На радість Ейнштейну, вчені щойно підтвердили існування гравітаційних хвиль

Майже століття тому фізик Альберт Ейнштейн теоретично обґрунтував існування гравітаційних хвиль, що пульсують у просторі-часі, але не мав необхідних технологій, щоб підкріпити свій аргумент реальними, необробленими даними. Сьогодні це все змінюється, оскільки команда вчених з Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) підтвердила пряме виявлення серії пульсацій, створених гравітаційними хвилями. Більше того, вчені не тільки виявили пульсації, але й змогли підтвердити справжнє джерело самих хвиль – продукт величезного зіткнення двох масивних чорних дір близько 1,3 мільярда років тому. Якщо колись і була можливість сказати “розум вибухнув”, то цей час однозначно настав саме зараз.

У 1915-1916 роках Ейнштейн зруйнував тодішні уявлення про закони нашого Всесвіту, стверджуючи, що простір не є таким статичним, як вважала наукова спільнота. Натомість німецький фізик заявив, що геометрія Всесвіту постійно викривляється і перекручується енергією і матерією, які його оточують. По суті, ця теорія існувала як частина фундаменту для його роботи над загальною теорією відносності, яка пояснює, як спостережуване гравітаційне тяжіння між масами є результатом викривлення простору-часу цими самими масами. Сьогодні робота Ейнштейна над загальною теорією відносності залишається одним з життєво важливих інформаційних стовпів в астрофізиці.

Незважаючи на свої досягнення в загальній теорії відносності, Ейнштейн відчував гостру нестачу засобів для пошуку гравітаційних хвиль і навіть вважав їх майже неможливими для виявлення. Однак сьогодні дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту та Массачусетського технологічного інституту працюють з подвійним детектором LIGO, який здатен виявляти найдрібніші вібрації від гравітаційних хвиль, що проходять повз нього. Ще у вересні 2015 року прилад LIGO зафіксував сигнал, енергія якого у 50 разів перевищувала енергію всіх зірок Всесвіту разом узятих (!) і перевищила “п’ятисигмовий” стандарт статистичної значущості. Протягом п’яти місяців команда LIGO препарувала сигнал, перетворивши його в аудіо і прослуховуючи зіткнення двох масивних чорних дір.

“Ми фактично чуємо, як вони стукаються вночі”, – говорить доцент кафедри фізики Массачусетського технологічного інституту Метью Еванс (Matthew Evans). “Ми отримуємо сигнал, який надходить на Землю, і ми можемо вивести його на динамік, і ми можемо почути, як ці чорні діри кажуть: “Уп”. Це спостереження має дуже вісцеральний зв’язок. Ви дійсно слухаєте ці речі, які раніше були чимось фантастичним”.

Експеримент LIGO, заснований у 1992 році фізиками Кіпом Торном (з яким, як відомо, консультувався Крістофер Нолан при створенні фільму “Інтерстеллар”), Рональдом Древером з Каліфорнійського технологічного інституту та Райнером Вайсом з Массачусетського технологічного інституту, був створений виключно з метою виявлення гравітаційних хвиль. За перші вісім років свого існування (2002-2010 рр.) йому не вдалося виявити жодної гравітаційної хвилі, через що в експерименті було оголошено тимчасову перерву для встановлення більш досконалих детекторів. Після п’ятирічної реконструкції вартістю 200 млн. доларів США, яка фінансувалася в основному Національним науковим фондом США (NSF) і фактично обійшлася в 620 млн. доларів США, нові та вдосконалені об’єкти LIGO були введені в експлуатацію в Лівінгстоні (штат Луїзіана) та Хенфорді (штат Вашингтон).

Щодо самого приладу, то на кожному майданчику LIGO встановлено L-подібний інтерферометр, який має довжину приблизно 4 кілометри і використовує лазерне світло з розщепленим променем, який проходить вгору і вниз по кожному плечу. Коли лазери рухаються плечима, вони відбиваються від серії точно розміщених дзеркал, постійно відстежуючи точну довжину, яку вони проходять між кожним дзеркалом. Якщо, і в даному випадку, коли гравітаційна хвиля проходить через прилад, відстань, яку проходять лазери між дзеркалами, змінюється настільки мало, що це майже непомітно.

“Ви можете майже уявити це так, ніби ви кинули камінь на поверхню ставка, і брижі зникли”, – каже професор астрофізики Нергіс Малвалвала, професор астрофізики ім. Кертіса і Кетлін Марбл з Массачусетського технологічного інституту (MIT). “Це щось, що спотворює простір-час навколо нього, і це спотворення поширюється назовні і досягає нас на Землі через сотні мільйонів світлових років”.

