Да се говори за гравитационните вълни - вибрациите в пространство-времето - напоследък стана мода. Но ако ви разкаже за тях човек, който пряко е работил по откриването им е наистина забележителна възможност.
Вторият ден на празника на науката - Софийския фестивал - ни даде шанса да се срещнем с проф. Алисия Синтес, главен изследовател и съпредседател на работна група на LІGО, която регистрира гравитационните вълни, а също и преподавател по теоретична физика в Университета на Балеарските острови.
През септември 2015 г. учените от Лазерната интерферометрична обсерватория зa гpaвитaциoнни вълни (LІGО) засякоха гравитационни вълни, през януари изтече информация за това, но изследователите трябваше да проверят внимателно данните и статията за откритието, което бе обявено и на специална пресконференция, се случи чак на 11 февруари 2016 години.
"Да, ние засякохме гравитационните вълни и това бе начало на нова епоха", заяви Алисия Синтес. "Това е първото пряко наблюдение на сливане на черни дупки със звездна маса, по-голяма 30 пъти от масата на Слънцето". И след 1 година това бе отпразнувано от учените на LІGО със специална торта с две сливащи се черни дупки.
А ето как звучат гравитационните вълни, уловени от детектора LIGO. "Малко зловещо", отбеляза Алисия.
След няколко месеца хората са осведомени за второ засичане на гравитационни вълни, макар и с известна несигурност (1σ), а по-късно бе обявено и за трето - този път безспорно.
Снимка: NaukaOFFNews
Това, че засечените от LІGО гравитационни вълни идват точно от две черни дупки (29 и 36 пъти масата на Слънцето), събиращи се в една-единствена масивна въртяща се черна дупка, 62 пъти по-масивна от Слънцето, се определи по предварително изчислени темплейти, обяснява Алисия Синтес.
Ролята на Общата теория на относителността
През 1905 г. Алберт Айнщайн публикува поредица от статии, в които поставя под въпрос самия характер на пространството и времето на класическата физика и поставя основите на специалната Теория на относителността. Следващото десетилетие развива своята Обща теория на относителността. В тази нова теория, гравитацията е резултат от деформацията на пространство-времето, предизвикана от присъствието на материята и енергията, т.е. космосът е неотменна единна рамка, в която се случват обекти и явления.
"Материята казва на пространството как да се изкриви, а пространството казва на времето как да се движи", обяснява Алисия Синтес.
Тази нова теория за гравитацията е едно от постиженията на физиката на 20-и век. Тя ни дава най-доброто описание на Вселената.
Съществуването на гравитационно излъчване беше предсказано от Айнщайн през 1916 г. като важно следствие от новата му теория на относителността, но той смята, че те са физически неоткриваеми. Според него те са прекалено слаби за засичане.
"Той прогнозира решения на своите уравнение, свързани с черните дупки, но не вярва в тяхното съществуване в природата. Сега никой не подлага това на спор", отбелязва Алисия Синтес.
Снимка: NaukaOFFNews
Ако електромагнитните вълни ни дават възможност да видим Вселената, то с гравитационните вълни можем да я чуем
През миналия век бяхме свидетели на огромен напредък в разбирането за Вселената. Стигнахме твърде далеч с помощта на електромагнитните лъчи като инструмент за наблюдение на Вселената. Например, оптичната астрономия доказа, че Вселената се разширява. Радиоастрономията ни показа космическия реликтов фон, мощните джетове, задвижвани от черните дупки в галактичните ядра и странните неутронни звезди - пулсарите.
Благодарение на рентгеновата астрономия видяхме взаимодействието между неутронни звезди и черни дупки. Инфрачервените лъчи ни дадоха доказателство за съществуването на свръхмасивни черни дупки в центъра на нашата галактика.
Но гравитацията, която е двигателят на много от процесите във Вселената и голяма част от взаимодействията, е невидима за електромагнитното излъчване.
"Ако електромагнитно излъчване ни дава очи, които виждат Вселената, гравитационното излъчване ни дава ушите, които чуват", подчертава Алисия Синтес.
"Гравитационните вълни са нови посланици, които ни позволяват да се отвори нов прозорец към космоса, което може да направи революция в разбирането на Вселената, в която живеем".
Вълните са вибрации на пространство-времето, а не вътре в него.
Те се отделят от движението на огромни маси, а не на електроните в атомите. Те не могат да се екранират. Те са нов, уникален поглед към Вселената, който допълва останалите възможности.
Снимка: NaukaOFFNews
Гравитационното взаимодействие е много слабо.
