Гравитациялык толкундар деген эмне жана алардын ачылышы
Гравитациялык толкундар заманбап физикадагы эң таң калыштуу ачылыштардын бири болуп саналат, анткени алар адамдарга ааламды байкоонун "жаңы жолун" берет. Астрономия мурда жарыкка — көрүнгөн жарыктан, радиодон, инфракызылдан рентген нурларына чейин — таянып келсе, гравитациялык толкундар бизге мейкиндиктин жана убакыттын өзүнүн "термелүүлөрүн" угууга мүмкүндүк берет. Бул кубулуш жөн гана теория эмес; гравитациялык толкундар түздөн-түз аныкталып, космостук изилдөөлөрдө, айрыкча кара тешиктер жана нейтрон жылдыздары сыяктуу экстремалдык объектилерге байланыштуу жаңы бөлүмдү ачты.
Гравитациялык толкундар деген эмне?
Жөнөкөй сөз менен айтканда, гравитациялык толкундар – бул абдан чоң массанын ылдамдануусунан улам мейкиндик-убакыт аркылуу тараган толкундар же "толкундар". Мейкиндик-убакыт түшүнүгү Альберт Эйнштейндин Жалпы салыштырмалуулук теориясынан (1915) келип чыккан, ал гравитацияны Ньютон физикасындагыдай тартылуу күчү катары эмес, массанын жана энергиянын болушунан улам мейкиндик менен убакыттын ийри сызыгы катары карайт. Чоң массалар белгилүү бир жолдор менен кыймылдаганда – мисалы, бири-биринин айланасында айланган эки кара тешик – мейкиндик-убакыттын ийри сызыгы динамикалык түрдө өзгөрүп, бардык багыттар боюнча тараган бузулууларды чыгарат. Бул бузулуулар гравитациялык толкундар деп аталат.
Гравитациялык толкундар жарыктын ылдамдыгы менен тарайт. Бирок, алардын алар өтүп жаткан нерселерге тийгизген таасири өтө аз. Бир километр аралыктагы эки чекитти элестетип көрүңүз: өтүп бараткан гравитациялык толкун ал аралыкты протондун диаметринен азга өзгөртө алат. Ошондуктан, бул идея 20-кылымдын башынан бери айтылып келе жатканы менен, аны далилдөө үчүн укмуштуудай татаал технология талап кылынган.
Ааламдагы гравитациялык толкундардын булактары
Бардык эле массалык кыймылдар өлчөнө турган гравитациялык толкундарды пайда кыла бербейт. Күнүмдүк окуялар, мисалы, жүрүп бараткан унаа же чуркап бараткан адам, техникалык жактан гравитациялык толкундарды чыгарат, бирок алардын амплитудаларын аныктоо өтө кичинекей. Байкалып турган гравитациялык толкундар, адатта, эбегейсиз чоң массаларды, өтө жогорку ылдамданууларды жана асимметриялык кыймылды камтыган космостук окуялардан келип чыгат.
Гравитациялык толкундардын негизги булактарынын айрымдары төмөнкүлөрдү камтыйт:
1. Кара тешиктердин биригиши
Айланып жүргөн эки кара тешик гравитациялык толкундар аркылуу энергиясын жоготот, алардын орбиталары кичирейет жана акыры алар кагылышып, биригет. Бул окуя күчтүү гравитациялык толкун сигналын пайда кылат.
2. Нейтрон жылдыздарынын биригиши
Нейтрон жылдызы – бул массивдүү жылдыздын тыгыз, калдык ядросу. Эки нейтрон жылдызы биригип, гравитациялык толкундарды пайда кылуудан тышкары, бул окуя ар кандай толкун узундуктарындагы жарыкты чыгарып, алтын сыяктуу оор элементтерди да пайда кылышы мүмкүн.
3. Супернова жана чоң жылдыз жарылуулары
Жылдыздын өзөгүнүн кыйрашы кээде асимметриялуу болот жана гравитациялык толкундарды чыгарышы мүмкүн, бирок аларды аныктоо абдан кыйын.
