один у Хенфорді, штат Вашингтон, інший за 3000 кріометрів у Лівінгстоні, штат Луїзіана. Він точно відповідав уявленням вчених про те, як обертаючись одна навколо одної, дві чорні діри мають злитись між собою.

Інтерв’юер: Бенджамін Томпсон

Подія з визначною назвою GW150914 охоплює останні оберти цих чорних дір, які все більше наближались одна до одної та обертались безліч раз за секунду, збурюючи простір-час навколо, доки, нарешті, не врізались одна в одну з приголомшливою серією гравітаційних хвиль, що розлетілись Всесвітом. Іноді в науці Вам може пощастить, коли зорі, а в цьому випадку чорні діри розташовуються в площині орієнтації інтерферометра. Обсерваторія LIGO технічно не була в повному режимі роботи. Обсерваторія мала запрацювати за кілька днів, проте фактично вона була вже готова.

Респондент: Коул Міллер

Шанси натрапити на таку подію були незначні. Науковій спільноті пощастило зафіксувати це. Здавалось, що Всесвіт чекав, поки детектори LIGO будуть готові.

Інтерв’юер: Бенджамін Томпсон

Тож як звучить зіткнення двох чорних дір? Далі представлений сигнал, який зафіксувала LIGO, переведений у частоти, які ми можемо сприймати.

Аудіозапис GW150914

Інтерв’юер: Бенджамін Томпсон

Хоча аудіо не звучить дуже вражаюче, це був визначний момент для науки. Райнер Вайс, Кіп Торн та Беррі Беріш у 2017 році розділили Нобелівську премію з фізики за спостереження гравітаційних хвиль. На церемонії Вайс подякував всім іншим науковцям з інституцій по всій планеті за їх вклад, що дозволив зафіксувати таке феноменальне явище. Це відкриття дозволило вченим глибше зрозуміти загальну теорію відносності, яку висунув Альберт Ейнштейн понад 100 років тому.

Респондент: Коул Міллер

Важливо пам’ятати, що теорія відносності справилась з усіма викликами, які перед нею постали. На відміну від теорій інших фундаментальних сил, гравітацію дуже важко перевірити. Вам може здатися неочевидним, якщо ви спіткнетеся і впадете, але насправді гравітаційна взаємодія дуже слабка. Коли ми розмірковуємо про різні типи гравітації, які залучені в процес існування чорних дір або їх менш відомих родичів, нейтронних зірок, ми можемо припустити, що справжня природа гравітації відрізняється від того, що припускав Ейнштейн, втім виявити таку різницю можна лише тоді, коли гравітації дуже сильна. Спостереження за гравітаційними хвилями від злиття чорних дір дає нам можливість побачити справжню природу гравітації. Треба відзначити, що теорія Ейнштейна поки досить успішно тримає позиції.

Інтерв’юер: Бенджамін Томпсон

Маючі можливість зафіксувати гравітаційні хвилі у фізиків з’являється шанс поглянути на Всесвіт з іншого боку. Втім LIGO лише перший крок. Наразі вже складений каталог злиття чорних діл та зіткнень нейтронних зірок. Коул вважає, що спроможність фіксувати гравітаційні хвилі дозволить вченим дізнатися більше про Всесвіт.

Респондент: Коул Міллер

Ми плануємо вивчати надзвичайні фізичні процеси. Ми очікуємо ще більше подібних подій, коли ми зможемо дізнатися більше про гравітацію, злиття нейтронних зірок, з чого вони складаються та що знаходиться в їх центрі. Цю загадку можна вирішити астрономічними спостереженнями, що тривають та будуть продовжуватись і надалі, коли детектори будуть ставати більш чутливими, а їх кількість буде збільшуватись.

Інтерв’юер: Бенджамін Томпсон

На додачу до вдосконалення наявних детекторів проектуються та будуються нові. Зараз погляди спрямовані у космос. Вчені очікують 2030-х, коли буде запущена місія LISA, Лазерна інтерферометрична космічна антена (Laser Interferometer Space Antenna). Місія LISA – тріо апаратів, що розлетяться на мільйони кілометрів один від одного та прокладуть шлях до ери надчутливих досліджень. Що відкриють ці нові детектори, поки не знає ніхто, втім будемо пам’ятати, що науковці почали досліджувати гравітаційні хвилі лише кілька років тому. Однак, 14 вересня 2015 року, — дата, коли існування цих хвиль, нарешті, підтвердилось.

Nature Podcast (28 жовтня 2019)

Посилання на оригінал

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

14

Это пользовательский материал, написанный участником сообщества, который не входит в состав редакции или администрации. Поддерживая авторов оценками, вы помогаете нашему сообществу развиваться.

Войдите, чтобы видеть ещё 1 комментарий, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Занимательная Гвинн Шотвелл
Вечность назад

Нагадало Маршака: "Ищут пожарные, ищет милиция, ищут фотографы в нашей столице. Ищут давно, но не могут найти..."

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.