Детектор гравитационных волн простыми словами

Гравитация

В теории Эйнштейна пространство и время образуют единую сущность – пространственно-временной континуум. «Пространство-время» подобно  непрерывной и нервущейся ткани, способной изгибаться, сжиматься или расширяться. Любая масса, будь то планеты, звезды или целые галактики, способна эту ткань деформировать, словно тяжёлый шар, образующий вокруг себя воронку на растянутой ткани. Воронка, образованная тяжёлыми телами в ткани пространства-времени, «затягивает» в себя другие объекты, отсюда и эффект, который мы называем гравитацией. По сути, гравитация – это и есть взаимодействие простанства-времени со всеми физическими телами, полями и прочими объектами. 

Когда мы стучим по туго натянутой ткани на бонго, по ней пробегают волны. Точно такие же волны могут бежать по «туго натянутой» ткани пространства-времени – это и есть те самые гравитационные волны. 

Но чем нужно «постучать», чтобы взволновать пространство-время? Несмотря на то, что гравитация – это цемент, с помощью которого связаны все звезды и галактики нашей Вселенной, тем не менее это самая слабая из четырёх фундаментальных сил, управляющих миром. Гравитационные волны рождаются даже когда вы просто берете в руки кружку или хлопаете руками, но эти волны очень слабые и почти никак не меняют пространство-время. 

Для рождения волн, достаточно мощных, чтобы их можно было «увидеть», необходимо событие катастрофических масштабов. Такое, как взрыв сверхновой звезды, в результате которого за считанные секунды высвобождается больше энергии, чем излучает Солнце за весь свой жизненный цикл длиной в 10 миллиардов лет. Или как слияние двух черных дыр. 

Именно такую систему двух сливающихся чёрных дыр массами в 30 масс Солнца под незапоминающимся названием GW150914 увидели два детектора LIGO. Эта система при слиянии излучила гравитационные волны с энергией, эквивалентной трём солнечным массам, и большая часть этой энергии была излучена в последние доли секунды перед слиянием. 

Слияние черных дыр – событие, грандиозное по масштабам. Но, несмотря на всю его мощь, до нас дошли лишь очень слабые его отголоски. Дело в том, что слияние произошло давным-давно, в далёкой-далекой  галактике – примерно миллиард лет назад. Пройдя расстояние в миллиард световых дет и дойдя до нас, волна изрядно ослабла. Все, на что может хватить ее сил – исказить пространство на тысячную долю размера атомного ядра. Но как можно увидеть такое слабое возмущение пространства?

Детектор LIGO в Хэнфорде, штат Вашингтон, — один из двух, обнаруживших гравитационные волны

Видео

Лазерные интерферометры [ править ]

Упрощенная работа обсерватории гравитационных волн Рисунок 1 : Светоделитель (зеленая линия) разделяет когерентный свет (из белого прямоугольника) на два луча, которые отражаются от зеркал (голубые продолговатые); показан только один исходящий и отраженный луч в каждом плече, разделенный для ясности. Отраженные лучи рекомбинируют, и обнаруживается интерференционная картина (фиолетовый кружок). Рисунок 2 : Гравитационная волна, проходящая через левую руку (желтый), изменяет свою длину и, следовательно, интерференционную картину.

Искривленная сторона Вселенной

Черные дыры, червоточины, сингулярности, гравитационные аномалии и измерения высшего порядка связаны с искривлениями пространства и времени. Поэтому Кип Торн называет их «искривленной стороной Вселенной». У человечества до сих пор очень мало экспериментальных и наблюдательных данных с искривленной стороны Вселенной. Вот почему мы столько внимания отдаем гравитационным волнам: они состоят из искривленного пространства и предоставляют наиболее доступный для нас способ исследовать искривленную сторону.

Представьте, что вам приходилось видеть океан, только когда он спокоен. Вы бы знать не знали о течениях, водоворотах и штормовых волнах. Это напоминает наши сегодняшние знания об искривлении пространства и времени.

Мы почти ничего не знаем о том, как искривленное пространство и искривленное время ведут себя «в шторм» — когда форма пространства бурно колеблется и когда колеблется скорость течения времени. Это необыкновенно манящий рубеж знаний. Ученый Джон Уилер придумал для этих изменений термин «геометродинамика»

Особый интерес в области геометродинамики представляет столкновение двух черных дыр.

Столкновение двух невращающихся черных дыр. Модель из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

На рисунке выше изображен момент столкновения двух черных дыр. Как раз такое событие позволило ученым зафиксировать гравитационные волны. Эта модель построена для невращающихся черных дыр. Сверху: орбиты и тени дыр, вид из нашей Вселенной. Посередине: искривленное пространство и время, вид из балка (многомерного гиперпространства); стрелками показано, как пространство вовлекается в движение, а изменяющимися цветами — как искривляется время. Снизу: форма испускаемых гравитационных волн.

