اليوم الرسمي لاكتشاف (كشف) موجات الجاذبية هو 11 فبراير 2016. في ذلك الوقت ، في مؤتمر صحفي في واشنطن ، أعلن قادة تعاون LIGO أن فريقًا من الباحثين قد نجح في تسجيل هذه الظاهرة لأول مرة في تاريخ البشرية.
نبوءات لأينشتاين العظيم
حتى في بداية القرن الماضي (1916) ، اقترح ألبرت أينشتاين أن موجات الجاذبية موجودة في إطار النظرية العامة للنسبية (GR) التي صاغها. لا يسع المرء إلا أن يتعجب من القدرات الرائعة للفيزيائي الشهير ، الذي ، مع الحد الأدنى من البيانات الحقيقية ، كان قادرًا على استخلاص مثل هذه الاستنتاجات بعيدة المدى. من بين العديد من الظواهر الفيزيائية الأخرى المتوقعة التي تم تأكيدها في القرن التالي (إبطاء تدفق الوقت ، وتغيير اتجاه الإشعاع الكهرومغناطيسي في مجالات الجاذبية ، وما إلى ذلك) ، لم يكن من الممكن عمليًا الكشف عن وجود هذا النوع من الموجات تفاعل الجثث حتى وقت قريب.
الجاذبية وهم؟
بشكل عام ، في الضوءلا يمكن لنظرية النسبية أن تطلق على الجاذبية قوة. هذا نتيجة لاضطراب أو انحناء في استمرارية الزمان والمكان. من الأمثلة الجيدة التي توضح هذا الافتراض قطعة قماش مشدودة. تحت وزن جسم هائل يوضع على مثل هذا السطح ، تتشكل فترة راحة. الأجسام الأخرى التي تتحرك بالقرب من هذا الوضع الشاذ ستغير مسار حركتها ، كما لو كانت "منجذبة". وكلما زاد وزن الجسم (كلما زاد قطر الانحناء وعمقه) ، زادت "قوة الجذب". عندما يتحرك خلال القماش ، يمكنك ملاحظة ظهور "تموج" متباين.
يحدث شيء مشابه في الفضاء العالمي. أي مادة ضخمة تتحرك بسرعة هي مصدر للتقلبات في كثافة المكان والزمان. موجة جاذبية ذات سعة كبيرة ، تتكون من أجسام ذات كتل كبيرة للغاية أو عند التحرك بتسارع كبير.
الخصائص الفيزيائية
تقلبات مقياس الزمكان تظهر نفسها كتغييرات في مجال الجاذبية. هذه الظاهرة تسمى تموجات الزمكان. تعمل موجة الجاذبية على الأجسام والأشياء التي تواجهها ، وتضغط عليها وتمددها. قيم التشوه صغيرة جدًا - حوالي 10-21من الحجم الأصلي. كانت الصعوبة الكاملة في اكتشاف هذه الظاهرة هي أنه كان على الباحثين تعلم كيفية قياس هذه التغييرات وتسجيلها بمساعدة المعدات المناسبة. إن قوة الإشعاع الثقالي صغيرة للغاية أيضًا - فهي كذلك بالنسبة للنظام الشمسي بأكملهبضعة كيلووات.
سرعة انتشار موجات الجاذبية تعتمد قليلاً على خصائص الوسيط الموصّل. تتناقص سعة التذبذب تدريجيًا مع المسافة من المصدر ، ولكنها لا تصل أبدًا إلى الصفر. التردد يقع في النطاق من عدة عشرات إلى مئات من هرتز. سرعة موجات الجاذبية في الوسط النجمي تقترب من سرعة الضوء.
