Гравитациялық толқынның маңызы мен ғаламдағы орыны

Алматы қаласы
Қазақ ұлттық қыздар педагогикалық университеті
А.Ш. Мамбаева
А.Б. Арипбаева
А.А. Батырбаева

Гравитациялық толқынның маңызы мен ғаламдағы орыны

 Аңдатпа
Бұл мақалада гравитациялық толқындардың табиғаты, олардың алғаш ашылуы және заманауи физикадағы рөлі қарастырылады. Альберт Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы негізінде болжанған бұл толқындар тек 2015 жылы LIGO зертханасында эксперименталды түрде анықталған. Бұл жаңалық ғарыштық уақыттың қасиеттерін тереңірек түсінуге мүмкіндік беріп, қара құрдымдар сияқты ерекше ғарыштық объектілерді зерттеудің жаңа көкжиегін ашты. Сонымен қатар, гравитациялық толқындардың ғарышты бақылаудың инновациялық әдісі ретінде маңызы талқыланады. Мақалада олардың астрофизика, космология және теориялық физика салаларына тигізетін ықпалы сипатталады.

 Түйін сөздер: гравитациялық толқындар, жалпы салыстырмалылық теориясы,  қара құрдым, LIGO, ғарыштық уақыт, астрофизика, космология, ғарышты бақылау, эксперименталды физика, кеңістік пен уақыт.

Значение и место гравитационной волны во Вселенной

 Аннотация
В этой статье рассматривается природа гравитационных волн, их первое открытие и роль в современной физике. Эти волны, предсказанные на основе Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, были экспериментально обнаружены только в лаборатории LIGO в 2015 году. Это открытие открыло новый горизонт для изучения необычных космических объектов, таких как черные дыры, что позволило глубже понять свойства космического времени. Кроме того, обсуждается значение гравитационных волн как инновационного метода наблюдения за космосом. В статье описывается их влияние на области астрофизики, космологии и теоретической физики.

Ключевые слова: гравитационные волны, теория относительности, LIGO, черные дыры, пространство-время, астрофизика, космология, наблюдение космоса, экспериментальная физика, кривизна пространства.

 The meaning and place of the gravitational wave in the universe.

Abstract
This article examines the nature of gravitational waves, their first discovery and their role in modern physics. These waves, predicted on the basis of Albert Einstein’s General Theory of Relativity, were experimentally detected only in the LIGO laboratory in 2015. This discovery opened up a new horizon for the study of unusual space objects such as black holes, which allowed a deeper understanding of the properties of cosmic time. In addition, the importance of gravitational waves as an innovative method of observing space is discussed. The article describes their influence on the fields of astrophysics, cosmology and theoretical physics.

Keywords: gravitational waves, theory of relativity,black holes, spacetime, astrophysics, cosmology, LIGO,space observation, experimental physics, curvature of space.

Кіріспе. Гравитациялық толқындар — бұл гравитациялық өрістегі уақытша ауытқулар, олар тартылыс күшіне ие массалардың салыстырмалы қозғалысынан пайда болады және жарық жылдамдығымен өз көздерінен сыртқа таралады. Олар алғаш рет 1893 жылы Оливер Хевисайдпен, кейін 1905 жылы Анри Пуанкаре арқылы электромагниттік толқындардың гравитациялық эквиваленті ретінде ұсынылды. Ал 1916 жылы Альберт Эйнштейн өзінің жалпы салыстырмалылық теориясына сәйкес, гравитациялық толқындардың кеңістік-уақыттағы толқындар ретінде пайда болатынын дәлелдеді.

Гравитациялық толқындар энергияны гравитациялық сәулелену түрінде тасымалдайды, бұл электромагниттік сәулелену сияқты жарық энергиясының бір түрі. Ньютонның жалпы тартылыс заңы, классикалық механикаға негізделген, гравитациялық толқындардың бар болуын болжай алмайды, өйткені ол тартылыстың барлық жерде бірден әсер ететінін ғана ұсынады. Сондықтан гравитациялық толқындар — бұл Ньютон механикасынан тыс, салыстырмалық теориясының маңызды құбылысы болып табылады.

Негізгі бөлім. Бірінші гравитациялық толқын детекторын айтатын болсақ, Чапел-Хиллдегі кездесуден кейін, Джозеф Вебер гравитациялық толқынды қалай анықтауға болатыны туралы ойлануды бастады. 1960 жылы ол осы тақырыпта өз мақаласын жариялап, өз ұсынысын ашық түрде білдірді.Ол гравитациялық толқынның әсерінен туындайтын дірілдерді өлшеу арқылы толқын дірілдерін анықтауды ұсынды. Осы мақсатта, Вебер арнайы үлкен металл цилиндрді «антенна» ретінде жасап, оны гравитациялық толқындардан туындайтын резонанстық дірілдерді бақылау үшін қолдануды көздеді. Бұл жағдайды қоңырауды балғамен ұрғанда шыққан дыбысты күтуге ұқсатуға болады.

