Yerçekimi dalgalarının geçmişi ve bugünü
Wang Ziyang, Qiao Nixuan, Gong Yungui, Zhang Yuanzhong / Metin
Yerçekimi dalgalarının tarihi
1
Yerçekimi dalgalarının teorik tahminleri ve özellikleri
Heaviside, yerçekimi ve elektromanyetik kuvvetin ters kare kuvvetine ve elektromanyetik dalgaların fiziksel özelliklerine dayanarak yerçekimi dalgaları kavramını 1893 gibi erken bir tarihte önerdi. Poincaré ayrıca 1905'te yerçekimi dalgalarının ışık hızında ilerlediğini belirtti. 1915'in sonunda Einstein, yerçekimi alanının karşıladığı göreceli bir alan denklemi verdi - Einstein'ın alan denklemi. 1916'da, düz uzay-zaman arka planı altında Einstein'ın alan denklemine doğrusal bir yaklaşım yaptı. Dalga denklemi ve yerçekimi radyasyonunun dört kutuplu moment formülü, yerçekimi dalgalarının varlığını ve yerçekimi dalgalarının ışık hızında yayılmasını öngördü.
Heaviside. Resim kaynağı ağı
Poincaré. Resim kaynağı ağı
Ne yazık ki, Einstein 1916'daki türetmesinde bir hata yaptı ve bu nedenle, yerçekimi dalgalarının üç serbestlik derecesine, yani üç kutuplaşma yönüne sahip olduğunu yanlış bir şekilde tahmin etti. Bir buçuk yıl sonra, 1918'de Einstein bu hatayı düzeltti, yerçekimsel dalgaların yalnızca iki bağımsız serbestlik derecesine, yani iki kutuplaşma yönüne (enine dalgalara ait) sahip olduğuna işaret etti ve yerçekimi dalgalarının yaydığı enerjiyi hesapladı.
Klasik elektromanyetik radyasyonun elektrik yüklerinin hızlandırılmış hareketiyle üretildiği mekanizmaya benzer şekilde, Einstein'ın dört kutuplu formülü, bize hızlandırılmış nesnelerin yerçekimi dalgaları oluşturacağını söyler. Bir sistemin kütle dağılımı asimetrik olarak hareket ederse, uzay-zaman deformasyonu, yerçekimi dalgaları olan dalgacıklar şeklinde dışa doğru yayılacaktır.
Yerçekimi dalgaları esasen bilinen elektromanyetik dalgalardan farklıdır.Hızlanan nesnelerin ürettiği yerçekimi dalgaları, uzay-zaman lifinin kendisinin dalgalarıdır. Yükün korunumu yasasına göre, en düşük elektromanyetik radyasyon derecesi dipol moment radyasyonudur. Enerjinin korunumu, momentum ve açısal momentum yasaları, en düşük kütleçekimsel radyasyon düzeyinin dört kutuplu radyasyon olmasını gerektirir, yani tipik yerçekimi dalgaları kaynağı, dönen bir dambıla benzer bir ikili yıldız sistemidir. Bu nedenle, küresel olarak simetrik olan bu yerçekimi etkileri, bir süpernovanın mükemmel küresel simetrik çöküşü herhangi bir dalga üretmeyeceği gibi yerçekimsel radyasyon üretmeyecektir. Küresel olmayan çöküş kütleçekim dalgalarını yayacak, bu nedenle ikili yıldız sistemi yerçekimi dalgalarını yayacaktır. Yerçekimi dalgalarının yoğunluğu, nesnenin hızının ışık hızına oranının (5 / c5) beşinci gücü olduğundan, yoğunluğu son derece küçüktür ve tespit edilmesi çok zordur.Bu nedenle, Einstein'ın yerçekimi dalgasını önermesinden sonraki on yıllarda Çok fazla teorik araştırma yok.
