Qravitasiya Dalğaları və Onların Kəşfi Nədir?
Qravitasiya dalğaları müasir fizikada ən heyrətamiz kəşflərdən biridir, çünki onlar insanlara kainatı müşahidə etmək üçün "yeni bir yol" verir. Astronomiya əvvəllər görünən işıqdan, radiodan, infraqırmızıdan rentgen şüalarına qədər işığa əsaslanırdısa, qravitasiya dalğaları bizə məkanın və zamanın özünün "titrəmələrini" eşitməyə imkan verir. Bu fenomen sadəcə bir nəzəriyyə deyil; qravitasiya dalğaları birbaşa aşkar edilmiş və kosmik tədqiqatlarda, xüsusən də qara dəliklər və neytron ulduzları kimi ekstremal obyektlərlə bağlı yeni bir fəsil açmışdır.
Qravitasiya dalğaları nədir?
Sadə dillə desək, qravitasiya dalğaları çox böyük bir kütlənin sürətlənməsi səbəbindən fəza-zaman boyunca yayılan dalğalar və ya "dalğalar"dır. Fəza-zaman anlayışı Albert Eynşteynin Ümumi Nisbilik Nəzəriyyəsindən (1915) qaynaqlanır və bu nəzəriyyə cazibə qüvvəsini Nyuton fizikasında olduğu kimi cəlbedici qüvvə kimi deyil, kütlə və enerjinin mövcudluğuna görə fəza və zamanın əyriliyi kimi görür. Böyük kütlələr müəyyən yollarla hərəkət etdikdə - məsələn, bir-birinin ətrafında fırlanan iki qara dəlik - fəza-zaman əyriliyi dinamik olaraq dəyişir və bütün istiqamətlərə yayılan pozuntular yaradır. Bu pozuntulara qravitasiya dalğaları deyilir.
Qravitasiya dalğaları işıq sürəti ilə hərəkət edir. Lakin, keçdikləri cisimlərə təsiri olduqca azdır. Bir kilometr aralıda iki nöqtə təsəvvür edin: keçən qravitasiya dalğası bu məsafəni protonun diametrindən az dəyişə bilər. Buna görə də, bu fikir 20-ci əsrin əvvəllərindən bəri mövcud olsa da, onu sübut etmək üçün inanılmaz dərəcədə mürəkkəb texnologiya tələb olunurdu.
Kainatdakı cazibə dalğalarının mənbələri
Bütün kütlə hərəkətləri ölçülə bilən cazibə dalğaları yaratmır. Hərəkətdə olan avtomobil və ya qaçan bir insan kimi gündəlik hadisələr texniki olaraq cazibə dalğaları yayır, lakin onların amplitudaları aşkar etmək üçün çox kiçikdir. Müşahidə edilə bilən cazibə dalğaları adətən nəhəng kütlələri, həddindən artıq sürətlənmələri və asimmetrik hərəkəti əhatə edən kosmik hadisələrdən qaynaqlanır.
Qravitasiya dalğalarının əsas mənbələrindən bəziləri bunlardır:
1. Qara dəliklərin birləşməsi
Orbitdə hərəkət edən iki qara dəlik cazibə dalğaları vasitəsilə enerjisini itirəcək, orbitləri kiçiləcək və nəticədə toqquşub birləşəcəklər. Bu hadisə güclü cazibə dalğası siqnalı yaradacaq.
2. Neytron ulduzlarının birləşməsi
Neytron ulduzu nəhəng bir ulduzun sıx, qalıq nüvəsidir. İki neytron ulduzu birləşdikdə, cazibə dalğaları yaratmaqla yanaşı, bu hadisə müxtəlif dalğa uzunluqlarında işıq saça və qızıl kimi ağır elementlər də yarada bilər.
3. Supernova və nəhəng ulduz partlayışları
Ulduz nüvəsinin çökməsi bəzən asimmetrik olur və cazibə dalğaları yaya bilər, baxmayaraq ki, onları aşkar etmək çox çətindir.
4. Neytron ulduzlarının qeyri-kamil fırlanması
Əgər neytron ulduzu kiçik bir "qabarma" və ya nizamsızlıqla fırlanırsa, davamlı olaraq cazibə dalğaları yayır.
