Gravitatsion to'lqinlar nima va ularning kashf etilishi
Gravitatsion to'lqinlar zamonaviy fizikadagi eng hayratlanarli kashfiyotlardan biridir, chunki ular odamlarga koinotni kuzatishning "yangi usulini" beradi. Astronomiya ilgari yorug'likka - ko'rinadigan yorug'likdan, radiodan, infraqizildan tortib rentgen nurlarigacha - tayangan bo'lsa-da, gravitatsion to'lqinlar bizga fazo va vaqtning o'zining "tebranishlarini" eshitish imkonini beradi. Bu hodisa shunchaki nazariya emas; gravitatsion to'lqinlar to'g'ridan-to'g'ri aniqlangan bo'lib, kosmik tadqiqotlarda, ayniqsa qora tuynuklar va neytron yulduzlari kabi ekstremal obyektlarga nisbatan yangi bobni ochdi.
Gravitatsion to'lqinlar nima?
Sodda qilib aytganda, gravitatsion to'lqinlar juda katta massaning tezlanishi tufayli fazo-vaqt bo'ylab tarqaladigan to'lqinlar yoki "to'lqinlar"dir. Fazo-vaqt tushunchasi Albert Eynshteynning Umumiy nisbiylik nazariyasidan (1915) kelib chiqadi, u gravitatsiyani Nyuton fizikasidagi kabi jozibador kuch sifatida emas, balki massa va energiya mavjudligi tufayli fazo va vaqtning egriligi sifatida ko'radi. Katta massalar ma'lum yo'llar bilan harakatlanganda - masalan, ikkita qora tuynuk bir-birining atrofida aylanganda - fazo-vaqt egriligi dinamik ravishda o'zgaradi va barcha yo'nalishlarda tarqaladigan buzilishlarni chiqaradi. Bu buzilishlar gravitatsion to'lqinlar deb ataladi.
Gravitatsion to'lqinlar yorug'lik tezligida tarqaladi. Biroq, ularning ular o'tayotgan jismlarga ta'siri juda kichik. Bir kilometr masofada joylashgan ikkita nuqtani tasavvur qiling: o'tayotgan gravitatsion to'lqin bu masofani proton diametridan kamroqqa o'zgartirishi mumkin. Shuning uchun, bu g'oya 20-asrning boshlaridan beri mavjud bo'lsa-da, uni isbotlash uchun nihoyatda murakkab texnologiya kerak edi.
Koinotdagi tortishish to'lqinlarining manbalari
Hamma massaviy harakatlar ham o'lchanadigan tortishish to'lqinlarini hosil qilmaydi. Harakatlanayotgan mashina yoki yugurayotgan odam kabi kundalik hodisalar texnik jihatdan tortishish to'lqinlarini chiqaradi, ammo ularning amplitudalarini aniqlash juda kichik. Kuzatiladigan tortishish to'lqinlari odatda ulkan massalar, haddan tashqari tezlanishlar va assimetrik harakatni o'z ichiga olgan kosmik hodisalardan kelib chiqadi.
Gravitatsion to'lqinlarning asosiy manbalariga quyidagilar kiradi:
1. Qora tuynuklarning qo'shilishi
Orbitada aylanib yuruvchi ikkita qora tuynuk gravitatsiya to'lqinlari orqali energiyasini yo'qotadi, ularning orbitalari qisqaradi va oxir-oqibat ular to'qnashib, birlashadi. Bu hodisa kuchli gravitatsiya to'lqini signalini hosil qiladi.
2. Neytron yulduzlarining qo'shilishi
Neytron yulduzi ulkan yulduzning zich, qoldiq yadrosidir. Ikki neytron yulduzi birlashganda, bu hodisa tortishish to'lqinlarini hosil qilishdan tashqari, turli to'lqin uzunliklarida yorug'lik chiqarishi va oltin kabi og'ir elementlarni ham hosil qilishi mumkin.
3. Supernovalar va ulkan yulduz portlashlari
Yulduz yadrosining qulashi ba'zan assimetrik bo'ladi va tortishish to'lqinlarini chiqarishi mumkin, garchi ularni aniqlash juda qiyin bo'lsa ham.
