Гравитационные волны несут информацию о своем драматическом происхождении и о природе силы тяжести, которая не может иначе быть получена. Физики пришли к заключению, что обнаруженные гравитационные волны были произведены во время заключительной доли секунды слияния двух черных дыр, чтобы произвести единственную, более крупную черную дыру вращения.
Это столкновение двух черных дыр было предсказано, но никогда не наблюдалось.Гравитационные волны были обнаружены 14 сентября 2015 в 5:51.
Восточное поясное время (9:51 UTC) обоими из двойных датчиков Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), расположенных в Ливингстоне, Луизиана, и Хенфорде, Вашингтоне, США. Обсерватории LIGO финансируются Национальным научным фондом (NSF), и были задуманы, построены и управляются Калифорнийским технологическим институтом и MIT. Открытие, принятое для публикации в журнале Physical Review Letters, было сделано Научным Сотрудничеством LIGO (который включает Сотрудничество GEO и австралийский Консорциум для Интерференционной Гравитационной Астрономии), и Сотрудничество Девы, используя данные из двух датчиков LIGO.На основе наблюдаемых сигналов ученые LIGO оценивают, что черные дыры для этого события были приблизительно 29 и 36 раз массой солнца, и событие произошло 1,3 миллиарда лет назад.
Приблизительно 3 раза масса солнца была преобразована в гравитационные волны в доле секунды – с продукцией пиковой мощности приблизительно в 50 раз больше чем это целой видимой вселенной. Выглядя во время прибытия сигналов – датчик в Ливингстоне сделал запись миллисекунд событий 7 перед датчиком в Хенфорде – ученые могут сказать, что источник был расположен в южном полушарии.
Согласно Общей теории относительности, пара черных дыр, движущихся по кругу друг вокруг друга, теряет энергию посредством эмиссии гравитационных волн, заставляя их постепенно приблизиться друг к другу более чем миллиарды лет, и затем намного более быстро в заключительные минуты. Во время заключительной доли секунды эти две черных дыры сталкиваются друг в друга в почти половине скорости света и формируют единственную более крупную черную дыру, преобразовывая часть массы объединенных черных дыр к энергии, согласно формуле E=mc2 Эйнштейна.
Эта энергия испускается как заключительный сильный взрыв гравитационных волн. Именно эти гравитационные волны LIGO наблюдали.
Существование гравитационных волн было сначала продемонстрировано в 1970-х и 80-х Джозефом Тейлором младшим и коллегами. Тейлор и Рассел Хулс обнаружили в 1974 двоичную систему счисления, состоявшую из пульсара в орбите вокруг нейтронной звезды.
Тейлор и Джоэл М. Вайсберг в 1982 нашли, что орбита пульсара медленно сжималась со временем из-за выпуска энергии в форме гравитационных волн. Для обнаружения пульсара и показа, что это сделало бы возможным, это конкретное измерение гравитационной волны, Хулс и Тейлор были присуждены Нобелевская премия по физике в 1993.
Новое открытие LIGO – первое наблюдение за самими гравитационными волнами, сделанный, измеряя крошечные беспорядки, которые волны делают к пространству и времени, поскольку они проходят через Землю.«Наше наблюдение за гравитационными волнами достигает амбициозной цели, изложенной более чем 5 десятилетий назад, чтобы непосредственно обнаружить это неуловимое явление и лучше понять вселенную, и, подходяще, выполняет наследие Эйнштейна на 100-й годовщине его общей теории относительности», говорит Дэвид Х. Рейц Калифорнийского технологического института, исполнительный директор Лаборатории LIGO.Открытие было сделано возможным расширенными возможностями Продвинутого LIGO, значительное обновление, которое увеличивает чувствительность инструментов по сравнению с первым поколением датчики LIGO, позволяя значительное увеличение объема исследованной вселенной – и открытие гравитационных волн во время его первого пробега наблюдения. Американский Национальный научный фонд ведет в финансовой поддержке Продвинутому LIGO.
Финансируя организации в Германии (Общество Макса Планка), Великобритания (Совет по Средствам науки и техники, STFC) и Австралия (австралийский Научный совет) также взяла на себя значительные обязательства по проекту. Несколько из ключевых технологий, которые сделали Продвинутым LIGO настолько более чувствительный, были разработаны и проверены немецким британским сотрудничеством GEO. Значительные компьютерные ресурсы были внесены Ганноверской Группой Атласа AEI, Лабораторией LIGO, Сиракузским университетом и Висконсинским университетом Милуоки.
Несколько университетов проектировали, построенный, и проверили ключевые компоненты на Продвинутый LIGO: Австралийский национальный университет, Университет Аделаиды, Флоридский университет, Стэнфордский университет, Колумбийский университет Нью-Йорка и Университет штата Луизиана.«В 1992, когда начальное финансирование LIGO было одобрено, оно представляло самые большие инвестиции, которые когда-либо делал NSF», заявляет France Co? rdova, директор NSF. «Это был большой риск. Но Национальный научный фонд – агентство, которое берет эти виды рисков.
Мы поддерживаем фундаментальную науку и разработку в пункте в дороге к открытию, где тот путь совсем не ясен. Мы финансируем новаторов. Это – почему США продолжают быть мировым лидером в расширении знаний».
