Գրավիտացիոն ալիքների հայտնաբերման (հայտնաբերման) պաշտոնական օրը 2016 թվականի փետրվարի 11-ն է։ Հենց այդ ժամանակ Վաշինգտոնում կայացած մամուլի ասուլիսում LIGO համագործակցության ղեկավարները հայտարարեցին, որ հետազոտողների թիմին հաջողվել է մարդկության պատմության մեջ առաջին անգամ արձանագրել այս երևույթը։
Մեծ Էյնշտեյնի մարգարեությունները
Նույնիսկ անցյալ դարի սկզբին (1916թ.) Ալբերտ Էյնշտեյնը առաջարկեց, որ գրավիտացիոն ալիքները գոյություն ունեն իր կողմից ձևակերպված Հարաբերականության ընդհանուր տեսության (ՀՀ) շրջանակներում։ Մնում է միայն հիանալ հայտնի ֆիզիկոսի փայլուն կարողությունների վրա, ով նվազագույն իրական տվյալներով կարողացել է նման հեռուն գնացող եզրակացություններ անել։ Ի թիվս բազմաթիվ այլ կանխատեսված ֆիզիկական երևույթների, որոնք հաստատվեցին հաջորդ դարում (ժամանակի հոսքի դանդաղեցում, գրավիտացիոն դաշտերում էլեկտրամագնիսական ճառագայթման ուղղության փոփոխություն և այլն), հնարավոր չեղավ գործնականում հայտնաբերել այս տեսակի ալիքի առկայությունը։ մարմինների փոխազդեցությունը մինչև վերջերս։
Ձգողականությունը պատրանք է?
Ընդհանրապես, լույսի ներքոՀարաբերականության տեսությունը դժվար թե կարողանա գրավիտացիան ուժ անվանել։ Սա տարածություն-ժամանակային շարունակականության շեղման կամ կորության հետևանք է։ Այս պոստուլատը լուսաբանող լավ օրինակ է ձգված կտորը: Նման մակերեսի վրա դրված զանգվածային առարկայի ծանրության տակ առաջանում է խորշ։ Այս անոմալիայի մոտ շարժվող մյուս առարկաները կփոխեն իրենց շարժման հետագիծը, կարծես «գրավվել»: Եվ որքան մեծ է օբյեկտի քաշը (որքան մեծ է կորության տրամագիծն ու խորությունը), այնքան մեծ է «գրավման ուժը»։ Երբ այն շարժվում է գործվածքի միջով, դուք կարող եք դիտել տարբերվող «ալիքի» տեսքը։
Նման բան տեղի է ունենում համաշխարհային տիեզերքում. Ցանկացած արագ շարժվող զանգվածային նյութ տարածության և ժամանակի խտության տատանումների աղբյուր է: Զգալի ամպլիտուդով գրավիտացիոն ալիք, որը ձևավորվում է չափազանց մեծ զանգված ունեցող մարմինների կողմից կամ հսկայական արագացումներով շարժվելիս։
Ֆիզիկական բնութագրեր
Տիեզերական ժամանակի մետրիկի տատանումները դրսևորվում են որպես գրավիտացիոն դաշտի փոփոխություններ: Այս երեւույթն այլ կերպ կոչվում է տարածություն-ժամանակի ալիքներ: Գրավիտացիոն ալիքը գործում է հանդիպող մարմինների և առարկաների վրա՝ սեղմելով և ձգելով դրանք։ Դեֆորմացիայի արժեքները շատ փոքր են՝ սկզբնական չափից մոտ 10-21 : Այս երեւույթի հայտնաբերման ողջ դժվարությունն այն էր, որ հետազոտողները պետք է սովորեին, թե ինչպես չափել և գրանցել նման փոփոխությունները համապատասխան սարքավորումների օգնությամբ։ Գրավիտացիոն ճառագայթման ուժը նույնպես չափազանց փոքր է՝ ամբողջ Արեգակնային համակարգի համարմի քանի կիլովատ.
