การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงมีความหมายต่อคนทั่วไปอย่างไร?

หนึ่งร้อยปีหลังจากการทำนายทางทฤษฎีของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ภายใต้กรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นักวิทยาศาสตร์สามารถยืนยันการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงได้ ยุคของวิธีการใหม่โดยพื้นฐานในการศึกษาห้วงอวกาศ - ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง - เริ่มต้นขึ้น

มีการค้นพบที่แตกต่างกัน มีการสุ่มอยู่บ้างเป็นเรื่องธรรมดาในดาราศาสตร์ ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่เกิดขึ้นจากการ "รวมพื้นที่" อย่างถี่ถ้วน เช่น การค้นพบดาวยูเรนัสโดยวิลเลียม เฮอร์เชล มีพวกเซเรนดิปาล - เมื่อพวกเขามองหาสิ่งหนึ่งและพบอีกสิ่งหนึ่ง: ตัวอย่างเช่นพวกเขาค้นพบอเมริกา แต่การค้นพบตามแผนนั้นครอบครองสถานที่พิเศษทางวิทยาศาสตร์ พวกมันอยู่บนพื้นฐานของการทำนายทางทฤษฎีที่ชัดเจน สิ่งที่คาดการณ์ไว้มีการค้นหาเพื่อยืนยันทฤษฎีเป็นหลัก การค้นพบดังกล่าวรวมถึงการค้นพบฮิกส์โบซอนที่เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ และการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดยใช้เครื่องสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงแบบเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ LIGO แต่เพื่อที่จะบันทึกปรากฏการณ์บางอย่างที่ทฤษฎีทำนายไว้ คุณต้องมีความเข้าใจที่ดีว่าจะต้องดูอะไรและที่ใด รวมถึงเครื่องมือใดบ้างที่จำเป็นสำหรับสิ่งนี้

คลื่นความโน้มถ่วงมักเรียกว่าการทำนายทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GTR) และเป็นเช่นนั้นจริงๆ (แม้ว่าปัจจุบัน คลื่นดังกล่าวจะมีอยู่ในแบบจำลองทั้งหมดที่เป็นทางเลือกหรือเสริมกับ GTR ก็ตาม) การปรากฏตัวของคลื่นเกิดจากความจำกัดของความเร็วของการแพร่กระจายของอันตรกิริยาโน้มถ่วง (ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ความเร็วนี้จะเท่ากับความเร็วแสงทุกประการ) คลื่นดังกล่าวเป็นการรบกวนในกาลอวกาศที่แพร่กระจายจากแหล่งกำเนิด เพื่อให้คลื่นความโน้มถ่วงเกิดขึ้น แหล่งกำเนิดจะต้องเต้นเป็นจังหวะหรือเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร่ง แต่ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง สมมติว่าการเคลื่อนไหวที่มีความสมมาตรทรงกลมหรือทรงกระบอกสมบูรณ์แบบนั้นไม่เหมาะสม มีแหล่งที่มาค่อนข้างมาก แต่บ่อยครั้งที่มีมวลน้อยไม่เพียงพอที่จะสร้างสัญญาณที่ทรงพลัง ท้ายที่สุดแล้ว แรงโน้มถ่วงเป็นจุดอ่อนที่สุดในบรรดาปฏิกิริยาพื้นฐานทั้งสี่ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากมากที่จะบันทึกสัญญาณแรงโน้มถ่วง นอกจากนี้สำหรับการลงทะเบียนจำเป็นต้องเปลี่ยนสัญญาณอย่างรวดเร็วเมื่อเวลาผ่านไปนั่นคือมีความถี่สูงเพียงพอ มิฉะนั้นเราจะไม่สามารถลงทะเบียนได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงจะช้าเกินไป ซึ่งหมายความว่าวัตถุจะต้องมีขนาดกะทัดรัดด้วย

ในตอนแรก ความกระตือรือร้นอย่างมากเกิดขึ้นจากการระเบิดของซูเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นในกาแลคซีเหมือนกับของเราทุกๆ สองสามทศวรรษ ซึ่งหมายความว่าหากเราสามารถบรรลุความไวที่ทำให้เราเห็นสัญญาณจากระยะไกลหลายล้านปีแสง เราก็สามารถนับสัญญาณได้หลายสัญญาณต่อปี แต่ต่อมาปรากฎว่าการประมาณการเบื้องต้นของพลังที่ปล่อยออกมาในรูปของคลื่นความโน้มถ่วงระหว่างการระเบิดของซูเปอร์โนวานั้นมองโลกในแง่ดีเกินไป และสัญญาณที่อ่อนแอเช่นนี้จะสามารถตรวจพบได้ก็ต่อเมื่อซูเปอร์โนวาแตกสลายในกาแล็กซีของเรา

อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับวัตถุขนาดกะทัดรัดขนาดใหญ่ที่เคลื่อนที่เร็วคือดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ เราสามารถเห็นกระบวนการก่อตัวหรือกระบวนการปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน ขั้นตอนสุดท้ายของการล่มสลายของแกนดาวฤกษ์ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของวัตถุอัดแน่นตลอดจนขั้นตอนสุดท้ายของการรวมตัวของดาวนิวตรอนและหลุมดำ มีระยะเวลาประมาณหลายมิลลิวินาที (ซึ่งสอดคล้องกับความถี่ของ หลายร้อยเฮิรตซ์) - เท่าที่จำเป็น ในกรณีนี้ พลังงานจำนวนมากจะถูกปล่อยออกมา รวมถึง (และบางครั้งก็เป็นส่วนใหญ่) ในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง เนื่องจากวัตถุที่มีขนาดกะทัดรัดขนาดใหญ่ทำให้เกิดการเคลื่อนไหวที่รวดเร็ว เหล่านี้คือแหล่งข้อมูลในอุดมคติของเรา

จริงอยู่ ซูเปอร์โนวาระเบิดในกาแล็กซีทุกๆ สองสามทศวรรษ การรวมตัวกันของดาวนิวตรอนเกิดขึ้นทุกๆ สองสามหมื่นปี และหลุมดำรวมตัวกันด้วยซ้ำไม่บ่อยนัก แต่สัญญาณนั้นมีพลังมากกว่ามากและสามารถคำนวณลักษณะของมันสามารถคำนวณได้ค่อนข้างแม่นยำ แต่ตอนนี้เราต้องสามารถเห็นสัญญาณจากระยะไกลหลายร้อยล้านปีแสงเพื่อที่จะครอบคลุมกาแลคซีหลายหมื่นแห่งและตรวจจับสัญญาณได้หลายสัญญาณในหนึ่งปี

เมื่อตัดสินใจเลือกแหล่งที่มาแล้วเราจะเริ่มออกแบบเครื่องตรวจจับ ในการทำเช่นนี้ คุณต้องเข้าใจว่าคลื่นความโน้มถ่วงทำหน้าที่อะไร โดยไม่ต้องลงรายละเอียด เราสามารถพูดได้ว่าการผ่านของคลื่นความโน้มถ่วงทำให้เกิดแรงขึ้นน้ำลง (ปรากฏการณ์ปกติของกระแสน้ำบนดวงจันทร์หรือดวงอาทิตย์เป็นปรากฏการณ์ที่แยกจากกัน และคลื่นความโน้มถ่วงไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับมัน) ตัวอย่างเช่น คุณสามารถใช้กระบอกโลหะ ติดตั้งเซ็นเซอร์ และศึกษาการสั่นสะเทือนของมัน นี่ไม่ใช่เรื่องยาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการติดตั้งดังกล่าวจึงเริ่มดำเนินการเมื่อครึ่งศตวรรษก่อน (มีจำหน่ายในรัสเซียด้วย ขณะนี้เครื่องตรวจจับที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งพัฒนาโดยทีมงานของ Valentin Rudenko จาก SAI MSU กำลังติดตั้งในห้องปฏิบัติการใต้ดิน Baksan) ปัญหาคืออุปกรณ์ดังกล่าวจะมองเห็นสัญญาณโดยไม่มีคลื่นความโน้มถ่วง มีเสียงรบกวนมากมายที่ยากต่อการจัดการ เป็นไปได้ (และทำเสร็จแล้ว!) ที่จะติดตั้งเครื่องตรวจจับไว้ใต้ดิน พยายามแยกมันออก ทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำ แต่คุณยังคงต้องการสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่ทรงพลังมากเพื่อให้เกินระดับเสียงรบกวน แต่สัญญาณแรงๆ ไม่ค่อยมา

ดังนั้นทางเลือกจึงเกิดขึ้นเพื่อสนับสนุนโครงการอื่นซึ่งเสนอในปี 2505 โดย Vladislav Pustovoit และ Mikhail Herzenstein ในบทความที่ตีพิมพ์ใน JETP (Journal of Experimental and Theoretical Physics) พวกเขาเสนอให้ใช้เครื่องวัดความโน้มถ่วงของ Michelson เพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ลำแสงเลเซอร์วิ่งระหว่างกระจกในแขนทั้งสองของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ จากนั้นจึงเพิ่มลำแสงจากแขนที่แตกต่างกัน ด้วยการวิเคราะห์ผลลัพธ์ของการรบกวนของลำแสง ทำให้สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ของความยาวแขนได้ นี่เป็นการวัดที่แม่นยำมาก ดังนั้นหากคุณเอาชนะเสียงรบกวนได้ คุณก็จะได้รับความไวที่ยอดเยี่ยม

ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 มีการตัดสินใจสร้างเครื่องตรวจจับหลายเครื่องโดยใช้การออกแบบนี้ แห่งแรกที่เริ่มดำเนินการคือการติดตั้งที่ค่อนข้างเล็ก GEO600 ในยุโรป และ TAMA300 ในญี่ปุ่น (ตัวเลขตรงกับความยาวของแขนเป็นเมตร) เพื่อทดสอบเทคโนโลยี แต่ผู้เล่นหลักคือการติดตั้ง LIGO ในสหรัฐอเมริกาและ VIRGO ในยุโรป ขนาดของเครื่องมือเหล่านี้มีหน่วยวัดเป็นกิโลเมตรแล้ว และความไวตามแผนขั้นสุดท้ายน่าจะทำให้สามารถเห็นเหตุการณ์ได้เป็นสิบหรือหลายร้อยเหตุการณ์ต่อปี

เหตุใดจึงต้องมีอุปกรณ์หลายเครื่อง? มีไว้สำหรับการตรวจสอบข้ามเป็นหลัก เนื่องจากมีเสียงรบกวนในท้องถิ่น (เช่น แผ่นดินไหว) การตรวจจับสัญญาณพร้อมกันทางตะวันตกเฉียงเหนือของสหรัฐอเมริกาและอิตาลีจะเป็นหลักฐานที่ดีเยี่ยมเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดภายนอก แต่มีเหตุผลประการที่สอง คือ เครื่องตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงไม่สามารถระบุทิศทางไปยังแหล่งกำเนิดได้แย่มาก แต่หากมีเครื่องตรวจจับหลายตัวเว้นระยะห่างกันก็จะสามารถระบุทิศทางได้ค่อนข้างแม่นยำ

ยักษ์เลเซอร์

ในรูปแบบดั้งเดิม เครื่องตรวจจับ LIGO ถูกสร้างขึ้นในปี 2545 และเครื่องตรวจจับ VIRGO ในปี 2546 ตามแผน นี่เป็นเพียงระยะแรกเท่านั้น การติดตั้งทั้งหมดดำเนินการเป็นเวลาหลายปี และในปี 2553-2554 การติดตั้งทั้งหมดถูกหยุดเพื่อแก้ไข เพื่อให้ได้ความไวสูงที่วางแผนไว้ เครื่องตรวจจับ LIGO เป็นเครื่องแรกที่ใช้งานในเดือนกันยายน พ.ศ. 2558 VIRGO น่าจะเข้าร่วมในช่วงครึ่งหลังของปี พ.ศ. 2559 และจากขั้นตอนนี้ ความละเอียดอ่อนทำให้เราหวังว่าจะสามารถบันทึกเหตุการณ์ได้อย่างน้อยหลายเหตุการณ์ต่อปี

หลังจากที่ LIGO เริ่มดำเนินการ อัตราการระเบิดที่คาดหวังจะอยู่ที่ประมาณหนึ่งเหตุการณ์ต่อเดือน นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์คาดการณ์ล่วงหน้าว่าเหตุการณ์แรกที่คาดไว้น่าจะเป็นการรวมตัวของหลุมดำ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าหลุมดำมักจะหนักกว่าดาวนิวตรอนถึงสิบเท่า สัญญาณมีพลังมากกว่า และ "มองเห็นได้" จากระยะไกล ซึ่งมากกว่าการชดเชยอัตราเหตุการณ์ที่ต่ำกว่าต่อกาแลคซี โชคดีที่เราไม่ต้องรอนาน เมื่อวันที่ 14 กันยายน พ.ศ. 2558 การติดตั้งทั้งสองเครื่องได้บันทึกสัญญาณที่เกือบจะเหมือนกันชื่อ GW150914

