Трептенията в пространството-времето бяха открити век след като бяха предсказани от Айнщайн. Започва нова ера в астрономията.
Учените успяха да открият колебания в пространството-времето, причинени от сливането на черни дупки. Това се случи сто години след като Алберт Айнщайн предсказа тези „гравитационни вълни“в общата си теория на относителността и сто години след като физиците започнаха да ги търсят.
Това откритие на забележителност бе съобщено днес от изследователи от лазерната интерферометрична гравитационна обсерватория LIGO. Те потвърдиха слуховете, които бяха заобиколили анализа на първия набор от данни, които са събирали в продължение на месеци. Астрофизиците казват, че откриването на гравитационни вълни позволява нов поглед към Вселената и прави възможно разпознаването на далечни събития, които не могат да се видят с оптични телескопи, но можете да усетите и дори да чуете техните слаби трепети, достигащи до нас през космоса.
„Открихме гравитационни вълни. Успяхме! съобщи Дейвид Райтце, изпълнителен директор на 1000-членния изследователски екип, говорейки днес на пресконференция във Вашингтон в Националната научна фондация.
Гравитационните вълни са може би най-неуловимото явление от прогнозите на Айнщайн, ученият обсъжда тази тема със съвременниците си в продължение на десетилетия. Според неговата теория пространството и времето образуват разтягаща се материя, която се огъва под въздействието на тежки предмети. Да усетиш гравитацията означава да влезеш в кривите на тази материя. Но може ли това пространство-време да трепери като кожата на барабана? Айнщайн беше объркан, той не знаеше какво означават неговите уравнения. И той многократно променяше гледната си точка. Но дори и най-твърдите поддръжници на неговата теория вярваха, че гравитационните вълни са твърде слаби, за да се наблюдават така или иначе. Те каскадират навън след определени катаклизми и докато се движат, последователно се разтягат и свиват пространство-време. Но докато тези вълни достигнат Земята,те се разтягат и компресират на всеки километър пространство от малка част от диаметъра на атомното ядро.
Детектор на обсерватория LIGO в Ханфорд, Вашингтон
Снимка: REUTERS, Hangout
Промоционално видео:
Отнемаше търпение и предпазливост, за да се открият тези вълни. Обсерваторията LIGO изстреля лазерни лъчи напред-назад по четирикилометровите лакти на два детектора под прав ъгъл, единият в Ханфорд, Вашингтон, а другият в Ливингстън, Луизиана. Това беше направено в търсене на съвпадащи разширения и свивания на тези системи по време на преминаването на гравитационни вълни. Използвайки модерни стабилизатори, вакуумни инструменти и хиляди сензори, учените измерват промените в дължината на тези системи, възлизащи на само една хилядна от размера на протон. Подобна чувствителност на инструментите беше немислима преди сто години. Изглежда също невероятно през 1968 г., когато Райнер Вайс от Масачузетския технологичен институт замисля експеримент, наречен LIGO.
„Голямо чудо е, че в крайна сметка успяха. Те успяха да открият тези малки вибрации! - каза физикът-теоретик от Университета в Арканзас Даниел Кенефик, който написа през 2007 г. книгата Пътуване със скоростта на мисълта: Айнщайн и търсенето на гравитационни вълни
Това откритие бележи началото на нова ера в астрономията на гравитационните вълни. Надяваме се, че ще имаме по-точни идеи за образуването, състава и галактическата роля на черните дупки - тези свръхплътни топки маса, които изкривяват пространството-времето толкова драматично, че дори светлината не може да избяга от там. Когато черните дупки се доближат една до друга и се сливат, те генерират импулсен сигнал - пространствено-времеви трептения, които се увеличават по амплитуда и тонус и след това рязко приключват. Сигналите, които могат да бъдат записани от обсерваторията, са в аудио диапазона - те обаче са твърде слаби, за да бъдат чути от простото ухо. Можете да пресъздадете този звук, като прекарате пръсти по клавишите на пианото. "Започнете от най-ниската нота и работете до третата октава", каза Вайс. "Това е, което чуваме."
