Mis on gravitatsioonilained ja nende avastamine
Gravitatsioonilained on üks hämmastavamaid avastusi tänapäeva füüsikas, sest need annavad inimestele "uue viisi" universumi vaatlemiseks. Kuigi astronoomia on varem toetunud valgusele – nähtavast valgusest, raadiost, infrapunast kuni röntgenikiirteni –, võimaldavad gravitatsioonilained meil kuulda ruumi ja aja enda "võnkumisi". See nähtus pole pelgalt teooria; gravitatsioonilaineid on otseselt tuvastatud, avades uue peatüki kosmilistes uuringutes, eriti äärmuslike objektide, näiteks mustade aukude ja neutrontähtede osas.
Mis on gravitatsioonilained?
Lihtsamalt öeldes on gravitatsioonilained pulbitsevad ehk "lained", mis levivad aegruumis väga suure massi kiirenduse tõttu. Aegruumi mõiste pärineb Albert Einsteini üldisest relatiivsusteooriast (1915), mis käsitleb gravitatsiooni mitte kui atraktiivset jõudu, nagu Newtoni füüsikas, vaid kui ruumi ja aja kõverust, mis on tingitud massi ja energia olemasolust. Kui suured massid liiguvad teatud viisil – näiteks kaks musta auku pöörlevad üksteise ümber –, muutub aegruumi kõverus dünaamiliselt ja tekitab häireid, mis levivad igas suunas. Neid häireid nimetatakse gravitatsioonilaineteks.
Gravitatsioonilained levivad valguse kiirusel. Nende mõju objektidele, millest nad läbivad, on aga äärmiselt väike. Kujutage ette kahte punkti, mis asuvad teineteisest ühe kilomeetri kaugusel: mööduv gravitatsioonilaine võib seda kaugust muuta vähem kui prootoni läbimõõt. Seega, kuigi see idee on olnud olemas juba 20. sajandi algusest peale, nõudis selle tõestamine uskumatult keerukat tehnoloogiat.
Gravitatsioonilainete allikad universumis
Mitte kõik massiliikumised ei tekita mõõdetavaid gravitatsioonilaineid. Igapäevased sündmused, nagu liikuv auto või jooksev inimene, kiirgavad tehniliselt gravitatsioonilaineid, kuid nende amplituud on tuvastamiseks liiga väike. Vaadeldavad gravitatsioonilained tekivad tavaliselt kosmilistest sündmustest, mis hõlmavad tohutuid masse, äärmuslikke kiirendusi ja asümmeetrilist liikumist.
Mõned peamised gravitatsioonilainete allikad on järgmised:
1. Musta augu ühinemine
Kaks tiirlevat musta auku kaotavad gravitatsioonilainete tõttu energiat, nende orbiidid kahanevad ning lõpuks põrkavad ja ühinevad. See sündmus tekitab võimsa gravitatsioonilaine signaali.
2. Neutrontähtede ühinemine
Neutrontäht on massiivse tähe tihe jäänuktuum. Kui kaks neutrontähte ühinevad, võib see sündmus lisaks gravitatsioonilainete tekitamisele kiirata ka valgust erinevatel lainepikkustel ja toota raskeid elemente, näiteks kulda.
3. Supernoovad ja massiivsed täheplahvatused
Tähe tuuma kokkuvarisemine on mõnikord asümmeetriline ja võib kiirata gravitatsioonilaineid, kuigi nende tuvastamine on väga keeruline.
4. Neutrontähtede ebatäiuslik pöörlemine
Kui neutronitäht pöörleb kerge "kühmuga" või ebakorrapärasusega, võib see pidevalt gravitatsioonilaineid kiirata.
5. Ürgsed gravitatsioonilained
On oletatud, et varajane universum tekitas gravitatsioonilaineid, mis "külmusid" kosmilisse tausta. Kui see avastatakse, võib see anda vihjeid esimeste sekundite kohta pärast Suurt Pauku.
Einsteini teooriast esimese tõestuseni
Einstein ennustas gravitatsioonilainete teket 1916. aastal (ja täpsustas neid 1918. aastal) üldise relatiivsusteooria võrrandite põhjal. Kuid teadlased on aastakümneid vaielnud selle üle, kas gravitatsioonilained on reaalsed või pelgalt matemaatilised artefaktid. Raskus tuleneb asjaolust, et aegruum on dünaamiline; selle mõistmine, mis on „tõeliselt” mõõdetav, pole alati lihtne.
Oluline pöördepunkt saabus 20. sajandi keskel, kui arenes välja relatiivsusteooria ja füüsikud hakkasid mõistma, et gravitatsioonilained kannavad reaalset energiat. Kui süsteem kaotab gravitatsioonilainete kiirgamise teel energiat, peaks selle orbiit või liikumine mõõdetaval viisil muutuma.
Kaudsed tõendid: Hulse-Taylori binaarsed pulsarid
1974. aastal avastasid kaks astronoomi – Russell Hulse ja Joseph Taylor – binaarse pulsarisüsteemi nimega PSR B1913+16. Pulsarid on neutronitähed, mis kiirgavad perioodilisi raadiosignaale nagu „tuletornid“. Binaarses süsteemis tiirleb üks pulsar ümber teise neutronitähe. Üllataval kombel väheneb selle süsteemi orbiidi periood aeglaselt: kaks objekti liiguvad teineteisele lähemale.
