Вакуумная технология помогает доказать существование черных дыр
Apr 16, 2019| Вакуумная технология помогает доказать существование черных дыр
Источник изображения ： Event Horizon Telescope Collaboration
В 21:00 10 апреля 2019 года проект EventHorizon Telescope (EHT) провел одновременную пресс-конференцию в шести местах по всему миру, включая Брюссель, Сан-Диего, Шанхай, Тайбэй, Токио и Вашингтон.
Что такое черная дыра?
Черная дыра - это некое небесное тело в современной общей теории относительности. Гравитация черной дыры настолько велика, что скорость выхода в пределах горизонта событий больше скорости света. Черная дыра - это объект, кривизна которого настолько велика, что свет не может вырваться из горизонта событий.
В 1916 году немецким астрономом Карлом Шварцшильдом было получено уравнение гравитационного поля Эйнштейна путем вычисления вакуума в растворе, решение показывает, что если немного сконцентрировать большое количество материала в пространстве, окружающие будут производить странные явления, которые существуют вокруг частицы интерфейс - «горизонт событий», один раз в интерфейсе, даже свет может выйти. "Невероятный объект" был назван "черной дырой" американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером.
Что такое гравитационные волны?
Гравитационные волны возникают, когда массивные объекты, такие как нейтронные звезды или черные дыры, ускоряются и вращаются вокруг друг друга. Когда они сталкиваются, они движутся со скоростью, близкой к скорости света. Когда они вращаются, гравитационные волны, которые они излучают, сжимают и растягивают пространство, деформируя пространство-время. Деформация чрезвычайно мала и вибрирует. Образно говоря, это похоже на рябь на воде, вызванную брошенным в воду камнем.
В сентябре 2015 года LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационная волновая обсерватория) в штате Луизиана и штат Вашингтон в Соединенных Штатах впервые обнаружила гравитационные волны непосредственно на Земле, что подтверждает теорию Эйнштейна о пределе сильного гравитационного поля в источнике и становится прорывом в астрофизике. Вакуумная технология сыграла ключевую роль в захватывающих измерениях LIGO. Универсальная вакуумная схема включает измерение LIGO и связанные с ним основные эксперименты.
E = MC2: это, пожалуй, самая известная формула в физике. Он является частью теории относительности, сформулированной Альбертом Эйнштейном в 1905 году, и описывает эквивалентность массы и энергии. Спустя годы всемирно известный физик расширил свои наблюдения до гравитации и математически описал существование гравитационных волн как часть своей общей теории относительности, опубликованной в 1915 году. В течение 100 лет теория была принята физиками. С помощью лазерного интерферометра в гравитационно-волновых обсерваториях в Вашингтоне и Луизиане ученые впервые смогли обнаружить излучение, возникающее при столкновении пары черных дыр. Впоследствии существование системы двойной черной дыры было подтверждено, и было показано, что ее динамика соответствует уравнениям Эйнштейна.
Замечательное свидетельство теории Эйнштейна
В сентябре 2015 года LIGO впервые обнаружил гравитационные волны от слияния двух черных дыр в галактике на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Это не только подтвердило теорию Эйнштейна, но и эти данные первыми подтвердили существование парных черных дыр. Для исследователей открытие знаменует новую эру в астрономии, сравнимую с астрономической работой, начатой Галилеем в 17 веке.
В сентябре 2015 года LIGO впервые обнаружил гравитационные волны от слияния двух черных дыр в галактике на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Это не только подтвердило теорию Эйнштейна, но и эти данные первыми подтвердили существование парных черных дыр. Для исследователей открытие знаменует новую эру в астрономии, сравнимую с астрономической работой, начатой Галилеем в 17 веке.
Детектор работает на интерферометрах Майкельсона. В интерферометре лазерный луч разделяется расщепителем луча и проходит через оптическую зеркальную систему двумя оптическими путями как можно дольше. Затем лазерный луч объединяется в детекторе. Таким образом, минимальная разница во времени полета лазерного луча, создаваемого гравитационной волной, может быть измерена. Даже в зеркале в 4 км друг от друга гравитационные волны приводят к тому, что лазерные лучи изменяются на расстоянии всего лишь в одну тысячную (10-18 м) от размера ядра.
«черные дыры» создают «гравитационные волны»
Вакуумная технология подтверждает существование гравитационных волн!
Вакуумная технология от Pfeiffer Vacuum , которая используется в эксперименте LIGO, необходима для подтверждения существования гравитационных волн на Земле. Чтобы обеспечить нормальное функционирование, два световых пути лазера не должны быть нарушены. В результате лазерные лучи и оптические зеркала помещаются в сверхвысоковакуумную систему. Чтобы гарантировать качество и надежность системы, чтобы эксперимент мог быть выполнен гладко, требуется до десяти лет подготовки. В рамках этой подготовки были проведены фундаментальные исследования в физических институтах по всему миру для подготовки к экспериментам с гравитационными волнами.
Универсальный вакуум обеспечивает вакуум для многих из этих основных экспериментов. Вакуум в зонде LIGO также контролируется системой анализа PVD. Универсальные вакуумные молекулярные насосы HiPace и масс-спектрометры используются для обеспечения качества и обнаружения утечек для диагностики выпечки гигантских пучков труб. Эти устройства используются для поддержания необходимых вакуумных условий в трубопроводной системе и обеспечения необходимых условий окружающей среды для успешных экспериментов .
В целом, какую роль вакуумная технология сыграла в экспериментальной работе LIGO?
В кантилевере длиной 4 км необходим вакуум с уровнем ниже 10-9 Торр, чтобы избежать фазового шума на выходе интерферометра, вызванного прямым рассеянием молекул остаточного газа. Самый серьезный фазовый шум исходит от макромолекул, которые сильно поляризованы и движутся медленно.
В камере для испытательной массы требуется вакуум менее 10-8 торр, чтобы избежать колебаний импульса испытательной массы, вызванных столкновением атомов остаточного газа. Точно так же более тяжелые атомы производят больше шума, чем более легкие.
Каким специфическим требованиям должна соответствовать вакуумная система?
В дополнение к вышеуказанным требованиям к давлению вакуумная система должна надежно работать в течение нескольких месяцев. Кроме того, вибрация вакуумного насоса не должна влиять на качество теста.
Существование гравитационных волн было подтверждено, а вместе с ним и теория относительности Эйнштейна. Что это значит для экспериментальной работы LIGO? Как это будет работать?
Великие цели еще не достигнуты. Только маленький шаг вперед. С улучшенной точностью проектирования, LIGO откроет область гравитационно-волновой астрономии. Это новое поле в астрофизике, исследующее темную вселенную путем наблюдения гравитационных волн, излучаемых ускоряющим веществом по всей вселенной. Мы знаем, что существуют системы с двойными черными дырами и нейтронные звезды. Но они еще предстоит узнать. Масс-спектры черных дыр предоставят информацию об их структуре и выявят их важность в астрономии. Нейтронные звезды дают нам уравнение для состояния ядерной материи и могут рассказать нам, как образуются тяжелые элементы во Вселенной. Если бы мы могли наблюдать сверхновую, гравитационные волны выявили бы внутренний процесс коллапса звезды. Могут быть новые источники гравитационных волн, о которых мы еще не думали.