გრავიტაციული ტალღების აღმოჩენის (გამოვლენის) ოფიციალური დღეა 2016 წლის 11 თებერვალი. სწორედ მაშინ, ვაშინგტონში გამართულ პრესკონფერენციაზე, LIGO თანამშრომლობის ლიდერებმა განაცხადეს, რომ მკვლევართა ჯგუფმა მოახერხა ამ ფენომენის ჩაწერა პირველად კაცობრიობის ისტორიაში.
წინასწარმეტყველებები დიდი აინშტაინის
თუნდაც გასული საუკუნის დასაწყისში (1916 წ.) ალბერტ აინშტაინმა გამოთქვა ვარაუდი, რომ გრავიტაციული ტალღები არსებობს მის მიერ ჩამოყალიბებული ფარდობითობის ზოგადი თეორიის (GR) ფარგლებში. მხოლოდ გაოცება შეიძლება ცნობილი ფიზიკოსის ბრწყინვალე შესაძლებლობებით, რომელმაც მინიმალური რეალური მონაცემებით შეძლო ასეთი შორს მიმავალი დასკვნების გაკეთება. ბევრ სხვა წინასწარმეტყველურ ფიზიკურ მოვლენას შორის, რომლებიც დადასტურდა მომდევნო საუკუნეში (დროის დინების შენელება, გრავიტაციულ ველებში ელექტრომაგნიტური გამოსხივების მიმართულების შეცვლა და ა.შ.), პრაქტიკულად შეუძლებელი გახდა ამ ტიპის ტალღის არსებობა. სხეულების ურთიერთქმედება ბოლო დრომდე.
გრავიტაცია არის ილუზია?
ზოგადად, სინათლეშიფარდობითობის თეორიას ძნელად შეუძლია სიმძიმის ძალა უწოდოს. ეს არის სივრც-დროის კონტინიუმის აშლილობის ან გამრუდების შედეგი. ამ პოსტულატის საილუსტრაციოდ კარგი მაგალითია გაჭიმული ქსოვილის ნაჭერი. ასეთ ზედაპირზე მოთავსებული მასიური ობიექტის წონის ქვეშ წარმოიქმნება ჩაღრმავება. სხვა ობიექტები, რომლებიც მოძრაობენ ამ ანომალიასთან ახლოს, შეცვლიან მათი მოძრაობის ტრაექტორიას, თითქოს „მოიზიდონ“. და რაც უფრო დიდია ობიექტის წონა (რაც უფრო დიდია მრუდის დიამეტრი და სიღრმე), მით უფრო მაღალია „მიზიდვის ძალა“. როდესაც ის მოძრაობს ქსოვილში, შეგიძლიათ დააკვირდეთ განსხვავებული "ტალღის" გამოჩენას.
მსგავსი რამ ხდება მსოფლიო სივრცეში. ნებისმიერი სწრაფად მოძრავი მასიური მატერია არის სივრცისა და დროის სიმკვრივის რყევების წყარო. გრავიტაციული ტალღა მნიშვნელოვანი ამპლიტუდით, რომელიც წარმოიქმნება უკიდურესად დიდი მასის მქონე სხეულებით ან უზარმაზარი აჩქარებით მოძრაობისას.
ფიზიკური მახასიათებლები
სივრცე-დროის მეტრიკის რყევები ვლინდება გრავიტაციულ ველში ცვლილებებით. ამ ფენომენს სხვაგვარად უწოდებენ სივრცე-დროის ტალღებს. გრავიტაციული ტალღა მოქმედებს შემხვედრ სხეულებსა და ობიექტებზე, აკუმშავს და აჭიმავს მათ. დეფორმაციის მნიშვნელობები ძალიან მცირეა - დაახლოებით 10-21 საწყისი ზომიდან. ამ ფენომენის გამოვლენის მთელი სირთულე იმაში მდგომარეობდა, რომ მკვლევარებს უნდა ესწავლათ, როგორ გაეზომათ და ჩაეწერათ ასეთი ცვლილებები შესაბამისი აღჭურვილობის დახმარებით. გრავიტაციული გამოსხივების ძალა ასევე ძალიან მცირეა - ეს არის მთელი მზის სისტემისთვისრამდენიმე კილოვატი.
