Kas yra gravitacinės bangos ir jų atradimas
Gravitacinės bangos yra vienas labiausiai stebinančių šiuolaikinės fizikos atradimų, nes jos suteikia žmonėms „naują būdą“ stebėti visatą. Nors anksčiau astronomija rėmėsi šviesa – nuo matomos šviesos, radijo, infraraudonųjų spindulių iki rentgeno spindulių, – gravitacinės bangos leidžia mums išgirsti pačios erdvės ir laiko „vibracijas“. Šis reiškinys nėra tik teorija; gravitacinės bangos buvo aptiktos tiesiogiai, atverdamos naują skyrių kosminiuose tyrimuose, ypač kalbant apie ekstremalius objektus, tokius kaip juodosios skylės ir neutroninės žvaigždės.
Kas yra gravitacinės bangos?
Paprastai tariant, gravitacinės bangos yra raibuliacijos arba „bangos“, sklindančios erdvėlaikiu dėl labai didelės masės pagreičio. Erdvėlaikio sąvoka kilo iš Alberto Einšteino Bendrosios reliatyvumo teorijos (1915 m.), kurioje gravitacija laikoma ne patrauklia jėga, kaip Niutono fizikoje, o erdvės ir laiko išlinkimu dėl masės ir energijos buvimo. Kai didelės masės juda tam tikrais būdais, pavyzdžiui, dvi juodosios skylės sukasi viena aplink kitą, erdvėlaikio išlinkimas dinamiškai keičiasi ir skleidžia trikdžius, kurie plinta visomis kryptimis. Šie trikdžiai vadinami gravitacinėmis bangomis.
Gravitacinės bangos sklinda šviesos greičiu. Tačiau jų poveikis objektams, pro kuriuos jos praskrieja, yra itin mažas. Įsivaizduokite du taškus, esančius vieno kilometro atstumu vienas nuo kito: praskrendanti gravitacinė banga gali pakeisti šį atstumą mažiau nei protono skersmuo. Todėl, nors ši idėja egzistuoja nuo XX amžiaus pradžios, jai įrodyti reikėjo neįtikėtinai sudėtingų technologijų.
Gravitacinių bangų šaltiniai visatoje
Ne visi masės judesiai sukelia išmatuojamas gravitacines bangas. Kasdieniai įvykiai, pavyzdžiui, judantis automobilis ar bėgantis žmogus, techniškai skleidžia gravitacines bangas, tačiau jų amplitudės yra per mažos, kad būtų galima jas aptikti. Stebimos gravitacinės bangos paprastai kyla dėl kosminių įvykių, susijusių su didžiulėmis masėmis, dideliais pagreičiais ir asimetriniu judėjimu.
Kai kurie pagrindiniai gravitacinių bangų šaltiniai yra šie:
1. Juodosios skylės susijungimas
Dvi aplink save skriejančios juodosios skylės praras energiją dėl gravitacinių bangų, jų orbitos susitrauks ir galiausiai jos susidurs bei susijungs. Šis įvykis sukels galingą gravitacinių bangų signalą.
2. Neutroninių žvaigždžių susijungimas
Neutroninė žvaigždė yra tankus, likęs masyvios žvaigždės branduolys. Kai susijungia dvi neutroninės žvaigždės, be gravitacinių bangų susidarymo, šis įvykis taip pat gali skleisti įvairaus bangos ilgio šviesą ir gaminti sunkius elementus, tokius kaip auksas.
3. Supernovos ir masyvūs žvaigždžių sprogimai
Žvaigždės branduolio kolapsas kartais būna asimetriškas ir gali skleisti gravitacines bangas, nors jas aptikti yra labai sudėtinga.
4. Netolygus neutroninių žvaigždžių sukimasis
Jei neutroninė žvaigždė sukasi su nedideliu „iškirimu“ arba netaisyklingumu, ji gali nuolat skleisti gravitacines bangas.
5. Pirmykštės gravitacinės bangos
Buvo iškelta hipotezė, kad ankstyvoji Visata kūrė gravitacines bangas, kurios „užšalo“ kosminiame fone. Jei tai būtų aptikta, tai galėtų suteikti užuominų apie pirmąsias sekundes po Didžiojo sprogimo.
Nuo Einšteino teorijos iki pirmojo įrodymo
Einšteinas gravitacines bangas numatė 1916 m. (ir jas patikslino 1918 m.), remdamasis bendrojo reliatyvumo lygtimis. Tačiau dešimtmečius mokslininkai diskutavo, ar gravitacinės bangos yra tikros, ar tik matematiniai artefaktai. Sunkumas kyla dėl to, kad erdvėlaikis yra dinamiškas; suprasti, kas yra „tikrai“ išmatuojama, ne visada lengva.
Lemiamas lūžio taškas įvyko XX amžiaus viduryje, kai išsivystė reliatyvumo teorija ir fizikai pradėjo suprasti, kad gravitacinės bangos neša realią energiją. Jei sistema praranda energiją skleisdama gravitacines bangas, jos orbita arba judėjimas turėtų išmatuojamai pasikeisti.
Netiesioginiai įrodymai: Hulse-Taylor dvejetainiai pulsarai
1974 m. du astronomai – Russellas Hulse'as ir Josephas Tayloras – atrado dvinarę pulsarų sistemą, vadinamą PSR B1913+16. Pulsarai yra neutroninės žvaigždės, kurios periodiškai skleidžia radijo signalus kaip „švyturiai“. Dvinarėje sistemoje vienas pulsaras skrieja aplink kitą neutroninę žvaigždę. Keista, bet šios sistemos orbitinis periodas pamažu mažėja: du objektai artėja vienas prie kito.
