Таталцлын долгионыг хэрхэн нээв

Эйнштейн харьцангуйн ерөнхий онолд тулгуурлан орон зай муруйж гэрлийн долгионыг хазайлгах таталцлын линз, таталцлаас үүдэн цаг хугацаа удаашрах зэрэг олон үзэгдлийг онолын хүрээнд урьдчилан таамагласан гэдэг бөгөөд эдгээр нь хойч үедээ үлдээсэн гэрийн даалгавар байсан юм. Эдгээрээс бодит ажиглалтаар нотлогдоогүй байсан сүүлчийн таамаглал нь таталцлын долгион бөгөөд яг 100 жилийн дараа АНУ-ын эрдэмтэд илрүүлэн Эйнштэйний сүүлчийн даалгаврыг биелүүлэв. Таталцлын долгион нь орон зай цаг хугацааны муруйлт долгион хэлбэрээр тархах үзэгдэл юм. Эйнштейн орон зайг уян хатан бөгөөд тасралтгүй шинж чанартай байна хэмээн тодорхойлжээ. Энд уян хатан шинж чанарыг пүршээр төлөөлүүлэн ойлгож болно.

Пүршин дээрх хавтгайд хүнд биет тавих үед пүрш агшина. Харин биетийг авах үед пүрш сунаж агших үзэгдэл тодорхой хугацаанд давтагдан явагдана. Пүршин дээр байрласан хоорондоо холбоотой олон хавтгайн аль нэгэн дээр байх хүнд биетийг авах үед тухайн пүршний агшилт суналтын хөдөлгөөн бусдад дамжих буюу долгион хэлбэрээр бусад хавтгайнуудад тархана. Энэ нь орон зайн тасралтгүй шинж чанарын илрэл юм. Пүрш бүхий олон хавтгайд дамжих долгион нь усанд чулуу шидэхэд үүсдэг давалгаатай төстэй. Таталцлын долгионыг үүгээр төсөөлөн хялбар ойлгож болно.

Эрдэмтэд таталцлын долгионы хэлбэрийг харьцангуйн ерөнхий онолд тулгуурласан тооцоогоор тодорхойлжээ. Сансар огторгуйд их хэмжээний таталцлын долгион үүсгэх 3 үндсэн эх үүсвэр бий. Үүнд, 1. Аварга одны мөхөхийн өмнөх дэлбэрэлт буюу нэн шинэ одны дэлбэрэлт. Дэлбэрэлтийн үед таталцлын маш хүчтэй долгион огцом тархаж, богионо хугацаанд замхардаг.   2. Хос нейтрон од нэгдэх. Нейтрон од нь хөнгөн жинтэй тул нэгдэхийн өмнө нэгнээ тойрон эргэх хөдөлгөөнийг олон дахин давтаж тэр хэмжээгээр таталцын долгион урт хугацаанд тархана. 3. Хар нүхний нэгдэл. Хар нүх нь маш хүнд учир хэдхэн удаа нэгнээ тойрон эргэж, их хэмжээний таталцын долгионыг үүсгэнэ.

Нэн шинэ одны дэлбэрэлтээс үүсэх татацлын долгион

Хос нейтрон одны нэгдлээс үүсэх таталцлын долгион

Хар нүхний нэгдлээс үүсэх таталцлын долгион

Сансар огторгуйн эдгээр үзэгдлүүд тэр бүр тохиогоод байдаггүй нь таталцлын долгионы илрүүлэхэд хүндрэл учруулж байв. Тухайлбал 100 мянган гэрлийн жилийн урт бүхий манай галактикт хос нейтрон одны нэгдэл 100 мянган жилд ганц удаа тохионо. Иймд жилийн хугацаанд хэдхэн удаа таталцлын долгионыг илрүүлэхийн тулд 700 сая гэрлийн жилийн зайд, 100 мянган галактикийг ажиглах хэмжээний дуран авай бүтээх шаардлагатай хэмээн эрдэмтэд тооцоолж байв. Нөгөө талаас дэлхийд хүрч ирэх долгионы хэмжээ өчүүхэн бага буюу 1 м хэмжээ бүхий орон зайн агшилт суналтын хэмжээ 10^-23 м хэмжээтэй байна. Үүнийг нар дэлхийн хоорондын 150 сая км зайд авч үзвэл дөнгөж 1 ш атомын хэмжээтэй байна.

