Dè a th’ ann an tonnan grabhataidh agus mar a lorgar iad iad
’S e tonnan grabhataidh aon de na fionnachdain as iongantaiche ann am fiosaig an latha an-diugh oir tha iad a’ toirt “dòigh ùr” do dhaoine air an cruinne-cè fhaicinn. Ged a bha reul-eòlas roimhe seo an urra ri solas—bho sholas faicsinneach, rèidio, infridhearg, gu ghathan-X—leigidh tonnan grabhataidh leinn “crithidhean” àite is ùine fhèin a chluinntinn. Chan e dìreach teòiridh a tha san iongantas seo; chaidh tonnan grabhataidh a lorg gu dìreach, a’ fosgladh caibideil ùr ann an rannsachadh cosmach, gu sònraichte a thaobh nithean anabarrach leithid tuill dhubha agus rionnagan neodron.
Dè a th’ ann an tonnan grabhataidh?
Gu sìmplidh, is e tonnan grabhataidh tonnan no "tonnan" a bhios a’ sgaoileadh tro fhànais-ùine air sgàth luathachadh mais glè mhòr. Tha bun-bheachd na h-ùine-fhànais a’ tighinn bho Theòiridh Choitcheann Coibhneasachd Albert Einstein (1915), a tha a’ faicinn grabhataidh chan ann mar fheachd tharraingeach, mar ann am fiosaig Newton, ach mar lùbadh fànais is ùine air sgàth làthaireachd mais is lùth. Nuair a ghluaiseas mais mhòr ann an dòighean sònraichte - mar eisimpleir, dà tholl dhubh a’ cuairteachadh timcheall air a chèile - bidh lùbadh fànais-ùine ag atharrachadh gu dinamach agus a’ leigeil a-mach buaireadh a bhios a’ sgaoileadh anns a h-uile taobh. Canar tonnan grabhataidh ris na buaireadh sin.
Bidh tonnan grabhataidh a’ siubhal aig astar an t-solais. Ach, tha a’ bhuaidh a th’ aca air nithean tro am bi iad a’ dol seachad glè bheag. Smaoinich air dà phuing aon chilemeatair bho chèile: faodaidh tonn grabhataidh a tha a’ dol seachad an t-astar sin atharrachadh nas lugha na trast-thomhas proton. Mar sin, ged a tha am beachd air a bhith ann bho thoiseach an 20mh linn, bha feum air teicneòlas air leth sòlaimte gus a dhearbhadh.
Tùsan tonnan grabhataidh anns a’ chruinne-cè
Chan eil a h-uile gluasad mais a’ gineadh tonnan grabhataidh a ghabhas tomhas. Bidh tachartasan làitheil mar chàr a’ gluasad no duine a’ ruith a’ leigeil a-mach tonnan grabhataidh gu teicnigeach, ach tha na meudan aca ro bheag airson an lorg. Mar as trice bidh tonnan grabhataidh a ghabhas fhaicinn a’ tighinn bho thachartasan cosmach anns a bheil mais mhòr, luathachaidhean anabarrach, agus gluasad neo-chothromach.
Seo cuid de na prìomh thùsan tonnan grabhataidh:
1. Aonadh toll dubh
Caillidh dà tholl dhubh ann an orbit lùth tro thonnan grabhataidh, crìonaidh na h-orbitan aca, agus mu dheireadh buailidh iad agus thig iad còmhla. Cruthaichidh an tachartas seo comharra tonn grabhataidh cumhachdach.
2. Aonadh rionnagan niùtron
Is e cridhe dùmhail, fuigheall rionnag mhòir a th’ ann an rionnag neodron. Nuair a thig dà rionnag neodron còmhla, a bharrachd air tonnan grabhataidh a chruthachadh, faodaidh an tachartas seo solas a leigeil a-mach ann an diofar thonnan-fada agus eileamaidean troma mar òr a chruthachadh.
3. Supernovae agus spreadhaidhean rionnagan mòra
Bidh tuiteam cridhe rionnag uaireannan neo-chothromach agus faodaidh e tonnan grabhataidh a leigeil a-mach, ged a tha e gu math dùbhlanach an lorg.
