Descoperirea undelor gravitaționale a fost realizată prin detectarea lor directă pe 14 septembrie 2015 de către colaborările LIGO și VIRGO ; deschiderea a fost anunțată pe 11 februarie 2016 [3] . Rezultatele au fost publicate în revista Physical Review Letters [1] și o serie de articole ulterioare.
Evenimentul a fost desemnat GW150914 [4] .
Pentru detectarea experimentală a undelor gravitaționale în 2017 a fost acordat Premiul Nobel pentru Fizică [5] .
Existența undelor gravitaționale a fost prezisă pentru prima dată în 1916 [6] [7] de Albert Einstein pe baza teoriei generale a relativității [8] . Aceste unde sunt modificări ale câmpului gravitațional care se propagă ca undele. Când o undă gravitațională trece între două corpuri, distanța dintre ele se modifică. Modificarea relativă a acestei distanțe servește ca măsură a amplitudinii undei [9] .
Mai exact, în cadrul de referință propriu al detectorului, o undă gravitațională poate fi considerată, în prima aproximare, ca o forță newtoniană care acționează asupra celui de-al doilea corp dintr-o pereche care atârnă liber la o distanță specificată de vectorul spațial față de primul, provocând accelerare
unde sunt perturbații ale metricii , adică amplitudinea undei gravitaționale, în așa-numitul gauge transversal cu urmă zero, iar punctul denotă derivata în timp . În cazul unei unde monocromatice cu frecvența ω care se propagă de-a lungul axei z
unde și sunt numere care exprimă amplitudinea a două polarizări independente ale undelor gravitaționale posibile [10] .
În principiu, aproape orice eveniment însoțit de o mișcare accelerată a masei generează unde gravitaționale (excepții fac rotația unui corp perfect simetric în jurul axei de simetrie, compresia centrosimetrică și expansiunea unui corp sferic). Cu toate acestea, gravitația este o forță foarte slabă, astfel încât amplitudinea acestor unde este extrem de mică. Astfel, o coloană de oțel cu o greutate de 10.000 de tone, care se rotește la puterea maximă a oțelului - 10 rotații pe secundă - va emite aproximativ 10 −24 W în unde gravitaționale [9] .
Din cauza slăbiciunii extreme a efectelor prezise, nu a fost posibil să se confirme (sau să infirme) existența lor timp de mulți ani. Prima dovadă indirectă a existenței undelor gravitaționale a fost obținută în 1974 datorită observării unui sistem apropiat de două stele neutronice PSR B1913 + 16 , pentru această descoperire Russell Hulse și Joseph Taylor primind Premiul Nobel pentru Fizică în 1993 . Când stelele binare se învârt unele în jurul celeilalte, ele radiază unde gravitaționale, pierzând energie, dimensiunea orbitelor este redusă și perioada de revoluție este redusă. S-a înregistrat și scăderea perioadei de revoluție cu timpul, în exact acord cu calculele conform teoriei generale a relativității [11] [12] [9] .
Încercările directe de a detecta undele gravitaționale își au originea în experimentele lui Joseph Weber la sfârșitul anilor 1960. Anunțul descoperirii lor de către Weber la sfârșitul anului 1969, ulterior, până în 1972, infirmat de comunitatea științifică, a trezit un interes serios pentru această problemă. Pentru o lungă perioadă de timp, alegerea principală a detectoarelor de unde gravitaționale au fost detectoarele rezonante de tipul propus de Weber, care au fost îmbunătățite treptat de-a lungul deceniilor. Principiul de funcționare a unui astfel de detector este că o undă gravitațională, care trece printr-un semifabricat mare, de aproximativ metri, solid, de obicei din aluminiu, o comprimă și o extinde (acest lucru se poate vedea din interpretarea de mai sus) și astfel excită oscilații în ea - blank-ul începe să „sune” ca un clopoțel, care poate fi fixat [13] [9] .