Після запуску комп’ютерного моделювання хвиль було визначено, що енергія походить від об’єктів, які приблизно в 29 і 36 разів масивніші за Сонце. Перед потойбічним зіткненням два об’єкти рухалися по спіралі всього в 130 милях один від одного, перш ніж врешті-решт злилися – тобто врізалися один в одного. За словами члена LIGO Брюса Аллена, тільки чорні діри здатні містити стільки маси в такому обмеженому просторі, і далі додав: “Раніше можна було сперечатися в принципі, чи існують чорні діри чи ні; тепер це неможливо”.

Хоча вчені LIGO можуть повідомити, що сила зіткнення створила невидимий вибух, здатний зробити вибух атомної бомби схожим на просту іскру, вони витратили більшу частину п’яти місяців на те, щоб переконатися, що початкові дані були, насправді, реальними. По мірі того, як з виявленого гравітаційного сигналу повільно просочувалась інформація, вчені працювали вдень і вночі, щоб визначити, чи був він справжнім чи ні. Можливі альтернативи на столі варіювалися від власних помилкових сигналів лабораторії (або “сліпих ін’єкцій”) до повномасштабної, створеної людиною містифікації. Ці можливості були незабаром виключені після того, як команда зрозуміла, що насправді не проводила жодних тестів “сліпих ін’єкцій” і що сфабрикований сигнал був дуже малоймовірним.

“Ми думали, що буде дуже складно довести собі та іншим, що перші кілька сигналів, які ми побачили, були не просто випадковістю і випадковими шумами”, – говорить директор лабораторії MIT LIGO Девід Шумейкер (David Shoemaker). “Але природа була неймовірно люб’язна, доставивши нам сигнал, який був дуже великим, надзвичайно простим для розуміння, і абсолютно, чудово узгоджувався з теорією Ейнштейна”.

Тепер, коли команда ефективно довела існування гравітаційних хвиль, сама тканина астрофізики, загальної теорії відносності і всього Всесвіту просить поглянути на неї по-іншому. Як зазначає Science Mag, фізик Університету Джона Хопкінса Марк Каміонковскі визнає, що ці висновки відкривають перед вченими двері для вивчення загальної теорії відносності в екстремальних умовах – тобто, у випадках, коли на гравітаційне поле тіла припадає майже вся його маса. У Массачусетському технологічному інституті також визнають, що гравітаційне поле, виявлене приладом LIGO, є лише верхівкою айсберга з точки зору фундаментальної фізики нашого Всесвіту.

“Це дійсно відкриває абсолютно нову область для астрофізиків, – додає Метью Еванс. “Ми завжди дивимося в небо за допомогою телескопів і шукаємо електромагнітне випромінювання, таке як світло, радіохвилі або рентгенівські промені. Тепер гравітаційні хвилі – це абсолютно новий спосіб, за допомогою якого ми можемо пізнати всесвіт навколо нас”.

Надалі команда LIGO має намір продовжувати просіювати дані, зібрані під час нещодавнього циклу спостережень, який завершився минулого місяця – першого такого циклу з використанням модернізованих датчиків обладнання. У пошуках інших сигналів гравітаційних хвиль у великій кількості даних, лабораторія заявила, що також готується розпочати запис даних у липні цього року. За словами Девіда Шумейкера, лабораторія не має наміру зупинятися на досягнутому в дослідженні гравітаційних хвиль.

“Через кілька років, коли вона буде повністю введена в експлуатацію, ми будемо спостерігати події від найрізноманітніших об’єктів: чорних дір, нейтронних зірок, наднових, а також речей, які ми ще не уявляли, з частотою раз на день або раз на тиждень, в залежності від того, скільки сюрпризів нас чекає”, – говорить Шумейкер. “Це наша мрія, і поки що у нас немає жодних підстав вважати, що це не так”.

Повний підсумок висновків команди опублікований в Physical Review Letters 11 лютого, який додатково пояснює спосіб, яким детектори LIGO відчули гравітаційні хвилі. Назвати ці результати революційними було б применшенням, оскільки відкриття кардинально змінює навіть найпростіші уявлення про наш всесвіт. Який абсолютно захоплюючий час, щоб бути живим, чи не так?

Рекомендації редакції

• Вчені тільки що досягли прориву в квантових обчисленнях
• NASA тільки що скинуло захоплююче оновлення про космічний телескоп Вебб
• Elgato Facecam – нова веб-камера, створена спеціально для творців контенту
• VR дозволяє вченим зменшуватися і “гуляти” всередині власних клітин
• Solar Orbiter надіслав перші вимірювання з космосу через кілька днів після запуску

Source: digitaltrends.com