Бараг хэмжих боломжгүй гэгдэж байсан таталцлын долгионыг хэмжиж чадсан төхөөрөмж нь Лайго (LIGO) юм. АНУ-ын Вашингтон болон Лузиана мужид байрлах хоёр ажиглалтын төхөөрөмж нь тэгш өнцөгт хэлбэрээр байрласан тунел хэлбэрийн вакум хоолой юм. Төхөөрөмжөөс харвасан лазерийн гэрэл хоёр хуваагдаж хос хоолойгоор илгээгдэнэ. Хос хоолойн төгсгөлд байрлах толинд ойсон лазерийн гэрэл буцаж ойж, хоолойн уулзварт ирэх үед нэгдэж нэгнээ уусгана. Харин таталцлын долгион ирэх үед түүний нөлөөгөөр хоолойнуудын нэг нь агшиж нөгөө нь сунах тул лазерийн хоёр долгионд бага зэргийн зөрүү гарч хэлбэлзэл маягаар бүртгэгдэнэ.

Лайго төхөөрөмжийн зарчим

Лайго төхөөрөмжийг 15 жилийн өмнөөс ажиллуулж эхэлсэн боловч эхний 8 жилийн хугацаанд ямар ч долгион бүртгэж авч чадаагүй байна. Шалтгаан нь төхөөрөмжийн хүчин чадал харьцангуй бага буюу 150 жилд нэг удаа ажиглагдах томоохон долгионыг л бүртгэх авахуйц нарийвчлалтай байв. Иймд 7 жил үргэлжилсэн сайжруулалтын ажил хийж, төхөөрөмжийг өнгөрөгч оны 9 сарын 12-нд ажиллагаанд залгажээ. Тэгтэл дөнгөж 2 хоногийн дараа шинжлэх ухааны түүхэнд анх удаа таталцлын долгионыг бүртгэж чадсан байна. 9 сарын 14-ний 9 цаг 50 минут 45 секундэд таталцлын долгион байж болох хэлбэлзэл Лузиана дахь төхөөрөмжид бүртгэгдэв. Энэ тохиолдолд бусад төрлийн долгион, чичирхийлэл байх магадлал тун өндөр байна.

Гэвч 0.007 секундын дараа 3000 км зайтай Вашингтон мужид байрлах төхөөрөмжид төстэй хэлбэлзэл бүртгэгджээ. Хос төхөөрөмжид бүртгэгдсэн хэлбэлзлийг давхцуулж үзтэл яв цав таарсан байна. Бүртгэгдсэн хэлбэлзлийн үргэлжилсэн хугацаа дөнгөж 0.2 секунд байв. Хос төхөөрөмжид адил төстэй мэдээлэл бүртгэгдэх нь магадлалын хувьд 200 мянган жилд ганц байна. Нөгөө талаас хэлбэлзэл харьцангуйн ерөнхий онолоос тооцоолон үүсгэсэн графиктай бараг давхцав. Мөн орчны дуу чимээ, газрын чичирхийлэл, соронзон болон цахилгаан соронзон орны хэлбэлзэл зэрэг ойролцоогоор 100 мянга гаруй төрлийн өгөгдлийг тооцож, тэдгээрийг харьцуулан шалгасны эцэст таталцлын долгион мөн гэдгийг нотлон анх илрүүлснээс хойш 5 сарын дараа танилцуулав. Төхөөрөмжийн өртөг ойролцоогоор 1 тэрбум долларт хүрсэн бол судалгаанд нийт 1000 гаруй эрдэмтэн ажиллажээ.

Таталцлын долгионы бодит хэмжилт

Таталцлын долгионы хэмжилтийн графикаас хар нүхнүүд нэгдэхийн өмнөх хэсэгт дабл ю (W) хэлбэрийн хэлбэлзлийг ажиглаж болно. Энэ нь нэг бүтэн эргэлтийг харуулна. Өөрөөр хэлбэл хоёр хар нүх 0.2 секундийн хугацаанд 4 удаа нэгнээ тойрон эргэсний дараа нэгджээ. Эндээс нэгдэхийн өмнөх эргэлтийн хурд гэрлийн хурдны хагаст хүрч байсныг тооцоолов. Ийнхүү асар хүнд жин бүхий хоёр хар нүх богино хугацаанд нэгнээ тойрон эргэж нэгдэх үед их хэмжээний энерги ялгаруулж, таталцлын долгионыг үүсгэсэн байна.

