Мавҷҳои гравитатсия ва кашфи онҳо чистанд?
Мавҷҳои ҷозиба яке аз кашфиётҳои ҳайратангез дар физикаи муосир мебошанд, зеро онҳо ба одамон "роҳи нав"-и мушоҳидаи коинотро медиҳанд. Дар ҳоле ки астрономия қаблан ба рӯшноӣ - аз нури намоён, радио, инфрасурх ва то рентген - такя мекард - мавҷҳои ҷозиба ба мо имкон медиҳанд, ки "ларзишҳо"-и худи фазо ва замонро бишнавем. Ин падида танҳо як назария нест; мавҷҳои ҷозиба мустақиман ошкор карда шудаанд, ки боби наверо дар таҳқиқоти кайҳонӣ, бахусус дар мавриди объектҳои шадид ба монанди сӯрохиҳои сиёҳ ва ситораҳои нейтронӣ, боз мекунад.
Мавҷҳои гравитатсионӣ чистанд?
Ба таври оддӣ, мавҷҳои ҷозиба мавҷҳо ё "мавҷҳо" мебошанд, ки аз сабаби шитоб ёфтани массаи хеле калон дар фазо-вақт паҳн мешаванд. Мафҳуми фазо-вақт аз Назарияи умумии нисбии Алберт Эйнштейн (1915) сарчашма мегирад, ки ҷозибаро на ҳамчун қувваи ҷозиба, ба монанди физикаи Нютон, балки ҳамчун каҷравии фазо ва вақт аз сабаби мавҷудияти масса ва энергия мешуморад. Вақте ки массаҳои калон бо роҳҳои муайян ҳаракат мекунанд - масалан, ду сӯрохи сиёҳ дар атрофи якдигар чарх мезананд - каҷравии фазо-вақт ба таври динамикӣ тағйир меёбад ва халалдоркуниҳоро ба вуҷуд меорад, ки дар ҳама самтҳо паҳн мешаванд. Ин халалдоркуниҳоро мавҷҳои ҷозиба меноманд.
Мавҷҳои ҷозиба бо суръати рӯшноӣ ҳаракат мекунанд. Аммо, таъсири онҳо ба ашёе, ки аз онҳо мегузаранд, бениҳоят ночиз аст. Ду нуқтаро тасаввур кунед, ки як километр аз ҳам дуранд: мавҷи ҷозибаи гузаранда метавонад ин масофаро камтар аз диаметри протон тағйир диҳад. Аз ин рӯ, гарчанде ки ин идея аз аввали асри 20 инҷониб вуҷуд дорад, барои исботи он технологияи бениҳоят мураккаб лозим буд.
Манбаъҳои мавҷҳои гравитатсионӣ дар коинот
На ҳама ҳаракатҳои массавӣ мавҷҳои ҷозибаи ченшавандаро ба вуҷуд меоранд. Рӯйдодҳои ҳаррӯза, ба монанди мошини ҳаракаткунанда ё шахси давида, аз ҷиҳати техникӣ мавҷҳои ҷозибаро мебароранд, аммо амплитудаҳои онҳо барои муайян кардан хеле хурданд. Мавҷҳои ҷозибаи мушоҳидашаванда одатан аз рӯйдодҳои кайҳонӣ, ки массаҳои бузург, шитобҳои шадид ва ҳаракати носимметриро дар бар мегиранд, сарчашма мегиранд.
Баъзе аз манбаъҳои асосии мавҷҳои гравитатсионӣ инҳоянд:
1. Якҷояшавии сӯрохиҳои сиёҳ
Ду сӯрохи сиёҳи мадоршаванда тавассути мавҷҳои ҷозиба энергияро аз даст медиҳанд, мадорҳои онҳо хурд мешаванд ва дар ниҳоят бо ҳам бархӯрда, якҷоя мешаванд. Ин ҳодиса сигнали пуриқтидори мавҷи ҷозибаро ба вуҷуд меорад.
2. Якҷояшавии ситораҳои нейтронӣ
Ситораи нейтронӣ ядрои зич ва боқимондаи ситораи азим аст. Вақте ки ду ситораи нейтронӣ якҷоя мешаванд, илова бар ба вуҷуд овардани мавҷҳои ҷозиба, ин ҳодиса инчунин метавонад нурро дар дарозии мавҷҳои гуногун паҳн кунад ва унсурҳои вазнин ба монанди тиллоро ба вуҷуд орад.
3. Супернова ва таркишҳои ситораҳои азим
Суқути ҳастаи ситора баъзан носимметрӣ аст ва метавонад мавҷҳои ҷозибаро паҳн кунад, гарчанде ки муайян кардани онҳо хеле душвор аст.
