Какво е това?
В четвъртък (11 февруари) от 10:30 ч. Националната научна фондация във Вашингтон ще събере заедно учени от Калифорнийския технологичен институт (MIT) и научното сътрудничество на ЛЕУ, за да обяви пред научната общност резултатите от усилията, положени от обсерваторията на лазерната интерферометрична гравитационна вълна (LIGO) за откриване на гравитационни вълни. ,
В резултат на някои много специфични слухове, насочени към евентуалното откриване на това неуловимо вълнение в космоса, има големи надежди, че научното сътрудничество на LIGO най-накрая ще сложи край на трескавото разсъждение и ще обяви откриването на гравитационни вълни.
Но защо това е толкова важно? А какви са "гравитационните вълни"?
Гравитационните вълни в най-общ смисъл са пулсации в космоса. Алберт Айнщайн прие преди малко повече от 100 години, тези пулсации носят гравитационна енергия от ускорението на масивните обекти в пространството. Можем да си представим гравитационните вълни като вълни на повърхността на езерото; хвърли камъче във водата и вълните ще отидат по повърхността на падналия предмет Гравитационните вълни са сходни: изправени пред две черни дупки (като пример), а „вълните“ ще отидат в космоса, прехвърляйки енергия от мястото на сблъсък със скоростта на светлината. Няма доказани наблюдения за наличието на гравитационни вълни, но тяхната идентификация не се счита за възможна ... доскоро.
Какво ги прави?
Черните дупки са най-масивните и плътни обекти, съществуващи във Вселената и вероятно са центрове на гравитационна вълнова активност, особено когато се сблъскват и сливат. Сливането на черните дупки се счита за ключ към механизма на растеж на тези гравитационни гиганти. Когато две галактики се сливат с централните, много тежки, черните дупки започват да се въртят около спиралата си и след това се сблъскват, образувайки голяма черна дупка. В този случай, гравитационните вълни произлизат от спираловидни черни дупки, преди да се сблъскат. Колкото повече обекти се приближават един към друг, толкова по-силна се увеличава гравитационната енергия на вълните, като отнема все повече енергия от черните дупки към сблъсъка им, звъни като „звънец“ след сливането им. Друг енергиен феномен, който генерира бързо изригване на гравитационни вълни, е свръхнови. След като масовата звезда свърши водородното гориво, тя експлодира, образувайки масивно гравитационно налягане. В резултат на експлозията ще настъпи пулсация на гравитационни вълни, която ще премине през космическото пространство.
Гравитационните вълни могат да бъдат създадени и от бързо въртящи се обекти, но има един трик. Само асиметрични (т.е. несиметрични) огромни въртящи се обекти могат да излъчват гравитационни вълни в периодична форма. Например, бързо въртяща се неутронна звезда с изпъкнало натрупване на вещества от едната страна на полукълбото ще „разбърква“ пространството-време за създаване на гравитационни вълни. Въпреки това, една напълно симетрична неутронна звезда няма да създаде гравитационни вълни. Най-лесният начин да разберете това е да си представите една топка с овална форма, въртяща се по повърхността на басейна; докато топката се върти, тя създава големи вълни по повърхността на водата. Кръгла топка, от друга страна, ще създаде фини вълни на повърхността.
Предполага се, че Големият взрив е причинил и силен поток от гравитационни вълни в началото на Вселената преди около 14 милиарда години. Въпреки това, тези първоначални гравитационни вълни е малко вероятно да бъдат открити, тъй като техният сигнал е твърде слаб в съвременната Вселена. Но се правят опити да бъдат открити в “фоновото сияние” на Големия взрив. Такъв проект е телескопът BICEP2 в Южния полюс, който търси много специфичен вид поляризация в космическия микровълнов фон, вероятно причинен от първичните гравитационни вълни. Въпреки последните съобщения, тези сигнали все още не са открити.
Как можем да ги открием?
