Opdagelsen af gravitationsbølger blev gjort ved deres direkte påvisning den 14. september 2015 af LIGO og VIRGO samarbejdet ; åbningen blev annonceret den 11. februar 2016 [3] . Resultaterne blev publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters [1] og en række efterfølgende artikler.
Begivenheden blev betegnet GW150914 [4] .
For den eksperimentelle påvisning af gravitationsbølger i 2017 blev Nobelprisen i fysik tildelt [5] .
Eksistensen af gravitationsbølger blev først forudsagt i 1916 [6] [7] af Albert Einstein baseret på den generelle relativitetsteori [8] . Disse bølger er ændringer i gravitationsfeltet, der forplanter sig som bølger. Når en gravitationsbølge passerer mellem to legemer, ændres afstanden mellem dem. Den relative ændring i denne afstand tjener som et mål for bølgeamplituden [9] .
Mere præcist kan en gravitationsbølge i detektorens egen referenceramme i den første tilnærmelse betragtes som en newtonsk kraft, der virker på det andet legeme fra et frithængende par i en afstand specificeret af rumvektoren fra den første, hvilket forårsager acceleration
hvor er forstyrrelser af metrikken , det vil sige amplituden af gravitationsbølgen, i den såkaldte tværgående sporvidde med nul spor, og prikken angiver den tidsafledte . I tilfælde af en monokromatisk bølge med frekvens ω, der udbreder sig langs z- aksen
hvor og er tal, der udtrykker amplituden af to uafhængige polariseringer af mulige gravitationsbølger [10] .
I princippet genererer næsten enhver begivenhed ledsaget af en accelereret massebevægelse gravitationsbølger (undtagelser er rotationen af et perfekt symmetrisk legeme omkring symmetriaksen, centrosymmetrisk kompression og udvidelse af et sfærisk legeme). Tyngdekraften er dog en meget svag kraft, så amplituden af disse bølger er ekstremt lille. En stålsøjle, der vejer 10.000 tons, roterer med stålets ultimative styrke - 10 omdrejninger i sekundet - vil udsende omkring 10 -24 W i gravitationsbølger [9] .
På grund af den ekstreme svaghed af de forudsagte effekter var det ikke muligt at bekræfte (eller modbevise) deres eksistens i mange år. Det første indirekte bevis på eksistensen af gravitationsbølger blev opnået i 1974 takket være observationen af et tæt system af to neutronstjerner PSR B1913 + 16 , for denne opdagelse modtog Russell Hulse og Joseph Taylor Nobelprisen i fysik i 1993 . Når binære stjerner kredser om hinanden, udstråler de gravitationsbølger, taber energi, størrelsen af kredsløbene reduceres, og omdrejningsperioden reduceres. Faldet i revolutionsperioden med tiden, i nøjagtig overensstemmelse med beregningerne ifølge den generelle relativitetsteori, blev også registreret [11] [12] [9] .
Direkte forsøg på at opdage gravitationsbølger stammer fra Joseph Webers eksperimenter i slutningen af 1960'erne. Annonceringen af deres opdagelse af Weber i slutningen af 1969, efterfølgende i 1972, tilbagevist af det videnskabelige samfund, vakte alvorlig interesse for dette problem. I lang tid var hovedvalget af gravitationsbølgedetektorer resonansdetektorer af den type, Weber havde foreslået, som gradvist blev forbedret over årtier. Funktionsprincippet for en sådan detektor er, at en gravitationsbølge, der passerer gennem et stort, omkring meter, fast, normalt aluminiumemne, komprimerer og udvider det (dette kan ses fra ovenstående fortolkning) og exciterer således svingninger i det - blanken begynder at "ringe" som en klokke, der kan fikses [13] [9] .