4. Гардиши нокомил дар ситораҳои нейтронӣ
Агар ситораи нейтронӣ бо "зарба"-и ночиз ё номунтазам чарх занад, он метавонад мавҷҳои ҷозибаро пайваста паҳн кунад.
5. Мавҷҳои ҷозибаи ибтидоӣ
Фарзияе вуҷуд дорад, ки коинот Марҳилаҳои аввал мавҷҳои ҷозибаро ба вуҷуд оварданд, ки дар заминаи кайҳонӣ «ях» шуданд. Агар ошкор карда шавад, ин метавонад дар бораи сонияҳои аввали пас аз он маълумот диҳад. Таркиши бузург.
Аз назарияи Эйнштейн то исботи аввал
Эйнштейн мавҷҳои ҷозибаро дар соли 1916 пешгӯӣ карда буд (ва онҳоро дар соли 1918 такмил дод), ки бар асоси муодилаҳои Назарияи умумии нисбият асос ёфтаанд. Аммо даҳсолаҳо боз олимон баҳс мекунанд, ки оё мавҷҳои ҷозиба воқеӣ ҳастанд ё танҳо артефактҳои математикӣ. Мушкилот аз он бармеояд, ки фазо-замонӣ динамикӣ аст; фаҳмидани он чизе, ки "воқеан" ченшаванда аст, на ҳамеша осон аст.
Нуқтаи муҳими гардиш дар нимаи асри 20 рух дод, вақте ки назарияи нисбият рушд кард ва физикҳо фаҳмиданд, ки мавҷҳои ҷозиба энергияи воқеиро мебаранд. Агар система бо партофтани мавҷҳои ҷозиба энергияро аз даст диҳад, пас мадор ё ҳаракати он бояд ба таври ченшаванда тағйир ёбад.
Далелҳои ғайримустақим: Пульсарҳои дуӣ дар Ҳалс-Тейлор
Дар соли 1974, ду астроном - Рассел Ҳалс ва Ҷозеф Тейлор - системаи пулсари дуӣ бо номи PSR B1913+16 - ро кашф карданд. Пульсарҳо ситораҳои нейтронӣ мебошанд, ки сигналҳои даврии радиоӣ ба монанди "маякҳо"-ро мебароранд. Дар системаи дуӣ, пульсар дар атрофи ситораи нейтронии дигар давр мезанад. Тааҷҷубовар аст, ки давраи мадори ин система оҳиста-оҳиста кам мешавад: ду объект ба ҳам наздиктар мешаванд.
Ин коҳиш бо пешгӯиҳои Назарияи умумии нисбият дар бораи талафоти энергия тавассути мавҷҳои ҷозиба хеле дақиқ мувофиқат мекунад. Ин далели хеле ғайримустақими мавҷудияти мавҷҳои ҷозибаро фароҳам меорад. Барои ин кашфиёт, Ҳулс ва Тейлор ҷоизаи Нобелро дар соҳаи физика дар соли 1993 гирифтанд.
Кашфи мустақим: LIGO ва бархӯрдҳои сӯрохиҳои сиёҳи "шунидан"
Бо вуҷуди далелҳои ғайримустақим, олимон то ҳол пайгирии мустақими ошкоркуниро идома медиҳанд: мавҷҳои ҷозибаро ҳангоми гузаштан аз Замин сабт мекунанд. Ин талош бо мушкилоти ҷиддӣ рӯбарӯ мешавад, зеро амплитудаҳои мавҷҳо хеле хурданд. Ҳалли масъала истифодаи интерферометри лазерӣ аст, дастгоҳе, ки метавонад тағйироти хеле хурдро дар масофа чен кунад.
LIGO чӣ гуна кор мекунад?
LIGO (Расадхонаи мавҷи гравитатсионӣ-интерферометрии лазерӣ) як лоиҳаи бузург дар Иёлоти Муттаҳида бо ду иншооти асосӣ мебошад: яке дар Ҳанфорд, Вашингтон ва дигаре дар Ливингстон, Луизиана. Ҳар яки онҳо як бозуи интерферометрии 4-километрӣ доранд. Нури лазер ба ду нур тақсим мешавад, ки дар баробари бозуҳо ба пеш ва пас ҳаракат мекунанд ва сипас аз нав якҷоя мешаванд. Вақте ки мавҷи гравитатсионӣ аз он мегузарад, он дарозии муассири бозуҳоро хеле каме тағйир медиҳад ва намунаи интерференсияи тағйирёфтаи ченшавандаро ба вуҷуд меорад.
