რა არის გრავიტაციული ტალღები და მათი აღმოჩენა
გრავიტაციული ტალღები თანამედროვე ფიზიკის ერთ-ერთი ყველაზე გასაოცარი აღმოჩენაა, რადგან ისინი ადამიანებს სამყაროს დაკვირვების „ახალ გზას“ აძლევს. მიუხედავად იმისა, რომ ასტრონომია ადრე სინათლეს ეყრდნობოდა - ხილული სინათლიდან, რადიოსინათლიდან, ინფრაწითელი გამოსხივებიდან რენტგენის სხივებამდე - გრავიტაციული ტალღები საშუალებას გვაძლევს, გავიგოთ თავად სივრცისა და დროის „ვიბრაციები“. ეს ფენომენი მხოლოდ თეორია არ არის; გრავიტაციული ტალღები პირდაპირ იქნა აღმოჩენილი, რაც კოსმოსურ კვლევაში ახალ თავს ხსნის, განსაკუთრებით ექსტრემალური ობიექტების, როგორიცაა შავი ხვრელები და ნეიტრონული ვარსკვლავები, მიმართ.
რა არის გრავიტაციული ტალღები?
მარტივად რომ ვთქვათ, გრავიტაციული ტალღები არის ტალღები ან „ტალღები“, რომლებიც სივრცე-დროში ვრცელდება ძალიან დიდი მასის აჩქარების გამო. სივრცე-დროის კონცეფცია სათავეს იღებს ალბერტ აინშტაინის ფარდობითობის ზოგადი თეორიიდან (1915), რომელიც გრავიტაციას განიხილავს არა როგორც მიმზიდველ ძალას, როგორც ნიუტონის ფიზიკაში, არამედ როგორც სივრცისა და დროის გამრუდებას მასისა და ენერგიის არსებობის გამო. როდესაც დიდი მასები გარკვეული მიმართულებით მოძრაობენ - მაგალითად, ორი შავი ხვრელი ბრუნავს ერთმანეთის გარშემო - სივრცე-დროის გამრუდება დინამიურად იცვლება და გამოყოფს დარღვევებს, რომლებიც ვრცელდება ყველა მიმართულებით. ამ დარღვევებს გრავიტაციული ტალღები ეწოდება.
გრავიტაციული ტალღები სინათლის სიჩქარით ვრცელდებიან. თუმცა, მათი გავლენა იმ ობიექტებზე, რომლებსაც ისინი გაივლიან, უკიდურესად მცირეა. წარმოიდგინეთ ორი წერტილი ერთმანეთისგან ერთი კილომეტრის დაშორებით: გამავალ გრავიტაციულ ტალღას შეუძლია შეცვალოს ეს მანძილი პროტონის დიამეტრზე ნაკლებით. ამიტომ, მიუხედავად იმისა, რომ ეს იდეა XX საუკუნის დასაწყისიდან არსებობს, მის დასამტკიცებლად წარმოუდგენლად დახვეწილი ტექნოლოგია იყო საჭირო.
გრავიტაციული ტალღების წყაროები სამყაროში
ყველა მასის მოძრაობა არ წარმოქმნის გაზომვად გრავიტაციულ ტალღებს. ყოველდღიური მოვლენები, როგორიცაა მოძრავი მანქანა ან მორბენალი ადამიანი, ტექნიკურად ასხივებენ გრავიტაციულ ტალღებს, მაგრამ მათი ამპლიტუდები ძალიან მცირეა აღმოსაჩენად. დაკვირვებადი გრავიტაციული ტალღები, როგორც წესი, წარმოიქმნება კოსმოსური მოვლენებიდან, რომლებიც მოიცავს უზარმაზარ მასებს, ექსტრემალურ აჩქარებებს და ასიმეტრიულ მოძრაობას.
