Oficiálnym dňom objavenia (detekcie) gravitačných vĺn je 11. február 2016. Práve vtedy na tlačovej konferencii vo Washingtone vedúci predstavitelia spolupráce LIGO oznámili, že tímu výskumníkov sa podarilo prvýkrát v histórii ľudstva zaznamenať tento fenomén.
Proroctvá o veľkom Einsteinovi
Ešte na začiatku minulého storočia (1916) Albert Einstein navrhol, že gravitačné vlny existujú v rámci ním formulovanej Všeobecnej teórie relativity (GR). Možno len žasnúť nad brilantnými schopnosťami slávneho fyzika, ktorý s minimom reálnych údajov dokázal vyvodiť také ďalekosiahle závery. Spomedzi mnohých ďalších predpovedaných fyzikálnych javov, ktoré sa potvrdili v nasledujúcom storočí (spomalenie toku času, zmena smeru elektromagnetického žiarenia v gravitačných poliach a pod.), nebolo možné prakticky zistiť prítomnosť tohto typu vĺn. interakcia telies až donedávna.
Gravitácia je ilúzia?
Vo všeobecnosti vo svetleTeória relativity môže len ťažko nazvať gravitáciu silou. Je to dôsledok narušenia alebo zakrivenia časopriestorového kontinua. Dobrým príkladom ilustrujúcim tento postulát je natiahnutý kus látky. Pod váhou masívneho predmetu umiestneného na takomto povrchu sa vytvorí vybranie. Ostatné objekty pohybujúce sa v blízkosti tejto anomálie zmenia trajektóriu svojho pohybu, akoby boli „priťahované“. A čím väčšia je hmotnosť predmetu (čím väčší je priemer a hĺbka zakrivenia), tým vyššia je „sila príťažlivosti“. Keď sa pohybuje cez látku, môžete pozorovať vzhľad divergentného "vlnenia".
Niečo podobné sa deje vo svetovom priestore. Akákoľvek rýchlo sa pohybujúca hmota je zdrojom kolísania hustoty priestoru a času. Gravitačná vlna s výraznou amplitúdou, tvorená telesami s extrémne veľkými hmotnosťami alebo pri pohybe s obrovskými zrýchleniami.
Fyzické vlastnosti
Fuktuácie časopriestorovej metriky sa prejavujú ako zmeny v gravitačnom poli. Tento jav sa inak nazýva časopriestorové vlnenie. Gravitačná vlna pôsobí na narazené telesá a predmety, pričom ich stláča a naťahuje. Hodnoty deformácie sú veľmi malé - asi 10-21 od pôvodnej veľkosti. Celý problém detekcie tohto javu spočíval v tom, že výskumníci sa museli naučiť merať a zaznamenávať takéto zmeny pomocou vhodného vybavenia. Sila gravitačného žiarenia je tiež extrémne malá - pre celú slnečnú sústavu ánoniekoľko kilowattov.
Rýchlosť šírenia gravitačných vĺn mierne závisí od vlastností vodivého média. Amplitúda kmitov postupne klesá so vzdialenosťou od zdroja, ale nikdy nedosiahne nulu. Frekvencia sa pohybuje v rozmedzí od niekoľkých desiatok do stoviek hertzov. Rýchlosť gravitačných vĺn v medzihviezdnom prostredí sa blíži rýchlosti svetla.
Nepriame dôkazy
Po prvýkrát teoretické potvrdenie existencie gravitačných vĺn získal americký astronóm Joseph Taylor a jeho asistent Russell Hulse v roku 1974. Štúdiom rozlohy vesmíru pomocou rádioteleskopu observatória Arecibo (Portoriko) vedci objavili pulzar PSR B1913 + 16, čo je binárny systém neutrónových hviezd rotujúcich okolo spoločného ťažiska s konštantnou uhlovou rýchlosťou (pomerne zriedkavý prípad). Každý rok sa doba otáčania, ktorá bola pôvodne 3,75 hodiny, skráti o 70 ms. Táto hodnota je celkom v súlade so závermi z rovníc GR, ktoré predpovedajú zvýšenie rýchlosti rotácie takýchto systémov v dôsledku spotreby energie na generovanie gravitačných vĺn. Následne bolo objavených niekoľko dvojitých pulzarov a bielych trpaslíkov s podobným správaním. Rádioastronómovia D. Taylor a R. Hulse získali v roku 1993 Nobelovu cenu za fyziku za objavenie nových možností štúdia gravitačných polí.
Uniknutá gravitačná vlna
Prvé vyhlásenie odetekciu gravitačných vĺn priniesol vedec Joseph Weber (USA) z University of Maryland v roku 1969. Na tieto účely použil dve gravitačné antény vlastnej konštrukcie, vzdialené od seba dva kilometre. Rezonančný detektor bol dobre rozvibrovaný jednodielny dvojmetrový hliníkový valec vybavený citlivými piezoelektrickými snímačmi. Amplitúda výkyvov, ktoré údajne zaznamenal Weber, sa ukázala byť viac ako miliónkrát vyššia ako očakávaná hodnota. Pokusy iných vedcov pomocou takéhoto zariadenia zopakovať „úspech“amerického fyzika nepriniesli pozitívne výsledky. O niekoľko rokov neskôr bola Weberova práca v tejto oblasti uznaná ako neudržateľná, ale dala impulz k rozvoju „gravitačného boomu“, ktorý prilákal do tejto oblasti výskumu mnohých odborníkov. Mimochodom, sám Joseph Weber si bol až do konca svojich dní istý, že prijíma gravitačné vlny.
