Гравітаційні хвилі: найважливіше про колосальне відкриття

Вчені міжнародного проекту LIGO в США змогли зафіксувати невловимі брижі в тканині простору і часу, відомі як гравітаційні хвилі. Відкриття було зроблене 14 вересня 2015 року та офіційно підтверджене 11 лютого 2016 року. Зафіксовані двома детекторами гравітаційні хвилі були породжені колапсом двох чорних дір з масами в 36 і 29 сонячних мас.

Немає ніяких сумнівів в тому, що знахідка є одним з найбільш новаторських відкриттів фізики за останні 100 років.

LIGO – найбільша у світі гравітаційна хвилева обсерваторія і ультрасучасний фізичний експеримент. Два величезні лазерні інтерферометри, розташовані на відстані у тисячі кілометрів, використовують фізичні властивості світла і самого простору для виявлення і розуміння витоків гравітаційних хвиль.

Історія питання

Щоб краще зрозуміти феномен, давайте повернемося у минуле. У 1687 році, коли Ісаак Ньютон опублікував “Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica”, він думав про гравітаційну силу як про силу тяжіння між двома масами – будь то Земля і Місяць, або дві горошини на столі. Проте характер передачі цієї сили у той час був менш зрозумілим.
Дійсно, сам закон тяжіння не був протестований, поки британський вчений Генрі Кавендиш не зробив це в 1798 році, вимірюючи щільність Землі. У 1916 році Ейнштейн виклав фізикам свої думки про простір, час і гравітацію. Завдяки його роботі, опублікованій в 1905 році, теорія загальної теорії відносності зв’язала разом те, що зазвичай розглядалося окремо – простір і час – в те, що тепер називається простором-часом. Простір-час можна розглядати як тканину Всесвіту. Це означає, що все, що рухається, рухається крізь нього. У цій моделі усі об’єкти, які мають масу, спотворюють його тканину. Чим більша маса, тим більше спотворення. І оскільки кожен об’єкт, що рухається, переміщається крізь простір-час, він також наслідуватиме спотворення, викликані об’єктами з великою масою.

Теорія на простому прикладі

Ось вам приклад – дві дитини, одна з яких важча за іншу, грають на батуті. Якщо ми розглянемо поверхню батута як тканину, тоді масивніша дитина спотворює тканину більше, ніж меньша. Якщо одна дитина кладе м’яч на батут поряд з ногами іншої, тоді м’яч рухатиметься у напрямі спотворення тканини. Так само, коли Земля обертається навколо Сонця, величезна маса сонця спотворює простір навколо нього, дозволяючи нашій порівняно крихітній планеті наслідувати свою траєкторію, але в зігнутому просторі. Ось чому вона обертається навколо Сонця. Якщо ми приймемо цю просту аналогію, то отримаємо основи гравітації.

Перехід до гравітаційних хвиль – це невеликий, але дуже важливий крок. Нехай один з дітей на батуті протягне важкий предмет по його поверхні. Це створить недовгу пульсацію поверхні, яку можна буде побачити. Інший спосіб візуалізації – подивитися, як рука проходить крізь воду. Від її руху з’являються хвилі, але вони швидко зникають.
Будь-який об’єкт, що переміщається по просторово-часовій тканині, викликає хвилі або брижі в цій тканині. На жаль, ці брижі зникають досить швидко, і тільки найсерйозніші події викликають спотворення, досить великі, щоб їх можна було виявити на Землі. Щоб представити це в перспективі, зустріч двох чорних дір – кожна з масою вдесятеро більше, ніж у нашого сонця, приведе до хвилі, що викликає спотворення у розмірі 1% діаметру атома, коли воно досягне Землі. У цьому масштабі спотворення складе 0,0000000000001 м зміни діаметру Землі в порівнянні зі зміною в 1 м завдяки приливу.

Для чого можна використати гравітаційні хвилі?

Враховуючи, що ці брижі дуже малі і складно фіксуються, чому вчені так намагалися знайти гравітаційні хвилі?

На думку спадають дві безпосередні причини. По-перше, вони були передбачені Ейнштейном 100 років тому. Тому підтвердження існування гравітаційних хвиль забезпечує додаткову підтримку його загальної теорії відносності. Крім того, підтвердження може відкрити нові галузі фізики, такі як гравітаційно-хвилева астрономія. Вивчаючи гравітаційні хвилі від процесів, що їх продукують – в цьому випадку дві чорні діри, що зливаються – ми могли б бачити подробиці активних подій у космосі.
Проте, щоб максимально використати таку ​​астрономію, краще всього розмістити детектор у космосі. LIGO вдалося упіймати гравітаційні хвилі із Землі з використанням лазерної интерферометрии. Цей метод працює шляхом розщеплювання лазерного променя в двох перпендикулярних напрямах і відправки кожного по довгому вакуумному тунелю. Потім вони дзеркалами відбиваються назад до точки, в якій вони починалися – і де розташований детектор. Якщо на своєму шляху вони будуть змінені гравітаційними хвилями, рекомбіновані промені відрізнятимуться від оригіналу.

Космічні інтерферометри, які будуть створені в наступному десятилітті, використовуватимуть лазери, що охоплюють до мільйона кілометрів.

Тепер, коли ми знаємо, що вони існують, з’явилася надія, що гравітаційні хвилі можуть допомогти розкрити деякі з найбільших таємниць в науці, наприклад, з чого складається значна частина Всесвіту. Адже тільки 5% Всесвіту – звичайна речовина, 27% – темна матерія, а інші 68% є темною енергією. Їх називають “темними”, оскільки незрозуміло, що вони собою являють.

Гравітаційні хвилі тепер можуть бути інструментом, що дозволяє досліджувати ці таємниці аналогічним чином, як рентгенівські промені і МРТ дозволили нам досліджувати тіло людини.