გრავიტაციული ტალღების რამდენიმე ძირითადი წყაროა:
1. შავი ხვრელების შერწყმა
ორი ორბიტაზე მოძრავი შავი ხვრელი გრავიტაციული ტალღების მეშვეობით ენერგიას დაკარგავს, მათი ორბიტები შეიკუმშება და საბოლოოდ ისინი შეეჯახებიან და შეერწყმებიან ერთმანეთს. ეს მოვლენა ძლიერ გრავიტაციულ ტალღურ სიგნალს წარმოქმნის.
2. ნეიტრონული ვარსკვლავების შერწყმა
ნეიტრონული ვარსკვლავი მასიური ვარსკვლავის მკვრივი, ნარჩენი ბირთვია. როდესაც ორი ნეიტრონული ვარსკვლავი ერთმანეთს ერწყმის, გრავიტაციული ტალღების წარმოქმნის გარდა, ამ მოვლენას ასევე შეუძლია სხვადასხვა ტალღის სიგრძის სინათლის გამოსხივება და ისეთი მძიმე ელემენტების წარმოქმნა, როგორიცაა ოქრო.
3. სუპერნოვები და მასიური ვარსკვლავური აფეთქებები
ვარსკვლავის ბირთვის კოლაფსი ზოგჯერ ასიმეტრიულია და შეიძლება გრავიტაციული ტალღები გამოასხივოს, თუმცა მათი აღმოჩენა ძალიან რთულია.
4. ნეიტრონული ვარსკვლავების არასრულყოფილი ბრუნვა
თუ ნეიტრონული ვარსკვლავი მცირე „დარტყმით“ ან არარეგულარულად ბრუნავს, მას შეუძლია გრავიტაციული ტალღების უწყვეტად გამოსხივება.
5. პირველყოფილი გრავიტაციული ტალღები
არსებობს ჰიპოთეზა, რომ ადრეულმა სამყარომ წარმოქმნა გრავიტაციული ტალღები, რომლებიც კოსმოსურ ფონზე „გაიყინა“. თუ აღმოაჩენენ, ეს შეიძლება დიდი აფეთქების შემდეგ პირველი წამების შესახებ მინიშნებებს მოგვცემდეს.
აინშტაინის თეორიიდან პირველ მტკიცებულებამდე
აინშტაინმა გრავიტაციული ტალღები 1916 წელს იწინასწარმეტყველა (და 1918 წელს დახვეწა) ზოგადი ფარდობითობის განტოლებების საფუძველზე. თუმცა, ათწლეულების განმავლობაში მეცნიერები კამათობდნენ, გრავიტაციული ტალღები რეალურია თუ უბრალოდ მათემატიკური არტეფაქტები. სირთულე იმაში მდგომარეობს, რომ სივრცე-დრო დინამიურია; იმის გაგება, თუ რა არის „ჭეშმარიტად“ გაზომვადი, ყოველთვის ადვილი არ არის.
გადამწყვეტი გარდამტეხი მომენტი მე-20 საუკუნის შუა პერიოდში მოხდა, როდესაც ფარდობითობის თეორია განვითარდა და ფიზიკოსებმა დაიწყეს იმის გაგება, რომ გრავიტაციული ტალღები რეალურ ენერგიას ატარებენ. თუ სისტემა გრავიტაციული ტალღების გამოსხივებით ენერგიას კარგავს, მაშინ მისი ორბიტა ან მოძრაობა გაზომვადი გზით უნდა შეიცვალოს.
არაპირდაპირი მტკიცებულება: ჰალს-ტეილორის ორმაგი პულსარები
1974 წელს ორმა ასტრონომმა - რასელ ჰალსმა და ჯოზეფ ტეილორმა - აღმოაჩინეს ორმაგი პულსარული სისტემა, სახელწოდებით PSR B1913+16. პულსარები ნეიტრონული ვარსკვლავებია, რომლებიც პერიოდულ რადიოსიგნალებს „შუქურების“ მსგავსად ასხივებენ. ორობით სისტემაში პულსარი სხვა ნეიტრონული ვარსკვლავის გარშემო ბრუნავს. გასაკვირია, რომ ამ სისტემის ორბიტალური პერიოდი თანდათან მცირდება: ორი ობიექტი ერთმანეთს უახლოვდება.
