Astronomer som studerar gravitationsvågor har snubblat över en guldgruva. Sensation: gravitationsvågor från neutronstjärnor upptäcktes för första gången Tvillingarna i universum

Gravitationsvågor, teoretiskt förutspådde av Einstein redan 1917, väntar fortfarande på deras upptäckare.

Alexey Levin

I slutet av 1969 gjorde University of Maryland fysikprofessor Joseph Weber ett sensationellt uttalande. Han meddelade att han hade upptäckt gravitationsvågor som kom till jorden från rymdens djup. Fram till den tiden hade ingen forskare gjort sådana påståenden, och själva möjligheten att upptäcka sådana vågor ansågs långt ifrån självklar. Weber var dock känd som en auktoritet inom sitt område, och därför tog hans kollegor hans budskap på största allvar.

Men snart kom besvikelsen. Amplituden för de vågor som påstås ha registrerats av Weber var miljontals gånger högre än det teoretiska värdet. Weber hävdade att dessa vågor kom från mitten av vår galax, skymda av dammmoln, om vilka lite då var känt. Astrofysiker har föreslagit att det finns ett gigantiskt svart hål som gömmer sig där, som årligen slukar tusentals stjärnor och kastar ut en del av den absorberade energin i form av gravitationsstrålning, och astronomer började ett meningslöst sökande efter mer uppenbara spår av denna kosmiska kannibalism (det har nu bevisats att det verkligen finns ett svart hål där, men det uppför sig ganska hyggligt). Fysiker från USA, Sovjetunionen, Frankrike, Tyskland, England och Italien började experimentera med detektorer av samma typ – och uppnådde ingenting.

Forskare vet fortfarande inte vad de ska tillskriva de konstiga avläsningarna från Webers instrument. Men hans ansträngningar var inte förgäves, även om gravitationsvågor fortfarande inte har upptäckts. Flera installationer för att söka efter dem har redan byggts eller håller på att byggas, och om tio år kommer sådana detektorer att skjutas upp i rymden. Det är fullt möjligt att gravitationsstrålning inom en inte alltför avlägsen framtid kommer att bli en lika observerbar fysisk verklighet som elektromagnetiska svängningar. Tyvärr kommer Joseph Weber inte längre veta detta - han dog i september 2000.

Vad är gravitationsvågor

Det sägs ofta att gravitationsvågor är störningar av gravitationsfältet som utbreder sig i rymden. Denna definition är korrekt, men ofullständig. Enligt den allmänna relativitetsteorin uppstår gravitationen på grund av krökningen av rum-tidskontinuumet. Tyngdkraftsvågor är fluktuationer av rum-tidsmåttet, som visar sig som fluktuationer i gravitationsfältet, så de kallas ofta bildligt för rum-tids-rippel. Gravitationsvågor förutspåddes teoretiskt 1917 av Albert Einstein. Ingen tvivlar på deras existens, men gravitationsvågor väntar fortfarande på deras upptäckare.

Källan till gravitationsvågor är varje rörelse av materiella kroppar som leder till en ojämn förändring av tyngdkraften i det omgivande rummet. En kropp som rör sig med konstant hastighet utstrålar ingenting, eftersom dess gravitationsfälts natur inte förändras. För att sända ut gravitationsvågor krävs accelerationer, men inte vilken acceleration som helst. En cylinder som roterar runt sin symmetriaxel upplever acceleration, men dess gravitationsfält förblir enhetligt och gravitationsvågor uppstår inte. Men om du snurrar den här cylindern runt en annan axel kommer fältet att börja svänga och gravitationsvågor kommer att löpa från cylindern i alla riktningar.

Denna slutsats gäller för varje kropp (eller system av kroppar) som är asymmetrisk kring rotationsaxeln (i sådana fall sägs kroppen ha ett fyrpolsmoment). Ett masssystem vars kvadrupolmoment förändras med tiden avger alltid gravitationsvågor.

Tyngdkraftsfyrar av rymden

Gravitationsstrålningen från terrestra källor är extremt svag. En stålpelare som väger 10 000 ton, upphängd från mitten i ett horisontellt plan och snurrad runt en vertikal axel upp till 600 rpm, avger en effekt på cirka 10 -24 W. Därför är det enda hoppet att upptäcka gravitationsvågor att hitta en kosmisk källa för gravitationsstrålning.

I detta avseende är nära dubbelstjärnor mycket lovande. Anledningen är enkel: kraften hos gravitationsstrålningen hos ett sådant system växer i omvänd proportion till den femte potensen av dess diameter. Det är ännu bättre om stjärnornas banor är mycket långsträckta, eftersom detta ökar förändringshastigheten för fyrpolmomentet. Det är ganska bra om det binära systemet består av neutronstjärnor eller svarta hål. Sådana system liknar gravitationsfyrar i rymden - deras strålning är periodisk.

Det finns också "puls"-källor i rymden som genererar korta men extremt kraftfulla gravitationsskurar. Detta händer när en massiv stjärna kollapsar innan en supernovaexplosion. Stjärnans deformation måste dock vara asymmetrisk, annars uppstår inte strålningen. Under kollaps kan gravitationsvågor bära bort upp till 10 % av stjärnans totala energi! Kraften hos gravitationsstrålning är i detta fall cirka 10 50 W. Ännu mer energi frigörs vid sammanslagning av neutronstjärnor, här når toppeffekten 10 52 W. En utmärkt strålningskälla är kollisionen av svarta hål: deras massor kan överstiga neutronstjärnornas massa miljarder gånger.

En annan källa till gravitationsvågor är kosmologisk inflation. Omedelbart efter Big Bang började universum expandera extremt snabbt, och på mindre än 10 -34 sekunder ökade dess diameter från 10 -33 cm till dess makroskopiska storlek. Denna process stärkte omätligt de gravitationsvågor som fanns innan den började, och deras ättlingar består än i dag.

Indirekta bekräftelser

Det första beviset på förekomsten av gravitationsvågor kommer från arbetet av den amerikanske radioastronomen Joseph Taylor och hans elev Russell Hulse. 1974 upptäckte de ett par neutronstjärnor som kretsade runt varandra (en radiosändande pulsar med en tyst följeslagare). Pulsaren roterade runt sin axel med en stabil vinkelhastighet (vilket inte alltid är fallet) och fungerade därför som en extremt exakt klocka. Denna funktion gjorde det möjligt att mäta massorna av båda stjärnorna och bestämma arten av deras omloppsrörelse. Det visade sig att omloppstiden för detta binära system (cirka 3 timmar 45 minuter) minskas med 70 μs årligen. Detta värde stämmer väl överens med lösningarna av ekvationerna i den allmänna relativitetsteorin, som beskriver förlusten av energi för ett stjärnpar på grund av gravitationsstrålning (kollisionen av dessa stjärnor kommer dock inte att ske snart, efter 300 miljoner år). 1993 tilldelades Taylor och Hulse Nobelpriset för denna upptäckt.

Gravitationsvågantenner

Hur upptäcker man gravitationsvågor experimentellt? Weber använde meterlånga massiva aluminiumcylindrar med piezoelektriska sensorer i ändarna som detektorer. De isolerades med största försiktighet från yttre mekanisk påverkan i en vakuumkammare. Weber installerade två av dessa cylindrar i en bunker under University of Marylands golfbana och en vid Argonne National Laboratory.

