Ngày chính thức phát hiện (phát hiện) sóng hấp dẫn là ngày 11 tháng 2 năm 2016. Sau đó, tại một cuộc họp báo ở Washington, các nhà lãnh đạo của sự hợp tác LIGO đã thông báo rằng một nhóm các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc ghi lại hiện tượng này lần đầu tiên trong lịch sử nhân loại.
Những lời tiên tri của Einstein vĩ đại
Ngay vào đầu thế kỷ trước (1916), Albert Einstein đã gợi ý rằng sóng hấp dẫn tồn tại trong khuôn khổ của Thuyết Tương đối Tổng quát (GR) do ông xây dựng. Người ta chỉ có thể kinh ngạc trước khả năng tuyệt vời của nhà vật lý nổi tiếng, người, với số lượng dữ liệu thực tế tối thiểu, đã có thể đưa ra những kết luận sâu rộng như vậy. Trong số nhiều hiện tượng vật lý được dự đoán khác đã được xác nhận trong thế kỷ tới (làm chậm dòng chảy của thời gian, thay đổi hướng của bức xạ điện từ trong trường hấp dẫn, v.v.), thực tế không thể phát hiện ra sự hiện diện của loại sóng này. sự tương tác của các cơ quan cho đến gần đây.
Trọng lực là ảo ảnh?
Nói chung, trong ánh sángThuyết tương đối khó có thể gọi lực hấp dẫn là một lực. Đây là hệ quả của sự nhiễu loạn hoặc độ cong của liên tục không-thời gian. Một ví dụ điển hình minh họa cho định đề này là một mảnh vải được kéo căng. Dưới trọng lượng của một vật có khối lượng lớn đặt trên một bề mặt như vậy, một rãnh lõm được hình thành. Các vật thể khác di chuyển gần điểm dị thường này sẽ thay đổi quỹ đạo chuyển động của chúng, như thể bị "hút". Và trọng lượng của vật càng lớn (đường kính và độ sâu của độ cong càng lớn) thì “lực hút” càng cao. Khi nó di chuyển qua vải, bạn có thể quan sát thấy sự xuất hiện của một "gợn sóng" phân kỳ.
Điều gì đó tương tự cũng xảy ra trong không gian thế giới. Bất kỳ vật chất khối lượng lớn nào chuyển động nhanh đều là nguồn biến động mật độ của không gian và thời gian. Sóng hấp dẫn có biên độ đáng kể, được hình thành bởi các vật thể có khối lượng cực lớn hoặc khi chuyển động với gia tốc cực lớn.
Đặc điểm thể chất
Sự dao động của thước đo không-thời gian tự biểu hiện như những thay đổi trong trường hấp dẫn. Hiện tượng này còn được gọi là gợn sóng không-thời gian. Sóng hấp dẫn tác động lên các vật thể và vật thể gặp phải, nén và kéo giãn chúng. Các giá trị biến dạng rất nhỏ - khoảng 10-21so với kích thước ban đầu. Toàn bộ khó khăn khi phát hiện hiện tượng này là các nhà nghiên cứu phải học cách đo lường và ghi lại những thay đổi đó với sự trợ giúp của thiết bị thích hợp. Sức mạnh của bức xạ hấp dẫn cũng cực kỳ nhỏ - đối với toàn bộ hệ mặt trời, nó làvài kilowatt.
Tốc độ lan truyền của sóng hấp dẫn phụ thuộc vào tính chất của môi trường dẫn. Biên độ dao động giảm dần theo khoảng cách từ nguồn, nhưng không bao giờ bằng không. Tần số nằm trong khoảng từ vài chục đến hàng trăm hertz. Tốc độ của sóng hấp dẫn trong môi trường giữa các vì sao gần bằng tốc độ ánh sáng.
