Begin 2016 registreerde een internationale samenwerking van natuurkundigen voor het eerst in de menselijke geschiedenis zwaartekrachtgolven. De golven werden gegenereerd door het samenvoegen van twee zwarte gaten en werden gedetecteerd met behulp van een speciale detector-interferometer LIGO, die zich in de Verenigde Staten bevindt. Wat zijn zwaartekrachtgolven, waarom duurde het een eeuw om ze te ontdekken en wat is de rol van Russische wetenschappers hierin? Het hoofd van het Astronomisch Observatorium van ISU, wetenschappelijk directeur van het Irkutsk Planetarium, Sergei Yazev, vertelde hierover aan "Oblastnaya".
- Honderd jaar geleden voltooide Albert Einstein zijn werk aan de algemene relativiteitstheorie. De toen nog nieuwe theorie stond het bestaan toe van zogenaamde gravitatiegolven, die constant en overal opduiken. Een simpel voorbeeld: we zwaaien met onze hand, zwaartekrachtsgolven wijken af van de hand. Maar zwaartekracht is de zwakste kracht in de natuur en er zijn twee factoren nodig om zwaartekrachtgolven te fixeren. Ten eerste moet er een krachtige gebeurtenis plaatsvinden waarbij gigantische massa's betrokken zijn, bijvoorbeeld het samensmelten van sterren met elkaar, de val van de ene ster op de andere, of iets dergelijks. En ten tweede hebben we ongelooflijk gevoelige apparatuur nodig die het signaal van deze gebeurtenis op aarde zou opnemen.
Het idee om zwaartekrachtsgolven te registreren bestaat al decennia. Natuurkundigen begrepen perfect wat er moest gebeuren, maar de noodzakelijke technologieën bestonden simpelweg niet lang. De LIGO-interferometerdetector in de VS, die signalen van zwaartekrachtgolven detecteerde, werd in 1992 bedacht. Natuurkundigen konden lange tijd niets repareren, omdat de installatie niet gevoelig was. Feit is dat gravitatiegolven in feite trillingen zijn van een bepaalde entiteit, die natuurkundigen "ruimte-tijd" noemen. Dit betekent bijvoorbeeld dat de afstand tussen twee elementen van de installatie kan gaan fluctueren, omdat de ruimte zelf van eigenschappen verandert. Het bleek dat de vereiste gevoeligheid van het apparaat de grenzen van echte waarneming overschrijdt - de amplitude van oscillaties zou ongeveer 10 duizend keer minder moeten zijn,dan de grootte van de atoomkern. Dit is een fantastische nauwkeurigheid. Vorig jaar werd de installatie gemoderniseerd, waarna het mogelijk was om een signaal uit de diepten van het heelal op te nemen over een buitengewoon krachtige gebeurtenis - de versmelting van twee zwarte gaten. Het gebeurde een miljard driehonderd miljoen jaar geleden, en pas op 14 september vorig jaar bereikten de echo's de aarde. Dankzij de gelijktijdig opgenomen gammastraaluitbarsting werd duidelijk dat dit geen willekeurige ruis is. Deskundigen hebben het resultaat al heel lang gecontroleerd en pas in februari riskeerden ze de wereld te informeren dat er een grote ontdekking was gedaan.en pas op 14 september vorig jaar bereikten de echo's de aarde. Dankzij de gelijktijdig opgenomen gammastraaluitbarsting werd duidelijk dat dit geen willekeurige ruis is. Deskundigen hebben het resultaat zeer lang gecontroleerd en pas in februari riskeerden ze de wereld te melden dat er een grote ontdekking was gedaan.en pas op 14 september vorig jaar bereikten de echo's de aarde. Dankzij de gelijktijdig opgenomen gammastraaluitbarsting werd duidelijk dat dit geen willekeurige ruis is. Deskundigen hebben het resultaat al heel lang gecontroleerd en pas in februari riskeerden ze de wereld te informeren dat er een grote ontdekking was gedaan.
Sergey Arturovich, wat is de betekenis van de ontdekking van zwaartekrachtgolven voor de wetenschap?