Disse detektorer havde imidlertid utilstrækkelig følsomhed, så den næste generation af detektorer er baseret på et andet princip: brugen af et Michelson interferometer , som gør det muligt at måle ændringer i den optiske lysvej mellem spejlene på hver arm af interferometeret med stor nøjagtighed. Samtidig blev problemet med at nå det optimale følsomhedsniveau kun for meget lange arme (hundredevis af kilometer) løst ved at indføre Fabry-Perot-resonatorer i hver detektionsarm , som multiplicerer strålernes vejlængde og gjorde det muligt at forkorte. armene [14] [15] . De mest følsomme detektorer bygget var LIGO- samarbejdet (to interferometre med 4 km arme) og VIRGO (et interferometer med 3 km arme), som gik med til i fællesskab at behandle data fra deres detektorer [9] .
I 2014 blev opdagelsen af relikviegravitationsbølger tilbage fra Big Bang annonceret af BICEP2-eksperimentholdet , men kort efter en grundig analyse af dataene blev det tilbagevist af Planck -samarbejdet [16] .
Binære systemer af massive objekter, såsom neutronstjerner eller sorte huller , udsender konstant gravitationsbølger. Strålingen reducerer gradvist deres baner og fører til sidst til deres sammensmeltning, som i det øjeblik genererer en særlig kraftig gravitationsbølge, der bogstaveligt talt "ruller" gennem universet. En gravitationsbølge af en sådan styrke kan registreres af gravitationsbølgedetektorer [4] .
Når man leder efter og identificerer signaler fra fusioner, hjælper viden om den forventede form af gravitationsbølgernes tidssignaler. For at gøre dette bruges numeriske relativitetsmetoder , ved hjælp af hvilke gitter af grundlæggende modeller (skabeloner) af fusioner kompileres, mellem de noder, hvoraf analytiske approksimationer anvendes, baseret på en højordens post-newtonsk formalisme [17] .
Signalet om sammensmeltningen af to sorte huller med en gravitationsbølgeamplitude (dimensionsløs variation af den metriske h ) på et maksimum på omkring 10-21 blev optaget den 14. september 2015 kl. 09:50:45 UTC af to LIGO - detektorer : først i Livingston , og efter 7 millisekunder - i Hanford , i området med maksimal signalamplitude (0,2 sekunder), var det kombinerede signal-til-støj-forhold 24:1. Hændelsen fik betegnelsen GW150914 (hvor hændelsestypen er kodet - en gravitationsbølge og en dato i formatet ÅÅMMDD) [4] .
Den første information om begivenheden kom tre minutter efter dens ankomst fra programmet Coherent WaveBurst [18] , som søger efter vilkårlige bølgeformsignaler i LIGO-datastrømmen og blev udviklet under vejledning af fysikerne Sergey Grigoryevich Klimenko og Genakh Viktorovich Mitselmacher, der arbejder kl. University of Florida [19 ] . Signalet blev derefter bekræftet af et andet program designet til at søge efter signaler fra kompakte binære fusioner ved hjælp af teoretiske prøver [1] .
Det første medlem af LIGO-samarbejdet, der er opmærksom på signalet, anses for at være den italienske postdoc Marco Drago, der arbejder ved Institute for Gravitational Physics i Max Planck Society i Hannover . Den 14. september 2015, tre minutter efter signalet ankom, modtog Drago en notifikation fra LIGO-sporingssystemet. Drago alarmerede en anden postdoc fra Hannover, Andrew Lundgren, kl. 12.00 lokal tid , de ringede til kontrolcentrene i Livingston og Hanford. Cirka en time efter at have modtaget meddelelsen (omkring kl. 11:00 UTC), sendte Drago en e-mail under hele LIGO-samarbejdet [20] [21] .
Omkring 6:30 lokal tid (10:30 UTC) tjekkede Klimenko sin e-mail og så en e-mail fra programmet om at finde signalet. Omkring 07:15 (11:15 UTC) underrettede han sine kolleger, der overvågede detektorernes arbejde, om dette [22] .
Samarbejdet startede manuel signalbehandling den 18. september og afsluttede den indledende fase af arbejdet den 5. oktober [21] . Samtidig blev der lanceret programmer for at søge efter mulige signaler fra denne begivenhed i andre astronomiske områder: et neutrinosignal blev ikke detekteret [23] , Fermi - samarbejdet kan have opdaget en svag opblussen i røntgenområdet [24] .
