Tikimasi, kad pirmąjį tiesioginį gravitacinių bangų aptikimą vasario 11 dieną paskelbs pažengusiųjų lazerinių interferometrų gravitacinių bangų observatorijos (LIGO) mokslininkai. Naudodami du milžiniškus LIGO detektorius - vieną Livingstone (Luiziana), o kitą - Hanforde, Vašingtone, mokslininkai kosminio laiko metu išmatavo virpesius, kuriuos sukelia dviejų juodųjų skylių susidūrimas ir, atrodo, pagaliau rado tai, ko ieškojo.
Toks teiginys patvirtintų Alberto Einšteino numatytas gravitacines bangas, kurias jis sudarė savo bendrosios reliatyvumo teorijos dalis prieš 100 metų, tačiau pasekmės tuo nesibaigs. Kaip erdvės-laiko audinio vibracija, gravitacinės bangos dažnai lyginamos su garsu, netgi virsta garso takeliais. Gravitacinių bangų teleskopai leistų mokslininkams „išgirsti“reiškinius taip, kaip šviesos teleskopai juos „mato“.
- „Salik.biz“
Kai 1990 m. Pradžioje LIGO kovojo dėl JAV vyriausybės finansavimo, astronomai buvo pagrindiniai jos pretendentai į kongreso klausymus. „Tuomet manyta, kad LIGO neturi nieko bendra su astronomija“, - sako Cliffordas Willis, Floridos universiteto Geinesvilio bendrosios reliatyvumo teoretikas ir vienas iš ankstyvųjų LIGO šalininkų. Tačiau nuo to laiko daug kas pasikeitė.
Sveiki atvykę į gravitacinių bangų astronomijos lauką. Apžvelkime klausimus ir reiškinius, kuriuos ji galėtų atskleisti.
Ar tikrai yra juodųjų skylių?
Signalas, kurio tikimasi iš LIGO pranešimo, galėjo būti skleidžiamas dviejų susijungusių juodųjų skylių. Tokie įvykiai yra patys energingiausi; jų skleidžiamų gravitacinių bangų jėga gali trumpam užtemdyti visas stebimos visatos žvaigždes. Sujungusias juodąsias skyles taip pat gana lengva suprasti iš labai grynų gravitacinių bangų.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Signalas, kurio tikimasi iš LIGO pranešimo, galėjo būti skleidžiamas dviejų susijungusių juodųjų skylių. Tokie įvykiai yra patys energingiausi; jų skleidžiamų gravitacinių bangų jėga gali trumpam užtemdyti visas stebimos visatos žvaigždes. Sujungusias juodąsias skyles taip pat gana lengva suprasti iš labai grynų gravitacinių bangų.
Juodųjų skylių susiliejimas įvyksta, kai dvi juodosios skylės spiraliauja aplink viena kitą, skleidžiant energiją gravitacinių bangų pavidalu. Šios bangos turi būdingą garsą (čirškimą), kurį galima naudoti matuojant šių dviejų objektų masę. Po to juodos skylės paprastai susilieja.
Įsivaizduokite du muilo burbulus, kurie yra pakankamai arti, kad susidarytų vienas burbulas. Didesnis burbulas yra deformuotas “, - sako Tybalt Damour, gravitacijos teoretikas iš Paryžiaus Pažangiųjų mokslinių tyrimų instituto. Galutinė juodoji skylė bus tobulai sferinė, bet pirmiausia turi skleisti numatomo tipo gravitacines bangas.
Vienas iš svarbiausių mokslinių juodųjų skylių susijungimo padarinių bus patvirtinimas, kad yra juodosios skylės - bent jau tobulai apskriti objektai, sudaryti iš gryno, tuščio, išlenkto erdvėlaikio, kaip prognozuoja bendrasis reliatyvumas. Kita pasekmė - susijungimas vyksta taip, kaip prognozavo mokslininkai. Astronomai turi netiesioginį šio reiškinio patvirtinimą, tačiau iki šiol tai buvo žvaigždžių ir perkaitintų dujų stebėjimas juodųjų skylių orbitoje, o ne pačių juodųjų skylių.
„Mokslinė bendruomenė, taip pat ir aš, nemėgsta juodųjų skylių. Mes juos laikome savaime suprantamu dalyku “, - sako Fransas Pretorius, Naujojo Džersio Prinstono universiteto bendrojo reliatyvumo modeliavimo specialistas. "Bet jei pagalvokime, kokia tai nuostabi prognozė, mums reikia išties nuostabių įrodymų".
Ar gravitacinės bangos juda šviesos greičiu?
Kai mokslininkai pradeda lyginti LIGO stebėjimus su kitų teleskopų stebėjimais, pirmiausia jie patikrina, ar signalas atkeliavo tuo pačiu metu. Fizikai mano, kad gravitaciją perduoda gravitono dalelės, fotonų gravitacinis analogas. Jei, kaip ir fotonai, šios dalelės neturi masės, tada gravitacinės bangos judės šviesos greičiu, atitinkančiu gravitacinių bangų greičio numatymą klasikinėje reliatyvumo dalyje. (Jų greičiui gali turėti įtakos spartėjantis Visatos plėtimasis, tačiau tai turėtų pasireikšti dideliais atstumais, viršijančiais tuos, kuriuos apima LIGO).