See langus on väga täpselt kooskõlas üldrelatiivsusteooria ennustustega energiakao kohta gravitatsioonilainete kaudu. See annab väga tugeva kaudse tõendi gravitatsioonilainete olemasolu kohta. Selle avastuse eest said Hulse ja Taylor 1993. aasta Nobeli füüsikapreemia.
Otsene avastus: LIGO ja mustade aukude kokkupõrgete "kuulmine"
Vaatamata veenvatele kaudsetele tõenditele tegelevad teadlased endiselt otsese tuvastamisega: gravitatsioonilainete püüdmisega Maa läbimisel. See ettevõtmine seisab silmitsi märkimisväärsete väljakutsetega, kuna lainete amplituudid on nii väikesed. Lahenduseks on laserinterferomeetri kasutamine – seade, mis suudab mõõta äärmiselt väikeseid kauguse muutusi.
Kuidas LIGO töötab?
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) on suur projekt Ameerika Ühendriikides, millel on kaks peamist keskust: üks Hanfordis Washingtonis ja teine Livingstonis Louisianas. Mõlemal on 4-kilomeetrine interferomeetri haru. Laserkiir jaguneb kaheks kiireks, mis liiguvad mööda harusid edasi-tagasi ja seejärel taasühenduvad. Kui gravitatsioonilaine läbib harusid, muudab see harude efektiivset pikkust väga veidi, tekitades mõõdetava, muudetud interferentsimustri.
Kahe detektori paigutamine erinevatesse kohtadesse on ülioluline, et tagada vaadeldava signaali mittetekkimine kohalike häirete (näiteks väikese maavärina, sõiduki vibratsiooni või muude keskkonnategurite) tagajärjel. Kui mõlemad detektorid näevad järjepidevat mustrit mõistliku ajanihkega, on signaal palju tõenäolisemalt kosmosest pärit gravitatsioonilaine.
Esimene tuvastamine: GW150914
14. septembril 2015 tuvastas LIGO signaali, mis hiljem nimetati GW150914-ks. See signaal tekkis kahe musta augu ühinemisest, mille mass oli umbes kümme korda suurem Päikese massist, enam kui miljardi valgusaasta kaugusel Maast. See sündmus tekitas „sirina“: sageduse ja amplituudi kiire suurenemise, mis saavutas haripunkti kahe musta augu ühinemisel ja seejärel vaibus.
Ametlik teadaanne tehti 2016. aasta veebruaris ja seda tervitati kohe verstapostina. See avastus mitte ainult ei tõestanud otseselt gravitatsioonilainete olemasolu, vaid tähistas ka binaarse musta augu süsteemi esimest otsest avastamist.
LIGO-sse antud olulise panuse eest anti 2017. aasta Nobeli füüsikapreemia Rainer Weissile, Barry C. Barishile ja Kip S. Thorne'ile.
Miks on gravitatsioonilainete avastamine oluline?
Gravitatsioonilainete avastamist nimetatakse sageli gravitatsioonilainete astronoomia ajastu alguseks. Sellel on mitu revolutsioonilist põhjust:
1. Uute meelte avamine universumi vaatlemiseks
Paljud kosmilised objektid, näiteks mustad augud, ei kiirga kergesti tuvastatavat valgust. Gravitatsioonilained võimaldavad meil neid objekte otse uurida läbi nende mõju aegruumile.
2. Üldrelatiivsusteooria testimine äärmuslikes tingimustes
Mustade aukude ühinemised hõlmavad uskumatult tugevat gravitatsiooni ja uskumatult suuri kiirusi. Need on loomulik labor Einsteini teooriate testimiseks äärmuslikes tingimustes, mida on Maal raske korrata.
3. Mõista raskete elementide päritolu
Neutrontähtede ühinemised on seostatud raskete elementide moodustumisega r-protsessi (kiire neutronipüüdmise) kaudu. See aitab vastata küsimusele: kust universumist kuld ja plaatina pärinesid?
4. Mustade aukude ja neutrontähtede populatsiooni kaardistamine
Paljude avastuste abil saavad teadlased mõõta nende kompaktsete objektide massijaotust, ühinemiskiirust ja tekkelugu.
Sulgemine
Gravitatsioonilained on aegruumis esinevad värelevused, mida Einstein ennustas juba üle sajandi tagasi ning mis lõpuks kinnitati binaarsete pulsarite kaudsete tõendite ja LIGO otsese tuvastamise kaudu 2015. aastal. See avastus pole mitte ainult tehniline saavutus, vaid ka muutus inimeste arusaamas kosmosest: me saame nüüd universumit "kuulata", mitte ainult näha. Uute detektorite ja globaalsete koostööprojektide (näiteks Virgo Euroopas, KAGRA Jaapanis ja planeeritud LISA kosmoses) arenedes peaks gravitatsioonilainete astronoomia tulevik muutuma veelgi rikkamaks, tuues meid lähemale vastustele universumi suurimatele saladustele.
