Ғарыштың терең қойнауында адам көзіне көрінбейтін уақыт-кеңістіктің тербелістері тарайды, олар Әлемдегі ең ауқымды оқиғалар туралы ақпарат тасиды. Бұл құпиялы сигналдар ғасыр бұрын болжанған болатын, бүгінде бізге ғарышты бақылаудың түпкілікті жаңа әдісін ашып берді. Сіз білмеуіңіз мүмкін, гравитациялық толқындар миллиардтаған жыл бұрын болған қара тесіктердің соқтығысуын «естуге» мүмкіндік береді. Бұл ғажайып деректер гравитациялық толқындар туралы сізге шынайы өзі тербелетін ғаламның дүниесін ашады. Толқындар туралы бұл қызықты деректер Әлемнің қалай жұмыс істейтіні туралы түсінігіңізді түбегейлі өзгертеді.
- Альберт Эйнштейн гравитациялық толқындардың болатынын 1916 жылы жалпы салыстырмалылық теориясының салдары ретінде болжады. Ол массивті үдеумен қозғалатын объектілер уақыт-кеңістік құрылымында су бетіндегі толқындар сияқты тербелістер тудыратынын болжады. Бірақ өзі Эйнштейн осы толқындардың әлсіздігіне байланысты оларды ешқашан анықтау мүмкін емес деп күмәнданған. Бұл болжамнан жүз жыл өткен соң ғана ғалымдар алғашқы гравитациялық толқындарды тіркеуге қол жеткізді.
- Гравитациялық толқындарды алғашқы рет тікелей анықтау 2015 жылы 14 қыркүйекте АҚШ-тағы LIGO обсерваториясының детекторларымен жүзеге асты. GW150914 деп аталатын бұл сигнал шамамен 1,3 миллиард жыл бұрын 29 және 36 күн массасына тең екі қара тесіктің бірігуі нәтижесінде пайда болды. Жерге жеткен уақыт-кеңістік тербелістері детектордың айналары арасындағы қашықтықты протон диаметрінің мыңнан бір бөлігінен де аз өзгертті. Бұл ашылу жалпы салыстырмалылық теориясының соңғы тексерілмеген болжамын растады.
- Гравитациялық толқындар вакуумда жарық жылдамдығымен тарайды, бұл шамамен секундына 300 мың шақырымға тең. Бұл жылдамдық Әлемнің негізгі тұрақты шамасы болып табылады және көзден шығу орнының массасына немесе қашықтығына тәуелді емес. Жарықтан айырмашылығы, гравитациялық толқындар затпен шамалы әрекеттеспейді және кез келген кедергіден әлсіремей өте алады. Бұл қасиет оларға электромагниттік сәулелену жетпейтін ғарыштың ең терең жерлерінен ақпарат тасуға мүмкіндік береді.
- Гравитациялық толқындар көздері үдеумен қозғалатын массивті ғарыш объектілері болып табылады, әсіресе апатты оқиғалар кезінде. Ең қуатты сигналдар қара тесіктердің немесе нейтрондық жұлдыздардың бірігуі, жұлдыздардың жарылысы немесе симметриясы бұзылған пульсарлардың айналуы кезінде пайда болады. Тіпті Жер Күнді айнала қозғалғанда гравитациялық толқындар шығарады, бірақ олардың энергиясы өте аз, сондықтан қазіргі құралдармен тіркеу мүмкін емес. Тек экстремалды гравитациялық өрістері мен үлкен массалары бар оқиғалар ғана бақылауға қолжетімді толқындар туғызады.
- Гравитациялық толқындардың екі негізгі поляризациясы бар, олар плюс және крест деп белгіленеді. Толқын объектілер арқылы өткенде, ол кеңістікті перпендикуляр бағыттарда деформациялайды, бір бағытта қысып, екіншісінде созады. Бұл деформация көлденең болып табылады, яғни толқынның таралу бағытына перпендикуляр жүреді. Дәл осы микроскопиялық қашықтық өзгерістерін қазіргі детекторлар тіркейді.