Список детекторов гравитационных волн [ править ]

Кривые шума для выбора детекторов в зависимости от частоты. Также показаны характерные деформации потенциальных астрофизических источников. Для обнаружения характерная деформация сигнала должна быть выше кривой шума.

Резонансные масс-детекторы [ править ]

  • Первое поколение [32]
    • Бар Вебера (1960-80-е годы)
  • Второе поколение [32]
    • ИССЛЕДОВАТЕЛЬ (ЦЕРН, 1985-)
    • ГЕОГРАВ (Рим, 1980-е гг.)
    • АЛЬТАИР (Фраскати, 1990-)
    • АЛЛЕГРО (Батон-Руж, 1991-2008)
    • НИОБА (Перт, 1993-)
    • НАУТИЛУС (Рим, 1995-)
    • АУРИГА (Падуя, 1997-)
  • Третье поколение
    • Марио Шенберг (Сан-Паулу, 2003-)
    • MiniGrail (Лейден, 2003-)

Интерферометры [ править ]

Интерферометрические детекторы гравитационных волн часто делятся на поколения в зависимости от используемой технологии. [33] [34] Интерферометрические детекторы, развернутые в 1990-х и 2000-х годах, послужили испытательной площадкой для многих фундаментальных технологий, необходимых для первоначального обнаружения, и их обычно называют первым поколением. [34] [33] Второе поколение детекторов, работающих в 2010-х годах, в основном на тех же объектах, как LIGO и VIRGO, усовершенствовало эти конструкции с помощью таких сложных методов, как криогенные зеркала и инжекция сжатого вакуума. [34] Это привело к первому недвусмысленному обнаружению гравитационной волны с помощью Advanced LIGO в 2015 году. Детекторы третьего поколения в настоящее время находятся на стадии планирования и стремятся улучшить второе поколение за счет достижения большей чувствительности обнаружения и более широкого диапазона доступных частот. Во всех этих экспериментах задействовано множество технологий, которые непрерывно разрабатываются в течение нескольких десятилетий, поэтому категоризация по поколениям является лишь приблизительной.

  • Первое поколение
    • (1995) ТАМА 300
    • (1995) GEO 600
    • (2002) ЛИГО
    • (2006) CLIO
    • (2007) Интерферометр Девы
  • Второе поколение
    • (2010) GEO High Frequency [35] [34]
    • (2015) Продвинутый LIGO [34]
    • (2016) Продвинутая Дева [34]
    • (2019) КАГРА (LCGT) [34]
    • (2023) Индиго (LIGO-India) [36]
    • ( несуществующий ) AIGO [34]
  • Третье поколение
    • (2030-е) Телескоп Эйнштейна
    • (2030-е) Космический исследователь
  • Космический
    • (2035) Тянь Цинь
    • (2030-е?) Тайцзи (обсерватория гравитационных волн)
    • (2027) Обсерватория гравитационных волн с интерферометром децигерц (DECIGO)
    • (2034) Космическая антенна с лазерным интерферометром ( проект Lisa Pathfinder был запущен в декабре 2015 г.)

След начала Вселенной

В начале девяностых космологи поняли, что эти гравитационные волны длиной в миллиарды световых лет должны были оставить уникальный след в электромагнитных волнах, наполняющих Вселенную, — в так называемом космическом микроволновом фоне, или реликтовом излучении. Это положило начало поискам святого Грааля. Ведь если обнаружить этот след и вывести из него свойства изначальных гравитационных волн, можно узнать, как зарождалась Вселенная.

В марте 2014 года, когда Кип Торн писал эту книгу, команда Джеми Бока, космолога из Калтеха, кабинет которого находится рядом с кабинетом Торна, наконец обнаружила этот след в реликтовом излучении.

Это совершенно потрясающее открытие, но есть один спорный момент: след, найденный командой Джеми, мог быть вызван не гравитационными волнами, а чем-то еще.

Если действительно найден след гравитационных волн, возникших при Большом взрыве, значит, произошло космологическое открытие такого уровня, какие случаются, быть может, раз в полвека. Оно дает шанс прикоснуться к событиям, которые происходили спустя триллионную от триллионной от триллионной доли секунды после рождения Вселенной.

Это открытие подтверждает теории, гласящие, что расширение Вселенной в тот миг было чрезвычайно быстрым, на сленге космологов — инфляционно быстрым. И возвещает наступление новой эры в космологии.

Теги

Adblock
detector