Bằng chứng hoàn cảnh
Lần đầu tiên, nhà thiên văn học người Mỹ Joseph Taylor và trợ lý Russell Hulse đã có được xác nhận lý thuyết về sự tồn tại của sóng hấp dẫn vào năm 1974. Nghiên cứu sự mở rộng của Vũ trụ bằng kính thiên văn vô tuyến của Đài quan sát Arecibo (Puerto Rico), các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra pulsar PSR B1913 + 16, là một hệ sao đôi neutron quay quanh một khối tâm chung với vận tốc góc không đổi (một trường hợp khá hiếm). Mỗi năm, khoảng thời gian cách mạng, ban đầu là 3,75 giờ, giảm đi 70 mili giây. Giá trị này khá phù hợp với các kết luận từ các phương trình GR dự đoán sự gia tăng tốc độ quay của các hệ như vậy do tiêu tốn năng lượng cho việc tạo ra sóng hấp dẫn. Sau đó, một số sao xung đôi và sao lùn trắng có hành vi tương tự đã được phát hiện. Các nhà thiên văn vô tuyến D. Taylor và R. Hulse đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1993 vì đã khám phá ra những khả năng mới để nghiên cứu trường hấp dẫn.
Thoát khỏi sóng trọng lực
Tuyên bố đầu tiên vềphát hiện ra sóng trọng lực đến từ nhà khoa học Joseph Weber của Đại học Maryland (Mỹ) vào năm 1969. Với những mục đích này, ông đã sử dụng hai ăng-ten hấp dẫn do chính mình thiết kế, cách nhau hai km. Máy dò cộng hưởng là một hình trụ nhôm một mảnh hai mét rung động tốt được trang bị các cảm biến áp điện nhạy. Biên độ dao động được cho là do Weber ghi lại hóa ra cao hơn một triệu lần so với giá trị dự kiến. Những nỗ lực của các nhà khoa học khác sử dụng thiết bị như vậy để lặp lại "thành công" của nhà vật lý người Mỹ đã không mang lại kết quả khả quan. Một vài năm sau, công việc của Weber trong lĩnh vực này được công nhận là không thể sai lầm, nhưng đã tạo động lực cho sự phát triển của "bùng nổ lực hấp dẫn" thu hút nhiều chuyên gia đến lĩnh vực nghiên cứu này. Nhân tiện, bản thân Joseph Weber chắc chắn cho đến cuối những ngày của mình rằng ông đã nhận được sóng hấp dẫn.
Cải tiến trang bị nhận
Vào những năm 70, nhà khoa học Bill Fairbank (Mỹ) đã phát triển thiết kế ăng ten sóng hấp dẫn được làm mát bằng helium lỏng sử dụng SQUID - từ kế siêu nhạy. Các công nghệ tồn tại vào thời điểm đó không cho phép nhà phát minh nhìn thấy sản phẩm của mình, được thực hiện bằng "kim loại".
Máy dò hấp dẫn Auriga được chế tạo theo cách này tại Phòng thí nghiệm National Legnard (Padua, Ý). Thiết kế dựa trên một hình trụ nhôm-magiê, dài 3 mét và đường kính 0,6m. Thiết bị nhận nặng 2,3 tấnlơ lửng trong một buồng chân không cô lập được làm mát gần như bằng không tuyệt đối. Một bộ cộng hưởng kilôgam phụ và một phức hợp đo dựa trên máy tính được sử dụng để cố định và phát hiện các rung động. Đã khai báo độ nhạy của thiết bị 10-20.
Giao thoa kế
Hoạt động của máy dò giao thoa của sóng hấp dẫn dựa trên các nguyên tắc tương tự như giao thoa kế Michelson. Chùm tia laze do nguồn phát ra được chia thành hai luồng. Sau nhiều lần phản xạ và di chuyển dọc theo vai của thiết bị, các luồng lại được tập hợp lại với nhau và hình ảnh giao thoa cuối cùng được sử dụng để đánh giá liệu có bất kỳ nhiễu động nào (ví dụ: sóng hấp dẫn) ảnh hưởng đến hướng đi của tia hay không. Thiết bị tương tự đã được tạo ra ở nhiều quốc gia:
- GEO 600 (Hanover, Đức). Chiều dài của đường hầm chân không là 600 mét.
- TAMA (Nhật Bản) 300m vai
- VIRGO (Pisa, Ý) là một dự án hợp tác giữa Pháp và Ý được khởi động vào năm 2007 với 3 km đường hầm.
- LIGO (Hoa Kỳ, Bờ biển Thái Bình Dương), săn tìm sóng trọng lực từ năm 2002.
