روز رسمی کشف (تشخیص) امواج گرانشی 11 فوریه 2016 است. سپس در یک کنفرانس مطبوعاتی در واشنگتن بود که رهبران همکاری LIGO اعلام کردند که تیمی از محققان موفق به ثبت این پدیده برای اولین بار در تاریخ بشر شده اند.
پیش‌گویی‌های اینشتین بزرگ
حتی در آغاز قرن گذشته (1916)، آلبرت انیشتین پیشنهاد کرد که امواج گرانشی در چارچوب نظریه نسبیت عام (GR) فرموله شده توسط او وجود دارد. تنها می توان از توانایی های درخشان این فیزیکدان مشهور شگفت زده شد که با حداقل داده های واقعی توانست چنین نتایج گسترده ای بگیرد. در میان بسیاری از پدیده های فیزیکی پیش بینی شده دیگر که در قرن بعد تأیید شد (کاهش جریان زمان، تغییر جهت تابش الکترومغناطیسی در میدان های گرانشی و غیره)، امکان تشخیص عملی وجود این نوع موج وجود نداشت. تعامل بدن ها تا همین اواخر.
گرانش یک توهم است؟
به طور کلی، در نورنظریه نسبیت به سختی می تواند گرانش را یک نیرو بنامد. این نتیجه اغتشاش یا انحنای پیوستار فضا-زمان است. یک مثال خوب که این اصل را نشان می دهد، یک تکه پارچه کشیده است. زیر وزن جسم عظیمی که روی چنین سطحی قرار می گیرد، یک فرورفتگی ایجاد می شود. سایر اجسام که در نزدیکی این ناهنجاری حرکت می کنند، مسیر حرکت خود را تغییر می دهند، گویی "جذب شده اند". و هر چه وزن جسم بیشتر باشد (قطر و عمق انحنای آن بیشتر باشد)، "نیروی جذب" بیشتر است. هنگامی که در پارچه حرکت می کند، می توانید ظاهر یک "موج واگرا" را مشاهده کنید.
چیزی مشابه در فضای جهان اتفاق می افتد. هر ماده عظیمی که به سرعت در حال حرکت است، منبع نوسانات در چگالی فضا و زمان است. یک موج گرانشی با دامنه قابل توجه، که توسط اجسامی با جرم بسیار زیاد یا هنگام حرکت با شتاب های عظیم تشکیل می شود.
ویژگی های فیزیکی
نوسانات متریک فضا-زمان خود را به صورت تغییرات در میدان گرانشی نشان می دهد. این پدیده در غیر این صورت امواج فضا-زمان نامیده می شود. موج گرانشی بر روی اجسام و اجسام برخورد شده اثر می گذارد و آنها را فشرده و کشیده می کند. مقادیر تغییر شکل بسیار کوچک هستند - حدود 10-21 از اندازه اصلی. تمام دشواری تشخیص این پدیده این بود که محققان باید یاد می گرفتند که چگونه چنین تغییراتی را با کمک تجهیزات مناسب اندازه گیری و ثبت کنند. قدرت تابش گرانشی نیز بسیار کم است - برای کل منظومه شمسی این چنین استچند کیلووات.
سرعت انتشار امواج گرانشی اندکی به خواص محیط رسانا بستگی دارد. دامنه نوسان با فاصله از منبع به تدریج کاهش می یابد، اما هرگز به صفر نمی رسد. فرکانس در محدوده چند ده تا صدها هرتز قرار دارد. سرعت امواج گرانشی در محیط بین ستاره ای به سرعت نور نزدیک می شود.
