Илюстрация на две черни, които са в орбита една около друга.
На пресконференция вчера учени от Националната фондация за наука на САЩ обявиха, че за пръв път са наблюдавали директно гравитационни вълни. Откритието е направено с най-прецизния инструмент, създаден от човечеството, който е уловил гравитационното ехо от титаничен сблъсък на две черни дупки на 1,3 милиарда светлинни години от Земята.
Откритието е много важно и поради още една причина, свързана с черните дупки.
„Това e първото в историята наблюдение на гравитационни вълни и първото директно наблюдение на черни дупки, същевременно е потвърждение на Общата теория на относителността, защото свойствата на [тези] черни дупки се съгласуват точно с това, което е предсказал Айнщайн почти точно преди 100 години“, казва проф. Карстен Данцман от Института за физика на гравитацията Макс Планк.
Титаничният сблъсък, генерирал вълните, се е случил на 1,3 милиарда светлинни години от нас. В него са участвали две черни дупки с маси съответно 29 и 36 пъти по-голяма от масата на нашето Слънце. Въпреки огромната си маса обаче всяка от черните дупки е била с размер от само 150 километра.
Черна дупка се образува, когато масивна звезда завърши своя живот и излъчването й вече не може да се противопостави на натиска на собствената й мощна гравитация. Поради това звездата се свива неконтролируемо до изключително малък размер, а нищо не може да избяга от гравитацията й, ако се доближи прекалено много.
Компютърна симулация на двете черни дупки, в момента преди да се сблъскат. Изображение: NSF
Гравитационното ехо от сливането на двете черни дупки разкрива интересни подробности за самото събитие. Учените открили, че при сблъсъка си двете черни дупки били ускорени до половината от скоростта на светлината (300 000 км/сек).
Пика на енергията на събитието превишавал енергията на всичко във видимата Вселена!
Яростната колизия на тези свръх-масивни тела е генерирала гравитационните вълни, които апаратурата уловила на 14 септември миналата година. Черната дупка, която се образувала при сблъсъка обаче била по-лека от изходните две. Както знаем от известното уравнение на Айнщайн E=mc2, масата е еквивалентна на енергията. При сливането на двете черни дупки маса, превишаваща три пъти тази на Слънцето, била излъчена като енергия под формата на гравитационни вълни!
Гравитационните вълни са предсказани от Айнщайн и неговата Обща теория на относителността още през 1915 година. Те са свързани с едно изключително важно откритие на знаменития физик – той установил, че времето и пространството не са две отделни неща, а са свързани в една обща „тъкан“, която нарекъл време-пространство.
Това означава например, че това как тече времето за нас, спрямо външния свят, зависи от това колко бързо се движим в пространството. В съгласие с теорията, свръх-точни часовници показват, че времето наистина тече различно на борда на Международната космическа станция и на повърхността на Земята. Поради това, че се движат със скорост от близо 8 километра в секунда, астронавтите на станцията остаряват с 0,007 секунди по-малко, отколкото хората на повърхността. С други думи времето за хората на борда на станцията се забавя, спрямо нашето време – астронавтите са първите пътешественици в бъдещето!
Айнщайн показал също, че масата на телата изкривява време-пространството, а гравитацията е именно това изкривяване. Можем да си го представим нагледно с топка за боулинг и опънато одеяло. Когато поставим топката върху одеялото, тя „потъва“ в него поради това, че е тежка. Ако пуснем по-леко топче на одеялото, в близост до боулинг топката, то ще се търкулне към нея, поради изкривяването в тъканта на одеялото, което тя причинява. По същия начин изкривяването на време-пространството от масивно тяло – това което наричаме гравитация – привлича по-леките тела.
Според теорията на относителността, колкото по-масивно е едно тяло, толкова повече се забавя времето за обект, попаднал в неговото гравитационно поле. Този ефект е особено изразен при черните дупки – най-масивните обекти във Вселената.
Теорията на Айнщайн предсказва, че при екстремни събития, като сблъсъка на черни дупки, се отделят гравитационни вълни. Те се движат със скоростта на светлината и се разпространяват като вълните от камъче, хвърлено в спокойна вода. При преминаването си през обектите гравитационните вълни ритмично ги свиват и разширяват. И именно това са наблюдавали учените от колаборацията на LIGO.
Илюстрация на гравитационните вълни, които се излъчват, когато две масивни тела обикалят едно около друго.
LIGO разполага с две инсталации за регистриране на гравитационни вълни в САЩ, като всяка от инсталациите е изградена от два тунела с дължина 4 км, свързани под формата на буквата Г. От мястото, където се срещат тунелите се излъчват два лазерни лъча. Всеки от лъчите е насочен към огледало в края на съответния тунел. Отразените от огледалата лъчи се обединяват на едно място и създават точно определена светлинна картина. Когато гравитационните вълни преминат през инсталацията, изкривяването на време-пространството кара единия тунел да е много, много малко по-дълъг от другия. Така лазерният лъч в единия тунел трябва да пропътува малко по-голямо разстояние от лъча в другия. В резултат от това светлинната картина, която се получава при обединяването на двата лъча се променя.
Двата тунела на инсталацията на LIGO образуват буквата Г. Снимка: LIGO/NSF
Тай като преминаването на гравитационното ехо от сблъсъка на черните дупки е регистрирано и в двете инсталации на LIGO – които са значително отдалечени една от друга – учените са сигурни, че източникът не е някакво локално смущение. А елиминирането на нежелани смущения е от особено значение, когато става въпрос за регистрирането на такива миниатюрни величини.
Прецизността на LIGO наистина е невероятна – инструментът регистрира изменения в дължината в рамките на 1/1000 от размера на протона. Тази прецизност е необходима за регистрирането на свръх-слабия ефект от преминаването на гравитационните вълни. Когато Айнщайн предсказал съществуването им, той предположил, че никога няма да можем да ги наблюдаваме директно именно поради нищожно малкото им въздействие. Но учените не само ги наблюдаваха, но и разказаха много интересни подробности за обстоятелствата, при които са се излъчили.
Откритието бележи началото на нов важен клон в наблюдателната астрономия. Причина за това е факта, че гравитационните вълни – за разлика от светлината – много малко се влияят от средата, през която пътуват. Те са перфектен отпечатък от събития, които са се случили преди много време и на огромни разстояния. Според учените вероятно ще можем да уловим гравитационни вълни от зараждането на самата Вселена в момента на Големия взрив!
