O que é uma onda gravitacional? Detectamos ondas gravitacionais e o que vem a seguir

Ontem, o mundo ficou chocado com uma sensação: os cientistas finalmente descobriram as ondas gravitacionais, cuja existência Einstein previu cem anos atrás. Este é um avanço. A distorção do espaço-tempo (são ondas gravitacionais - agora vamos explicar o que é o quê) foi descoberta no observatório LIGO, e um de seus fundadores é - quem você acha? - Kip Thorne, autor do livro.

Explique por que a descoberta ondas gravitacionaisé tão importante o que Mark Zuckerberg disse e, claro, compartilhar a história na primeira pessoa. Kip Thorne, como ninguém, sabe como o projeto funciona, o que o torna incomum e que significado o LIGO tem para a humanidade. Sim, sim, tudo é tão sério.

Descoberta das ondas gravitacionais

O mundo científico lembrará para sempre a data de 11 de fevereiro de 2016. Neste dia, os participantes do projeto LIGO (LIGO) anunciaram: depois de tantos tentativas inúteis ondas gravitacionais são encontradas. Isso é realidade. Na verdade, eles foram descobertos um pouco antes: em setembro de 2015, mas ontem a descoberta foi oficialmente reconhecida. O Guardian acredita que os cientistas certamente receberão o Prêmio Nobel de Física.

A causa das ondas gravitacionais é a colisão de dois buracos negros, que já aconteceu ... um bilhão de anos-luz da Terra. Imagine o tamanho do nosso universo! Como os buracos negros são corpos muito massivos, eles ondulam no espaço-tempo, distorcendo-o um pouco. Assim surgem ondas, semelhantes às que se espalham de uma pedra atirada à água.

É assim que você pode imaginar ondas gravitacionais vindo para a Terra, por exemplo, de um buraco de minhoca. Desenho do livro “Interstellar. Ciência nos bastidores"

As vibrações resultantes foram convertidas em som. Curiosamente, o sinal das ondas gravitacionais vem aproximadamente na mesma frequência que a nossa fala. Assim, podemos ouvir com nossos próprios ouvidos como os buracos negros colidem. Ouça como soam as ondas gravitacionais.

E sabe de uma coisa? É mais recentemente que os buracos negros estão organizados de maneira diferente do que se pensava anteriormente. Mas, afinal, não havia nenhuma evidência de que eles existissem em princípio. E agora existe. Os buracos negros realmente "vivem" no Universo.

Então, de acordo com os cientistas, uma catástrofe parece - uma fusão de buracos negros, -.

No dia 11 de fevereiro foi realizada uma grandiosa conferência, que reuniu mais de mil cientistas de 15 países. Cientistas russos também estiveram presentes. E, claro, não sem Kip Thorne. “Esta descoberta é o início de uma busca incrível e magnífica para as pessoas: a busca e exploração do lado curvo do Universo - objetos e fenômenos criados a partir do espaço-tempo distorcido. Colisão de buracos negros e ondas gravitacionais são nossas primeiras amostras notáveis”, disse Kip Thorne.

A busca por ondas gravitacionais tem sido um dos principais problemas da física. Agora eles são encontrados. E a genialidade de Einstein é confirmada novamente.

Em outubro, entrevistamos Sergei Popov, um astrofísico russo e conhecido divulgador da ciência. Ele olhou para a água! No outono: “Parece-me que agora estamos à beira de novas descobertas, principalmente devido ao trabalho dos detectores de ondas gravitacionais LIGO e VIRGO (Kip Thorne acabou de dar uma grande contribuição para a criação do projeto LIGO).” Incrível, certo?

Ondas gravitacionais, detectores de ondas e LIGO

Bem, agora um pouco de física. Para quem realmente quer entender o que são ondas gravitacionais. Aqui está uma renderização artística das linhas tendex de dois buracos negros orbitando um ao outro, no sentido anti-horário e depois colidindo. As linhas Tendex geram a gravidade das marés. Vá em frente. As linhas que emanam dos dois pontos mais distantes da superfície de um par de buracos negros estendem tudo em seu caminho, inclusive o amigo do artista que entrou no desenho. As linhas que saem da área de colisão comprimem tudo.

À medida que os orifícios giram um ao redor do outro, eles seguem suas linhas tendex, que são como jatos d'água de um aspersor giratório de gramado. Retratado do livro Interestelar. A ciência por trás das cenas é um par de buracos negros que colidem, girando um ao redor do outro no sentido anti-horário e suas linhas tendex.

Buracos negros se fundem em um grande buraco; ele é deformado e gira no sentido anti-horário, arrastando as linhas tendex com ele. Um observador estacionário longe do buraco sentirá as vibrações conforme as linhas tendex passam por ele: esticando, depois apertando, depois esticando - as linhas tendex se tornam uma onda gravitacional. À medida que as ondas se propagam, a deformação do buraco negro diminui gradualmente e as ondas também enfraquecem.

Quando essas ondas atingem a Terra, elas têm a forma mostrada na parte superior da figura abaixo. Eles esticam em uma direção e comprimem na outra. Os alongamentos e contrações flutuam (do vermelho direita-esquerda, para o azul direita-esquerda, para o vermelho direita-esquerda etc.) à medida que as ondas passam pelo detector na parte inferior da figura.

Ondas gravitacionais passando pelo detector LIGO.