2
Yerçekimi dalgalarının var olup olmadığı konusundaki tartışma
Kütleçekim dalgalarının var olup olmadığı her zaman tartışmalı bir konu olmuştur ve hatta Einstein bile yerçekimi dalgalarının varlığından şüphe duymuştur. 1936'da Einstein ve asistanı Rosen yerçekimi dalgalarının yokluğu üzerine bir makale yazdı (başlık "Yerçekimi Dalgaları Var mı?") Ve bunu American Physical Review'e sundu.Yazar departmanı anonim eleştirmenlerin yorumlarına dayanıyor. Makaleyi yayınlamayı reddetti; daha sonra Einstein, Princeton Üniversitesi'ndeki arkadaşı Robertson'un fikrini kabul etti ve makaleyi yeniden yazdı (ve yerçekimi dalgalarının var olmadığına dair yanlış sonucu revize etti, ancak Robertson'un aslında isimsiz bir hakem olduğunu bilmiyordu), başlık Aynı zamanda "Yerçekimi Dalgaları Üzerine" olarak değiştirildi ve Journal of Franklin College'da yayınlandı.
Resim kaynağı ağı
Kütleçekimsel radyasyon problemini anlamak için insanlar farklı yaklaşımlar geliştirdiler. 1938'de Einstein ve arkadaşları, zayıf bir alanda düşük hızlı hareketin üstesinden gelmek için "Newton sonrası" bir yöntem önerdiler Bu yaklaşım yöntemini kullanarak, ( / c) 4. sıra hesaplanana kadar yerçekimsel enerji radyasyonu görünmeyecekti. Dört kutuplu moment radyasyonu sonraki sırada ortaya çıktı ve bu, Çinli fizikçi Profesör Hu Ning tarafından 1947'ye kadar kanıtlanmadı. Ancak düşük hızlı olmayan yerçekimsel radyasyon için, yukarıdaki yaklaşım yöntemi artık geçerli değildir ve yeni bir yaklaşım yöntemleri seti geliştirilmesi gerekir. İkili yıldız sistemleri için, yerçekimi dalgalarının ve ikili yıldız sistemlerinin toplam enerji korunumu dikkate alındıktan sonra, dört kutuplu moment radyasyon formülü hala uygulanabilir. Kara deliklerin birleşmesiyle yayılan kütleçekim dalgalarının üstesinden gelmek için sayısal görelilik yöntemlerini kullanmak gerekir.
Juning. Resim kaynağı ağı
1950'lere kadar, bazı görelilik teorik fizikçileri, özellikle Bundy, kütleçekimsel radyasyonun aslında gözlemlenebilir bir fiziksel fenomen olduğunu kesin olarak kanıtladılar. Yerçekimi dalgaları enerji taşıdığından, yerçekimi dalgalarını yayan bir sistem enerji kaybeder. Aslında, 1805 gibi erken bir tarihte Laplace, ünlü "Astromekanik Anlaşması" nda, eğer yerçekimi sonlu bir hızda yayılırsa, bir ikili yıldız sistemindeki yerçekiminin iki yıldız ile sistem arasındaki çizgiyi göstermeyeceğini belirtti. Açısal momentumu zamanla yavaş yavaş azalacaktır. Elbette, bunun nedeni, ikili yıldız sisteminin kütleçekim dalgalarını yayarak enerji ve açısal momentum kaybetmesi olduğunu biliyoruz. 1957'de Feynman ve Bundy, iki küçük yapışkan topu sert bir çubuğa koymayı önerdiler.Kütleçekim dalgaları iletildiğinde, katı çubuğun uzunluğu atomik kuvvetin etkisiyle değişmez, ancak iki küçük top arasındaki mesafe değişecektir. Bükülmeye ve değişmeye devam edecek, bu da rijit çubuk ile sürtünmeye neden olacak ve ısı oluşturacaktır.Bu ısının kaynağı yerçekimi dalgalarıdır.