شواهد غیرمستقیم
برای اولین بار، تأیید نظری وجود امواج گرانشی توسط جوزف تیلور، ستاره شناس آمریکایی و دستیارش راسل هالس در سال 1974 به دست آمد. محققان با مطالعه وسعت کیهان با استفاده از تلسکوپ رادیویی رصدخانه آرسیبو (پورتوریکو)، تپ اختر PSR B1913 + 16 را کشف کردند که یک سیستم دوتایی از ستارگان نوترونی است که به دور یک مرکز جرم مشترک با سرعت زاویه ای ثابت می چرخند. یک مورد نسبتا نادر). هر سال، دوره انقلاب که در ابتدا 3.75 ساعت بود، 70 میلی ثانیه کاهش می یابد. این مقدار کاملاً با نتیجه گیری از معادلات GR که افزایش سرعت چرخش چنین سیستم هایی را به دلیل صرف انرژی برای تولید امواج گرانشی پیش بینی می کند مطابقت دارد. پس از آن، چندین تپ اختر دوتایی و کوتوله سفید با رفتار مشابه کشف شد. اخترشناسان رادیویی D. Taylor و R. Hulse در سال 1993 به دلیل کشف امکانات جدید برای مطالعه میدان های گرانشی جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند.
موج گریز از جاذبه
اولین بیانیه دربارهتشخیص امواج گرانشی توسط دانشمند دانشگاه مریلند جوزف وبر (ایالات متحده آمریکا) در سال 1969 انجام شد. او برای این منظور از دو آنتن گرانشی طراحی خود استفاده کرد که با فاصله دو کیلومتری از هم فاصله داشتند. آشکارساز تشدید یک استوانه آلومینیومی یک تکه دو متری با ارتعاش خوب مجهز به حسگرهای پیزوالکتریک حساس بود. دامنه نوساناتی که ادعا می شود توسط وبر ثبت شده است بیش از یک میلیون بار بیشتر از مقدار مورد انتظار است. تلاش دانشمندان دیگر با استفاده از چنین تجهیزاتی برای تکرار "موفقیت" فیزیکدان آمریکایی نتایج مثبتی به همراه نداشت. چند سال بعد، کار وبر در این زمینه غیرقابل دفاع شناخته شد، اما انگیزه ای برای توسعه "رونق گرانشی" ایجاد کرد که متخصصان بسیاری را به این حوزه تحقیقاتی جذب کرد. به هر حال، خود جوزف وبر تا پایان روزگارش مطمئن بود که امواج گرانشی دریافت می کند.
بهبود تجهیزات دریافت
در دهه ۷۰، دانشمند بیل فیربانک (ایالات متحده آمریکا) طراحی یک آنتن موج گرانشی را که توسط هلیوم مایع خنک می‌شود، با استفاده از SQUIDs - مغناطیس‌سنج‌های فوق حساس، توسعه داد. فناوری هایی که در آن زمان وجود داشت به مخترع اجازه نمی داد محصول خود را که در "فلز" تحقق یافته است ببیند.
آشکارساز گرانشی Auriga به این روش در آزمایشگاه ملی لگنارد (پادوآ، ایتالیا) ساخته شد. طراحی بر اساس استوانه آلومینیوم منیزیم به طول 3 متر و قطر 0.6 متر است. دستگاه گیرنده با وزن 2.3 تنمعلق در یک محفظه خلاء ایزوله که تقریباً تا صفر مطلق خنک شده است. برای تثبیت و تشخیص ارتعاشات از یک تشدیدگر کمکی کیلوگرم و یک مجتمع اندازه گیری کامپیوتری استفاده می شود. حساسیت تجهیزات اعلام شده 10-20.
تداخل سنج
عملکرد آشکارسازهای تداخل امواج گرانشی بر اساس همان اصول تداخل سنج مایکلسون است. پرتو لیزر ساطع شده از منبع به دو جریان تقسیم می شود. پس از بازتاب های متعدد و حرکت در امتداد شانه های دستگاه، جریان ها دوباره به هم نزدیک می شوند و از تصویر تداخل نهایی برای قضاوت در مورد اینکه آیا هرگونه اغتشاش (مثلاً یک موج گرانشی) بر مسیر پرتوها تأثیر گذاشته است استفاده می شود. تجهیزات مشابه در بسیاری از کشورها ایجاد شده است:
- GEO 600 (هانوفر، آلمان). طول تونل های خلاء 600 متر است.
- TAMA (ژاپن) 300 متر شانه
- VIRGO (پیزا، ایتالیا) یک پروژه مشترک فرانسوی-ایتالیایی است که در سال 2007 با تونل های 3 کیلومتری راه اندازی شد.