دليل ظري
لأول مرة ، حصل الفلكي الأمريكي جوزيف تايلور ومساعده راسل هولس على التأكيد النظري لوجود موجات الجاذبية. بدراسة مساحات الكون باستخدام التلسكوب الراديوي لمرصد أريسيبو (بورتوريكو) ، اكتشف الباحثون النجم النابض PSR B1913 + 16 ، وهو نظام ثنائي من النجوم النيوترونية تدور حول مركز مشترك للكتلة بسرعة زاوية ثابتة (حالة نادرة نوعًا ما). كل عام ، يتم تقليل فترة الثورة ، التي كانت في الأصل 3.75 ساعة ، بمقدار 70 مللي ثانية. تتوافق هذه القيمة تمامًا مع الاستنتاجات المستخلصة من معادلات GR التي تتنبأ بزيادة سرعة دوران هذه الأنظمة بسبب إنفاق الطاقة لتوليد موجات الجاذبية. بعد ذلك ، تم اكتشاف العديد من النجوم النابضة المزدوجة والأقزام البيضاء ذات السلوك المماثل. حصل علماء الفلك الراديوي D. Taylor و R. Hulse على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1993 لاكتشافهم إمكانيات جديدة لدراسة مجالات الجاذبية.
هربت موجة الجاذبية
أول بيان حولجاء الكشف عن موجات الجاذبية من عالم جامعة ماريلاند جوزيف ويبر (الولايات المتحدة الأمريكية) في عام 1969. لهذه الأغراض ، استخدم اثنين من هوائيات الجاذبية من تصميمه الخاص ، مفصولة بمسافة كيلومترين. كان كاشف الرنين عبارة عن أسطوانة من قطعة واحدة من الألومنيوم مهتز جيدًا يبلغ طولها مترين ومجهزة بأجهزة استشعار كهرضغطية حساسة. اتضح أن سعة التقلبات التي يُزعم أنها سجلتها ويبر أعلى بمليون مرة من القيمة المتوقعة. محاولات العلماء الآخرين لاستخدام مثل هذه المعدات لتكرار "نجاح" الفيزيائي الأمريكي لم تسفر عن نتائج إيجابية. بعد بضع سنوات ، تم الاعتراف بعمل ويبر في هذا المجال على أنه لا يمكن الدفاع عنه ، ولكنه أعطى قوة دفع لتطوير "طفرة الجاذبية" التي جذبت العديد من المتخصصين إلى هذا المجال من البحث. بالمناسبة ، جوزيف ويبر نفسه كان على يقين حتى نهاية أيامه أنه تلقى موجات الجاذبية.
تحسين استقبال المعدات
في السبعينيات ، طور العالم بيل فيربانك (الولايات المتحدة الأمريكية) تصميم هوائي موجات ثقالية مبرد بالهيليوم السائل باستخدام الحبار - مقاييس مغناطيسية فائقة الحساسية. التقنيات التي كانت موجودة في ذلك الوقت لم تسمح للمخترع برؤية منتجه المحقق في "المعدن".
تم تصنيع كاشف الجاذبية Auriga بهذه الطريقة في National Legnard Laboratory (بادوفا ، إيطاليا). يعتمد التصميم على اسطوانة من الألمنيوم والمغنيسيوم بطول 3 متر وقطر 0.6 متر وجهاز استقبال وزنه 2.3 طنمعلقة في غرفة فراغ معزولة مبردة تقريبًا إلى الصفر المطلق. يتم استخدام مرنان كيلوغرام إضافي ومجمع قياس قائم على الكمبيوتر لتحديد الاهتزازات وكشفها. حساسية المعدات المعلنة 10-20.
مقاييس التداخل
يعتمد تشغيل كاشفات التداخل لموجات الجاذبية على نفس مبادئ مقياس تداخل ميكلسون. شعاع الليزر المنبعث من المصدر مقسم إلى تيارين. بعد الانعكاسات المتعددة والسفر على طول أكتاف الجهاز ، يتم تجميع التدفقات مرة أخرى معًا ، ويتم استخدام صورة التداخل النهائية للحكم على ما إذا كانت أي اضطرابات (على سبيل المثال ، موجة الجاذبية) قد أثرت على مسار الأشعة. تم إنشاء معدات مماثلة في العديد من البلدان:
- GEO 600 (هانوفر ، ألمانيا). طول الأنفاق الفراغية 600 متر
- تاما (اليابان) 300 م أكتاف
- VIRGO (بيزا ، إيطاليا) هو مشروع فرنسي إيطالي مشترك تم إطلاقه في عام 2007 بأنفاق بطول 3 كيلومترات.