O detector consiste em quatro grandes espelhos (40 quilos, 34 centímetros de diâmetro) que são fixados nas extremidades de dois tubos perpendiculares chamados braços detectores. As linhas tendex de ondas gravitacionais esticam um ombro, enquanto comprimem o segundo e, ao contrário, comprimem o primeiro e esticam o segundo. E assim de novo e de novo. Ao alterar periodicamente o comprimento dos braços, os espelhos se movem um em relação ao outro, e essas mudanças são rastreadas usando feixes de laser de uma forma chamada interferometria. Daí o nome LIGO: Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory.

O centro de controle do LIGO, de onde enviam comandos para o detector e monitoram os sinais recebidos. Os detectores gravitacionais do LIGO estão localizados em Hanford, Washington e Livingston, Louisiana. Foto do livro “Interestelar. Ciência nos bastidores"

Agora o LIGO é um projeto internacional envolvendo 900 cientistas de países diferentes, com sede no Instituto de Tecnologia da Califórnia.

O lado distorcido do universo

Buracos negros, buracos de minhoca, singularidades, anomalias gravitacionais e dimensões de ordem superior estão associados à curvatura do espaço e do tempo. É por isso que Kip Thorne os chama de "lado curvo do universo". A humanidade ainda tem muito poucos dados experimentais e observacionais do lado curvo do universo. É por isso que damos tanta atenção às ondas gravitacionais: elas são feitas de espaço curvo e fornecem a maneira mais acessível de explorarmos o lado curvo.

Imagine que você só precisa ver o oceano quando está calmo. Você não saberia sobre correntes, redemoinhos e ondas de tempestade. Isso é uma reminiscência de nosso conhecimento atual da curvatura do espaço e do tempo.

Não sabemos quase nada sobre como o espaço e o tempo distorcidos se comportam "em uma tempestade" - quando a forma do espaço flutua violentamente e quando a velocidade do fluxo do tempo flutua. Esta é uma fronteira de conhecimento extraordinariamente atraente. O cientista John Wheeler cunhou o termo "geometrodinâmica" para essas mudanças.

De particular interesse no campo da geometrodinâmica é a colisão de dois buracos negros.

Colisão de dois buracos negros não rotativos. Modelo do livro "Interstellar. Ciência nos bastidores"

A figura acima mostra o momento em que dois buracos negros colidem. Tal evento permitiu aos cientistas registrar ondas gravitacionais. Este modelo é construído para buracos negros não rotativos. Acima: órbitas e sombras de buracos, vistos do nosso Universo. Meio: espaço e tempo curvos, vistos do feixe (hiperespaço de alta dimensão); as setas mostram como o espaço é colocado em movimento e as cores que mudam mostram como o tempo é dobrado. Abaixo: A forma das ondas gravitacionais emitidas.

Ondas gravitacionais do Big Bang

Palavra para Kip Thorne. “Em 1975, Leonid Grischuk, meu bom amigo da Rússia, fez uma declaração sensacional. Ele disse que no momento Big Bang muitas ondas gravitacionais surgiram, e o mecanismo de sua ocorrência (anteriormente desconhecido) era o seguinte: flutuações quânticas (flutuações aleatórias - ed.) O campo gravitacional no Big Bang foi grandemente amplificado pela expansão inicial do Universo e assim se tornou as ondas gravitacionais originais. Essas ondas, se puderem ser detectadas, podem nos dizer o que estava acontecendo no momento do nascimento de nosso universo.”

Se os cientistas encontrarem as ondas gravitacionais originais, saberemos como o universo começou.

As pessoas desvendaram todos os mistérios do universo. Ainda à frente.

Nos anos subsequentes, à medida que nossa compreensão do Big Bang melhorou, ficou claro que essas ondas iniciais devem ser fortes em comprimentos de onda proporcionais à magnitude. universo visível, isto é, em comprimentos de bilhões de anos-luz. Você pode imaginar quanto é?... E nos comprimentos de onda que os detectores LIGO cobrem (centenas e milhares de quilômetros), as ondas provavelmente serão muito fracas para reconhecê-las.

A equipe de Jamie Bock construiu o aparelho BICEP2, que encontrou vestígios de ondas gravitacionais primordiais. A nave do Pólo Norte é mostrada aqui durante o crepúsculo, que ocorre apenas duas vezes por ano.

Aparelho BICEP2. Imagem do livro “Interstellar. Ciência nos bastidores"

É cercado por escudos que protegem a nave da radiação da camada de gelo ao redor. No canto superior direito há um traço encontrado na radiação da relíquia - um padrão de polarização. As linhas de campo elétrico são direcionadas ao longo de pequenos traços de luz.

Trilha do começo do universo

No início da década de 1990, os cosmólogos perceberam que essas ondas gravitacionais de bilhões de anos-luz devem ter deixado uma marca única nas ondas eletromagnéticas que preenchem o universo – o chamado fundo cósmico de micro-ondas, ou CMB. Isso marcou o início da busca pelo Santo Graal. Afinal, se você encontrar esse traço e dele derivar as propriedades das ondas gravitacionais originais, poderá descobrir como nasceu o Universo.

Em março de 2014, enquanto Kip Thorne escrevia este livro, a equipe de Jamie Bok, um cosmólogo da Caltech cujo escritório fica próximo ao de Thorne, finalmente encontrou esse traço no CMB.

Esta é uma descoberta absolutamente incrível, mas há um ponto controverso: a pista encontrada pela equipe de Jamie não pode ser causada por ondas gravitacionais, mas por outra coisa.

