Paredzams, ka gravitācijas viļņu pirmo tiešo atklāšanu 11. februārī paziņos uzlabotā lāzera interferometra gravitācijas viļņu novērošanas centra (LIGO) zinātnieki. Izmantojot divus milzu LIGO detektorus - vienu Livingstonā, Luiziānā un otru Hanfordā, Vašingtonā - zinātnieki kosmosa laikā izmērīja viļņus, ko rada divu melno caurumu sadursme, un šķiet, ka viņi beidzot ir atraduši to, ko meklēja.
Šāds paziņojums apstiprinātu Alberta Einšteina prognozētos gravitācijas viļņus, kurus viņš pirms 100 gadiem izveidoja kā daļu no savas vispārējās relativitātes teorijas, taču sekas ar to nebeigsies. Kā telpas laika auduma vibrācijas gravitācijas viļņus bieži salīdzina ar skaņu, pat pārvēršot skaņu celiņos. Gravitācijas viļņu teleskopi ļautu zinātniekiem "dzirdēt" parādības tādā pašā veidā, kā gaismas teleskopi tos "redz".
Kad 1990. gadu sākumā LIGO cīnījās par ASV valdības finansējumu, astronomi bija tās galvenie pretendenti uz kongresa uzklausīšanu. “Toreiz tika domāts, ka LIGO nav nekā kopīga ar astronomiju,” saka Klifords Vils, vispārējais relativitātes teorētiķis Floridas Universitātē Geinsvilā un viens no agrīnajiem LIGO atbalstītājiem. Bet kopš tā laika daudz kas ir mainījies.
Laipni lūdzam gravitācijas viļņu astronomijas laukā. Pārdomāsim jautājumus un parādības, kuras viņa varētu atklāt.
Vai tiešām pastāv melnie caurumi?
Signāls, kas sagaidāms no LIGO paziņojuma, iespējams, ir izveidojies ar diviem melniem caurumiem. Notikumi, piemēram, šie, ir visspēcīgākie zināmie; to izstaroto gravitācijas viļņu spēks var uz īsu brīdi aptumšot visas novērotā Visuma zvaigznes. Apvienojošos melnos caurumus ir arī diezgan viegli interpretēt no ļoti tīriem gravitācijas viļņiem.
Reklāmas video:
Signāls, kas sagaidāms no LIGO paziņojuma, iespējams, ir izveidojies ar diviem melniem caurumiem. Notikumi, piemēram, šie, ir visspēcīgākie zināmie; to izstaroto gravitācijas viļņu spēks var uz īsu brīdi aptumšot visas novērotā Visuma zvaigznes. Apvienojošos melnos caurumus ir arī diezgan viegli interpretēt no ļoti tīriem gravitācijas viļņiem.
Melno caurumu apvienošana notiek, kad divi melnie caurumi spirāli ap otru, izstaro enerģiju gravitācijas viļņu veidā. Šiem viļņiem ir raksturīga skaņa (čirkstēšana), ko var izmantot, lai izmērītu šo divu objektu masu. Pēc tam melnie caurumi parasti saplūst.
“Iedomājieties divus ziepju burbuļus, kas nonāk pietiekami tuvu, lai veidotos viens burbulis. Lielāks burbulis ir deformējies,”saka Tibalts Damūrs, gravitācijas teorētiķis no Papildu zinātnisko pētījumu institūta netālu no Parīzes. Pēdējais melnais caurums būs perfekti sfērisks, bet vispirms tas izstaro paredzamā tipa gravitācijas viļņus.
Viens no vissvarīgākajiem melno caurumu apvienošanās atklāšanas zinātniskajiem aspektiem būs apstiprinājums melno caurumu esamībai - vismaz perfekti apļveida objektiem, kas sastāv no tīra, tukša, izliekta telpas laika, kā prognozē vispārējā relativitāte. Citas sekas ir tas, ka apvienošanās norit tā, kā prognozēja zinātnieki. Astronomiem ir daudz netiešu šīs parādības apstiprinājumu, taču līdz šim tie bija zvaigžņu un pārkarsētas gāzes novērojumi melno caurumu orbītā, nevis paši melnie caurumi.
“Zinātnes aprindām, ieskaitot sevi, nepatīk melnie caurumi. Mēs tos uztveram kā pašsaprotamus,”saka Franss Pretorijs, Ņūdžersijas Prinstonas universitātes vispārējās relativitātes simulāciju speciālists. "Bet, ja jūs domājat par to, kāds ir pārsteidzošs pareģojums, mums ir nepieciešami patiesi pārsteidzoši pierādījumi."
Vai gravitācijas viļņi pārvietojas ar gaismas ātrumu?