- Гравитациялық толқындарды тіркеу үшін бірнеше шақырым ұзындықтағы иықтары бар лазерлік интерферометрлер қолданылады. Жұмыс істеу принципі лазер сәулесі екі перпендикуляр траектория бойымен айналарға жіберіліп, одан кейін қайта оралатынына негізделген. Гравитациялық толқын детектор арқылы өткенде, ол иықтардың ұзындығын аз ғана өзгертеді, бұл лазер жарығының интерференциялық кескінін өзгертеді. Мұндай детекторлар өте сезімтал, олар метрдің 10 дәрежесі минус 19-ға тең ұзындық өзгерісін анықтай алады.
- Екі нейтрондық жұлдыздың бірігуінен шыққан гравитациялық толқындарды алғашқы рет анықтау 2017 жылы 17 тамызда жүзеге асырылды және көпәдісті астрономия дәуірінің бастауы болды. Қара тесіктердің бірігуінен айырмашылығы, бұл оқиға гамма-сәулелену жарқылымен және бүкіл әлемдегі телескоптар бақылаған жарық эхосымен қатар жүрді. Бұл ғалымдарға гравитациялық толқындар арқылы оқиғаны тек «естіп қана қоймай», сонымен қатар электромагниттік спектрдің әртүрлі диапазондарында «көруге» мүмкіндік берді. Мұндай бақылау нейтрондық жұлдыздардың бірігуі алтын және платина сияқты ауыр элементтердің көзі екенін растады.
- Бақылаудың алғашқы бірнеше жылы ішінде LIGO және Virgo детекторлары компактты объектілердің бірігуімен байланысты ондаған оқиғаларды тіркеді. Олардың көпшілігі қара тесіктердің бірігуі болды, бірақ нейтрондық жұлдыздардың бірігуі және қара тесік пен нейтрондық жұлдыздың аралас оқиғалары да анықталды. Әр оқиға бұл экзотикалық объектілердің массалары, спиндері және қашықтықтары туралы бірегей деректерді береді. Бұл статистика астрономдарға компактты объектілері бар екі еселі жүйелердің қалай пайда болатынын және дамитынын түсінуге көмектеседі.
- Гравитациялық толқындар көзден энергия тасып шығарады, бұл оқиға кезінде жүйенің массасының азаюына әкеледі. Екі қара тесіктің бірігуі кезінде олардың жалпы массасының 5 пайызына дейін гравитациялық толқындар энергиясына айналады, бұл бөлшектің үлесіне секундтың үлестері ішінде жүреді. Бұл қуат қысқа уақыт ішінде көрінетін Әлемдегі барлық жұлдыздардың жалпы сәулеленуінен асып түседі. Дәл осы энергияны жоғалту салдарынан компактты объектілердің орбиталары біртіндеп азаюға ұшырап, олардың толық бірігуіне әкеледі.
- АҚШ-тағы LIGO обсерваториясы Вашингтон және Луизиана штаттарында бір-бірінен үш мыңнан астам шақырым қашықтықта орналасқан екі бірдей детектордан тұрады. Мұндай орналасу сигналдың шынайылығын растауға мүмкіндік береді, себебі гравитациялық толқын екі детекторға да уақыттың аз ғана айырмашылығымен жетуі тиіс. Италиядағы еуропалық Virgo детекторы мен жапондық KAGRA бұл желіні толықтырып, көзден шығу бағытын анықтаудың дәлдігін арттырады. Гравитациялық толқындық астрономиядағы табысқа жету үшін халықаралық ынтымақтастық маңызды фактор болып табылады.
- 2017 жылы Нобель сыйлығын физика саласында Райнер Вайс, Барри Бариш және Кип Торн LIGO детекторына қосқан үлестері мен гравитациялық толқындарды бақылағаны үшін алды. Райнер Вайс лазерлік интерферометр концепциясын 1970 жылдары әзірлеген, ал Кип Торн астрофизикалық көздерден шығатын толқындарды анықтау мүмкіндігіне теориялық негіз жасады. Барри Бариш LIGO жобасының басшысы болып, оны эксперименталдық идеядан әлемдік деңгейдегі жұмыс істейтін обсерваторияға айналдырды. Бұл сыйлық ашудың негізгі физиканың дамуы үшін маңыздылығын көрсетті.