Se um traço de ondas gravitacionais do Big Bang for realmente encontrado, então houve uma descoberta cosmológica de um nível que acontece, talvez, uma vez a cada meio século. Dá a chance de tocar os eventos que ocorreram um trilionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de segundo após o nascimento do Universo.

Essa descoberta confirma as teorias de que a expansão do universo naquele momento foi extremamente rápida, na gíria dos cosmólogos - velocidade inflacionária. E anuncia a vinda nova era na cosmologia.

Ondas Gravitacionais e Interestelar

Ontem, em uma conferência sobre a descoberta de ondas gravitacionais, Valery Mitrofanov, chefe da colaboração de cientistas LIGO em Moscou, que inclui 8 cientistas da Universidade Estadual de Moscou, observou que o enredo do filme Interestelar, embora fantástico, não está tão longe da realidade. E tudo porque o consultor científico era Kip Thorne. O próprio Thorne expressou a esperança de acreditar em futuros voos tripulados para um buraco negro. Que não aconteçam tão cedo quanto gostaríamos, mas hoje é muito mais real do que antes.

Não está longe o dia em que as pessoas deixarão os limites de nossa galáxia.

O evento abalou a mente de milhões de pessoas. O notório Mark Zuckerberg escreveu: “A detecção de ondas gravitacionais é o método mais grande descoberta V Ciência moderna. Albert Einstein é um dos meus heróis, e é por isso que levei a descoberta tão perto. Há um século, no âmbito da Teoria Geral da Relatividade (GR), ele previu a existência de ondas gravitacionais. Mas são tão pequenos para serem descobertos que chegou a procurá-los nas origens de eventos como o Big Bang, explosões estelares e colisões de buracos negros. Quando os cientistas analisarem os dados obtidos, veremos uma perfeita um novo visual para o espaço. E, talvez, isso esclareça a origem do Universo, o nascimento e o desenvolvimento dos buracos negros. É muito inspirador pensar em quantas vidas e esforços foram gastos para desvendar esse mistério do universo. Esse avanço foi possível graças ao talento de cientistas e engenheiros brilhantes, pessoas de diferentes nacionalidades, bem como às mais recentes tecnologias de informática que surgiram recentemente. Parabéns a todos os envolvidos. Einstein ficaria orgulhoso de você."

Tal é o discurso. E este é um homem que está simplesmente interessado em ciência. Pode-se imaginar que tempestade de emoções tomou conta dos cientistas que contribuíram para a descoberta. Parece que estamos presenciando uma nova era, amigos. É incrível.

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“Não muito tempo atrás, uma série de experimentos de longo prazo sobre observação direta ondas gravitacionais”, escreveu o físico teórico Michio Kaku no Cosmos de Einstein em 2004. - O projeto LIGO (Laser Gravitational Wave Interferometer) pode ser o primeiro a "ver" ondas gravitacionais, provavelmente da colisão de dois buracos negros no espaço profundo. O LIGO é o sonho de um físico tornado realidade, a primeira instalação com poder suficiente para medir ondas gravitacionais."

A previsão de Kaku se tornou realidade: na quinta-feira, um grupo de cientistas internacionais do observatório LIGO anunciou a descoberta de ondas gravitacionais.

As ondas gravitacionais são flutuações no espaço-tempo que "fogem" de objetos massivos (como buracos negros) que se movem com aceleração. Em outras palavras, as ondas gravitacionais são uma perturbação em propagação do espaço-tempo, uma deformação contínua do vazio absoluto.

Um buraco negro é uma região no espaço-tempo cuja atração gravitacional é tão forte que mesmo objetos que se movem na velocidade da luz (incluindo a própria luz) não podem deixá-la. A fronteira que separa um buraco negro do resto do mundo é chamada de horizonte de eventos: tudo o que acontece dentro do horizonte de eventos fica oculto aos olhos de um observador externo.

Erin Ryan Foto do bolo postada online por Erin Ryan.

Os cientistas começaram a captar as ondas gravitacionais há meio século: foi então que o físico americano Joseph Weber se interessou pela teoria geral da relatividade (GR) de Einstein, tirou um ano sabático e começou a estudar as ondas gravitacionais. Weber inventou o primeiro dispositivo para detectar ondas gravitacionais e logo afirmou ter registrado "o som das ondas gravitacionais". No entanto, comunidade científica negou sua mensagem.

No entanto, foi graças a Joseph Weber que muitos cientistas se transformaram em “caçadores de ondas”. Hoje Weber é considerado o pai da direção científica da astronomia de ondas gravitacionais.

"Este é o começo de uma nova era da astronomia gravitacional"

O observatório LIGO, onde os cientistas registraram ondas gravitacionais, consiste em três instalações de laser nos Estados Unidos: duas estão localizadas no estado de Washington e uma na Louisiana. Aqui está como Michio Kaku descreve a operação dos detectores de laser: “O feixe de laser é dividido em dois feixes separados, que ficam perpendiculares um ao outro. Então, refletidos no espelho, eles se reconectam. Se uma onda gravitacional passar pelo interferômetro (dispositivo de medição), os comprimentos do caminho dos dois feixes de laser serão perturbados e isso será refletido em seu padrão de interferência. Para garantir que o sinal registrado pelo sistema de laser não seja aleatório, os detectores devem ser colocados em pontos diferentes Terra.

