В рамках своей общей теории относительности Эйнштейн предсказал, что масса должна излучать гравитационные волны. Он должен быть в состоянии обнаружить самые мощные гравитационные волны, когда они проходят через Землю. И космическая обсерватория, которую планируется запустить в 2015 году, под названием LISA, должна быть еще сильнее.
Ученые близки к тому, чтобы увидеть гравитационные волны. Изображение предоставлено NASA
Гравитация - это знакомая сила. Это причина боязни высоты. Он держит Луну на Земле, Землю на Солнце. Он не дает пиву выплеснуться из наших бокалов.
Но как? Посылает ли Земля секретные сообщения на Луну?
Ну да - вроде как.
Eanna Flanagan, доцент Cornell по физике и астрономии, посвятил свою жизнь изучению гравитации с тех пор, как он учился в Университетском колледже Дублина в своей родной Ирландии. Теперь, спустя почти два десятилетия после отъезда из Ирландии для обучения в докторантуре у знаменитого релятивиста Кипа Торна в Калифорнийском технологическом институте, его работа сосредоточена на прогнозировании размера и формы гравитационных волн - неуловимого явления, предсказанного теорией общей теории относительности Эйнштейна 1916 года. но которые никогда не были обнаружены напрямую.
В 1974 году астрономы Принстонского университета Рассел Халс и Джозеф Х. Тейлор-младший косвенным образом измерили влияние гравитационных волн на ко-вращающиеся нейтронные звезды, открыв им Нобелевскую премию по физике 1993 года. Благодаря недавней работе Фланагана и его коллег ученые теперь находятся на грани непосредственного наблюдения первых гравитационных волн.
Звук не может существовать в вакууме. Это требует среды, такой как воздух или вода, через которую доставляется его сообщение. Точно так же гравитация не может существовать в небытии. Ему также нужна среда для передачи сообщения. Эйнштейн предположил, что эта среда - это пространство и время или «ткань пространства-времени».
Изменения давления - удар по барабану, вибрирующий голосовой шнур - производят звуковые волны, рябь в воздухе. Согласно теории Эйнштейна, изменения в массе - столкновение двух звезд, попадание пыли на книжную полку - производят гравитационные волны, рябь в пространстве-времени.
Поскольку большинство повседневных предметов имеют массу, гравитационные волны должны быть вокруг нас. Так почему же мы не можем их найти?
«Самые сильные гравитационные волны вызовут на Земле измеримые возмущения, в 1000 раз меньшие, чем атомное ядро», - объяснил Фланаган. «Обнаружение их - огромная техническая задача».
Ответом на этот вызов является LIGO, лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, колоссальный эксперимент с участием более 300 ученых.
LIGO состоит из двух установок, расположенных на расстоянии около 2000 миль - одна в Хэнфорде, штат Вашингтон, и одна в Ливингстоне, штат Луизиана. Каждое сооружение имеет форму гигантской буквы «L» с двумя рукавами длиной 2,5 мили, изготовленными диаметром 4 фута. вакуумные трубы в бетоне. Ультраустойчивые лазерные лучи пересекают трубы, подпрыгивая между зеркалами в конце каждой руки. Ученые ожидают, что проходящая гравитационная волна вытянет одну руку и сожмет другую, из-за чего два лазера пройдут несколько разное расстояние.
Затем разницу можно измерить, «мешая» лазерам в местах пересечения рук. Это сравнимо с двумя автомобилями, движущимися перпендикулярно к перекрестку. Если они путешествуют с одинаковой скоростью и расстоянием, они всегда будут падать. Но если расстояния разные, они могут пропустить. Фланаган и его коллеги надеются на промах.
Кроме того, сколько именно лазеров ударит или пропустит, даст информацию о характеристиках и происхождении гравитационной волны. Роль Фланагана - предсказывать эти характеристики, чтобы его коллеги в LIGO знали, что искать.
Из-за технологических ограничений LIGO способен воспринимать гравитационные волны определенных частот только от мощных источников, включая взрывы сверхновых в Млечном Пути и быстрое вращение или совместное вращение нейтронных звезд в Млечном Пути или далеких галактиках.
Для расширения потенциальных источников НАСА и Европейское космическое агентство уже планируют преемника LIGO, космическую антенну лазерного интерферометра LISA. Концепция LISA похожа на концепцию LIGO, за исключением того, что лазеры будут отражаться от трех спутников на расстоянии 3 миллиона миль, следуя за Землей на орбите вокруг Солнца. В результате LISA сможет обнаруживать волны на более низких частотах, чем LIGO, например, те, которые возникают при столкновении нейтронной звезды с черной дырой или при столкновении двух черных дыр. Запуск LISA запланирован на 2015 год.
Фланаган и сотрудники Массачусетского технологического института недавно расшифровали сигнатуру гравитационной волны, которая возникает, когда сверхмассивная черная дыра поглощает нейтронную звезду размером с солнце. Это подпись, которая будет важна для распознавания LISA.
«Когда летает LISA, мы должны увидеть сотни таких вещей», - отметил Фланаган. «Мы сможем измерить, как искажаются пространство и время, и как пространство должно быть обвито черной дырой. Мы видим электромагнитное излучение, и мы думаем, что это, вероятно, черная дыра - но это примерно так, как мы получили. Будет очень интересно наконец увидеть, что теория относительности действительно работает ».
Но он предупредил: «Это может не сработать. Астрономы отмечают, что расширение Вселенной ускоряется. Одно из объяснений состоит в том, что общая теория относительности должна быть изменена: Эйнштейн был в основном прав, но в некоторых режимах все могло работать иначе ».
Томас Оберст - стажер-писатель в Службе новостей Корнелла.
Первоначальный источник: Корнельский университет
