Што такое гравітацыйныя хвалі і іх адкрыццё
Гравітацыйныя хвалі — адно з самых дзіўных адкрыццяў у сучаснай фізіцы, бо яны даюць людзям «новы спосаб» назірання за Сусветам. У той час як астраномія раней абапіралася на святло — ад бачнага святла, радыё, інфрачырвонага выпраменьвання да рэнтгенаўскіх прамянёў, — гравітацыйныя хвалі дазваляюць нам чуць «вібрацыі» самой прасторы і часу. Гэтая з'ява — не проста тэорыя; гравітацыйныя хвалі былі непасрэдна выяўлены, адкрываючы новую главу ў касмічных даследаваннях, асабліва ў дачыненні да экстрэмальных аб'ектаў, такіх як чорныя дзіркі і нейтронныя зоркі.
Што такое гравітацыйныя хвалі?
Проста кажучы, гравітацыйныя хвалі — гэта рабізна або «хвалі», якія распаўсюджваюцца ў прасторы-часе з-за паскарэння вельмі вялікай масы. Паняцце прасторы-часу паходзіць з агульнай тэорыі адноснасці Альберта Эйнштэйна (1915), якая разглядае гравітацыю не як сілу прыцягнення, як у ньютанаўскай фізіцы, а як крывізну прасторы і часу з-за наяўнасці масы і энергіі. Калі вялікія масы рухаюцца пэўным чынам — напрыклад, дзве чорныя дзіркі, якія круцяцца адна вакол адной — крывізна прасторы-часу дынамічна змяняецца і выклікае абурэнні, якія распаўсюджваюцца ва ўсіх напрамках. Гэтыя абурэнні называюцца гравітацыйнымі хвалямі.
Гравітацыйныя хвалі распаўсюджваюцца з хуткасцю святла. Аднак іх уплыў на аб'екты, праз якія яны праходзяць, надзвычай малы. Уявіце сабе дзве кропкі, размешчаныя на адлегласці аднаго кіламетра адна ад адной: гравітацыйная хваля, якая праходзіць, можа змяніць гэтую адлегласць менш чым на дыяметр пратона. Такім чынам, хоць гэтая ідэя існуе з пачатку 20 стагоддзя, для яе даказаць патрабаваліся неверагодна складаныя тэхналогіі.
Крыніцы гравітацыйных хваль у Сусвеце
Не ўсе рухі мас ствараюць вымерныя гравітацыйныя хвалі. Паўсядзённыя падзеі, такія як рух аўтамабіля або бег чалавека, тэхнічна выпраменьваюць гравітацыйныя хвалі, але іх амплітуды занадта малыя, каб іх выявіць. Назіраныя гравітацыйныя хвалі звычайна ўзнікаюць у выніку касмічных падзей, звязаных з велізарнымі масамі, экстрэмальнымі паскарэннямі і асіметрычным рухам.
Некаторыя з асноўных крыніц гравітацыйных хваль ўключаюць:
1. Зліццё чорных дзірак
Дзве чорныя дзіркі, якія круцяцца вакол сваёй арбіты, страцяць энергію праз гравітацыйныя хвалі, іх арбіты скароцяцца, і ў рэшце рэшт яны сутыкнуцца і зліюцца. Гэта падзея прывядзе да ўтварэння магутнага сігналу гравітацыйнай хвалі.
2. Зліццё нейтронных зорак
Нейтронная зорка — гэта шчыльнае рэшткавае ядро масіўнай зоркі. Калі дзве нейтронныя зоркі зліваюцца, акрамя ўзнікнення гравітацыйных хваль, гэта падзея таксама можа выпраменьваць святло розных даўжынь хваль і ствараць цяжкія элементы, такія як золата.
3. Звышновыя і выбухі масіўных зорак
Калапс ядра зоркі часам бывае асіметрычным і можа выпраменьваць гравітацыйныя хвалі, хоць іх выяўленне вельмі складанае.