- LIGO (الولايات المتحدة الأمريكية ، ساحل المحيط الهادئ) ، البحث عن موجات الجاذبية منذ عام 2002.
الأخير يستحق النظر بمزيد من التفصيل.
LIGO متقدم
بدأ المشروع من قبل علماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. يضم مرصدين يفصل بينهما 3 آلاف كيلومتر في ولايتي لويزيانا وواشنطن (مدينتي ليفينغستون وهانفورد) بثلاثة مقاييس تداخل متطابقة. طول الفراغ العموديالأنفاق 4 آلاف متر. هذه هي أكبر الهياكل قيد التشغيل حاليًا. حتى عام 2011 ، لم تحقق المحاولات العديدة للكشف عن موجات الجاذبية أي نتائج. أدى التحديث الكبير الذي تم إجراؤه (LIGO المتقدم) إلى زيادة حساسية المعدات في نطاق 300-500 هرتز بأكثر من خمس مرات ، وفي منطقة التردد المنخفض (حتى 60 هرتز) تقريبًا من حيث الحجم ، حيث وصلت هذه القيمة المرغوبة من 10-21. بدأ المشروع المحدث في سبتمبر 2015 ، وتم تكريم جهود أكثر من ألف متعاون بالنتائج
تم اكتشاف موجات الجاذبية
في 14 سبتمبر 2015 ، سجلت كواشف LIGO المتقدمة بفاصل 7 مللي ثانية موجات الجاذبية التي وصلت إلى كوكبنا من أكبر ظاهرة حدثت في ضواحي الكون المرئي - اندماج ثقبين أسودين كبيرين مع كتل 29 و 36 ضعف كتلة الشمس. خلال هذه العملية ، التي حدثت منذ أكثر من 1.3 مليار سنة ، تم إنفاق حوالي ثلاث كتل شمسية من المادة على إشعاع موجات الجاذبية في غضون أجزاء من الثانية. تم تسجيل التردد الأولي لموجات الجاذبية على أنه 35 هرتز ، ووصلت قيمة الذروة القصوى إلى 250 هرتز.
خضعت النتائج التي تم الحصول عليها مرارًا وتكرارًا للتحقق الشامل والمعالجة ، وتم قطع التفسيرات البديلة للبيانات التي تم الحصول عليها بعناية. أخيرًا ، في 11 فبراير من العام الماضي ، تم الإعلان عن التسجيل المباشر للظاهرة التي تنبأ بها أينشتاين للمجتمع الدولي.
حقيقة توضح العمل الجبار للباحثين: اتساع التقلبات في أبعاد أذرع مقياس التداخل كان 10-19 م - هذه القيمة أصغر بكثير من قطر الذرة لانها اصغر من البرتقالة
آفاق أخرى
يؤكد الاكتشاف مرة أخرى أن النظرية العامة للنسبية ليست مجرد مجموعة من الصيغ المجردة ، ولكنها نظرة جديدة بشكل أساسي على جوهر موجات الجاذبية والجاذبية بشكل عام.
في مزيد من البحث ، يعلق العلماء آمالًا كبيرة على مشروع ELSA: إنشاء مقياس تداخل مداري عملاق بأذرع تبلغ حوالي 5 ملايين كيلومتر ، قادر على اكتشاف الاضطرابات الطفيفة في مجالات الجاذبية. يمكن لتكثيف العمل في هذا الاتجاه أن يخبرنا كثيرًا عن المراحل الرئيسية في تطور الكون ، وعن العمليات التي يصعب أو يستحيل ملاحظتها في النطاقات التقليدية. ليس هناك شك في أن الثقوب السوداء ، التي سيتم إصلاح موجاتها الثقالية في المستقبل ، ستخبر الكثير عن طبيعتها.
لدراسة إشعاع الجاذبية البقايا ، والتي يمكن أن تخبرنا عن اللحظات الأولى من عالمنا بعد الانفجار العظيم ، ستكون هناك حاجة إلى أدوات فضائية أكثر حساسية. يوجد مثل هذا المشروع (Big Bang Observer) ، لكن تنفيذه ، وفقًا للخبراء ، ممكن في موعد لا يتجاوز 30-40 عامًا.
