6 дивовижних фактів про гравітаційні хвилі та LIGO

Гравітаційні хвилі є однією з найбільш захоплюючих тем у сучасній фізиці та астрономії. З моменту їхнього передбачення Альбертом Ейнштейном на початку XX століття і до їхнього безпосереднього виявлення у 2015 році, це явище стало важливою віхою в розумінні структури і динаміки Всесвіту.

Щоб дізнатись останні новини, слідкуйте за нашим каналом Google News онлайн або через застосунок.

Гравітаційні хвилі дають можливість досліджувати космічні події, які неможливо спостерігати за допомогою традиційних методів астрономії, таких як оптичні або радіотелескопи. Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)) зіграла ключову роль у цій новій галузі астрономії, відкривши двері для вивчення невидимих процесів у Всесвіті.

Теж цікаво: Використовуй або втратиш: як AI змінює людське мислення

Пульсації в просторі-часі

Гравітаційні хвилі – це брижі в тканинах простору-часу, викликані прискоренням масивних об’єктів. Відповідно до Загальної теорії відносності Ейнштейна, гравітація не є силою в традиційному розумінні, а являє собою викривлення простору-часу, спричинене масивними тілами. Коли такі тіла, як чорні діри або нейтронні зірки, рухаються або взаємодіють, вони створюють хвилі в цьому викривленому просторі-часі.

Гравітаційні хвилі можуть бути описані як коливання, які поширюються зі швидкістю світла. При цьому вони несуть інформацію про свої джерела, дозволяючи астрономам вивчати події, що відбуваються на величезних відстанях. Завдяки цій новій формі астрономії, ми можемо «чути» події у Всесвіті, як-от злиття чорних дір або вибухи наднових, які були б невидимі для традиційних методів спостереження.

Теж цікаво: Внутрішнє ядро Землі змінюється: як це вплине на тривалість дня

Походження гравітаційних хвиль

Гравітаційні хвилі виникають в результаті екстремальних космічних подій, які включають в себе:

• Злиття чорних дір: це одні з найпотужніших джерел гравітаційних хвиль. Коли дві чорні діри зближуються і зливаються, вони спричиняють викид величезної кількості енергії, яка може бути зафіксована детекторами, такими як LIGO. Дослідження злиттів чорних дір допомагають зрозуміти їхню природу, а також властивості простору-часу в екстремальних умовах.

• Злиття нейтронних зірок: нейтронні зірки – це залишки масивних зірок, які пережили вибух наднової. Коли дві нейтронні зірки зближуються, вони також створюють гравітаційні хвилі. Ці події важливі для вивчення процесів, що відбуваються на кінцевій стадії життя зірок, а також для розуміння механізмів, які призводять до утворення важких елементів у Всесвіті, таких як золото і платина.
• Вибухи наднових: наднові – це потужні вибухи, які відбуваються наприкінці життя масивних зірок. У процесі вибуху зірка викидає свою матерію в космос, створюючи гравітаційні хвилі. Хоча ці хвилі менш сильні, ніж у випадку чорних дір або нейтронних зірок, вони все ж таки можуть надати важливу інформацію про механізми, які призводять до таких подій.

• Космічні струмені та інші явища: деякі астрономи також досліджують можливість виникнення гравітаційних хвиль унаслідок інших космічних процесів, таких як ротація масивних об’єктів, взаємодія між галактиками і навіть космічні струмені, які викидаються активними ядрами галактик.

Теж цікаво: Ядерні відходи: що це таке і як їх утилізують

Вплив гравітаційних хвиль

Однією з найвражаючіших характеристик гравітаційних хвиль є їхній неймовірно малий вплив на простір-час. Зміни, які вони спричиняють, можуть бути меншими, ніж розмір атома. Наприклад, LIGO має бути здатний вимірювати зміни відстані в порядку 10^-21 метрів, що більш ніж у 10 разів менше, ніж радіус протона.

Через цей маломасштабний вплив завдання виявлення гравітаційних хвиль стає надзвичайно складним. Для успішного виявлення цих хвиль необхідно враховувати безліч чинників, включно з:

• Фоновий шум: вібрації від землетрусів, руху людей і навіть змін температури можуть створити «шум», який ускладнює виявлення гравітаційних хвиль. Тому LIGO та інші детектори розташовуються у віддалених місцях, де вплив зовнішніх факторів мінімальний
• Калібрування приладів: необхідно регулярно калібрувати обладнання, щоб переконатися, що воно точно вимірює зміни довжини. Це включає в себе використання високоточних лазерів і складних систем контролю.

Теж цікаво: NASA запустить нову сонячну місію PUNCH: як вона працюватиме

Вимірювання гравітаційних хвиль

Для успішного виявлення гравітаційних хвиль LIGO використовує метод лазерної інтерферометрії.