ด้วยการวิเคราะห์ที่ค่อนข้างง่าย จึงสามารถรับข้อมูล เช่น มวลหลุมดำ ความแรงของสัญญาณ และระยะห่างจากแหล่งกำเนิดได้ มวลและขนาดของหลุมดำมีความสัมพันธ์กันในลักษณะที่เรียบง่ายและเป็นที่รู้จักกันดี และจากความถี่ของสัญญาณ เราสามารถประมาณขนาดของบริเวณที่ปล่อยพลังงานได้ทันที ในกรณีนี้ ขนาดระบุว่าจากสองหลุมที่มีมวล 25-30 และ 35-40 มวลดวงอาทิตย์ จะเกิดหลุมดำที่มีมวลมากกว่า 60 มวลดวงอาทิตย์ เมื่อรู้ข้อมูลเหล่านี้แล้ว เราจะสามารถรับพลังงานทั้งหมดของการระเบิดได้ มวลดวงอาทิตย์เกือบสามดวงถูกแปลงเป็นรังสีความโน้มถ่วง ซึ่งสอดคล้องกับความส่องสว่างของความส่องสว่างจากดวงอาทิตย์ 1,023 ระดับ ซึ่งเป็นปริมาณโดยประมาณเท่ากับดาวฤกษ์ทุกดวงในส่วนที่มองเห็นได้ของเอกภพที่เปล่งแสงในช่วงเวลานี้ (หนึ่งในร้อยของวินาที) และจากพลังงานที่ทราบและขนาดของสัญญาณที่วัดได้ จะได้ระยะทาง มวลขนาดใหญ่ของวัตถุที่รวมตัวกันทำให้สามารถบันทึกเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในกาแลคซีอันห่างไกลได้: สัญญาณใช้เวลาประมาณ 1.3 พันล้านปีกว่าจะมาถึงเรา

การวิเคราะห์ที่ละเอียดมากขึ้นทำให้สามารถชี้แจงอัตราส่วนมวลของหลุมดำได้ และทำความเข้าใจว่าพวกมันหมุนรอบแกนของมันอย่างไร รวมถึงกำหนดพารามิเตอร์อื่นๆ ได้ด้วย นอกจากนี้ สัญญาณจากการติดตั้งทั้งสองยังทำให้สามารถกำหนดทิศทางการระเบิดโดยประมาณได้ น่าเสียดายที่ความแม่นยำที่นี่ไม่สูงมากนัก แต่เมื่อเริ่มใช้งาน VIRGO ที่อัปเดตแล้ว มันจะเพิ่มขึ้น และในอีกไม่กี่ปี เครื่องตรวจจับ KAGRA ของญี่ปุ่นจะเริ่มรับสัญญาณ จากนั้นเครื่องตรวจจับ LIGO ตัวหนึ่ง (เดิมมีสามเครื่อง หนึ่งในการติดตั้งเป็นแบบคู่) จะถูกประกอบในอินเดีย และคาดว่าจะมีการบันทึกเหตุการณ์หลายสิบครั้งต่อปี

ยุคแห่งดาราศาสตร์ใหม่

ในขณะนี้ ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดของงานของ LIGO คือการยืนยันการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง นอกจากนี้การระเบิดครั้งแรกทำให้สามารถปรับปรุงข้อ จำกัด ของมวลของกราวิตอนได้ (ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะมีมวลเป็นศูนย์) รวมทั้งจำกัดความแตกต่างระหว่างความเร็วของการแพร่กระจายของแรงโน้มถ่วงและความเร็วของ แสงสว่าง. แต่นักวิทยาศาสตร์หวังว่าในปี 2559 พวกเขาจะได้รับข้อมูลทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ใหม่จำนวนมากโดยใช้ LIGO และ VIRGO

ประการแรก ข้อมูลจากหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงเป็นช่องทางใหม่สำหรับการศึกษาหลุมดำ หากก่อนหน้านี้ทำได้เพียงสังเกตการไหลของสสารในบริเวณใกล้เคียงกับวัตถุเหล่านี้ ตอนนี้คุณสามารถ "เห็น" กระบวนการของการรวมตัวกันและ "สงบลง" ของหลุมดำที่เกิดขึ้นได้โดยตรง ว่าขอบฟ้าของมันผันผวนอย่างไร และเข้าสู่รูปร่างสุดท้ายของมัน ( กำหนดโดยการหมุน) อาจเป็นไปได้จนกระทั่งการค้นพบการระเหยของหลุมดำของฮอว์คิง (ขณะนี้กระบวนการนี้ยังคงเป็นสมมติฐาน) การศึกษาการควบรวมจะให้ข้อมูลโดยตรงที่ดีกว่าเกี่ยวกับหลุมดำ

ประการที่สอง การสังเกตการควบรวมดาวนิวตรอนจะให้ข้อมูลใหม่ที่จำเป็นเร่งด่วนมากมายเกี่ยวกับวัตถุเหล่านี้ นับเป็นครั้งแรกที่เราจะสามารถศึกษาดาวนิวตรอนในแบบที่นักฟิสิกส์ศึกษาอนุภาค โดยดูพวกมันชนกันเพื่อทำความเข้าใจว่าพวกมันทำงานภายในอย่างไร ความลึกลับของโครงสร้างภายในดาวนิวตรอนทำให้ทั้งนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์และนักฟิสิกส์กังวล ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับฟิสิกส์นิวเคลียร์และพฤติกรรมของสสารที่มีความหนาแน่นสูงพิเศษจะไม่สมบูรณ์หากไม่แก้ไขปัญหานี้ มีแนวโน้มว่าการสังเกตคลื่นความโน้มถ่วงจะมีบทบาทสำคัญที่นี่

เชื่อกันว่าการควบรวมดาวนิวตรอนเป็นสาเหตุของการระเบิดรังสีแกมมาในจักรวาลวิทยาสั้นๆ ในบางกรณีที่เกิดขึ้นไม่บ่อยนัก เป็นไปได้ที่จะสังเกตเหตุการณ์พร้อมกันทั้งในช่วงแกมมาและบนเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง (สิ่งที่หายากนั้นเกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าประการแรกสัญญาณแกมม่าจะรวมตัวอยู่ในลำแสงที่แคบมากและไม่เป็นเช่นนั้น มุ่งตรงมาที่เราเสมอ แต่ประการที่สอง เราจะไม่บันทึกคลื่นความโน้มถ่วงจากเหตุการณ์ที่อยู่ห่างไกลมาก) เห็นได้ชัดว่าต้องใช้เวลาหลายปีในการสังเกตจึงจะเห็นสิ่งนี้ (แม้ว่าตามปกติคุณอาจโชคดีและมันจะเกิดขึ้นในวันนี้) จากนั้น เหนือสิ่งอื่นใด เราจะสามารถเปรียบเทียบความเร็วของแรงโน้มถ่วงกับความเร็วแสงได้อย่างแม่นยำมาก

ดังนั้น เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ที่ทำงานร่วมกันจะทำงานเป็นกล้องโทรทรรศน์คลื่นความโน้มถ่วงเพียงตัวเดียว ซึ่งนำความรู้ใหม่มาสู่ทั้งนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์และนักฟิสิกส์ ไม่ช้าก็เร็วรางวัลโนเบลที่สมควรจะได้รับจะมอบให้สำหรับการค้นพบการระเบิดครั้งแรกและการวิเคราะห์

2198

เมื่อวานนี้ โลกตกตะลึงด้วยความรู้สึก: ในที่สุดนักวิทยาศาสตร์ก็ค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งไอน์สไตน์ทำนายไว้เมื่อร้อยปีก่อน นี่คือความก้าวหน้า การบิดเบือนของกาล-อวกาศ (นี่คือคลื่นความโน้มถ่วง - ตอนนี้เราจะอธิบายว่าอะไรคืออะไร) ถูกค้นพบที่หอดูดาว LIGO และหนึ่งในผู้ก่อตั้งคือ - คุณคิดว่าใคร - คิป ธอร์น ผู้เขียนหนังสือ

เราบอกคุณว่าทำไมการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงจึงมีความสำคัญ สิ่งที่ Mark Zuckerberg พูด และแน่นอนว่าจะแบ่งปันเรื่องราวจากคนแรก Kip Thorne ไม่เหมือนใคร เขารู้ว่าโครงการนี้ทำงานอย่างไร อะไรที่ทำให้โครงการนี้ไม่ธรรมดา และ LIGO มีความสำคัญต่อมนุษยชาติอย่างไร ใช่ ใช่ ทุกอย่างจริงจังมาก

การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง

โลกวิทยาศาสตร์จะจดจำวันที่ 11 กุมภาพันธ์ 2559 ตลอดไป ในวันนี้ผู้เข้าร่วมในโครงการ LIGO ประกาศว่า: หลังจากพยายามอย่างไร้ประโยชน์หลายครั้งก็พบคลื่นความโน้มถ่วง นี่คือความจริง ในความเป็นจริงพวกเขาถูกค้นพบก่อนหน้านี้เล็กน้อย: ในเดือนกันยายน 2558 แต่เมื่อวานนี้การค้นพบได้รับการยอมรับอย่างเป็นทางการ เดอะการ์เดียนเชื่อว่านักวิทยาศาสตร์จะได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์อย่างแน่นอน

สาเหตุของคลื่นความโน้มถ่วงคือการชนกันของหลุมดำ 2 หลุม ซึ่งเกิดขึ้นแล้ว...ห่างจากโลกหนึ่งพันล้านปีแสง คุณลองจินตนาการดูว่าจักรวาลของเราใหญ่โตแค่ไหน! เนื่องจากหลุมดำเป็นวัตถุที่มีมวลมาก พวกมันจึงส่งระลอกคลื่นผ่านอวกาศ-เวลา และบิดเบือนไปเล็กน้อย คลื่นจึงปรากฏขึ้น คล้ายกับคลื่นที่แผ่ออกจากหินที่ถูกโยนลงไปในน้ำ

นี่คือวิธีที่คุณสามารถจินตนาการถึงคลื่นความโน้มถ่วงที่มายังโลก เช่น จากรูหนอน วาดจากหนังสือ “Interstellar. วิทยาศาสตร์เบื้องหลัง"

การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นก็ถูกแปลงเป็นเสียง สิ่งที่น่าสนใจคือสัญญาณจากคลื่นความโน้มถ่วงมาถึงที่ความถี่เดียวกับคำพูดของเราโดยประมาณ ดังนั้นเราจึงสามารถได้ยินกับหูของเราเองว่าหลุมดำชนกันอย่างไร ฟังว่าคลื่นความโน้มถ่วงมีเสียงเป็นอย่างไร

และเดาอะไร? ล่าสุด หลุมดำไม่มีโครงสร้างตามที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ แต่ไม่มีหลักฐานเลยว่าพวกเขามีอยู่ในหลักการ และตอนนี้ก็มี หลุมดำ "มีชีวิตอยู่" ในจักรวาลจริงๆ

นี่คือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าภัยพิบัติดูเหมือนเป็นการรวมตัวกันของหลุมดำ

เมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ มีการประชุมใหญ่ครั้งยิ่งใหญ่ซึ่งมีนักวิทยาศาสตร์มากกว่าหนึ่งพันคนจาก 15 ประเทศมารวมตัวกัน มีนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียเข้าร่วมด้วย และแน่นอนว่ายังมีคิป ธอร์นด้วย “การค้นพบนี้เป็นจุดเริ่มต้นของภารกิจอันน่าทึ่งและยิ่งใหญ่สำหรับผู้คน นั่นคือการค้นหาและการสำรวจด้านโค้งของจักรวาล วัตถุและปรากฏการณ์ที่สร้างขึ้นจากกาลอวกาศที่บิดเบี้ยว การชนกันของหลุมดำและคลื่นความโน้มถ่วงเป็นตัวอย่างแรกที่น่าทึ่งของเรา” คิป ธอร์น กล่าว

การค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงถือเป็นปัญหาหลักประการหนึ่งในวิชาฟิสิกส์ ตอนนี้พวกเขาถูกพบแล้ว และอัจฉริยะของไอน์สไตน์ได้รับการยืนยันอีกครั้ง

ในเดือนตุลาคม เราได้สัมภาษณ์เซอร์เกย์ โปปอฟ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวรัสเซียและผู้เผยแพร่วิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียง เขาดูเหมือนกำลังมองลงไปในน้ำ! ในฤดูใบไม้ร่วง: “ สำหรับฉันดูเหมือนว่าตอนนี้เราอยู่บนเกณฑ์ของการค้นพบใหม่ซึ่งส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการทำงานของเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง LIGO และ VIRGO (Kip Thorne มีส่วนสำคัญในการสร้างโครงการ LIGO) ” น่าทึ่งใช่มั้ย?