Kad zinātnieki sāk salīdzināt LIGO novērojumus ar citu teleskopu novērojumiem, vispirms viņi pārbauda, vai signāls pienāk vienlaikus. Fiziķi uzskata, ka smagumu pārraida gravitona daļiņas, fotonu gravitācijas analogs. Ja šīm daļiņām, tāpat kā fotoniem, nav masas, tad gravitācijas viļņi kustēsies ar gaismas ātrumu, kas atbilst gravitācijas viļņu ātruma prognozei klasiskajā relativitātē. (To ātrumu var ietekmēt paātrinātā Visuma izplešanās, bet tam vajadzētu izpausties attālumos, kas ievērojami pārsniedz tos, uz kuriem attiecas LIGO).
Tomēr ir pilnīgi iespējams, ka gravitoniem ir maza masa, kas nozīmē, ka gravitācijas viļņi pārvietojas ar ātrumu, mazāku par gaismu. Piemēram, ja LIGO un Jaunava atklāj gravitācijas viļņus un uzzina, ka viļņi ieradās uz Zemes vēlāk nekā saistīti ar gammas staru kosmisko notikumu, tam varētu būt liktenīgas sekas pamata fizikai.
Vai kosmosa laiks ir veidots no kosmiskām stīgām?
Pat dīvaināks atklājums varētu notikt, ja tiek atklāti gravitācijas viļņu plīsumi, kas rodas no "kosmiskām virknēm". Šiem hipotētiskajiem telpas un laika izliekuma defektiem, kas var būt vai nebūt saistīti ar stīgu teorijām, jābūt bezgalīgi plāniem, bet stieptiem kosmiskos attālumos. Zinātnieki prognozē, ka kosmiskās virknes, ja tādas pastāv, varētu nejauši saliekties; ja aukla saliecas, tas izraisa gravitācijas pārspriegumu, ko varētu izmērīt tādi detektori kā LIGO vai Jaunava.
Vai neitronu zvaigznes var būt robainas?
Neitronu zvaigznes ir lielu zvaigžņu paliekas, kas sabruka zem sava svara un kļuva tik blīvas, ka elektroni un protoni sāka izkausēt neitronus. Zinātniekiem ir maz izpratnes par neitronu caurumu fiziku, bet gravitācijas viļņi varētu daudz par tiem pastāstīt. Piemēram, intensīvs smagums uz to virsmas neitronu zvaigznēm kļūst gandrīz perfekti sfēriskām. Bet daži zinātnieki ir ierosinājuši, ka viņiem var būt arī “kalni” - dažu milimetru augstumā -, kas padara šos blīvos objektus, kuru diametrs ir 10 kilometri, un tie vairs nav nedaudz asimetriski. Neitronu zvaigznes parasti griežas ļoti ātri, tāpēc asimetriskais masas sadalījums deformē telpas laiku un rada nemainīgu sinusoidālu gravitācijas viļņa signālu, palēninot zvaigznes griešanos un izstarojot enerģiju.
Neitronu zvaigžņu pāri, kas griežas ap otru, rada arī nemainīgu signālu. Tāpat kā melnie caurumi, šīs zvaigznes spirālē un galu galā saplūst raksturīgā skaņā. Bet tā specifika atšķiras no melno caurumu skaņas specifikas.
Kāpēc zvaigznes eksplodē?
Melnie caurumi un neitronu zvaigznes veidojas, kad masīvas zvaigznes pārstāj spīdēt un sabrūk sevī. Astrofiziķi domā, ka šis process ir visu izplatīto II tipa supernovas sprādzienu pamatā. Šādu supernovu simulācijas vēl nav parādījušas, kāpēc tās aizdegas, bet, domājams, ka atbildes noklausīšanās par reālās supernovas izstarotajiem gravitācijas viļņu pārrāvumiem sniedz atbildes. Atkarībā no tā, kā izskatās plīstošie viļņi, cik skaļi tie ir, cik bieži tie rodas un kā tie korelē ar supernovām, kuras izseko elektromagnētiskie teleskopi, šie dati varētu palīdzēt izslēgt virkni esošo modeļu.
Cik ātri Visums paplašinās?
Visuma paplašināšanās nozīmē, ka tālu objekti, kas attālinās no mūsu galaktikas, šķiet sarkanāki nekā patiesībā, jo to izstarotā gaisma stiepjas, pārvietojoties. Kosmologi novērtē Visuma izplešanās ātrumu, salīdzinot galaktiku sarkano nobīdi ar to, cik tālu viņi atrodas no mums. Bet šo attālumu parasti aprēķina, ņemot vērā Ia tipa supernovu spilgtumu, un šī metode atstāj daudz neskaidrību.
Ja vairāki gravitācijas viļņu detektori visā pasaulē uztver signālus no vienas un tās pašas neitronu zvaigznes apvienošanās, tad viņi kopā var absolūti precīzi novērtēt signāla skaļumu, kā arī attālumu, kurā notika apvienošanās. Viņi arī varēs novērtēt virzienu un līdz ar to identificēt galaktiku, kurā notikums noticis. Salīdzinot šīs galaktikas sarkano nobīdi ar attālumu līdz apvienojošajām zvaigznēm, var iegūt neatkarīgu kosmiskās izplešanās ātrumu, iespējams, precīzāku, nekā to atļauj pašreizējās metodes.