4. Недасканалае кручэнне нейтронных зорак
Калі нейтронная зорка круціцца з невялікім «выпукласцю» або нерэгулярнасцю, яна можа бесперапынна выпраменьваць гравітацыйныя хвалі.
5. Першасныя гравітацыйныя хвалі
Была высунута гіпотэза, што ранні Сусвет стварае гравітацыйныя хвалі, якія «замярзаюць» у касмічным фоны. Калі гэта будзе выяўлена, гэта можа даць падказкі пра першыя секунды пасля Вялікага выбуху.
Ад тэорыі Эйнштэйна да першага доказу
Эйнштэйн прадказаў гравітацыйныя хвалі ў 1916 годзе (і ўдакладніў іх у 1918 годзе), грунтуючыся на ўраўненнях агульнай тэорыі адноснасці. Але на працягу дзесяцігоддзяў навукоўцы спрачаліся аб тым, ці з'яўляюцца гравітацыйныя хвалі рэальнымі, ці гэта проста матэматычныя артэфакты. Цяжкасць вынікае з таго факту, што прастора-час дынамічная; зразумець, што «сапраўды» вымерна, не заўсёды лёгка.
Вырашальны паваротны момант адбыўся ў сярэдзіне 20-га стагоддзя, калі была распрацавана тэорыя адноснасці, і фізікі пачалі разумець, што гравітацыйныя хвалі пераносяць рэальную энергію. Калі сістэма губляе энергію, выпраменьваючы гравітацыйныя хвалі, то яе арбіта або рух павінны змяняцца вымерным чынам.
Ускосныя доказы: падвойныя пульсары Халса-Тэйлара
У 1974 годзе два астраномы — Расэл Халс і Джозэф Тэйлар — адкрылі падвойную пульсарную сістэму пад назвай PSR B1913+16. Пульсары — гэта нейтронные зоркі, якія выпраменьваюць перыядычныя радыёсігналы, падобныя на «маякі». У падвойнай сістэме пульсар круціцца вакол іншай нейтроннай зоркі. Дзіўна, але перыяд абарачэння гэтай сістэмы павольна скарачаецца: два аб'екты збліжаюцца адзін з адным.
Гэтае зніжэнне вельмі дакладна адпавядае прадказанням агульнай тэорыі адноснасці адносна страты энергіі праз гравітацыйныя хвалі. Гэта дае вельмі важкія ўскосныя доказы існавання гравітацыйных хваль. За гэтае адкрыццё Халс і Тэйлар атрымалі Нобелеўскую прэмію па фізіцы ў 1993 годзе.
Прамое адкрыццё: LIGO і «чуццё» сутыкненняў чорных дзірак
Нягледзячы на пераканаўчыя ўскосныя доказы, навукоўцы ўсё яшчэ імкнуцца да прамога выяўлення: фіксацыі гравітацыйных хваль, калі яны праходзяць праз Зямлю. Гэтыя намаганні сутыкаюцца са значнымі праблемамі, бо амплітуды хваль вельмі малыя. Рашэннем з'яўляецца выкарыстанне лазернага інтэрферометра, прылады, якая можа вымяраць надзвычай малыя змены адлегласці.
Як працуе LIGO?
LIGO (Лазерная інтэрфераметрычная гравітацыйна-хвалевая абсерваторыя) — гэта буйны праект у ЗША з двума асноўнымі аб'ектамі: адным у Хэнфардзе, штат Вашынгтон, і адным у Лівінгстане, штат Луізіяна. Кожны з іх мае інтэрфераметрычную плячо даўжынёй 4 кіламетры. Лазерны прамень падзяляецца на два прамяні, якія рухаюцца туды-сюды ўздоўж плячэй, а затым рэкамбінуюцца. Калі гравітацыйная хваля праходзіць праз іх, яна нязначна змяняе эфектыўную даўжыню плячэй, ствараючы вымерную, змененую інтэрферэнцыйную карціну.