คลื่นความโน้มถ่วง เครื่องตรวจจับคลื่น และ LIGO

เอาล่ะสำหรับฟิสิกส์เล็กน้อย สำหรับผู้ที่ต้องการทำความเข้าใจว่าคลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร นี่เป็นการแสดงภาพเส้นเอ็นของหลุมดำสองหลุมที่โคจรรอบกันและกัน ทวนเข็มนาฬิกา แล้วชนกันอย่างมีศิลปะ เส้น Tendex ทำให้เกิดแรงโน้มถ่วงของกระแสน้ำ ไปข้างหน้า. เส้นที่เล็ดลอดออกมาจากจุดสองจุดที่อยู่ห่างจากกันมากที่สุดบนพื้นผิวของหลุมดำคู่หนึ่ง ทอดยาวทุกสิ่งที่ขวางหน้า รวมถึงเพื่อนของศิลปินในภาพวาดด้วย เส้นที่เล็ดลอดออกมาจากบริเวณที่ชนกันบีบรัดทุกสิ่ง

ขณะที่รูต่างๆ หมุนรอบกัน พวกมันก็จะเคลื่อนตัวไปตามเส้นเอ็น ซึ่งมีลักษณะคล้ายกระแสน้ำจากสปริงเกอร์ที่หมุนอยู่บนสนามหญ้า ในภาพจากหนังสือ “Interstellar. วิทยาศาสตร์เบื้องหลัง" - หลุมดำคู่หนึ่งชนกัน หมุนรอบกันทวนเข็มนาฬิกา และเส้นเอ็นของพวกมัน

หลุมดำรวมตัวกันเป็นหลุมใหญ่หลุมเดียว มันมีรูปร่างผิดปกติและหมุนทวนเข็มนาฬิกาโดยลากเส้นเอ็นด้วย ผู้สังเกตการณ์ที่อยู่นิ่งห่างจากหลุมจะรู้สึกถึงแรงสั่นสะเทือนเมื่อเส้นเอ็นเคลื่อนผ่านเขา การยืด จากนั้นจึงบีบอัด จากนั้นจึงยืด เส้นเอ็นกลายเป็นคลื่นความโน้มถ่วง เมื่อคลื่นแพร่กระจาย ความผิดปกติของหลุมดำจะค่อยๆ ลดลง และคลื่นก็อ่อนลงเช่นกัน

เมื่อคลื่นเหล่านี้มาถึงโลก จะมีลักษณะเหมือนดังที่แสดงไว้ที่ด้านบนของภาพด้านล่าง พวกมันยืดไปในทิศทางหนึ่งและบีบอัดไปในทิศทางอื่น การยืดและการบีบอัดจะสั่น (จากสีแดงขวา-ซ้าย ไปเป็นสีน้ำเงินขวา-ซ้าย ไปเป็นสีแดงขวา-ซ้าย ฯลฯ) ขณะที่คลื่นเคลื่อนผ่านตัวตรวจจับที่ด้านล่างของภาพ

คลื่นความโน้มถ่วงที่ผ่านเครื่องตรวจจับ LIGO

เครื่องตรวจจับประกอบด้วยกระจกบานใหญ่สี่บาน (40 กิโลกรัม เส้นผ่านศูนย์กลาง 34 เซนติเมตร) ซึ่งติดอยู่ที่ปลายท่อตั้งฉากสองท่อ เรียกว่าแขนเครื่องตรวจจับ เส้น Tendex ของคลื่นความโน้มถ่วงยืดแขนข้างหนึ่งในขณะที่บีบอัดแขนที่สองจากนั้นบีบอัดแขนข้างแรกและยืดแขนที่สองในทางกลับกัน และอีกครั้งแล้วครั้งเล่า เมื่อความยาวของแขนเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ กระจกจะเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน และการเคลื่อนไหวเหล่านี้จะถูกติดตามโดยใช้ลำแสงเลเซอร์ในลักษณะที่เรียกว่าอินเตอร์เฟอโรเมท จึงเป็นที่มาของชื่อ LIGO: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory

ศูนย์ควบคุม LIGO ซึ่งจะส่งคำสั่งไปยังเครื่องตรวจจับและตรวจสอบสัญญาณที่ได้รับ เครื่องตรวจจับแรงโน้มถ่วงของ LIGO ตั้งอยู่ในแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน และลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา ภาพถ่ายจากหนังสือ “ดวงดาว” วิทยาศาสตร์เบื้องหลัง"

ปัจจุบัน LIGO เป็นโครงการระดับนานาชาติที่เกี่ยวข้องกับนักวิทยาศาสตร์ 900 คนจากประเทศต่างๆ โดยมีสำนักงานใหญ่ตั้งอยู่ที่สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย

ด้านโค้งของจักรวาล

หลุมดำ รูหนอน ภาวะเอกฐาน ความผิดปกติของแรงโน้มถ่วง และมิติลำดับที่สูงกว่านั้นสัมพันธ์กับความโค้งของอวกาศและเวลา นั่นเป็นเหตุผลที่ Kip Thorne เรียกพวกเขาว่า "ด้านที่บิดเบี้ยวของจักรวาล" มนุษยชาติยังคงมีข้อมูลการทดลองและการสังเกตจากด้านโค้งของจักรวาลน้อยมาก นี่คือเหตุผลที่เราให้ความสนใจอย่างมากกับคลื่นความโน้มถ่วง เนื่องจากคลื่นเหล่านี้สร้างจากพื้นที่โค้งและเป็นวิธีที่เข้าถึงได้มากที่สุดสำหรับเราในการสำรวจด้านโค้ง

ลองนึกภาพถ้าคุณเห็นทะเลเฉพาะตอนที่สงบเท่านั้น คุณจะไม่รู้เกี่ยวกับกระแสน้ำวนและคลื่นพายุ สิ่งนี้ชวนให้นึกถึงความรู้ในปัจจุบันของเราเกี่ยวกับความโค้งของอวกาศและเวลา

เราแทบไม่รู้อะไรเลยเกี่ยวกับพฤติกรรมของอวกาศโค้งและเวลาโค้ง "ในพายุ" เมื่อรูปร่างของอวกาศผันผวนอย่างรุนแรง และเมื่อความเร็วของเวลาผันผวน นี่เป็นขอบเขตความรู้ที่มีเสน่ห์อย่างไม่น่าเชื่อ นักวิทยาศาสตร์ จอห์น วีลเลอร์ ได้บัญญัติคำว่า "geometrodynamics" สำหรับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้

สิ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษในสาขาเรขาคณิตไดนามิกส์คือการชนกันของหลุมดำสองแห่ง

การชนกันของหลุมดำ 2 หลุมที่ไม่หมุนรอบตัวเอง แบบจำลองจากหนังสือ “Interstellar. วิทยาศาสตร์เบื้องหลัง"

ภาพด้านบนแสดงช่วงเวลาที่หลุมดำสองหลุมชนกัน เหตุการณ์ดังกล่าวทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถบันทึกคลื่นความโน้มถ่วงได้ รุ่นนี้สร้างขึ้นสำหรับหลุมดำที่ไม่หมุน บน: วงโคจรและเงาของหลุม เมื่อมองจากจักรวาลของเรา กลาง: พื้นที่และเวลาโค้ง ตามที่เห็นจากมวลรวม (ไฮเปอร์สเปซหลายมิติ) ลูกศรแสดงให้เห็นว่าอวกาศเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวอย่างไร และสีที่เปลี่ยนไปจะแสดงให้เห็นว่าเวลาคลาดเคลื่อนไปอย่างไร ด้านล่าง: รูปร่างของคลื่นความโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมา

คลื่นความโน้มถ่วงจากบิ๊กแบง

มุ่งหน้าสู่คิป ธอร์น “ในปี 1975 Leonid Grischuk เพื่อนที่ดีของฉันจากรัสเซียได้ออกแถลงการณ์ที่น่าตื่นเต้น เขากล่าวว่าในช่วงเวลาที่เกิดบิ๊กแบง คลื่นความโน้มถ่วงจำนวนมากเกิดขึ้น และกลไกการกำเนิดของพวกมัน (ไม่ทราบมาก่อน) มีดังนี้: ความผันผวนของควอนตัม (ความผันผวนแบบสุ่ม - หมายเหตุบรรณาธิการ)สนามโน้มถ่วงในช่วงบิกแบงได้รับการปรับปรุงอย่างมากจากการขยายตัวครั้งแรกของเอกภพ และด้วยเหตุนี้จึงกลายเป็นคลื่นความโน้มถ่วงดั้งเดิม หากตรวจพบคลื่นเหล่านี้ ก็สามารถบอกเราได้ว่าเกิดอะไรขึ้นตั้งแต่กำเนิดจักรวาลของเรา"

หากนักวิทยาศาสตร์ค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงในยุคแรกเริ่ม เราก็จะรู้ว่าจักรวาลเริ่มต้นได้อย่างไร

ผู้คนได้คลี่คลายความลึกลับทั้งหมดของจักรวาลไปแล้ว ยังมีอีกมากที่จะมา

ในปีต่อๆ มา เมื่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับบิกแบงดีขึ้น ก็เห็นได้ชัดว่าคลื่นดึกดำบรรพ์เหล่านี้จะต้องมีความรุนแรงในช่วงความยาวคลื่นที่สมกับขนาดของเอกภพที่มองเห็นได้ ซึ่งก็คือความยาวหลายพันล้านปีแสง ลองนึกภาพดูไหมว่านี่คือเท่าใด.. และในช่วงความยาวคลื่นที่เครื่องตรวจจับ LIGO ครอบคลุม (หลายร้อยหลายพันกิโลเมตร) คลื่นส่วนใหญ่มักจะอ่อนเกินกว่าจะรับรู้ได้

ทีมงานของเจมี บ็อกได้สร้างอุปกรณ์ BICEP2 ซึ่งค้นพบร่องรอยของคลื่นความโน้มถ่วงดั้งเดิม อุปกรณ์ที่ตั้งอยู่ที่ขั้วโลกเหนือจะแสดงที่นี่ในช่วงพลบค่ำ ซึ่งเกิดขึ้นที่นั่นปีละสองครั้งเท่านั้น

อุปกรณ์ BICEP2 ภาพจากหนังสือ Interstellar วิทยาศาสตร์เบื้องหลัง"

มันถูกล้อมรอบด้วยเกราะที่ป้องกันอุปกรณ์จากการแผ่รังสีจากน้ำแข็งที่ปกคลุมโดยรอบ ที่มุมขวาบนมีร่องรอยที่พบในรังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิก - รูปแบบโพลาไรเซชัน เส้นสนามไฟฟ้าพุ่งไปตามจังหวะแสงสั้นๆ

ร่องรอยการกำเนิดจักรวาล

ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1990 นักจักรวาลวิทยาได้ตระหนักว่าคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งมีความยาวหลายพันล้านปีแสงจะต้องทิ้งร่องรอยเฉพาะไว้ในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เต็มจักรวาล ซึ่งเรียกว่าพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก หรือรังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิก นี่เป็นการเริ่มการค้นหาจอกศักดิ์สิทธิ์ ท้ายที่สุดแล้ว ถ้าเราตรวจพบร่องรอยนี้และสรุปคุณสมบัติของคลื่นความโน้มถ่วงดั้งเดิมจากมัน เราก็จะสามารถทราบได้ว่าจักรวาลถือกำเนิดขึ้นมาได้อย่างไร

ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2557 ขณะที่คิป ธอร์นกำลังเขียนหนังสือเล่มนี้ ทีมงานของเจมี บ็อก นักจักรวาลวิทยาที่คาลเทคซึ่งมีสำนักงานอยู่ติดกับร้านทอร์น ในที่สุดก็ค้นพบร่องรอยนี้ในการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล

นี่เป็นการค้นพบที่น่าทึ่งอย่างยิ่ง แต่ก็มีประเด็นที่ถกเถียงกันอยู่ประการหนึ่ง คือ ร่องรอยที่พบโดยทีมของเจมี อาจเกิดจากสิ่งอื่นที่ไม่ใช่คลื่นความโน้มถ่วง

หากพบร่องรอยของคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นระหว่างบิกแบงจริงๆ นั่นหมายความว่ามีการค้นพบทางจักรวาลวิทยาเกิดขึ้นในระดับที่อาจเกิดขึ้นทุกๆ ครึ่งศตวรรษ มันเปิดโอกาสให้คุณสัมผัสเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นหนึ่งในล้านล้านของหนึ่งล้านล้านวินาทีหลังจากการกำเนิดของจักรวาล

การค้นพบครั้งนี้เป็นการยืนยันทฤษฎีต่างๆ ที่ว่าการขยายตัวของเอกภพในขณะนั้นนั้นรวดเร็วมาก ตามคำสแลงของนักจักรวาลวิทยาที่ว่า เร็วแบบพองตัว และประกาศการมาถึงของยุคใหม่ในจักรวาลวิทยา