Acești detectoare aveau însă o sensibilitate insuficientă, așa că următoarea generație de detectoare se bazează pe un alt principiu: utilizarea unui interferometru Michelson , care permite măsurarea modificărilor căii optice a luminii între oglinzile fiecărui braț al interferometrului. cu mare precizie. În același timp, problema atingerii nivelului optim de sensibilitate doar pentru brațele foarte lungi (sute de kilometri) a fost rezolvată prin introducerea rezonatoarelor Fabry-Perot în fiecare braț de detectare , care înmulțesc lungimea traseului razelor și au făcut posibilă scurtarea. brațele [14] [15] . Cele mai sensibile detectoare construite au fost colaborările LIGO (două interferometre cu brațe de 4 km) și VIRGO (un interferometru cu brațe de 3 km), care au acceptat să prelucreze în comun datele de la detectoarele lor [9] .
În 2014, descoperirea undelor gravitaționale relicve rămase de la Big Bang a fost anunțată de echipa de experimente BICEP2 , dar la scurt timp după o analiză amănunțită a datelor, a fost infirmată de colaborarea Planck [16] .
Sistemele binare de obiecte masive, cum ar fi stelele neutronice sau găurile negre , emit în mod constant unde gravitaționale. Radiația le reduce treptat orbitele și în cele din urmă duce la fuziunea lor, care în acel moment generează o undă gravitațională deosebit de puternică, literalmente „rulându-se” prin Univers. O undă gravitațională de o asemenea putere poate fi înregistrată de detectoare de unde gravitaționale [4] .
Când se caută și se identifică semnale din fuziuni, cunoașterea formei așteptate a semnalelor de timp ale undelor gravitaționale ajută. Pentru aceasta se folosesc metode de relativitate numerică , cu ajutorul cărora se alcătuiesc grile de modele de bază (şabloane) de fuziuni, între nodurile cărora se folosesc aproximări analitice, bazate pe un formalism post-newtonian de ordin înalt [17] .
Semnalul fuziunii a două găuri negre cu amplitudinea undei gravitaționale (variația adimensională a metricii h ) la maximum aproximativ 10 −21 a fost înregistrat pe 14 septembrie 2015 la ora 09:50:45 UTC de două detectoare LIGO : mai întâi în Livingston și după 7 milisecunde - în Hanford , în regiunea amplitudinii maxime a semnalului (0,2 secunde), raportul combinat semnal-zgomot a fost de 24:1. Evenimentul a primit denumirea GW150914 (în care tipul de eveniment este codificat - o undă gravitațională și o dată în format AAAMMDD) [4] .
Primele informații despre eveniment au venit la trei minute după sosirea sa din programul Coherent WaveBurst [18] , care caută semnale arbitrare de forme de undă în fluxul de date LIGO și a fost dezvoltat sub îndrumarea fizicienilor Sergey Grigoryevich Klimenko și Genakh Viktorovich Mitselmacher, care lucrează la Universitatea din Florida [19] . Semnalul a fost apoi confirmat de un al doilea program conceput pentru a căuta semnale din fuziuni binare compacte folosind mostre teoretice [1] .
Primul membru al colaborării LIGO care a acordat atenție semnalului este considerat a fi postdoc -ul italian Marco Drago, care lucrează la Institutul de Fizică Gravitațională al Societății Max Planck din Hanovra . Pe 14 septembrie 2015, la trei minute de la sosirea semnalului, Drago a primit o notificare de la sistemul de urmărire LIGO. Drago a alertat un alt postdoc din Hanovra, Andrew Lundgren, la ora locală 12:00, au sunat la centrele de control din Livingston și Hanford. La aproximativ o oră de la primirea notificării (în jurul orei 11:00 UTC), Drago a trimis un e-mail pe tot parcursul colaborării LIGO [20] [21] .
În jurul orei 6:30 , ora locală (10:30 UTC), Klimenko și-a verificat e-mailul și a văzut un e-mail de la program despre găsirea semnalului. În jurul orei 07:15 (11:15 UTC), el și-a anunțat colegii care monitorizează activitatea detectorilor despre acest lucru [22] .
Colaborările au început procesarea manuală a semnalului pe 18 septembrie și au finalizat etapa preliminară de lucru până pe 5 octombrie [21] . Totodată, au fost lansate programe de căutare a posibilelor semnale de la acest eveniment în alte domenii astronomice: nu a fost detectat un semnal neutrin [23] , colaborarea Fermi poate să fi detectat o erupție slabă în intervalul de raze X [24] .