4. Neytron yulduzlarining nomukammal aylanishi
Agar neytron yulduzi ozgina "tebranish" yoki notekislik bilan aylansa, u gravitatsion to'lqinlarni doimiy ravishda chiqarishi mumkin.
5. Birlamchi tortishish to'lqinlari
Ilk koinot kosmik fonda "muzlab qolgan" tortishish to'lqinlarini hosil qilgan degan gipoteza ilgari surilgan. Agar ular aniqlansa, bu Katta portlashdan keyingi dastlabki soniyalar haqida ma'lumot berishi mumkin.
Eynshteyn nazariyasidan birinchi isbotgacha
Eynshteyn 1916-yilda gravitatsion to'lqinlarni umumiy nisbiylik tenglamalari asosida bashorat qilgan (va ularni 1918-yilda takomillashtirgan). Ammo o'nlab yillar davomida olimlar gravitatsion to'lqinlar haqiqiymi yoki shunchaki matematik artefaktlarmi, deb bahslashib kelishgan. Qiyinchilik fazo-vaqt dinamik ekanligidan kelib chiqadi; "chinakam" o'lchanadigan narsani tushunish har doim ham oson emas.
20-asrning o'rtalarida nisbiylik nazariyasi rivojlanib, fiziklar tortishish to'lqinlari haqiqiy energiyani olib yurishini tushuna boshlaganlarida muhim burilish nuqtasi yuz berdi. Agar tizim tortishish to'lqinlarini chiqarish orqali energiyasini yo'qotsa, uning orbitasi yoki harakati o'lchanadigan tarzda o'zgarishi kerak.
Bilvosita dalillar: Xuls-Teylor ikkilik pulsarlari
1974-yilda ikki astronom — Rassell Hulse va Jozef Teylor — PSR B1913+16 deb nomlangan qo'shaloq pulsar tizimini kashf etdilar. Pulsarlar — bu "mayoqlar" kabi davriy radio signallarini chiqaradigan neytron yulduzlar. Qo'shaloq tizimda pulsar boshqa neytron yulduz atrofida aylanadi. Ajablanarlisi shundaki, bu tizimning orbital davri asta-sekin kamayib bormoqda: ikki obyekt bir-biriga yaqinlashmoqda.
Bu pasayish umumiy nisbiylik nazariyasining tortishish to'lqinlari orqali energiya yo'qotilishi haqidagi bashoratlariga juda mos keladi. Bu tortishish to'lqinlari mavjudligiga juda kuchli bilvosita dalillarni taqdim etadi. Ushbu kashfiyot uchun Xuls va Teylor 1993-yilda fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi.
To'g'ridan-to'g'ri kashfiyot: LIGO va qora tuynuklarning to'qnashuvlarini "eshitish"
Ishonchli bilvosita dalillarga qaramay, olimlar hali ham to'g'ridan-to'g'ri aniqlashni amalga oshirmoqdalar: Yerdan o'tayotgan tortishish to'lqinlarini ushlash. Bu harakat jiddiy qiyinchiliklarga duch keladi, chunki to'lqinlarning amplitudalari juda kichik. Yechim masofadagi juda kichik o'zgarishlarni o'lchay oladigan lazer interferometridan foydalanishdir.
LIGO qanday ishlaydi?
LIGO (Lazer Interferometr Gravitatsion To'lqin Observatoriyasi) Qo'shma Shtatlardagi ikkita asosiy inshootga ega yirik loyihadir: biri Xanford, Vashington va biri Livingston, Luiziana. Ularning har biri 4 kilometr uzunlikdagi interferometr qo'liga ega. Lazer nuri qo'llar bo'ylab oldinga va orqaga harakatlanadigan, keyin rekombinatsiyalanadigan ikkita nurga bo'linadi. Gravitatsion to'lqin o'tganda, u qo'llarning samarali uzunligini juda ozgina o'zgartiradi va o'lchanadigan, o'zgartirilgan interferentsiya naqshini hosil qiladi.
Kuzatilgan signal mahalliy shovqin (masalan, kichik zilzila, transport vositasining tebranishi yoki boshqa atrof-muhit omillari) tufayli emasligiga ishonch hosil qilish uchun turli joylarda ikkita detektorga ega bo'lish juda muhimdir. Agar ikkala detektor ham o'rtacha vaqt oralig'i bilan izchil naqshni ko'rsa, signal kosmosdan kelgan tortishish to'lqini bo'lishi ehtimoli ancha yuqori.