ეს კლება ძალიან ზუსტად ემთხვევა ზოგადი ფარდობითობის თეორიის პროგნოზებს გრავიტაციული ტალღების მეშვეობით ენერგიის დაკარგვის შესახებ. ეს გრავიტაციული ტალღების არსებობის ძალიან ძლიერ ირიბ მტკიცებულებას იძლევა. ამ აღმოჩენისთვის ჰალსმა და ტეილორმა ფიზიკის დარგში 1993 წელს ნობელის პრემია მიიღეს.
პირდაპირი აღმოჩენა: LIGO-ს და შავი ხვრელების „მოსმენის“ შეჯახებები
დამაჯერებელი არაპირდაპირი მტკიცებულებების მიუხედავად, მეცნიერები კვლავ ცდილობენ პირდაპირი დაფიქსირების განხორციელებას: გრავიტაციული ტალღების დაფიქსირებას დედამიწაზე მათი გავლისას. ეს მცდელობა მნიშვნელოვანი გამოწვევების წინაშე დგას, რადგან ტალღების ამპლიტუდა ძალიან მცირეა. გამოსავალი ლაზერული ინტერფერომეტრის გამოყენებაა, მოწყობილობა, რომელსაც შეუძლია მანძილის უკიდურესად მცირე ცვლილებების გაზომვა.
როგორ მუშაობს LIGO?
LIGO (ლაზერული ინტერფერომეტრული გრავიტაციული ტალღების ობსერვატორია) შეერთებულ შტატებში მასშტაბური პროექტია ორი ძირითადი ობიექტით: ერთი ჰენფორდში, ვაშინგტონის შტატში და მეორე ლივინგსტონში, ლუიზიანას შტატში. თითოეულს 4 კილომეტრის სიგრძის ინტერფერომეტრის მკლავი აქვს. ლაზერული სხივი იყოფა ორ სხივად, რომლებიც მკლავების გასწვრივ წინ და უკან მოძრაობენ და შემდეგ ხელახლა ერთიანდებიან. როდესაც გრავიტაციული ტალღა მათში გადის, ის ძალიან ოდნავ ცვლის მკლავების ეფექტურ სიგრძეს, რაც წარმოქმნის გაზომვად, შეცვლილ ინტერფერენციულ ნიმუშს.
ორი დეტექტორის სხვადასხვა ადგილას განთავსება უმნიშვნელოვანესია იმის უზრუნველსაყოფად, რომ დაკვირვებული სიგნალი არ იყოს გამოწვეული ადგილობრივი ჩარევით (მაგალითად, მცირე მიწისძვრით, ავტომობილის ვიბრაციით ან სხვა გარემო ფაქტორებით). თუ ორივე დეტექტორი ხედავს თანმიმდევრულ ნიმუშს გონივრული დროის ჩამორჩენით, გაცილებით სავარაუდოა, რომ სიგნალი კოსმოსიდან წამოსული გრავიტაციული ტალღაა.
პირველი აღმოჩენა: GW150914
2015 წლის 14 სექტემბერს, LIGO-მ აღმოაჩინა სიგნალი, რომელსაც მოგვიანებით GW150914 უწოდეს. ეს სიგნალი წარმოიშვა ორი შავი ხვრელის შერწყმიდან, რომელთა მასა მზის მასას დაახლოებით ათჯერ აღემატებოდა და დედამიწიდან მილიარდ სინათლის წელზე მეტი იყო დაშორებული. ამ მოვლენამ გამოიწვია „ჭიკჭიკი“: სიხშირისა და ამპლიტუდის სწრაფი ზრდა, რომელიც პიკს მიაღწია ორი შავი ხვრელის შერწყმისას, შემდეგ კი ჩაცხრა.