Feynman'ın "yapışkan boncuk" düşünce deneyi. Resim kaynağı: wordpress.com
3
Yerçekimi dalgalarının fiziksel etkileri
Yerçekimi dalgaları uzay-zamanı bozacak, başka bir deyişle, iki serbest makroskopik nesne arasındaki mesafeyi değiştirecektir. Bir yerçekimi dalgası güneş sisteminden geçtiğinde, uzayda zamanla değişen bir gerilme kuvveti üretecek ve bu, dalganın yayılma yönüne dik olarak güneş sistemindeki tüm nesneler arasındaki mesafeyi periyodik olarak değiştirecektir. Temel sorun, yerçekimi dalgalarının geçişinin neden olduğu göreceli uzunluk değişikliğinin çok küçük olmasıdır. Örneğin, tipik bir beyaz cüce ikili yıldız sistemi tarafından yayılan yerçekimi dalgalarının etkisi altında, birbirinden 1013 metre uzaklıkta olan iki test nesnesi arasındaki mesafenin periyodik değişimi sadece 10-10 metredir. Kütleçekim dalgalarının çok az enerji taşıması anlamında, bu kütleçekim dalgalarının zayıf olduğu anlamına gelmez. Aksine, çok uzak olmayan bir galaksideki süpernovanın yerçekimi dalgası, birkaç kilovatlık bir yoğunlukla dünyanın her köşesini çekecektir. Bununla birlikte, uzay-zaman son derece katı ve elastik bir ortam olduğu için, son uzunluk değişimi hala küçüktür, bu nedenle küçük bir bükülme bile son derece yüksek enerji gerektirir.
Yerçekimi dalgalarının erken gözlemleri
1
Yerçekimi dalgası gözlemi için Weber'in çubuk yöntemi
Weber ilk olarak 1960'lardan beri yerçekimi dalgalarını tespit etmeye çalıştı. Yerçekimi dalgalarını algılamak için dedektör olarak Weber çubuğu adı verilen alüminyum alaşımlı bir silindir kullanır Yerçekimi dalgaları Weber çubuğunun uzun süre "yankılanmasına" neden olur.Dedektöre takılan dönüştürücü, farklı titreşim modlarının karmaşıklığını izleyebilir. genlik. Weber tarafından kullanılan silindir rezonatör 2 metre uzunluğunda, 1 metre çapında ve yaklaşık 1 ton ağırlığındadır ve oda sıcaklığında, merkez frekansı kilohertz ve sadece birkaç hertz bant genişliğinde çalışır. 1968'de Weber, bir rezonatör çubuğuyla yerçekimi dalgalarını tespit ettiğini açıkladı, ancak deneysel sonuçları tekrarlanmadı ve doğrulanmadı ve genellikle akademik camia tarafından yanlış kabul edildi.
Weber ve "Weber Çubuğu". Resim kaynağı: physics.umd.edu
Webb'den bu yana, Rezonant Çubuk dedektörleri arasında Louisiana Eyalet Üniversitesi'ndeki Louisiana Kriyojenik ve Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (ALLEGRO), Batı Avustralya Üniversitesi'nde NIOBE, İtalya'nın kuzeydoğusunda AURIGA ve Avrupa Nükleer Merkezi'nde Explorer bulunmaktadır. Ve NAUTILUS, İtalya'daki Ulusal Nükleer Araştırma Enstitüsünde bulunan vb. Mevcut rezonans çubuğu genellikle sıvı helyum sıcaklığında çalışır ve yerçekimi dalgalarının yoğunluğunu tespit etme hassasiyeti 10-19'a ulaşabilir. Küresel dedektör tüm yönlere duyarlı olduğu için Leiden Üniversitesi'nin minGRAIL dedektörü, 68 cm çapında, 1300 kg ağırlığında, yaklaşık 3000 Hz rezonans frekansı ve 230 Hz bant genişliği ile küresel olacak şekilde tasarlanmış ilk dedektördür. 20mK'da çalışmayı bekleyin. Brezilya'daki Sao Paulo Üniversitesi tarafından planlanan Mario Schenberg yerçekimi dalgası dedektörü, 65 cm çapında, 1.15 ton ağırlığında ve 20 mK çalışma sıcaklığıyla benzer bir tasarıma sahip.
TIGA gibi yeni nesil dedektörler genellikle küreseldir, çalışma sıcaklıkları 50mK'nin altındadır ve kilohertz frekans bandında yerçekimi dalgalarının yoğunluğunu tespit etme duyarlılıkları 10-21'e ulaşabilir. Bahsedilmesi gereken bir diğer şey de, 1972'de Çin'deki iki laboratuvarın yerçekimi dalgalarını tespit etmek için Weber çubuklarını kurmasıdır; biri Pekin, Zhongguancun'daki Çin Bilimler Akademisi laboratuvarı, diğeri ise Guangzhou'daki Sun Yat-sen Üniversitesi laboratuvarıdır.
