У рамках своєї загальної теорії відносності Ейнштейн передбачив, що маса повинна випромінювати гравітаційні хвилі. Він повинен вміти виявляти найпотужніші гравітаційні хвилі під час їх проходження через Землю. А космічна обсерваторія, запланована до запуску у 2015 році під назвою LISA, має бути ще сильнішою.
Вчені близькі до того, що насправді бачать гравітаційні хвилі. Кредит зображення: NASA
Гравітація - звична сила. Це причина страху висоти. Він тримає місяць до Землі, Земля - до сонця. Це не дає пиву плавати з наших келихів.
Але як? Чи Земля надсилає таємні повідомлення на Місяць?
Ну так - начебто.
Еанна Фланаган, доцент Корнелла з фізики та астрономії, присвятила своє життя розумінню гравітації, оскільки була студенткою університетського коледжу Дубліна у своїй рідній Ірландії. Зараз, майже через два десятиліття після виїзду з Ірландії, щоб навчатися на докторський ступінь у відомого релятивіста Кіпа Торна в Каліфорнійському технологічному інституті, його робота зосереджена на прогнозуванні розміру та форми гравітаційних хвиль - невловимого прогнозу явища Ейнштейна в теорії загальної відносності 1916 року але які ніколи не були безпосередньо виявлені.
У 1974 році астрономи університету Прінстона Рассел Халс та Джозеф Х. Тейлор-молодший побічно виміряли вплив гравітаційних хвиль на коорбітуючі нейтронні зірки, відкриття, яке принесло їм Нобелівську премію з фізики 1993 року. Завдяки недавній роботі Фланагана та його колег вчені зараз на межі побачити перші хвилі тяжіння безпосередньо.
Звук не може існувати у вакуумі. Для того, щоб доставити своє повідомлення, потрібен засіб, наприклад повітря або вода. Так само гравітація не може існувати в небутті. Також йому потрібен носій, за допомогою якого він може передати своє повідомлення. Ейнштейн теоретизував, що це середовище - це простір і час, або "тканина простору".
Зміни тиску - удари по барабану, вібраційний голосовий зв’язок - видають звукові хвилі, брижі в повітрі. Згідно теорії Ейнштейна, зміни маси - зіткнення двох зірок, приземлення пилу на книжковій полиці - створюють гравітаційні хвилі, брижі в просторі часу.
Оскільки більшість повсякденних предметів мають масу, гравітаційні хвилі повинні бути навколо нас. То чому ми не можемо знайти їх?
"Найсильніші гравітаційні хвилі спричинять вимірювані порушення на Землі в 1000 разів менше атомного ядра", - пояснив Фланаган. "Виявлення їх - величезна технічна проблема".
Відповідь на цей виклик - LIGO, Лазерний інтерферометр Гравітаційно-хвильова обсерваторія, колосальний експеримент, що передбачає співпрацю понад 300 вчених.
LIGO складається з двох установок на відстані майже 2 000 миль один від одного - в Ганфорді, штат Вашингтон, і один у Лівінгстоні, штат Ларі. Кожне споруда має вигляд гігантського "L" з двома рубежами довжиною 2,5 милі, виконаними діаметром 4 фути вакуумні труби, укладені в бетон. Ультрастійкі лазерні промені проходять труби, підстрибуючи між дзеркалами в кінці кожної руки. Вчені очікують, що хвиля, що минає, що тягнеться, розтягне одну руку і стисне другу, внаслідок чого два лазери пройдуть трохи різні відстані.
Потім різницю можна виміряти, «перешкоджаючи» лазерам, де перетинаються зброї. Це можна порівняти з двома автомобілями, які швидко рухаються перпендикулярно до перехрестя. Якщо вони проїдуть однакову швидкість і відстань, вони завжди зазнають аварії. Але якщо відстані різні, вони можуть пропустити. Фланаган та його колеги сподіваються на промах.
Крім того, саме те, скільки лазерів вдарить чи пропустять, дасть інформацію про характеристики та походження гравітаційної хвилі. Роль Фланагана полягає в тому, щоб передбачити ці характеристики, щоб його колеги з LIGO знали, на що звернути увагу.
Завдяки технологічним обмеженням, LIGO здатний чути гравітаційні хвилі певних частот від потужних джерел, включаючи вибухи наднової в Чумацькому Шляху та швидко обертаються або спільно орбітуючи нейтронні зірки або в Чумацькому Шляху, або в далеких галактиках.
Для розширення потенційних джерел НАСА та Європейське космічне агентство вже планують спадкоємця LIGO - космічну антену «Лазерний інтерферометр» LISA. LISA за концепцією схожа на LIGO, за винятком того, що лазери відскакують серед трьох супутників на відстані 3 мільйони миль, затримуючи Землю на орбіті навколо Сонця. В результаті LISA зможе виявляти хвилі на нижчих частотах, ніж LIGO, такі, які утворюються в результаті зіткнення нейтронної зірки з чорною дірою або зіткнення двох чорних дір. LISA запланований до запуску у 2015 році.
Фланаган та його співробітники з Массачусетського технологічного інституту нещодавно розшифрували підпис гравітаційної хвилі, в результаті чого надмасивна чорна діра проковтнула нейтронну зірку розміром з сонцем. Це підпис, який важливо визнати LISA.
"Коли ЛІСА летить, ми повинні побачити сотні таких речей", - зазначив Фланаган. "Ми зможемо виміряти, як викривлюються простір і час, і як передбачається, що простір буде закручений чорною дірою навколо". Ми бачимо електромагнітне випромінювання і думаємо, що це, мабуть, чорна діра - але це приблизно наскільки у нас є. Буде дуже цікаво нарешті побачити, що відносність насправді працює ».
Але він попередив: "Це може не спрацювати. Астрономи зауважують, що розширення Всесвіту прискорюється. Одне пояснення полягає в тому, що загальну відносність потрібно змінити: Ейнштейн мав рацію, але в деяких режимах все може працювати інакше ".
Томас Оберст - практик письменника-наука у службі новин Корнелл.
Оригінальне джерело: Університет Корнелла