5. İlkin cazibə dalğaları
Bir fərziyyə var ki, kainat İlkin mərhələlər kosmik fonda "donmuş" cazibə dalğaları yaratdı. Aşkar edilərsə, bu, sonrakı ilk saniyələr haqqında ipucları verə bilər. Big Bang.
Eynşteynin nəzəriyyəsindən ilk sübuta qədər
Eynşteyn 1916-cı ildə Ümumi Nisbilik nəzəriyyəsinin tənliklərinə əsaslanaraq cazibə dalğalarını proqnozlaşdırdı (və 1918-ci ildə onları təkmilləşdirdi). Lakin onilliklərdir ki, elm adamları cazibə dalğalarının real, yoxsa sadəcə riyazi artefakt olub-olmadığı barədə mübahisə edirlər. Çətinlik fəza-zamanın dinamik olmasından irəli gəlir; "həqiqətən" ölçülə bilən şeyləri anlamaq həmişə asan olmur.
20-ci əsrin ortalarında nisbilik nəzəriyyəsinin inkişaf etdiyi və fiziklərin cazibə dalğalarının real enerji daşıdığını anlamağa başladığı dövrdə mühüm bir dönüş nöqtəsi baş verdi. Əgər bir sistem cazibə dalğaları yaymaqla enerjisini itirirsə, onun orbiti və ya hərəkəti ölçülə bilən şəkildə dəyişməlidir.
Dolayı dəlil: Hulse-Teylor ikili pulsarları
1974-cü ildə iki astronom — Rassel Huls və Cozef Teylor — PSR B1913+16 adlı ikili pulsar sistemini kəşf etdilər. Pulsarlar “mayaklar” kimi dövri radio siqnalları yayan neytron ulduzlarıdır. İkili sistemdə pulsar başqa bir neytron ulduzunun ətrafında fırlanır. Təəccüblüdür ki, bu sistemin orbital dövrü yavaş-yavaş azalır: iki cisim bir-birinə daha da yaxınlaşır.
Bu azalma, Ümumi Nisbilik Nəzəriyyəsinin cazibə dalğaları vasitəsilə enerji itkisi ilə bağlı proqnozları ilə çox dəqiq şəkildə uyğun gəlir. Bu, cazibə dalğalarının mövcudluğuna dair çox güclü dolayı dəlil təqdim edir. Bu kəşfə görə Hulse və Teylor 1993-cü ildə Fizika üzrə Nobel mükafatını aldılar.
Birbaşa kəşf: LIGO və qara dəliklərin "eşitmə" toqquşmaları
Dolayı dəlillərə baxmayaraq, elm adamları hələ də birbaşa aşkarlama ilə məşğuldurlar: Yer kürəsindən keçərkən cazibə dalğalarını tutmaq. Bu səylər dalğaların amplitudaları çox kiçik olduğundan ciddi çətinliklərlə üzləşir. Həll yolu məsafədəki son dərəcə kiçik dəyişiklikləri ölçə bilən lazer interferometrindən istifadə etməkdir.
LIGO necə işləyir?
LIGO (Lazer İnterferometr Qravitasiya Dalğası Rəsədxanası) ABŞ-da iki əsas obyekti olan böyük bir layihədir: biri Vaşinqton ştatının Hanford şəhərində, digəri isə Luiziana ştatının Livinqston şəhərində. Hər birinin 4 kilometr uzunluğunda interferometr qolu var. Lazer şüası qollar boyunca irəli-geri hərəkət edən, sonra yenidən birləşən iki şüaya bölünür. Qravitasiya dalğası keçdikdə, qolların effektiv uzunluğunu çox az dəyişir və ölçülə bilən, dəyişdirilmiş interferensiya nümunəsi yaradır.
Müşahidə edilən siqnalın yerli müdaxilədən (məsələn, kiçik zəlzələ, nəqliyyat vasitələrinin titrəməsi və ya digər ətraf mühit amilləri) qaynaqlanmadığından əmin olmaq üçün iki detektorun müxtəlif yerlərdə olması vacibdir. Əgər hər iki detektor ağlabatan vaxt gecikməsi ilə ardıcıl bir nümunə görürsə, siqnalın kosmosdan gələn cazibə dalğası olma ehtimalı daha yüksəkdir.
