Oficiālā gravitācijas viļņu atklāšanas (atklāšanas) diena ir 2016. gada 11. februāris. Toreiz preses konferencē Vašingtonā LIGO sadarbības vadītāji paziņoja, ka pētnieku komandai pirmo reizi cilvēces vēsturē izdevies fiksēt šo fenomenu.
Lielā Einšteina pareģojumi
Pat pagājušā gadsimta sākumā (1916. gadā) Alberts Einšteins ierosināja, ka gravitācijas viļņi pastāv viņa formulētās Vispārējās relativitātes teorijas (GR) ietvaros. Var tikai brīnīties par slavenā fiziķa spožajām spējām, kurš ar minimālu reālu datu daudzumu spēja izdarīt tik tālejošus secinājumus. Starp daudzām citām prognozētajām fizikālajām parādībām, kas apstiprinājās nākamajā gadsimtā (laika plūsmas palēnināšanās, elektromagnētiskā starojuma virziena maiņa gravitācijas laukos u.c.), praktiski nebija iespējams konstatēt šāda veida viļņu klātbūtni. ķermeņu mijiedarbība vēl nesen.
Gravitācija ir ilūzija?
Vispār gaismāRelativitātes teorija diez vai var saukt gravitāciju par spēku. Tās ir telpas-laika kontinuuma traucējumu vai izliekuma sekas. Labs piemērs, kas ilustrē šo postulātu, ir izstiepts auduma gabals. Zem masīva priekšmeta svara, kas novietots uz šādas virsmas, veidojas padziļinājums. Citi objekti, kas pārvietojas šīs anomālijas tuvumā, mainīs to kustības trajektoriju, it kā "pievilkti". Un jo lielāks ir objekta svars (jo lielāks ir izliekuma diametrs un dziļums), jo lielāks ir "pievilkšanas spēks". Kad tas pārvietojas pa audumu, varat novērot atšķirīgu "viļņojumu".
Kaut kas līdzīgs notiek pasaules telpā. Jebkura strauji kustīga masīva matērija ir telpas un laika blīvuma svārstību avots. Gravitācijas vilnis ar ievērojamu amplitūdu, ko veido ķermeņi ar ārkārtīgi lielu masu vai pārvietojoties ar milzīgiem paātrinājumiem.
Fiziskās īpašības
Telpas un laika metrikas svārstības izpaužas kā gravitācijas lauka izmaiņas. Šo parādību citādi sauc par telpas-laika viļņošanos. Gravitācijas vilnis iedarbojas uz sastaptajiem ķermeņiem un objektiem, tos saspiežot un izstiepjot. Deformācijas vērtības ir ļoti mazas - aptuveni 10-21 no sākotnējā izmēra. Šīs parādības noteikšanas grūtības bija tādas, ka pētniekiem bija jāiemācās izmērīt un reģistrēt šādas izmaiņas, izmantojot atbilstošu aprīkojumu. Arī gravitācijas starojuma jauda ir ārkārtīgi maza – visai Saules sistēmai tā irdaži kilovati.
Gravitācijas viļņu izplatīšanās ātrums ir nedaudz atkarīgs no vadošās vides īpašībām. Svārstību amplitūda pakāpeniski samazinās līdz ar attālumu no avota, bet nekad nesasniedz nulli. Frekvence ir diapazonā no vairākiem desmitiem līdz simtiem hercu. Gravitācijas viļņu ātrums starpzvaigžņu vidē tuvojas gaismas ātrumam.