Birinchi aniqlash: GW150914
2015-yil 14-sentabrda LIGO keyinchalik GW150914 deb nomlangan signalni aniqladi. Bu signal Quyosh massasidan taxminan o'n baravar katta bo'lgan ikkita qora tuynukning birlashishi natijasida yuzaga kelgan va Yerdan bir milliard yorug'lik yilidan ko'proq masofada sodir bo'lgan. Bu hodisa "chirp" ni keltirib chiqardi: chastota va amplitudaning tez o'sishi, ikkita qora tuynuk birlashganda cho'qqiga chiqdi va keyin pasaydi.
Rasmiy e'lon 2016-yil fevral oyida e'lon qilindi va darhol muhim bosqich sifatida e'tirof etildi. Bu kashfiyot nafaqat gravitatsiya to'lqinlarini to'g'ridan-to'g'ri isbotladi, balki ikkilik qora tuynuk tizimining birinchi to'g'ridan-to'g'ri aniqlanishini ham belgilab berdi.
LIGOga qo'shgan katta hissasi uchun 2017-yilgi fizika bo'yicha Nobel mukofoti Rainer Vays, Barri C. Barish va Kip S. Tornga berildi.
Gravitatsion to'lqinlarni kashf etish nima uchun muhim?
Gravitatsion to'lqinlarning aniqlanishi ko'pincha gravitatsion to'lqin astronomiyasi davrining boshlanishi deb ataladi. Buning inqilobiy bo'lishining bir nechta sabablari bor:
1. Koinotni kuzatish uchun yangi "sezgilar"ni ochish
Qora tuynuklar kabi ko'plab kosmik jismlar osongina aniqlanadigan yorug'lik chiqarmaydi. Gravitatsiya to'lqinlari bizga bu jismlarni fazo-vaqtga ta'siri orqali to'g'ridan-to'g'ri o'rganish imkonini beradi.
2. Umumiy nisbiylik nazariyasini ekstremal sharoitlarda sinash
Qora tuynuklarning qo'shilishi nihoyatda kuchli tortishish kuchi va nihoyatda yuqori tezlikni o'z ichiga oladi. Ular Eynshteyn nazariyalarini Yerda takrorlash qiyin bo'lgan ekstremal sharoitlarda sinab ko'rish uchun tabiiy laboratoriyadir.
3. Og'ir elementlarning kelib chiqishini tushuning
Neytron yulduzlarining qo'shilishi r-jarayon (tez neytronlarni ushlash) orqali og'ir elementlarning hosil bo'lishi bilan bog'liqligi ko'rsatilgan. Bu savolga javob berishga yordam beradi: oltin va platina koinotda qaerdan paydo bo'lgan?
4. Qora tuynuklar va neytron yulduzlari populyatsiyasini xaritalash
Ko'plab aniqlanishlar yordamida olimlar ushbu ixcham obyektlarning massa taqsimotini, qo'shilish tezligini va shakllanish tarixini o'lchashlari mumkin.
Yopish
Gravitatsion to'lqinlar - bu bir asrdan ko'proq vaqt oldin Eynshteyn tomonidan bashorat qilingan va nihoyat ikkilik pulsarlardagi bilvosita dalillar va 2015-yilda LIGO tomonidan to'g'ridan-to'g'ri aniqlash orqali tasdiqlangan fazo-vaqt to'lqinlari. Bu kashfiyot nafaqat texnik yutuq, balki odamlarning kosmosga qarashidagi o'zgarishdir: endi biz koinotni shunchaki ko'rish emas, balki uni "tinglashimiz" mumkin. Yangi detektorlar va global hamkorlik (masalan, Yevropadagi Virgo, Yaponiyadagi KAGRA va kosmosdagi rejalashtirilgan LISA) rivojlanib borishi bilan, gravitatsion to'lqin astronomiyasining kelajagi yanada boyib, bizni koinotning eng buyuk sirlariga javoblarga yaqinlashtirishi kutilmoqda.