Tanken med experimentet är enkel. Rymden komprimeras och sträcks ut under påverkan av gravitationsvågor. Tack vare detta vibrerar cylindern i längdriktningen och fungerar som en gravitationsvågsantenn, och piezoelektriska kristaller omvandlar vibrationerna till elektriska signaler. Varje passage av kosmiska gravitationsvågor påverkar nästan samtidigt detektorer som är åtskilda med tusen kilometer, vilket gör det möjligt att filtrera gravitationsimpulser från olika typer av brus.

Webers sensorer kunde detektera förskjutningar av cylinderns ändar lika med endast 10 -15 av dess längd - i detta fall 10 -13 cm. Det var just sådana fluktuationer som Weber kunde upptäcka, vilket han först rapporterade 1959 i sidorna i Physical Review Letters. Alla försök att upprepa dessa resultat har varit meningslösa. Webers data motsäger också teorin, som praktiskt taget inte tillåter oss att förvänta oss relativa förskjutningar över 10 -18 (och värden som är mindre än 10 -20 är mycket mer sannolika). Det är möjligt att Weber gjorde ett misstag när han statistiskt bearbetade resultaten. Det första försöket att experimentellt upptäcka gravitationsstrålning slutade i misslyckande.

Därefter förbättrades gravitationsvågsantenner avsevärt. 1967 föreslog den amerikanske fysikern Bill Fairbank att kyla dem i flytande helium. Detta gjorde det inte bara möjligt att bli av med det mesta av det termiska bruset, utan öppnade också för möjligheten att använda SQUIDs (superledande kvantinterferometrar), de mest exakta ultrakänsliga magnetometrarna. Genomförandet av denna idé visade sig vara fyllt med många tekniska svårigheter, och Fairbank själv levde inte för att se den. I början av 1980-talet hade fysiker från Stanford University byggt en installation med en känslighet på 10 -18, men inga vågor upptäcktes. Nu i ett antal länder finns det ultrakryogena vibrationsdetektorer för gravitationsvågor som arbetar vid temperaturer som bara är tiondels och hundradelar av en grad över absolut noll. Detta är till exempel AURIGA-installationen i Padua. Antennen för den är en tre meter lång cylinder gjord av aluminium-magnesiumlegering, vars diameter är 60 cm och vikten är 2,3 ton. Den är upphängd i en vakuumkammare kyld till 0,1 K. Dess stötar (med en frekvens på ca 1000 Hz) överförs till en hjälpresonator som väger 1 kg, som vibrerar med samma frekvens, men med mycket större amplitud. Dessa vibrationer registreras av mätutrustning och analyseras med hjälp av en dator. Känsligheten för AURIGA-komplexet är cirka 10 -20 -10 -21.

Interferometrar

En annan metod för att detektera gravitationsvågor är baserad på att massiva resonatorer överges till förmån för ljusstrålar. Det föreslogs först av de sovjetiska fysikerna Mikhail Herzenstein och Vladislav Pustovoit 1962, och två år senare av Weber. I början av 1970-talet byggde Robert Forward, en anställd vid forskningslaboratoriet i Hughes Aircraft Corporation (en tidigare doktorand vid Weber, och senare en mycket berömd science fiction-författare), den första sådana detektorn med ganska anständig känslighet. Samtidigt utförde Massachusetts Institute of Technology (MIT) professor Rainer Weiss en mycket djupgående teoretisk analys av möjligheterna att registrera gravitationsvågor med optiska metoder.

Dessa metoder involverar användningen av analoger till den enhet med vilken fysikern Albert Michelson för 125 år sedan bevisade att ljusets hastighet är strikt densamma i alla riktningar. I denna installation, en Michelson-interferometer, träffar en ljusstråle en genomskinlig platta och är uppdelad i två ömsesidigt vinkelräta strålar, som reflekteras från speglar placerade på samma avstånd från plattan. Sedan smälter strålarna samman igen och faller på skärmen, där ett interferensmönster uppträder (ljusa och mörka ränder och linjer). Om ljusets hastighet beror på dess riktning, bör bilden ändras när hela installationen roteras, annars bör den förbli densamma som tidigare.

Gravitationsvågsinterferensdetektorn fungerar på liknande sätt. En passerande våg deformerar rymden och ändrar längden på varje arm på interferometern (vägen längs vilken ljus färdas från splittern till spegeln), sträcker ut en arm och komprimerar den andra. Interferensmönstret ändras och detta kan registreras. Men detta är inte lätt: om den förväntade relativa förändringen i längden på interferometerns armar är 10 -20, resulterar det med en bordsstorlek på enheten (som Michelsons) i svängningar med en amplitud i storleksordningen 10 - 18 cm. Som jämförelse: vågor av synligt ljus på 10 biljoner. gånger längre! Du kan öka längden på axlarna till flera kilometer, men problem kommer fortfarande att kvarstå. Laserljuskällan måste vara både kraftfull och stabil i frekvens, speglarna måste vara perfekt plana och perfekt reflekterande, vakuumet i rören genom vilka ljuset färdas måste vara så djupt som möjligt, och den mekaniska stabiliseringen av hela systemet måste vara verkligen perfekt. Kort sagt, en gravitationsvågsinterferensdetektor är en dyr och skrymmande enhet.

Idag är den största installationen av detta slag det amerikanska komplexet LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Den består av två observatorier, varav det ena ligger på USA:s Stillahavskusten och det andra nära Mexikanska golfen. Mätningar görs med hjälp av tre interferometrar (två i delstaten Washington, en i Louisiana) med fyra kilometer långa armar. Installationen är utrustad med spegelljusackumulatorer, som ökar dess känslighet. "Sedan november 2005 har alla våra tre interferometrar fungerat normalt," sa LIGO-komplexrepresentanten Peter Saulson, professor i fysik vid Syracuse University, till Popular Mechanics. "Vi utbyter ständigt data med andra observatorier som försöker detektera gravitationsvågor med en frekvens på tiotals och hundratals hertz, som uppstod under de mest kraftfulla supernovaexplosioner och sammanslagningar av neutronstjärnor och svarta hål. För närvarande i drift är den tyska GEO 600-interferometern (armlängd - 600 m), som ligger 25 km från Hannover. Det japanska TAMA-instrumentet på 300 meter uppgraderas för närvarande. Den tre kilometer långa Jungfrudetektorn nära Pisa kommer att ansluta sig till arbetet i början av 2007, och vid frekvenser under 50 Hz kommer den att kunna överträffa LIGO. Installationer med ultrakryogena resonatorer arbetar med ökande effektivitet, även om deras känslighet fortfarande är något mindre än vår."