Доштани ду детектор дар ҷойҳои гуногун муҳим аст, то боварӣ ҳосил шавад, ки сигнали мушоҳидашуда аз сабаби дахолати маҳаллӣ (масалан, заминларзаи хурд, ларзиши воситаҳои нақлиёт ё дигар омилҳои муҳити зист) нест. Агар ҳарду детектор як намунаи мувофиқро бо таъхири оқилонаи вақт бубинанд, эҳтимоли он ки сигнал мавҷи ҷозиба аз кайҳон бошад, хеле зиёд аст.
Аввалин ошкоркунӣ: GW150914
14 сентябри соли 2015, LIGO сигналеро ошкор кард, ки баъдтар GW150914 ном дошт. Ин сигнал аз якҷояшавии ду сӯрохи сиёҳ бо массаи тақрибан даҳ маротиба аз массаи Офтоб сарчашма гирифтааст, ки дар масофаи беш аз як миллиард соли рӯшноӣ аз Замин рух додааст. Ин ҳодиса як "чир-чир"-ро ба вуҷуд овард: афзоиши босуръати басомад ва амплитуда, ки ҳангоми якҷоя шудани ду сӯрохи сиёҳ ба авҷи худ расида, сипас паст шуд.
Эълони расмӣ моҳи феврали соли 2016 эълон шуд ва фавран ҳамчун як марҳилаи муҳим арзёбӣ гардид. Ин кашфиёт на танҳо мавҷҳои ҷозибаро мустақиман исбот кард, балки аввалин кашфи мустақими системаи сӯрохи сиёҳи дуӣ низ буд.
Барои саҳми бузургашон дар LIGO, ҷоизаи Нобел дар соҳаи физика дар соли 2017 ба Райнер Вайсс, Барри С. Бариш ва Кип С. Торн дода шуд.
Чаро кашфи мавҷҳои гравитатсионӣ муҳим аст?
Ошкор кардани мавҷҳои ҷозиба аксар вақт оғози давраи астрономияи мавҷҳои ҷозиба номида мешавад. Якчанд сабабҳо мавҷуданд, ки чаро ин инқилобӣ аст:
1. Кушодани «ҳиссиёт»-и нав барои мушоҳидаи коинот
Бисёре аз объектҳои кайҳонӣ, ба монанди сӯрохиҳои сиёҳ, нури ба осонӣ муайяншавандаро намебароранд. Мавҷҳои ҷозиба ба мо имкон медиҳанд, ки ин объектҳоро мустақиман тавассути таъсири онҳо ба фазо-вақт омӯзем.
2. Санҷиши назарияи нисбии умумӣ дар шароити шадид
Якҷояшавии сӯрохиҳои сиёҳ қувваи ҷозибаи бениҳоят қавӣ ва суръати бениҳоят баландро дар бар мегирад. Онҳо як озмоишгоҳи табиӣ барои санҷиши назарияҳои Эйнштейн дар шароити шадиде мебошанд, ки такрор кардани онҳо дар Замин душвор аст.
3. Пайдоиши унсурҳои вазнинро фаҳмед
Нишон дода шудааст, ки якҷояшавии ситораҳои нейтронӣ бо пайдоиши унсурҳои вазнин тавассути раванди r (забти босуръати нейтрон) алоқаманд аст. Ин ба посух додан ба савол кӯмак мекунад: унсурҳои вазнин аз куҷо пайдо мешаванд? пайдоиши тилло ва платина дар коинот?
4. Харитасозии шумораи аҳолии сӯрохиҳои сиёҳ ва ситораҳои нейтронӣ
Бо истифода аз бисёр кашфиётҳо, олимон метавонанд тақсимоти масса, суръати якҷояшавӣ ва таърихи ташаккули ин объектҳои паймонро чен кунанд.
Penutup
Мавҷҳои ҷозиба мавҷҳои фазоӣ-вақт мебошанд, ки Эйнштейн беш аз як аср пеш пешгӯӣ карда буд ва ниҳоят тавассути далелҳои ғайримустақим дар пульсарҳои дуӣ ва ошкоркунии мустақим аз ҷониби LIGO дар соли 2015 тасдиқ карда шуданд. Ин кашфиёт на танҳо як дастоварди техникӣ, балки тағйирот дар тарзи дидани коинот аз ҷониби одамон аст: мо ҳоло метавонем ба коинот "гӯш" кунем, на танҳо онро бубинем. Бо рушди детекторҳои нав ва ҳамкориҳои ҷаҳонӣ (ба монанди Virgo дар Аврупо, KAGRA дар Ҷопон ва LISA-и ба нақша гирифташуда дар кайҳон), интизор меравад, ки ояндаи астрономияи мавҷҳои ҷозиба боз ҳам бойтар шавад ва моро ба ҷавобҳо ба бузургтарин асрори коинот наздиктар кунад.