Физиците вече са изумени от броя и силата на сигналите, които са записани в момента. Това означава, че в света има повече черни дупки, отколкото се смяташе досега. „Имаме късмет, но винаги съм разчитал на такъв късмет“, каза астрофизикът от Caltech Кип Торн, който създаде LIGO с Вайс и Роналд Древър, които също са от Калтех. „Това обикновено се случва, когато се отвори напълно нов прозорец във Вселената.“
Подслушвайки гравитационни вълни, можем да си създадем напълно различни представи за космоса и може би ще открием невъобразими космически явления.
„Мога да сравня това с момента, в който за пръв път насочихме телескоп към небето“, каза теоретичният астрофизик Джана Левин от колежа Барнард, Колумбийския университет. "Хората осъзнаха, че там има нещо и можете да го видите, но не можаха да предскажат невероятния набор от възможности, които съществуват във Вселената." По същия начин, отбеляза Левин, откриването на гравитационни вълни може да покаже, че Вселената е „пълна с тъмна материя, която не можем да открием само с телескоп“.
Историята за откриването на първата гравитационна вълна започна в понеделник сутринта през септември и започна с пляскане. Сигналът беше толкова ясен и силен, че Вайс си помисли: „Не, това са глупости, нищо няма да се получи“.
Интензивност на емоциите
Тази първа гравитационна вълна обхвана модернизираните детектори на LIGO - първо в Ливингстън и седем милисекунди по-късно в Ханфорд - по време на симулирано бягане рано сутринта на 14 септември, два дни преди официалното стартиране на събирането на данни.
Детекторите бяха „заработени“след петгодишен ъпгрейд, който струва 200 милиона долара. Те са оборудвани с нови огледала за премахване на шума и активна система за обратна връзка за потискане на чуждите вибрации в реално време. Надстройката даде на модернизираната обсерватория по-високо ниво на чувствителност от стария LIGO, който намери „абсолютна и чиста нула“, както се изрази Вайс, между 2002 и 2010 г.
Когато силният сигнал дойде през септември, учените в Европа, където беше сутринта в този момент, започнаха набързо да бомбардират своите американски колеги с имейли. Когато останалата част от групата се събуди, новината се разпространи много бързо. Почти всички бяха скептични по отношение на това, каза Вайс, особено когато видяха сигнала. Това беше истинска класика на учебниците и затова някои хора смятаха, че е фалшива.
Заблудите в търсенето на гравитационни вълни се повтарят многократно от края на 60-те години, когато Джоузеф Вебер от Университета в Мериленд вярва, че е открил резонансни вибрации в алуминиев цилиндър със сензори в отговор на вълните. През 2014 г. се проведе експеримент, наречен BICEP2, според резултатите от който беше обявено, че са открити оригиналните гравитационни вълни - пространствено-времевите трептения от Големия взрив, които сега са се разтегнали и трайно са замръзнали в геометрията на Вселената. Учени от екипа на BICEP2 обявиха откритието си с големи помпи, но след това резултатите им бяха независими, проверени, по време на които се оказа, че грешат и че този сигнал идва от космически прах.
Когато космологът от Държавния университет в Аризона Лорънс Краус чу за откритието на екипа на LIGO, той първо помисли, че това е „сляпо нещо“. По време на работата на старата обсерватория симулирани сигнали бяха тайно вмъкнати в потоци от данни, за да се тества реакцията и повечето от екипа не знаеха за това. Когато Краус научи от знаещ източник, че този път не става дума за „сляпо пълнене“, едва ли можеше да сдържи радостното си вълнение.
На 25 септември той написа в туитър пред своите 200 000 последователи: „Слухове за гравитационна вълна, открита на детектора LIGO. Удивително, ако е вярно. Ще ви дам подробности, ако не е липа. " Следва запис от 11 януари: „По-ранните слухове за LIGO са потвърдени от независими източници. Следете новините. Може би са открити гравитационни вълни!"
Официалната позиция на учените беше следната: не се разпространявайте около получения сигнал, докато няма стопроцентова сигурност. Торн, обвързан с ръце и крака от този ангажимент за тайна, дори не каза нищо на жена си. „Празнувах сам“, каза той. Като начало учените решиха да се върнат в самото начало и да анализират всичко до най-малкия детайл, за да разберат как се разпространява сигналът през хилядите измервателни канали на различни детектори и да разберат дали в момента на откриването на сигнала има нещо странно. Не откриха нищо необичайно. Те също така премахнаха хакерите, които трябваше да знаят най-добре за хилядите потоци от данни в експеримента. „Дори когато отборът хвърли, те не са достатъчно съвършени и оставят много следи след себе си“, каза Торн. "И тук нямаше следи."
