Гравитационни вълни: Какво означава тяхното откритие за науката и човечеството

Симулация на гравитационни вълни

Компютърна симулация, показваща гравитационни вълни по време на сблъсък с черна дупка. Откритието има големи последици за науката. (Изображение кредит: MPI за гравитационна физика/W. Benger-Zib)



Хората по целия свят се развеселиха вчера сутринта (11 февруари), когато учените обявиха първото директно откриване на гравитационни вълни-вълнички в тъканта на пространството-време, чието съществуване беше предложено за първи път от Алберт Айнщайн през 1916 г.



Вълните идваха от две черни дупки, кръжащи една друга, все по -близо и по -близо, докато накрая се сблъскаха. Наскоро обновената обсерватория за гравитационни вълни с лазерен интерферометър (LIGO) засне сигнала на 14 септември 2015 г. Не всяко научно откритие получава такъв вид приемане, така че за какво точно става дума и какво следва за LIGO сега, когато има забеляза тези неуловими вълни ?

На първо място, откриването на две сблъскващи се черни дупки е вълнуващо само по себе си-никой не знае със сигурност дали черните дупки всъщност са се слели заедно, за да създадат още по-масивни черни дупки, но сега има физическо доказателство. И има радостта най -накрая да имаме директни доказателства за явление, което е предсказано за първи път преди 100 години, като се използва инструмент, предложен преди 40 години. [ Гравитационни вълни, открити от LIGO: Пълно покритие ]



Но това, което е наистина монументално в това откриване, е, че дава на човечеството способността да вижда Вселената по съвсем нов начин, казаха учените. Способността за директно откриване на гравитационни вълни - генерирани от ускоряването или забавянето на масивни обекти в космоса - се сравнява с глух, който внезапно придобива способността да чува звук. Вече е налице изцяло нова сфера от информация.

'Това е като Галилей насочвайки телескопа за първи път към небето “, каза пред demokratija.eu членът на екипа на LIGO Василики (Вики) Калогера, професор по физика и астрономия в Северозападния университет в Илинойс. „Отваряте очите си - в този случай ушите ни - за нов набор от сигнали от Вселената, които предишните ни технологии не ни позволяват да приемаме, да изучаваме и да се учим от тях.“

„Досега бяхме глухи за гравитационните вълни“, заяви изпълнителният директор на LIGO Дейвид Райце от Калифорнийския технологичен институт (Калтех) по време на церемония по обявяването във Вашингтон, „Това, което ще дойде сега, е ще чуем още неща и без съмнение ще чуем неща, които очаквахме да чуем ... но ще чуем и неща, които никога не сме очаквали.



С този нов сетивен поглед към Вселената, ето някои от нещата, които учените се надяват да открият.

Нови прозорци на Вселената

Движещите се маси генерират вълни от гравитационна радиация, които се разтягат и притискат пространството-време. Вижте как работят гравитационните вълни в тази инфографика на demokratija.eu.

Движещите се маси генерират вълни от гравитационна радиация, които се разтягат и притискат пространството-време. Вижте как работят гравитационните вълни в тази инфографика на demokratija.eu.(Изображение кредит: От Карл Тейт, художник на инфографиката)



LIGO е особено чувствителен към гравитационни вълни, които идват от бурни космически събития, като например сблъскване на два масивни обекта или избухване на звезда. Обсерваторията има потенциал да локализира тези обекти или събития, преди телескопите на базата на светлина да могат да направят това, а в някои случаи наблюденията с гравитационни вълни биха могли да бъдат единственият начин за намиране и изучаване на такива събития.

Например във вчерашното съобщение учените съобщиха, че LIGO е идентифицирал две черни дупки, които се въртят една около друга и се сливат заедно в последен, енергичен сблъсък. Както подсказва името им, черните дупки не излъчват светлина, което означава, че са невидими за телескопи, които събират и изучават електромагнитно излъчване. Някои черни дупки се виждат със светлинни телескопи, тъй като материалът в непосредствена близост до тях излъчва, но учените не са виждали примери за сливане на черни дупки с излъчващ материал около тях.