Somente sob a influência de uma onda gravitacional gigante, muito maior que o nosso planeta, todos os detectores funcionarão simultaneamente.

Agora, a colaboração LIGO detectou a radiação gravitacional causada pela fusão de um sistema binário de buracos negros com massas de 36 e 29 massas solares em um objeto com uma massa de 62 massas solares. “Esta é a primeira medição direta (é muito importante que seja direta!) Da ação das ondas gravitacionais”, comentou Sergey Vyatchanin, professor da Faculdade de Física da Universidade Estadual de Moscou, ao correspondente do departamento de ciências do Gazeta.Ru. - Ou seja, foi recebido um sinal da catástrofe astrofísica da fusão de dois buracos negros. E esse sinal é identificado - isso também é muito importante! É claro que isso é de dois buracos negros. E este é o início de uma nova era da astronomia gravitacional, que permitirá obter informação sobre o Universo não só através de fontes ópticas, de raios-X, electromagnéticas e de neutrinos, mas também através de ondas gravitacionais.

Podemos dizer que 90% dos buracos negros deixaram de ser objetos hipotéticos. Algumas dúvidas permanecem, mas ainda assim, o sinal captado se encaixa dolorosamente bem com o que inúmeras simulações da fusão de dois buracos negros prevêem de acordo com a teoria geral da relatividade.

Este é um forte argumento de que os buracos negros existem. Ainda não há outra explicação para tal sinal. Portanto, supõe-se que os buracos negros existam.”

"Einstein ficaria muito feliz"

Ondas gravitacionais dentro de suas teoria geral a relatividade foi prevista por Albert Einstein (que, aliás, era cético quanto à existência de buracos negros). Na relatividade geral, o tempo é adicionado a três dimensões espaciais e o mundo se torna quadridimensional. Segundo uma teoria que virou a física de cabeça para baixo, a gravidade é consequência da curvatura do espaço-tempo sob a influência da massa.

Einstein provou que qualquer matéria em movimento com aceleração cria uma perturbação do espaço-tempo - uma onda gravitacional. Essa perturbação é tanto maior quanto maior for a aceleração e a massa do objeto.

Devido à fraqueza das forças gravitacionais em comparação com outras interações fundamentais, essas ondas deveriam ter uma magnitude muito pequena, o que é difícil de registrar.

Ao explicar a relatividade geral para as humanidades, os físicos geralmente pedem que imaginem uma folha de borracha esticada na qual bolas maciças são abaixadas. As bolas empurram a borracha e a folha esticada (que representa o espaço-tempo) é deformada. De acordo com a relatividade geral, todo o universo é de borracha, na qual cada planeta, cada estrela e cada galáxia deixam marcas. Nossa Terra gira em torno do Sol como uma pequena bola enrolada no cone de um funil formado como resultado do “perfuração” do espaço-tempo por uma bola pesada.

DIVULGAÇÃO/Reuters

A bola pesada é o Sol

É provável que a descoberta das ondas gravitacionais, que é a principal confirmação da teoria de Einstein, reivindique o Prêmio Nobel de Física. “Einstein ficaria muito feliz”, disse Gabriella Gonzalez, porta-voz da colaboração LIGO.

Segundo os cientistas, é muito cedo para falar sobre a aplicabilidade prática da descoberta. “Embora, Heinrich Hertz (um físico alemão que provou a existência de ondas eletromagnéticas. - Gazeta.Ru) pensasse que seria celular? Não! Não podemos imaginar nada agora”, disse Valery Mitrofanov, professor da Faculdade de Física da Universidade Estadual de Moscou. MV Lomonosov. - Sou guiado pelo filme "Interestelar". Ele é criticado, sim, mas poderia até imaginar um tapete mágico homem selvagem. E o tapete voador virou avião, e pronto. E aqui já é necessário imaginar algo muito complexo. Em Interestelar, um dos momentos está relacionado ao fato de uma pessoa poder viajar de um mundo a outro. Em caso afirmativo, você acredita que uma pessoa pode viajar de um mundo para outro, que pode haver muitos universos - qualquer coisa? Eu não posso responder não. Porque um físico não pode responder a essa pergunta com “não”! Só se contrariar algumas leis de conservação! Existem opções que não contradizem as leis físicas conhecidas. Então, viajar pelos mundos pode ser!

Participantes do experimento científico LIGO, que inclui físicos russos, anunciou o registro por observatórios americanos de ondas gravitacionais geradas pela colisão de dois buracos negros.

As ondas gravitacionais foram registradas em 14 de setembro de 2015, anunciadas em 11 de fevereiro de 2016 em uma coletiva de imprensa especial de representantes do LIGO em Washington. Os cientistas levaram seis meses para processar e verificar os resultados. Esta pode ser considerada a descoberta oficial das ondas gravitacionais, já que pela primeira vez elas foram registradas diretamente na Terra. Os resultados do trabalho são publicados na revista Physical Review Letters.

Físicos da Universidade Estatal de Moscovo numa conferência de imprensa. Foto de Maxim Abaev.

Esquema de interferômetros e sua localização em um mapa esquemático dos Estados Unidos. As massas do espelho de teste na figura são denominadas Test Mass.

