וואָס זענען גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס און זייער ענטדעקונג
גראַוויטאַציע כוואַליעס זענען איינע פון די מערסט ערשטוינענדיקע ענטדעקונגען אין מאָדערנער פיזיק ווייל זיי געבן מענטשן אַ "נייעם וועג" צו באַאָבאַכטן דעם אוניווערס. כאָטש אַסטראָנאָמיע האָט זיך פריער פֿאַרלאָזט אויף ליכט - פֿון זעבאר ליכט, ראַדיאָ, אינפֿראַרויט, ביז X-שטראַלן - לאָזן אונדז גראַוויטאַציע כוואַליעס הערן די "ווייבריישאַנז" פֿון פּלאַץ און צייט אַליין. די דערשיינונג איז נישט נאָר אַ טעאָריע; גראַוויטאַציע כוואַליעס זענען גלייך דעטעקטירט געוואָרן, עפֿענענדיק אַ נייעם קאַפּיטל אין קאָסמישער פֿאָרשונג, ספּעציעל וועגן עקסטרעמע אָביעקטן ווי שוואַרצע לעכער און נעיטראָן שטערן.
וואָס זענען גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס?
פשוט געזאגט, גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס זענען כוואַליעס אדער "כוואַליעס" וואָס פאַרשפּרייטן זיך דורך צייט-רוים צוליב דער אַקסעלעראַציע פון אַ זייער גרויסער מאַסע. דער באַגריף פון צייט-רוים שטאַמט פון אַלבערט איינשטיין'ס אַלגעמיינער טעאָריע פון רעלאַטיוויטעט (1915), וואָס זעט גראַוויטאַציע נישט ווי אַן אַטראַקטיווע קראַפט, ווי אין ניוטאָנישער פיזיק, נאָר ווי אַ קרומקייט פון צייט-רוים צוליב דער אנוועזנהייט פון מאַסע און ענערגיע. ווען גרויסע מאַסן באַוועגן זיך אין געוויסע וועגן - למשל, צוויי שוואַרצע לעכער וואָס דרייען זיך אַרום איינער דעם אַנדערן - ענדערט זיך די קרומקייט פון צייט-רוים דינאַמיש און לאָזט אַרויס שטערונגען וואָס פאַרשפּרייטן זיך אין אַלע ריכטונגען. די שטערונגען ווערן גערופן גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס.
גראַוויטאַציע כוואַליעס רייזן מיט דער גיכקייט פון ליכט. אָבער, זייער ווירקונג אויף די אָביעקטן וואָס זיי גייען דורך איז גאָר קליין. שטעלט זיך פאר צוויי פונקטן איין קילאָמעטער באַזונדער: אַ דורכגייענדיקע גראַוויטאַציע כוואַליע קען ענדערן די דיסטאַנץ מיט ווייניקער ווי דעם דיאַמעטער פון אַ פּראָטאָן. דעריבער, כאָטש די געדאַנק איז שוין דאָ זינט די פריע 20סטע יאָרהונדערט, האָט עס געדאַרפט גאָר סאָפיסטיקירטע טעכנאָלאָגיע צו באַווייַזן עס.
קוועלער פון גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס אין דער אוניווערס
נישט אלע מאסע באוועגונגען שאפן מעסטבארע גראוויטאציאנעלע כוואליעס. טעגליכע געשעענישן ווי א באוועגלעכער אויטא אדער א לויפנדיקער מענטש טוען טעכניש ארויסלאזן גראוויטאציאנעלע כוואליעס, אבער זייערע אמפליטודעס זענען צו קליין צו דעטעקטירן. באאבאכטבארע גראוויטאציאנעלע כוואליעס שטאמען טיפיש פון קאסמישע געשעענישן וואס שליסן איין ריזיגע מאסן, עקסטרעמע פארשנעלערונגען, און אסימעטרישע באוועגונג.