Forma de undă se potrivește cu predicția relativității generale pentru fuziunea a două găuri negre cu mase de 36+5
−4și 29+4
−4solar. Gaura neagră rezultată are o masă de 62+4
−4masa solară și parametrul de rotație a = 0,67+0,05
−0,07. Energia emisă în zecimi de secundă în fuziune este echivalentul a 3+0,5
−0,5mase solare [1] [25] [26] .
Distanța până la sursă a fost calculată dintr-o comparație a puterii eliberate, care este estimată prin masele găurilor negre și amplitudinea semnalului măsurat, 10 −21 . Distanța sa dovedit a fi de aproximativ 1,3 miliarde de ani lumină ( 410+160
−180 megaparsec , deplasare spre roșu z = 0,09+0,03
−0,04) [1] .
Direcția către sursa semnalului este determinată prin diferența de timpi de trecere a semnalului prin detectoare. Cu doar doi detectoare LIGO, această diferență de timp determină doar unghiul dintre direcția de propagare a semnalului și linia dreaptă care conectează detectoarele. Aceasta definește un con pe a cărui suprafață poate fi amplasată sursa. Pe harta cerului înstelat, posibila locație a sursei arată ca un inel subțire - grosimea inelului este cu atât mai mică, cu atât erorile de măsurare sunt mai mici [1] [27] . Întârzierea semnalului a fost de 6,9+0,5
−0,4ms, acest lucru a făcut posibil să se calculeze că sursa semnalului GW150914 se află pe un con al cărui aliniament este îndreptat către emisfera cerească sudică. O luare în considerare suplimentară a polarizării undei gravitaționale și a poziției reciproce a celor două antene în raport cu sursa presupusă pe baza raportului amplitudinilor semnalului face posibilă îngustarea și mai mult a regiunii. Pe harta cerului înstelat, zona în care se află sursa semnalului este o semilună cu o suprafață de 140 de metri pătrați. grade (cu o probabilitate de 50%) sau 590 sq. grade (90% probabilitate) [1] [28] . În prezența a trei detectoare care nu se află pe aceeași linie dreaptă, ar fi posibilă creșterea semnificativă a preciziei determinării coordonatei sursei.
În ciuda faptului că Statele Unite au dat impulsul inițial proiectului , observatorul LIGO este un proiect cu adevărat internațional [27] . În total, mai mult de o mie de oameni de știință din cincisprezece țări au contribuit la rezultatul științific. Peste 90 de universități și institute de cercetare au participat la dezvoltarea detectorilor și a analizei datelor, iar aproximativ 250 de studenți au avut, de asemenea, contribuții semnificative [29] [30] [25] .
Crearea LIGO pentru a detecta undele gravitaționale a fost propusă în 1980 de profesorul de fizică al MIT Rainer Weiss , profesorul de fizică teoretică Caltech Kip Thorne și profesorul de fizică Caltech Ronald Driver [30] [27] .
Rețeaua de detectoare LSC include interferometrele LIGO și detectorul GEO600 . Echipa GEO include oameni de știință de la Institutul Max Planck pentru Fizică Gravitațională (Institutul Albert Einstein, AEI) și de la Universitatea Leibniz din Hanovra , în parteneriat cu universități din Marea Britanie : Glasgow , Cardiff , Birmingham și altele, precum și Universitatea din Insulele Baleare.în Spania [30] [25] .
Colaborarea VIRGO include peste 250 de fizicieni și ingineri care aparțin a 19 grupuri de cercetare europene diferite: șase de la Centrul Național de Cercetare Științifică din Franța ; opt de la Institutul Național Italian de Fizică Nucleară ; doi din Olanda Nikhef; Departamentul de Științe Fizice al Academiei Maghiare de Științe (Wigner RCP); Echipa POLGRAW din Polonia și Observatorul Gravitațional Europeanresponsabil cu întreținerea detectorului VIRGO lângă Pisa în Italia [30] [25] .
La începutul anilor 90. s-a luat decizia de a construi mai multe detectoare, iar GEO600 relativ mic din Europa și TAMA300 din Japonia urmau să fie puse în funcțiune . Aceste instalații au avut șansa să detecteze undele gravitaționale, dar în primul rând au trebuit să testeze tehnologia. S-a presupus că LIGO și VIRGO [31] ar fi principalii concurenți la descoperire .