1. I tomma utrymmen fortplantar de sig med ljusets hastighet. Dessutom bevaras denna hastighet nästan alltid när man möter materiella föremål, så att gravitationsvågor inte genomgår brytning. Extremt supertät materia kan minska hastigheten på gravitationsvågor, men i andra fall är denna effekt försumbar. Gravitationsvågornas amplituder bleknar med avståndet från källan, men faller inte till noll: när en gravitationsvåg väl uppstår är den i en viss mening dömd till evigt liv. I synnerhet måste universum genomsyras av relikvågor som ärvts från inflationsfasen. De kodar information om strukturen av "embryot" universum, som dock fortfarande behöver dechiffreras. 2. Tyngdkraftsvågor är tvärgående. En sådan våg förvränger rymdens struktur i ett plan vinkelrätt mot vektorn för dess utbredning. En fast kropp som fångas i området framför en gravitationsvåg kommer att uppleva deformationer i just detta plan (vilka beror på vågens natur). 3. Gravitationsvågor bär bort energin som de tar från materien som avger dem. Därför kommer stjärnorna i det binära systemet med tiden närmare och perioden för deras rotation runt det gemensamma masscentrumet minskar.

Utsikter

Hur ser den närmaste framtiden ut för gravitationsvågsdetekteringsmetoder? Professor Rainer Weiss berättade för Popular Mechanics om detta: "Om några år kommer kraftfullare lasrar och mer avancerade detektorer att installeras i LIGO-komplexets observatorier, vilket kommer att leda till en 15-faldig ökning av känsligheten. Nu är det 10 -21 (vid frekvenser på cirka 100 Hz), och efter modernisering kommer det att överstiga 10 -22. Det uppgraderade komplexet, Advanced LIGO, kommer att öka penetrationsdjupet i rymden med 15 gånger. Professor Vladimir Braginsky, Moskvas statliga universitet, en av pionjärerna inom studiet av gravitationsvågor, är aktivt involverad i detta projekt.

Lanseringen av rymdinterferometern LISA (Laser Interferometer Space Antenna) med en armlängd på 5 miljoner kilometer är planerad till mitten av nästa decennium, detta är ett gemensamt projekt av NASA och European Space Agency. Det här observatoriets känslighet kommer att vara hundratals gånger högre än kapaciteten hos markbaserade instrument. Den är i första hand utformad för att söka efter lågfrekventa (10 -4 -10 -1 Hz) gravitationsvågor, som inte kan detekteras på jordens yta på grund av atmosfärisk och seismisk interferens. Sådana vågor sänds ut av dubbla stjärnsystem, ganska typiska invånare i kosmos. LISA kommer också att kunna detektera gravitationsvågor som genereras när vanliga stjärnor absorberas av svarta hål. Men för att upptäcka relikta gravitationsvågor som bär information om materiens tillstånd under de första ögonblicken efter Big Bang kommer det med största sannolikhet att krävas mer avancerade rymdinstrument. En sådan installation, Big Bang Observer, diskuteras nu, men det är osannolikt att den kommer att skapas och lanseras tidigare än om 30-40 år.”

Fysiker vid LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) upptäckte först gravitationsvågor - störningar av rum-tid som förutspåddes för hundra år sedan av skaparen av den allmänna relativitetsteorin, Albert Einstein. Om öppningen under en direktsändning anordnad av Lenta.ru och Moscow State University (MSU) uppkallad efter M.V. Lomonosov, forskare från Fysiska fakulteten, deltagare i det internationella LIGO-samarbetet. Lenta.ru pratade med en av dem, den ryske fysikern Sergei Vyatchanin.

Vad är gravitationsvågor?

Enligt Newtons universella gravitationslag attraheras två kroppar till varandra med en kraft som är omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet mellan dem. Denna teori beskriver till exempel jordens och månens rotation i platt rymd och universell tid. Einstein, efter att ha utvecklat den speciella relativitetsteorin, insåg att tid och rum är en substans, och föreslog en allmän relativitetsteori – en gravitationsteori som bygger på det faktum att gravitationen manifesterar sig som den krökning av rum-tid som materien skapar.

Doktorn i fysikaliska och matematiska vetenskaper Sergei Vyatchanin har varit chef för avdelningen för oscillationsfysik vid fysikfakulteten vid Moscow State University sedan 2012. Hans forskningsintressen fokuserar på studiet av icke-perturbativa kvantmätningar, lasergravitationsvågsantenner, spridningsmekanismer, fundamentalt brus och olinjära optiska effekter. Forskaren samarbetade med California Institute of Technology i USA och Max Planck Society i Tyskland.

Du kan föreställa dig en elastisk cirkel. Om du kastar en lätt boll på den kommer den att rulla i en rak linje. Om du lägger ett tungt äpple i mitten av cirkeln kommer banan att böjas. Från ekvationerna för allmän relativitet lärde Einstein genast att gravitationsvågor är möjliga. Men på den tiden (i början av 1900-talet) ansågs effekten vara extremt svag. Man kan säga att gravitationsvågor är krusningar i rum-tid. Det dåliga är att detta är en extremt svag interaktion.

Om vi ​​tar liknande (elektromagnetiska) vågor, så var det experimentet med Hertz, som placerade sändaren i ena hörnet av rummet och mottagaren i det andra. Detta fungerar inte med gravitationsvågor. För svag interaktion. Vi kan bara lita på astrofysiska katastrofer.

Hur fungerar en gravitationsantenn?

Det finns en Fabry-Perot interferometer, två massor åtskilda med fyra kilometer. Avståndet mellan massorna kontrolleras. Om vågen kommer uppifrån ändras avståndet något.

Är gravitationsstörning i huvudsak en förvrängning av metriken?

Du kan säga det. Matematik beskriver detta som en liten krökning av rymden. Herzenstein och Pustovoit föreslog att man skulle använda en laser för att upptäcka gravitationsvågor 1962. Det var en sådan sovjetisk artikel, en fantasi... Bra, men ändå en fantasi. Amerikanerna tänkte och bestämde sig på 1990-talet (Kip Thorne, Ronald Drever och Rainer Weiss) för att göra en lasergravitationsantenn. Dessutom krävs två antenner, eftersom om det finns händelser är det nödvändigt att använda ett slumpschema. Och sedan började allt. Det är en lång historia. Vi har samarbetat med Caltech sedan 1992, och 1998 övergick vi till en formell avtalsgrund.

Tror du inte att gravitationsvågornas verklighet var utom tvivel?

I allmänhet var det vetenskapliga samfundet övertygat om att de fanns, och det var en tidsfråga att upptäcka dem. Hulse och Taylor tilldelades Nobelpriset för själva upptäckten av gravitationsvågor. Vad gjorde de? Det finns dubbla stjärnor - pulsarer. Eftersom de snurrar sänder de ut gravitationsvågor. Vi kan inte observera dem. Men om de sänder ut gravitationsvågor avger de energi. Detta betyder att deras rotation saktar ner, som på grund av friktion. Stjärnorna rör sig närmare varandra och en förändring i frekvens kan ses. De tittade - och såg (1974 - cirka. "Tapes.ru"). Detta är ett indirekt bevis på att det finns gravitationsvågor.

Nu - direkt?

Nu - direkt. En signal kom och registrerades på två detektorer.

Är tillförlitligheten hög?

Det räcker att öppna.

Vilket bidrag har ryska forskare till detta experiment?

Nyckel. I initial LIGO (en tidig version av antennen - cirka. "Tapes.ru") tio kilos massor användes, och de hängde på ståltrådar. Vår vetenskapsman Braginsky har redan uttryckt idén om att använda kvartstrådar. En tidning publicerades som bevisade att kvartsfilament gör mycket mindre ljud. Och nu massorna (i avancerad LIGO, en modern installation - cirka. "Tapes.ru") hänga på kvartstrådar.