İlk aşkarlama: GW150914
14 sentyabr 2015-ci ildə LIGO sonradan GW150914 adlandırılan bir siqnal aşkar etdi. Bu siqnal, kütləsi Günəşin kütləsindən təxminən on dəfə böyük olan iki qara dəliyin birləşməsindən qaynaqlandı və Yerdən bir milyard işıq ilindən çox məsafədə baş verdi. Bu hadisə "cingilti"yə səbəb oldu: iki qara dəlik birləşdikcə pik həddə çatan və sonra sakitləşən tezlik və amplitudanın sürətli artması.
Rəsmi açıqlama 2016-cı ilin fevral ayında verildi və dərhal bir mərhələ kimi qəbul edildi. Bu kəşf yalnız cazibə dalğalarını birbaşa sübut etməklə kifayətlənmədi, həm də ikili qara dəlik sisteminin ilk birbaşa aşkarlanması oldu.
LIGO-ya verdiyi böyük töhfələrə görə 2017-ci il Fizika üzrə Nobel mükafatı Rainer Weiss, Barry C. Barish və Kip S. Thorne-a verildi.
Qravitasiya dalğalarının kəşfi nə üçün vacibdir?
Qravitasiya dalğalarının aşkarlanması çox vaxt qravitasiya dalğası astronomiyası dövrünün başlanğıcı adlanır. Bunun inqilabi olmasının bir neçə səbəbi var:
1. Kainatı müşahidə etmək üçün yeni "hisslərin" açılması
Qara dəliklər kimi bir çox kosmik obyekt asanlıqla aşkar edilə bilən işıq yaymır. Qravitasiya dalğaları bizə bu obyektləri fəza-zama təsirləri vasitəsilə birbaşa öyrənməyə imkan verir.
2. Ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin ekstremal şəraitdə sınaqdan keçirilməsi
Qara dəliklərin birləşmələri inanılmaz dərəcədə güclü cazibə qüvvəsi və inanılmaz dərəcədə yüksək sürətləri əhatə edir. Bunlar Eynşteynin nəzəriyyələrini Yer kürəsində təkrarlanması çətin olan ekstremal şəraitdə sınaqdan keçirmək üçün təbii bir laboratoriyadır.
3. Ağır elementlərin mənşəyini anlayın
Neytron ulduzlarının birləşməsinin r-prosesi (sürətli neytron tutma) vasitəsilə ağır elementlərin əmələ gəlməsi ilə əlaqəli olduğu göstərilmişdir. Bu, neytronlar haradan gəlir sualına cavab tapmağa kömək edir. kainatda qızıl və platinin mənşəyi?
4. Qara dəliklərin və neytron ulduzlarının populyasiyasının xəritələşdirilməsi
Bir çox aşkarlama ilə elm adamları bu kompakt obyektlərin kütlə paylanmasını, birləşmə nisbətlərini və formalaşma tarixini ölçə bilərlər.
Bağlanır
Qravitasiya dalğaları, bir əsrdən çox əvvəl Eynşteyn tərəfindən proqnozlaşdırılan və nəhayət, ikili pulsarlarda dolayı dəlillər və 2015-ci ildə LIGO tərəfindən birbaşa aşkarlama yolu ilə təsdiqlənən fəza-zaman dalğalarıdır. Bu kəşf sadəcə texniki bir nailiyyət deyil, həm də insanların kosmosa baxış tərzində bir dəyişiklikdir: indi biz kainatı sadəcə görməklə kifayətlənmədən, onu "dinləyə" bilərik. Yeni detektorlar və qlobal əməkdaşlıqlar (məsələn, Avropada Virgo, Yaponiyada KAGRA və kosmosda planlaşdırılan LISA) inkişaf etdikcə, qravitasiya dalğası astronomiyasının gələcəyinin daha da zənginləşəcəyi və bizi kainatın ən böyük sirlərinə cavablara yaxınlaşdıracağı gözlənilir.
