Upptäckten av gravitationsvågor gjordes genom deras direkta upptäckt den 14 september 2015 av LIGO- och VIRGO- samarbetena ; öppningen tillkännagavs den 11 februari 2016 [3] . Resultaten publicerades i tidskriften Physical Review Letters [1] och ett antal efterföljande artiklar.
Händelsen betecknades GW150914 [4] .
För experimentell upptäckt av gravitationsvågor 2017 delades Nobelpriset i fysik ut [5] .
Förekomsten av gravitationsvågor förutspåddes första gången 1916 [6] [7] av Albert Einstein baserat på den allmänna relativitetsteorin [8] . Dessa vågor är förändringar i gravitationsfältet som fortplantar sig som vågor. När en gravitationsvåg passerar mellan två kroppar ändras avståndet mellan dem. Den relativa förändringen i detta avstånd fungerar som ett mått på vågamplituden [9] .
Närmare bestämt, i detektorns egen referensram, kan en gravitationsvåg, i den första approximationen, betraktas som en Newtonsk kraft som verkar på den andra kroppen från ett fritt hängande par på ett avstånd som specificeras av rymdvektorn från den första, vilket orsakar acceleration
var är störningar av metriska , det vill säga gravitationsvågens amplitud, i den så kallade tvärgående gauge med noll spår, och punkten anger tidsderivatan . I fallet med en monokromatisk våg med frekvensen ω som utbreder sig längs z -axeln
där och är tal som uttrycker amplituden för två oberoende polarisationer av möjliga gravitationsvågor [10] .
I princip genererar nästan varje händelse som åtföljs av en accelererad massarörelse gravitationsvågor (undantag är rotationen av en perfekt symmetrisk kropp runt symmetriaxeln, centrosymmetrisk kompression och expansion av en sfärisk kropp). Tyngdkraften är dock en mycket svag kraft, så amplituden för dessa vågor är extremt liten. Således kommer en stålpelare som väger 10 000 ton, som roterar med stålets yttersta styrka - 10 varv per sekund - att avge cirka 10 −24 W i gravitationsvågor [9] .
På grund av de förutspådda effekternas extrema svaghet var det inte möjligt att bekräfta (eller motbevisa) deras existens på många år. Det första indirekta beviset på existensen av gravitationsvågor erhölls 1974 tack vare observationen av ett nära system av två neutronstjärnor PSR B1913 + 16 , för denna upptäckt fick Russell Hulse och Joseph Taylor Nobelpriset i fysik 1993 . När dubbelstjärnor kretsar runt varandra utstrålar de gravitationsvågor, förlorar energi, storleken på omloppsbanorna minskar och rotationsperioden minskas. Minskningen av revolutionsperioden med tiden, i exakt överensstämmelse med beräkningarna enligt den allmänna relativitetsteorin, registrerades också [11] [12] [9] .
Direkta försök att upptäcka gravitationsvågor har sitt ursprung i Joseph Webers experiment i slutet av 1960-talet. Tillkännagivandet av deras upptäckt av Weber i slutet av 1969, därefter, 1972, motbevisat av vetenskapssamfundet, väckte allvarligt intresse för detta problem. Under lång tid var det huvudsakliga valet av gravitationsvågsdetektorer resonansdetektorer av den typ som föreslagits av Weber, som gradvis förbättrades under årtionden. Funktionsprincipen för en sådan detektor är att en gravitationsvåg, som passerar genom ett stort, cirka meter, fast, vanligtvis aluminiumämne, komprimerar och expanderar det (detta kan ses från tolkningen ovan), och exciterar därmed svängningar i det - blanketten börjar "ringa" som en klocka, som kan fixas [13] [9] .