Det andra bidraget är experimentellt och relaterat till avgifter. Massorna, åtskilda med fyra kilometer, måste på något sätt justeras med hjälp av elektrostatiska aktivatorer. Detta system är bättre än det magnetiska som användes tidigare, men det känner av laddningen. I synnerhet passerar ett stort antal partiklar - myoner - varje sekund genom en persons handflata, vilket kan lämna en laddning. Nu kämpar de med detta problem. Vår grupp (Valery Mitrofanov och Leonid Prokhorov) deltar i detta experimentellt och har blivit betydligt mer erfarna.

I början av 2000-talet fanns det en idé att använda safirfilament i avancerad LIGO, eftersom safir formellt sett har en högre kvalitetsfaktor. Varför är det viktigt? Ju högre kvalitetsfaktor, desto mindre ljud. Detta är en allmän regel. Vår grupp beräknade det så kallade termoelastiska bruset och visade att det fortfarande är bättre att använda kvarts istället för safir.

Och vidare. Gravitationsantennens känslighet är nära kvantgränsen. Det finns den så kallade standardkvantgränsen: om du mäter en koordinat stör du den omedelbart enligt Heisenbergs osäkerhetsprincip. Om du kontinuerligt mäter en koordinat, stör du den hela tiden. Det är inte bra att mäta koordinaten särskilt noggrant: det blir en stor omvänd fluktuationseffekt. Detta visades 1968 av Braginsky. Beräknat för LIGO. Det visade sig att för initial LIGO är känsligheten ungefär tio gånger högre än standardkvantgränsen.

Förhoppningen är nu att avancerad LIGO ska nå standardkvantgränsen. Kanske går det ner. Det här är faktiskt en dröm. Kan du föreställa dig detta? Du kommer att ha en kvantmakroskopisk enhet: två tunga massor på fyra kilometers avstånd.

Gravitationsvågor registrerades den 14 september 2015 klockan 05:51 Eastern Daylight Time (13:51 Moskva-tid) vid dubbla detektorer av LIGO Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory i Livingston (Louisiana) och Hanford (Washington State). ) i USA. LIGO-detektorerna detekterade relativa fluktuationer på tio till minus 19 meter (detta är ungefär lika med förhållandet mellan diametern på en atom och diametern på ett äpple) av par av testmassor åtskilda med fyra kilometer. Störningarna genereras av ett par svarta hål (29 och 36 gånger tyngre än solen) under de sista bråkdelen av en sekund innan de smälter samman till ett mer massivt roterande gravitationsobjekt (62 gånger tyngre än solen). På en bråkdel av en sekund förvandlades tre solmassor till gravitationsvågor, vars maximala strålningseffekt var cirka 50 gånger större än från hela det synliga universum. Sammanslagningen av svarta hål inträffade för 1,3 miljarder år sedan (detta är hur lång tid det tog för gravitationsstörningen att nå jorden). Genom att analysera ögonblicken för ankomsten av signalerna (Livingston-detektorn registrerade händelsen sju millisekunder tidigare än Hanford-detektorn), antog forskarna att signalkällan var belägen på södra halvklotet. Forskarna lämnade in sina resultat för publicering i tidskriften Physical Review Letters.

Vid första anblicken är detta inte särskilt kompatibelt.

Det är detta som är paradoxalt. Det vill säga, det visar sig vara fantastiskt. Det verkar lukta charlatanism, men i verkligheten är det inte det, allt är ärligt. Men för nu är det här drömmar. Standardkvantgränsen har inte uppnåtts. Där behöver du fortfarande jobba och jobba. Men det är redan klart att det är nära.

Finns det något hopp om att detta ska hända?

Ja. Standardkvantgränsen måste övervinnas och vår grupp har varit med och utvecklat metoder för hur man gör detta. Det här är de så kallade kvant-icke-störande mätningarna, vilket specifikt mätschema behövs - det här eller det... När allt kommer omkring, när du studerar teoretiskt, kostar beräkningar ingenting, och experiment är dyrt. LIGO uppnådde en noggrannhet på tio till minus 19 meter.

Låt oss komma ihåg ett barns exempel. Om vi ​​reducerar jorden till storleken av en apelsin, och sedan minskar den med samma mängd, får vi storleken på en atom. Så, om vi minskar atomen med samma mängd, så får vi tio meter till minus 19 grader. Det här är galna grejer. Detta är en bedrift av civilisationen.

Det här är väldigt viktigt, ja. Så vad betyder upptäckten av gravitationsvågor för vetenskapen? Man tror att detta kan förändra astronomis observationsmetoder.

Vad har vi? Astronomi i det vanliga området. Radioteleskop, infraröda teleskop, röntgenobservatorier.

Är allt inom det elektromagnetiska området?

Ja. Dessutom finns neutrinobservatorier. Det finns registrering av kosmiska partiklar. Detta är en annan kanal för information. Om gravitationsantennen producerar astrofysisk information kommer forskarna att ha flera observationskanaler till sitt förfogande samtidigt, genom vilka de kan testa teorin. Många kosmologiska teorier har föreslagits, som konkurrerar med varandra. Det kommer att gå att sålla bort något. Till exempel, när Higgs-bosonen upptäcktes vid Large Hadron Collider, föll flera teorier omedelbart bort.

Det vill säga, detta kommer att bidra till valet av fungerande kosmologiska modeller. En annan fråga. Är det möjligt att använda en gravitationsantenn för att exakt mäta universums accelererade expansion?

Än så länge är känsligheten väldigt låg.

Vad händer i framtiden?

I framtiden kan den också användas för att mäta reliktens gravitationsbakgrund. Men vilken experimentell som helst kommer att säga till dig: "Ay-yay!" Det vill säga att det här är långt kvar. Gud ge att vi registrerar en astrofysisk katastrof.

Svarthålskollision...

Ja. När allt kommer omkring är detta en katastrof. Gud förbjude att du hamnar där. Vi skulle inte existera. Och här är en sådan bakgrund... För nu... "matar de de ungas förhoppningar, de ger glädje åt de äldste."

Kan upptäckten av gravitationsvågor ge ytterligare bevis på att det finns svarta hål? Det finns trots allt fortfarande de som inte tror att de finns.

Ja. Hur jobbar de på LIGO? Signalen spelas in för att förklara vilka forskare som utvecklar mönster och jämföra dem med observationsdata. En kollision av neutronstjärnor, en neutronstjärna faller in i ett svart hål, en supernovaexplosion, ett svart hål smälter samman med ett svart hål... Vi kommer att ändra parametrar, till exempel massförhållandet, det initiala ögonblicket... Vad ska vi ser? Inspelning pågår och vid signaltillfället bedöms mallarnas prestanda. Om mönstret utformat för kollisionen av två svarta hål matchade signalen, så är det ett bevis. Men inte absolut.

Finns det ingen bättre förklaring? Förklaras upptäckten av gravitationsvågor enklast av kollisionen av svarta hål?

För tillfället - ja. Forskarsamhället tror nu att det var en sammanslagning av svarta hål. Men en kollektiv gemenskap är mångas åsikt, en konsensus. Om några nya faktorer uppstår kan det naturligtvis överges.