Освен това черните дупки, забелязани от LIGO, са съответно 29 и 36 пъти масата на слънцето. Но Рейц каза, че тъй като чувствителността на LIGO продължава да се подобрява, инструментът може да бъде чувствителен към черни дупки, които са 100, 200 или дори 500 пъти по -големи от масата на Слънцето, които са по -далеч от Земята. „Може да има наистина хубаво откривателно пространство, което да се отвори, след като излезем оттам“, каза той.

Учените вече знаят, че изучаването на небето при различни дължини на светлинните вълни може да разкрие нови данни за космоса. В продължение на много векове астрономите могат да работят само с оптична светлина. Но сравнително наскоро изследователите създадоха инструменти, които им позволяват да изучават Вселената, използвайки рентгенови лъчи, радиовълни, ултравиолетови вълни и гама-лъчи. Всеки път учените получават нов поглед към Вселената.

По същия начин гравитационните вълни имат потенциала да покажат на учените изцяло нови характеристики на космическите обекти, казаха членовете на екипа на LIGO. [ Изследването на гравитационните вълни може да разкрие много мистерии (видео) ]

„Ако някога имаме късмет да имаме свръхнова в собствената си галактика или може би в близка галактика, ще можем да разгледаме действителната динамика на това, което се случва вътре в свръхновата“, каза съоснователят на LIGO Райнер Вайс на MIT, който говори на церемонията по обявяването. Докато светлината често се блокира от прах и газ, „гравитационните вълни излизат направо [от свръхнова], смело безпрепятствено”, каза Вайс. „В резултат на това вие наистина откривате какво се случва вътре в тези неща.“

Други екзотични обекти, които учените се надяват да изучават с гравитационни вълни, са неутронни звезди , които са умопомрачително плътни, изгорени звездни трупове: Чаена лъжичка материал от неутронна звезда ще тежи около един милиард тона на Земята. Учените не са сигурни какво се случва с обикновената материя при такива екстремни условия, но гравитационните вълни могат да дадат изключително полезни улики, тъй като тези вълни трябва да носят информация за вътрешността на неутронната звезда чак до Земята, казаха учените от LIGO.

LIGO също има система, създадена да предупреждава светлинни телескопи, когато детекторът изглежда е забелязал гравитационна вълна. Някои от астрономическите събития, които LIGO ще изследва, като например сблъскващи се неутронни звезди, могат да произвеждат светлина във всички дължини на вълните, от гама-лъчи до радиовълни. Със системата за предупреждение на LIGO е възможно учените да могат да наблюдават някои астрономически събития или обекти в различни дължини на светлината, плюс гравитационни вълни, което би осигурило „много пълна картина“ на тези събития, каза Райтце.

„Когато това се случи, мисля, че това ще бъде следващото голямо нещо в тази област“, ​​каза той.

Относителност

Гравитационните вълни за първи път бяха предсказани от теорията на общата теория на относителността на Айнщайн, публикувана през 1916 г. Тази известна теория издържа всички видове физически тестове, но има някои аспекти, които учените не са успели да проучат в реалния свят, защото те изискват много екстремни обстоятелства. Екстремното изкривяване на пространството-време е един пример за това.

„Досега сме виждали само изкривено пространство-време, когато е много спокойно-сякаш сме виждали повърхността на океана само в един много спокоен ден, когато е доста стъклен“, каза Кип Торн от Калтех, друг основател на LIGO и експерт по изкривено пространство-време, казаха на вчерашната церемония. „Никога не бяхме виждали океана, разтърсен от буря, с разбиващи се вълни. Всичко това се промени на 14. септември. Сблъскващите се черни дупки, които създадоха тези гравитационни вълни, създадоха силна буря в тъканта на пространството и времето. [ История и структура на Вселената (инфографика) ]

„Това наблюдение тества този режим красиво, много силно“, продължи Торн. 'И Айнщайн излиза с блестящ успех.'