Bølgeformen matcher den generelle relativitetsforudsigelse for sammensmeltningen af to sorte huller med en masse på 36+5
−4og 29+4
-4solenergi. Det resulterende sorte hul har en masse på 62+4
-4solmasse og rotationsparameter a = 0,67+0,05
-0,07. Den energi, der udsendes i tiendedele af et sekund i fusionen, svarer til 3+0,5
-0,5solmasser [1] [25] [26] .
Afstanden til kilden blev beregnet ud fra en sammenligning af den frigivne effekt, som er estimeret af masserne af sorte huller, og den målte signalamplitude, 10 −21 . Afstanden viste sig at være cirka 1,3 milliarder lysår ( 410+160
−180 megaparsec , rødforskydning z = 0,09+0,03
-0,04) [1] .
Retningen til signalkilden bestemmes gennem forskellen i tidspunkterne for signalpassage gennem detektorerne. Med kun to LIGO-detektorer bestemmer denne tidsforskel kun vinklen mellem signaludbredelsesretningen og den lige linje, der forbinder detektorerne. Dette definerer en kegle, på hvis overflade kilden kan placeres. På stjernehimlens kort ligner den mulige placering af kilden en tynd ring - tykkelsen af ringen er jo mindre, jo mindre målefejlene er [1] [27] . Signalforsinkelsen var 6,9+0,5
-0,4ms, dette gjorde det muligt at beregne, at kilden til GW150914-signalet ligger på en kegle, hvis justering er rettet mod den sydlige himmelhalvkugle. Yderligere overvejelser om polariseringen af gravitationsbølgen og den indbyrdes position af de to antenner i forhold til den formodede kilde baseret på forholdet mellem signalamplituderne gør det muligt at indsnævre området yderligere. På stjernehimlens kort er området, hvor signalkilden er placeret, en halvmåne med et areal på 140 kvadratmeter. grader (med en sandsynlighed på 50%) eller 590 kvm. grader (90 % sandsynlighed) [1] [28] . I nærværelse af tre detektorer, der ikke er placeret på samme lige linje, ville det være muligt at øge nøjagtigheden af bestemmelsen af kildekoordinaten betydeligt.
På trods af det faktum, at USA gav den indledende skub til projektet , er LIGO-observatoriet et virkelig internationalt projekt [27] . I alt bidrog mere end tusinde forskere fra femten lande til det videnskabelige resultat. Mere end 90 universiteter og forskningsinstitutter deltog i udviklingen af detektorer og dataanalyse, og omkring 250 studerende ydede også væsentlige bidrag [29] [30] [25] .
Oprettelsen af LIGO til at detektere gravitationsbølger blev foreslået i 1980 af MIT fysikprofessor Rainer Weiss , Caltech- professor i teoretisk fysik Kip Thorne og Caltech-professor i fysik Ronald Driver [30] [27] .
LSC-detektornetværket inkluderer LIGO-interferometre og GEO600- detektoren . GEO-teamet omfatter forskere fra Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI) og Leibniz University Hannover i samarbejde med universiteter i Storbritannien : Glasgow , Cardiff , Birmingham og andre, samt University of the Balearic Islandsi Spanien [30] [25] .
VIRGO-samarbejdet omfatter mere end 250 fysikere og ingeniører, der tilhører 19 forskellige europæiske forskningsgrupper: seks fra det franske nationale center for videnskabelig forskning ; otte fra det italienske nationale institut for kernefysik ; to fra Holland Nikhef ; Institut for Fysiske Videnskaber ved Det Ungarske Videnskabsakademi (Wigner RCP); POLGRAW-hold fra Polen og European Gravitational Observatoryansvarlig for vedligeholdelse af VIRGO-detektoren nær Pisa i Italien [30] [25] .
I begyndelsen af 90'erne. Det blev besluttet at bygge flere detektorer, og den relativt lille GEO600 i Europa og TAMA300 i Japan skulle først idriftsættes . Disse installationer havde en chance for at opdage gravitationsbølger, men først og fremmest skulle de teste teknologien. Det blev antaget, at LIGO og VIRGO [31] ville være de vigtigste kandidater til opdagelse .