När kommer det att vara möjligt att upptäcka gravitationsvågor från mindre massiva föremål? Betyder inte detta att nya och känsligare observatorier behöver byggas?

Det finns ett nästa generationsprogram som heter LIGO. Det här är den andra. Det kommer en tredje. Det finns många alternativ där. Du kan öka avståndet, öka kraften och fjädringen. Nu diskuteras allt detta. På brainstorming-nivå. Om observationen av en gravitationssignal bekräftas blir det lättare att få pengar för att förbättra observatoriet.

Finns det en boom i byggandet av gravitationsobservatorier?

Vet inte. Det är dyrt (LIGO kostade cirka 370 miljoner dollar - cirka. "Tapes.ru"). När allt kommer omkring erbjöd amerikanerna Australien att bygga en antenn på södra halvklotet och gick med på att tillhandahålla all utrustning för detta. Australien vägrade. För dyr leksak. Underhållet av observatoriet skulle ta upp hela landets vetenskapliga budget.

Är Ryssland ekonomiskt involverat i LIGO?

Vi samarbetar med amerikanerna. Vad som kommer att hända härnäst är oklart. Än så länge har vi goda relationer med forskare, men politikerna styr allt... Därför måste vi titta. De uppskattar oss. Vi levererar resultat som verkligen är på nivå. Men det är inte de som bestämmer om de ska vara vänner med Ryssland eller inte.

Tyvärr Ja.

Det här är livet, låt oss vänta.

LIGO-observatoriet finansieras av US National Science Foundation. Forskning vid LIGO utförs som en del av ett samarbete med samma namn av mer än tusen forskare från USA och 14 andra länder, inklusive Ryssland, representerade av två grupper från Moscow State University och Institute of Applied Physics of the Russian Vetenskapsakademin (Nizjnij Novgorod).

Finns det några planer på att bygga ett gravitationsobservatorium i Ryssland?

Inte planerat ännu. På 1980-talet ville Sternberg State Astronomical Institute vid Moscow State University bygga samma gravitationsantenn i Baksan Gorge, bara i mindre skala. Men perestrojkan kom, och allt var täckt med en kopparbassäng under lång tid. Nu försöker trafikpolisen vid Moscow State University göra något, men än så länge har inte antennen fungerat...

Vad mer kan du försöka kontrollera med en gravitationsantenn?

Giltigheten av gravitationsteorin. De flesta existerande teorier är trots allt baserade på Einsteins teori.

Ingen kan motbevisa det ännu.

Hon har en ledande position. Alternativa teorier är utformade på ett sådant sätt att de i princip leder till samma experimentella konsekvenser som det gör. Och detta är naturligt. Därför behöver vi nya fakta som skulle sopa bort felaktiga teorier.

Kortfattat, hur skulle du formulera innebörden av upptäckten?

Faktum är att gravitationsastronomi började. Och för första gången krokades vågorna av rymdkrökning. Inte indirekt, utan direkt. En person beundrar sig själv: vilken jävel jag är!

Anya Grushina

Temporala, eller tidskristaller, är en ny idé inom fysiken som har diskuterats flitigt de senaste åren. De är fysiska system som upprepar sig "av sig själva" över tiden. Trots konceptets exotiska karaktär överväger forskare redan möjliga tillämpningsområden för idén och letar efter de mest framgångsrika "recepten" för att förbereda "kristallin tid."

Frank Wilczek, Nobelpristagare 2004 och författare till tidskristallbegreppet Foto: Kenneth C. Zirkel/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0.

"Receptet" på en temporal kristall från Christopher Monroes experiment: laserstrålning, som visas av de orangea och gröna pilarna, vänder de magnetiska momenten (snurrar); laserljuset, som visas av den röda pilen, introducerar oordning och orsakar interaktioner mellan snurren. Som ett resultat pendlar spinnsystemet mellan två stabila tillstånd som är resistenta mot förändringar i pumpens frekvens.

Skönheten i naturlagarna går hand i hand med symmetri. Strängt taget innebär symmetri i fysiken att vissa egenskaper förblir oförändrade under en viss transformation: detta kan vara en rotation eller förskjutning i rymden, en spegelreflektion. Enkelt uttryckt, oavsett hur du vrider ett objekt eller universum, förändras inte fysikens lagar. Symmetri kan vara kontinuerlig eller diskret. Till exempel kan en homogen boll roteras till vilken vinkel som helst - ingenting kommer att förändras. Men kuben "upprepar sig" bara när den roteras i en viss vinkel. Dessa är exempel på kontinuerlig och diskret rotationssymmetri.

Intressant fysik börjar där symmetri förändras, eller snarare bryter. Låt oss säga att en kristall är mindre symmetrisk än en homogen vätska som består av samma atomer, så det kan betraktas som ett brott mot rumssymmetri. Atomerna i den är belägna i noderna i det så kallade kristallgittret med tydligt definierade avstånd och vinklar. För att erhålla samma kristall när man rör sig i rymden måste den flyttas med ett klart definierat avstånd (den så kallade gitterkonstanten - storleken på den elementära cellen, vars upprepning kan reproducera hela kristallen) eller roteras av lämplig vinkel. Kristallernas specifika egenskaper beror direkt på hur exakt symmetrin bröts: antalet elektroner på det yttre skalet av atomer, magnetiska moment, temperatur - allt detta påverkar interaktionerna mellan atomer och bestämmer i slutändan materialets egenskaper. Fysiker har studerat kristaller under lång tid och har till och med lärt sig att skapa liknande system med hjälp av lasrar eller mikrovågor, där rollen som gitternoder kan spelas inte bara av atomer och elektroner, utan också av fotoner eller kvasipartiklar, såsom fononer. Mediets symmetri störs också av magnetisering och flödet av elektrisk ström.

Men en diskret kränkning av temporal, eller temporal, symmetri (det kontinuerliga flödet av tid bara framåt) är fortfarande outforskat territorium. Frank Wilczek, vinnare av 2004 års Nobelpris för att beskriva interaktionen mellan kvarkar och gluoner, började 2012 fundera på varför tidssymmetri aldrig bryts spontant (det vill säga på grund av slumpmässiga interaktioner mellan element i systemet) och om det är möjligt att skapa de förutsättningar under vilka detta skulle vara möjligt. Som ett resultat kom han på temporala kristaller som ett sätt att bryta tidssymmetri.

Temporala kristaller är hypotetiska strukturer som pulserar utan att förbruka energi, som en mekanisk klocka som inte kräver lindning. Sekvensen upprepas i tiden, precis som atomerna i en kristall upprepas i rymden. Vid första anblicken påminner den temporala kristallen mer om science fiction-författaren Vladislav Krapivins värld av den stora kristallen än om strikt fysik, men en sådan struktur kan ha goda fysiska skäl för sin existens.

En möjlig implementering av en temporär kristall är en ring av atomer som bör rotera och regelbundet återgå till sitt ursprungliga tillstånd. Dess egenskaper skulle vara evigt synkroniserade i tiden, liknande hur positionerna för atomer i en kristall är sammankopplade. Enligt definitionen av en temporal kristall måste ett sådant system vara i ett tillstånd med lägst energi så att rörelse inte kräver energi utifrån. På sätt och vis skulle den temporala kristallen vara en evighetsmaskin, förutom att den inte skulle producera något användbart arbete.

