Содержание
Происхождение идеи
Мысль о существовании гравитационных волн берет свое начало из общей теории относительности, сформулированной Альбертом Эйнштейном.
Долгое время у человечества не было возможности проверить предположения гениального ученого: недостаточное качество технического оборудования.
Гравитационные волны были обнаружены экспериментально лишь спустя 100 лет: обсерватория LIGO зарегистрировала их.
LIGO — Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория
Что вызывает гравитационные волны?
Гравитирующие объекты способны вызвать возмущение волн в пространстве. Ярким примером является образование двойной системы черными дырами: они постепенно приближаются друг к другу, двигаясь по смертельной спирали вокруг общего центра масс. Это движение и вызывает возникновение гравитационных волн.
Черные дыры сближаются все сильнее, возмущение пространственно-временного континуума возрастает соответственно. Во время коллапса черных дыр и слияния в одну можно наблюдать мощнейшее высвобождение гравитационной энергии. Гравитационные волны распространяются даже после окончания событий, правда с меньшей амплитудой.
Амплитуда гравитационных волн
Когда ученые говорят об амплитуде гравитационной волны, то имеют ввиду меру ее интенсивности. Именно амплитуда отражает то, насколько сильно растягивается и сжимается пространство.
Стоит отметить, что амплитуда уменьшается с увеличением расстояния от катастрофического события. Уйдя в 10 раз дальше от орбиты черной дыры, гравитационные волны становятся в 10 раз слабее.
Их амплитуда и без того чрезвычайно мала: пространственно-временной континуум исключительно тяжело деформировать. Количество энергии, выделяемое для того, чтобы вызвать самое легкое нарушение, должно быть колоссальным.
Антенны Вебера
Джозеф Вебер создал первый резонансный детектор гравитационных волн: это устройство также называют антенной Вебера.
Принцип работы антенны вебера заключался в измерении размеров предмета: последовательное увеличение и уменьшение, вызванное прохождением волн. Увидеть такое крохотное изменение в размере невозможно собственными глазами, а использование приборов наподобие линейки весьма проблематично. Что же можно сделать?
Джозеф решил обратиться к собственным частотам предметов, ведь колебания на ней будут усиливаться.
Сам прибор представлял из себя алюминиевый цилиндр, подвешенный на стальной проволоке. Разумеется, частота цилиндра была заранее известна и предустановлена при его механической обработке. Вся конструкция находилась в вакуумном сосуде, а к цилиндру были подключены пьезоэлектрические датчики.
Антенны действительно получали сигналы, эксперимент продолжался, а число полученных сигналов возрастало. Возникала проблема: чувствительность прибора и количество столкновений попросту не сходились.
Другие физики стали пытаться воспроизвести полученные Вебером результаты, но их старания не были оправданны. Со временем все пришли к выводу о том, что эксперимент Джозефа провалился: в его публикациях отсутствовали критерии оценки сигналов, он слишком халатно относился к критическому анализу данных.
LIGO
LIGO является первым работающим детектором гравитационных волн: это целая обсерватория, состоящая из двух огромных лазерных установок. Установки расположены в разных штатах, но устройство их и внешний вид одинаковы.
Обе конструкции включают в себя две четырехкилометровые трубы, образующие между собой букву «L». В трубах включается лазер: на углу буквы два луча должны столкнуться. Если в устройство попадает даже мельчайшая гравитационная волна, плечи прибора изменяют свой размер, лучи не взаимоуничтожаются. В таком случае видна интерференция волн, увеличивающаяся в зависимости от степени расхождения лазерных лучей.
Разумеется, нельзя проводить такой масштабный эксперимент и не учесть влияние среды: трубки со светом лазера в обязательном порядке вакуумируют, тем самым ограждая от воздействия молекул воздуха.
К сожалению, из-за настолько тонко надстроенного оборудования работе детектора способны мешать любые вибрации, начиная от рабочих в лесу, заканчивая звуками волн океана. Для правильной работы аппарата вновь пришлось искать решение проблемы: оптические инструменты были снабжены собственными системами сейсмической изоляции.
LISA
LISA — космическая лазерная антенна-интерферометр. Данная антенна еще находится на стадии проекта, она не запущена в открытый космос, но на нее возлагают огромные надежды. В теории это будут три спутника, выведенные на солнечную орбиту. Они сформируют треугольник, будут оборудованы лазерами, обеспечивающими постоянный контакт между собой.
Надежды на LISA огромны: есть шанс того, что устройство поможет нам узнать о событиях, происходящих в первую триллионную секунды после Большого взрыва. Его цель: «уловить» гравитационные волны от этого события. Обнаружение таких гравитационных волн также сможет подтвердить или опровергнуть теорию инфляции, положения теории струн.
Вопросы
Теория инфляционного расширения Вселенной предполагает то, что гравитационные волны от Большого взрыва весьма интенсивны. Иначе быть не может: быстрое расширение молодой Вселенной должно было сопровождаться волнами именно такого характера. Если будут обнаружены более плавные гравитационные волны, это будет говорить в пользу экпиротической модели.
Это не так. Амплитуда гравитационной волны также зависит от массы черных дыр, от их ускорения при движении по орбите.
Да, есть. Это лазер, светоделитель, зеркала, детектор.
Рэй Вайсс считается основателем данного проекта. Он также приложил руку к изобретению метода лазерной интерферометрии.
Крайне редко. Если у человека получится построить суперчувствительный интерферометр, способный регистрировать выбросы гравитационных волн за десятки миллионов световых лет, есть возможность, что событие будет наблюдаться несколько раз в год.
Запуск LISA запланирован на 2037 год.
Общая теория относительности верна как минимум на 99,7%.