През следващите седмици те чуха друг, по-слаб сигнал.
Учените анализирали първите два сигнала и те получавали все повече и повече. През януари те представиха своите изследователски статии във Physical Review Letters. Този брой е в Интернет днес. Според техните оценки статистическата значимост на първия, най-мощен сигнал надвишава "5-сигмата", което означава, че изследователите са 99,9999% уверени в неговата автентичност.
Слушане на гравитацията
Уравненията на общата теория на относителността на Айнщайн са толкова сложни, че на повечето физици са били необходими 40 години, за да се съгласят: да, гравитационните вълни съществуват и могат да бъдат открити - дори теоретично.
Отначало Айнщайн смяташе, че обектите не могат да отделят енергия под формата на гравитационно лъчение, но след това промени гледната си точка. В историческата си работа, написана през 1918 г., той показва какви обекти могат да направят това: системи с гири, които се въртят едновременно около две оси, например бинарни файлове и супернови, които експлодират като нестинари. Именно те могат да генерират вълни в пространството-времето.
Компютърен модел, илюстриращ същността на гравитационните вълни в Слънчевата система
Снимка: REUTERS, раздаване
Но Айнщайн и колегите му продължиха да се колебаят. Някои физици твърдят, че дори и да съществуват вълни, светът ще вибрира заедно с тях и ще бъде невъзможно да ги усетим. Едва през 1957 г. Ричард Файнман приключва въпроса, като демонстрира в мисловен експеримент, че ако съществуват гравитационни вълни, теоретично те могат да бъдат открити. Но никой не знаеше колко често се срещат тези системи с гири в космоса или колко силни или слаби са получените вълни. „В крайна сметка въпросът беше: ще успеем ли някога да ги намерим?“- каза Кенефик.
През 1968 г. Райнер Вайс е млад професор в Масачузетския технологичен институт и му е възложено да води курс по обща теория на относителността. Като експериментатор той знаеше малко за това, но изведнъж се появиха новини за откриването на гравитационни вълни от Вебер. Weber построи три резонансни детектора с размер на бюро от алуминий и ги постави в различни американски щати. Сега той каза, че и трите детектора записват "звука на гравитационните вълни".
Учениците на Вайс бяха помолени да обяснят същността на гравитационните вълни и да изразят мнението си за прозвучалото съобщение. Изучавайки детайлите, той беше изумен от сложността на математическите изчисления. „Не можах да разбера какво, по дяволите, прави Уебър, как сензорите взаимодействат с гравитационната вълна. Седях дълго и се запитах: „Кое е най-примитивното нещо, което мога да измисля, за да открия гравитационни вълни?“И тогава ми хрумна една идея, която наричам концептуална основа на LIGO. “
Представете си три обекта в пространство-време, да речем, огледални в ъглите на триъгълник. „Изпращайте светлинен сигнал от единия до другия“, каза Вебер. „Вижте колко време отнема преминаването от една маса към друга и проверете дали времето се е променило.“Оказва се, отбеляза ученият, че това може да се направи бързо. „Доверих това на моите ученици като научна задача. Буквално цялата група успя да направи тези изчисления."
През следващите години, когато други изследователи се опитват да възпроизведат резултатите от експеримента на Вебер с резонансен детектор, но постоянно се провалят (не е ясно какво е наблюдавал, но това не са гравитационни вълни), Вайс започва да подготвя много по-точен и амбициозен експеримент: гравитационната вълна интерферометър. Лазерният лъч отразява три L-образни огледала, за да образува два лъча. Разстоянието между върховете и вдлъбнатините на светлинните вълни точно показва дължината на "G" коленете, които създават X и Y осите на пространството-времето. Когато скалата е неподвижна, двете светлинни вълни се отскачат от ъглите и се отменят взаимно. Сигналът в детектора е нула. Но ако гравитационна вълна премине през Земята, тя простира дължината на едното рамо на буквата "G" и компресира дължината на другото (и обратно на свой ред). Несъответствието на двата светлинни лъча създава сигнал в детектора, показващ леки колебания в пространството-времето.