Descoperirea a fost posibilă de noile capabilități ale Observatorului de a doua generație ( Advanced LIGO ), cu Fundația Națională pentru Știință din SUA conducând calea în sprijinul financiar . Organizații de finanțare din Germania (Societatea Max Planck), din Marea Britanie ( Consiliul pentru furnizarea de știință și tehnologie) și Australia ( Australian Research Council ) au avut, de asemenea, contribuții semnificative la proiect. Unele dintre tehnologiile cheie care au făcut Advanced LIGO mult mai sensibile au fost dezvoltate și testate în proiectul germano-britanic GEO [30] [19] . Inițial, americanii au oferit Australiei să construiască o antenă în emisfera sudică și au fost de acord să furnizeze toate echipamentele pentru aceasta, dar Australia a refuzat din cauza costului ridicat al întreținerii instalației [32] .
Resurse de calcul semnificative au fost furnizate de clusterul AEI Atlas din Hanovra , laboratorul LIGO al Universității din Syracuse și Universitatea din Wisconsin-Milwaukee. Mai multe universități au proiectat, construit și testat componente cheie pentru Advanced LIGO: Australian National University , University of Adelaide , University of Florida , Stanford University , Columbia University din New York , Louisiana State University [30] [25] . Echipamentele instalațiilor conțin componente din multe țări. Deci, LIGO are lasere germane, unele dintre oglinzi au fost fabricate în Australia etc. [33] .
Din punct de vedere ingineresc, implementarea tehnologiilor de detectare a undelor gravitaționale a necesitat depășirea multor dificultăți. De exemplu, „pur mecanic” este necesar să atârnați oglinzile masive pe o suspensie care atârnă pe o altă suspensie, pe aceea pe o a treia suspensie și așa mai departe - și totul pentru a scăpa de vibrațiile străine cât mai mult posibil. Un alt exemplu de probleme instrumentale este optică: cu cât fasciculul care circulă în sistemul optic este mai puternic, cu atât deplasarea oglinzii poate fi detectată de fotosenzor mai slabă. Pentru a compensa efectul, în anii 2000 a fost lansat un program de cercetare, incluzând cercetători din Statele Unite și Australia. În Australia de Vest, o configurație lungă de 80 de metri a fost concepută pentru a simula impactul unui fascicul puternic asupra unui sistem de lentile și oglinzi, precum și pentru a scăpa de acest impact [27] [34] [19] .
Observației comune LIGO, Virgo și GEO600 a undelor gravitaționale din octombrie 2019 i s-a alăturat proiectul KAGRA , care va crește acuratețea prin reducerea regiunii cerului din care provin undele de la 30 la 10 grade pătrate [35] [36] .
Descoperirea a condus la următoarele rezultate științifice noi [27] [47] [48] :
În plus, descoperirea undelor gravitaționale nu respinge nicio versiune de lucru a teoriei gravitației [53] .
Au fost obținute valorile restricțiilor maxime ale posibilelor abateri de la relativitatea generală în timpul emisiei undelor gravitaționale și parametrii teoriilor cu dimensiuni spațiale suplimentare [54] .
Oamenii de știință din colaborarea LIGO au primit un premiu special pentru descoperire de 3 milioane de dolari pentru confirmarea existenței undelor gravitaționale. În același timp, o treime din premiu va fi împărțită de fondatorii proiectului: Kip Thorne , Rainer Weiss și Ronald Driver, iar restul va merge la 1012 co-autori ai descoperirii [55] .
Pentru detectarea experimentală a undelor gravitaționale în 2017 a fost acordat Premiul Nobel pentru Fizică [5] .
Astronomia undelor gravitaționale : detectoare și telescoape | ||
---|---|---|
interferometrie subterană (funcționează) |
| |
Interferometric la sol (funcționează) | ||
Pământ pe alții (funcționează) | ||
Teren (planificat) | ||
Spațiu (planificat) | LISA | |
istoric |
| |
Analiza datelor | einstein@home | |
Semnale ( lista ) |