Massas experimentais, também são espelhos interferométricos, feitos de quartzo fundido. Foto: www.ligo.caltech.edu

Simulação numérica de ondas gravitacionais de buracos negros que se aproximam. Figura: cartas de revisão física http://physics.aps.org/articles/v9/17

Observatório LIGO perto de Livingston, Louisiana. Foto: www.ligo.caltech.edu

Assim, um dos tarefas críticas que confrontaram os físicos nos últimos 100 anos. A existência de ondas gravitacionais foi prevista pela teoria geral da relatividade (GR) desenvolvida em 1915-1916 por Albert Einstein - a teoria física fundamental que descreve a estrutura e a evolução do nosso mundo. A relatividade geral, na verdade, é uma teoria da gravidade, estabelecendo sua conexão com as propriedades do espaço-tempo. Corpos maciços produzem mudanças nele, que são comumente chamadas de curvatura do espaço-tempo. Se esses corpos se movem com aceleração variável, então há mudanças de propagação no espaço-tempo, que são chamadas de ondas gravitacionais.

O problema de seu registro é que as ondas gravitacionais são muito fracas e sua detecção de qualquer fonte terrestre é quase impossível. Por muitos anos não foi possível detectá-los, e na maioria objetos espaciais. As esperanças permaneceram apenas nas ondas gravitacionais de grandes catástrofes cósmicas como explosões de supernovas, colisões de estrelas de nêutrons ou buracos negros. Essas esperanças foram justificadas. Neste artigo, as ondas gravitacionais são detectadas precisamente a partir da fusão de dois buracos negros.

Para detectar ondas gravitacionais, em 1992, foi proposto um projeto grandioso, chamado LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - observatório de ondas gravitacionais por interferometria a laser). A tecnologia para isso foi desenvolvida por quase vinte anos. E foi implementado por dois dos maiores centros científicos dos Estados Unidos - os Institutos de Tecnologia da Califórnia e Massachusetts. A equipe científica comum, a colaboração LIGO, inclui cerca de 1.000 cientistas de 16 países. A Rússia é representada pela Moscovo Universidade Estadual e Instituto de Física Aplicada RAS (Nizhny Novgorod)

O LIGO inclui observatórios nos estados de Washington e Louisiana, localizados a uma distância de 3.000 km, que são um interferômetro de Michelson em forma de L com dois braços de 4 km de comprimento. O feixe de laser, passando pelo sistema de espelhos, é dividido em dois feixes, cada um dos quais se propaga em seu ombro. Eles ricocheteiam nos espelhos e voltam. Então esses dois ondas de luz passando por caminhos diferentes são adicionados no detector. Inicialmente, o sistema é configurado para que as ondas se anulem e nada atinja o detector. As ondas gravitacionais alteram as distâncias entre as massas de teste, que servem simultaneamente como espelhos do interferômetro, o que leva ao fato de que a soma das ondas não é mais igual a zero e a intensidade do sinal no fotodetector será proporcional a essas mudanças. Este sinal é usado para registrar uma onda gravitacional.

A primeira etapa inicial das medições ocorreu em 2002-2010 e não permitiu detectar ondas gravitacionais. A sensibilidade dos aparelhos não era suficiente (mudanças de até 4x10 -18 m foram rastreadas). Então foi decidido em 2010 parar o trabalho e atualizar o equipamento, aumentando a sensibilidade em mais de 10 vezes. O equipamento aprimorado, que começou a funcionar no segundo semestre de 2015, conseguiu notar uma mudança recorde de 10 a 19 m. E já em um teste, os cientistas aguardavam uma descoberta, registraram uma onda gravitacional de um evento que, após um longo estudo, foi identificado como a fusão de dois buracos negros com massas de 29 e 36 massas solares.

Simultaneamente com Washington, uma coletiva de imprensa também foi realizada em Moscou. Nele, os participantes do experimento, representando a Faculdade de Física da Universidade Estadual de Moscou, falaram sobre sua contribuição para sua implementação. O grupo de VB Braginsky participou do trabalho desde o início do projeto. Os físicos da Universidade Estadual de Moscou garantiram a montagem de uma estrutura complexa, representada por espelhos interferômetros que servem simultaneamente como massas de teste.

Além disso, suas tarefas incluíam a luta contra flutuações estranhas (ruído), que poderiam interferir na detecção de ondas gravitacionais. Foram os especialistas da Universidade Estadual de Moscou que provaram que o aparelho deveria ser feito de quartzo fundido, que em temperaturas operacionais fará menos ruído do que a safira oferecida por outros pesquisadores. Em particular, para reduzir o ruído térmico, era necessário garantir que as oscilações das massas de teste suspensas como pêndulos não decaíssem por muito tempo. Os físicos da MSU alcançaram um tempo de decaimento de 5 anos!

O sucesso das medições realizadas dará origem a uma nova astronomia de ondas gravitacionais e permitirá aprender muito sobre o Universo. Talvez os físicos sejam capazes de desvendar alguns dos mistérios da matéria escura e dos estágios iniciais do desenvolvimento do Universo, bem como examinar as áreas onde a relatividade geral é violada.

Com base na conferência de imprensa da colaboração LIGO.

Em 11 de fevereiro de 2016, um grupo internacional de cientistas, inclusive da Rússia, em uma coletiva de imprensa em Washington anunciou uma descoberta que mais cedo ou mais tarde mudará o desenvolvimento da civilização. Foi possível comprovar na prática ondas gravitacionais ou ondas do espaço-tempo. Sua existência foi prevista há 100 anos por Albert Einstein na dele.