คลื่นความโน้มถ่วงและดวงดาว

เมื่อวานนี้ในการประชุมเกี่ยวกับการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง Valery Mitrofanov หัวหน้าทีมนักวิทยาศาสตร์ของ Moscow LIGO ซึ่งรวมถึงนักวิทยาศาสตร์ 8 คนจาก Moscow State University ตั้งข้อสังเกตว่าเนื้อเรื่องของภาพยนตร์เรื่อง "Interstellar" แม้ว่าจะน่าอัศจรรย์ แต่ก็ไม่เป็นเช่นนั้น ห่างไกลจากความเป็นจริง และทั้งหมดเป็นเพราะ Kip Thorne เป็นที่ปรึกษาด้านวิทยาศาสตร์ Thorne เองแสดงความหวังว่าเขาเชื่อในเที่ยวบินที่มีคนขับไปยังหลุมดำในอนาคต อาจไม่เกิดขึ้นทันทีที่เราต้องการ แต่วันนี้มันเกิดขึ้นจริงมากกว่าเมื่อก่อนมาก

วันนั้นอยู่ไม่ไกลเกินไป เมื่อผู้คนจะออกจากขอบเขตกาแล็กซีของเรา

เหตุการณ์ดังกล่าวปลุกเร้าจิตใจของผู้คนนับล้าน Mark Zuckerberg ผู้โด่งดังเขียนว่า “การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงถือเป็นการค้นพบครั้งใหญ่ที่สุดในวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์คือหนึ่งในฮีโร่ของฉัน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมฉันถึงค้นพบการค้นพบนี้เป็นการส่วนตัว เมื่อหนึ่งศตวรรษก่อน ภายใต้กรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GTR) เขาทำนายการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง แต่พวกมันมีขนาดเล็กมากจนตรวจพบว่ามันได้มาตามหาพวกมันในต้นกำเนิดของเหตุการณ์ต่างๆ เช่น บิ๊กแบง การระเบิดของดวงดาว และการชนกันของหลุมดำ เมื่อนักวิทยาศาสตร์วิเคราะห์ข้อมูลที่ได้รับ มุมมองใหม่ของอวกาศจะเปิดออกต่อหน้าเรา และบางทีนี่อาจจะให้ความกระจ่างเกี่ยวกับการกำเนิดของจักรวาล การกำเนิดและการพัฒนาของหลุมดำ เป็นเรื่องที่สร้างแรงบันดาลใจอย่างมากเมื่อนึกถึงจำนวนชีวิตและความพยายามในการเปิดเผยความลึกลับของจักรวาลนี้ ความก้าวหน้านี้เกิดขึ้นได้ด้วยความสามารถของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่เก่งกาจ ผู้คนจากหลากหลายเชื้อชาติ ตลอดจนเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ล่าสุดที่เพิ่งปรากฏเมื่อไม่นานมานี้ ขอแสดงความยินดีกับทุกคนที่เกี่ยวข้อง ไอน์สไตน์จะต้องภูมิใจในตัวคุณ”

นี่คือคำพูด และนี่คือบุคคลที่สนใจวิทยาศาสตร์เพียงอย่างเดียว เราคงจินตนาการได้ว่าพายุแห่งอารมณ์ครอบงำนักวิทยาศาสตร์ที่มีส่วนร่วมในการค้นพบนี้อย่างไร ดูเหมือนเราได้เห็นยุคใหม่แล้วเพื่อนๆ นี่มันอัศจรรย์มาก.

ป.ล. : คุณชอบมันไหม? สมัครรับจดหมายข่าวของเราบนขอบฟ้า เราจะส่งจดหมายให้ความรู้สัปดาห์ละครั้งและมอบส่วนลดสำหรับหนังสือ MYTH

นักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งจาก 16 ประเทศได้รับหลักฐานการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงในทางปฏิบัติเป็นครั้งแรก พวกมันได้รับความช่วยเหลือจากหลุมดำสองแห่งที่รวมตัวกันเป็นหนึ่งเมื่อ 1.3 พันล้านปีก่อน ในกระบวนการนี้ มีการปล่อยพลังงานออกมาซึ่งทำให้โลกสั่นสะเทือนราวกับเยลลี่ ฟอนทันกาพยายามทำความเข้าใจหลักฐานที่นำเสนอ

ที่มา: LIGO

“เราตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง” David Reits ผู้อำนวยการบริหารของ LIGO Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory กล่าวในงานแถลงข่าวที่วอชิงตัน คำพูดของเขาทำให้เกิดเสียงปรบมือ ถึงกระนั้น ก็ไม่บ่อยนักที่วิทยาศาสตร์พื้นฐานจะพอใจกับการค้นพบในระดับสากล

การวิจัยขยายไปไกลกว่าโลกอย่างแท้จริง แหล่งกำเนิดการสั่นสะเทือนซึ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจจับได้นั้นตั้งอยู่ที่ไหนสักแห่งทางตอนใต้ของท้องฟ้าที่เต็มไปด้วยดวงดาว คลื่นดังกล่าวมาจากเมฆแมเจลแลนซึ่งเป็นกาแลคซีบริวารของทางช้างเผือก ตำแหน่งที่เป็นไปได้ของแหล่งที่มาที่มีความน่าจะเป็นที่แตกต่างกันจะถูกทำเครื่องหมายไว้บนแผนที่ด้านล่าง

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเมื่อประมาณ 1.3 พันล้านปีก่อน มีเหตุการณ์อัศจรรย์เกิดขึ้นที่นั่นเมื่อหลุมดำสองหลุมอยู่ภายใต้อิทธิพลของกันและกันและเริ่มเข้าใกล้กัน เราขอเตือนคุณว่า "หลุมดำ" เป็นชื่อทั่วไปของวัตถุอวกาศที่ดึงดูดทุกสิ่งที่อยู่ใกล้เคียง แรงโน้มถ่วงนั้นรุนแรงมากจนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลบหนีออกไปได้ ด้วยเหตุนี้ เมื่อเทียบกับพื้นหลังของดวงดาวและวัตถุที่สว่างจ้า "หลุมดำ" จึงดูมืดสนิท

ดังนั้นวัตถุทั้งสองจึงเริ่มดึงดูดกันโดยเคลื่อนตัวไปตามหอยทาก ดังนั้น พวกมันจึงสร้างความปั่นป่วนในสนามโน้มถ่วง และคลื่นความโน้มถ่วงก็เริ่มแยกออกจากการเคลื่อนที่ของพวกมัน กระบวนการสิ้นสุดลงอย่างมีเหตุผล: โดยการเข้าร่วมเป็นวัตถุจักรวาลเดียว เมื่อมองดูจะคล้ายกับการแบ่งเซลล์ซึ่งทุกคนคุ้นเคยจากตำราชีววิทยาและดำเนินไปในทิศทางตรงกันข้าม

นักวิจัย LIGO สังเกตช่วงเวลาวิกฤติ หนึ่งมิลลิวินาทีก่อนที่หลุมดำทั้งสองจะรวมกันเป็นหนึ่งในที่สุด เมื่อมีการปล่อยพลังงานออกมามากกว่าพลังงานของดวงดาวทั้งหมดในจักรวาลถึง 50 เท่า

ที่มา: LIGO

“คลื่นลูกที่เก้า” ชนิดหนึ่งพัดผ่านจักรวาลและมาถึงโลก คลื่นกระทบดาวเคราะห์และส่งผลต่อสนามโน้มถ่วงของมัน เพื่อความชัดเจน นักวิทยาศาสตร์อธิบายว่าผลลัพธ์นั้นคล้ายคลึงกับสิ่งที่จะเกิดขึ้นหากคุณจิ้มบางสิ่งลงในเยลลี่ และมันก็เริ่มสั่น อย่างไรก็ตาม แรงสั่นสะเทือนดังกล่าวไม่เป็นอันตรายต่อโลก และไม่มีสิ่งใดตรวจพบได้นอกจากเครื่องมือที่มีความไวสูงเป็นพิเศษ Rainer Weiss ผู้ร่วมก่อตั้ง LIGO แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าคลื่นเคลื่อนผ่านสนามโน้มถ่วงได้อย่างไร

เมื่อคลื่นมาถึงโลก การวิจัยเชิงทดลองเพื่อค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงได้ดำเนินการมาเป็นเวลาหนึ่งในสี่ของศตวรรษแล้ว ต้องบอกว่าความเป็นไปได้ทางทฤษฎีของการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงนั้นถูกกล่าวถึงในหลายทฤษฎี ตัวอย่างเช่น ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นความโน้มถ่วงจะเท่ากับความเร็วแสงในการประมาณเชิงเส้น

อย่างไรก็ตาม มันเป็นไปไม่ได้ที่จะหักล้างหรือยืนยันทฤษฎีใด ๆ เชิงทดลองได้ เนื่องจากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงนั้นยากมาก เพื่อทำความเข้าใจขนาดของปรากฏการณ์นี้ คุณจำเป็นต้องรู้ว่าในระบบสุริยะ แหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงที่ทรงพลังที่สุด แท้จริงแล้วคือดวงอาทิตย์และดาวพฤหัสบดี และพลังของคลื่นเหล่านี้ไม่มีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับพลังงานจลน์ของวัตถุเหล่านี้คือ 5 กิโลวัตต์

อย่างไรก็ตาม เมื่อวันที่ 14 กันยายน พ.ศ. 2558 หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงสองแห่งในสหรัฐอเมริกาสามารถบันทึกการสั่น ซึ่งต่อมานักวิทยาศาสตร์ระบุว่าเป็นคลื่นความโน้มถ่วง ประการแรก การสั่นสะเทือนถูกบันทึกในเมืองแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน และหลังจากนั้น 7 มิลลิวินาทีในเมืองลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา การตรวจสอบข้อมูลทั้งหมดอีกครั้งใช้เวลาประมาณหกเดือน หลังจากนั้น นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถบอกได้ว่าพวกเขาสามารถจับคลื่นโน้มถ่วงได้อย่างไร

มีการใช้เลเซอร์อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ในการวัด สาระสำคัญของงานคือการแบ่งลำแสงเลเซอร์ออกเป็นสองส่วนซึ่งมีความเข้มต่างกัน จากนั้นแต่ละคนก็ไปถึงกระจก ซึ่งจะสะท้อนกลับคืนสู่ระบบ และจากนั้นจะถูกส่งไปยังเครื่องตรวจจับแสงแบบพิเศษ หลักการทำงานของระบบแสดงอยู่ในวิดีโอด้านล่าง

ที่มา: LIGO

กระจกอยู่ห่างจากเลเซอร์พอสมควร และแยกได้จากการสั่นสะเทือนภายนอก เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงเคลื่อนผ่านโลก รูปร่างของมันจะเปลี่ยน ดังนั้นระยะห่างของกระจกจากแหล่งกำเนิดรังสีจึงเปลี่ยนไป ด้วยเหตุนี้ หลังจากที่ลำแสงเลเซอร์สะท้อนจากกระจก ลำแสงจะต้องมีระยะห่างมากขึ้นหรือน้อยลงเพื่อไปถึงตัวตรวจจับแสง ความแตกต่างในระดับจุลภาคของเลเซอร์ที่กระทบกับเครื่องตรวจจับแสงเป็นวิธีการกำหนดคลื่นความโน้มถ่วงอย่างแม่นยำ

เพื่อความชัดเจนยิ่งขึ้น นักวิทยาศาสตร์ได้พิจารณาความกว้างของคลื่นความโน้มถ่วงตามสี กาเบรียลา กอนซาเลซ โฆษกหญิงของ LIGO จากมหาวิทยาลัยลุยเซียนา ยังกล่าวอีกว่า คลื่นความโน้มถ่วงอยู่ในช่วงที่หูของมนุษย์สามารถตรวจจับได้ “เราได้ยินคลื่นความโน้มถ่วงอย่างแท้จริง เราได้ยินจักรวาล อย่างไรก็ตาม คลื่นนี้สั้นมากจนเราจะได้ยินเพียงเสียงที่คล้ายกับ “สาด!” กอนซาเลซอธิบาย

นอกจากนี้เรายังเชิญชวนผู้อ่าน Fontanka ให้ได้ยินคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 1.3 พันล้านปีก่อนอันเป็นผลมาจากการเชื่อมโยงของ "หลุมดำ" สองแห่งในกาแลคซีอันไกลโพ้น

ในวันพฤหัสบดีที่ 11 กุมภาพันธ์ กลุ่มนักวิทยาศาสตร์จากโครงการระหว่างประเทศ LIGO Scientific Collaboration ได้ประกาศว่าพวกเขาประสบความสำเร็จ ซึ่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ คาดการณ์การมีอยู่ของมันไว้ในปี 1916 ตามที่นักวิจัยระบุเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2558 พวกเขาบันทึกคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการชนกันของหลุมดำสองแห่งซึ่งมีน้ำหนัก 29 และ 36 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ หลังจากนั้นพวกมันก็รวมกันเป็นหลุมดำขนาดใหญ่หนึ่งหลุม ตามที่พวกเขากล่าวไว้ สิ่งนี้น่าจะเกิดขึ้นเมื่อ 1.3 พันล้านปีก่อนที่ระยะห่าง 410 เมกะพาร์เซกจากกาแลคซีของเรา

LIGA.net พูดถึงรายละเอียดเกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วงและการค้นพบครั้งใหญ่ บ็อกดาน ฮนาติคนักวิทยาศาสตร์ชาวยูเครน นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ดุษฎีบัณฑิตสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ นักวิจัยชั้นนำของหอดูดาวดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยแห่งชาติ Taras Shevchenko แห่ง Kyiv ซึ่งเป็นหัวหน้าหอดูดาวตั้งแต่ปี 2544 ถึง 2547

ทฤษฎีในแง่ง่าย

ฟิสิกส์ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างร่างกาย เป็นที่ยอมรับว่ามีปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุสี่ประเภท: ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า, ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบแรงและแบบอ่อน และปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วง ซึ่งเราทุกคนรู้สึก เนื่องจากปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วง ดาวเคราะห์จึงหมุนรอบดวงอาทิตย์ วัตถุจึงมีน้ำหนักและตกลงสู่พื้น มนุษย์ต้องเผชิญกับปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงอยู่ตลอดเวลา

ในปี 1916 เมื่อ 100 ปีที่แล้ว อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้สร้างทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่ปรับปรุงทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ทำให้ทฤษฎีนี้ถูกต้องทางคณิตศาสตร์ โดยเริ่มเป็นไปตามข้อกำหนดทั้งหมดของฟิสิกส์ และเริ่มคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าแรงโน้มถ่วงแพร่กระจายในระดับมาก สูงแต่มีความเร็วจำกัด นี่เป็นหนึ่งในความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของไอน์สไตน์อย่างถูกต้อง เนื่องจากเขาสร้างทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่สอดคล้องกับปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ทั้งหมดที่เราสังเกตเห็นในปัจจุบัน

ทฤษฎีนี้ยังเสนอแนะการดำรงอยู่ด้วย คลื่นความโน้มถ่วง- พื้นฐานของการทำนายนี้คือคลื่นความโน้มถ่วงมีอยู่อันเป็นผลมาจากอันตรกิริยาโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นเนื่องจากการรวมตัวกันของวัตถุขนาดใหญ่สองแห่ง

คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร

ในภาษาที่ซับซ้อน นี่คือการกระตุ้นของหน่วยเมตริกกาล-อวกาศ “สมมติว่าอวกาศมีความยืดหยุ่นและคลื่นสามารถไหลผ่านได้ มันคล้ายกับเมื่อเราโยนก้อนกรวดลงไปในน้ำแล้วคลื่นก็กระจายออกไป” แพทย์สาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์บอกกับ LIGA.net

นักวิทยาศาสตร์สามารถทดลองพิสูจน์ได้ว่ามีการแกว่งคล้าย ๆ กันเกิดขึ้นในจักรวาลและมีคลื่นความโน้มถ่วงวิ่งไปทุกทิศทาง “ ในทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์เป็นครั้งแรกที่มีการบันทึกปรากฏการณ์ของวิวัฒนาการความหายนะของระบบเลขฐานสองเมื่อวัตถุสองชิ้นรวมกันเป็นหนึ่งเดียวและการรวมกันนี้นำไปสู่การปลดปล่อยพลังงานความโน้มถ่วงที่รุนแรงมากซึ่งจากนั้นจะแพร่กระจายไปในอวกาศในรูปแบบ ของคลื่นความโน้มถ่วง” นักวิทยาศาสตร์อธิบาย

หน้าตาเป็นอย่างไร (ภาพถ่าย - EPA)

คลื่นความโน้มถ่วงเหล่านี้อ่อนแอมาก และเพื่อให้พวกมันสั่นกาลอวกาศ-เวลา ปฏิสัมพันธ์ของวัตถุที่มีขนาดใหญ่มากและใหญ่โตเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ความเข้มของสนามโน้มถ่วงสูง ณ จุดกำเนิด แต่ถึงแม้จะมีจุดอ่อน แต่ผู้สังเกตจะบันทึกคลื่นความโน้มถ่วงนี้หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง (เท่ากับระยะทางของการโต้ตอบหารด้วยความเร็วของสัญญาณ)

ลองยกตัวอย่าง: ถ้าโลกตกลงบนดวงอาทิตย์ ปฏิกิริยาโน้มถ่วงก็จะเกิดขึ้น พลังงานโน้มถ่วงจะถูกปล่อยออกมา คลื่นสมมาตรทรงกลมโน้มถ่วงจะเกิดขึ้น และผู้สังเกตการณ์จะสามารถบันทึกพลังงานนั้นได้ “จากมุมมองของฟิสิกส์ดาราศาสตร์ สิ่งที่คล้ายกันแต่ไม่เหมือนใคร ปรากฏการณ์เกิดขึ้นที่นี่ วัตถุขนาดใหญ่สองก้อนชนกัน - หลุมดำสองหลุม” กนาตีคตั้งข้อสังเกต

กลับไปสู่ทฤษฎีกัน

หลุมดำเป็นอีกคำทำนายของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ซึ่งระบุว่าวัตถุที่มีมวลมหาศาล แต่มวลนี้มีความเข้มข้นในปริมาตรเพียงเล็กน้อย สามารถบิดเบือนอวกาศรอบๆ อย่างมีนัยสำคัญได้จนกระทั่งปิดตัวลง นั่นคือสันนิษฐานว่าเมื่อถึงความเข้มข้นวิกฤตของมวลของร่างกายนี้ - เช่นขนาดของร่างกายจะน้อยกว่ารัศมีความโน้มถ่วงที่เรียกว่า พื้นที่รอบ ๆ วัตถุนี้จะถูกปิดและโครงสร้างของมัน จะเป็นเช่นนั้นไม่มีสัญญาณจากมันจะแพร่กระจายออกไปนอกพื้นที่ปิดไม่ได้

“พูดง่ายๆ ก็คือหลุมดำนั้นเป็นวัตถุขนาดใหญ่ที่หนักมากจนปิดกาลอวกาศรอบตัวเอง” นักวิทยาศาสตร์กล่าว

และตามที่เขาพูดเราสามารถส่งสัญญาณใด ๆ ไปยังวัตถุนี้ได้ แต่เขาไม่สามารถส่งสัญญาณให้เราได้ นั่นคือไม่มีสัญญาณใดสามารถไปไกลกว่าหลุมดำได้

หลุมดำมีชีวิตอยู่ตามกฎทางกายภาพทั่วไป แต่ด้วยแรงโน้มถ่วงที่รุนแรง ไม่ใช่วัตถุใดวัตถุหนึ่ง แม้แต่โฟตอน ก็สามารถผ่านพ้นพื้นผิววิกฤตนี้ได้ หลุมดำเกิดขึ้นในช่วงวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ธรรมดา เมื่อแกนกลางยุบตัวและส่วนหนึ่งของสสารของดาวยุบตัวกลายเป็นหลุมดำ และอีกส่วนหนึ่งของดาวฤกษ์ถูกดีดออกมาในรูปของเปลือกซูเปอร์โนวากลายเป็นหลุมดำ ที่เรียกว่า "การระเบิด" ของซูเปอร์โนวา

เราเห็นคลื่นความโน้มถ่วงได้อย่างไร

ลองยกตัวอย่าง เมื่อเรามีสองทุ่นบนผิวน้ำและน้ำสงบ ระยะห่างระหว่างพวกมันจะคงที่ เมื่อคลื่นมาถึง มันจะเข้ามาแทนที่ทุ่นเหล่านี้ และระยะห่างระหว่างทุ่นจะเปลี่ยนไป คลื่นได้ผ่านไปแล้ว - และทุ่นจะกลับสู่ตำแหน่งก่อนหน้า และระยะห่างระหว่างพวกมันก็กลับคืนมา

คลื่นความโน้มถ่วงแพร่กระจายในอวกาศ-เวลาในลักษณะที่คล้ายกัน: คลื่นบีบอัดและยืดร่างกายและวัตถุที่บรรจบกันบนเส้นทางของมัน “เมื่อพบวัตถุใดวัตถุหนึ่งตามเส้นทางของคลื่น มันจะมีรูปร่างผิดปกติไปตามแกนของมัน และหลังจากผ่านไปแล้ว มันก็จะกลับสู่รูปร่างเดิม ภายใต้อิทธิพลของคลื่นความโน้มถ่วง วัตถุทั้งหมดจะมีรูปร่างผิดปกติ แต่การเสียรูปเหล่านี้เกิดขึ้นอย่างมาก ไม่มีนัยสำคัญ” Gnatyk กล่าว

เมื่อคลื่นที่นักวิทยาศาสตร์บันทึกได้ผ่านไป ขนาดสัมพัทธ์ของวัตถุในอวกาศเปลี่ยนไปด้วยจำนวน 1 คูณ 10 เป็นกำลังลบ 21 ตัวอย่างเช่น หากคุณใช้ไม้บรรทัดเมตร มันจะหดตัวลงด้วยขนาดคูณด้วย 10 ยกกำลัง 21 นี่เป็นจำนวนที่น้อยมาก และปัญหาก็คือนักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องเรียนรู้วิธีวัดระยะทางนี้ วิธีการทั่วไปให้ความแม่นยำของลำดับ 1 ใน 10 ถึงยกกำลัง 9 ของล้าน แต่ที่นี่จำเป็นต้องมีความแม่นยำที่สูงกว่ามาก เพื่อจุดประสงค์นี้ สิ่งที่เรียกว่าเสาอากาศโน้มถ่วง (เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง) จึงถูกสร้างขึ้น

หอดูดาว LIGO (ภาพถ่าย - EPA)

เสาอากาศที่บันทึกคลื่นความโน้มถ่วงถูกสร้างขึ้นในลักษณะนี้ มีท่อสองท่อ ยาวประมาณ 4 กิโลเมตร อยู่ในรูปตัวอักษร "L" แต่มีแขนเท่ากันและทำมุมฉาก เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงกระทบกับระบบ ปีกของเสาอากาศจะเปลี่ยนรูป แต่ขึ้นอยู่กับทิศทางของมัน ปีกของเสาอากาศจะเปลี่ยนรูปอีกอันหนึ่งและอีกอันหนึ่งเปลี่ยนรูปน้อยลง จากนั้นความแตกต่างของเส้นทางก็เกิดขึ้น รูปแบบการรบกวนของสัญญาณจะเปลี่ยนไป - แอมพลิจูดบวกหรือลบทั้งหมดจะปรากฏขึ้น

“กล่าวคือ การเคลื่อนตัวของคลื่นความโน้มถ่วงจะคล้ายกับคลื่นบนน้ำที่ผ่านระหว่างลูกลอย 2 ลูก ถ้าเราวัดระยะห่างระหว่างลูกลอยทั้งระหว่างและหลังลูกลอย เราจะเห็นว่าระยะทางจะเปลี่ยนไป แล้วจึงกลายเป็น เหมือนเดิมอีกครั้ง” เขากล่าวกนาติค

ต่อไปนี้เป็นการวัดการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ในระยะห่างของปีกทั้งสองของอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ ซึ่งแต่ละปีกมีความยาวประมาณ 4 กิโลเมตร และมีเพียงเทคโนโลยีและระบบที่แม่นยำมากเท่านั้นที่สามารถวัดการกระจัดของปีกด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่เกิดจากคลื่นความโน้มถ่วง

ที่ขอบจักรวาล คลื่นมาจากไหน?