Opdagelsen blev muliggjort af de nye muligheder i Second Generation Observatory ( Advanced LIGO ), med US National Science Foundation førende inden for økonomisk støtte . Finansieringsorganisationer i Tyskland (Max Planck Society), i Storbritannien ( Council for the Provision of Science and Technology) og Australien ( Australian Research Council ) ydede også betydelige bidrag til projektet. Nogle af de nøgleteknologier, der har gjort Advanced LIGO meget mere følsom, er blevet udviklet og testet i det tysk-britiske GEO-projekt [30] [19] . I første omgang tilbød amerikanerne Australien at bygge en antenne på den sydlige halvkugle og gik med til at levere alt udstyr til dette, men Australien afslog på grund af de høje omkostninger ved at vedligeholde installationen [32] .
Betydelige computerressourcer blev leveret af AEI Atlas-klyngen i Hannover , LIGO-laboratoriet ved University of Syracuse og University of Wisconsin-Milwaukee. Adskillige universiteter har designet, bygget og testet nøglekomponenter til Advanced LIGO: Australian National University , University of Adelaide , University of Florida , Stanford University , Columbia University i New York , Louisiana State University [30] [25] . Udstyret i installationerne indeholder komponenter fra mange lande. Så LIGO har tyske lasere, nogle af spejlene blev lavet i Australien osv. [33] .
Fra et ingeniørmæssigt synspunkt krævede implementeringen af teknologier til detektering af gravitationsbølger at overvinde mange vanskeligheder. For eksempel er det "rent mekanisk" nødvendigt at hænge massive spejle på et ophæng, der hænger på et andet ophæng, det på et tredje ophæng og så videre - og alt sammen for at slippe af med uvedkommende vibrationer mest muligt. Et andet eksempel på instrumentelle problemer er optisk: Jo kraftigere strålen er, der cirkulerer i det optiske system, jo svagere kan spejlets forskydning registreres af fotosensoren. For at kompensere for effekten blev der i 2000'erne iværksat et forskningsprogram, herunder forskere fra USA og Australien. I det vestlige Australien blev en 80 meter lang opsætning designet til at simulere virkningen af en kraftig stråle på et system af linser og spejle, samt slippe af med dette stød [27] [34] [19] .
Den fælles LIGO-, Jomfru- og GEO600-observation af gravitationsbølger i oktober 2019 fik selskab af KAGRA- projektet , som vil øge nøjagtigheden ved at reducere det område af himlen, hvorfra bølgerne kom fra, fra 30 til 10 kvadratgrader [35] [36] .
Opdagelsen førte til følgende nye videnskabelige resultater [27] [47] [48] :
Desuden afviser opdagelsen af gravitationsbølger ikke nogen fungerende versioner af tyngdekraftsteorien [53] .
Værdierne af de maksimale restriktioner på mulige afvigelser fra den generelle relativitetsteori under emissionen af gravitationsbølger og parametrene for teorier med yderligere rumlige dimensioner blev opnået [54] .
Forskere fra LIGO-samarbejdet blev tildelt en særlig gennembrudspris på 3 millioner dollars for at bekræfte eksistensen af gravitationsbølger. Samtidig vil en tredjedel af prisen blive delt af grundlæggerne af projektet: Kip Thorne , Rainer Weiss og Ronald Driver, og resten går til 1012 medforfattere til opdagelsen [55] .
For den eksperimentelle påvisning af gravitationsbølger i 2017 blev Nobelprisen i fysik tildelt [5] .
Gravitationsbølgeastronomi : detektorer og teleskoper | ||
---|---|---|
Underjordisk interferometrisk (fungerende) |
| |
Jordinterferometrisk (fungerende) | ||
Jord andre (fungerende) | ||
Jord (planlagt) | ||
Plads (planlagt) | LISA | |
historisk |
| |
Dataanalyse | einstein@home | |
Signaler ( liste ) |