Ninguém duvida que esta descoberta será honrada premio Nobel. Os cientistas não têm pressa em falar sobre isso aplicação prática. Mas lembram que até bem pouco tempo a humanidade também não sabia exatamente o que fazer com as ondas eletromagnéticas, o que acabou gerando uma verdadeira revolução científica e tecnológica.

O que são ondas gravitacionais em termos simples

Gravidade e gravidade- É o mesmo. As ondas gravitacionais são uma das soluções OTS. Eles devem se propagar na velocidade da luz. É emitido por qualquer corpo em movimento com aceleração variável.

Por exemplo, ele gira em sua órbita com aceleração variável direcionada para a estrela. E essa aceleração está mudando constantemente. sistema solar irradia energia da ordem de vários quilowatts em ondas gravitacionais. Esta é uma pequena quantidade, comparável a 3 TVs coloridas antigas.

Outra coisa são dois pulsares (estrelas de nêutrons) girando um ao redor do outro. Eles se movem em órbitas muito apertadas. Tal "casal" foi descoberto por astrofísicos e observado por muito tempo. Os objetos estavam prontos para cair uns sobre os outros, o que indicava indiretamente que os pulsares irradiam ondas espaço-temporais, ou seja, energia em seu campo.

Gravidade é a força da gravidade. Somos atraídos para o chão. E a essência de uma onda gravitacional é uma mudança nesse campo, extremamente fraco quando chega até nós. Por exemplo, pegue o nível de água em um reservatório. A intensidade do campo gravitacional é a aceleração da queda livre em um determinado ponto. Uma onda está atravessando nosso reservatório e, de repente, a aceleração da queda livre muda, só um pouquinho.

Tais experimentos começaram na década de 60 do século passado. Naquela época, eles inventaram isso: penduraram um enorme cilindro de alumínio, resfriado para evitar flutuações térmicas internas. E eles estavam esperando que uma onda de uma colisão de, por exemplo, dois buracos negros maciços nos alcançasse de repente. Os pesquisadores ficaram entusiasmados e disseram que todos Terra pode experimentar o efeito de uma onda gravitacional vinda de espaço sideral. O planeta começará a oscilar e essas ondas sísmicas (de compressão, de cisalhamento e de superfície) poderão ser estudadas.

Artigo importante sobre o dispositivo linguagem simples, e como os americanos e o LIGO roubaram a ideia dos cientistas soviéticos e construíram os introferômetros que tornaram a descoberta possível. Ninguém fala sobre isso, todo mundo fica calado!

A propósito, a radiação gravitacional é mais interessante da posição radiação relíquia, que eles tentam encontrar alterando o espectro da radiação eletromagnética. relíquia e radiação eletromagnética apareceu 700 mil anos depois do Big Bang, então em processo de expansão do universo cheio de gás quente com corrida ondas de choque que mais tarde evoluíram para galáxias. Nesse caso, é claro, um número gigantesco e incompreensível de ondas espaço-temporais deveria ter sido emitido, afetando o comprimento de onda da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que na época ainda era óptica. O astrofísico doméstico Sazhin escreve e publica regularmente artigos sobre esse assunto.

Interpretação errada da descoberta das ondas gravitacionais

“Um espelho está pendurado, uma onda gravitacional age sobre ele e ele começa a oscilar. E mesmo as menores flutuações na amplitude tamanho menor núcleo atômico são notados por instrumentos” - tal interpretação incorreta, por exemplo, é usada no artigo da Wikipedia. Não seja preguiçoso, encontre um artigo de cientistas soviéticos em 1962.

Primeiro, o espelho deve ser maciço para sentir as "ondulações". Em segundo lugar, deve ser resfriado a quase zero absoluto (Kelvin) para evitar suas próprias flutuações térmicas. Muito provavelmente, não como no século 21, mas em geral nunca será possível detectar partícula elementar— portador de ondas gravitacionais:

Cem anos após a previsão teórica que Albert Einstein fez no âmbito da teoria geral da relatividade, os cientistas conseguiram confirmar a existência de ondas gravitacionais. Começa a era de um método fundamentalmente novo de estudar o espaço profundo - a astronomia de ondas gravitacionais.

As descobertas são diferentes. Existem aleatórios, na astronomia são comuns. Não são inteiramente aleatórios, feitos como resultado de um cuidadoso "pentear a área", como a descoberta de Urano por William Herschel. Existem os fortuitos - quando procuravam uma coisa, mas encontraram outra: por exemplo, descobriram a América. Mas um lugar especial na ciência é ocupado por descobertas planejadas. Eles são baseados em uma previsão teórica clara. O previsto é procurado antes de tudo para confirmar a teoria. Essas descobertas incluem a detecção do bóson de Higgs no Grande Colisor de Hádrons e a detecção de ondas gravitacionais usando o observatório de ondas gravitacionais interferométricas a laser LIGO. Mas, para registrar algum fenômeno previsto pela teoria, você precisa entender muito bem o que exatamente e onde procurar, bem como quais ferramentas são necessárias para isso.