Вебердің командасына «антенна» құрылғысын жасауға бірнеше жыл қажет болды, және бұл жұмыс 1960-жылдардың ортасында аяқталды. 1966 жылы ол өзінің детекторы туралы «Physical Review» журналында мақала жариялап, құрылғының тиімділігін дәлелдеді. Оның «антеннасы» 66 см диаметрі мен 153 см ұзындығы бар, 3 тонна салмағы бар үлкен алюминий цилиндрден тұрды. Цилиндр болат сымға ілініп, оны сыртқы дірілдерден оқшаулайтын арнайы құрылғыға орнатылды. Сонымен қатар, бұл құрылғы вакуумды камераға орналастырылды. Құрылғыны аяқтау үшін, Вебер цилиндрдің айналасына пьезоэлектрлік кристалдардан жасалған детектор белдігін орнатты. Бұл сенсорлар цилиндрдің дірілдерін сезіп, оларды электрлік импульстарға түрлендіріп, гравитациялық толқындарды анықтауға мүмкіндік берді.

                                                        1– сурет

LIGO-ның гравитациялық толқындарды анықтаудағы рөлі
Лазерлік интерферометриялық гравитациялық толқындар обсерваториясы (LIGO) гравитациялық толқындарды анықтауда маңызды рөл атқарып, астрофизика саласында елеулі жетістікке жетті. LIGO-ның негізгі мақсаты – ғарыштық апаттар, мысалы, қара тесіктер мен нейтрондық жұлдыздардың соқтығысуы кезінде кеңістік-уақыттағы толқындарды бақылау. Мұны жүзеге асыру үшін LIGO Ханфорд (Вашингтон) және Ливенстон (Луизиана) қалаларында орналасқан екі жоғары сезімтал интерферометрді пайдаланады. Бұл құралдар гравитациялық толқындардың әсерінен туындайтын өте кішкентай қашықтық өзгерістерін өлшеуге арналған, олар протонның диаметрінен мың есе кіші.

LIGO интерферометрлері лазер сәулесін екі перпендикуляр сәулеге бөледі, әрқайсысы бірнеше километр ұзындықта. Сәулелер екі айна арасында қайта-қайта шағылысып, біріктірілген кезде араласу үлгілерін жасайды. Гравитациялық толқын өткен кезде кеңістік-уақытты бұзып, сәулелердің ұзындығын аздап өзгертіп, араласу үлгісін өзгертеді. Бұл өзгерістер мұқият жазылып, гравитациялық толқын сигналдарын анықтау үшін талданады.

Осындай сезімтал құралды жасау және пайдалану көптеген техникалық қиындықтарды туындатты. Негізгі қиындықтардың бірі – LIGO-ны жер сілкінісі мен басқа да қоршаған ортаның шудан оқшаулау болды, өйткені бұл факторлар гравитациялық толқындардың әлсіз сигналдарын бұрмалауы мүмкін еді. Шуды азайту және вибрацияларды оқшаулау бойынша жетілдірілген әдістер маңызды рөл атқарды. Сонымен қатар, құрылғыларды дәл құрастыру мен үйлестіру жоғары деңгейде жүзеге асырылды.

LIGO-ның жетістігі көптеген ғылыми институттардың халықаралық ынтымақтастығының нәтижесі болып табылады, оның ішінде Калифорния технологиялық институты (Caltech), Массачусетс технологиялық институты (MIT) және көптеген халықаралық серіктестер бар. Бұл ғалымдардың кең желісі техникалық қиындықтарды жеңуге және ресурстарды тиімді пайдалануға көмектесті.

2015 жылдың қыркүйегінде гравитациялық толқындардың алғашқы табысты анықталуы LIGO-ның жетілдірілген жүйесіне байланысты болды. Advanced LIGO деп аталатын жаңа құрылым лазерлік қуатты арттыру, айна жабынын жақсарту және жоғары деңгейдегі оқшаулау жүйелерін енгізу сияқты жаңартулармен обсерваторияның сезімталдығын айтарлықтай жақсартты. Бұл жаңалық тек Эйнштейннің жалпы салыстырмалық теориясының негізгі болжамын растаған жоқ, сонымен қатар ғаламды зерттеудің жаңа тәсілін ашып, астрономияның жаңа дәуірін бастады.

Гравитациялық толқынның маңызы. Гравитациялық толқындардың маңызы зор, өйткені ғасырлар бойы ғалымдар ғаламның құпияларын түсіну үшін тек жарықтың көмегіне сүйеніп келді. Олар жарық сәулелерінің көмегімен алыстағы жұлдыздардың, планеталар мен басқа аспан денелерінің қасиеттерін зерттеді. Алайда, гравитациялық толқындардың ашылуы астрономияда жаңа дәуірдің басталуын білдіреді. Енді ғалымдар жарық шығармайтын, мысалы, қара тесіктер сияқты аспан денелерінің мінез-құлқын түсінуге мүмкіндік алды.