Гравитационните вълни предизвикват разтягане и свиване в пространство-времето. Това движение е много малко - 10-22. Ако сме близо до черна дупка е едно, но ако сме на Земята, положението е съвсем е различно. При сливането на две неутронни звезди, например, в галактика на 100 млн светлинни години регистриране на гравитационната вълната от това събитие ще е равностойно на засичането на разлика в растоянието между Слънцето и Сатурн от порядъка на 1 водороден атом, отбелязва Алисия Синтес.
"Ние можем да засечем честоти от 10-9 Hz до 10-11 Hz. Различните вълни излъчват на различни честоти. Това зависи от масата им и колко са компактни. Колкото е по-тежък един обект, толкова в по-нисък спектър излъчва", обяснява Синтес.
Наземните детектори
През 90-те години започва изграждането на наземни интерферометрични детектори: LIGO в Съединените щати с обсерватория в Ханфорд (Вашингтон) и един в Ливингстън (Луизиана), Virgo в Италия, GEO600 в Германия и TAMA в Япония. Километричната мрежа от детектори LIGO, GEO и Virgo работят между 2005- 2011 г. и обхващат честотния диапазон между 50Hz и 3kHz.
Тези детектори имат безпрецедентна прецизност за колебанията, достатъчна, за да открият признаци на черни дупки, образувани 60 милиона години. Това е резултат от големите технологични нововъведения в различни области, позволили използването на стабилни инфрачервени лазери, масивни огледала, обработени с висока точност, окачени в сложни системи със сеизмична изолация.
Снимка: NaukaOFFNews
Данните от 2005-2010 г. бяха анализирани внимателно, без да се намерят доказателства за гравитационните вълни, което се очакваше, тъй като се търсеха сигнали от неутронни звезди във Вселената, а за тях бе необходима десет пъти по-добра чувствителност.
Понякога липсата на гравитационни вълни също ни дава важна информация - наблюдавани са някои интензивни изблици на гама-лъчи, които би трябвало да са с произход от сливане на неутронни звезди. Гравитационни вълни не се наблюдават, защото произходът на лъчението е далеч извън ограниченията на детектора. В данните от детекторите може да се скрият признаци на въртящи се звезди в галактиката, от които не получаваме електромагнитни сигнали, но генерират гравитационни вълни.
Тези компютърни търсения са много скъпи, така че най-добрият начин да станат е с помощта на хиляди компютри на доброволци, които даряват компютърния си ресурс. Този проект е наречен Einstein@Home . "Всички са поканени да участват в откриването на тези сигнали", заяви Синтес.
Снимка: NaukaOFFNews
Новото поколение детектори
В момента може да се каже, че все още сме глухи за гравитационния шепот на Вселената.
Но през следващите години ще има ултра-чувствителни наземни масивни детектори, които ще бъдат допълнени от космическите обсерватории. Ще могат да се чуят гравитационни сигнали от Вселената в честотен обхват между няколко нанохерца до няколко десетки килохерца и неминуемо ще се откриват напълно неочаквани явления, докато се ровим в астрофизичните явления, заяви Синтес.
Ерата на модерните детектори вече започна с модернизирания детектор LIGO (Advanced LIGO) и европейския детектор Virgo.
Тези нови детектори се очаква постепенно да достигнат проектната си чувствителност до 2020 г. Към тях ще се присъеди в бъдеще японски детектор Kagra, който ще се превърне в първата подземна криогенна обсерватория за гравитационни вълни. Очаква се също така, че един, трети, детектор LIGO да бъде инсталиран в Индия.
Всичко това ще доведе до световна мрежа от датчици с обхват десет пъти по-висок от своите предшественици, което ще увеличи с три порядъка на космическия обем на обхват и които ще ни позволят да "чуем" сигнали дори веднъж седмично.
Advanced LIGO и Virgo ще бъдат чувствителни към сигнали от двукомпонентни системи на неутронни звезди на разстояние 200 Mpc (1 Mpc - 3 милиона светлинни години) и сливането на черни дупки на разстояние 1 000 пъти по-голямо от разстоянието до галактиката Андромеда. Има ясна необходимост от разширяване на тази глобална мрежа с добавяне на детектор в южното полукълбо с цел да се подобри ъгловата разделителна способност, за по-добро определяне на свойствата на обектите, които излъчват.
Снимка: NaukaOFFNews
Едновременно наблюдение на електромагнитните и на гравитационните вълни
Очаква се, че някои от източниците на гравитационното излъчване могат да произвеждат и достатъчно електромагнитно излъчване, което да се наблюдава и от космоса или наземните телескопи. Например, двойките неутронни звезди отделят много енергия и гравитационни вълни, докато спираловидно се приближават една спрямо друга и когато два обекта са обединят произвеждат силни кратки изблици на гама-лъчи.
Съвместното наблюдение на астрономическите събития, както на електромагнитните, така и на гравитационните вълни, със сигурност ще бъде едно от най-интересните открития на съвременната астрономия.