- LIGO (ایالات متحده، ساحل اقیانوس آرام)، شکار امواج گرانشی از سال 2002.
آخری ارزش بررسی جزئیات بیشتری را دارد.
LIGO پیشرفته
این پروژه توسط دانشمندانی از موسسه فناوری ماساچوست و موسسه فناوری کالیفرنیا آغاز شد. شامل دو رصدخانه به فاصله 3 هزار کیلومتر، در ایالت های لوئیزیانا و واشنگتن (شهرهای لیوینگستون و هانفورد) با سه تداخل سنج یکسان. طول خلاء عمود برتونل 4 هزار متر است. اینها بزرگترین چنین سازه هایی هستند که در حال حاضر در حال فعالیت هستند. تا سال 2011، تلاش های متعدد برای تشخیص امواج گرانشی هیچ نتیجه ای به همراه نداشت. نوسازی قابل توجه انجام شده (Advanced LIGO) حساسیت تجهیزات را در محدوده 300-500 هرتز بیش از پنج برابر افزایش داد و در منطقه فرکانس پایین (تا 60 هرتز) تقریباً یک مرتبه بزرگی را افزایش داد. چنین مقدار مطلوب 10-21. پروژه به روز شده در سپتامبر 2015 شروع شد و تلاش بیش از هزار همکار به نتیجه رسید.
امواج گرانشی شناسایی شد
در 14 سپتامبر 2015، آشکارسازهای پیشرفته LIGO با فاصله 7 میلی ثانیه امواج گرانشی را ثبت کردند که از بزرگترین پدیده ای که در حومه کیهان قابل مشاهده رخ داد - ادغام دو سیاهچاله بزرگ با جرم - به سیاره ما رسیدند. 29 و 36 برابر جرم خورشید. در طی این فرآیند که بیش از 1.3 میلیارد سال پیش انجام شد، حدود سه جرم خورشیدی در کسری از ثانیه صرف تابش امواج گرانشی شد. فرکانس اولیه امواج گرانشی 35 هرتز ثبت شد و حداکثر مقدار پیک به 250 هرتز رسید.
نتایج به‌دست‌آمده بارها و بارها تحت بررسی و پردازش جامع قرار گرفتند، تفسیرهای جایگزین داده‌های به‌دست‌آمده با دقت قطع شد. سرانجام در 11 فوریه سال گذشته ثبت مستقیم پدیده پیش بینی شده توسط اینشتین به جامعه جهانی اعلام شد.
واقعیتی که کار تایتانیک محققان را نشان می دهد: دامنه نوسانات در ابعاد بازوهای تداخل سنج 10-19m بود - این مقدار بسیار کوچکتر از قطر است. یک اتم کوچکتر از پرتقال است.
چشم انداز بیشتر
این کشف بار دیگر تأیید می کند که نظریه نسبیت عام فقط مجموعه ای از فرمول های انتزاعی نیست، بلکه نگاهی اساساً جدید به ماهیت امواج گرانشی و به طور کلی گرانش است.
در تحقیقات بیشتر، دانشمندان امید زیادی به پروژه ELSA دارند: ایجاد یک تداخل سنج مداری غول پیکر با بازوهایی به طول حدود 5 میلیون کیلومتر، که قادر به تشخیص حتی اغتشاشات جزئی میدان های گرانشی است. تشدید کار در این جهت می تواند در مورد مراحل اصلی توسعه کیهان، در مورد فرآیندهایی که مشاهده آنها در باندهای سنتی دشوار یا غیرممکن است، چیزهای زیادی بگوید. شکی نیست که سیاهچاله ها که امواج گرانشی آنها در آینده ثابت خواهند شد، چیزهای زیادی در مورد ماهیت آنها خواهند گفت.
برای مطالعه تابش گرانشی باقیمانده، که می تواند در مورد اولین لحظات جهان ما پس از انفجار بزرگ بگوید، به ابزارهای فضایی حساس تری نیاز است. چنین پروژه ای وجود دارد (بیگ بنگ آبزرور)، اما اجرای آن، به گفته کارشناسان، زودتر از 30-40 سال آینده امکان پذیر نیست.
