Пророцтва великого Ейнштейна
Про те, що гравітаційні хвилі існують, ще на початку минулого століття (1916) припустив Альберт Ейнштейн у рамках сформульованої ним Загальної теорії відносності (ЗТВ). Залишається тільки дивуватися геніальним здібностям знаменитого фізика, який при мінімумі реальних даних зміг зробити такі висновки, що далеко йдуть. Серед безлічі інших передбачених фізичних явищ, які знайшли підтвердження в наступне століття (уповільнення перебігу часу, зміна напрямку електромагнітного випромінювання в гравітаційних полях тощо) практично виявити наявність цього типу хвильового взаємодії тіл до останнього часу не вдавалося.
Гравітація - ілюзія?
Взагалі, у світлі Теорії відносності гравітацію складно назвати силою. Це наслідок збурення або викривлення просторово-часового континууму. Добрим прикладом, який ілюструє цей постулат, може служити натягнутий шматок тканини. Під вагою розміщеного на такий поверхні масивного предмету утворюється заглиблення. Інші об'єкти при русі поблизу цієї аномалії будуть змінювати траєкторію свого руху, як би "притягуючись". І чим більше вага предмета (більший діаметр і глибина викривлення), тим вище "сила тяжіння". При його русі по тканині, можна спостерігати виникнення расходящейся "рябі".Щось подібне відбувається і в світовому просторі. Будь-яка прискорено рухається масивна матерія є джерелом флуктуацій щільності простору і часу. Гравітаційна хвиля з великою амплітудою, утворюється тілами з надзвичайно великими масами або при русі з величезними прискореннями.
Фізичні характеристики
Коливання метрики простір-час виявляють себе, як зміни поля тяжіння. Це явище інакше називають просторово-часової брижами. Гравітаційна хвиля впливає на зустрінуті тіла і об'єкти, стискаючи і розтягуючи їх. Величини деформації дуже незначні - порядку 10 -21 від початкового розміру. Вся складність виявлення цього явища полягала в тому, що дослідникам необхідно було навчитися вимірювати і фіксувати подібні зміни з допомогою відповідної апаратури. Потужність гравітаційного випромінювання також надзвичайно мала - для всієї Сонячної системи вона становить кілька кіловат. Швидкість поширення гравітаційних хвиль незначно залежить від властивостей провідного середовища. Амплітуда коливань з віддаленням від джерела поступово зменшується, але ніколи не досягає нульового значення. Частота лежить в діапазоні від декількох десятків до сотень герц. Швидкість гравітаційних хвиль в міжзоряному середовищі наближається до швидкості світла.
Непрямі докази
Вперше теоретичне підтвердження існування хвиль тяжіння вдалося отримати американського астронома Джозефу Тейлору та його асистентові Расселу Халсу в 1974 році. Вивчаючи простори Всесвіту з допомогою радіотелескопу обсерваторії Аресібо (Пуерто-Ріко), дослідники відкрили пульсар PSR B1913+16 який представляє собою подвійну систему нейтронних зірок, що обертаються навколо загального центру мас з постійною кутовою швидкістю (досить рідкісний випадок). Щорічно період обігу, спочатку становить 375 години, скорочується на 70 мс. Це значення цілком відповідає висновкам з рівнянь ЗТВ, які пророкують збільшення швидкості обертання подібних систем внаслідок витрачання енергії на генерацію гравітаційних хвиль. В подальшому було виявлено кілька подвійних пульсарів і білих карликів з аналогічним поведінкою. Радиоастрономам Д. Тейлору і Р. Халсу в 1993 році була присуджена Нобелівська премія з фізики за відкриття нових можливостей вивчення полів тяжіння.