4. Cuairteachadh neo-iomlan rionnagan neodron
Ma bhios rionnag neodron a’ cuairteachadh le “cnap” beag no neo-riaghailteachd, faodaidh i tonnan grabhataidh a leigeil a-mach gu leantainneach.
5. Tonnan grabhataidh tùsail
Tha beachd-bharail ann gun do chruthaich an cruinne-cè tràth tonnan grabhataidh a “reoth” a-steach don chùl-raon chosmach. Ma lorgar seo, dh’ fhaodadh e fiosrachadh a thoirt seachad mu na ciad diogan às dèidh a’ Bhrag Mhòir.
Bho theòiridh Einstein chun a’ chiad dhearbhadh
Rinn Einstein ro-innse air tonnan grabhataidh ann an 1916 (agus leasaich e iad ann an 1918) stèidhichte air co-aontaran Coibhneasachd Choitcheann. Ach airson deicheadan, tha luchd-saidheans air a bhith a’ deasbad a bheil tonnan grabhataidh fìor no dìreach nithean matamataigeach. Tha an duilgheadas a’ tighinn bhon fhìrinn gu bheil fànais-ùine fiùghantach; chan eil e an-còmhnaidh furasta tuigsinn dè a tha “da-rìribh” tomhaiste.
Thachair puing tionndaidh chudromach ann am meadhan an 20mh linn nuair a leasaich teòiridh na coibhneasachd agus thòisich fiosaigich a’ tuigsinn gu bheil tonnan grabhataidh a’ giùlan fìor lùth. Ma chailleas siostam lùth le bhith a’ leigeil a-mach tonnan grabhataidh, bu chòir dha a orbit no a ghluasad atharrachadh ann an dòigh a ghabhas tomhas.
Fianais neo-dhìreach: pulsairean dà-rionnagach Hulse-Taylor
Ann an 1974, lorg dithis reul-eòlaiche—Russell Hulse agus Joseph Taylor—siostam pulsar dà-rionnagach ris an canar PSR B1913+16. Is e rionnagan neodron a th’ ann am pulsars a bhios a’ leigeil a-mach comharran rèidio bho àm gu àm mar “taighean-solais.” Ann an siostam dà-rionnagach, bidh pulsar a’ cuairteachadh rionnag neodron eile. Gu iongantach, tha ùine orbital an t-siostaim seo a’ crìonadh mean air mhean: tha an dà nì a’ gluasad nas fhaisge air a chèile.
Tha an lùghdachadh seo a’ co-chòrdadh gu math mionaideach ri ro-innsean Coibhneasachd Choitcheann mu chall lùtha tro thonnan grabhataidh. Tha seo a’ toirt seachad fianais neo-dhìreach làidir gu bheil tonnan grabhataidh ann. Airson an lorg seo, fhuair Hulse agus Taylor Duais Nobel ann am Fiosaigs ann an 1993.
Lorg dìreach: LIGO agus bualaidhean tuill dhubha “a’ cluinntinn”
A dh’aindeoin fianais neo-dhìreach làidir, tha luchd-saidheans fhathast a’ sireadh lorg dìreach: a’ glacadh tonnan grabhataidh fhad ’s a tha iad a’ dol tron Talamh. Tha dùbhlain mhòra romhpa leis gu bheil meudan nan tonn cho beag. Is e am fuasgladh eadar-theachdair laser a chleachdadh, inneal as urrainn atharrachaidhean beaga ann an astar a thomhas.
Ciamar a tha LIGO ag obair?
’S e pròiseact mòr anns na Stàitean Aonaichte a th’ ann an LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) le dà phrìomh ghoireas: fear ann an Hanford, Washington, agus fear ann an Livingston, Louisiana. Tha gàirdean interferometer 4 cilemeatair a dh’fhaid aig gach fear. Tha gath an leusair air a roinn ann an dà ghath a bhios a’ siubhal air ais is air adhart air feadh nan gàirdeanan, agus an uairsin a’ tighinn còmhla a-rithist. Nuair a thèid tonn grabhataidh troimhe, bidh e ag atharrachadh fad èifeachdach nan gàirdeanan glè bheag, a’ toirt a-mach pàtran eadar-theachd tomhaiste, atharraichte.