Це складна технологія, яка включає в себе:

• Інтерферометр: LIGO складається з двох довгих труб, кожна з яких має довжину 4 кілометри, розташованих під прямим кутом одна до одної. Лазерний промінь розділяється навпіл і проходить по обох трубах. Коли гравітаційна хвиля проходить, вона змінює довжину однієї з труб, що призводить до зміни часу, за який лазерні промені повертаються до детектора.
• Деструктивна інтерференція: якщо гравітаційна хвиля відсутня, лазерні промені, повертаючись, взаємно знищуватимуться, створюючи стабільний сигнал. Якщо ж гравітаційна хвиля проходить, один із променів змінює свою довжину, і вони не будуть взаємно знищуватися, що призведе до виявлення сигналу.

• Багаторазові відбиття: Щоб домогтися необхідної чутливості, лазерні промені відбиваються багато разів від дзеркал, розташованих усередині труб. Це дає змогу збільшити ефективну довжину шляху світла, що, своєю чергою, дає змогу виявляти навіть найслабші гравітаційні хвилі.

Теж цікаво: Що заважає українським стартапам і як це виправити

Високочутливий LIGO

LIGO було сконструйовано з урахуванням неймовірної чутливості, що дає йому змогу реєструвати зміни довжини, які в 10 разів менші за розміри атома. Для досягнення такої чутливості використовуються:

• Спеціальні матеріали: дзеркала, що використовуються в LIGO, виготовлені з чистого кварцу і важать близько 40 кілограмів. Вони підвішені на тонких волокнах, що мінімізує передачу вібрацій.

• Ізоляція від шуму: LIGO використовує складні системи ізоляції, щоб мінімізувати вплив зовнішнього шуму. Це передбачає використання спеціальної конструкції, яка допомагає захистити детектори від вібрацій, викликаних землетрусами і рухом транспорту.
• Дублювання установок: Для підвищення надійності та точності LIGO має дві установки – одна в Лівінгстоні, штат Луїзіана, США та інша в Хенфорді, штат Вашингтон, США. Це дозволяє порівнювати результати і підтверджувати виявлені сигнали.

Теж цікаво: Навушники з шумозаглушенням шкідливі? Що кажуть дослідники

Гравітаційно-хвильова астрономія

Гравітаційно-хвильова астрономія відкриває нові горизонти у вивченні космосу і дає змогу досліджувати явища, які раніше були недоступні для спостереження. Деякі з ключових аспектів включають:

• Вивчення чорних дір: гравітаційно-хвильова астрономія дає змогу досліджувати чорні діри, їхню масу, спін і взаємодії. Наприклад, спостереження за злиттям чорних дір дають змогу отримувати дані про їхні властивості та еволюцію.

• Нейтронні зірки та їхні властивості: злиття нейтронних зірок дає можливість вивчати їхню структуру і фізику. Це може допомогти зрозуміти, як формуються важкі елементи, як-от золото і платина, внаслідок цих подій.
• Темна матерія і темна енергія: гравітаційні хвилі можуть надати інформацію про природу темної матерії і темної енергії, які складають більшу частину Всесвіту, але досі залишаються загадкою

• Нові відкриття і несподівані результати: кожне нове відкриття в галузі гравітаційно-хвильової астрономії приносить нові питання і можливості для досліджень. Наприклад, можливість виявлення гравітаційних хвиль від подій, які ще не були передбачені, розширює наші знання про Всесвіт.

Теж цікаво: Три причини обрати оперативку Corsair

Висновки

Гравітаційні хвилі і LIGO є революційними досягненнями в астрономії та фізиці. Вони надають унікальну можливість зазирнути в найглибші таємниці Всесвіту і вивчити екзотичні явища, які раніше були недоступні для спостереження. З кожним новим відкриттям ми наближаємося до розуміння основоположних законів природи і структури космосу.

Гравітаційно-хвильова астрономія – це всього лише початок, і майбутнє цієї галузі обіцяє бути захоплюючим. З розвитком технологій і підвищенням чутливості детекторів ми зможемо досліджувати ще екзотичніші події і, можливо, відповісти на питання, які турбують людство протягом століть.

Разом з тим, це відкриває двері для колаборацій між фізиками, астрономами та інженерами, що сприяє створенню нових методів дослідження і розуміння нашого місця у Всесвіті. Гравітаційні хвилі – це не просто науковий феномен, це ключ до розуміння таємниці Всесвіту.

Читайте також:

• Годинник Судного дня оновили на 1 сек ближче до півночі: що це означає для людства
• ТОП-10 найважливіших відомих військових супутників