2
Yerçekimi radyasyonunun dolaylı kanıtı
1970'lerde Hulse ve Taylor, titreşen ikili yıldız PSR 1913 + 16'yı keşfettiler ve ikili yıldız sisteminin periyodik değişimlerini hassas bir şekilde gözlemlediler ve Einstein'ın teorisine göre hesaplanan ikili yıldız sistemi ve radyasyon yerçekimi dalgalarının periyodik değişimlerini buldular. Sonuçlar tutarlıdır, bu da dolaylı olarak yerçekimi radyasyonunun varlığını kanıtlar. 1993'te Nobel Fizik Ödülü'nü kazandılar.
Hulse ve Taylor. Resim kaynağı nobelprize.org
Çağdaş büyük ölçekli yerçekimi dalgası gözlemevi ekipmanı
1
LIGO ve Gelişmiş LIGO
1970'lerde Weiss ve arkadaşları, yerçekimi dalgalarını tespit etmek için lazer interferometrelerin kullanımını önerdi. 1984 yılında Thorne, Driver ve Weiss, Lazer İnterferometrik Yerçekimi Dalga Gözlemevi (LIGO) projesini yönetti. 1994 yılında, LIGO 395 milyon ABD doları fon aldı ve dünyanın en büyük yerçekimi dalgası dedektörü oldu. 2002 yılında LIGO tamamlandı ve yerçekimi dalgalarının tespitine başladı. 2004 yılında, LIGO yükseltmeye başladı, yeni gelişmiş (Gelişmiş) LIGO inşa etmeye başladı ve 2015 yılında faaliyete geçti. Hanford, Washington ve Livingston, Louisiana'da 3002 kilometre mesafeye sahip iki özdeş gelişmiş LIGO bulunur.Her LIGO, 4 kilometre kollu iki karşılıklı dikey Michelson lazer girişimölçerdir (LIGO). Görünüm, Şekil 1'de gösterilmiştir.
Şekil 1 Lazer Girişimli Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO)
2
Diğer cihazlar
LIGO'ya ek olarak, yerçekimsel dalgaları tespit etmek için yer tabanlı cihazlar arasında İtalya'da Başak (3 kilometre kol uzunluğunda) ve Almanya'da GEO600 (kol uzunluğu 600 metre) bulunmaktadır. Planlanan Avustralya Uluslararası Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (AIGO, 5 kilometre kol uzunluğuna sahip LIGO-Avustralya olarak da bilinir), Hindistan'ın INDIGO'su (4 kilometre kol uzunluğuna sahip LIGO-Hindistan olarak da bilinir) ve Japonya'nın kriyojenik lazer girişimi Gözlemevi (CLIO, kol uzunluğu 100 metre, selefi 300 metre kol uzunluğuna sahip TAMA300) ve Shengang Yerçekimi Dalga Dedektörü (KAGRA, kol uzunluğu 3 kilometre) vb.
Bu lazer interferometrelerden oluşan bir ağ, yerçekimi dalgalarının kaynağını bulmak için kullanılabilir. Einstein Teleskobu (ET) gibi yeni nesil lazer interferometre projeleri, eşkenar üçgen oluşturan 10 kilometre uzunluğunda üç koldan oluşan ve her köşesinde iki dedektör bulunan yeraltında inşa edilecek, ET yerçekimini tespit etmek için kullanılabilir. Dalganın polarizasyonu. Çin'deki ilgili üniversiteler ve araştırma enstitüleri de yeraltı lazer girişim yerçekimi dalgası dedektörleri inşa etmeyi planlıyor.