Двата вида вълни са много различни. Гравитационните вълни разкриват информация за вътрешното функциониране на системата, докато светлината осигурява информация за повърхността на системата и нейното взаимодействие с околната среда. Чрез наблюдение на източника на двата вида вълни, можем да сравним сигналите и да получим по-пълна картина на астрофизичните процеси.
LIGO и Virgo са подписали меморандуми за сътрудничество с десетки различни обсерватории за оптични, рентгенови, гама-лъчи и неутрино да получават и изпращат сигнали, заедно с анализ на данните.
Снимка: NaukaOFFNews
Сагата продължава
През последните години се развиват нови подходи и нови технологии за откриване на гравитационни вълни. На хоризонта е европейският проект "Телескоп Айнщайн" (Einstein Telescope - ET). ЕТ ще подобри чувствителността с един порядък в сравнение със сегашните детектори и ще разшири обхвата на чувствителност до 1 Hz.
Освен това електромагнитните наблюдения на Вселената, заедно с теоретичните модели показват, че голяма част от гравитационния спектър е недостъпна за наземните детектори. Ето защо се разработват космически детектори за покриване на диапазона между 0,1 MHz и 100 MHz.
Европейската космическа агенция (ESA) предложи детектор, наречен Evolved LISA (eLISA), който ще се състои от три спътника. Мисията ще започне от 2034 г., а в началото на 2016 г. бе успешно пуснат LISA Pathfinder - демонстратор на технологията.
eLISA ще изследва галактическите ултракомпактни двойни системи, с периоди по-малко от два часа периоди. Освен двойни звездни системи в нашата галактика, се очаква eLISA да може да наблюдава някои извънгалактични сблъсъци на масивни черни дупки (106 - 104 слънчеви маси), както съществуват в центровете на почти всички галактики, а също и да улови сливането на компактни звездни обекти (бели джуджета, неутронни звезди, звездни черни дупки).
Въпросите, на които може да отговори изследването на гравитационните вълни
Гравитационните вълни се произвеждат от всяка движеща се материя. Но те са изключително слаби. Могат да се засекат, ако са произведени от сливане на черни дупки или свръхнови, неутронни звезди, които се въртят бързо в орбита или дори Големия взрив.
Благодарение на гравитационните вълни от Големия взрив можем да добием информация за Вселената, когато тя не навършила дори 1 секунда. Това не може да стане със светлина и електромагнитни вълни, защото Вселената тогава не е била прозрачна. Ще можем да излечем цялото информация, която носят вълните.
Алисия Синтес подчерта, че те, учените, се надяват развитието на новите детектори за изследване на гравитационните вълни да направят много за различните науки и да получат отговори на някои от следните въпроси:
Астрофизика
• Каква е звездната маса на черните дупки?
• Какъв е механизмът, който генерира експлозиите от гама-лъчи?
• Какви са условията в ядрата на галактиките, доминирани от огромни черни дупки?
• Къде и кога се образуват свръхмасивни черни дупки и каква е ролята, която играят в оформянето на галактиките?
• Какво се случва, когато масивна звезда колапсира?
• Как да се образуват и да се развиват двойните системи звезди?
• Какъв е съставът и структурата на неутронните звезди?
• Какво се случва в първите секунди на Вселената?
Фундаменталната физика
• Какви са качествата на гравитационните вълни?
• Дали гравитационните вълни се разпространяват със скоростта на светлината? (Друг начин да се зададе въпроса: Има ли маса гравитонът или няма маса, подобно на фотоните)?
• Дали е все още е валидна Общата теория на относителността в условията на силна гравитация?
• Дали черните дупки на природата са като черните дупки в Общата теория на относителността?
• Как се изкривява пространство-времето около хоризонта на събитията на черните дупки?
• Как се държи материята при условия на безкрайна плътност и налягане?
Космология
• Каква е историята на процеса на ускорено разширяване на Вселената?
• Имало ли е някакви фазови преходи в ранната Вселена?
Откритието на гравитационните вълни бе кулминацията на десетилетия работа. Сега гравитационната астрономия ще бъде подкрепена от високочувствителни детектори, както и от стотици физици и астрономи, които ще търсят и намират съобщения от Вселената, скрити в детайлите на гравитационните вълна.
Това е само началото, което може да ни донесе много уроци и изненади. Така завърши блестящата си лекция проф. Алисия Синтес. Очакват ни още вълнуващи открития.
Още по темата
Физика
Гравитационните вълни крият допълнителни измерения на Вселената (видео)
Физика
Проф. Язаджиев: Гравитационните вълни носят информация от ранните моменти на Вселената
Физика
5 неща, които не знаете за гравитационните вълни, обяснени от физика Рет Алън
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари