Общество

На одной волне со вселенной. Почему изучать гравитационные волны — это круто

Опубликовано 13 апреля в 16:39
0 0 0 0 0

Как ни странно, явление гравитационных волн в последние пару лет приковало к себе бурный интерес как заинтересованных астрофизиков, так и простых обывателей. Вообще, стоит сказать, что с каждым годом космос заражает все больше людей симпатией к себе. За это стоит благодарить научных журналистов, кинорежиссеров, разработчиков видеоигр, а также особ, занимающих почетные строчки в списке самых богатых людей планеты (Элон Маск со своим SpaceX – прим. TER).

Внеземные путешествия, инопланетная жизнь, далекие галактики – все это выходит на новый виток популярности и понятно почему. Но как объяснить то, что люди (не только ученые) вдруг так заинтересовались какими-то еле уловимыми вселенскими импульсами? Для этого нужно узнать начало истории.


Зачинщиком тренда был, ни много ни мало, Альберт Эйнштейн, сформулировавший в 1918 году теорию относительности и описавший (в какой-то мере даже «предсказавший») черные дыры в их современном понимании.

Но еще до «языкастого» физика жило двое ученых с фамилиями Лаплас и Митчел, которых интересовал вопрос: что будет, если звезде начать добавлять массу? Как будет зависеть сила притяжения от массы звезды, и какая при этом должна быть скорость отрыва объекта, чтобы он сумел улететь оттуда? (на Земле эта скорость равна 8 км/c; на Солнце – 600 км/с, так как само Солнце тяжелее. – прим. TER) Ведь если звезда постепенно увеличивает свою массу, то рано или поздно эта самая скорость отрыва станет выше скорости света, а значит, свет просто не сможет покинуть поверхности солнца и будет «падать» обратно.

Лаплас и Митчел посчитали, какой должна быть масса солнца для такого результата, поняли, что таких звезд просто не существует, и благополучно забыли о черных дырах.

Эйнштейн возродил разговоры на эту тему. Понятие ньютоновской силы притяжения показалось ему странным, и ученый предложил заменить его понятием «искривления пространства и времени». Тут-то в головах физиков и назрели очень интересные выводы. Все с пеной у рта рванулись доказывать эйнштейновскую теорию относительности и искать черные дыры.

Шокирующий факт – обнаружить черную дыру, а уж тем более запечатлеть её, ученым не удалось до сих пор. Прямых доказательств существования черных дыр просто нет. Их тупо сложно сфотографировать.

Это примерно так же, как сделать фото черного кота в абсолютно темной комнате, которая находится в десяти километрах от вас. Все тысячи научных статей и миллионы картинок в гугле – это лишь теория. При этом косвенных доказательств – полно. Одно из них – свечение из глубин космоса, которое нельзя объяснить ни чем другим, как попаданием газа в черную дыру.

Также, одним из неявных доказательств являются и гравитационные волны. Эйнштейн, а уже сейчас и современные ученые, рассматривают это явление как искривление нашего с вами пространства. Кто сможет точно описать пространство, в котором мы живем? Пожалуй, никто.

Но суть в другом: так как пространство зависит от тел, находящихся в нем, ученые пришли к выводу, что чем больше масса у физического объекта, тем сильнее он влияет на искривление пространства. Как если положить на эластичную поверхность гантели 5 и 10 кг, а после сравнить изменения в форме поверхности.

Когда объект движется, тоже самое делают и гравитационные волны. При медленном перемещении тела пространство остается более менее статичным, но если перемещение резкое, то это вызывает волнения в материи. Сравнить это можно с волнами, появляющимися от катера на поверхности воды. Только в нашем случае волна отделяется от источника и начинает путешествовать по вселенной. Амплитуда этой праздной волны зависит от массы и ускорения тела, породившего ее.

Чтобы засечь и распознать этот импульс, нужно выделить его из ряда других колебаний, то есть, он должен отличаться своей силой.

Самые мощные волны создают самые тяжелые объекты в космосе, у которых при этом самое большое ускорение. Так ученые и пришли к выводу, что ощутимые гравитационные колебания создаются двумя взаимно притягивающимися черными дырами.

В 60-х Джон Вебер решил провести эксперимент: раз волна из космоса искривляет пространство, значит, она должна изменять и размер тел в пространстве. Физик обложил полуторатонную алюминиевую болванку сверхчувствительными пьеза-датчиками, которые реагируют на малейшие перемены в размере объекта.

Теоретики предсказывали провал эксперимента просто потому, что не верили в возможность настолько мощной волны добраться до нас. И были правы.

Прогресс тем временем не стоял на месте, и в 78-м году было доказано, что некоторые звезды, в конечном счете, проваливаются друг в друга. Факт тяжело вяжется с гравитационными волнами, но дело вот в чем: движение черных дыр друг вокруг друга (или же звезд) дает энергию для распространения волн, но потому, как на оба объекта действует сила притяжения, они понемногу сближаются и интенсивность вращения черных дыр увеличивается, получается, что увеличивается и сила гравитационных импульсов. Когда черные дыры подходят друг к другу вплотную, их скорость максимальна, а значит, в момент слияния двух сверхмассивных тел происходит выброс самых сильных гравитационных волн.

В продолжение, астрофизики еще и обнаружили две звездные системы, где такой процесс возможен. Называются они пульсары. Это остатки эволюционировавших некогда звезд. Пульсары имеют замечательное свойство выбрасывать радиоимпульсы, которые (та-дам!) люди могут уловить с помощью приемников радиоволн. Такие импульсы испускаются с определенной периодичностью, но если поместить рядом с пульсаром еще один подобный объект, который будет влиять на его скорость ускорения и вращения, то по изменениям периодичности импульсов впоследствии можно будет засечь гравитационную волну.

В 93-м году ученые, описавшие это наблюдение, получили Нобелевскую премию за вклад в науку.

В сентябре 2015 года лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория – LIGO – создала проект, который позволяет с помощью лазеров на практике обнаружить существование гравитационных волн. В штатах Вашингтон и Луизиана построены две обсерватории с системами вакуумных Г-образно расположенных труб, каждая из которых по 4 километра в длину. Внутри них стоят зеркальные поверхности и запущен лазерный пучок, разбиваемый надвое одним из зеркал.

После того, как луча стало два, в каждой из труб их замыкают между двумя отражающими поверхностями, и лазерные пучки бегают между ними какое-то время. Когда процесс заканчивается, лазерные импульсы возвращаются к разделившему их зеркалу, собираются в один и уходят на фотодетектор.

Фишка заключается в том, что явление интерференции (сложение волн – прим. TER) очень хорошо прослеживается именно на лазерах. А эта система, разработанная LIGO, формирует очень короткую волну, малейший сдвиг которой достаточно легко уловим. Да и сам прибор, из-за длинной трубы и большого количества «пробежек» лазера, становится крайне чувствительным. В итоге, получается система в 7 раз точнее веберовской, которая может ощутить влияние гравитационных волн на атомном уровне.

Но как было сказано, всего построено две обсерватории на разных концах Соединенных штатов. Расстояние между ними – 3002 километра и это не просто так: скорость движение гравитационных волн равна скорости света, что дает задержку в 10 миллисекунд, которая позволит определить источник гравитационного импульса. Более того, замер с первого исследовательского центра передается на второй, чтобы сравнить сигнал и зафиксировать его. Так лишь в 2016 году, спустя почти сто лет исследований, появилось первое неоспоримое доказательство существования гравитационных волн.

В чем, собственно, польза от всех этих исследований? Как это сделает нашу жизнь лучше? «Гравитационные волны помогают нам узнать, как взаимодействуют черные дыры, где они находятся и на каком они расстоянии от нас. Можно даже прикинуть их массу! А когда мы получим достаточное количество таких волн, ученые могут привести статистику, информацию, сколько черных дыр в нашей вселенной! Это позволит нам целенаправленно искать их, то есть, детальнее познавать космос и более явно понимать, как он устроен. Если коротко, то это новый способ видеть вселенную!»

Текст: Юрий Петухов
Информация: Сергей Назаров
Иллюстрации: Vincent Mahé.

0 0 0 0 0





Вконтакте
facebook