Наяўнасць двух дэтэктараў у розных месцах мае вырашальнае значэнне для таго, каб пераканацца, што назіраны сігнал не выкліканы лакальнымі перашкодамі (напрыклад, невялікім землятрусам, вібрацыяй транспартнага сродку або іншымі фактарамі навакольнага асяроддзя). Калі абодва дэтэктары бачаць аднолькавую карціну з разумным часовым затрымкай, сігнал, хутчэй за ўсё, з'яўляецца гравітацыйнай хваляй з космасу.
Першае выяўленне: GW150914
14 верасня 2015 года LIGO выявіў сігнал, які пазней атрымаў назву GW150914. Гэты сігнал узнік у выніку зліцця дзвюх чорных дзірак з масамі прыкладна ў дзесяць разоў большымі за масу Сонца, якое адбылося больш чым за мільярд светлавых гадоў ад Зямлі. Гэта падзея выклікала «чырканне»: хуткае павелічэнне частаты і амплітуды, якое дасягнула піка пры зліцці дзвюх чорных дзірак, а затым знікла.
Афіцыйная заява была зроблена ў лютым 2016 года і адразу ж была ўспрынята як важная падзея. Гэта адкрыццё не толькі непасрэдна пацвердзіла існаванне гравітацыйных хваль, але і стала першым непасрэдным выяўленнем падвойнай сістэмы чорных дзірак.
За значны ўклад у LIGO Нобелеўскую прэмію па фізіцы 2017 года атрымалі Райнер Вайс, Бары К. Бэрыш і Кіп С. Торн.
Чаму адкрыццё гравітацыйных хваль важнае?
Выяўленне гравітацыйных хваль часта называюць пачаткам эры гравітацыйна-хвалевай астраноміі. Ёсць некалькі прычын, чаму гэта рэвалюцыйна:
1. Адкрыццё новых «пачуццяў» для назірання за Сусветам
Многія касмічныя аб'екты, такія як чорныя дзіркі, не выпраменьваюць святла, якое лёгка выявіць. Гравітацыйныя хвалі дазваляюць нам вывучаць гэтыя аб'екты непасрэдна праз іх уплыў на прастору-час.
2. Праверка агульнай тэорыі адноснасці ў экстрэмальных умовах
Зліцці чорных дзірак звязаны з неверагодна моцнай гравітацыяй і неверагодна высокімі хуткасцямі. Яны з'яўляюцца натуральнай лабараторыяй для праверкі тэорый Эйнштэйна ў экстрэмальных умовах, якія цяжка паўтарыць на Зямлі.
3. Зразумейце паходжанне цяжкіх элементаў
Было паказана, што зліцці нейтронных зорак звязаны з утварэннем цяжкіх элементаў праз r-працэс (хуткі захоп нейтронаў). Гэта дапамагае адказаць на пытанне: адкуль у Сусвеце ўзяліся золата і плаціна?
4. Картаграфаванне папуляцыі чорных дзірак і нейтронных зорак
Дзякуючы шматлікім выяўленням навукоўцы могуць вымераць размеркаванне масы, хуткасць зліцця і гісторыю ўтварэння гэтых кампактных аб'ектаў.
Закрыццё
Гравітацыйныя хвалі — гэта рабізны ў прасторы-часе, прадказаныя Эйнштэйнам больш за стагоддзе таму і канчаткова пацверджаныя праз ускосныя доказы ў падвойных пульсарах і прамое выяўленне LIGO ў 2015 годзе. Гэта адкрыццё — не проста тэхнічнае дасягненне, а змяненне ў тым, як людзі ўспрымаюць космас: цяпер мы можам «слухаць» Сусвет, а не толькі бачыць яго. Па меры развіцця новых дэтэктараў і глабальных супрацоўніцтваў (такіх як Virgo ў Еўропе, KAGRA ў Японіі і запланаваны LISA ў космасе) чакаецца, што будучыня гравітацыйна-хвалевай астраноміі стане яшчэ больш багатай, наблізіўшы нас да адказаў на найвялікшыя таямніцы Сусвету.