Tha e deatamach dà lorgaire a bhith ann an diofar àiteachan gus dèanamh cinnteach nach eil an comharra a chithear mar thoradh air bacadh ionadail (leithid crith-thalmhainn bheag, crith charbadan, no factaran àrainneachdail eile). Ma chì an dà lorgaire pàtran cunbhalach le dàil ùine reusanta, tha e fada nas coltaiche gur e tonn grabhataidh à fànais a th’ anns a’ chomharra.
A’ chiad lorg: GW150914
Air 14 Sultain 2015, lorg LIGO comharra air an robh an t-ainm GW150914 nas fhaide air adhart. Thàinig an comharra seo bho aonadh dà tholl dhubh le mais mu dheich uiread mais na Grèine, a’ tachairt còrr is billean bliadhna-solais bhon Talamh. Dh’adhbhraich an tachartas seo “crip”: àrdachadh luath ann an tricead agus meud a ràinig mullach mar a thàinig an dà tholl dhubh còmhla, agus an uairsin a’ crìonadh.
Chaidh an naidheachd oifigeil a dhèanamh san Gearran 2016 agus chaidh a mheas sa bhad mar chlach-mhìle. Cha do dhearbh an lorg seo tonnan grabhataidh gu dìreach a-mhàin, ach chomharraich e cuideachd a’ chiad lorg dìreach air siostam toll dubh dà-chànanach.
Airson na prìomh tabhartasan aca do LIGO, chaidh Duais Nobel ann am Fiosaigs 2017 a thoirt do Rainer Weiss, Barry C. Barish, agus Kip S. Thorne.
Carson a tha lorg tonnan grabhataidh cudromach?
Thathas gu tric a’ gairm lorg tonnan grabhataidh toiseach linn reul-eòlas tonnan grabhataidh. Tha grunn adhbharan ann airson gu bheil seo rèabhlaideach:
1. A’ fosgladh “ciad-fàthan” ùra gus an cruinne-cè fhaicinn
Chan eil mòran nithean cosmach, leithid tuill dhubha, a’ leigeil a-mach solas a tha furasta fhaicinn. Leigidh tonnan grabhataidh leinn na nithean sin a sgrùdadh gu dìreach tro na buaidhean a th’ aca air fànais-ùine.
2. A’ dèanamh deuchainn air coibhneasachd choitcheann fo chumhachan anabarrach
Bidh grabhataidh air leth làidir agus astaran air leth àrd an lùib aonaidhean thuill dhubha. Tha iad nan obair-lann nàdarra airson teòiridhean Einstein a dhearbhadh ann an suidheachaidhean anabarrach a tha duilich an ath-riochdachadh air an Talamh.
3. Tuig tùsan eileamaidean troma
Chaidh a shealltainn gu bheil ceangal eadar aonadh rionnagan niùtron agus cruthachadh eileamaidean troma tron phròiseas-r (glacadh luath niùtron). Cuidichidh seo le bhith a’ freagairt a’ cheist: càite an tàinig òr agus platanam anns a’ chruinne-cè?
4. Mapadh àireamh-shluaigh nan tuill dhubha agus nan reultan neodron
Le mòran lorgaidhean, faodaidh luchd-saidheans sgaoileadh mais, ìrean aonaidh, agus eachdraidh cruthachaidh nan nithean teann seo a thomhas.
Penutup
’S e tonnan grabhataidh tonnan ann an ùine-fànais a tha air an ro-innse le Einstein còrr is ceud bliadhna air ais agus air an dearbhadh mu dheireadh tro fhianais neo-dhìreach ann am pulsairean dà-chànanach agus lorg dìreach le LIGO ann an 2015. Chan e dìreach coileanadh teicnigeach a tha seo, ach atharrachadh san dòigh sa bheil daoine a’ faicinn a’ chosmos: is urrainn dhuinn a-nis “èisteachd” ris a’ chruinne-cè, chan ann a-mhàin fhaicinn. Mar a bhios lorgairean ùra agus co-obrachaidhean cruinneil (leithid Virgo san Roinn Eòrpa, KAGRA ann an Iapan, agus an LISA a tha san amharc san fhànais) a’ leasachadh, thathar an dùil gum bi àm ri teachd reul-eòlas tonn grabhataidh eadhon nas beairtiche, gar toirt nas fhaisge air freagairtean do dhìomhaireachdan as motha na cruinne-cè.