Điều cuối cùng đáng xem xét chi tiết hơn.
LIGO Nâng cao
Dự án được khởi xướng bởi các nhà khoa học từ Viện Công nghệ Massachusetts và Viện Công nghệ California. Bao gồm hai đài quan sát cách nhau 3 nghìn km, ở các bang Louisiana và Washington (các thành phố Livingston và Hanford) với ba giao thoa kế giống hệt nhau. Chiều dài của chân không vuông gócđường hầm là 4 nghìn mét. Đây là những cấu trúc lớn nhất hiện đang hoạt động. Cho đến năm 2011, nhiều nỗ lực phát hiện sóng trọng lực không mang lại kết quả nào. Việc hiện đại hóa đáng kể được thực hiện (Advanced LIGO) đã tăng độ nhạy của thiết bị trong dải tần 300-500 Hz lên hơn năm lần và trong vùng tần số thấp (lên đến 60 Hz) gần như một bậc của cường độ, đạt một giá trị đáng thèm muốn như vậy là 10-21. Dự án cập nhật bắt đầu vào tháng 9 năm 2015 và những nỗ lực của hơn một nghìn cộng tác viên đã được đền đáp xứng đáng.
Đã phát hiện ra sóng trọng lực
Vào ngày 14 tháng 9 năm 2015, các máy dò LIGO tiên tiến với khoảng cách 7 ms đã ghi lại các sóng hấp dẫn đến hành tinh của chúng ta từ hiện tượng lớn nhất xảy ra ở vùng ngoại ô của Vũ trụ có thể quan sát được - sự hợp nhất của hai lỗ đen lớn có khối lượng 29 và 36 lần khối lượng của Mặt trời. Trong suốt quá trình diễn ra hơn 1,3 tỷ năm trước, khoảng ba khối lượng vật chất mặt trời đã được sử dụng cho bức xạ của sóng trọng lực trong một phần nhỏ của giây. Tần số ban đầu của sóng hấp dẫn được ghi lại là 35 Hz và giá trị cực đại đạt tới 250 Hz.
Các kết quả thu được đã nhiều lần được xác minh và xử lý toàn diện, các giải thích thay thế về dữ liệu thu được đã được cắt bỏ cẩn thận. Cuối cùng, vào ngày 11 tháng 2 năm ngoái, việc đăng ký trực tiếp hiện tượng mà Einstein dự đoán đã được công bố cho cộng đồng thế giới.
Sự thật minh họa công trình chuẩn độ của các nhà nghiên cứu: biên độ dao động trong các kích thước của cánh tay giao thoa kế là 10-19m - giá trị này nhỏ hơn nhiều so với đường kính của một nguyên tử vì nó nhỏ hơn một quả cam.
Triển vọng xa hơn
Khám phá một lần nữa khẳng định rằng Thuyết Tương đối Tổng quát không chỉ là một tập hợp các công thức trừu tượng, mà là một cái nhìn mới về cơ bản về bản chất của sóng hấp dẫn và lực hấp dẫn nói chung.
Trong nghiên cứu sâu hơn, các nhà khoa học đặt nhiều hy vọng vào dự án ELSA: việc tạo ra một giao thoa kế quỹ đạo khổng lồ có đường kính khoảng 5 triệu km, có khả năng phát hiện những nhiễu động nhỏ của trường hấp dẫn. Việc tăng cường công việc theo hướng này có thể nói lên nhiều điều về các giai đoạn chính trong sự phát triển của Vũ trụ, về các quá trình khó hoặc không thể quan sát được trong các dải truyền thống. Không còn nghi ngờ gì nữa, các lỗ đen, có sóng hấp dẫn sẽ được cố định trong tương lai, sẽ nói lên rất nhiều điều về bản chất của chúng.
Để nghiên cứu bức xạ hấp dẫn di tích, có thể kể về những khoảnh khắc đầu tiên của thế giới chúng ta sau vụ nổ Big Bang, cần phải có những dụng cụ vũ trụ nhạy hơn. Một dự án như vậy đã tồn tại (Người quan sát vụ nổ lớn), nhưng việc thực hiện nó, theo các chuyên gia, có thể không sớm hơn trong vòng 30 - 40 năm nữa.