Գրավիտացիոն ալիքների տարածման արագությունը փոքր-ինչ կախված է հաղորդիչ միջավայրի հատկություններից: Տատանումների ամպլիտուդը աստիճանաբար նվազում է աղբյուրից հեռավորության վրա, բայց երբեք չի հասնում զրոյի: Հաճախականությունը գտնվում է մի քանի տասնյակից մինչև հարյուրավոր հերց միջակայքում: Միջաստղային միջավայրում գրավիտացիոն ալիքների արագությունը մոտենում է լույսի արագությանը։
Ուղղակի ապացույց
Առաջին անգամ գրավիտացիոն ալիքների գոյության տեսական հաստատումը ստացան ամերիկացի աստղագետ Ջոզեֆ Թեյլորը և նրա օգնական Ռասել Հալսը 1974 թվականին։ Ուսումնասիրելով Տիեզերքի տարածությունները Արեսիբո աստղադիտարանի (Պուերտո Ռիկո) ռադիոաստղադիտակի միջոցով՝ հետազոտողները հայտնաբերել են PSR B1913 + 16 պուլսարը, որը նեյտրոնային աստղերի երկուական համակարգ է, որը պտտվում է զանգվածի ընդհանուր կենտրոնի շուրջ՝ հաստատուն անկյունային արագությամբ (բավականին հազվադեպ դեպք): Ամեն տարի հեղափոխության ժամանակաշրջանը, որն ի սկզբանե 3,75 ժամ էր, կրճատվում է 70 ms-ով: Այս արժեքը միանգամայն համահունչ է GR հավասարումների եզրակացություններին, որոնք կանխատեսում են նման համակարգերի պտտման արագության աճ՝ գրավիտացիոն ալիքների առաջացման համար էներգիայի ծախսման պատճառով: Հետագայում հայտնաբերվեցին մի քանի կրկնակի պուլսարներ և նմանատիպ վարքագիծ ունեցող սպիտակ թզուկներ։ Ռադիոաստղագետներ Դ. Թեյլորը և Ռ. Հուլսը 1993 թվականին արժանացել են ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի՝ գրավիտացիոն դաշտերի ուսումնասիրման նոր հնարավորություններ հայտնաբերելու համար։
Փախած գրավիտացիոն ալիք
Առաջին հայտարարություն մասինԳրավիտացիոն ալիքների հայտնաբերումը ստացվել է Մերիլենդի համալսարանի գիտնական Ջոզեֆ Վեբերից (ԱՄՆ) 1969 թվականին: Այդ նպատակների համար նա օգտագործել է իր սեփական դիզայնի երկու գրավիտացիոն ալեհավաքներ, որոնք բաժանված են երկու կիլոմետր հեռավորությամբ։ Ռեզոնանսային դետեկտորը լավ թրթռացող երկու մետրանոց ալյումինե գլան էր, որը հագեցած էր զգայուն պիեզոէլեկտրական սենսորներով: Վեբերի կողմից իբր գրանցված տատանումների ամպլիտուդը պարզվել է, որ ավելի քան մեկ միլիոն անգամ գերազանցում է ակնկալվող արժեքը։ Ամերիկացի ֆիզիկոսի «հաջողությունը» կրկնելու՝ նման սարքավորումների կիրառմամբ այլ գիտնականների փորձերը դրական արդյունք չեն տվել։ Մի քանի տարի անց Վեբերի աշխատանքը այս ոլորտում ճանաչվեց որպես անհիմն, բայց խթան հաղորդեց «գրավիտացիոն բումի» զարգացմանը, որը բազմաթիվ մասնագետների գրավեց հետազոտության այս ոլորտ: Ի դեպ, ինքը՝ Ջոզեֆ Վեբերը, մինչև իր օրերի վերջ վստահ էր, որ գրավիտացիոն ալիքներ է ստանում։