ოფიციალური განცხადება 2016 წლის თებერვალში გაკეთდა და მაშინვე ეტაპობრივად შეფასდა. ამ აღმოჩენამ არა მხოლოდ გრავიტაციული ტალღების არსებობა პირდაპირ დაამტკიცა, არამედ ბინარული შავი ხვრელის სისტემის პირველი პირდაპირი აღმოჩენაც აღნიშნა.
LIGO-ში შეტანილი მნიშვნელოვანი წვლილისთვის, ფიზიკის დარგში 2017 წლის ნობელის პრემია რაინერ ვაისს, ბარი ს. ბარიშს და კიპ ს. თორნს გადაეცათ.
რატომ არის გრავიტაციული ტალღების აღმოჩენა მნიშვნელოვანი?
გრავიტაციული ტალღების აღმოჩენას ხშირად გრავიტაციული ტალღების ასტრონომიის ეპოქის დასაწყისს უწოდებენ. არსებობს რამდენიმე მიზეზი, თუ რატომ არის ეს რევოლუციური:
1. სამყაროს დასაკვირვებლად ახალი „გრძნობების“ გახსნა
ბევრი კოსმოსური ობიექტი, მაგალითად, შავი ხვრელები, არ ასხივებენ ადვილად შესამჩნევ სინათლეს. გრავიტაციული ტალღები საშუალებას გვაძლევს, უშუალოდ შევისწავლოთ ეს ობიექტები სივრცე-დროზე მათი ზემოქმედების გზით.
2. ფარდობითობის ზოგადი თეორიის ტესტირება ექსტრემალურ პირობებში
შავი ხვრელების შერწყმა წარმოუდგენლად ძლიერ გრავიტაციას და წარმოუდგენლად მაღალ სიჩქარეს მოიცავს. ისინი ბუნებრივ ლაბორატორიას წარმოადგენენ აინშტაინის თეორიების შესამოწმებლად ექსტრემალურ პირობებში, რომელთა დედამიწაზე გამეორება რთულია.
3. მძიმე ელემენტების წარმოშობის გაგება
ნეიტრონული ვარსკვლავების შერწყმა დაკავშირებულია მძიმე ელემენტების წარმოქმნასთან r-პროცესის (ნეიტრონების სწრაფი დაჭერა) მეშვეობით. ეს გვეხმარება ვუპასუხოთ კითხვას: საიდან გაჩნდა ოქრო და პლატინა სამყაროში?
4. შავი ხვრელებისა და ნეიტრონული ვარსკვლავების პოპულაციის რუკაზე დატანა
მრავალი აღმოჩენის შედეგად, მეცნიერებს შეუძლიათ გაზომონ ამ კომპაქტური ობიექტების მასის განაწილება, შერწყმის სიჩქარე და ფორმირების ისტორია.
დახურვა
გრავიტაციული ტალღები სივრცე-დროის ტალღებია, რომლებიც აინშტაინმა საუკუნეზე მეტი ხნის წინ იწინასწარმეტყველა და საბოლოოდ დადასტურდა ბინარულ პულსარებში არაპირდაპირი მტკიცებულებებით და LIGO-ს მიერ 2015 წელს პირდაპირი აღმოჩენით. ეს აღმოჩენა არა მხოლოდ ტექნიკური მიღწევაა, არამედ ცვლილებაა იმაში, თუ როგორ აღიქვამენ ადამიანები კოსმოსს: ახლა ჩვენ შეგვიძლია „მოვისმინოთ“ სამყარო და არა მხოლოდ დავინახოთ იგი. ახალი დეტექტორებისა და გლობალური თანამშრომლობის (მაგალითად, Virgo ევროპაში, KAGRA იაპონიაში და დაგეგმილი LISA კოსმოსში) განვითარებასთან ერთად, გრავიტაციული ტალღების ასტრონომიის მომავალი, სავარაუდოდ, კიდევ უფრო მდიდარი გახდება, რაც სამყაროს უდიდესი საიდუმლოებების პასუხებთან დაგვაახლოებს.