გრავიტაციული ტალღების გავრცელების სიჩქარე ოდნავ დამოკიდებულია გამტარ საშუალების თვისებებზე. რხევის ამპლიტუდა თანდათან მცირდება წყაროდან დაშორებით, მაგრამ არასოდეს აღწევს ნულს. სიხშირე მერყეობს რამდენიმე ათეულიდან ასობით ჰერცამდე. გრავიტაციული ტალღების სიჩქარე ვარსკვლავთშორის გარემოში უახლოვდება სინათლის სიჩქარეს.
გარკვეული მტკიცებულება
პირველად გრავიტაციული ტალღების არსებობის თეორიული დადასტურება მიიღეს ამერიკელმა ასტრონომმა ჯოზეფ ტეილორმა და მისმა თანაშემწემ რასელ ჰულსმა 1974 წელს. არესიბოს ობსერვატორიის (პუერტო რიკო) რადიოტელესკოპის გამოყენებით სამყაროს სივრცის შესწავლისას მკვლევარებმა აღმოაჩინეს პულსარი PSR B1913 + 16, რომელიც არის ნეიტრონული ვარსკვლავების ორობითი სისტემა, რომელიც ბრუნავს მასის საერთო ცენტრის გარშემო მუდმივი კუთხური სიჩქარით. საკმაოდ იშვიათი შემთხვევა). ყოველწლიურად, რევოლუციის პერიოდი, რომელიც თავდაპირველად იყო 3,75 საათი, მცირდება 70 ms-ით. ეს მნიშვნელობა საკმაოდ შეესაბამება GR განტოლებების დასკვნებს, რომლებიც წინასწარმეტყველებენ ასეთი სისტემების ბრუნვის სიჩქარის ზრდას გრავიტაციული ტალღების წარმოქმნისთვის ენერგიის დახარჯვის გამო. შემდგომში აღმოაჩინეს რამდენიმე ორმაგი პულსარი და მსგავსი ქცევის თეთრი ჯუჯა. რადიოასტრონომებს დ.ტეილორს და რ.ჰულსს მიენიჭათ ნობელის პრემია ფიზიკაში 1993 წელს გრავიტაციული ველების შესწავლის ახალი შესაძლებლობების აღმოჩენისთვის.
გადაქცეული გრავიტაციის ტალღა
პირველი განცხადება შესახებგრავიტაციული ტალღების აღმოჩენა მოვიდა მერილენდის უნივერსიტეტის მეცნიერმა ჯოზეფ ვებერმა (აშშ) 1969 წელს. ამ მიზნებისთვის მან გამოიყენა საკუთარი დიზაინის ორი გრავიტაციული ანტენა, რომლებიც ერთმანეთისგან ორი კილომეტრით იყო დაშორებული. რეზონანსული დეტექტორი იყო კარგად ვიბრირებული ორმეტრიანი ალუმინის ცილინდრი, რომელიც აღჭურვილი იყო მგრძნობიარე პიეზოელექტრული სენსორებით. ვებერის მიერ სავარაუდოდ ჩაწერილი რყევების ამპლიტუდა მილიონჯერ მეტი აღმოჩნდა მოსალოდნელ მნიშვნელობაზე. სხვა მეცნიერების მცდელობებმა, რომლებიც გამოიყენეს ასეთი აღჭურვილობით, გაემეორებინათ ამერიკელი ფიზიკოსის „წარმატება“, დადებითი შედეგი არ გამოიღო. რამდენიმე წლის შემდეგ, ვებერის მუშაობა ამ სფეროში აღიარებულ იქნა, როგორც დაუსაბუთებელი, მაგრამ ბიძგი მისცა "გრავიტაციული ბუმის" განვითარებას, რამაც მრავალი სპეციალისტი მიიპყრო კვლევის ამ სფეროში. სხვათა შორის, თავად ჯოზეფ ვებერი სიცოცხლის ბოლომდე დარწმუნებული იყო, რომ გრავიტაციული ტალღები მიიღო.