4. Нейтрон жылдыздарынын кемчиликтүү айлануусу
Эгерде нейтрон жылдызы бир аз "бүркүлүү" же бир калыпта эместик менен айланса, ал гравитациялык толкундарды тынымсыз чыгара алат.
5. Баштапкы гравитациялык толкундар
Алгачкы аалам космостук фонго "тоңуп калган" гравитациялык толкундарды пайда кылган деген гипотеза бар. Эгер алар аныкталса, бул Чоң жарылуудан кийинки алгачкы секунддар жөнүндө ишарат бере алат.
Эйнштейндин теориясынан биринчи далилге чейин
Эйнштейн 1916-жылы гравитациялык толкундарды жалпы салыштырмалуулук теориясынын теңдемелерине таянып алдын ала айткан (жана аларды 1918-жылы тактаган). Бирок ондогон жылдар бою окумуштуулар гравитациялык толкундар чыныгыбы же жөн гана математикалык артефактпы деген талаш-тартыштарды жүргүзүп келишкен. Кыйынчылык мейкиндик-убакыт динамикалуу экендигинен келип чыгат; "чындыгында" өлчөнө турган нерсени түшүнүү дайыма эле оңой боло бербейт.
20-кылымдын ортосунда салыштырмалуулук теориясы өнүгүп, физиктер гравитациялык толкундар чыныгы энергияны алып жүрөрүн түшүнө баштаганда маанилүү бурулуш учур болгон. Эгерде система гравитациялык толкундарды чыгаруу менен энергиясын жоготсо, анда анын орбитасы же кыймылы өлчөнө тургандай өзгөрүшү керек.
Кыйыр далилдер: Халс-Тейлор кош пульсарлары
1974-жылы эки астроном — Рассел Халс жана Джозеф Тейлор — PSR B1913+16 деп аталган кош пульсар системасын ачышкан. Пульсарлар — бул "маяктар" сыяктуу мезгилдүү радио сигналдарды чыгаруучу нейтрон жылдыздары. Экилик системада пульсар башка нейтрон жылдызынын айланасында айланат. Таң калыштуусу, бул системанын орбиталык мезгили акырындык менен азайып баратат: эки объект бири-бирине жакындап баратат.
Бул төмөндөө Жалпы салыштырмалуулук теориясынын гравитациялык толкундар аркылуу энергиянын жоголушу жөнүндөгү божомолдоруна абдан так дал келет. Бул гравитациялык толкундардын бар экендигинин абдан күчтүү кыйыр далилин берет. Бул ачылышы үчүн Халс менен Тейлор 1993-жылы физика боюнча Нобель сыйлыгын алышкан.
Түз ачылыш: LIGO жана кара тешиктердин кагылышуусун "угуу"
Кыйыр далилдерге карабастан, окумуштуулар дагы эле түз аныктоону улантууда: гравитациялык толкундар Жер аркылуу өтүп баратканда аларды кармоо. Бул аракет олуттуу кыйынчылыктарга туш болууда, анткени толкундардын амплитудасы өтө кичинекей. Чечим - аралыктагы өтө кичинекей өзгөрүүлөрдү өлчөй турган лазердик интерферометрди колдонуу.
LIGO кантип иштейт?
LIGO (Лазердик интерферометрдик гравитациялык толкун обсерваториясы) - бул АКШдагы эки негизги имараты бар ири долбоор: бири Вашингтон штатынын Ханфорд шаарында жана бири Луизиана штатынын Ливингстон шаарында. Ар биринин 4 километр узундуктагы интерферометрдик колу бар. Лазер нуру эки нурга бөлүнөт, алар колдор боюнча алдыга жана артка жылып, андан кийин кайра биригет. Гравитациялык толкун өткөндө, ал колдордун эффективдүү узундугун бир аз өзгөртүп, өлчөнө турган, өзгөртүлгөн интерференциялык схеманы пайда кылат.