- 2030 жылдарда ұшырылуы жоспарланған болашақ ғарыштық обсерватория LISA әрқайсысының қабырғалары 2,5 миллион шақырым болатын үшбұрыш құратын үш ғарыш аппаратынан тұрады. Жердегі детекторлардан айырмашылығы, LISA төменгі жиіліктегі гравитациялық толқындарды тіркей алады, бұл галактикалар центріндегі асамассивті қара тесіктердің бірігуін зерттеуге мүмкіндік береді. Бұл миссия қазіргі құралдарға қолжетімсіз ғарышты бақылаудың жаңа терезесін ашады. LISA ғарышта орналасқан алғашқы гравитациялық толқындық детектор болады.
- Ерте Әлемдегі бастапқы оқиғалардан шыққан гравитациялық толқындар ғарыштық микротолқындық фонда із қалдырған болуы мүмкін. Ғалымдар Әлемнің инфляция кезеңінен шыққан гравитациялық толқындар туғызған болуы мүмкін бұл фондық сәулеленудің ерекше поляризация түрін іздеп жүр. Мұндай толқындарды анықтау алғашқы атомдар пайда болғаннан бұрынғы, Үлкен жарылыстан кейінгі секундтың үлестеріндегі кезеңге үңіле алуға мүмкіндік берер еді. Бұл біздің Әлемнің шығу тегі туралы теорияларды тексеруге бірегей деректерді ұсынар еді.
- Пульсарлар, әсіресе пульсарлары бар екі еселі жүйелер, олардың орбиталарының өзгеруін бақылау арқылы гравитациялық толқындарды жанама түрде анықтауға мүмкіндік береді. 1974 жылы Рассел Халс пен Джозеф Тейлор алғашқы екі еселі пульсар PSR B1913+16-ны ашып, оның орбиталық периоды гравитациялық толқындарға энергия жоғалту салдарынан жалпы салыстырмалылық теориясы болжағандай біртіндеп азаятынын анықтады. Гравитациялық толқындардың болатынына жанама растау оларға 1993 жылы физика бойынша Нобель сыйлығын әкелді. Мұндай бақылаулар отыз жылдан астап жалғасып, Эйнштейннің болжамдарын дәл растады.
- Гравитациялық толқындар электромагниттік толқындардан уақыт-кеңістіктің геометриясының тербелістері болып табылатынымен ерекшеленеді, ал электромагниттік толқындар электр және магнит өрістерінің тербелістері болып табылады. Олар жарыққа қарағанда затпен әлдеқайда әлсіз әрекеттеседі, бұл оларды қарапайым телескоптар үшін тәжірибелі түрде көрінбейтін етеді. Бірақ дәл осы әлсіз әрекеттесу оларға электромагниттік сәулеленуді бөгеттейтін қалың шаң мен газ бұлттары арқылы өтуге мүмкіндік береді. Бұл гравитациялық толқындық астрономияны Әлемнің жасырын бұрыштарын зерттеудің бірегей құралына айналдырады.
Бұл ғажайып деректер гравитациялық толқындар туралы тек ғарышты көзбен ғана емес, сонымен қатар шынайылықтың өзінің тербелістері арқылы қабылдауға мүмкіндік беретін астрономияның жаңа дәуірінің басы ғана. Әрбір жаңа анықталған оқиға бізге ғарыштық процестердің белгісіз жақтарын ашып, физиканы түсінуіміздің шекараларын сынайды. Болашақ астрономдар ұрпақтары гравитациялық толқындық аспанның толық картасын жасай алады, бұл адамзатқа миллиондаған жылдар бойы жасырын қалған құпияларды ашады. Гравитациялық толқындар бізге Әлем әрқашан өз тарихын айтуға құмар екенін, тек қана оны тыңдай білетіндерді іздеп жүргенін еске салады.