Zlepšenie prijímacieho zariadenia
V 70-tych rokoch vedec Bill Fairbank (USA) vyvinul dizajn gravitačnej vlnovej antény chladenej tekutým héliom pomocou SQUID - supercitlivých magnetometrov. Technológie, ktoré v tom čase existovali, neumožnili vynálezcovi vidieť jeho produkt realizovaný v „kove“.
Gravitačný detektor Auriga bol vyrobený týmto spôsobom v Národnom laboratóriu Legnard (Padua, Taliansko). Konštrukcia je založená na hliníkovo-horčíkovom valci s dĺžkou 3 metre a priemerom 0,6 m. Prijímacie zariadenie s hmotnosťou 2,3 tonysuspendované v izolovanej vákuovej komore ochladenej takmer na absolútnu nulu. Na fixáciu a detekciu vibrácií sa používa pomocný kilogramový rezonátor a počítačový merací komplex. Deklarovaná citlivosť zariadenia 10-20.
Interferometre
Prevádzka interferenčných detektorov gravitačných vĺn je založená na rovnakých princípoch ako Michelsonov interferometer. Laserový lúč vyžarovaný zdrojom je rozdelený do dvoch prúdov. Po viacnásobných odrazoch a pohyboch pozdĺž ramien zariadenia sa prúdy opäť spoja a konečný interferenčný obraz sa použije na posúdenie, či nejaké poruchy (napríklad gravitačná vlna) ovplyvnili priebeh lúčov. Podobné vybavenie bolo vytvorené v mnohých krajinách:
- GEO 600 (Hannover, Nemecko). Dĺžka vákuových tunelov je 600 metrov.
- TAMA (Japonsko) 300 m ramená
- VIRGO (Pisa, Taliansko) je spoločný francúzsko-taliansky projekt spustený v roku 2007 s 3 km tunelmi.
- LIGO (USA, tichomorské pobrežie), lov gravitačných vĺn od roku 2002.
To posledné stojí za zváženie podrobnejšie.
LIGO Advanced
Projekt iniciovali vedci z Massachusetts Institute of Technology a California Institute of Technology. Zahŕňa dve observatóriá vzdialené 3 000 km, v štátoch Louisiana a Washington (mestá Livingston a Hanford) s tromi rovnakými interferometrami. Dĺžka kolmého vákuatunelov je 4 tisíc metrov. Ide o najväčšie takéto stavby, ktoré sú v súčasnosti v prevádzke. Do roku 2011 početné pokusy o detekciu gravitačných vĺn nepriniesli žiadne výsledky. Uskutočnená výrazná modernizácia (Advanced LIGO) zvýšila citlivosť zariadenia v rozsahu 300-500 Hz viac ako päťnásobne a v oblasti nízkych frekvencií (do 60 Hz) takmer o jeden rád. takú vytúženú hodnotu 10-21. Aktualizovaný projekt sa začal v septembri 2015 a úsilie viac ako tisícky spolupracovníkov bolo odmenené výsledkami.
Rozpoznali sa gravitačné vlny
Pokročilé detektory LIGO s intervalom 7 ms zaznamenali 14. septembra 2015 gravitačné vlny, ktoré sa dostali na našu planétu z najväčšieho úkazu, ktorý sa vyskytol na okraji pozorovateľného vesmíru - zlúčenie dvoch veľkých čiernych dier s hmotnosťou 29 a 36-násobok hmotnosti Slnka. Počas procesu, ku ktorému došlo pred viac ako 1,3 miliardami rokov, sa na vyžarovanie gravitačných vĺn v priebehu zlomkov sekundy minuli asi tri slnečné hmoty hmoty. Počiatočná frekvencia gravitačných vĺn bola zaznamenaná ako 35 Hz a maximálna vrcholová hodnota dosiahla 250 Hz.
Získané výsledky boli opakovane podrobované komplexnému overovaniu a spracovaniu, alternatívne interpretácie získaných údajov boli starostlivo odrezané. Napokon, 11. februára minulého roku bola svetovému spoločenstvu oznámená priama registrácia javu predpovedaného Einsteinom.
Fakt ilustrujúci titánsku prácu výskumníkov: amplitúda fluktuácií v rozmeroch ramien interferometra bola 10-19m – táto hodnota je oveľa menšia ako priemer atóm, pretože je menší ako pomaranč.
Ďalšie vyhliadky
Objav opäť potvrdzuje, že Všeobecná teória relativity nie je len súborom abstraktných vzorcov, ale zásadne novým pohľadom na podstatu gravitačných vĺn a gravitácie všeobecne.
V ďalšom výskume vedci vkladajú veľké nádeje do projektu ELSA: vytvorenie obrovského orbitálneho interferometra s ramenami dlhými asi 5 miliónov km, schopného odhaliť aj menšie poruchy gravitačných polí. Zintenzívnenie práce v tomto smere môže veľa napovedať o hlavných etapách vývoja Vesmíru, o procesoch, ktoré je v tradičných pásmach ťažko až nemožné pozorovať. Niet pochýb o tom, že čierne diery, ktorých gravitačné vlny budú v budúcnosti fixované, prezradia veľa o ich povahe.
Na štúdium reliktného gravitačného žiarenia, ktoré môže vypovedať o prvých momentoch nášho sveta po Veľkom tresku, budú potrebné citlivejšie vesmírne prístroje. Takýto projekt existuje (Big Bang Observer), ale jeho realizácia je podľa odborníkov možná najskôr o 30-40 rokov.