นักวิทยาศาสตร์บันทึกสัญญาณโดยใช้เครื่องตรวจจับสองตัวซึ่งตั้งอยู่ในสองรัฐในสหรัฐอเมริกา: ลุยเซียนาและวอชิงตันในระยะทางประมาณ 3 พันกิโลเมตร นักวิทยาศาสตร์สามารถประมาณได้ว่าสัญญาณนี้มาที่ไหนและจากระยะไกลเท่าใด การประมาณการแสดงให้เห็นว่าสัญญาณมาจากระยะห่าง 410 เมกะพาร์เซก เมกะพาร์เซกคือระยะทางที่แสงเดินทางในสามล้านปี

เพื่อให้ง่ายต่อการจินตนาการ: กาแลคซีกัมมันต์ที่ใกล้ที่สุดสำหรับเราซึ่งมีหลุมดำมวลมหาศาลอยู่ตรงกลางคือ Centaurus A ซึ่งอยู่ห่างจากเราสี่เมกะพาร์เซก ในขณะที่เนบิวลาแอนโดรเมดาอยู่ที่ระยะทาง 0.7 เมกะพาร์เซก “นั่นคือระยะทางที่สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงมานั้นไกลมากจนสัญญาณเดินทางมายังโลกประมาณ 1.3 พันล้านปี สิ่งเหล่านี้เป็นระยะทางทางจักรวาลวิทยาที่ไปถึงประมาณ 10% ของขอบฟ้าของจักรวาลของเรา” นักวิทยาศาสตร์กล่าว

ที่ระยะนี้ ในกาแลคซีไกลโพ้นบางแห่ง มีหลุมดำสองแห่งมารวมกัน ในอีกด้านหนึ่ง รูเหล่านี้มีขนาดค่อนข้างเล็ก และในทางกลับกัน แอมพลิจูดของสัญญาณขนาดใหญ่บ่งบอกว่าพวกมันหนักมาก พบว่ามีมวล 36 และ 29 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ตามลำดับ ดังที่ทราบกันว่ามวลของดวงอาทิตย์มีค่าเท่ากับ 2 คูณ 10 ยกกำลัง 30 ของกิโลกรัม หลังจากการควบรวมกิจการ วัตถุทั้งสองนี้รวมกันและตอนนี้หลุมดำหลุมเดียวได้ก่อตัวขึ้นแทนที่ซึ่งมีมวลเท่ากับ 62 มวลดวงอาทิตย์ ในเวลาเดียวกัน ดวงอาทิตย์ประมาณสามมวลกระเด็นออกมาในรูปของพลังงานคลื่นความโน้มถ่วง

ใครเป็นผู้ค้นพบและเมื่อใด

นักวิทยาศาสตร์จากโครงการ LIGO ระหว่างประเทศสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้เมื่อวันที่ 14 กันยายน 2558 ลิโก (หอสังเกตการณ์แรงโน้มถ่วงด้วยเลเซอร์อินเทอร์เฟอโรเมทรี)เป็นโครงการระหว่างประเทศที่รัฐหลายรัฐมีส่วนร่วม โดยให้การสนับสนุนทางการเงินและวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะสหรัฐอเมริกา อิตาลี ญี่ปุ่นซึ่งมีความก้าวหน้าในด้านการวิจัยนี้

ศาสตราจารย์ Rainer Weiss และ Kip Thorne (ภาพ - EPA)

ภาพต่อไปนี้ถูกบันทึก: ปีกของเครื่องตรวจจับความโน้มถ่วงขยับเนื่องจากการเคลื่อนตัวของคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นจริงผ่านโลกของเราและผ่านการติดตั้งนี้ ตอนนั้นไม่ได้รายงานเรื่องนี้ เนื่องจากต้องประมวลผลสัญญาณ "ทำความสะอาด" จึงพบแอมพลิจูดและตรวจสอบ นี่เป็นขั้นตอนมาตรฐาน: ตั้งแต่การค้นพบจริงไปจนถึงการประกาศการค้นพบ ต้องใช้เวลาหลายเดือนในการออกแถลงการณ์ที่เป็นรูปธรรม “ไม่มีใครอยากทำลายชื่อเสียงของตนเอง นี่เป็นข้อมูลที่เป็นความลับ ก่อนที่จะเผยแพร่โดยไม่มีใครรู้ มีเพียงข่าวลือเท่านั้น” Hnatyk กล่าว

เรื่องราว

คลื่นความโน้มถ่วงได้รับการศึกษามาตั้งแต่ทศวรรษที่ 70 ของศตวรรษที่ผ่านมา ในช่วงเวลานี้ มีการสร้างเครื่องตรวจจับจำนวนหนึ่งและมีการศึกษาพื้นฐานจำนวนหนึ่ง ในยุค 80 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน Joseph Weber ได้สร้างเสาอากาศโน้มถ่วงตัวแรกในรูปแบบของกระบอกอลูมิเนียมซึ่งมีขนาดประมาณหลายเมตร ติดตั้งเซ็นเซอร์เพียโซที่ควรบันทึกการผ่านของคลื่นโน้มถ่วง

ความไวของอุปกรณ์นี้แย่กว่าเครื่องตรวจจับปัจจุบันถึงล้านเท่า และแน่นอนว่าตอนนั้นเขาไม่สามารถตรวจจับคลื่นได้จริงๆ แม้ว่าเวเบอร์จะประกาศว่าเขาได้ทำมันแล้วก็ตาม สื่อมวลชนเขียนเกี่ยวกับมันและเกิด "แรงโน้มถ่วงบูม" - โลกเริ่มสร้างเสาอากาศโน้มถ่วงทันที เวเบอร์สนับสนุนให้นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงและทำการทดลองปรากฏการณ์นี้ต่อไป ซึ่งทำให้สามารถเพิ่มความไวของเครื่องตรวจจับได้นับล้านครั้ง

อย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์ของคลื่นความโน้มถ่วงนั้นถูกบันทึกไว้ในศตวรรษที่ผ่านมา เมื่อนักวิทยาศาสตร์ค้นพบพัลซาร์คู่ นี่เป็นการบันทึกโดยอ้อมถึงความจริงที่ว่าคลื่นความโน้มถ่วงมีอยู่จริง ซึ่งพิสูจน์ผ่านการสังเกตทางดาราศาสตร์แล้ว พัลซาร์ถูกค้นพบโดยรัสเซลล์ ฮัลส์และโจเซฟ เทย์เลอร์ในปี พ.ศ. 2517 ระหว่างการสำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุหอดูดาวอาเรซีโบ นักวิทยาศาสตร์ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1993 "สำหรับการค้นพบพัลซาร์ชนิดใหม่ ซึ่งให้โอกาสใหม่ในการศึกษาแรงโน้มถ่วง"

การวิจัยในโลกและยูเครน

ในอิตาลี โครงการที่คล้ายกันที่เรียกว่า Virgo ใกล้จะเสร็จสมบูรณ์แล้ว ญี่ปุ่นตั้งใจที่จะเปิดตัวเครื่องตรวจจับที่คล้ายกันนี้ภายในหนึ่งปี และอินเดียก็กำลังเตรียมการทดลองดังกล่าวด้วย นั่นคือมีเครื่องตรวจจับที่คล้ายกันอยู่ในหลายส่วนของโลก แต่ยังไม่ถึงโหมดความไวเพื่อให้เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้

“อย่างเป็นทางการ ยูเครนไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของ LIGO และไม่ได้มีส่วนร่วมในโครงการของอิตาลีและญี่ปุ่น ในบรรดาพื้นที่พื้นฐานดังกล่าว ขณะนี้ยูเครนเข้าร่วมในโครงการ LHC (Large Hadron Collider) และใน CERN (เราจะเป็นผู้เข้าร่วมอย่างเป็นทางการเท่านั้น) หลังจากชำระค่าเข้าชมแล้ว)” โบห์ดาน กนาตีก แพทย์สาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ กล่าวกับ LIGA.net

ตามที่เขาพูดตั้งแต่ปี 2558 ยูเครนเป็นสมาชิกเต็มรูปแบบของความร่วมมือระหว่างประเทศ CTA (Cerenkov Telescope Array) ซึ่งกำลังสร้างกล้องโทรทรรศน์หลายตัวที่ทันสมัย เทวีช่วงแกมมายาว (ด้วยพลังงานโฟตอนสูงถึง 1,014 eV) “แหล่งที่มาหลักของโฟตอนดังกล่าวคือบริเวณใกล้กับหลุมดำมวลมหาศาลอย่างแม่นยำ การแผ่รังสีความโน้มถ่วงซึ่งถูกบันทึกครั้งแรกโดยเครื่องตรวจจับ LIGO ดังนั้นการเปิดหน้าต่างใหม่ในดาราศาสตร์ - คลื่นความโน้มถ่วงและพหุคูณ เทวี“เทคโนโลยีแม่เหล็กไฟฟ้าโนโกะสัญญาว่าเราจะค้นพบอีกมากมายในอนาคต” นักวิทยาศาสตร์กล่าวเสริม

อะไรต่อไป และความรู้ใหม่จะช่วยผู้คนได้อย่างไร? นักวิทยาศาสตร์ไม่เห็นด้วย บางคนบอกว่านี่เป็นเพียงก้าวต่อไปในการทำความเข้าใจกลไกของจักรวาล คนอื่นๆ มองว่านี่เป็นก้าวแรกสู่เทคโนโลยีใหม่ๆ สำหรับการเคลื่อนตัวผ่านกาลเวลาและอวกาศ ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง การค้นพบนี้พิสูจน์ให้เห็นอีกครั้งว่าเราเข้าใจน้อยเพียงใดและยังต้องเรียนรู้อีกมากเพียงใด

คลื่นความโน้มถ่วง - การแสดงของศิลปิน

คลื่นความโน้มถ่วงคือการรบกวนของระบบเมตริกกาลอวกาศที่แยกตัวออกจากแหล่งกำเนิดและแพร่กระจายเหมือนคลื่น (ที่เรียกว่า "ระลอกคลื่นกาลอวกาศ")

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและทฤษฎีแรงโน้มถ่วงสมัยใหม่อื่นๆ ส่วนใหญ่ คลื่นความโน้มถ่วงถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดใหญ่ที่มีความเร่งแปรผัน คลื่นความโน้มถ่วงแพร่กระจายอย่างอิสระในอวกาศด้วยความเร็วแสง เนื่องจากความอ่อนแอสัมพัทธ์ของแรงโน้มถ่วง (เมื่อเทียบกับคลื่นอื่น) คลื่นเหล่านี้จึงมีขนาดเล็กมากซึ่งยากต่อการระบุ

คลื่นความโน้มถ่วงแบบโพลาไรซ์

คลื่นความโน้มถ่วงถูกทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GR) และอื่นๆ อีกมากมาย พวกมันถูกตรวจพบโดยตรงครั้งแรกในเดือนกันยายน พ.ศ. 2558 โดยเครื่องตรวจจับแฝดสองเครื่อง ซึ่งตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงน่าจะเกิดจากการรวมตัวกันของทั้งสองจนกลายเป็นหลุมดำหมุนเดี่ยวที่มีมวลมากกว่าและหมุนรอบตัวเอง หลักฐานทางอ้อมของการมีอยู่ของพวกมันเป็นที่รู้จักมาตั้งแต่ทศวรรษ 1970 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายอัตราการบรรจบกันของระบบปิดเนื่องจากการสูญเสียพลังงานเนื่องจากการแผ่คลื่นความโน้มถ่วงซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกับการสังเกต การลงทะเบียนคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงและการใช้เพื่อกำหนดพารามิเตอร์ของกระบวนการทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ถือเป็นงานสำคัญของฟิสิกส์และดาราศาสตร์สมัยใหม่

ภายในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป คลื่นความโน้มถ่วงอธิบายได้ด้วยการแก้สมการไอน์สไตน์ประเภทคลื่น ซึ่งแสดงถึงการรบกวนของระบบเมตริกกาลอวกาศที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง (ในการประมาณเชิงเส้น) โดยเฉพาะอย่างยิ่งการปรากฏของการรบกวนนี้ควรเป็นการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะในระยะห่างระหว่างมวลทดสอบที่ตกลงมาอย่างอิสระสองตัว (นั่นคือไม่ได้รับอิทธิพลจากแรงใดๆ) แอมพลิจูด ชม.คลื่นความโน้มถ่วงเป็นปริมาณไร้มิติ - การเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ของระยะทาง แอมพลิจูดสูงสุดของคลื่นความโน้มถ่วงที่คาดการณ์ไว้จากวัตถุทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ (เช่น ระบบไบนารี่ขนาดกะทัดรัด) และปรากฏการณ์ (การระเบิด การควบรวม การจับภาพโดยหลุมดำ ฯลฯ) เมื่อทำการวัดมีขนาดเล็กมาก ( ชม.=10 −18 -10 −23) คลื่นความโน้มถ่วงแบบอ่อน (เชิงเส้น) ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ถ่ายโอนพลังงานและโมเมนตัม เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง เป็นคลื่นตามขวาง สี่เท่า และอธิบายโดยองค์ประกอบอิสระสองตัวที่ทำมุม 45° ซึ่งกันและกัน ( มีโพลาไรเซชันสองทิศทาง)

ทฤษฎีที่ต่างกันทำนายความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นความโน้มถ่วงต่างกัน ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป จะเท่ากับความเร็วแสง (ในการประมาณเชิงเส้น) ในทฤษฎีแรงโน้มถ่วงอื่นๆ อาจมีค่าใดๆ ก็ได้ รวมถึงค่าอนันต์ด้วย จากการลงทะเบียนคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรก การกระจายตัวของพวกมันเข้ากันได้กับกราวิตอนที่ไม่มีมวล และความเร็วประมาณว่าเท่ากับความเร็วแสง