Dessa detektorer hade dock otillräcklig känslighet, så nästa generation av detektorer är baserad på en annan princip: användningen av en Michelson-interferometer , som gör att man kan mäta förändringar i den optiska ljusbanan mellan speglarna på varje arm på interferometern med stor noggrannhet. Samtidigt löstes problemet med att nå den optimala känslighetsnivån endast för mycket långa armar (hundratals kilometer) genom att introducera Fabry-Perot-resonatorer i varje detektionsarm , vilket multiplicerar strålarnas väglängd och gjorde det möjligt att förkorta armarna [14] [15] . De mest känsliga detektorerna som byggdes var LIGO- samarbeten (två interferometrar med 4 km armar) och VIRGO (en interferometer med 3 km armar), som gick med på att gemensamt bearbeta data från sina detektorer [9] .
År 2014 tillkännagavs upptäckten av relikgravitationsvågor som blivit över från Big Bang av BICEP2-experimentteamet , men snart efter en grundlig analys av uppgifterna motbevisades det av Planck- samarbetet [16] .
Binära system av massiva objekt, såsom neutronstjärnor eller svarta hål , sänder ständigt ut gravitationsvågor. Strålningen minskar gradvis deras banor och leder så småningom till deras sammanslagning, vilket i det ögonblicket genererar en särskilt kraftfull gravitationsvåg som bokstavligen "rullar" genom universum. En gravitationsvåg med sådan styrka kan registreras av gravitationsvågsdetektorer [4] .
När man letar efter och identifierar signaler från sammanslagningar hjälper kunskap om den förväntade formen av gravitationsvågornas tidssignaler. För att göra detta används numeriska relativitetsmetoder , med hjälp av vilka rutnät av grundläggande modeller (mallar) av sammanslagningar sammanställs, mellan vars noder analytiska approximationer används, baserade på en post-newtonsk formalism av hög ordning [17] .
Signalen om sammanslagning av två svarta hål med en gravitationsvågsamplitud (dimensionslös variation av metriska h ) vid maximalt cirka 10 −21 registrerades den 14 september 2015 kl. 09:50:45 UTC av två LIGO - detektorer : först i Livingston och efter 7 millisekunder - i Hanford , i området för maximal signalamplitud (0,2 sekunder), var det kombinerade signal-brusförhållandet 24:1. Händelsen fick beteckningen GW150914 (i vilken händelsetypen är kodad - en gravitationsvåg och ett datum i formatet ÅÅMMDD) [4] .
Den första informationen om händelsen kom tre minuter efter dess ankomst från programmet Coherent WaveBurst [18] , som söker efter godtyckliga vågformssignaler i LIGO-dataströmmen och utvecklades under ledning av fysikerna Sergey Grigoryevich Klimenko och Genakh Viktorovich Mitselmacher, som arbetar på University of Florida [19] . Signalen bekräftades sedan av ett andra program utformat för att söka efter signaler från kompakta binära sammanslagningar med hjälp av teoretiska prover [1] .
Den första medlemmen i LIGO-samarbetet att uppmärksamma signalen anses vara den italienske postdoktorn Marco Drago, som arbetar vid Institutet för gravitationsfysik i Max Planck Society i Hannover . Den 14 september 2015, tre minuter efter att signalen kom, fick Drago ett meddelande från spårningssystemet LIGO. Drago larmade en annan postdoc från Hannover, Andrew Lundgren, klockan 12:00 lokal tid ringde de till kontrollcentralerna i Livingston och Hanford. Ungefär en timme efter att ha mottagit meddelandet (cirka 11:00 UTC) skickade Drago ut ett e-postmeddelande under hela LIGO-samarbetet [20] [21] .
Runt 6:30 lokal tid (10:30 UTC) kollade Klimenko sin e-post och såg ett mejl från programmet om att hitta signalen. Omkring 07:15 (11:15 UTC) meddelade han sina kollegor som övervakade detektorernas arbete om detta [22] .
Samarbetena startade manuell signalbehandling den 18 september och avslutade det preliminära arbetet den 5 oktober [21] . Samtidigt lanserades program för att söka efter möjliga signaler från denna händelse i andra astronomiska intervall: en neutrinosignal upptäcktes inte [23] , Fermi - samarbetet kan ha upptäckt en svag flare i röntgenområdet [24] .
