Теперь впервые ученые из LIGO Scientific Collaboration, в которых важную роль играют исследователи из Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института, непосредственно наблюдали рябь гравитационных волн в одном из инструментов на Земле. Тем самым они вновь убедительно подтвердили общую теорию относительности Эйнштейна и открыли новый взгляд на Вселенную.
Но это еще не все: ученые также расшифровали сигнал гравитационной волны и определили его источник. Согласно их расчетам, гравитационная волна является продуктом столкновения двух массивных черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от нас — удивительно экстремального события, которое не наблюдалось до сих пор.Исследователи зарегистрировали сигнал с помощью лазерной интерферометрической обсерватории гравитационных волн (LIGO) — двойных детекторов, тщательно сконструированных для обнаружения невероятно крошечных вибраций от проходящих гравитационных волн. Как только исследователи получили гравитационный сигнал, они преобразовали его в звуковые волны и слушали звук двух черных дыр, спиралевидно сливающихся вместе, а затем сливающихся в одну большую черную дыру.
«Мы действительно слышим, как они бьют по ночам», — говорит Мэтью Эванс, доцент физики Массачусетского технологического института. «Мы получаем сигнал, который прибывает на Землю, и мы можем передать его на динамик, и мы можем услышать, как эти черные дыры кричат:« Крик ». С этим наблюдением есть очень интуитивная связь. Вы действительно слушаете то, что раньше было чем-то фантастическим ».
Путем дальнейшего анализа гравитационного сигнала команда смогла отследить последние миллисекунды до столкновения черных дыр. Они определили, что черные дыры, в 30 раз массивнее нашего Солнца, вращались друг вокруг друга со скоростью, близкой к скорости света, прежде чем слиться в столкновении и испустить огромное количество энергии, эквивалентное примерно трем солнечным массам — согласно уравнению Эйнштейна.
E = mc2 — в виде гравитационных волн.«Большая часть этой энергии высвобождается всего за несколько десятых секунды», — говорит Питер Фритчель, главный научный сотрудник LIGO и старший научный сотрудник Института астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. «В течение очень короткого промежутка времени фактическая мощность гравитационных волн была выше, чем мощность всего света в видимой Вселенной».Затем эти волны прокатились по Вселенной, эффективно деформируя ткань пространства-времени, прежде чем пройти через Землю более миллиарда лет спустя в виде слабых следов своего прежнего, насильственного происхождения.«Это впечатляющий сигнал», — говорит Райнер Вайс, почетный профессор физики Массачусетского технологического института. «Это сигнал, который многие из нас хотели наблюдать с тех пор, как был предложен LIGO.
Он показывает динамику объектов в самых сильных гравитационных полях, которые только можно вообразить, область, в которой гравитация Ньютона вообще не работает, и нужно полностью не линейные уравнения поля Эйнштейна для объяснения этого явления. Триумф состоит в том, что измеряемая нами форма волны очень хорошо представлена ??решениями этих уравнений.
Эйнштейн прав в том режиме, в котором его теория никогда раньше не проверялась ».Новые результаты опубликованы сегодня в журнале Physical Review Letters.«Великолепно по раскладу»Первое свидетельство существования гравитационных волн было получено в 1974 году, когда физики Рассел Халс и Джозеф Тейлор обнаружили пару нейтронных звезд на расстоянии 21 000 световых лет от Земли, которые, казалось, вели себя любопытным образом.
Они пришли к выводу, что звезды вращаются вокруг друг друга таким образом, что они, должно быть, теряют энергию в виде гравитационных волн — обнаружение, за которое исследователи получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году.Теперь LIGO произвела первое прямое наблюдение гравитационных волн с помощью инструмента на Земле. Исследователи обнаружили гравитационные волны 14 сентября 2015 года в 5:51 по восточному времени с помощью двойных интерферометров LIGO, расположенных в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон.
Каждый L-образный интерферометр имеет длину 4 километра и использует лазерный свет, разделенный на два луча, которые проходят вперед и назад через каждое плечо, отражаясь между точно сконфигурированными зеркалами. Каждый луч отслеживает расстояние между этими зеркалами, которое, согласно теории Эйнштейна, будет бесконечно изменяться, когда гравитационная волна проходит мимо прибора.«Вы можете почти визуализировать это, как если бы вы уронили камень на поверхность пруда, и рябь погаснет», — говорит Нергис Малвалвала, профессор астрофизики Массачусетского технологического института Кертис и Кэтлин Марбл. «[Это] что-то, что искажает пространство-время вокруг себя, и это искажение распространяется вовне и достигает нас на Земле, сотни миллионов световых лет спустя».В марте прошлого года исследователи завершили серьезную модернизацию интерферометров, известных как Advanced LIGO, повысив чувствительность инструментов и позволив им обнаруживать изменение длины каждого плеча, менее одной десятитысячной диаметра протона.
К сентябрю они были готовы начать с ними наблюдения.«Эффект, который мы измеряем на Земле, эквивалентен измерению расстояния до ближайшей звезды, Альфы Центавра, с точностью до нескольких микрон», — говорит Эванс. «Это очень сложное измерение.
Эйнштейн ожидал, что этого никогда не произойдет».Тем не менее сигнал поступил. Используя уравнения Эйнштейна, команда проанализировала сигнал и определила, что он возник в результате столкновения двух массивных черных дыр.«Мы думали, что будет огромной проблемой доказать себе и другим, что первые несколько сигналов, которые мы увидели, были не просто случайными ударами и случайным шумом», — говорит Дэвид Шумейкер, директор лаборатории MIT LIGO. «Но природа была просто невероятно добра, послав нам сигнал, который очень большой, чрезвычайно простой для понимания и абсолютно, великолепно согласуется с теорией Эйнштейна».
Для сотен ученых LIGO это новое обнаружение гравитационных волн знаменует собой не только кульминацию многолетних поисков, но и начало нового взгляда на Вселенную.«Это действительно открывает совершенно новую область для астрофизики», — говорит Эванс. «Мы всегда смотрим в небо в телескопы и ищем электромагнитное излучение, такое как свет, радиоволны или рентгеновские лучи. Теперь гравитационные волны — это совершенно новый способ познания Вселенной вокруг нас».
Крошечное обнаружение, огромная отдачаИсследования LIGO проводятся LIGO Scientific Collaboration (LSC), группой из примерно 950 ученых в университетах США, включая Массачусетский технологический институт, и в 15 других странах. Обсерватории LIGO находятся в ведении Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института. Инструменты были впервые исследованы как средство обнаружения гравитационных волн в 1970-х годах Вайсом, который вместе с Кипом Торном и Рональдом Древером из Калифорнийского технологического института предложил LIGO в 1980-х.
«Это были 20 лет работы, а для некоторых из нас даже больше», — говорит Эванс. «Мы долгое время работали над этими детекторами, но ничего не видели. Так что это настоящая кардинальная перемена и интересная психологическая перемена для всего сотрудничества».«Этот проект представляет собой триумф исследований, финансируемых из федерального бюджета, — говорит Мария Зубер, вице-президент по исследованиям и профессор геофизики Массачусетского технологического института. «LIGO — это пример высокорисковых и высокоприбыльных инвестиций в науку, основанную на открытиях. В данном случае инвестиции были крупными и устойчивыми в течение многих лет, с далеко не гарантированным успешным результатом.
Но научная отдача складывается до быть экстраординарным. Хотя открытия, о которых здесь сообщается, уже великолепны, они представляют собой верхушку айсберга того, что мы узнаем о фундаментальной физике и природе Вселенной ».Обсерватории LIGO должны быть обновлены в ближайшем будущем. В настоящее время инструменты работают на одной трети от их прогнозируемой чувствительности.
По прогнозам Шумейкер, когда они будут полностью оптимизированы, ученые смогут обнаруживать гравитационные волны, исходящие «с края вселенной».«Через несколько лет, когда это будет полностью сдано в эксплуатацию, мы должны будем наблюдать события от самых разных объектов: черные дыры, нейтронные звезды, сверхновые, а также то, что мы еще не могли себе представить, с частотой один раз в день. или раз в неделю, в зависимости от того, сколько сюрпризов вас ждет ". Сапожник говорит. «Это наша мечта, и пока у нас нет причин знать, что это неправда».Что касается этого нового гравитационного сигнала, Вайс, который первым придумал элементарный дизайн LIGO в 1970-х годах в рамках экспериментального упражнения на одном из курсов Массачусетского технологического института, считает крошечное обнаружение огромным вознаграждением.
"Это первое реальное свидетельство того, что мы видим сейчас высокую напряженность гравитационного поля: чудовищные объекты, такие как звезды, движущиеся со скоростью света, врезаются друг в друга и заставляют геометрию пространства-времени превращаться в некое подобие стирки. машина ", — говорит Вайс. «И эта ужасно сильная штука произвела очень крошечный эффект в нашем аппарате, относительное движение от 10 до минус 18 метров между зеркалами в плечах интерферометра. Это просто невероятно».
Это исследование финансировалось Национальным научным фондом.