Det vetenskapliga samfundet ansåg för det mesta att idén var provocerande. Trots det stod Frank Wilczek på sitt, övertygad om att problemet var mer subtilt än det verkade vid första anblicken, och att temporala kristaller representerade en ny typ av ordning. Dessutom har evig rörelse prejudikat i kvantvärlden: teoretiskt leder supraledare elektrisk ström för alltid (även om flödet i det här fallet är enhetligt och därför inte förändras över tiden).

Den temporala kristallparadoxen intresserade Haruki Watanabe, en doktorand vid University of California i Berkeley. När han presenterade sitt arbete om symmetribrott i rymden, fick han frågan om implikationerna av Wilczeks idé om en temporär kristall. Watanabe kunde inte svara och bestämde sig för att undersöka denna fråga genom att fokusera på korrelationer mellan avlägsna delar av systemet i tid och rum. År 2015, tillsammans med fysikern Masaki Oshikawa från Tokyos universitet, bevisade Watanabe ett teorem enligt vilket skapandet av en tidskristall i det lägsta energitillståndet är omöjligt. De bevisade också att temporala kristaller är omöjliga för alla jämviktssystem som har nått ett stabilt tillstånd vid vilket energivärde som helst.

Vid denna tidpunkt ansåg det fysiska samhället frågan om existensen av temporala kristaller stängd. Bevisen lämnade dock ett kryphål. Det uteslöt inte möjligheten av existensen av temporala kristaller i system där jämvikt ännu inte hade etablerats. Och teoretiker runt om i världen började fundera på hur de kunde skapa alternativa versioner av temporala kristaller för att kringgå teoremet.

Genombrottet kom oväntat från ett fysikfält där forskare inte alls hade tänkt på ämnet. Teoretikern Shivaji Sondhi och hans kollegor från Princeton University studerade beteendet hos ett isolerat kvantsystem bestående av en "soppa" av interagerande partiklar som regelbundet "sparkades" energiskt. Om man tror på läroböckerna så borde ett sådant system hetta till och så småningom bli helt kaotiskt. Men Szondis grupp visade att när vissa villkor är uppfyllda klungar partiklarna ihop sig och bildar ett "mönster" som upprepas över tiden.

Denna forskning fångade Chetan Nayaks uppmärksamhet, en av Wilczeks tidigare elever. Nayak och hans kollegor föreslog att den märkliga, ur-jämviktsformen av materia kunde vara en typ av temporal kristall, även om det inte exakt var den typ som Wilczek ursprungligen talade om. Skillnaden är att ett sådant system inte är i ett tillstånd med lägst energi och behöver tillföras energi utifrån för att upprätthålla pulsationer. Men en sådan "soppa" har sin egen rytm, som skiljer sig från pumpfrekvensen, vilket faktiskt innebär ett brott mot tidssymmetri.

Christopher Monroe från University of Maryland i College Park, trots sin skepsis, försökte ändå skapa en liknande temporal kristall med hjälp av kalla atomer. Det invecklade "receptet" innehåller tre huvudingredienser: kraften som verkar på systemet, interaktionen mellan atomer och ett element av slumpmässig oordning. Denna kombination begränsar partiklarna i mängden energi de kan absorbera, vilket gör att de kan förbli i ett ordnat tillstånd.

I experimentet belystes en kedja av tio ytterbiumjoner omväxlande av två lasrar. Den första lasern vände atomernas magnetiska moment, och den andra tvingade dem att interagera med varandra slumpmässigt. Detta ledde till svängningar i projektionen av systemets magnetiska moment med en period dubbelt så lång som perioden för laserspinpumpning. Dessutom, även om den första lasern avvek från den önskade strålningsfrekvensen, förändrades inte oscillationerna i systemet. Precis som vanliga kristaller motstår försök att flytta atomer från sina positioner i kristallgittret, så har den temporala kristallen behållit sin periodicitet i tid.

En grupp fysiker från Harvard University ledd av Mikhail Lukin (som också är en av grundarna av Russian Quantum Center) tog en annan väg och implementerade en temporär kristall med hjälp av diamant. För detta ändamål syntetiserades ett speciellt prov innehållande omkring en miljon oordnade defekter, som var och en hade sitt eget magnetiska moment. När en sådan kristall exponerades för pulser av mikrovågsstrålning för att vända snurrarna, registrerade fysiker systemets svar vid en frekvens som bara var en bråkdel av frekvensen av den exciterande strålningen.

Teoretisk fysiker Norman Yao, som deltog i båda experimenten, betonar att system i det lägsta energitillståndet per definition inte bör förändras över tiden. Annars skulle det innebära att de har extra energi som de kan förbruka, och så småningom måste rörelsen sluta. Yao jämförde resultatet av experimenten med ett hopprep: handen gör två varv, men repet gör bara ett, och detta är en svagare kränkning av symmetri än vad Wilczek ursprungligen tänkte på, som trodde att repet kunde vibrera av sig själv.

Resultaten av båda experimenten publicerades i tidskriften Nature och är förvisso intressanta, men definitionen av en temporal kristall i båda fallen kan anses vara lite långsökt. Fysiker är överens om att båda systemen spontant bryter tidssymmetri på något sätt och därför uppfyller kraven på en temporal kristall ur en matematisk synvinkel. Men huruvida de verkligen kan betraktas som sådana är ett ämne för vetenskaplig debatt.

Huruvida Monroe och Lukin lyckades få timliga kristaller eller inte får tiden utvisa. Hur som helst är dessa experiment intressanta eftersom de för första gången visade de enklaste exemplen på nya faser av materia i det relativt outforskade området av icke-jämviktstillstånd. Detta nya tillstånd av materia består av en grupp kvantpartiklar som ständigt förändras och aldrig når ett stabilt tillstånd. Stabilitet uppnås genom slumpmässiga interaktioner som skulle rubba balansen i vilken annan typ av materia som helst.

Dessutom kan dessa resultat ha praktiska konsekvenser. Temporala kristaller kan vara användbara som superexakta sensorer. Beteendet hos de magnetiska momenten för defekter i diamant används redan för att registrera de minsta förändringarna i temperatur och magnetfält. Men det här tillvägagångssättet har sina begränsningar: när för många defekter "trängs" i en liten volym, förstör interaktioner mellan dem kvanttillstånd. I en temporär kristall, tvärtom, stabiliserar interaktioner systemet, så miljontals defekter kan användas tillsammans för att förstärka signalen. Detta kommer att göra det möjligt att studera i synnerhet levande celler och material med atomtjocklek.

Ett annat exempel på användningen av sådana system är kvantberäkning vid ganska höga temperaturer. Kvantdatorer är en lovande och efterlängtad teknik som fortfarande är långt ifrån praktisk implementering. Poängen är att de ömtåliga kvantbitarna som gör beräkningarna måste isoleras från de kvantförstörande effekterna av termisk rörelse och andra miljömässiga "bieffekter" samtidigt som de fortfarande kan koda och läsa information från dem. Fysiker använder mycket låga temperaturer för att göra detta, bara nanograder över absolut noll. En temporal kristall är i huvudsak ett kvantsystem som existerar vid betydligt högre temperaturer. När det gäller Lukin-diamanten är detta i allmänhet sant vid rumstemperatur.