การเกิดคลื่นความโน้มถ่วง

ระบบดาวนิวตรอนสองดวงสร้างระลอกคลื่นในอวกาศ-เวลา

คลื่นความโน้มถ่วงถูกปล่อยออกมาจากสสารใดๆ ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งไม่สมมาตร เพื่อให้คลื่นที่มีแอมพลิจูดสำคัญเกิดขึ้น จำเป็นต้องมีมวลที่สูงมากของตัวปล่อยและ/หรือความเร่งมหาศาล แอมพลิจูดของคลื่นความโน้มถ่วงจะเป็นสัดส่วนโดยตรง อนุพันธ์อันดับหนึ่งของความเร่งและมวลของเครื่องกำเนิดนั่นคือ ~ อย่างไรก็ตาม หากวัตถุเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร่ง นั่นหมายความว่ามีแรงบางอย่างจากวัตถุอื่นมากระทำต่อวัตถุนั้น ในทางกลับกัน วัตถุอีกชิ้นนี้ประสบผลตรงกันข้าม (ตามกฎข้อที่ 3 ของนิวตัน) และปรากฎว่า ม 1 ก 1 = − ม 2 ก 2 - ปรากฎว่าวัตถุสองชิ้นปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงเป็นคู่เท่านั้น และจากการรบกวน วัตถุทั้งสองจึงถูกยกเลิกร่วมกันเกือบทั้งหมด ดังนั้น การแผ่รังสีความโน้มถ่วงในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจึงมีลักษณะการแผ่รังสีแบบหลายขั้วอย่างน้อยสี่เท่าเสมอ นอกจากนี้ สำหรับตัวปล่อยที่ไม่สัมพันธ์กันในการแสดงออกของความเข้มของการแผ่รังสี จะมีพารามิเตอร์ขนาดเล็ก โดยที่รัศมีความโน้มถ่วงของตัวปล่อย ร- ขนาดลักษณะของมัน ต- ช่วงเวลาลักษณะการเคลื่อนไหว ค- ความเร็วแสงในสุญญากาศ

แหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งที่สุดคือ:

• การชนกัน (มวลยักษ์ ความเร่งน้อยมาก)
• การล่มสลายของแรงโน้มถ่วงของระบบไบนารี่ของวัตถุขนาดกะทัดรัด (ความเร่งมหาศาลที่มีมวลค่อนข้างมาก) เป็นกรณีพิเศษและน่าสนใจที่สุด - การรวมตัวกันของดาวนิวตรอน ในระบบดังกล่าว ความส่องสว่างของคลื่นโน้มถ่วงใกล้เคียงกับความส่องสว่างของพลังค์สูงสุดที่เป็นไปได้ในธรรมชาติ

คลื่นความโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมาจากระบบสองร่าง

วัตถุสองชิ้นเคลื่อนที่ในวงโคจรเป็นวงกลมรอบจุดศูนย์กลางมวลร่วมกัน

วัตถุสองชิ้นที่พันกันด้วยแรงโน้มถ่วงและมีมวล ม 1 และ ม 2 เคลื่อนที่แบบไม่สัมพันธ์กัน ( โวลต์ << ค) ในวงโคจรเป็นวงกลมรอบจุดศูนย์กลางมวลร่วมในระยะไกล รปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงของพลังงานต่อไปนี้ออกจากกันโดยเฉลี่ยในช่วงเวลา:

เป็นผลให้ระบบสูญเสียพลังงานซึ่งนำไปสู่การบรรจบกันของร่างกายนั่นคือการลดระยะห่างระหว่างพวกเขา ความเร็วในการเข้าใกล้ร่างกาย:

ตัวอย่างเช่น สำหรับระบบสุริยะ รังสีความโน้มถ่วงที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจะถูกสร้างขึ้นโดยระบบย่อยและ พลังของรังสีนี้คือประมาณ 5 กิโลวัตต์ ดังนั้นพลังงานที่ระบบสุริยะสูญเสียไปต่อการแผ่รังสีความโน้มถ่วงต่อปีจึงมีน้อยมากเมื่อเทียบกับพลังงานจลน์ที่เป็นลักษณะเฉพาะของวัตถุ

การล่มสลายของแรงโน้มถ่วงของระบบเลขฐานสอง

เมื่อส่วนประกอบของมันหมุนรอบจุดศูนย์กลางมวล ดาวฤกษ์คู่ใด ๆ จะสูญเสียพลังงาน (ตามที่คาดไว้ - เนื่องจากการปล่อยคลื่นความโน้มถ่วง) และในที่สุดก็รวมเข้าด้วยกัน แต่สำหรับดาวคู่ธรรมดาที่ไม่อัดแน่น กระบวนการนี้ใช้เวลานานมาก นานกว่ายุคปัจจุบันมาก หากระบบดาวคู่อัดแน่นประกอบด้วยดาวนิวตรอนคู่หนึ่ง หลุมดำ หรือทั้งสองอย่างรวมกัน การควบรวมสามารถเกิดขึ้นได้ภายในไม่กี่ล้านปี ประการแรก วัตถุต่างๆ เข้ามาใกล้กันมากขึ้น และระยะเวลาการปฏิวัติลดลง จากนั้นในขั้นตอนสุดท้าย จะเกิดการชนกันและแรงโน้มถ่วงไม่สมมาตรเกิดขึ้น กระบวนการนี้กินเวลาเสี้ยววินาที และในช่วงเวลานี้พลังงานจะสูญเสียไปเป็นรังสีความโน้มถ่วง ซึ่งตามการประมาณการบางอย่าง มีจำนวนมากกว่า 50% ของมวลของระบบ

คำตอบที่ถูกต้องเบื้องต้นของสมการของไอน์สไตน์เกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วง

คลื่นร่างกายของ Bondi-Pirani-Robinson

คลื่นเหล่านี้อธิบายโดยใช้หน่วยเมตริกของแบบฟอร์ม หากเราแนะนำตัวแปรและฟังก์ชัน จากนั้นเราจะได้สมการจากสมการสัมพัทธภาพทั่วไป

ทาเคโนะเมตริก

มีรูปแบบ , -ฟังก์ชันเป็นไปตามสมการเดียวกัน

โรเซนเมตริก

พอใจตรงไหน.

เปเรซเมตริก

โดยที่

คลื่นไอน์สไตน์-โรเซนทรงกระบอก

ในพิกัดทรงกระบอก คลื่นดังกล่าวจะมีรูปแบบและถูกดำเนินการ

การลงทะเบียนคลื่นความโน้มถ่วง

การลงทะเบียนคลื่นความโน้มถ่วงค่อนข้างยากเนื่องจากความอ่อนแอของคลื่นหลัง (การบิดเบือนเมตริกเล็กน้อย) อุปกรณ์สำหรับลงทะเบียนคือเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ความพยายามที่จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเกิดขึ้นตั้งแต่ปลายทศวรรษ 1960 คลื่นความโน้มถ่วงของแอมพลิจูดที่ตรวจพบได้เกิดขึ้นระหว่างการล่มสลายของไบนารี่ เหตุการณ์คล้าย ๆ กันนี้เกิดขึ้นในพื้นที่โดยรอบประมาณหนึ่งครั้งในทศวรรษ

ในทางกลับกัน ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายความเร่งของการหมุนรอบตัวเองของดาวคู่เนื่องจากการสูญเสียพลังงานอันเนื่องมาจากการปล่อยคลื่นความโน้มถ่วง และผลกระทบนี้ได้รับการบันทึกอย่างน่าเชื่อถือในระบบที่รู้จักหลายแห่งของวัตถุอัดแน่นไบนารี (ใน โดยเฉพาะพัลซาร์ที่มีสหายขนาดย่อม) ในปี 1993 “สำหรับการค้นพบพัลซาร์ชนิดใหม่ ซึ่งให้โอกาสใหม่ในการศึกษาแรงโน้มถ่วง” แก่ผู้ค้นพบพัลซาร์คู่แรก PSR B1913+16, Russell Hulse และ Joseph Taylor Jr. ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ความเร่งของการหมุนที่สังเกตได้ในระบบนี้เกิดขึ้นพร้อมกันอย่างสมบูรณ์กับการทำนายทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสำหรับการปล่อยคลื่นความโน้มถ่วง ปรากฏการณ์เดียวกันนี้ถูกบันทึกไว้ในหลายกรณี: สำหรับพัลซาร์ PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (ปกติจะย่อว่า J0651) และระบบไบนารี RX J0806 ตัวอย่างเช่น ระยะห่างระหว่างองค์ประกอบทั้งสอง A และ B ของดาวคู่ดวงแรกของพัลซาร์ทั้งสอง PSR J0737-3039 ลดลงประมาณ 2.5 นิ้ว (6.35 ซม.) ต่อวัน เนื่องจากการสูญเสียพลังงานจากคลื่นความโน้มถ่วง และสิ่งนี้เกิดขึ้นสอดคล้องกับ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ข้อมูลทั้งหมดนี้ตีความว่าเป็นการยืนยันทางอ้อมของการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง

ตามการประมาณการ แหล่งที่มาของคลื่นความโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งที่สุดและบ่อยที่สุดสำหรับกล้องโทรทรรศน์โน้มถ่วงและเสาอากาศถือเป็นหายนะที่เกี่ยวข้องกับการล่มสลายของระบบดาวคู่ในกาแลคซีใกล้เคียง คาดว่าในอนาคตอันใกล้นี้ เหตุการณ์ที่คล้ายกันหลายเหตุการณ์ต่อปีจะถูกบันทึกไว้ในเครื่องตรวจจับความโน้มถ่วงที่ปรับปรุงใหม่ ซึ่งจะทำให้ค่าเมตริกในบริเวณใกล้เคียงบิดเบี้ยว 10 −21 -10 −23 การสังเกตครั้งแรกของสัญญาณเรโซแนนซ์พาราเมตริกแบบออปติคอลซึ่งทำให้สามารถตรวจจับผลกระทบของคลื่นความโน้มถ่วงจากแหล่งกำเนิดเป็นระยะ เช่น ไบนารี่ใกล้ชิดต่อการแผ่รังสีของเมเซอร์คอสมิก อาจได้รับที่หอดูดาวดาราศาสตร์วิทยุของรัสเซีย สถาบันวิทยาศาสตร์พุชชิโน

ความเป็นไปได้อีกประการหนึ่งในการตรวจจับพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วงที่เต็มจักรวาลคือการกำหนดเวลาที่มีความแม่นยำสูงของพัลซาร์ที่อยู่ห่างไกล - การวิเคราะห์เวลาที่มาถึงของพัลซาร์ซึ่งมีลักษณะการเปลี่ยนแปลงภายใต้อิทธิพลของคลื่นความโน้มถ่วงที่ผ่านช่องว่างระหว่างโลกและพัลซาร์ การประมาณการในปี พ.ศ. 2556 ระบุว่าจำเป็นต้องปรับปรุงความแม่นยำของจังหวะเวลาประมาณหนึ่งลำดับความสำคัญเพื่อตรวจจับคลื่นพื้นหลังจากหลายแหล่งในจักรวาลของเรา ซึ่งเป็นงานที่สามารถทำได้ก่อนสิ้นทศวรรษ

ตามแนวคิดสมัยใหม่ จักรวาลของเราเต็มไปด้วยคลื่นความโน้มถ่วงที่ปรากฏขึ้นในช่วงเวลาแรกหลังจากนั้น การลงทะเบียนของพวกเขาจะทำให้สามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับกระบวนการตั้งแต่เริ่มต้นการกำเนิดของจักรวาลได้ เมื่อวันที่ 17 มีนาคม 2014 เวลา 20:00 น. ตามเวลามอสโกที่ศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ด-สมิธโซเนียน กลุ่มนักวิจัยชาวอเมริกันที่ทำงานในโครงการ BICEP 2 ได้ประกาศการตรวจจับการรบกวนเทนเซอร์ที่ไม่เป็นศูนย์ในเอกภพยุคแรกโดยโพลาไรเซชันของจักรวาล การแผ่รังสีพื้นหลังไมโครเวฟ ซึ่งเป็นการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงที่สะท้อนกลับเหล่านี้ด้วย อย่างไรก็ตาม เกือบจะในทันทีที่ผลลัพธ์นี้ถูกโต้แย้ง เนื่องจากเมื่อปรากฏว่า การมีส่วนร่วมไม่ได้ถูกนำมาพิจารณาอย่างเหมาะสม หนึ่งในผู้เขียน J. M. Kovats ( โควัช เจ.เอ็ม.) ยอมรับว่า “ผู้เข้าร่วมและนักข่าววิทยาศาสตร์ค่อนข้างรีบร้อนเล็กน้อยในการตีความและรายงานข้อมูลจากการทดลอง BICEP2”