Vågformen matchar den allmänna relativitetsförutsägelsen för sammanslagning av två svarta hål med massor av 36+5
−4och 29+4
−4sol. Det resulterande svarta hålet har en massa på 62+4
−4solmassa och rotationsparameter a = 0,67+0,05
-0,07. Energin som släpps ut i tiondels sekund vid sammanslagningen motsvarar 3+0,5
-0,5solmassor [1] [25] [26] .
Avståndet till källan beräknades från en jämförelse av den frigjorda effekten, som uppskattas av massorna av svarta hål, och den uppmätta signalamplituden, 10 −21 . Avståndet visade sig vara cirka 1,3 miljarder ljusår ( 410+160
−180 megaparsec , rödförskjutning z = 0,09+0,03
-0,04) [1] .
Riktningen till signalkällan bestäms genom skillnaden i tiderna för signalpassage genom detektorerna. Med endast två LIGO-detektorer bestämmer denna tidsskillnad endast vinkeln mellan signalens utbredningsriktning och den raka linjen som förbinder detektorerna. Detta definierar en kon på vars yta källan kan lokaliseras. På kartan över stjärnhimlen ser den möjliga platsen för källan ut som en tunn ring - tjockleken på ringen är desto mindre desto mindre mätfelen [1] [27] . Signalfördröjningen var 6,9+0,5
-0,4ms, detta gjorde det möjligt att beräkna att källan till GW150914-signalen ligger på en kon vars inriktning är riktad mot det södra himmelska halvklotet. Ytterligare hänsyn till polariseringen av gravitationsvågen och den inbördes positionen av de två antennerna i förhållande till den förmodade källan baserat på förhållandet mellan signalamplituderna gör det möjligt att ytterligare begränsa området. På kartan över stjärnhimlen är området där signalkällan finns en halvmåne med en yta på 140 kvadratmeter. grader (med en sannolikhet på 50%) eller 590 kvm. grader (90 % sannolikhet) [1] [28] . I närvaro av tre detektorer som inte är placerade på samma räta linje, skulle det vara möjligt att avsevärt öka noggrannheten för att bestämma källkoordinaten.
Trots det faktum att USA gav projektet den första drivkraften är LIGO-observatoriet ett verkligt internationellt projekt [27] . Totalt bidrog mer än tusen forskare från femton länder till det vetenskapliga resultatet. Mer än 90 universitet och forskningsinstitut deltog i utvecklingen av detektorer och dataanalys, och cirka 250 studenter gjorde också betydande bidrag [29] [30] [25] .
Skapandet av LIGO för att upptäcka gravitationsvågor föreslogs 1980 av MIT fysikprofessor Rainer Weiss , Caltech professor i teoretisk fysik Kip Thorne och Caltech professor i fysik Ronald Driver [30] [27] .
LSC-detektornätverket inkluderar LIGO-interferometrarna och GEO600- detektorn . GEO-teamet inkluderar forskare från Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI) och Leibniz University Hannover i samarbete med universitet i Storbritannien : Glasgow , Cardiff , Birmingham och andra, samt University of the Balearic Islandsi Spanien [30] [25] .
VIRGO-samarbetet omfattar mer än 250 fysiker och ingenjörer som tillhör 19 olika europeiska forskargrupper: sex från det franska nationella centret för vetenskaplig forskning ; åtta från det italienska nationella institutet för kärnfysik ; två från Nederländerna Nikhef ; Institutionen för fysikaliska vetenskaper vid Ungerska vetenskapsakademin (Wigner RCP); POLGRAW-team från Polen och European Gravitational Observatoryansvarig för underhållet av VIRGO-detektorn nära Pisa i Italien [30] [25] .
I början av 90-talet. beslut fattades om att bygga flera detektorer, och den relativt lilla GEO600 i Europa och TAMA300 i Japan skulle tas i drift först . Dessa installationer hade en chans att upptäcka gravitationsvågor, men först och främst var de tvungna att testa tekniken. Det antogs att LIGO och VIRGO [31] skulle vara de främsta utmanarna för upptäckten .
Upptäckten möjliggjordes av den nya kapaciteten hos Second Generation Observatory ( Advanced LIGO ), med US National Science Foundation som leder vägen för ekonomiskt stöd . Finansieringsorganisationer i Tyskland (Max Planck Society), i Storbritannien ( Council for the Provision of Science and Technology) och Australien ( Australiens forskningsråd ) gav också betydande bidrag till projektet. Några av nyckelteknologierna som har gjort Advanced LIGO mycket känsligare har utvecklats och testats i det tysk-brittiska GEO-projektet [30] [19] . Till en början erbjöd amerikanerna Australien att bygga en antenn på södra halvklotet och gick med på att tillhandahålla all utrustning för detta, men Australien vägrade på grund av de höga kostnaderna för att underhålla installationen [32] .
Betydande datorresurser tillhandahölls av AEI Atlas-klustret i Hannover , LIGO-laboratoriet vid University of Syracuse och University of Wisconsin-Milwaukee. Flera universitet har designat, byggt och testat nyckelkomponenter för Advanced LIGO: Australian National University , University of Adelaide , University of Florida , Stanford University , Columbia University i New York , Louisiana State University [30] [25] . Utrustningen i installationerna innehåller komponenter från många länder. Så, LIGO har tyska lasrar, några av speglarna gjordes i Australien, etc. [33] .
Ur teknisk synvinkel krävde implementeringen av teknik för att detektera gravitationsvågor att övervinna många svårigheter. Till exempel, "rent mekaniskt" är det nödvändigt att hänga massiva speglar på en upphängning som hänger på en annan upphängning, den på en tredje upphängning och så vidare - och allt för att bli av med främmande vibrationer så mycket som möjligt. Ett annat exempel på instrumentella problem är optiskt: ju kraftigare strålen som cirkulerar i det optiska systemet, desto svagare kan spegelförskjutningen detekteras av fotosensorn. För att kompensera för effekten lanserades ett forskningsprogram på 2000-talet, inklusive forskare från USA och Australien. I västra Australien designades en 80 meter lång uppställning för att simulera påverkan av en kraftfull stråle på ett system av linser och speglar, samt att bli av med denna påverkan [27] [34] [19] .
Den gemensamma LIGO-, Jungfru- och GEO600-observationen av gravitationsvågor i oktober 2019 fick sällskap av KAGRA- projektet , som kommer att öka noggrannheten genom att minska den del av himlen som vågorna kom från från 30 till 10 kvadratgrader [35] [36] .
Upptäckten ledde till följande nya vetenskapliga resultat [27] [47] [48] :
Dessutom motbevisar inte upptäckten av gravitationsvågor några fungerande versioner av gravitationsteorin [53] .
Värdena för de maximala restriktionerna för möjliga avvikelser från allmän relativitet under emissionen av gravitationsvågor och parametrarna för teorier med ytterligare rumsliga dimensioner erhölls [54] .
Forskare inom LIGO-samarbetet tilldelades ett särskilt genombrottspris på 3 miljoner dollar för att bekräfta förekomsten av gravitationsvågor. Samtidigt kommer en tredjedel av priset att delas av grundarna av projektet: Kip Thorne , Rainer Weiss och Ronald Driver, och resten kommer att gå till 1012 medförfattare till upptäckten [55] .
För experimentell upptäckt av gravitationsvågor 2017 delades Nobelpriset i fysik ut [5] .
Gravitationsvågastronomi : detektorer och teleskop | ||
---|---|---|
Underjordisk interferometrisk (fungerande) |
| |
Markinterferometrisk (fungerande) | ||
Jorda andra (fungerande) | ||
Mark (planerad) | ||
Utrymme (planerat) | LISA | |
historisk |
| |
Dataanalys | einstein@home | |
Signaler ( lista ) |