ընդունիչ սարքավորումների բարելավում
70-ականներին գիտնական Բիլ Ֆերբանկը (ԱՄՆ) մշակեց գրավիտացիոն ալիքի ալեհավաքի դիզայնը, որը սառեցվում է հեղուկ հելիումով, օգտագործելով SQUIDs՝ գերզգայուն մագնիսաչափեր: Այն ժամանակ գոյություն ունեցող տեխնոլոգիաները գյուտարարին թույլ չէին տալիս տեսնել իր «մետաղում» իրացված արտադրանքը։
Auriga գրավիտացիոն դետեկտորն այս կերպ պատրաստվել է Ազգային Լեգնարդ լաբորատորիայում (Պադուա, Իտալիա): Դիզայնը հիմնված է ալյումին-մագնեզիումի բալոնի վրա՝ 3 մետր երկարությամբ և 0,6 մ տրամագծով, 2,3 տոննա քաշով ընդունող սարք։կասեցված է մեկուսացված վակուումային խցիկում, որը սառեցվել է գրեթե բացարձակ զրոյի: Թրթռումները ֆիքսելու և հայտնաբերելու համար օգտագործվում է կիլոգրամի օժանդակ ռեզոնատոր և համակարգչային չափիչ համալիր։ Հայտարարված սարքավորումների զգայունությունը 10-20.
Ինտերֆերոմետրեր
Գրավիտացիոն ալիքների միջամտության դետեկտորների աշխատանքը հիմնված է նույն սկզբունքների վրա, ինչ Մայքելսոնի ինտերֆերոմետրը։ Աղբյուրից արձակված լազերային ճառագայթը բաժանված է երկու հոսքի. Սարքի ուսերի երկայնքով բազմակի արտացոլումներից և ճանապարհորդություններից հետո հոսքերը կրկին հավաքվում են, և միջամտության վերջնական պատկերն օգտագործվում է դատելու համար, թե արդյոք որևէ խանգարում (օրինակ՝ գրավիտացիոն ալիք) ազդել է ճառագայթների ընթացքի վրա: Նմանատիպ սարքավորումներ ստեղծվել են բազմաթիվ երկրներում.
- GEO 600 (Հանովեր, Գերմանիա): Վակուումային թունելների երկարությունը 600 մետր է։
- TAMA (Ճապոնիա) 300 մ ուսեր
- VIRGO (Պիզա, Իտալիա) համատեղ ֆրանկո-իտալական նախագիծ է, որը մեկնարկել է 2007 թվականին 3 կմ երկարությամբ թունելներով:
- LIGO (ԱՄՆ, Խաղաղօվկիանոսյան ափ), ձգողականության ալիքների որս 2002 թվականից։
Վերջինն արժե ավելի մանրամասն դիտարկել:
LIGO Ընդլայնված
Ծրագիրը նախաձեռնել են Մասաչուսեթսի տեխնոլոգիական ինստիտուտի և Կալիֆորնիայի տեխնոլոգիական ինստիտուտի գիտնականները: Ներառում է 3 հազար կմ-ով բաժանված երկու աստղադիտարան՝ Լուիզիանա և Վաշինգտոն նահանգներում (Լիվինգսթոն և Հենֆորդ քաղաքներ) երեք միանման ինտերֆերոմետրերով։ Ուղղահայաց վակուումի երկարությունըթունելները 4 հազար մետր են։ Սրանք ներկայումս գործող ամենամեծ նման կառույցներն են։ Մինչև 2011 թվականը գրավիտացիոն ալիքները հայտնաբերելու բազմաթիվ փորձերը ոչ մի արդյունք չեն տվել։ Կատարված զգալի արդիականացումը (Advanced LIGO) ավելի քան հինգ անգամ ավելացրել է սարքավորումների զգայունությունը 300-500 Հց միջակայքում, իսկ ցածր հաճախականության շրջանում (մինչև 60 Հց) գրեթե մեծության կարգով՝ հասնելով. նման բաղձալի արժեքը 10-21: Թարմացված նախագիծը մեկնարկել է 2015 թվականի սեպտեմբերին, և հազարից ավելի համագործակիցների ջանքերը պարգևատրվել են արդյունքներով։
Հայտնաբերվել են գրավիտացիոն ալիքներ
2015 թվականի սեպտեմբերի 14-ին առաջադեմ LIGO դետեկտորները 7 ms ընդմիջումով գրանցեցին գրավիտացիոն ալիքներ, որոնք հասել են մեր մոլորակ ամենամեծ երևույթից, որը տեղի է ունեցել դիտելի Տիեզերքի ծայրամասում՝ երկու մեծ սև խոռոչների միաձուլումից զանգվածներով։ Արեգակի զանգվածից 29 և 36 անգամ: Գործընթացի ընթացքում, որը տեղի է ունեցել ավելի քան 1,3 միլիարդ տարի առաջ, նյութի մոտ երեք արեգակնային զանգված վայրկյանի կոտորակներում ծախսվել է գրավիտացիոն ալիքների ճառագայթման վրա։ Գրավիտացիոն ալիքների սկզբնական հաճախականությունը գրանցվել է 35 Հց, իսկ առավելագույն առավելագույն արժեքը հասել է 250 Հց-ի։
Ստացված արդյունքները բազմիցս ենթարկվել են համապարփակ ստուգման և մշակման, ստացված տվյալների այլընտրանքային մեկնաբանությունները խնամքով կտրվել են: Ի վերջո, անցյալ տարվա փետրվարի 11-ին համաշխարհային հանրությանը հայտարարվեց Էյնշտեյնի կանխատեսած ֆենոմենի ուղղակի գրանցման մասին։
Փաստ, որը ցույց է տալիս հետազոտողների տիտանական աշխատանքը. ինտերֆերոմետրի թեւերի չափսերի տատանումների ամպլիտուդը եղել է 10-19մ. այս արժեքը նույնքան փոքր է, քան տրամագիծը: ատոմ, քանի որ այն փոքր է նարնջից:
Հետագա հեռանկարներ
Հայտնագործությունը ևս մեկ անգամ հաստատում է, որ Հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը ոչ միայն վերացական բանաձևերի հավաքածու է, այլ սկզբունքորեն նոր հայացք գրավիտացիոն ալիքների և առհասարակ ձգողականության էությանը:
Հետագա հետազոտությունների ընթացքում գիտնականները մեծ հույսեր են կապում ELSA նախագծի հետ՝ ստեղծելով հսկա ուղեծրային ինտերֆերոմետր՝ մոտ 5 միլիոն կմ երկարությամբ թեւերով, որը կարող է հայտնաբերել գրավիտացիոն դաշտերի նույնիսկ աննշան շեղումները: Այս ուղղությամբ աշխատանքի ակտիվացումը շատ բան կարող է պատմել Տիեզերքի զարգացման հիմնական փուլերի, ավանդական խմբերում դժվար կամ անհնարին դիտարկվող գործընթացների մասին։ Կասկածից վեր է, որ սև խոռոչները, որոնց գրավիտացիոն ալիքները ապագայում կֆիքսվեն, շատ բան կպատմեն իրենց էության մասին։
Մնացուկային գրավիտացիոն ճառագայթումն ուսումնասիրելու համար, որը կարող է պատմել Մեծ պայթյունից հետո մեր աշխարհի առաջին պահերի մասին, կպահանջվեն ավելի զգայուն տիեզերական գործիքներ: Նման նախագիծ կա (Big Bang Observer), սակայն դրա իրականացումը, ըստ մասնագետների, հնարավոր է ոչ շուտ, քան 30-40 տարի հետո։