Байкалган сигнал жергиликтүү тоскоолдуктардан (мисалы, кичинекей жер титирөө, унаанын титирөөсү же башка экологиялык факторлор) улам келип чыкпаганын камсыз кылуу үчүн ар кайсы жерлерде эки детектордун болушу абдан маанилүү. Эгерде эки детектор тең убакыттын өтүшү менен бир калыптагы схеманы көрсө, анда сигнал космостон келген гравитациялык толкун болушу ыктымал.
Биринчи аныктоо: GW150914
2015-жылдын 14-сентябрында LIGO кийинчерээк GW150914 деп аталган сигналды аныктаган. Бул сигнал Күндүн массасынан он эсе чоң болгон эки кара тешиктин биригишинен келип чыккан жана Жерден бир миллиард жарык жылынан ашык алыстыкта болуп өткөн. Бул окуя "чырылдаган үндү" жараткан: жыштыктын жана амплитуданын тездик менен жогорулашы, эки кара тешик биригип, андан кийин басаңдаганда чокусуна жеткен.
Расмий жарыя 2016-жылдын февраль айында жарыяланып, дароо эле маанилүү окуя катары бааланган. Бул ачылыш гравитациялык толкундарды түздөн-түз далилдеп гана тим болбостон, экилик кара тешик системасынын биринчи жолу түз табылышын белгилеген.
LIGOго кошкон чоң салымы үчүн 2017-жылдагы физика боюнча Нобель сыйлыгы Райнер Вайсске, Барри К. Баришке жана Кип С. Торнго ыйгарылды.
Гравитациялык толкундарды ачуу эмне үчүн маанилүү?
Гравитациялык толкундарды аныктоо көбүнчө гравитациялык толкун астрономиясынын доорунун башталышы деп аталат. Мунун революциялык болушунун бир нече себептери бар:
1. Ааламды байкоо үчүн жаңы "сезимдерди" ачуу
Кара тешиктер сыяктуу көптөгөн космостук объектилер оңой менен аныкталуучу жарык чыгарбайт. Гравитациялык толкундар бизге бул объектилерди мейкиндик-убакытка тийгизген таасири аркылуу түздөн-түз изилдөөгө мүмкүндүк берет.
2. Жалпы салыштырмалуулук теориясын экстремалдык шарттарда текшерүү
Кара тешиктердин биригиши укмуштуудай күчтүү тартылуу күчүн жана укмуштуудай жогорку ылдамдыкты камтыйт. Алар Эйнштейндин теорияларын Жерде кайталоо кыйын болгон экстремалдык шарттарда сыноо үчүн табигый лаборатория болуп саналат.
3. Оор элементтердин келип чыгышын түшүнүү
Нейтрон жылдыздарынын биригиши r-процесси (нейтронду тез кармоо) аркылуу оор элементтердин пайда болушу менен байланыштуу экени көрсөтүлдү. Бул суроого жооп берүүгө жардам берет: ааламда алтын менен платина кайдан пайда болгон?
4. Кара тешиктердин жана нейтрон жылдыздарынын популяциясын картага түшүрүү
Көптөгөн аныктоолор менен окумуштуулар бул компакттуу объектилердин массалык таралышын, биригүү ылдамдыгын жана пайда болуу тарыхын өлчөй алышат.
Penutup
Гравитациялык толкундар – бул Эйнштейн тарабынан бир кылымдан ашык убакыт мурун алдын ала айтылган жана акыры экилик пульсарлардагы кыйыр далилдер жана 2015-жылы LIGO тарабынан түз аныктоо аркылуу тастыкталган мейкиндик-убакыттын толкундары. Бул ачылыш жөн гана техникалык жетишкендик эмес, адамдардын космоско болгон көз карашынын өзгөрүшү: биз эми ааламды жөн гана көрбөстөн, аны "уга" алабыз. Жаңы детекторлор жана глобалдык кызматташтыктар (мисалы, Европадагы Virgo, Япониядагы KAGRA жана космостогу пландаштырылган LISA) өнүккөн сайын, гравитациялык толкун астрономиясынын келечеги ого бетер байып, бизди ааламдын эң чоң сырларына жоопторго жакындатат деп күтүлүүдө.