I en intervju som kan läsas i "Science and Life" nr 12 för 2013 talade Mikhail Lukin just om sådana oväntade praktiska "biverkningar" av vad som vid första anblicken är en helt grundläggande vetenskap. Och kanske är det det fantastiskt klingande konceptet med en temporär kristall som kommer att öppna vägen för kvantberäkning utan behov av komplex och dyr kryogenik.

Space gav forskare en gåva för hundraårsjubileet av Einsteins allmänna relativitetsteori - gravitationsvågor upptäcktes

I mitten av februari i år tillkännagav medlemmar av det internationella LIGO-samarbetet, som förenar hundratals forskare från sjutton länder, inklusive Ryssland, den första direkta upptäckten av gravitationsvågor som emitteras av två sammanslagna svarta hål med en total massa på mer än 60 solar 1,3 miljarder för flera år sedan. Detta är en vetenskaplig händelse, utan överdrift, i kosmisk skala, och det hände i september förra året vid lasergravitationsvågobservatoriet-interferometer LIGO (USA). För en detaljerad kommentar vände vi oss till chefen för laboratoriet för teoretisk fysik vid Institute of Electrophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, akademiker Mikhail Sadovsky.

- Käre Mikhail Vissarionovich, först och främst, förklara för en amatör vad en gravitationsvåg är?

Föreställ dig fyra bollar som hänger på tvären. Om en gravitationsstörning inträffar kommer två bollar att avvika från varandra med ett visst avstånd, och de andra två kommer samtidigt att rusa mot varandra; i nästa fas av vågen kommer deras rörelse att vara motsatt. Som ett resultat, under påverkan av en gravitationsvåg, kommer alla fyra bollarna att börja svänga synkront. Men det här är ett tänkt experiment. I vardagen är det ingen som känner eller observerar gravitationsvågor, de har ingen effekt på någonting, eftersom gravitationsinteraktioner är mycket svaga jämfört med till exempel elektromagnetiska. Och även om de flesta teoretiska fysiker aldrig tvivlade på existensen av gravitationsvågor, verkade uppgiften att experimentellt registrera dem under markförhållanden mycket svår. Vi kunde bara hoppas på rymden - kraftfulla gravitationsstörningar uppstår där, och vågorna som orsakas av dem kan nå jorden.

– Så, den aktuella upptäckten kan inte kallas oväntad?

Existensen av gravitationsvågor förutspåddes teoretiskt av Albert Einstein för exakt 100 år sedan i hans uppsats från 1916. Detta följde naturligtvis av den allmänna relativitetsteorin, eller den moderna gravitationsteorin. Om det finns elektromagnetiska vågor måste det också finnas gravitationsstörningar, som fortplantar sig i form av vågor med ljusets hastighet och lokalt förändrar geometrin av rum och tid. Förutsägelsen om förekomsten av gravitationsvågor gjorde det till exempel möjligt att förklara förändringen i konvergenshastigheten för närliggande system av dubbelstjärnor.

För första gången försökte den amerikanske fysikern Joseph Weber lösa problemet med direkt registrering av gravitationseffekter redan på 1960-talet. Han utvecklade de första detektorerna - två massiva aluminiumcylindrar upphängda på stort avstånd från varandra. Enligt Weber skulle en stor gravitationsvåg få dem att oscillera unisont, och därmed kunde dess passage registreras. 1968 tillkännagav han upptäckten av gravitationsvågor med sina detektorer, men resultaten av hans experiment ifrågasattes av andra forskare. Tyvärr levde Joseph Weber inte för att se den nuvarande triumfen för den rörelse han grundade. Men forskarens bidrag till gravitationsvågastronomi erkänns av det vetenskapliga samfundet.

– Har våra landsmän gjort försök att registrera gravitationsvågor?

I Sovjetunionen och Ryssland var pionjären inom gravitationsvågforskning en motsvarande medlem av den ryska vetenskapsakademin Vladimir Braginsky. Han var skeptisk till Webers experiment, och trodde att ingenting kunde registreras med sådana detektorer, men han fortsatte att arbeta i denna riktning.

Systemet som implementeras i det aktuella experimentet föreslogs också av inhemska forskare - professor Mikhail Herzenstein och akademiker Vladislav Pustovoit i en artikel publicerad i Journal of Experimental and Theoretical Physics 1962. Detta schema är ganska enkelt. Den är byggd på en Michelson-interferometer, vars funktionsprincip är som följer: en ljusstråle från en källa riktas mot en spegel på ett visst avstånd från den, reflekteras från spegeln och returneras tillbaka, och en andra ljussignal är skickas i en vinkelrät riktning, reflekteras den också från spegeln och återvänder. Vid den punkt där ljussignalerna skär varandra på detektorerna kan du se interferensmönstret. Om en gravitationsvåg passerar börjar speglarna darra synkront och interferensmönstret förändras. På grund av det faktum att optik är en mycket exakt vetenskap, blir det möjligt att upptäcka även en mycket svag gravitationseffekt.

– Fungerar interferometern, där den sensationella upptäckten gjordes, enligt denna princip?

Ja. LIGO-observatoriet består av två installationer: den ena ligger i Hanford, Washington, den andra i Livingston, Louisiana, på ett avstånd av cirka 3 tusen kilometer. Varje interferometer har två "armar" 4 km långa, placerade vinkelrätt mot varandra. Dessa är rör inuti vilka en laserstråle avfyras. Om en gravitationsvåg anländer, bör ett karakteristiskt interferensmönster synkront uppträda i båda interferometrarna på detektorn vid den punkt där strålarna skär varandra.

Initiativtagarna till LIGO-projektet på 1980-talet var professorer vid California Institute of Technology Kip Thorne(förresten, en av författarna till manuset till rymdactionfilmen "Interstellar") och Ronald förare, och även professor vid Massachusetts Institute of Technology Rainer Weiss.
Listan över deltagare i det internationella samarbetet, som omfattar mer än 200 personer, inkluderar våra landsmän, inklusive den redan namngivna motsvarande medlemmen Vladimir Braginsky, professor Valery Mitrofanov(MSU), motsvarande medlemmar Alexander Sergeev Och Efim Khazanov(Institute of Applied Physics RAS, Nizhny Novgorod) och andra forskare.

Ryska projektdeltagares arbete stöddes delvis av anslag från den ryska stiftelsen för grundforskning. Tyvärr utesluter de löjliga bidragsvillkoren som antagits av Russian Science Foundation helt stöd för denna typ av kollektiv forskning. Således, enligt stiftelsens regler, kan arbete som finansieras av Russian Science Foundation inte stödjas av några andra fonder eller bidrag. Detta krav är lika strängt som det är okonstruktivt. När allt kommer omkring får alla större vetenskapliga projekt, särskilt ett internationellt, stöd från dussintals olika stiftelser, och LIGO-samarbetet är ett exempel på detta.