עטלעכע פון די הויפּט קוועלער פון גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס אַרייַננעמען:
1. שוואַרצע לאָך פֿאַראייניקונג
צוויי אָרביטירנדיקע שוואַרצע לעכער וועלן פאַרלירן ענערגיע דורך גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס, זייערע אָרביטן וועלן זיך פֿאַרקלענערן, און זיי וועלן עווענטועל צוזאַמענשטויסן און זיך פֿאַראייניקן. די געשעעניש וועט פּראָדוצירן אַ שטאַרקן גראַוויטאַציאָנעלן כוואַליע סיגנאַל.
2. נעיטראָן שטערן צונויפגיסונג
א נייטראן שטערן איז דער דיכטער, איבערבלייבנדיקער קערן פון א מאסיווער שטערן. ווען צוויי נייטראן שטערן פארמישן זיך, אין צוגאב צו פראדוצירן גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס, קען דאָס געשעעניש אויך אויסשטראַלן ליכט אין פארשידענע כוואַליע לענג און פּראָדוצירן שווערע עלעמענטן ווי גאָלד.
3. סופּערנאָוועס און מאַסיווע שטערן עקספּלאָזיעס
דער צוזאמענפאל פון א שטערן'ס קערן איז מאנchmal אסימעטריש און קען ארויסלאזן גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס, כאָטש זיי צו דעטעקטירן איז זייער שווער.
4. אומפארפעקטע ראָטאַציע פון נעיטראָן שטערן
אויב אַ נעיטראָן שטערן דרייט זיך מיט אַ קליינעם "בומפּ" אָדער אומגלייכבארקייט, קען עס אַרויסלאָזן גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס קאַנטיניואַסלי.
5. אור-גראַוויטיאָנאַלע כוואַליעס
מען האט געשטעלט די היפאטעז אז די פריע אוניווערס האט פראדוצירט גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס וואָס זענען "פאַרפרוירן" געוואָרן אין דעם קאָסמישן הינטערגרונט. אויב מען וועט דאָס דעטעקטירן, קען דאָס געבן רמזים וועגן די ערשטע סעקונדעס נאָך דעם גרויסן קלאַפּ.
פֿון איינשטיינס טעאָריע ביזן ערשטן באַווײַז
איינשטיין האט פאראויסגעזאגט גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס אין 1916 (און זיי פארבעסערט אין 1918) באַזירט אויף די גלייכונגען פון אַלגעמיינער רעלאַטיוויטעט. אָבער פֿאַר יאָרצענדליקער האָבן וויסנשאַפֿטלער דעבאַטירט צי גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס זענען רעאַל אָדער בלויז מאַטעמאַטישע אַרטיפאַקץ. די שוועריקייט שטאַמט פֿון דעם פֿאַקט אַז צייט-רוים איז דינאַמיש; פֿאַרשטיין וואָס איז "באמת" מעסטלעך איז נישט שטענדיק גרינג.
א קריטישער ווענדפּונקט איז געשען אין מיטן 20סטן יאָרהונדערט ווען די טעאָריע פון רעלאַטיוויטעט האָט זיך אַנטוויקלט און פיזיקער האָבן אָנגעהויבן צו פֿאַרשטיין אַז גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס טראָגן עכטע ענערגיע. אויב אַ סיסטעם פֿאַרלירט ענערגיע דורך אויסשטראַלן גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס, דאַן זאָל איר אָרביט אָדער באַוועגונג זיך ענדערן אויף אַ מעסטלעכן וועג.
אומדירעקטע באווייזן: הולס-טיילער בינערי פּולסאַרן
אין 1974, האבן צוויי אסטראנאמען—ראסעל הולס און יוסף טיילער—אנטדעקט א בינארישע פולסאר סיסטעם גערופן PSR B1913+16. פולסארן זענען נייטראן שטערן וואס ארויסלאזן פעריאדישע ראדיא סיגנאלן ווי "ליכטטורעמס". אין א בינארישע סיסטעם, דרייט זיך א פולסאר ארום אן אנדער נייטראן שטערן. איבעראשנד, די ארביטאל פעריאדע פון דעם סיסטעם פארקלענערט זיך שטייטליך: די צוויי אביעקטן באוועגן זיך נענטער צוזאמען.