Отначало колеги физици бяха скептични, но скоро експериментът намери подкрепа в лицето на Торн, чиято група теоретици от Калтех изследва черни дупки и други потенциални източници на гравитационни вълни, както и сигналите, които генерират. Торн е вдъхновен от експеримента на Вебер и подобни усилия на руски учени. След като говори през 1975 г. на конференция с Вайс, „започнах да вярвам, че откриването на гравитационни вълни ще бъде успешно“, каза Торн. "И аз исках и Caltech да участва в това." Той се договори с института да наеме шотландския експериментатор Роналд Дрийвър, който също обяви, че ще изгради гравитационно-вълнов интерферометър. С течение на времето Торн, Шофьор и Вайс започват да работят като един екип, всеки от които решава своя дял от безброй проблеми в подготовка за практически експеримент. Триото сформира LIGO през 1984 г. и когато бяха създадени прототипи и нарастващ екип започна да си сътрудничи, те получиха 100 милиона долара финансиране от Националната научна фондация в началото на 90-те години. Изготвени са чертежи за изграждането на чифт гигантски L-образни детектори. Десетилетие по-късно детекторите започнаха да работят.
В Ханфорд и Ливингстън, в центъра на всеки от четирикилометровите завои на детекторите има вакуум, благодарение на който лазерът, неговият лъч и огледала са максимално изолирани от постоянните вибрации на планетата. За да се осигурят още повече, учените от LIGO наблюдават своите детектори по време на тяхната работа с хиляди инструменти, измервайки всичко, което могат: сеизмична активност, атмосферно налягане, мълния, космически лъчи, вибрации на оборудването, звуци в областта на лазерния лъч и т.н. След това те филтрират тези странични фонови шумове от своите данни. Може би най-важното е, че те имат два детектора и това ви позволява да сравнявате получените данни, като ги проверявате за наличие на съвпадащи сигнали.
Вътре в създадения вакуум, дори когато лазерите и огледалата са напълно изолирани и стабилизирани, "странни неща се случват непрекъснато", казва Марко Каваля, заместник-говорител на проекта LIGO. Учените трябва да проследят тези „златни рибки“, „призраци“, „неразбираеми морски чудовища“и други странични вибрационни явления, като открият техния източник, за да го премахнат. Един труден случай се е случил по време на фазата на валидиране, каза Джесика Макивър, изследовател от екипа на LIGO, който изучава такива странични сигнали и смущения. Поредица от периодични едночестотни шумове често се появяват в данните. Когато тя и нейните колеги преобразуваха вибрациите на огледалата в аудио файлове, „телефонът звънеше отчетливо“, каза Макивър. "Оказа сече рекламодателите на комуникации се обаждаха по телефона в лазерната стая."
През следващите две години учените ще продължат да подобряват чувствителността на детекторите на модернизираната лазерна интерферометрична гравитационна обсерватория LIGO. А в Италия ще започне да работи трети интерферометър, наречен Advanced Virgo. Един отговор, който получените данни ще помогнат, е как се образуват черни дупки. Те ли са продукт на колапса на най-ранните масивни звезди или са резултат от сблъсъци в плътни звездни купове? „Това са само две предположения, предполагам, че ще има повече, когато всички се успокоят“, казва Вайс. Докато LIGO започва да натрупва нови статистически данни в хода на предстоящата си работа, учените ще започнат да слушат истории за произхода на черните дупки, които пространството ще им нашепва.
По форма и размер, първият, най-силен импулсен сигнал произхожда от 1,3 милиарда светлинни години, откъдето след цяла вечност на бавен танц, под влиянието на взаимното гравитационно привличане, две черни дупки, всяка около 30 пъти по-голяма от масата на слънцето, се сливат накрая. Черните дупки обикаляха все по-бързо и по-бързо, като водовъртеж, постепенно приближавайки се. След това имаше сливане и за миг на окото те пуснаха гравитационни вълни с енергия, сравнима с тази на трите Слънца. Този синтез се превърна в най-мощното енергийно явление, регистрирано някога.
"Все едно никога не сме виждали океана по време на буря", каза Торн. Той чака тази буря в пространството-времето от 60-те години на миналия век. Чувството, което Торн изпитваше, докато вълните се търкаляха, не беше вълнение, казва той. Беше нещо друго: чувство на най-дълбоко удовлетворение.