Yerçekimi dalgalarının resmi keşif (tespit) günü 11 Şubat 2016'dır. O zaman, Washington'daki bir basın toplantısında, LIGO işbirliğinin liderleri, bir araştırma ekibinin bu fenomeni insanlık tarihinde ilk kez kaydetmeyi başardığını duyurdular.
Büyük Einstein'ın Kehanetleri
Geçen yüzyılın başında bile (1916), Albert Einstein yerçekimi dalgalarının var olduğunu, kendisi tarafından formüle edilen Genel Görelilik Teorisi (GR) çerçevesinde önerdi. Asgari gerçek verilerle bu kadar geniş kapsamlı sonuçlar çıkarabilen ünlü fizikçinin parlak yeteneklerine ancak hayret edilebilir. Gelecek yüzyılda teyit edilen diğer birçok fiziksel fenomen arasında (zamanın akışını yavaşlatmak, yerçekimi alanlarında elektromanyetik radyasyonun yönünü değiştirmek vb.), bu tür bir dalganın varlığını pratik olarak tespit etmek mümkün değildi. yakın zamana kadar bedenlerin etkileşimi.
Yerçekimi bir yanılsama mı?
Genel olarak, ışıktaGörelilik teorisi, yerçekimini bir kuvvet olarak adlandıramaz. Bu, uzay-zaman sürekliliğinin bozulmasının veya eğriliğinin bir sonucudur. Bu varsayımı gösteren iyi bir örnek, gerilmiş bir bez parçasıdır. Böyle bir yüzeye yerleştirilen büyük bir nesnenin ağırlığı altında bir girinti oluşur. Bu anomalinin yakınında hareket eden diğer nesneler, sanki "çekilmiş" gibi hareketlerinin yörüngesini değiştirecektir. Ve nesnenin ağırlığı ne kadar büyükse (eğriliğin çapı ve derinliği ne kadar büyükse), "çekim kuvveti" o kadar yüksek olur. Kumaşın içinde hareket ettiğinde, farklı bir "dalgalanma"nın görünümünü gözlemleyebilirsiniz.
Dünya uzayında benzer bir şey olur. Hızla hareket eden herhangi bir kütleli madde, uzay ve zamanın yoğunluğunda bir dalgalanma kaynağıdır. Son derece büyük kütlelere sahip cisimler tarafından veya büyük ivmelerle hareket ederken oluşan, önemli bir genliğe sahip yerçekimi dalgası.
Fiziksel özellikler
Uzay-zaman metriğinin dalgalanmaları kendilerini yerçekimi alanındaki değişiklikler olarak gösterir. Bu fenomen, aksi takdirde uzay-zaman dalgalanmaları olarak adlandırılır. Yerçekimi dalgası, karşılaşılan cisimler ve nesneler üzerinde etki eder, onları sıkıştırır ve gerer. Deformasyon değerleri çok küçüktür - orijinal boyutundan yaklaşık 10-21 . Bu fenomeni tespit etmenin tüm zorluğu, araştırmacıların bu tür değişiklikleri uygun ekipman yardımıyla nasıl ölçeceklerini ve kaydedeceklerini öğrenmek zorunda olmalarıydı. Yerçekimi radyasyonunun gücü de son derece küçüktür - tüm güneş sistemi içinbirkaç kilovat.
Yerçekimi dalgalarının yayılma hızı, biraz iletken ortamın özelliklerine bağlıdır. Salınım genliği, kaynaktan uzaklaştıkça kademeli olarak azalır, ancak asla sıfıra ulaşmaz. Frekans, birkaç on ila yüzlerce hertz aralığındadır. Yıldızlararası ortamdaki yerçekimi dalgalarının hızı, ışık hızına yaklaşıyor.
Durumsal kanıtlar
İlk kez, yerçekimi dalgalarının varlığının teorik olarak doğrulanması, 1974'te Amerikalı astronom Joseph Taylor ve asistanı Russell Hulse tarafından elde edildi. Arecibo Gözlemevi'nin (Porto Riko) radyo teleskopunu kullanarak Evrenin genişliklerini inceleyen araştırmacılar, sabit bir açısal hız ile ortak bir kütle merkezi etrafında dönen ikili bir nötron yıldızları sistemi olan pulsar PSR B1913 + 16'yı keşfettiler (oldukça nadir bir durum). Başlangıçta 3,75 saat olan devrim süresi her yıl 70 ms kısalıyor. Bu değer, yerçekimi dalgalarının üretimi için harcanan enerji nedeniyle bu tür sistemlerin dönüş hızında bir artış öngören GR denklemlerinden elde edilen sonuçlarla oldukça tutarlıdır. Daha sonra, benzer davranışlara sahip birkaç çift pulsar ve beyaz cüce keşfedildi. Radyo astronomları D. Taylor ve R. Hulse, yerçekimi alanlarını incelemek için yeni olasılıkları keşfettikleri için 1993 yılında Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.
Kaçış yerçekimi dalgası
Hakkında ilk açıklamaYerçekimi dalgalarının tespiti, 1969'da Maryland Üniversitesi'nden bilim adamı Joseph Weber'den (ABD) geldi. Bu amaçlar için, iki kilometrelik bir mesafeyle ayrılmış, kendi tasarımına sahip iki yerçekimi anteni kullandı. Rezonans dedektörü, hassas piezoelektrik sensörlerle donatılmış, iyi titreşen tek parça iki metrelik alüminyum bir silindirdi. Weber tarafından kaydedildiği iddia edilen dalgalanmaların genliği, beklenen değerden bir milyon kat daha fazla çıktı. Amerikalı fizikçinin "başarısını" tekrarlamak için bu tür ekipmanları kullanan diğer bilim adamlarının girişimleri olumlu sonuçlar getirmedi. Birkaç yıl sonra, Weber'in bu alandaki çalışması savunulamaz olarak kabul edildi, ancak birçok uzmanı bu araştırma alanına çeken bir "yerçekimi patlaması" nın gelişmesine ivme kazandırdı. Bu arada, Joseph Weber günlerinin sonuna kadar yerçekimi dalgaları aldığından emindi.
Alıcı ekipmanın iyileştirilmesi
70'lerde, bilim adamı Bill Fairbank (ABD), SQUID'ler - süper duyarlı manyetometreler kullanarak sıvı helyumla soğutulan bir yerçekimi dalgası anteninin tasarımını geliştirdi. O zamanlar var olan teknolojiler, mucidin "metal" de gerçekleştirilen ürününü görmesine izin vermedi.
Yerçekimi dedektörü Auriga, National Legnard Laboratuvarı'nda (Padua, İtalya) bu şekilde yapılmıştır. Tasarım, 3 metre uzunluğunda ve 0,6 m çapında bir alüminyum-magnezyum silindirine dayanmaktadır.2,3 ton ağırlığında bir alıcı cihazneredeyse mutlak sıfıra soğutulmuş izole bir vakum odasında süspanse edilir. Titreşimleri tespit etmek ve tespit etmek için yardımcı bir kilogram rezonatörü ve bilgisayar tabanlı bir ölçüm kompleksi kullanılır. Beyan edilen ekipman hassasiyeti 10-20.
İnterferometreler
Yerçekimi dalgalarının girişim dedektörlerinin çalışması, Michelson interferometresiyle aynı ilkelere dayanır. Kaynak tarafından yayılan lazer ışını iki akıma ayrılır. Birden fazla yansımadan ve cihazın omuzları boyunca hareket ettikten sonra, akışlar tekrar bir araya getirilir ve son girişim görüntüsü, herhangi bir bozulmanın (örneğin, bir yerçekimi dalgası) ışınların seyrini etkileyip etkilemediğini yargılamak için kullanılır. Birçok ülkede benzer ekipman oluşturuldu:
- GEO 600 (Hannover, Almanya). Vakum tünellerinin uzunluğu 600 metredir.
- TAMA (Japonya) 300m omuzlar
- VIRGO (Pisa, İtalya), 2007 yılında 3 km'lik tünellerle başlatılan ortak bir Fransız-İtalyan projesidir.
