Гравітаційні хвилі: як злиття чорних дір довело, що Ейнштейн правий

Гравітаційна хвиля 14 вересня 2015 року або ж GW150914, довела, що наші теоретичні уявлення про будову космосу, а також про простір та час є правдивими. Сьогодні SPEKA розповідає, що це за фізичне явище та чому «зсув» на десятитисячну частку протона став проривом у науці.  

Що таке гравітаційні хвилі 

Раніше вчені розглядали виміри простору та часу як окремі фізичні явища. Але у 1916 році Альберт Ейнштейн представив фізикам новий спосіб мислення про простір, час і гравітацію у своїй загальній теорії відносності. 

Загальна теорія відносності об’єднала те, що ми зазвичай вважаємо окремими сутностями — простір і час — у те, що зараз називається простір-час. 

Щоб уявити гравітаційні хвилі, подумайте, як рухаєте рукою по воді. Брижі поширюються певний час від свого джерела, але згодом згасають. Тобто будь-який об’єкт, що рухається крізь просторово-часову тканину, викликає хвилі у цій тканині. Лише найсильніші події викликають спотворення достатньо великі, щоб їх можна було виявити на Землі. 

Як виявити гравітаційні хвилі 

Підписуйтеся на наші соцмережі

Оскільки вплив гравітаційних хвиль надзвичайно малий навіть за руху об’єктів величезної маси, виявити їх на Землі було доволі непросто. Також їх потрібно відділити від інших фонових вібрацій, що бувають будь-де на планеті.  

Непрямі свідчення гравітаційних хвиль вперше помітили у 1974 році. Два американські фізики Рассел Галс і Джозеф Тейлор спостерігали за рухом подвійної нейтронної зірки PSR B1913+16, у якій одна з зірок — це пульсар, що випромінює точно синхронізовані радіочастотні імпульси. Вони виявили, що протягом довгого часу частота імпульсів скорочується і що зірки рухаються поступово у напрямку одна до одної, тобто на зближення та поглинання. Також ці імпульси узгоджувались із передбаченою енергією гравітаційних хвиль. Галс і Тейлор отримали за своє відкриття у 1993 році  Нобелівську премію з фізики. 

Як обсерваторія LIGO вперше зареєструвала гравітаційні хвилі

Наукова лабораторія LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) складається з двох ідентичних детекторів, один з яких розташований у штаті Вашингтон, а інший у штаті Луїзіана. Відстань між детекторами LIGO становить 3002 км. Така відстань потрібна через високу швидкість світла. Через різницю у 10 мілісекунд вчені можуть визначити напрям зареєстрованого сигналу.

Основний елемент кожної обсерваторії — Г-подібна система, яка складається з двох чотирикілометрових плечей з вакуумом всередині. Детектори LIGO — це надто точні прилади, які використовують лазерну інтерферометрію для виявлення цих крихітних просторово-часових брижів. Коли гравітаційна хвиля проходить через детектори, це спричиняє незначну зміну відстані між дзеркалами у кожному плечі детектора, а лазери та світлові промені дозволяють точно виміряти зміну.  

Тривалий час (понад 10 років) обсерваторія не реєструвала нічого суттєвого, однак постійно оснащувалася дедалі точнішим та новітнім обладнанням. 

GW150914 досягла Землі 14 вересня 2015 року. Гравітаційна хвиля змінила довжину чотирикілометрового рукава LIGO на одну десятитисячну частку ширини протона. Для порівняння: якби рукав лабораторії простягався до найближчої до нас зірка після Сонця Проксими Центаври, (4,2 світлового року), то гравітаційна хвиля посунула розширила її б на відстань товщини волосини. 

Але варто наголосити, що цю хвилю створила доволі непересічна подія. GW150914 стала наслідком злиття двох чорних дір масою приблизно 30 сонячних мас. Це сталося 1,3 млрд років тому за більш ніж мільярд світлових років від Землі. А енергія, яка вивільнилася під час останньої частки секунди події, була величезною — еквівалентною приблизно трьом масам Сонця. Вона перетворилася на гравітаційні хвилі менш ніж за половину секунди і випромінювалася з піковою швидкістю приблизно 3,6 × 10 ⁴⁹Вт — це більше, ніж потужність усього світла, випромінюваного усіма зірками у спостережуваній частині Всесвіту.

У 2017 році за це відкриття провідних науковців нагородили Нобелівською премією з фізики. 

Яке значення має доведене існування гравітаційних хвиль

Перше пряме спостереження гравітаційних хвиль вважається великим науковим досягненням, яке підтвердило ключове передбачення загальної теорії відносності Ейнштейна. 

Також це фактично започаткувало нову еру в астрономії —  народилася астрономія гравітаційних хвиль, що дозволило вченим спостерігати Всесвіт абсолютно по-новому, доповнюючи традиційну електромагнітну астрономію. Хвилі дають унікальну інформацію про найекстремальніші події у Всесвіті, як-от злиття чорних дір і зіткнення нейтронних зірок. А спостереження за ними можна використовувати для вимірювання відстані до космічних подій, маси астрономічних об’єктів і швидкості розширення Всесвіту.

Після першої фіксації гравітаційних хвиль LIGO та його європейський аналог Virgo ще кілька разів виявили  гравітаційні хвилі.