Nestandarta pierādījumi
Pirmo reizi teorētisko apstiprinājumu gravitācijas viļņu esamībai guva amerikāņu astronoms Džozefs Teilors un viņa palīgs Rasels Hulss 1974. gadā. Pētot Visuma plašumus, izmantojot Arecibo observatorijas (Puertoriko) radioteleskopu, pētnieki atklāja pulsāru PSR B1913 + 16, kas ir neitronu zvaigžņu bināra sistēma, kas rotē ap kopīgu masas centru ar nemainīgu leņķisko ātrumu (diezgan rets gadījums). Katru gadu apgriezienu periods, kas sākotnēji bija 3,75 stundas, tiek samazināts par 70 ms. Šī vērtība pilnībā atbilst secinājumiem no GR vienādojumiem, kas paredz šādu sistēmu griešanās ātruma pieaugumu, ko izraisa enerģijas patēriņš gravitācijas viļņu ģenerēšanai. Pēc tam tika atklāti vairāki dubultpulsāri un b altie punduri ar līdzīgu uzvedību. Radioastronomiem D. Teiloram un R. Hulsam 1993. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā par jaunu iespēju atklāšanu gravitācijas lauku pētīšanai.
Bēgts gravitācijas vilnis
Pirmais paziņojums pargravitācijas viļņu noteikšana nāca no Merilendas Universitātes zinātnieka Džozefa Vēbera (ASV) 1969. gadā. Šiem nolūkiem viņš izmantoja divas paša konstruētas gravitācijas antenas, kuras atdala divu kilometru attālums. Rezonanses detektors bija labi vibrēts viengabala divu metru alumīnija cilindrs, kas aprīkots ar jutīgiem pjezoelektriskiem sensoriem. Vēbera it kā fiksēto svārstību amplitūda izrādījās vairāk nekā miljons reižu lielāka par paredzamo vērtību. Citu zinātnieku mēģinājumi, izmantojot šādu aprīkojumu, atkārtot amerikāņu fiziķa "panākumus" nedeva pozitīvus rezultātus. Dažus gadus vēlāk Vēbera darbs šajā jomā tika atzīts par nepieņemamu, taču tas deva impulsu "gravitācijas uzplaukuma" attīstībai, kas piesaistīja daudzus speciālistus šai pētniecības jomai. Starp citu, pats Džozefs Vēbers līdz savu dienu beigām bija pārliecināts, ka saņem gravitācijas viļņus.
Saņemšanas aprīkojuma uzlabošana
70. gados zinātnieks Bils Fērbenks (ASV) izstrādāja gravitācijas viļņu antenas dizainu, ko atdzesē ar šķidru hēliju, izmantojot SQUID - superjutīgus magnetometrus. Tajā laikā pastāvošās tehnoloģijas neļāva izgudrotājam redzēt savu produktu, kas realizēts "metālā".
Gravitācijas detektors Auriga tika izgatavots šādā veidā Nacionālajā Legnard laboratorijā (Padua, Itālija). Konstrukcijas pamatā ir alumīnija-magnija cilindrs, 3 metrus garš un 0,6 m diametrā Uztvērēja ierīce, kas sver 2,3 tonnassuspendēta izolētā vakuuma kamerā, kas atdzesēta gandrīz līdz absolūtai nullei. Vibrāciju fiksēšanai un noteikšanai tiek izmantots palīgkilogramu rezonators un datorizēts mērīšanas komplekss. Deklarētā aprīkojuma jutība 10-20.
Interferometri
Gravitācijas viļņu traucējumu detektoru darbība balstās uz tiem pašiem principiem kā Miķelsona interferometrs. Avota izstarotais lāzera stars ir sadalīts divās plūsmās. Pēc vairākkārtējas atstarošanas un pārvietošanās gar ierīces pleciem plūsmas atkal tiek apvienotas, un galīgais traucējumu attēls tiek izmantots, lai novērtētu, vai staru gaitu ir ietekmējuši kādi traucējumi (piemēram, gravitācijas vilnis). Līdzīgs aprīkojums ir izveidots daudzās valstīs:
- GEO 600 (Hanovere, Vācija). Vakuuma tuneļu garums ir 600 metri.
- TAMA (Japāna) 300 m pleci
- VIRGO (Pisa, Itālija) ir kopīgs Francijas un Itālijas projekts, kas tika uzsākts 2007. gadā ar 3 km gariem tuneļiem.