- LIGO (ABD, Pasifik Kıyısı), 2002'den beri yerçekimi dalgaları için avlanıyor.
Sonuncusu daha ayrıntılı olarak ele alınmaya değer.
LIGO Gelişmiş
Proje, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü ve California Teknoloji Enstitüsü'nden bilim adamları tarafından başlatıldı. Louisiana ve Washington eyaletlerinde (Livingston ve Hanford şehirleri) üç özdeş interferometre ile birbirinden 3 bin km ile ayrılmış iki gözlemevi içerir. Dikey vakum uzunluğutüneller 4 bin metredir. Bunlar şu anda faaliyette olan en büyük yapılardır. 2011 yılına kadar yerçekimi dalgalarını tespit etmek için yapılan çok sayıda girişim sonuç getirmedi. Gerçekleştirilen önemli modernizasyon (Gelişmiş LIGO), ekipmanın hassasiyetini 300-500 Hz aralığında beş kattan fazla ve düşük frekans bölgesinde (60 Hz'e kadar) neredeyse bir büyüklük sırasına kadar artırdı. 10-21gibi gıpta edilen bir değer. Güncellenen proje Eylül 2015'te başladı ve binden fazla işbirlikçinin çabaları sonuçlarla ödüllendirildi.
Yerçekimi dalgaları algılandı
14 Eylül 2015'te, 7 ms aralıklarla gelişmiş LIGO dedektörleri, gözlemlenebilir Evren'in eteklerinde meydana gelen en büyük fenomen olan kütleli iki büyük kara deliğin birleşmesinden gezegenimize ulaşan yerçekimi dalgalarını kaydetti. Güneş'in kütlesinin 29 ve 36 katı. 1,3 milyar yıldan daha uzun bir süre önce gerçekleşen süreç sırasında, yerçekimi dalgalarının radyasyonu için saniyenin çok küçük bir bölümünde yaklaşık üç güneş kütlesi madde harcandı. Yerçekimi dalgalarının başlangıç frekansı 35 Hz olarak kaydedildi ve maksimum tepe değeri 250 Hz'e ulaştı.
Elde edilen sonuçlar tekrar tekrar kapsamlı doğrulama ve işlemeye tabi tutuldu, elde edilen verilerin alternatif yorumları dikkatlice kesildi. Son olarak, geçen yıl 11 Şubat'ta Einstein'ın öngördüğü olgunun doğrudan tescili dünya topluluğuna duyuruldu.
Araştırmacıların muazzam çalışmalarını gösteren gerçek: interferometre kollarının boyutlarındaki dalgalanmaların genliği 10-19m idi - bu değer, bir portakaldan daha küçük olduğu için bir atom.
Gelişmiş beklentiler
Bu keşif, Genel Görelilik Kuramı'nın yalnızca bir dizi soyut formül olmadığını, aynı zamanda yerçekimi dalgalarının ve genel olarak yerçekiminin özüne temelde yeni bir bakış olduğunu bir kez daha doğruluyor.
İleri araştırmalarda, bilim adamlarının ELSA projesi için büyük umutları var: yaklaşık 5 milyon km'lik kolları olan, yerçekimi alanlarındaki küçük bozulmaları bile tespit edebilen dev bir yörüngesel interferometrenin yaratılması. Bu yönde çalışmanın yoğunlaşması, Evrenin gelişimindeki ana aşamalar, geleneksel bantlarda gözlemlenmesi zor veya imkansız süreçler hakkında çok şey söyleyebilir. Gelecekte yerçekimi dalgaları sabitlenecek olan kara deliklerin doğaları hakkında çok şey anlatacağına şüphe yok.
Dünyamızın Big Bang'den sonraki ilk anlarını anlatabilecek kalıntı yerçekimi radyasyonunu incelemek için daha hassas uzay aletleri gerekecek. Böyle bir proje var (Big Bang Observer), ancak uzmanlara göre uygulanması 30-40 yıldan daha erken değil.