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Den totala kostnaden för projektet är cirka 620 miljoner dollar

Samtidigt är LIGO-projektet mycket dyrt. Observatoriet kostade 300 miljoner dollar att bygga, plus drifts- och moderniseringskostnader. LIGO lanserades 2002 och fungerade till 2010. Men vid den tiden var det inte möjligt att registrera gravitationsvågor, endast olika ljud registrerades. Interferometern stängdes sedan av för uppgraderingar. En liknande LIGO-interferometer, Jungfrun, med tre kilometer långa armar, började fungera 2007 i Italien, nära Pisa. Den har genomgått modernisering sedan 2011 och bör lanseras igen under andra halvan av i år. Och det förbättrade Advanced LIGO-komplexet togs i drift tidigt på hösten 2015.

– Det visar sig att upptäckten inträffade strax efter uppskjutningen?

Exakt. Den 14 september upptäckte LIGO-detektorn en signal som såg "misstänkt ut" ur synvinkeln att observera gravitationsvågor. Förändringarna i interferensmönstret överensstämde helt med de beräkningar som samarbetsdeltagarna gjorde i förväg vid en gravitationsstörning. Detta var exakt vad som skulle ha hänt under passagen av en gravitationsvåg som genererades av kollisionen av två svarta hål - massiva stjärnor i livets sista skede, "vägde" 29 och 36 solmassor. Som ett resultat av den kosmiska katastrofen bildades ett svart hål med 62 solmassor, och energin från tre solmassor förvandlades till gravitationsstrålning, som nådde oss efter 1,3 miljarder ljusår. Om Virgo-interferometern redan fungerade vid fixeringstillfället skulle det vara möjligt att avgöra var gravitationsvågen kom ifrån. Den här gången var det inte möjligt att göra detta, men forskarna hoppas att det ska vara möjligt i framtiden, när LIGO och Jungfrun arbetar parallellt.

– Och till sist, några ord om händelsens betydelse...

Upptäckten av sådana "tunga" svarta hål är i sig en stor upptäckt inom astronomi. Och direkt registrering av gravitationsvågor är i huvudsak födelsen av en ny vetenskaplig riktning, gravitationsvågsastronomi. Genom att studera gravitationseffekter kan vi kanske titta in i de tidigaste perioderna av universums bildande. När allt kommer omkring, från de tidigaste stadierna av utvecklingen av "eldklotet" som uppstod som ett resultat av Big Bang, passerar inte ljussignaler igenom, men gravitationsvågor som emitteras i detta skede av universums expansion kan nå oss. Det är också anmärkningsvärt att den allmänna relativitetsteorin nu nästan fullständigt har testats experimentellt på klassisk (icke-kvant) nivå och verkligen beskriver gravitationen mycket exakt. Så upptäckten blev en lysande "gåva" för hundraårsdagen av denna teori.

Det är förstås svårt att prata om den praktiska innebörden av att registrera gravitationsvågor, men det är möjligt att det kommer att avslöjas i framtiden. I början av 1900-talet kunde ingen ha föreställt sig att till exempel moderna GPS-navigatorer skulle korrekt bestämma din position endast med hänsyn till effekterna av allmän relativitet. Och gravitationsvågsastronomi är tydligen precis runt hörnet.

Första inspelade gravitationsvågsignalen

Gravitationsvåg från binära svarta håls sammanslagningar upptäckt av LIGO-detektorer vid Hanford och Livingston Till vänster finns data från detektorn i Hanford (H1), till höger i Livingston (L1). Tiden räknas från 14 september 2015, 09:50:45 UTC. Översta raden: spänningar h i detektorerna. GW150914-signalen anlände först till L1 och efter 6,9+0,5?0,4 ms vid H1; för visuell jämförelse visas data från H1 i L1-diagrammet i omvänd och tidsförskjuten form (för att ta hänsyn till detektorernas relativa orientering). Andra raden: spänning h från gravitationsvågssignalen, passerad genom samma bandpassfilter, 35 - 350 Hz. Den heldragna linjen är resultatet av numerisk relativitet för ett system med parametrar som är kompatibla med de som hittats baserat på studien av GW150914-signalen erhållen av två oberoende koder med en matchning på 99,9. De grå tjocka linjerna är 90 % konfidensområden för vågformen rekonstruerade från detektordata med två olika metoder. Den mörkgrå linjen modellerar de förväntade signalerna från en sammanslagning av svarta hål, den ljusgrå linjen använder inte astrofysiska modeller, utan representerar signalen som en linjär kombination av sinusformade-Gaussiska vågor. Rekonstruktionerna överlappar med 94 %. Tredje raden: återstående fel efter extrahering av den filtrerade förutsägelsen av den numeriska relativitetssignalen från den filtrerade signalen från detektorerna. Nedre raden: En representation av spänningsfrekvenskartan, som visar ökningen av signalens dominanta frekvens över tiden.

Vad såg LIGO-detektorerna?

Vi såg en signal som såg ut exakt som förutspått för sammanslagning av ett par svarta hål. Den relativa sträckningen av interferometern under påverkan av en gravitationsvåg visas. Den vertikala skalan är 10–21, vilket innebär att interferometerns fyra kilometer långa arm sträcks med 2,5 x 10–15 cm (de kan mäta sträckor på upp till 10–17 cm, hur fantastiskt det än kan verka). Figuren visar expansionen och sammandragningen av två detektorer (visade i olika färger) placerade på ett avstånd av 3000 km. Först är det brus, där uppenbara vågor börjar dyka upp, som kommer allt oftare, och sedan slutar abrupt. Varje våg är ett halvt varv av systemet med två svarta hål. De konvergerar snabbt, så tiden mellan topparna minskar. Den sista vågen är praktiskt taget ett svart hål, om än kraftigt deformerat.

Hur kan du, när du tittar på en bild, uppskatta massan av sammanslagna svarta hål och avståndet till dem?
Det är nödvändigt att uppskatta rotationsperioden för de sammanslagna objekten i sista stund. Vi tittar på figuren och ser att avståndet mellan de sista topparna är ungefär tio gånger mindre än mellan riskerna, det vill säga cirka 5 millisekunder. Detta är halva rotationsperioden för ett fortfarande mycket deformerat svart hål. Med vilken linjär hastighet roterar dess yta? Jämförbar med ljusets hastighet, men mindre, ungefär en tredjedel (det begränsande Kerr-hålet) - oavsett storlek.

Då blir rotationshalvcirkeln cirka 500 km, dividera med?, vi får en radie på 170 km. Radien för ett svart håls solmassa är 3 km, vilket betyder att systemets massa är cirka 60 solmassor. Faktiskt - 62. Otrolig noggrannhet, speciellt med tanke på att vi uppskattade tiden mellan topparna med ögat.

Låt oss nu försöka uppskatta avståndet. Det är lite mer komplicerat. Amplituden för en gravitationsvåg (relativ deformation av rymden) är omvänt proportionell mot avståndet till källan. Deformationen i källan är enorm, tja, inte enhet förstås, men 0,1 är ganska realistiskt (beräkningar ger exakt denna storleksordning). Vi har 10–21 (se enheter på den vertikala axeln), vilket betyder att vi är cirka 1020 gånger längre från källan än dess storlek - 170 km (se ovan). Vi får 1,7 x 107 cm x 1020 = 1,7 x 1027 cm = 0,6 gigaparsecs (faktiskt 0,4 gigaparsecs). Återigen en anmärkningsvärd träff trots att det fortfarande råder osäkerhet i orienteringen av systemets ekvatorialplan i förhållande till siktlinjen.