- LIGO (ASV, Klusā okeāna piekraste), gravitācijas viļņu medības kopš 2002. gada.
Pēdējais ir vērts apsvērt sīkāk.
LIGO Advanced
Projektu aizsāka Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta un Kalifornijas Tehnoloģiju institūta zinātnieki. Ietver divas observatorijas, kuras atdala 3 tūkstoši km, Luiziānas un Vašingtonas štatos (Livingstonas un Henfordas pilsētās) ar trim identiskiem interferometriem. Perpendikulāra vakuuma garumstuneļi ir 4 tūkstoši metru. Šīs ir lielākās šādas struktūras, kas šobrīd darbojas. Līdz 2011. gadam daudzi mēģinājumi noteikt gravitācijas viļņus nedeva nekādus rezultātus. Veiktā ievērojamā modernizācija (Advanced LIGO) palielināja iekārtu jutību diapazonā no 300-500 Hz vairāk nekā piecas reizes, bet zemfrekvences reģionā (līdz 60 Hz) gandrīz par kārtu, sasniedzot tik kārota vērtība 10-21. Atjauninātais projekts sākās 2015. gada septembrī, un vairāk nekā tūkstoš līdzstrādnieku pūles tika atalgotas ar rezultātiem.
Noteikti gravitācijas viļņi
2015. gada 14. septembrī uzlabotie LIGO detektori ar 7 ms intervālu reģistrēja gravitācijas viļņus, kas sasniedza mūsu planētu no lielākās parādības, kas notika novērojamā Visuma nomalē - divu lielu melno caurumu saplūšanas ar masām. 29 un 36 reizes lielāka par Saules masu. Procesa laikā, kas norisinājās pirms vairāk nekā 1,3 miljardiem gadu, gravitācijas viļņu starojumam sekundes daļu laikā tika iztērētas aptuveni trīs Saules vielas masas. Gravitācijas viļņu sākotnējā frekvence tika reģistrēta kā 35 Hz, un maksimālā maksimālā vērtība sasniedza 250 Hz.
Iegūtie rezultāti tika atkārtoti pakļauti visaptverošai pārbaudei un apstrādei, iegūto datu alternatīvās interpretācijas tika rūpīgi nogrieztas. Visbeidzot pagājušā gada 11. februārī pasaules sabiedrībai tika paziņots par Einšteina prognozētās parādības tiešu reģistrāciju.
Fakts, kas ilustrē pētnieku titānisko darbu: interferometra sviru izmēru svārstību amplitūda bija 10-19m - šī vērtība ir tikpat daudz mazāka par atoms, jo tas ir mazāks par oranžu.
Citas izredzes
Atklājums vēlreiz apstiprina, ka vispārējā relativitātes teorija nav tikai abstraktu formulu kopums, bet gan fundamentāli jauns skatījums uz gravitācijas viļņu būtību un gravitācijas spēku kopumā.
Turpmākajos pētījumos zinātnieki saista lielas cerības uz ELSA projektu: milzu orbitāla interferometra izveidi ar aptuveni 5 miljonus km gariem svirām, kas spēj noteikt pat nelielus gravitācijas lauku traucējumus. Darba pastiprināšanās šajā virzienā var daudz pastāstīt par galvenajiem Visuma attīstības posmiem, par procesiem, kurus tradicionālajās joslās ir grūti vai neiespējami novērot. Nav šaubu, ka melnie caurumi, kuru gravitācijas viļņi nākotnē tiks fiksēti, daudz pastāstīs par to būtību.
Lai pētītu relikto gravitācijas starojumu, kas var pastāstīt par mūsu pasaules pirmajiem mirkļiem pēc Lielā sprādziena, būs nepieciešami jutīgāki kosmosa instrumenti. Šāds projekts pastāv (Big Bang Observer), taču tā īstenošana, pēc ekspertu domām, ir iespējama ne ātrāk kā pēc 30-40 gadiem.