3
İnsanlar ilk kez yerçekimi dalgalarını doğrudan gözlemlediler
11 Şubat 2016'da LIGO, 14 Eylül 2015'te iki kara deliğin birleşmesinden kütleçekim dalgalarını gözlemlediklerini açıkladı ve iki kara deliğin kütlelerinin sırasıyla 36 ve 29 güneş kütlesi olduğu sonucuna vardı. İkinci kütle, bizden 410Mpc uzakta olan 62 güneş kütlesidir (eksik 3 güneş kütlesi yerçekimi dalgalarının enerjisiyle yayılır) (410 megase saniye boşluk yaklaşık 1,34 milyar ışıkyılıdır). 1,34 milyar yıl önce meydana gelen bu yerçekimi dalgası sinyali, GW150914 olarak adlandırılmış ve ilk olarak Livingston'da interferometre ile ve 6.9 milisaniye sonra Hanford'da interferometre ile tespit edilmiştir. Şimdiye kadar, yerçekimi dalgaları insanlık tarihinde ilk kez doğrudan gözlemlendi. Daha sonra 15 Haziran 2016'da LIGO ikinci yerçekimi dalgası sinyalinin gözlemlendiğini duyurdu.Bu sinyal 26 Aralık 2015'te meydana geldi. 440Mpc'lik 14,2 güneş kütlesi ve 7,5 güneş kütlesinden geldi. İki karadeliğin birleşmesi, karadeliğin birleşmesinden sonraki kütlesi 20,8 güneş kütlesidir ve bu sinyal GW151226 olarak adlandırılır.
Başlatılan veya başlatılacak olan gelecekteki uzay yerçekimi dalgası algılama programı
Dünyanın yerçekimi gradyanının sınırlandırılması nedeniyle, yerde 1 Hz'den daha düşük frekansa sahip yerçekimi dalgalarını gözlemlemek imkansızdır. 10-4 ila 1 Hz frekans aralığında yerçekimi dalgalarını tespit etmek için uzayda algılama gereklidir.
Planlanan uzay keşfi yerçekimi dalgası projeleri arasında, LISA lazer interferometre uzay anteninden (Lazer İnterferometre Uzay Anteni) projesine Avrupa Uzay Ajansı (ESA); Japonya'nın Decihertz İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (DECIGO); Çin Bilimler Akademisi Taiji Projesi bulunmaktadır. , Sun Yat-sen Üniversitesi ve Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nin Tianqin Projesi vb. Yeni nesil uzay yerçekimi dalgası dedektörleri arasında Big Bang Gözlemevi (BBO) ve benzeri yer alır.
Bunlar arasında, ESAnın eLISAı, LISAnın gelişen bir versiyonudur. Düzeni, yan uzunluğu 2 milyon kilometre olan eşkenar üçgenden ve bir kol uzunluğundan oluşan üç uzay aracından oluşur. Üç yıldız lazerlerle birbirine bağlanarak bir lazer oluşturur.
İnterferometreler, yerçekimi dalgalarının neden olduğu kol uzunluğundaki değişiklikleri tespit edebilir ve üç yıldızın oluşumları güneşin etrafında hareket eder.
Çin Bilimler Akademisi'nin uzay kütleçekimsel dalga tespit planı, 2008 yılında akademisyen Hu Wenruinin Çin Bilimler Akademisi ve ilgili üniversitelerden ilgili uzmanlardan oluşan organizasyonundan kaynaklanmıştır. Uzay yerçekimi dalgası algılama planı, 2016 yılının başlarında Taiji Projesi olarak adlandırıldı ve planı da üç yıldızdı. Oluşumlar güneşin etrafında hareket eder (eLISA'ya benzer şekilde, temel fark, kol uzunluğunun 3 milyon kilometre olmasıdır). Sun Yat-sen Üniversitesi ile Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi arasındaki Tianqin Projesi
Üç yıldızın kol uzunluğu 100.000 kilometre mertebesindedir ve üç yıldızın oluşumu dünya etrafında hareket etmektedir (güneş değil). Yukarıdaki üç alan planının düzeni arasında bir karşılaştırma için Şekil 2'ye bakın.
Ek olarak, eLISA programının temel teknolojisini doğrulamak için ESA'nın LISA Pathfinder'inin 3 Aralık 2015'te başlatıldığını belirtmek gerekir. İlk Lagrangian noktası etrafında dönüyor. Sonuçlar, Haziran 2016'da Birleşik Devletler'deki Physical Review Letters'da yayınlandı.