Vis dėlto visiškai įmanoma, kad gravitonų masė yra maža, o tai reiškia, kad gravitacinės bangos judės mažesniu nei šviesos greičiu. Pavyzdžiui, jei LIGO ir Mergelė aptinka gravitacines bangas ir sužino, kad bangos į Žemę atkeliavo vėliau nei susijusios su kosminiu gama spindulių įvykiu, tai gali turėti lemtingų padarinių pagrindinei fizikai.
Ar erdvėlaikis yra sudarytas iš kosminių stygų?
Dar keistesnis atradimas gali įvykti, jei bus aptikta gravitacinių bangų, sklindančių iš „kosminių stygų“, bangos. Šie hipotetiniai erdvės ir laiko kreivumo defektai, kurie gali būti susiję arba nesusiję su stygų teorijomis, turėtų būti be galo ploni, bet ištempti iki kosminių atstumų. Mokslininkai prognozuoja, kad kosminės stygos, jei tokių egzistuoja, gali netyčia pasilenkti; jei eilutė sulenks, tai sukels gravitacinį bangą, kurią galėtų išmatuoti detektoriai, tokie kaip LIGO ar Mergelė.
Ar neutroninės žvaigždės gali būti nelygios?
Neutronų žvaigždės yra didelių žvaigždžių liekanos, kurios sugriuvo pagal savo svorį ir tapo tokios tankios, kad elektronai ir protonai pradėjo tirpti į neutronus. Mokslininkai mažai supranta neutronų skylių fiziką, tačiau gravitacinės bangos galėtų daug apie jas pasakyti. Pavyzdžiui, dėl intensyvaus jų paviršiaus gravitacijos neutroninės žvaigždės tampa beveik tobulai sferinės. Tačiau kai kurie mokslininkai užsiminė, kad jie taip pat gali turėti kelių milimetrų aukščio „kalnus“, kurie padaro šiuos tankius, ne daugiau kaip 10 kilometrų skersmens, objektus šiek tiek asimetriškus. Neutroninės žvaigždės paprastai sukasi labai greitai, todėl asimetrinis masės pasiskirstymas sujaukia erdvės laiką ir sukuria pastovų sinusoidinio gravitacinio bangos signalą, sulėtindamas žvaigždės sukimąsi ir spinduliuodamas energiją.
Neutronų žvaigždžių poros, besisukančios aplink viena kitą, taip pat skleidžia pastovų signalą. Kaip juodosios skylės, šios žvaigždės spiraliauja ir galiausiai susilieja į savitą garsą. Bet jo specifiškumas skiriasi nuo juodųjų skylių garso specifiškumo.
Kodėl žvaigždės sprogo?
Juodosios skylės ir neutroninės žvaigždės susidaro, kai masyvios žvaigždės nustoja spindėti ir griūva į save. Astrofizikų manymu, šis procesas yra visų įprastų II tipo supernovų sprogimų pagrindas. Tokių supernovų modeliavimas dar neįrodė, kodėl jos užsidega, tačiau manoma, kad atsakymas yra tikros supernovos skleidžiamų gravitacinių bangų pliūpsnis. Atsižvelgiant į tai, kaip atrodo pliūpsnio bangos, kaip garsiai jie skamba, kaip dažnai jie atsiranda ir kaip jie koreliuoja su supernovomis, kurias seka elektromagnetiniai teleskopai, šie duomenys galėtų padėti atmesti daugybę esamų modelių.
Kaip greitai visata plečiasi?
Visatos išsiplėtimas reiškia, kad tolimi objektai, tolstantys nuo mūsų galaktikos, atrodo raudonesni nei yra iš tikrųjų, nes juose sklindanti šviesa išteka. Kosmologai įvertina Visatos išsiplėtimo greitį, palygindami galaktikų raudoną poslinkį su tuo, kaip toli jie yra nuo mūsų. Bet šis atstumas paprastai įvertinamas pagal Ia tipo supernovų ryškumą, ir ši technika palieka daug neaiškumų.
Jei keli gravitacinių bangų detektoriai visame pasaulyje nustato signalus iš tų pačių neutroninių žvaigždžių susiliejimo, kartu jie gali absoliučiai tiksliai įvertinti signalo garsumą, taip pat atstumą, kuriuo įvyko susijungimas. Jie taip pat galės įvertinti kryptį ir kartu su ja identifikuoti galaktiką, kurioje įvyko įvykis. Palyginus šios galaktikos raudoną poslinkį su atstumu iki besijungiančių žvaigždžių, galima gauti nepriklausomą kosminio išsiplėtimo greitį, galbūt tikslesnį, nei leidžia dabartiniai metodai.