การทดลองยืนยันการมีอยู่จริง

สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงแรกที่บันทึกไว้ ด้านซ้ายคือข้อมูลจากเครื่องตรวจจับใน Hanford (H1) ทางด้านขวา - ใน Livingston (L1) นับเวลาตั้งแต่วันที่ 14 กันยายน 2558 เวลา 09:50:45 น. UTC เพื่อให้เห็นภาพสัญญาณ จะถูกกรองด้วยตัวกรองความถี่ที่มีพาสแบนด์ 35-350 เฮิรตซ์ เพื่อลดความผันผวนอย่างมากนอกช่วงความไวสูงของเครื่องตรวจจับ นอกจากนี้ ตัวกรองแบนด์สต็อปยังใช้เพื่อลดเสียงรบกวนของการติดตั้งด้วย แถวบนสุด: แรงดันไฟฟ้า h ในเครื่องตรวจจับ GW150914 มาถึงครั้งแรกที่ L1 และ 6 9 +0 5 −0 4 ms ต่อมาถึง H1; สำหรับการเปรียบเทียบด้วยภาพ ข้อมูลจาก H1 จะแสดงในกราฟ L1 ในรูปแบบย้อนกลับและเลื่อนเวลา (เพื่อพิจารณาการวางแนวสัมพัทธ์ของเครื่องตรวจจับ) แถวที่สอง: แรงดันไฟฟ้า h จากสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่ส่งผ่านตัวกรองแบนด์พาส 35-350 Hz เดียวกัน เส้นทึบเป็นผลมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพเชิงตัวเลขสำหรับระบบที่มีพารามิเตอร์ที่เข้ากันได้กับพารามิเตอร์ที่พบจากการศึกษาสัญญาณ GW150914 ซึ่งได้มาจากรหัสอิสระสองตัวซึ่งมีผลลัพธ์ที่ตรงกันคือ 99.9 เส้นหนาสีเทาคือบริเวณความเชื่อมั่น 90% ของรูปคลื่นที่สร้างขึ้นใหม่จากข้อมูลตัวตรวจจับโดยสองวิธีที่แตกต่างกัน เส้นสีเทาเข้มจำลองสัญญาณที่คาดไว้จากการรวมตัวกันของหลุมดำ เส้นสีเทาอ่อนไม่ได้ใช้แบบจำลองทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ แต่แสดงถึงสัญญาณที่เป็นผลรวมเชิงเส้นของคลื่นไซนูซอยด์-เกาส์เซียน การสร้างใหม่ทับซ้อนกัน 94% แถวที่สาม: ข้อผิดพลาดตกค้างหลังจากแยกการทำนายที่กรองแล้วของสัญญาณสัมพัทธภาพเชิงตัวเลขออกจากสัญญาณที่ถูกกรองของเครื่องตรวจจับ แถวล่าง: การแสดงแผนผังความถี่แรงดันไฟฟ้า ซึ่งแสดงการเพิ่มขึ้นของความถี่เด่นของสัญญาณเมื่อเวลาผ่านไป

11 กุมภาพันธ์ 2559 โดยความร่วมมือระหว่าง LIGO และ VIRGO สัญญาณการรวมตัวของหลุมดำสองหลุมที่มีแอมพลิจูดสูงสุดประมาณ 10 −21 ถูกบันทึกเมื่อวันที่ 14 กันยายน พ.ศ. 2558 เวลา 9:51 UTC โดยเครื่องตรวจจับ LIGO สองตัวในแฮนฟอร์ดและลิฟวิงสตัน ห่างกัน 7 มิลลิวินาที ในบริเวณที่มีแอมพลิจูดสัญญาณสูงสุด ( 0.2 วินาที) รวมอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนเป็น 24:1 สัญญาณถูกกำหนดให้เป็น GW150914 รูปร่างของสัญญาณตรงกับการทำนายทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสำหรับการควบรวมของหลุมดำสองแห่งที่มีมวล 36 และ 29 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ผลลัพธ์ของหลุมดำควรมีมวล 62 เท่าของดวงอาทิตย์และมีพารามิเตอร์การหมุน ก= 0.67. ระยะทางถึงแหล่งกำเนิดประมาณ 1.3 พันล้านพลังงานที่ปล่อยออกมาในสิบวินาทีในการควบรวมกิจการนั้นเทียบเท่ากับมวลดวงอาทิตย์ประมาณ 3 เท่า

เรื่องราว

ประวัติความเป็นมาของคำว่า "คลื่นความโน้มถ่วง" การค้นหาคลื่นเหล่านี้ทั้งทางทฤษฎีและเชิงทดลอง ตลอดจนการใช้ในการศึกษาปรากฏการณ์ที่วิธีอื่นไม่สามารถเข้าถึงได้

• พ.ศ. 2443 (ค.ศ. 1900) ลอเรนซ์เสนอว่าแรงโน้มถ่วง “...สามารถแพร่กระจายด้วยความเร็วไม่เกินความเร็วแสง”;
• 2448 - ปัวน์กาเรมีการใช้คำว่าคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรก (onde Grafique) ในระดับคุณภาพ ปัวน์กาเรได้ขจัดข้อโต้แย้งที่จัดตั้งขึ้นของลาปลาซออกไป และแสดงให้เห็นว่าการแก้ไขที่เกี่ยวข้องกับคลื่นความโน้มถ่วงต่อกฎแรงโน้มถ่วงของลำดับของนิวตันที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปนั้นถูกยกเลิก ดังนั้น ข้อสันนิษฐานของการมีอยู่ของคลื่นโน้มถ่วงจึงไม่ขัดแย้งกับข้อสังเกต
• พ.ศ. 2459 (ค.ศ. 1916) ไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่า ภายในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ระบบกลไกจะถ่ายโอนพลังงานไปยังคลื่นความโน้มถ่วง และพูดโดยคร่าวๆ การหมุนรอบใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับดาวฤกษ์ที่อยู่กับที่จะต้องหยุดไม่ช้าก็เร็ว แม้ว่าภายใต้สภาวะปกติจะสูญเสียพลังงานก็ตาม ลำดับความสำคัญนั้นไม่สำคัญและวัดไม่ได้ในทางปฏิบัติ (ในงานนี้เขายังเชื่ออย่างผิด ๆ ว่าระบบกลไกที่รักษาความสมมาตรของทรงกลมอยู่ตลอดเวลาสามารถปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงได้)
• พ.ศ. 2461 (ค.ศ. 1918) – ไอน์สไตน์ได้สูตรสี่เท่าซึ่งการปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงกลายเป็นผลของคำสั่ง ดังนั้นจึงแก้ไขข้อผิดพลาดในงานก่อนหน้าของเขา (ข้อผิดพลาดยังคงอยู่ในค่าสัมประสิทธิ์พลังงานคลื่นน้อยกว่า 2 เท่า)
• พ.ศ. 2466 (ค.ศ. 1923) เอดดิงตัน - ตั้งคำถามถึงความเป็นจริงทางกายภาพของคลื่นความโน้มถ่วง "...แพร่กระจาย...ด้วยความเร็วแห่งความคิด" ในปี 1934 เมื่อเตรียมงานแปลภาษารัสเซียสำหรับเอกสารของเขาเรื่อง "ทฤษฎีสัมพัทธภาพ" Eddington ได้เพิ่มบทหลายบท รวมถึงบทที่มีสองตัวเลือกสำหรับการคำนวณการสูญเสียพลังงานด้วยแท่งหมุน แต่ตั้งข้อสังเกตว่าวิธีการที่ใช้สำหรับการคำนวณโดยประมาณของสัมพัทธภาพทั่วไป ในความเห็นของเขา ไม่สามารถใช้ได้กับระบบที่มีพันธะโน้มถ่วง ดังนั้น ยังมีข้อสงสัยอยู่
• พ.ศ. 2480 (ค.ศ. 1937) ไอน์สไตน์ ร่วมกับโรเซน ศึกษาคำตอบของคลื่นทรงกระบอกกับสมการที่แน่นอนของสนามโน้มถ่วง ในระหว่างการศึกษาเหล่านี้ พวกเขาเริ่มสงสัยว่าคลื่นความโน้มถ่วงอาจเป็นสิ่งประดิษฐ์ของการแก้สมการสัมพัทธภาพทั่วไปโดยประมาณ (เป็นที่ทราบกันดีว่ามีการโต้ตอบเกี่ยวกับการทบทวนบทความ "คลื่นความโน้มถ่วงมีอยู่จริงหรือไม่" โดยไอน์สไตน์และโรเซน) ต่อมาเขาพบข้อผิดพลาดในการให้เหตุผล บทความฉบับสุดท้ายที่มีการเปลี่ยนแปลงพื้นฐานได้รับการตีพิมพ์ในวารสารของสถาบันแฟรงคลิน
• พ.ศ. 2500 (ค.ศ. 1957) – เฮอร์แมน บอนได และริชาร์ด ไฟน์แมน เสนอการทดลองทางความคิดแบบ “ไม้เท้าลูกปัด” ซึ่งพิสูจน์ได้ว่ามีผลกระทบทางกายภาพจากคลื่นความโน้มถ่วงในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
• พ.ศ. 2505 (ค.ศ. 1962) – วลาดิสลาฟ พุสโตวอต และมิคาอิล เฮอร์เซนสไตน์ บรรยายหลักการของการใช้อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์เพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงคลื่นยาว
• พ.ศ. 2507 (ค.ศ. 1964) – ฟิลิป ปีเตอร์ส และจอห์น แมทธิว อธิบายทฤษฎีคลื่นความโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมาจากระบบดาวคู่
• พ.ศ. 2512 (ค.ศ. 1969) – โจเซฟ เวเบอร์ ผู้ก่อตั้งดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง รายงานการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดยใช้เครื่องตรวจจับเรโซแนนซ์ ซึ่งเป็นเสาอากาศโน้มถ่วงเชิงกล รายงานเหล่านี้ส่งผลให้งานในทิศทางนี้เติบโตอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะ Rainier Weiss หนึ่งในผู้ก่อตั้งโครงการ LIGO ได้เริ่มทำการทดลองในขณะนั้น จนถึงปัจจุบัน (2558) ยังไม่มีใครได้รับการยืนยันเหตุการณ์เหล่านี้ได้อย่างน่าเชื่อถือ
• 2521 - โจเซฟ เทย์เลอร์รายงานการตรวจจับรังสีโน้มถ่วงในระบบพัลซาร์ไบนารี PSR B1913+16 งานวิจัยของโจเซฟ เทย์เลอร์ และรัสเซลล์ ฮัลส์ ทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1993 เมื่อต้นปี พ.ศ. 2558 มีการวัดพารามิเตอร์หลังเคปเปลเรียน 3 รายการ ซึ่งรวมถึงการลดคาบเนื่องจากการแผ่คลื่นความโน้มถ่วง ได้ถูกวัดสำหรับระบบดังกล่าวอย่างน้อย 8 ระบบ
• พ.ศ. 2545 (ค.ศ. 2002) – เซอร์เกย์ โคเปคิน และเอ็ดเวิร์ด โฟมาลอนต์ใช้อินเทอร์เฟอโรเมทของคลื่นวิทยุแนวยาวพิเศษเพื่อวัดการโก่งตัวของแสงในสนามโน้มถ่วงของดาวพฤหัสในพลวัต ซึ่งสำหรับการขยายสมมุติฐานบางระดับของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ทำให้สามารถประมาณความเร็วของ แรงโน้มถ่วง - ความแตกต่างจากความเร็วแสงไม่ควรเกิน 20% (โดยทั่วไปไม่ยอมรับการตีความนี้)
• พ.ศ. 2549 (ค.ศ. 2006) - ทีมงานนานาชาติของ Martha Bourgay (หอดูดาว Parkes ประเทศออสเตรเลีย) รายงานการยืนยันสัมพัทธภาพทั่วไปที่แม่นยำยิ่งขึ้นและความสอดคล้องกับขนาดของการแผ่รังสีคลื่นความโน้มถ่วงในระบบของพัลซาร์สองตัว PSR J0737-3039A/B;
• พ.ศ. 2557 (ค.ศ. 2014) – นักดาราศาสตร์ที่ศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ด-สมิธโซเนียน (BICEP) รายงานการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงในยุคแรกเริ่มขณะวัดความผันผวนของรังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิก ในขณะนี้ (พ.ศ. 2559) ความผันผวนที่ตรวจพบถือว่าไม่มีต้นกำเนิด แต่อธิบายได้จากการปล่อยฝุ่นในดาราจักร
• 2559 - ทีม LIGO นานาชาติรายงานการตรวจจับเหตุการณ์เคลื่อนตัวของคลื่นความโน้มถ่วง GW150914 นับเป็นครั้งแรกที่มีการสังเกตการณ์โดยตรงของการโต้ตอบวัตถุขนาดใหญ่ในสนามโน้มถ่วงที่รุนแรงเป็นพิเศษด้วยความเร็วสัมพัทธ์สูงเป็นพิเศษ (< 1,2 × R s , v/c >0.5) ซึ่งทำให้สามารถตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ด้วยความแม่นยำของเงื่อนไขระดับสูงหลังนิวตันหลายข้อ การกระจายตัวของคลื่นความโน้มถ่วงที่วัดได้ไม่ขัดแย้งกับการวัดการกระจายตัวและขอบเขตบนของมวลของกราวิตอนสมมุติที่ทำไว้ก่อนหน้านี้ (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.