През 2002 г. лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) започна работа по конкретна задача: пряко откриване на гравитационни вълни, преминаващи през локалния ни обем на пространството. Гравитационните вълни се предават в пространството и могат да бъдат открити във всяка част на небето през нощта и през деня, преминавайки през мъглявина , звезди и дори твърди планети. Тези вълни, теоретично, непрекъснато преминават през космическото пространство, пътувайки абсолютно свободно. Тези вълни могат да бъдат навсякъде, но ефектът им е изненадващо слаб и LIGO е проектиран да изследва тяхното възможно съществуване. LIGO се състои от две наблюдателни станции, разположени на разстояние от 2 000 мили един от друг - един във Вашингтон, а другият в Луизиана. И двете станции са идентични и имат два дълги L-образни тунела. Всеки тунел е дълъг 2,5 мили. Ъгълът "L" съдържа сложна оптична лаборатория, използваща лазери за откриване на малки колебания в разстоянието, причинени от преминаването на гравитационна вълна. Чрез многократно подскачащи лазери по тунела и след това сравняване на лъчи, LIGO оборудването може да открие най-малката фазова промяна. Тази изключително точна техника се нарича интерферометрия. Всяка фазова промяна може да означава лека кривина на пространството-време - малка промяна в разстоянието, еквивалентна на 1/1000 ширината на протон.
Досега LIGO не можеше да открие никакви сигнали от гравитационни вълни, но с обновяването до Advanced LIGO ситуацията може да се промени.
Наличието на две станции е от решаващо значение за Advanced LIGO. Ако една станция открие промяна в пространството-време, а другата не, учените могат да изключат разпространението на гравитационните вълни. Тези фалшиви аларми могат да бъдат причинени от вибрации от преминаващ камион или от силен вятър по време на буря. Само ако две станции запишат едно и също събитие, ще се потвърди наличието на гравитационен вълнов сигнал.
Други наземни детектори за гравитационни вълни, като Дева (Италия) и GEO 600 (Германия), също използват интерферометрия за улавяне на тези малки осцилации на пространството-време. Неотдавна стартира мисията LISA Pathfinder за тестване на ключови технологии с помощта на Evolution Laser Interferometer Space Antenna от следващото поколение космически интерферометър (eLISA), който Европейската космическа агенция планира да стартира през 2034 година.
Защо са толкова важни?
Потвърждението за откриването на гравитационни вълни ще бъде окончателното сливане на теоретичната физика и технологичното развитие. Гравитационните вълни се раждат директно от общата теория на относителността на Айнщайн, която описва природата на пространството и времето. Изненадващо е, че преди 100 години, една година в годината, Айнщайн посее семена за тези смущения в пространството-време, само за да може в един век да разработим технология и да се опитаме да ги открием. Тяхното откритие ще потвърди друго предположение на общата теория на относителността и ще ни помогне в бъдеще да намерим отговори на някои от най-неприятните пъзели, пред които са изправени астрофизиците и космолозите.
Директното откриване на гравитационните вълни несъмнено е събитие, заслужаващо Нобеловата награда, а научната общност не се съмнява, че това постижение ще бъде на равна нога с откриването на бозона на Хигс през 2012 г. и вероятно дори с идеята за Едуин Хъбъл за разширяването на Вселената през 1929 година.
Любопитното е, че той предполага, че различни космически явления ще създадат гравитационни вълни с различна честота. Съвременната астрономия се фокусира върху използването на електромагнитния спектър за изследване на Вселената. Традиционно видимата част от светлината на електромагнитния спектър е била използвана от астрономите за отваряне на планети и дори разглеждане на съседни галактики. С развитието на астрономическите методи и модернизирането на технологиите астрономите започнаха да изучават вълни с различни честоти, като рентгенови лъчи, за да видят енергийните събития около черните дупки и инфрачервеното лъчение, за да погледнат в звездообразуващите мъглявини.
Но директното откриване на гравитационни вълни ще бъде промяна в парадигмата. С достатъчен брой детектори на гравитационни вълни ще можем да “видим” предмети и обекти, които остават невидими за електромагнитния спектър. Две черни дупки, които се сблъскват, например, не могат да създадат много електромагнитно излъчване, но могат да създадат огромен сигнал от гравитационната вълна. И подобно на електромагнитното излъчване, честотата на гравитационните вълни ще опише природата на явленията, които ги генерират. В крайна сметка ще можем да създадем гравитационна карта на близката Вселена с временни явления, като свръхнови, и периодични пулсации от въртенето на черните дупки. Астрономическите гравитационни вълни ще създадат революция в нашето възприятие за Вселената.