Гравитациялық толқындар материямен өте әлсіз әрекеттеседі, бұл олардың ғалам арқылы дерлік ешқандай кедергісіз өтіп, бізге ғаламның гравитациялық тұрғыдан көрінісін береді. Олар ғаламның ең құпия бөліктеріне, атап айтқанда, қара тесіктер мен нейтрондық жұлдыздардың мінез-құлқына қатысты мәліметтер жеткізеді. Гравитациялық толқындар жарықтың электромагниттік сәулеленуінен айырмашылығы, кеңістік арқылы ешқандай бұрмаланусыз өтеді. Бұл оларға ғалам туралы жаңа ақпарат тасымалдаушы ретінде үлкен мүмкіндіктер береді.

2 — сурет

LIGO детекторы гравитациялық толқындарды ашу арқылы жаңа ғылыми бағыттардың, соның ішінде жаңа физика мен астрофизика салаларының дамуына жол ашты. Бұл жаңалықтар ғаламның терең құпияларын ашуға мүмкіндік беріп, ғарыштың жұмбақ пердесін көтерді. Гравитациялық толқындардың детекторлары тек белгілі бір бағытты бақылаумен шектелмейді, олар бүкіл аспанды қамтып, жаңа ғылыми мәліметтер жинауға мүмкіндік береді. Осылайша, гравитациялық толқындарды зерттеу ғалам туралы түсінігімізді кеңейтіп, ғарыштағы әртүрлі құбылыстарды түсінуімізді жақсартады.

Гравитациялық сәулелену арқылы энергияның жоғалуы, теориялық тұрғыда, Жерді Күнге жақындатуы мүмкін. Жердің Күнді айналып жүргенде оның жалпы энергиясы (кинетикалық және гравитациялық потенциалды энергия) шамамен 1,14×10^36 джоуль болады. Алайда, оның тек 200 ватт энергиясы гравитациялық сәулелену арқылы жоғалады, нәтижесінде орбитаның күн сайынғы өзгерісі шамамен 1×10^−15 метрге тең болады, бұл шамамен протонның диаметрі. Осы қарқынмен, Жердің Күнге құлап түсуі үшін қазіргі ғаламның жасынан шамамен 3×10^13 есе көп уақыт қажет. Бұл есептеулер \(r\)-дің уақыт өте келе азаюын есепке алмайды, бірақ көбіне уақыт бойынша радиус өте баяу өзгеріп, тек кейінірек кезеңдерде күрт төмендейді.

Орбиталық түзілу жылдамдығын төмендегі формула арқылы жуықтаса болады:

r(t)=r₀ ^1/4                                                         (1)

= —                                                     (2)

мұндағы r — денелер арасындағы қашықтық, t — уақыт, G — гравитациялық тұрақты, c — жарық жылдамдығы, m₁ және m₂ — денелердің массалары. Бұл орбитаның бірігуіне қажетті уақытты келесі формуламен есептеуге болады:

t =                                                      (3)

Қорытынды. Гравитациялық толқындардың ашылуы ғаламның құрылымын және эволюциясын түсіну тұрғысынан үлкен маңызды жаңалық болды. Бұл жаңалықтың ең үлкен жетістігі — жалпы салыстырмалық теориясының болжаған гравитациялық толқындардың тікелей анықталуы болды. Осы арқылы ғалымдар бұрын беймәлім болған ғаламдық құбылыстарды зерттеу мүмкіндігіне ие болды, мысалы, қара тесіктер мен нейтронды жұлдыздардың өзара әрекеттесуі.

LIGO мен басқа да детекторлар арқылы бұл толқындардың тіркелуі ғарышқа қатысты жаңа ғылыми әдістердің даму жолын ашты. Гравитациялық толқындардың әсері ғаламның кез келген бұрышынан келіп, оларға байланысты ақпарат бізге әлдеқайда дәл әрі анық жеткізіледі. Бұл ғылыми жаңалық тек астрономия мен физика салаларында ғана емес, жалпы әлемдік ғылымда үлкен жетістіктерге жетуге жол ашты.

Қазіргі уақытта бұл зерттеулер ғаламды зерттеудің дәстүрлі әдістерін толықтырып, болашақта көптеген ғаламдық құбылыстар туралы көбірек мәлімет алуға мүмкіндік береді. Гравитациялық толқындар тек физикалық теорияларды дәлелдеп қана қоймай, ғаламның терең құпияларын ашуға да ықпал етуде.

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

1. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). «Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger.» Physical Review Letters, 116, 061102 (2016).
2. Barish, B., Thorne, K. S. (2017). Нобель сыйлығының баяндамалары.

Гравитациялық толқындар және олардың маңызы:

3. Thorne, Kip S. (1994). Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy. W. W. Norton & Company.
4. LIGO және Virgo обсерваторияларының ресми сайттары: ligo.caltech.edu, ego-gw.eu.