Невловима гравітаційна хвиля
Перша заява про детектуванні хвиль тяжіння надійшло від вченого Мерілендського університету Джозефа Вебера (США) в 1969 році. Для цих цілей він використовував дві антени гравітаційні власної конструкції, рознесені на відстань у два кілометри. Резонансний детектор являв собою добре виброизолированний цілісний двометровий циліндр з алюмінію, оснащений чутливими пьезодатчиками. Амплітуда, нібито зафіксованих Вебером коливань виявилася більш ніж в мільйон разів вище очікуваного значення. Спроби інших вчених з допомогою такого обладнання повторити "успіх" американського фізика позитивних результатів не принесли. Через кілька років роботи у Вебера даній області були визнані неспроможними, але дали поштовх розвитку "гравітаційному буму", що залучила в цю область досліджень багатьох фахівців. До речі, сам Джозеф Вебер до кінця своїх днів був упевнений, що брав гравітаційні хвилі.
Вдосконалення приймального обладнання
У 70-х роках учений Білл Фэйрбанк (США) розробив конструкцію гравітаційно-хвильовий антени, охолоджуваного рідким гелієм з застосуванням сквидов - надчутливих магнитомеров. Існуючі на той момент технології не дозволили побачити винахіднику свій виріб, реалізоване в "металі".За таким принципом виконаний гравітаційний детектор Auriga в Національній леньярской лабораторії (Падуя, Італія). В основі конструкції алюмінієво-магнієвий циліндр довжиною 3 метри і діаметром 06 м. Приймальний пристрій масою 23 тонни підвішене в ізольованою, охолодженої майже до абсолютного нуля вакуумній камері. Для фіксації і детектування струсів використовується допоміжний кілограмовий резонатор і вимірювальний комплекс на основі ЕОМ. Заявлена чутливість обладнання 10 -20 .
Інтерферометри
В основу функціонування інтерференційних детекторів гравітаційних хвиль закладені ті ж принципи, за якими працює інтерферометр Майкельсона. Випускається джерелом лазерний промінь ділиться на два потоку. Після багаторазових відбиттів і подорожей по плечах пристрою потоки знову зводяться воєдино, і за підсумковим интерференционному зображенню судять про те, впливали на хід променів якісь збурення (наприклад, гравітаційна хвиля). Подібне обладнання створено у багатьох країнах:
LIGO Advanced
Проект був створений за ініціативою вчених Массачусетського і Каліфорнійського технологічних інститутів. Включає в себе дві обсерваторії, рознесені на 3 тис. км, в штатах Луїзіана і Вашингтон (міста Лівінгстон і Хенфорд) з трьома ідентичними интерферометрами. Довжина перпендикулярних вакуумних тунелів становить 4 тис. метрів. Це найбільші на сьогоднішній момент діють подібні споруди. До 2011 року численні спроби виявлення хвиль тяжіння ніяких результатів не принесли. Проведена істотна модернізація (Advanced LIGO) підвищила чутливість обладнання в діапазоні 300-500 Гц більше ніж в п'ять разів, а в низькочастотній області (до 60 Гц) майже на порядок, досягнувши настільки жаданої величини в 10 -21 . Оновлений проект стартував у вересні 2015 року, і зусилля більш ніж тисячі співробітників колаборації були винагороджені отриманими результатами.
Гравітаційні хвилі виявлені
14 вересня 2015 року вдосконалені детектори LIGO з інтервалом у 7 мс зафіксували дійшли до нашої планети гравітаційні хвилі від найбільшого явища, події на околицях спостережуваного Всесвіту - злиття двох великих чорних дірок з масами 29 і 36 разів перевищують масу Сонця. У ході процесу, що відбувся понад 13 млрд років тому, за лічені частки секунди на випромінювання хвиль тяжіння було витрачено близько трьох сонячних мас речовини. Зафіксована початкова частота гравітаційних хвиль становила 35 Гц, а максимальне пікове значення досягло позначки 250 Гц. Отримані результати неодноразово піддавалися всебічної перевірки та обробки, ретельно відсікалися альтернативні інтерпретації отриманих даних. Нарешті, 11 лютого минулого року про прямий реєстрації передбаченого Ейнштейном явища було оголошено світовій спільноті.