As ondas gravitacionais são tradicionalmente chamadas de previsões da teoria geral da relatividade (GR), e esse é realmente o caso (embora agora essas ondas existam em todos os modelos alternativos ou complementares a GR). A finitude da velocidade de propagação da interação gravitacional leva ao aparecimento de ondas (na relatividade geral esta velocidade é exatamente igual à velocidade da luz). Tais ondas são perturbações do espaço-tempo que se propagam a partir de uma fonte. Para o surgimento das ondas gravitacionais, é necessário que a fonte pulsa ou se mova rapidamente, mas de uma certa maneira. Digamos que movimentos com simetria esférica ou cilíndrica perfeita não sejam adequados. Existem muitas dessas fontes, mas geralmente têm uma massa pequena, insuficiente para gerar um sinal poderoso. Afinal, a gravidade é a mais fraca das quatro interações fundamentais, então registrar um sinal gravitacional é muito difícil. Além disso, para registro, é necessário que o sinal mude rapidamente no tempo, ou seja, tenha uma frequência suficientemente alta. Caso contrário, não conseguiremos registrá-lo, pois as alterações serão muito lentas. Isso significa que os objetos também devem ser compactos.

Inicialmente, grande entusiasmo foi causado pelas explosões de supernova que ocorrem em galáxias como a nossa a cada poucas décadas. Portanto, se você conseguir uma sensibilidade que permita ver um sinal a uma distância de vários milhões de anos-luz, poderá contar com vários sinais por ano. Mais tarde, porém, descobriu-se que as estimativas iniciais do poder de liberação de energia na forma de ondas gravitacionais durante uma explosão de supernova eram muito otimistas e seria possível registrar um sinal tão fraco apenas se uma supernova estourasse em nossa Galáxia.

Outra variante de objetos maciços e compactos que se movem rapidamente são as estrelas de nêutrons ou buracos negros. Podemos ver o processo de sua formação ou o processo de interação entre si. Os últimos estágios do colapso dos núcleos estelares, levando à formação de objetos compactos, bem como os últimos estágios da fusão de estrelas de nêutrons e buracos negros, têm uma duração da ordem de vários milissegundos (o que corresponde a uma frequência de centenas de hertz) - exatamente o que precisamos. Nesse caso, muita energia é liberada, inclusive (e às vezes principalmente) na forma de ondas gravitacionais, já que corpos maciços e compactos fazem certos movimentos rápidos. Estas são as nossas fontes ideais.

É verdade que as supernovas surgem na Galáxia uma vez a cada várias décadas, as fusões de estrelas de nêutrons ocorrem uma vez a cada dezenas de milhares de anos e os buracos negros se fundem ainda com menos frequência. Mas o sinal é muito mais poderoso e suas características podem ser calculadas com bastante precisão. Mas agora precisamos aprender a ver o sinal a uma distância de várias centenas de milhões de anos-luz para cobrir várias dezenas de milhares de galáxias e detectar vários sinais em um ano.

Tendo decidido as fontes, vamos começar a projetar o detector. Para fazer isso, você precisa entender o que uma onda gravitacional faz. Sem entrar em detalhes, podemos dizer que a passagem de uma onda gravitacional provoca uma força de maré (vulgar lunar ou marés solaresé um fenômeno separado e as ondas gravitacionais não têm nada a ver com isso). Assim, você pode pegar, por exemplo, um cilindro de metal, equipá-lo com sensores e estudar suas vibrações. Isso não é difícil, então essas instalações começaram a ser feitas há meio século (também estão na Rússia, agora um detector aprimorado desenvolvido pela equipe de Valentin Rudenko do SAI MSU) está sendo instalado no laboratório subterrâneo de Baksan. O problema é que tal dispositivo verá o sinal sem nenhuma onda gravitacional. Existem muitos ruídos difíceis de lidar. É possível (e já foi feito!) instalar o detector no subsolo, tentar isolá-lo, resfriá-lo para Baixas temperaturas, mas ainda assim, para ultrapassar o nível de ruído, você precisa de um sinal de onda gravitacional muito poderoso. E sinais fortes são raros.

Portanto, foi feita uma escolha em favor de outro esquema, apresentado em 1962 por Vladislav Pustovoit e Mikhail Gertsenshtein. Em um artigo publicado no ZhETF (Journal of Experimental and Theoretical Physics), eles propuseram o uso de um interferômetro de Michelson para detectar ondas gravitacionais. O feixe de laser corre entre os espelhos nos dois braços do interferômetro e, em seguida, os feixes de diferentes braços são adicionados. Analisando o resultado da interferência dos feixes, é possível medir a variação relativa dos comprimentos dos braços. Essas são medições muito precisas; portanto, se você vencer o ruído, poderá obter uma sensibilidade fantástica.

No início dos anos 90, decidiu-se construir vários detectores de acordo com esse esquema. Instalações relativamente pequenas, GEO600 na Europa e TAMA300 no Japão (os números correspondem ao comprimento dos braços em metros) deveriam ser colocadas em operação primeiro para testar a tecnologia. Mas os principais players seriam o LIGO nos EUA e o VIRGO na Europa. O tamanho desses aparelhos já é medido em quilômetros, e a sensibilidade final planejada deve permitir ver dezenas, senão centenas de eventos por ano.

Por que são necessários vários dispositivos? Principalmente para validação cruzada, uma vez que existem ruídos locais (por exemplo, sísmica). O registro simultâneo de um sinal no noroeste dos EUA e na Itália seria uma excelente evidência de sua origem externa. Mas há uma segunda razão: os detectores de ondas gravitacionais determinam muito mal a direção da fonte. Mas se houver vários detectores espaçados, será possível indicar a direção com bastante precisão.

gigantes do laser

Em sua forma original, os detectores LIGO foram construídos em 2002 e o VIRGO em 2003. De acordo com o plano, esta foi apenas a primeira etapa. Todas as instalações funcionaram por vários anos, e em 2010-2011 foram paradas para revisão, a fim de atingir a alta sensibilidade planejada. Os detectores LIGO foram os primeiros a entrar em funcionamento em setembro de 2015, o VIRGO deverá aderir no segundo semestre de 2016, e a partir desta fase, a sensibilidade permite-nos esperar registar pelo menos vários eventos por ano.