די דאזיגע פארקלענערונג שטימט זייער גענוי איבער מיט די פאראויסזאגונגען פון אלגעמיינע רעלאטיוויטעט וועגן ענערגיע פארלוסט דורך גראוויטאציאנעלע כוואליעס. דאס גיט זייער שטארקע אינדירעקטע באווייזן אז גראוויטאציאנעלע כוואליעס עקזיסטירן. פאר דעם אויפדעקונג האבן הולס און טיילער באקומען דעם 1993 נאבעל פרייז אין פיזיק.
דירעקטע אויפדעקונג: LIGO און "הערן" שוואַרצע לאָך קאָליזיעס
טראָץ איבערצייגנדיקע אומדירעקטע באַווייזן, פאָרזעצן וויסנשאַפֿטלער נאָך אַלץ דירעקטע דעטעקציע: כאַפּן גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס ווען זיי גייען דורך דער ערד. די מי שטייט פֿאַר באַדייטנדיקע שוועריקייטן ווייל די כוואַליעס' אַמפּליטודן זענען אַזוי קליין. די לייזונג איז צו נוצן אַ לאַזער אינטערפֿעראָמעטער, אַ מיטל וואָס קען מעסטן גאָר קליינע ענדערונגען אין דיסטאַנץ.
ווי אזוי ארבעט LIGO?
LIGO (לאַזער אינטערפעראָמעטער גראַוויטיישאַנאַל-וועוו אָבסערוואַטאָריע) איז אַ גרויס פּראָיעקט אין די פאַראייניקטע שטאַטן מיט צוויי הויפּט פאַסילאַטיז: איינע אין הענפֿאָרד, וואַשינגטאָן, און איינע אין ליווינגסטאָן, לואיזיאַנע. יעדער האט אַ 4-קילאָמעטער-לאַנגן אינטערפעראָמעטער אָרעם. דער לאַזער שטראַל ווערט צעטיילט אין צוויי שטראַלן וואָס גייען אַהין און צוריק צוזאמען די אָרעמס, און דערנאָך קאָמבינירן זיך ווידער. ווען אַ גראַוויטיישאַנאַל כוואַליע גייט דורך, ענדערט עס די עפֿעקטיווע לענג פון די אָרעמס זייער אַ ביסל, פּראָדוצירנדיק אַ מעסטבאַרן, געביטן אינטערפֿערענץ מוסטער.
האבן צוויי דעטעקטארן אין פארשידענע לאקאציעס איז קריטיש צו זיכער מאכן אז דער באמערקטער סיגנאל איז נישט צוליב לאקאלע אריינמישונג (ווי א קליינע ערדציטערניש, אויטא וויבראציע, אדער אנדערע אומגעבונג פאקטארן). אויב ביידע דעטעקטארן זעהן א קאנסיסטענטן מוסטער מיט א גלייכבארע צייט פארשפעטיגונג, איז דער סיגנאל פיל מער מסתבר צו זיין א גראוויטאציאנעלע כוואליע פון ספעיס.
ערשטע דעטעקציע: GW150914
דעם 14טן סעפטעמבער, 2015, האט LIGO דעטעקטירט א סיגנאל שפעטער גערופן GW150914. דער סיגנאל שטאמט פון דער צוזאמענגאנג פון צוויי שווארצע לעכער מיט מאסן בערך צען מאל די מאסע פון דער זון, וואס זענען פארגעקומען מער ווי א ביליאן ליכט-יארן פון דער ערד. די געשעעניש האט פראדוצירט א "צוויטשערפ": א שנעלע פארגרעסערונג אין פרעקווענץ און אמפליטודע וואס האט דערגרייכט א שפיץ ווען די צוויי שווארצע לעכער האבן זיך צוזאמענגעגאסן, און דערנאך פארשוואונדן.