Исследование LIGO выполнено LIGO Scientific Collaboration (LSC), группой больше чем из 1 000 ученых из университетов по Соединенным Штатам и в 14 других странах. Больше чем 90 университетов и научно-исследовательские институты в LSC разрабатывают технологию датчика и анализируют данные; приблизительно 250 студентов – сильные участники содействия сотрудничества. Сеть датчика LSC включает интерферометры LIGO и датчик GEO600.
Команда GEO включает ученых из Института Макса Планка Гравитационной Физики (Институт Альберта Эйнштейна, AEI), Лейбниц Универзита? t Ганновер, наряду с партнерами в Университете г. Глазго, Университете Кардиффа, Бирмингемском университете, других университетах в Соединенном Королевстве и Университете Балеарских островов в Испании.«Это обнаружение – начало новой эры: область астрономии гравитационной волны – теперь действительность», говорит Габриэла Гонса? lez, докладчик LSC и преподаватель физики и астрономии в Университете штата Луизиана.LIGO был первоначально предложен как средство обнаружения этих гравитационных волн в 1980-х Рэйнером Вайсом, преподавателем физики, заслуженной, из MIT; Кип Торн, профессор Ричарда П. Феинмена Калифорнийского технологического института Теоретической Физики, заслуженной; и Рональд Древер, преподаватель физики, заслуженной, также из Калифорнийского технологического института.
«Описание этого наблюдения красиво описано в теории Эйнштейна Общей теории относительности, сформулировал 100 лет назад и включает первый тест теории в сильном тяготении. Было бы замечательно смотреть, у лица Эйнштейна были мы бывший в состоянии, чтобы сказать ему», говорит Вайс.
«С этим открытием мы люди начинают чудесные новые поиски: поиски, чтобы исследовать деформированную сторону вселенной – объекты и явления, которые сделаны из деформированного пространства-времени. Сталкивающиеся черные дыры и гравитационные волны – наши первые красивые примеры», говорит Торн.Исследование Девы выполнено Сотрудничеством Девы, состоя больше чем из 250 физиков и инженеров, принадлежащих 19 различным европейским исследовательским группам: 6 от Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) во Франции; 8 от Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) в Италии; 2 в Нидерландах с Nikhef; Wigner RCP в Венгрии; группа POLGRAW в Польше; и European Gravitational Observatory (EGO), лаборатория, принимающая датчик Девы под Пизой в Италии.
Фульвио Риччи, Докладчик Девы, отмечает, что, «Это – значительный этап для физики, но что еще более важно просто начало многих новых и увлекательных астрофизических открытий, чтобы идти с LIGO и Девой».Брюс Аллен, исполнительный директор Института Макса Планка Гравитационной Физики (Институт Альберта Эйнштейна), добавляет, «Эйнштейн думал, что гравитационные волны были слишком слабы, чтобы обнаружить и не верили в черные дыры. Но я не думаю, что он имел бы настроенным являющийся неправильным!»«Современные датчики LIGO – проявление силы науки и техники, сделанной возможной действительно исключительной международной командой технического персонала, инженеров и ученых», говорит Дэвид Шоемэкер из MIT, руководитель проекта для Продвинутого LIGO. «Мы очень горды, что закончили этот финансируемый NSF проект вовремя и на бюджете».В каждой обсерватории двух и половине мили (4-километровый) длинный L-образный интерферометр LIGO использует лазерное легкое разделение в два луча, которые едут назад и вперед вниз руки (трубы четыре фута диаметром, сохраненные под почти совершенным вакуумом).
Лучи используются, чтобы контролировать расстояние между зеркалами, точно помещенными в концы рук. Согласно теории Эйнштейна, расстояние между зеркалами изменится бесконечно малой суммой, когда гравитационная волна пройдет датчиком.
Может быть обнаружено изменение в длинах рук, меньших, чем однодесятитысячный диаметр протона (10-19 метров).«Сделать этот фантастический этап возможным взяло глобальное сотрудничество ученых – технология лазера и приостановки, разработанная для нашего датчика GEO600, использовалась, чтобы помочь сделать Продвинутый LIGO самым современным датчиком гравитационной волны когда-либо созданный», говорит Шейла Роуэн, преподаватель физики и астрономии в Университете г. Глазго.Независимые и широко отделенные обсерватории необходимы, чтобы определить направление события, вызывающего гравитационные волны, и также проверить, что сигналы прибывают из пространства и не от некоторого другого местного явления.
К этому концу Лаборатория LIGO работает в тесном сотрудничестве с учеными в Индии в Межуниверситетском Центре Астрономии и Астрофизики, Центре раджи Раманны Передовой технологии и Институте Плазмы, чтобы установить третий Современный датчик LIGO на индийском субконтиненте. Ожидая одобрения правительством Индии, это могло быть готово к эксплуатации в начале следующего десятилетия.
Дополнительный датчик значительно улучшит способность глобальной сети датчика локализовать источники гравитационной волны.«Надо надеяться, это первое наблюдение ускорит строительство глобальной сети датчиков, чтобы позволить точное исходное местоположение в эру астрономии мультипосыльного», говорит Дэвид Макклеллэнд, преподаватель физики и директор Центра Гравитационной Физики в Австралийском национальном университете.