Após o início do LIGO, a taxa esperada de rajadas era de aproximadamente um evento por mês. Os astrofísicos estimaram com antecedência que as fusões de buracos negros devem ser os primeiros eventos esperados. Isso se deve ao fato de que os buracos negros são geralmente dez vezes mais pesados ​​que as estrelas de nêutrons, o sinal é mais poderoso e é “visto” de grandes distâncias, o que mais do que compensa a taxa mais lenta de eventos por galáxia. Felizmente, não tivemos que esperar muito. Em 14 de setembro de 2015, ambas as instalações registraram um sinal quase idêntico, denominado GW150914.

Com uma análise bastante simples, dados como massas de buracos negros, intensidade do sinal e distância da fonte podem ser obtidos. A massa e o tamanho dos buracos negros estão relacionados de forma muito simples e conhecida, e a partir da frequência do sinal pode-se estimar imediatamente o tamanho da região de liberação de energia. Nesse caso, o tamanho indicava que dois buracos com massa de 25-30 e 35-40 massas solares formavam um buraco negro com massa superior a 60 massas solares. Conhecendo esses dados, pode-se obter também a energia total de rajada. Quase três massas solares passaram para a radiação gravitacional. Isso corresponde à luminosidade de 1023 luminosidades do Sol - aproximadamente a mesma que durante esse tempo (centésimos de segundo) todas as estrelas na parte visível do Universo irradiam. E a partir da energia conhecida e da magnitude do sinal medido, a distância é obtida. massa grande de corpos fundidos permitiu registrar um evento ocorrido em uma galáxia distante: o sinal chegou até nós por cerca de 1,3 bilhão de anos.

Uma análise mais detalhada nos permite refinar a razão de massa dos buracos negros e entender como eles giram em torno de seu eixo, além de determinar alguns outros parâmetros. Além disso, o sinal de duas instalações permite determinar aproximadamente a direção da rajada. Infelizmente, até agora a precisão aqui não é muito alta, mas com o comissionamento do VIRGO atualizado, ela aumentará. E em alguns anos, o detector japonês KAGRA começará a receber sinais. Em seguida, um dos detectores LIGO (inicialmente eram três, uma das instalações era dupla) será montado na Índia, e espera-se que muitas dezenas de eventos por ano sejam registrados.

A era da nova astronomia

Sobre este momento O resultado mais importante do trabalho do LIGO é a confirmação da existência de ondas gravitacionais. Além disso, já a primeira rajada possibilitou melhorar as restrições à massa do gráviton (na relatividade geral tem massa zero), bem como restringir mais fortemente a diferença entre a velocidade de propagação da gravidade e a velocidade da luz. Mas os cientistas esperam que já em 2016 possam receber muitos novos dados astrofísicos com a ajuda do LIGO e do VIRGO.

Primeiro, os dados dos observatórios de ondas gravitacionais são novo canal o estudo dos buracos negros. Se antes só era possível observar os fluxos de matéria nas proximidades desses objetos, agora você pode "ver" diretamente o processo de fusão e "acalmar" o buraco negro em formação, como seu horizonte flutua, assumindo sua forma final (determinada pela rotação). Provavelmente, até a descoberta da evaporação dos buracos negros por Hawking (até agora esse processo permanece uma hipótese), o estudo das fusões fornecerá as melhores informações diretas sobre eles.

Em segundo lugar, as observações de fusões de estrelas de nêutrons fornecerão muitas informações novas e necessárias sobre esses objetos. Pela primeira vez, poderemos estudar as estrelas de nêutrons da mesma forma que os físicos estudam as partículas: observe suas colisões para entender como funcionam por dentro. O mistério da estrutura do interior das estrelas de nêutrons excita tanto os astrofísicos quanto os físicos. Nosso entendimento da física nuclear e do comportamento da matéria em densidade ultra-alta é incompleto sem resolver esse problema. É provável que as observações de ondas gravitacionais desempenhem um papel fundamental aqui.

Acredita-se que as fusões de estrelas de nêutrons sejam responsáveis ​​por pequenas explosões cosmológicas de raios gama. Em casos raros, será possível observar simultaneamente um evento tanto na faixa gama quanto em detectores de ondas gravitacionais (a raridade se deve ao fato de, em primeiro lugar, o sinal gama estar concentrado em um feixe muito estreito, e nem sempre direcionado a nós e, em segundo lugar, não registraremos ondas gravitacionais de eventos muito distantes). Aparentemente, serão necessários vários anos de observações para poder ver isso (embora, como sempre, você possa ter sorte e isso acontecerá agora). Então, entre outras coisas, podemos comparar com muita precisão a velocidade da gravidade com a velocidade da luz.

Assim, os interferômetros a laser trabalharão juntos como um único telescópio de ondas gravitacionais, trazendo novos conhecimentos tanto para astrofísicos quanto para físicos. Bem, mais cedo ou mais tarde o merecido Prêmio Nobel será concedido pela descoberta das primeiras rajadas e sua análise.

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