- Zwaartekrachtgolven gaan door alles heen. Dit betekent dat we een nieuw soort informatie krijgen over fysieke processen. Tijdens de gebeurtenis van 14 september veranderden de drie massa's van de zon, toen twee zwarte gaten samensmolten, in de energie van zwaartekrachtgolven. Dit is een monsterlijke energie, dus zelfs op een afstand van een miljard driehonderd miljoen lichtjaar voelden we deze gebeurtenis. Stel je voor: een beving van de ruimte die zich door het universum heeft verspreid.
Het is belangrijk op te merken dat er verschillende andere ontdekkingen zijn gedaan tegelijkertijd met de registratie van zwaartekrachtgolven. Ten eerste is er bewijs voor het bestaan van zwarte gaten verkregen. Astronomen en astrofysici twijfelden hier niet aan, maar sommige theoretische fysici ontkenden tot voor kort het bestaan van dergelijke objecten. Ten tweede werd bevestigd dat zwaartekrachtgolven zich voortbewegen met de snelheid van het licht, wat werd voorspeld in de algemene relativiteitstheorie.
Nog een ontdekking moet worden gezegd. Er is een dergelijk concept "zwarte gat waarnemingshorizon". Twee gaten versmolten met elkaar, de waarnemingshorizon kreeg een bepaalde complexe vorm en fluctueerde. Het resultaat is een schil, waaronder al een zwart gat zit, maar daarbuiten nog niet. Dit effect - de dynamiek van de waarnemingshorizon - werd voor het eerst geregistreerd tijdens waarnemingen, hoewel niemand dit soort ontdekking verwachtte.
Hebben Russische wetenschappers deelgenomen aan een experiment om zwaartekrachtgolven te registreren?
Promotie video:
- De detector-interferometer is Amerikaans, maar de ervaring werd geleverd door een internationaal team met Russische specialisten. De installatie ving de zwaartekrachtsgolven zelf op, maar het was nodig om te begrijpen waar ze vandaan kwamen, welke gebeurtenis ze veroorzaakte. Dus hiervoor gebruikte het programma telescopen van over de hele wereld, inclusief het Russische netwerk van telescopen "MASTER". Het was echter nog steeds mogelijk om de bron van de golven te bepalen met behulp van buitenlandse technologie.
Veel van de theoretische grondslagen van het experiment dat in de Verenigde Staten werd uitgevoerd, werden in Rusland gelegd. In ons land was een van de pioniers van de zoektocht naar zwaartekrachtsgolven de beroemde natuurkundige, een medewerker van de Moscow State University, Vladimir Braginsky.
De Moskou-astrofysicus, hoofd van het MASTER-project, Vladimir Lipunov, publiceerde samen met zijn collega's in 1992 een artikel waarin werd gezegd dat de eerste gebeurtenis voor het fixeren van zwaartekrachtgolven precies het samenvoegen van zwarte gaten zou zijn. Bovendien is bekend dat Russische wetenschappers hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van het ontwerp van de detector-interferometer. In het algemeen namen ongeveer duizend mensen op de een of andere manier deel aan het project, en Russische natuurkundigen droegen bij aan de gemeenschappelijke zaak.
Kan de ontdekking van zwaartekrachtgolven in aanmerking komen voor de Nobelprijs voor de natuurkunde?
- Over het algemeen is de ontdekking van zwaartekrachtgolven een gebeurtenis van Nobel. In de meeste gevallen gebeuren ontdekkingen onverwacht. Maar in de afgelopen jaren zijn er twee uitzonderingen geweest waarbij ontdekkingen werden voorspeld en die zijn ook gebeurd. We hebben het over het Higgs-deeltje, waarvan de ontdekking al tientallen jaren had gewacht, en gravitatiegolven, waarvan de bevestiging honderd jaar duurde. Al deze gebeurtenissen werden theoretisch voorspeld, in beide gevallen bleek de theorie correct te zijn en bevestigd door waarnemingen. In 2013 ging de hoofdprijs in natuurkunde naar François Engler en Peter Higgs. Ik denk dat de Nobelprijs ook zal worden uitgereikt voor de ontdekking van zwaartekrachtgolven.