Примечание: в январе 2015 года новые данные поставили открытие гравитационных волн под вопрос
Астрономы обнаружили самые ранние отголоски Большого взрыва, подтверждая гипотезу, описывающую сверхбыстрое расширение Вселенной в первые моменты ее жизни.
Существование гравитационных волн подозревали даже еще до того, как Эйнштейн сочинил свою общую теорию относительности. Но было неизвестно, появятся ли они в космическом микроволновом излучении .
Как представить себе гравитационную волну? По сути, гравитационные волны, очень похожи на волны в жидкостях. Они являются неоднородностями, возникающие там, где встречаются различные жидкости (или слои внутри жидкости ) различной плотности. Вы можете видеть или ощущать волны в атмосфере или на поверхности океана. Гравитационные волны в пространстве - это пульсации ткани пространства-времени.
В 19 веке английский физик Джеймс Клерк Максвелл намекал на существование неких аналогичных волн. Максвелл понял, что световые волны были лишь одним из нескольких видов электромагнитного излучения, состоящие из колебаний в эфире. Он подозревал, что подобные волны могут передавать гравитацию. Но он не смог представить свою идею математически.
В 1908 году французский математик Анри Пуанкаре поднял вопрос о существовании гравитационных волн немного более конкретно . Он задался вопросом: может ли планета на орбите терять энергию, испуская волны в гравитационном поле? Возможно, что-то в этом роде может объяснить, почему орбита Меркурия не совсем соответствует предсказаниям ньютоновской гравитации. Но Пуанкаре пришел к выводу, что, если бы они существовали, то были бы слишком слабыми, чтобы объяснить странности орбиты Меркурия.
И вот, в 1915 году , когда Эйнштейн разработал уравнения общей теории относительности, ошибка Ньютона была исправлена. И теория Эйнштейна отличается от теории Ньютона существенным образом. Ньютон считал, что гравитация передается в пространстве мгновенно. Эйнштейн показал, что гравитация будет распространяться со скоростью света.
По Эйнштейну, гравитация не является силой. Скорее это результат искажений в геометрии пространства. Массивный объект деформирует пространство. Когда объект резко меняет свою скорость или направление движения, должна возникнуть рябь в пространстве-времени.
Сначала Эйнштейн не был уверен , что гравитация будет работать именно таким образом. Но в 1916 году, в своей статье он показал, что гравитационные волны существуют и уносят энергию от движущейся материи . Позже он нашел несколько ошибок и опубликовал новую статью. Другие ученые считали, что гравитационные волны не будут передавать энергию, а следовательно, их существование не имеет значения.
В 1950 году интерес к гравитационным волнам возрос, так как физики поняли, что квантовая теория гравитации потребует таких волн (так же, как для квантовой механики требуется, чтобы частицы быть волнами) .
В 1980-х годах Джозеф Тейлор и Расселл Халс наблюдали две нейтронные звезды, вращающихся друг вокруг друга и обнаружили, что они были все ближе одна к другой, то есть система теряет энергию по мере излучения гравитационных волн.
Тем не менее, это было только косвенным доказательством.
Объявление об открытии гравитационных волн в понедельник 17 марта 2014 года говорит о прямом доказательстве их существования, основанном на непосредственном влиянии гравитационных волн на космическое микроволновое фоновое излучение .
Как следует из названия, микроволновое фоновое излучение состоит из микроволн, одной из форм электромагнитного излучения. Поэтому оно может быть поляризовано, вроде того как солнцезащитные очки поляризуют солнечный свет - ориентируя волны вдоль определенного направления.
Электромагнитные волны имеют как электрические, так и магнитные компоненты, и в этом случае астрономы искали эффект гравитационных волн в магнитной части. Сокращенно - B-Мода. B данном случае "В" означает "магнетизм". ( Почему B, а не М? Потому что именно эту букву Максвелл использовал в своих уравнениях). Обнаружение В-моды было бы убедительным доказательством, что гравитационные волны образовались в первые моменты времени после Большого Взрыва.
Физики выяснили заранее, что первичные гравитационные волны будут обнаружены в космическом микроволновом излучении . Они являются следствием космической инфляции. Теория инфляции предполагает, что сразу после того, как Вселенная начала свое существование, внезапный взрыв сверхбыстрого расширения растянул ее настолько сильно, что Вселенная стала однородной (на больших масштабах). Инфляция также прогнозирует, что квантовые флуктуации плотности вещества обеспечивают семена для образования галактик. И что колебания пространства-времени - гравитационные волны - будет поляризовать излучение от материи.
На протяжении десятилетий астрономы пытались понять парадоксы, окружающие Большой взрыв. В 1980 году физик Алан Гут предположил, что многие из странностей можно объяснить, если Вселенная прошла период гипер-расширения, или инфляции. Во время инфляции объем Вселенной в первую триллионную триллионной триллионной секунды после Большого взрыва возрос, по крайней мере, на 10 в 75 степени.
Астрономы уже давно предсказывали, что инфляция , если она была, оставила бы маркеры на реликтовом излучении, вспышки света, появившиеся в космос около 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная достаточно остыла, чтобы фотоны могли свободно путешествовать. Один маркер можно найти в поляризации, в том, как именно фотоны совмещены друг с другом. Гравитационные рябь, вызванная инфляцией, настроила бы поляризацию. Первичные гравитационные волны являются единственным известным источником такой поляризации.
И 17 марта 2014 года группа исследователей сделала объявление. Во главе с Джоном Ковачем, астрономом из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, исследователи с помощью телескопа BICEP2 измерили тонкие изменения в поляризации реликтового излучения. Телескоп, расположенный в Антарктиде, имеет 512 детекторов, охлажден ных до одной четверти градуса Цельсия выше абсолютного нуля . Детекторы поочередно отфильтровывают фотоны, поляризованные горизонтально и вертикально. Постоянно сканируя область неба над Южным полюсом, исследователи смогли сопоставить космический микроволновой фон с поляризованным светом.
В лучах космических микроволн , оставшихся от Большого взрыва , астрономы заметили тонкие узоры, отражающие гравитационные волны в ранней Вселенной.
Сигнал, измеренный командой ученых, оказался намного сильнее, чем предсказывалось, что позволяет предположить, что инфляция должна была произойти, когда Вселенная балы невообразимо высокоэнергетична - примерно 10Х16 гигаэлектронвольт. Это немного выше, чем некоторые предварительные значения, полученные миссией космического телескопа Планка, которая с 2009 по 2012 годы проводила измерения в инфракрасной области и исследовала основные параметры, такие как возраст Вселенной.
Высокие энергии инфляционной эпохи дают возможность проверить некоторые идеи из теории струн, которые, как считалось ранее, непроверяемы.
Ученые утверждают, что предусмотрели все мелочи, которые могли бы привести к возможным ошибкам. Но все таки исследователи не знают наверняка, действительно ли это сигнал из ранней Вселенной. Полдюжины других телескопов продолжают искать В-моду. Их результаты помогут уточнить истинный источник сигнала.
Конечно, скептики будут требовать подтверждения, прежде чем открытие будет номинировано на Нобелевскую премию. И если открытие окажется подтвержденным - это будет означать, что большая часть теории Эйнштейна снова подтвердилась. И что ведущая современная теория, описывающая рождение Вселенной, которую так часто высмеивали в последние годы, прошла определяющий тест.
Открытие станет важной вехой в истории физики. Открытие гравитационных волн столь же значимо, как и открытие бозона Хиггса.
|