די אפיציעלע מעלדונג איז געמאכט געווארן אין פעברואר 2016 און איז גלייך באגריסט געווארן אלס א מיילשטיין. די אנטדעקונג האט נישט נאר דירעקט באוויזן גראוויטאציאנעלע כוואליעס, נאר אויך באצייכנט די ערשטע דירעקטע דעטעקציע פון א בינארישע שווארצע לאך סיסטעם.
פאר זייערע גרויסע ביישטייערונגען צו LIGO, איז דער 2017 נאבעל פרייז אין פיזיק געווארן צוגעטיילט צו ריינער ווייס, בערי סי. באריש, און קיפ ס. טהארן.
פארוואס איז די אנטדעקונג פון גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס וויכטיק?
די דעטעקציע פון גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס ווערט אָפט גערופן דער אָנהייב פון דער תקופה פון גראַוויטאַציאָנעלער כוואַליע אַסטראָנאָמיע. עס זענען עטלעכע סיבות פאַרוואָס דאָס איז רעוואָלוציאָנער:
1. עפענען נייע "זינען" צו באאבאכטן דעם אוניווערס
פילע קאָסמישע אָביעקטן, ווי למשל שוואַרצע לעכער, שיקן נישט קיין לייכט דעטעקטירבאַר ליכט. גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס לאָזן אונדז שטודירן די אָביעקטן גלייך דורך זייערע ווירקונגען אויף צייט-רוים.
2. טעסטן די אַלגעמיינע רעלאַטיוויטעט אונטער עקסטרעמע באַדינגונגען
שווארצע לאך פאראייניגונגען פארנעמען אן אומגלויבלעך שטארקע גראוויטי און אומגלויבלעך הויכע שנעלקייטן. זיי זענען א נאטירלעכע לאבאראטאריע פארן טעסטן איינשטיינס טעאריעס אין עקסטרעמע באדינגונגען וואס זענען שווער צו נאכמאכן אויף דער ערד.
3. פֿאַרשטיין די אָפּשטאַמונג פֿון שווערע עלעמענטן
מען האט געוויזן אז נייטראן שטערן פאראייניגונגען זענען פארבונדן מיט דער פארמאציע פון שווערע עלעמענטן דורך דעם ר-פראצעס (שנעלע נייטראן כאפונג). דאס העלפט ענטפערן די פראגע: פון וואו זענען גאלד און פלאטינום געקומען אין אוניווערס?
4. קאַרטירן די באַפעלקערונג פון שוואַרצע לעכער און נעיטראָן שטערן
מיט פילע דעטעקציעס, קענען וויסנשאפטלער מעסטן די מאַסע פאַרשפּרייטונג, צוזאַמענפֿיר ראַטעס, און פאָרמאַציע געשיכטע פון די קאָמפּאַקטע אָביעקטן.
קלאָוזינג
גראַוויטאַציע כוואַליעס זענען כוואַליעס אין צייט-רוים פאָרויסגעזאָגט דורך איינשטיין איבער אַ יאָרהונדערט צוריק און לעסאָף באַשטעטיקט דורך אומדירעקטע באַווייַזן אין בינאַרע פּולסאַרן און דירעקט דעטעקציע דורך LIGO אין 2015. די ענטדעקונג איז נישט נאָר אַ טעכנישע דערגרייכונג, נאָר אַ ענדערונג אין דעם וועג ווי מענטשן זען דעם קאָסמאָס: מיר קענען איצט "הערן" צו דעם אוניווערס, נישט נאָר זען עס. ווי נייע דעטעקטאָרן און גלאָבאַלע קאָלאַבאָראַציעס (אַזאַ ווי ווירגאָ אין אייראָפּע, קאַגראַ אין יאַפּאַן, און די פּלאַנירטע LISA אין קאָסמאָס) אַנטוויקלען זיך, ווערט ערוואַרטעט אַז די צוקונפֿט פון גראַוויטאַציע כוואַליע אַסטראָנאָמיע וועט ווערן נאָך רייכער, ברענגענדיק אונדז נענטער צו ענטפֿערס צו די גרעסטע סודות פון דעם אוניווערס.