Şekil 2 eLISA, Tai Chi ve Tianqin'in Karşılaştırması
Diğer yerçekimi dalgası algılama programları
Yerçekimi dalgalarının uzaydaki elektromanyetik dalgaların yayılması üzerindeki etkisini gözlemleyerek yerçekimi dalgalarını tespit etmek için de kullanılabilir. Darbe kronometrisi, mikrosaniye pulsarının elektromanyetik darbesinin yeryüzündeki teleskopa ulaştığı andaki yerçekimi dalgalarının etkisini ölçerek yerçekimi dalgalarını ölçer.Bu yöntem, 10-9 ila 10-5 frekans aralığında yerçekimi kuvvetini ölçebilir. dalga. Darbe zamanlama dizileri, Avrupa Darbe Zamanlama Dizisi (EPTA), Kuzey Amerika Nahtz Yerçekimi Dalga Gözlemevi (NAN-OGrav), Parkes Darbe Zamanlama Dizisi (PPTA) ve diğer uluslararası darbe zamanlama dizilerini içerir. Çin Bilimler Akademisi'nin 110 metrelik tamamen hareketli radyo teleskopu (QTT) ve 500 metrelik küresel radyo teleskopu (FAST), darbe zaman dizisi yöntemiyle yerçekimi dalgalarını da ölçebilir.
Yüklü parçacıkların hızlandırılmış hareketi, klasik sürekli elektromanyetik dalgalar oluşturacak ve atomlardaki elektronların kuantum geçişi ayrı elektromanyetik dalgalar üretecektir. Benzer şekilde, yukarıda tartışılan asimetrik kütle dağılımına sahip sistemin hızlandırılmış hareketinin oluşturduğu klasik yerçekimi dalgalarına ek olarak, evrenin çok erken şişirme periyodundaki kuantum dalgalanmaları, 10-18 ila 107 Hz aralığında değişen bir spektrumda ilkel yerçekimi dalgaları üretecektir. 10-16'dan 107'ye kadarki spektrumun ilksel yerçekimi genliği çok küçüktür ve neredeyse frekanstan bağımsızdır Yukarıda tartışılan yöntemler, böylesine küçük bir ilksel yerçekimi dalgasını ölçmek için temelde imkansızdır. İlksel yerçekimi dalgaları, mikrodalga arka plan radyasyonunun polarizasyonunda B-modu polarizasyonu olarak adlandırılan kutuplaşmayı ürettiğinden, mikrodalga arka plan radyasyonundaki B-modu polarizasyonunu ölçmek yalnızca ilkel yerçekimi dalgalarını tespit etmekle kalmaz, aynı zamanda çok erken evrenin fiziğini incelemek için de kullanılabilir. B-modu polarizasyon ölçümü de iki yönteme ayrılmıştır: yer ve alan algılama. Yer tespit deneyleri çoğunlukla Şili'de POLARBEAR ve Antarktika'da BICEP ve QUaD'yi içerir. BICEP grubu 17 Mart 2014'te mikrodalga arka plan radyasyonu üzerindeki orijinal yerçekimi dalgalarının B-modu polarizasyonunun izlerini tespit ettiklerini iddia etse de, daha sonra ön plan gürültüsü ile ilgili problemleri olduğu keşfedildi, bu yüzden bu keşif tamamen bir oolongdu. Mevcut uzay projeleri esas olarak 2009 yılında ESA tarafından fırlatılan Planck uydusunu içerir ve yeni nesil uzay projeleri PRISM ve COrE planlarını içerir. Şimdiye kadar, orijinal yerçekimi dalgasını bulamadık. Çin Bilimler Akademisi, orijinal yerçekimi dalgaları için Ali planını önerdi.
Tibet'teki Ali Platosu Laboratuvarı, yerçekimsel dalga araştırması ve tespiti için kullanılır (Su Meng tarafından sağlanmıştır)
Kısacası, bugünkü yerçekimi dalgalarının keşfi ve yarının daha fazla araştırılması, yalnızca Einstein'ın teorisini güçlü yerçekimi alanları durumunda test etmekle kalmayacak, aynı zamanda yerçekimi teorisi ve astronomik fenomenler üzerine araştırmalarımız için bütün bir dünyanın kapılarını açacaktır.
Yeni Pencere.