Но изследването на общата теория на относителността чрез гравитационни вълни далеч не е приключило. Остават въпроси относно естеството на гравитона, частицата, за която се смята, че носи гравитационната сила (точно както фотонът е частицата, която носи електромагнитната сила). И учените имат много въпроси относно вътрешната работа на черните дупки, които гравитационните вълни могат да помогнат да се осветят (така да се каже). Но всичко това, казаха учените, ще бъде разкрито бавно, в течение на много години, тъй като LIGO и свързаните с него инструменти събират повече данни за повече събития.

Наследство за бъдещето

Използвайки лазерни лъчи, учените са открили физическите изкривявания, причинени от преминаването на гравитационни вълни. Вижте как обсерваторията LIGO лови гравитационни вълни в тази инфографика на demokratija.eu.

Използвайки лазерни лъчи, учените са открили физическите изкривявания, причинени от преминаването на гравитационни вълни. Вижте как обсерваторията LIGO лови гравитационни вълни в тази инфографика на demokratija.eu.(Изображение кредит: От Карл Тейт, художник на инфографиката)

Поглеждайки към следващите три години, Райтце каза, че сътрудничеството е фокусирано върху увеличаване на чувствителността на LIGO до пълния му потенциал. Това ще направи обсерваторията, която се състои от два големи детектора, единият в Луизиана, а другият в щата Вашингтон, по -чувствителна към гравитационните вълни. Но учените не знаят колко събития ще види LIGO, защото не знаят колко често много от тези събития се случват във Вселената.

LIGO открива сливането на двоична черна дупка още преди инструмента да започне първата си официална кампания за наблюдение след неотдавнашното му надграждане, но е възможно това да е късмет. За да се придвижва влакът на гравитационната астрономия, LIGO просто се нуждае от повече данни.

Когато беше помолен да коментира влиянието на LIGO върху света извън научната общност и за това как науката за гравитационните вълни може да повлияе на ежедневието на хората, Райце просто каза: „Кой знае?“

„Когато Айнщайн прогнозира обща теория на относителността, кой би предположил, че ние ще я използваме всеки ден, когато използваме мобилните си телефони?“ той каза. (Общата теория на относителността дава представа за това как гравитацията влияе върху преминаването на времето и тази информация е необходима за GPS технологията, която използва спътници, които обикалят по -далеч от гравитационното привличане на Земята, отколкото хората на повърхността).

LIGO е „най -чувствителният инструмент, създаван някога“, каза Райтце, а технологичният напредък, постигнат при изграждането на обсерваторията, може да се използва в технологии, които ще се използват по начини, които хората все още не могат да предскажат.

Торн каза, че вижда по -големия принос на LIGO малко по -различно.

„Когато погледнем назад към епохата на Възраждането и се питаме:„ Какво ни дадоха хората от тази епоха, което е важно за нас днес? “ Мисля, че всички ще се съгласим, че това е страхотно изкуство, страхотна архитектура, страхотна музика “, каза той.

„По същия начин, когато нашите потомци се обърнат назад към тази епоха и се питат:„ Какви велики неща ни сполетяха? “ ... Вярвам, че ще има разбиране за основните закони на Вселената и разбиране за това какво правят тези закони във Вселената, и изследване на Вселената “, добави Торн. „LIGO е голяма част от това. Останалата част от астрономията е голяма част от това. И мисля, че културният дар за бъдещите ни поколения наистина е много по-голям от всеки вид технологично отделяне, от крайното развитие на технологиите от всякакъв вид. Мисля, че трябва да се гордеем с това, което даваме на нашите потомци в културен план. “

Следвайте Кала Кофийлд @callacofield .Последвай ни @Spacedotcom , Facebook и Google+ . Оригинална статия на demokratija.eu .