Орчин үед эрдэмтэд сүүлийн үеийн супер компьютерийн тусламжтайгаар хар нүхний нэгдэх явц, тэдгээрээс ялгарах таталцлын долгионы хэлбэрийг тооцоолох боломжтой болжээ. Энэ удаад 1 нарны жингээс 99 нарны жин бүхий хар нүхний нэгдэх нийт 5000 хувилбарын тооцооны үр дүнг хэмжилтийн дүнтэй харьцуулан нарнаас 29 болон 36 дахин хүнд хар нүхнүүд нэгдэж нарнаас 62 дахин хүнд хар нүх үүссэн болохыг болохыг тогтоожээ. Нэгэнт хар нүхний массыг тогтоосон бол нэгдэх үеийн таталцлын долгионы хүчийг тооцоолох боломжтой. Уг хэмжээг дэлхийд хэмжсэн долгионы утгатай харьцуулан хар нүхнүүдийн байрлал хэр хол байгааг тогтооно. Энэ удаад тооцоогоор 1.3 тэрбум гэрлийн жилийн зайд байгаа нь тогтоогджээ.

Ийнхүү 1.3 тэрбум гэрлийн жилийн зайд байрлах хар нүхнүүд нэгдэх явцад үүссэн таталцлын долгион 1.3 тэрбум гэрлийн жилийн дараа дэлхийд ирэв. Энэ үед дэлхийн орчмын орон зай атомыг 10 мянга хуваасны нэгтэй тэнцэх хэмжээгээр агшиж сунав. Нэгдэхийн өмнөх хар нүхнүүдийн нийлбэр жин 65 нарны хэмжээтэй бол үүссэн хар нүхний жин 62 нартай адил  байгаа нь 3 нартай тэнцэх жин энерги болон цацарч, асар хүчтэй таталцлын долгионыг үүсгэснийг харуулна. Ийнхүү өмнө нь шууд бусаар батлагдаж байсан хар нүх оршин байгааг нотлов. Хар нүхнүүд нэгнийхээ татах хүчинд татагдан, эргэлдэж нэгддэг болохыг нотлов. Хар нүхнүүд нэгдэх үед таталцлын долгион үүсдэг болохыг нотлов.

Ирэх 3 сараас Япон улсад таталцлын долгионыг хүлээн авах Кагра төхөөрөмж ашиглалатд орох гэж байна. Уг төхөөрөмж газар дор байрлах тул долгион мэдрэх нарийвчлал 100 дахин нэмэгдэнэ. Мөн энэ оноос Итали, Герман, Энэтхэг, Австрали, Америк, Японы төхөөрөмжүүдийг нэгдсэн байдлаар ажиллуулж, таталцлын долгионыг илүү нарийн бүртгэхээс гадна хаанаас үүссэн болохыг (байрлалыг) тогтоох боломжтой болно. Өнгөрөгч оны 12 сард европын холбооны судалгааны байгууллагын хөөргөсөн ESA төхөөрөмж хөндлөнгийн ямар ч чичиргээний нөлөөлөл үгүй сансарт таталцлын долгионыг найдвартай барьж авах боломжийг бүрдүүлж байна.

Орчлон ертөнц үүссэнээс хойших 380 мянган жилд орчлон хэтэрхий халуун байсан учир гэрэл тархаж чадаагүй гэдэг. Иймд бид орчлонгийн эхэн үеийн төрхийг гэрэл буюу цахилгаан соронзон долгионоор харах боломжгүй. Тэгвэл аливаа биетийг нэвтлэх чадвартай таталцлын долгион, эсвэл ньютрино бөөм л энэ чиглэлд найдвар төрүүлж буй. Шинжлэх ухаан таталцлын долгионыг нээснээр "таталцлын долгионы одон орон" хэмээх судалгааны шинэ салбар үүд хаалгаа нээв. Энэ салбарын судалгааны эцсийн зорилго нь одоогоор тодорхойгүй байгаа орчлонгийн үүсэл болон түүний эхэн үеийн нууцыг тайлахад чиглэж байна.

эх сурвалж; NHK