Šis sumažėjimas labai tiksliai atitinka bendrojo reliatyvumo teorijos prognozes apie energijos praradimą dėl gravitacinių bangų. Tai pateikia labai tvirtą netiesioginį įrodymą, kad gravitacinės bangos egzistuoja. Už šį atradimą Hulse'as ir Tayloras gavo 1993 m. Nobelio fizikos premiją.
Tiesioginis atradimas: LIGO ir „girdimi“ juodųjų skylių susidūrimai
Nepaisant įtikinamų netiesioginių įrodymų, mokslininkai vis dar siekia tiesioginio aptikimo: užfiksuoti gravitacines bangas joms sklindant pro Žemę. Šis darbas susiduria su dideliais iššūkiais, nes bangų amplitudės yra labai mažos. Sprendimas – naudoti lazerinį interferometrą – prietaisą, galintį išmatuoti itin mažus atstumo pokyčius.
Kaip veikia LIGO?
LIGO (Lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorija) yra didelis projektas Jungtinėse Valstijose, turintis du pagrindinius objektus: vieną Hanforde, Vašingtone, ir vieną Livingstone, Luizianoje. Kiekvienas iš jų turi 4 kilometrų ilgio interferometro ranką. Lazerio spindulys yra padalintas į du spindulius, kurie juda pirmyn ir atgal palei rankas, o tada vėl susijungia. Kai pro jas praeina gravitacinė banga, ji labai nežymiai pakeičia efektyvų rankovių ilgį, sukurdama išmatuojamą, pakitusį interferencijos modelį.
Dviejų detektorių buvimas skirtingose vietose yra labai svarbus siekiant užtikrinti, kad stebimas signalas nebūtų vietinių trukdžių (pvz., nedidelio žemės drebėjimo, transporto priemonės vibracijos ar kitų aplinkos veiksnių) pasekmė. Jei abu detektoriai užfiksuoja nuoseklų modelį su priimtinu laiko tarpu, signalas daug labiau tikėtinas kaip gravitacinė banga iš kosmoso.
Pirmasis aptikimas: GW150914
2015 m. rugsėjo 14 d. LIGO aptiko signalą, vėliau pavadintą GW150914. Šis signalas atsirado susijungus dviem juodosioms skylėms, kurių masė maždaug dešimt kartų didesnė už Saulės masę, daugiau nei už milijardo šviesmečių nuo Žemės. Šis įvykis sukėlė „čirpimą“: staigų dažnio ir amplitudės padidėjimą, kuris pasiekė piką, kai dvi juodosios skylės susijungė, o vėliau nurimo.
Oficialus pranešimas buvo paskelbtas 2016 m. vasarį ir iš karto buvo pripažintas svarbiu etapu. Šis atradimas ne tik tiesiogiai įrodė gravitacines bangas, bet ir buvo pirmasis tiesioginis dvinarės juodosios skylės sistemos aptikimas.
Už svarbų indėlį į LIGO 2017 m. Nobelio fizikos premija buvo skirta Raineriui Weissui, Barry C. Barishui ir Kipui S. Thorne'ui.
Kodėl gravitacinių bangų atradimas yra svarbus?
Gravitacinių bangų aptikimas dažnai vadinamas gravitacinių bangų astronomijos eros pradžia. Yra kelios priežastys, kodėl tai revoliucinga:
1. Naujų „pojūčių“ atvėrimas visatos stebėjimui
Daugelis kosminių objektų, tokių kaip juodosios skylės, neskleidžia lengvai aptinkamos šviesos. Gravitacinės bangos leidžia mums tiesiogiai tyrinėti šiuos objektus per jų poveikį erdvėlaikiui.
2. Bendrosios reliatyvumo teorijos testavimas ekstremaliomis sąlygomis
Juodųjų skylių susijungimai vyksta esant neįtikėtinai stipriai gravitacijai ir neįtikėtinai dideliems greičiams. Jos yra natūrali laboratorija Einšteino teorijoms išbandyti ekstremaliomis sąlygomis, kurias sunku atkartoti Žemėje.
3. Supraskite sunkiųjų elementų kilmę
Įrodyta, kad neutroninių žvaigždžių susijungimai yra susiję su sunkiųjų elementų susidarymu per r procesą (greitą neutronų pagavimą). Tai padeda atsakyti į klausimą: iš kur visatoje atsirado auksas ir platina?
4. Juodųjų skylių ir neutroninių žvaigždžių populiacijos kartografavimas
Atlikę daugybę aptikimų, mokslininkai gali išmatuoti šių kompaktiškų objektų masės pasiskirstymą, susijungimo greitį ir formavimosi istoriją.
Uždarymas
Gravitacinės bangos yra erdvėlaikio raibuliai, kuriuos Einšteinas numatė daugiau nei prieš šimtmetį ir galiausiai patvirtino netiesioginiai įrodymai dvinariuose pulsaruose ir tiesioginis LIGO aptikimas 2015 m. Šis atradimas yra ne tik techninis pasiekimas, bet ir žmonių požiūrio į kosmosą pokytis: dabar galime „klausytis“ visatos, o ne tik ją matyti. Tobulėjant naujiems detektoriams ir pasauliniams bendradarbiavimams (pvz., „Virgo“ Europoje, KAGRA Japonijoje ir planuojamai LISA kosmose), tikimasi, kad gravitacinių bangų astronomijos ateitis taps dar turtingesnė ir priartins mus prie atsakymų į didžiausias visatos paslaptis.