მიმღები აღჭურვილობის გაუმჯობესება
70-იან წლებში მეცნიერმა ბილ ფეირბანკმა (აშშ) შეიმუშავა გრავიტაციული ტალღის ანტენის დიზაინი, რომელიც გაგრილებულია თხევადი ჰელიუმით SQUID-ების - სუპერმგრძნობიარე მაგნიტომეტრების გამოყენებით. იმდროინდელი ტექნოლოგიები არ აძლევდა საშუალებას გამომგონებელს ენახა თავისი „მეტალში“რეალიზებული პროდუქტი.
გრავიტაციული დეტექტორი Auriga დამზადდა ამ გზით ეროვნულ ლეგნარდის ლაბორატორიაში (პადუა, იტალია). დიზაინი დაფუძნებულია ალუმინის-მაგნიუმის ცილინდრზე 3 მეტრი სიგრძისა და 0.6 მ დიამეტრის მიმღები მოწყობილობა 2.3 ტონას იწონის.შეჩერებულია იზოლირებულ ვაკუუმ კამერაში, გაცივებულ თითქმის აბსოლუტურ ნულამდე. ვიბრაციის დასაფიქსირებლად და გამოსავლენად გამოიყენება დამხმარე კილოგრამის რეზონატორი და კომპიუტერზე დაფუძნებული საზომი კომპლექსი. დეკლარირებული აღჭურვილობის მგრძნობელობა 10-20.
ინტერფერომეტრები
გრავიტაციული ტალღების ჩარევის დეტექტორების მოქმედება ეფუძნება იმავე პრინციპებს, როგორც მაიკელსონის ინტერფერომეტრი. წყაროს მიერ გამოსხივებული ლაზერის სხივი იყოფა ორ ნაკადად. მოწყობილობის მხრების გასწვრივ მრავალჯერადი არეკვლისა და მოგზაურობის შემდეგ, ნაკადები კვლავ გაერთიანებულია და საბოლოო ჩარევის გამოსახულება გამოიყენება იმის დასადგენად, გავლენა მოახდინა თუ არა რაიმე დარღვევამ (მაგალითად, გრავიტაციულმა ტალღამ) სხივების მიმდინარეობაზე. მსგავსი აღჭურვილობა შეიქმნა ბევრ ქვეყანაში:
- GEO 600 (ჰანოვერი, გერმანია). ვაკუუმური გვირაბების სიგრძე 600 მეტრია.
- TAMA (იაპონია) 300მ მხრები
- VIRGO (პიზა, იტალია) არის ერთობლივი ფრანკო-იტალიური პროექტი, რომელიც დაიწყო 2007 წელს 3 კილომეტრიანი გვირაბებით.
- LIGO (აშშ, წყნარი ოკეანის სანაპირო), ნადირობს გრავიტაციულ ტალღებზე 2002 წლიდან.
ბოლო ღირს უფრო დეტალურად განხილვა.
LIGO გაფართოებული
პროექტი ინიცირებული იყო მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტისა და კალიფორნიის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის მეცნიერების მიერ. მოიცავს ორ ობსერვატორიას ერთმანეთისგან 3 ათასი კილომეტრით, ლუიზიანასა და ვაშინგტონის შტატებში (ქალები ლივინგსტონი და ჰენფორდი) სამი იდენტური ინტერფერომეტრით. პერპენდიკულარული ვაკუუმის სიგრძეგვირაბები 4 ათასი მეტრია. ეს არის ყველაზე დიდი ასეთი სტრუქტურები, რომლებიც ამჟამად ფუნქციონირებს. 2011 წლამდე გრავიტაციული ტალღების აღმოჩენის მრავალრიცხოვანმა მცდელობამ შედეგი არ მოიტანა. განხორციელებულმა მნიშვნელოვანმა მოდერნიზაციამ (Advanced LIGO) გაზარდა აღჭურვილობის მგრძნობელობა 300-500 ჰც დიაპაზონში ხუთჯერ მეტჯერ, ხოლო დაბალი სიხშირის რეგიონში (60 ჰც-მდე) თითქმის სიდიდის ბრძანებით, მიაღწია ასეთი სასურველი მნიშვნელობა 10-21. განახლებული პროექტი 2015 წლის სექტემბერში დაიწყო და ათასზე მეტი თანამშრომლის ძალისხმევა დაჯილდოვდა შედეგით.
აღმოჩენილია გრავიტაციის ტალღები
2015 წლის 14 სექტემბერს, LIGO-ს მოწინავე დეტექტორებმა 7 ms ინტერვალით დააფიქსირეს გრავიტაციული ტალღები, რომლებიც ჩვენს პლანეტას მიაღწიეს დაკვირვებადი სამყაროს გარეუბანში მომხდარი უდიდესი ფენომენიდან - ორი დიდი შავი ხვრელის შერწყმა მასებთან. 29 და 36-ჯერ აღემატება მზის მასას. პროცესის დროს, რომელიც მოხდა 1,3 მილიარდ წელზე მეტი ხნის წინ, მატერიის დაახლოებით სამი მზის მასა დაიხარჯა გრავიტაციული ტალღების გამოსხივებაზე წამის ნაწილებში. გრავიტაციული ტალღების საწყისი სიხშირე დაფიქსირდა 35 ჰც, ხოლო მაქსიმალური პიკური სიდიდე 250 ჰც-ს მიაღწია.
მიღებული შედეგები არაერთხელ დაექვემდებარა ყოვლისმომცველ შემოწმებას და დამუშავებას, მიღებული მონაცემების ალტერნატიული ინტერპრეტაციები საგულდაგულოდ იყო შეწყვეტილი. საბოლოოდ, გასული წლის 11 თებერვალს მსოფლიო საზოგადოებას გამოუცხადა აინშტაინის მიერ ნაწინასწარმეტყველები ფენომენის პირდაპირი რეგისტრაცია.
ფაქტი, რომელიც ასახავს მკვლევართა ტიტანურ მუშაობას: ინტერფერომეტრის მკლავების ზომების რყევების ამპლიტუდა იყო 10-19მ - ეს მნიშვნელობა ისეთივე მცირეა, ვიდრე დიამეტრი. ატომი, რადგან ის უფრო პატარაა ვიდრე ფორთოხალი.
შემდეგი პერსპექტივები
აღმოჩენა კიდევ ერთხელ ადასტურებს, რომ ფარდობითობის ზოგადი თეორია არ არის მხოლოდ აბსტრაქტული ფორმულების ერთობლიობა, არამედ ფუნდამენტურად ახალი ხედვა გრავიტაციული ტალღებისა და ზოგადად გრავიტაციის არსზე.
შემდეგ კვლევებში მეცნიერებს დიდი იმედი აქვთ ELSA-ს პროექტზე: გიგანტური ორბიტალური ინტერფერომეტრის შექმნა დაახლოებით 5 მილიონი კმ სიგრძით, რომელსაც შეუძლია აღმოაჩინოს გრავიტაციული ველების მცირე არეულობაც კი. ამ მიმართულებით მუშაობის გააქტიურებამ შეიძლება ბევრი რამ თქვას სამყაროს განვითარების ძირითად ეტაპებზე, პროცესებზე, რომელთა დაკვირვებაც რთული ან შეუძლებელია ტრადიციულ ჯგუფში. ეჭვგარეშეა, რომ შავი ხვრელები, რომელთა გრავიტაციული ტალღები მომავალში დაფიქსირდება, ბევრ რამეს გეტყვით მათ ბუნებაზე.
რელიქტური გრავიტაციული გამოსხივების შესასწავლად, რომელსაც შეუძლია თქვას ჩვენი სამყაროს პირველი მომენტების შესახებ დიდი აფეთქების შემდეგ, უფრო მგრძნობიარე კოსმოსური ინსტრუმენტები იქნება საჭირო. ასეთი პროექტი არსებობს (Big Bang Observer), მაგრამ მისი განხორციელება, ექსპერტების აზრით, შესაძლებელია არა უადრეს 30-40 წელიწადში.
